Биосинтез белка.

1. БЕЛОКСИНТЕЗИРУЮЩИЙ АППАРАТ.

2. ТРАНСЛЯЦИЯ.

3. РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА.

4. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.

Трансляция или собственно биосинтез белка - это перевод генетического текста М-РНК в последовательность аминокислот в белке. Характеристика белоксинтезирующего аппарата клетки.

1. МРНК - источник информации.

У эукариот имеется особенность - САР (шапка, кепка), представленная МЕТИЛ-ГТФ. САР защищает МРНК от гидролиза и способствует соединению с РИБОСОМАМИ. С САР связываются САР - связывающие белки. На МРНК находится стартовый кодон представленный триплетом АУГ, представленный аминокислотой - МЕТ.

РИБОСОМЫ - комплексы РРНК с порядка 80 белками, включая ферменты.
РИБОСОМА состоит из двух субъединиц - большой и малой. Рибосома у ЭУКАРИОТ более крупная, её формула 80S (40S и 60S). У ПРОКАРИОТ она имеет формулу 70S (30S и 50S)

Аминокислоты (20 видов), ТРНК(31 вид).

Несоответствие числа транспортных РНК и числа кодонов (61) снимается за счет возможности узнавания одной транспортной РНК нескольких кодонов данной аминокислоты, ГЛИЦИН имеет три варианта ДНК-кода - ГГУ, ГГЦ, ГГА. Все эти 3 варианта узнаются одним видом ТРНК – ЦЦИ. В состав транспортной РНК входят минорные азотистые основания, способные узнавать вариабельный участок разных кодонов одной и той же аминокислоты.

Транспортная РНК выполняет функцию АДАПТОРА между МРНК и белком. Фермент синтеза комплекса транспортной РНК с аминокислотой - АМИНОАЦИЛ-ТРНК-СИНТЕТАЗА С требует энергии АТФ и ГТФ.

Белковые факторы:

1.факторы ИНИЦИАЦИИ (ФИ) начала трансляции,

2.факторы ЭЛОНГАЦИИ (ФЭ) - продолжатели,

3.факторы ВЫСВОБОЖДЕНИЯ (R-факторы).

4.Ионы магния, как КОФАКТОРЫ.
5.АТФ, ГТФ - поддержка энергией.

ЭТАПЫ ТРАНСЛЯЦИИ.

1. РЕКОГНИЦИЯ (распознавание) - узнавание между аминокислотами и их транспортной РНК.

2. АК + ТРНК --- АМИНОАЦИЛ-ТРНК-СИНТЕТАЗА -----> АК-ТРНК

АТФ -----> АМФ + ФФ МЕТИОНИЛ-ТРНК

РЕКОГНИЦИЯ происходит столько раз, сколько аминокислот входит в состав белка.

3. ИНИЦИАЦИЯ - начало процесса трансляции.

На этом этапе РИБОСОМА взаимодействует с МРНК и находит стартовый кодон. Малая её субъединица взаимодействует с МЕТИОНИЛ-ТРНК и образует инициирующий комплекс, способный распознавать стартовый кодон. Этому предшествует разделение РИБОСОМЫ с помощью ФИ-3. Образование инициирующего комплекса происходит с помощью ФИ-2. Затем инициирующий комплекс присоединяется к МРНК с 5'-конца, Узнаванию 5'-конца способствуют САР и САР - связывающие белки. Реакцию обеспечивают ФИ-1. Сканирование инициирующим комплексом матричной РНК путем продвижения от 3’ к 5'-концу до обнаружения стартового кодона антикодоном МЕТ-ТРНК, Данный процесс энергозависим и требует энергии АТФ. После обнаружения стартового кодона собирается полностью РИБОСОМА путём фиксации 60S единицы, и высвобождаются белковые ФИ-1,2,3 и САР связывающие белки.

В РИБОСОМЕ выделяют Р-участок и А-участок.

Р-участок (ПЕПТИДИЛЬНЫЙ) - в нём происходит образование ПЕПТИДНЫХ связей. Это закрытая область РИБОСОМЫ, Вход и неё извне запрещен.

А-участок (АМИНОАЦИЛЬНЫЙ). Это открытая область РИБОСОМЫ — для поступления следующей аминокислоты.

4. ЭЛОНГАЦИЯ (продолжение) протекает циклически в виде последовательной смены трех фаз:

· присоединение следующей АМИНОАЦИЛ-ТРНК в соответствии со смыслом следующего кодона. Для процесса требуется энергия ГТФ и ФЭ-1 (проникновение в РИБОСОМУ).

· ПЕПТИЗАЦИЯ. Фермент ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗА обрадует ПЕПТИДНУЮ связь между двумя аминокислотными остатками и одновременно разрушает сложно эфирную связь между первой аминокислотой и её 1 РНК. В результате идет образование растущего ПЕПТИДА в А-участке и высвобождение первой ТРНК.

· ТРАНСЛОКАЦИЯ (перемещение).

При этом происходит перемещение РИБОСОМЫ на один кодом в направлении 3’-конца. При этом все остальные компоненты (МРНК, ТРНК) остаются на месте. Для процесса требуется энергия ГТФ и белковый ФЭ-2. Процесс циклический, т.е. фазы чередуют друг друга. Это происходит до обнаружения стоп (нонсенс) - кодона. Он не кодирует ни одну аминокислоту. Элонгация становится невозможной. Элонгацию и инициацию обозначают как собственно трансляцию.

5. ТЕРМИНАЦИЯ (прекращение).

Стоп - кодон распознаётся R-факторами (РЕЛИЗИНГ). Эти факторы высвобождают из связи все компоненты белоксинтезирующего комплекса: РИБОСОМУ, МРНК, ПОЛИПЕПТИД. Помогает фермент - ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗА, отщепляющий транспортную РНК от образованного ПОЛИПЕПТИДА. Для ТЕРМИНАЦИИ нужна энергия ГТФ. РИБОСОМА может повторно использоваться в трансляции. Матричная РНК или повторно используется в трансляции, или гидролизуется. ПОЛИПЕПТИД вступает в этап ПРОЦЕССИНГА белка.

6. ПРОЦЕССИНГ белка (созревание) - совокупность химических модификаций ПОЛИПЕПТИДА, заканчивающихся формированием зрелой белковой молекулы. ПРОЦЕССИНГ белка может быть:

· КОНТРАНСЛЯЦИОННЫЙ (во время трансляции)

· ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЙ.

Варианты ПРОЦЕССИНГА:

А) ограниченный протеолиз;

· отщепление N-концевой аминокислоты (МЕТ),

· отщепление ПЕПТИДНОГО фрагмента.

В) АЦИЛИРОВАНИЕ (присоединение остатка СНЗСООН); С) ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

D) ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ - образование ГЛИКОПРОТЕИНОВ и ПРОТЕОГЛИКАНОВ.

Е) ГИДРОКСИЛИРОВАНИЕ аминокислот

F) ОКИСЛЕНИЕ аминокислот

G) Образование четвертичной структуры в случае ОЛИГОМЕРНОСТИ белка. ПРОЦЕССИНГ включает в себя наивысшую точку - ФОЛДИНГ - сворачивание, обретение белком высших уровней пространственно-структурной организации, заканчивающееся формированием структурно и функционально зрелой молекулы.

ШАПЕРОНЫ - надмолекулярные комплексы белковой природы, способствующие быстрому и правильному ФОЛДИНГУ. В большом числе представлены белками теплового шока, ШАПЕРОНЫ препятствуют приобретению белком неправильной конформации. Неудачный ФОЛДИНГ заканчивается появлением аномальных белков, которые должны быть элиминированы.

УБИКВИТИН - белок, присутствующий в каждой клетке организма. Это «билет» на уничтожение аномального белка. Белок, меченый УБИКВИТИНОМ, разрушается в ПРОТЕОСОМАХ. В норме обеспечивается гомеостаз структуры белка, сохранение его нативной структуры.

При заболеваниях образуются аномальные белки, которые не утилизируются - ПРИОНЫ - ПРОТЕИНОГЕННЫЕ, информативные частицы. Это продукты неправильного ФОЛДИНГА, которые, попадая в организм извне, трансформируют нормальные белки данного организма в виде цепной реакции. ПРИОННЫЕ белки не расщепляются в ЖКТ, а всасываются в неизменённом виде. По сути ПРИОНЫ - это «отрицательные» ШАПЕРОНЫ.

КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ БЕЛКОВ (механизмы адресования).

Белки должны быть правильно распределены в клетке или выделены из нее на экспорт. За этот процесс отвечает сигнальный участок - это фрагмент аминокислотной последовательности синтезированного ПОЛИПЕПТИДА, содержащего условный адрес размещения белка.

Известно, что преобладание гидрофобных аминокислот в сигнальном участке, направляет белок в мембранную структуру клетки. Преобладание гидрофильных аминокислот в сигнальном участке способствует проникновению белка в цитоплазму и выделение на экспорт.

Синтезированные белки могут быть в виде надмолекулярных комплексов (ШАПЕРОНЫ, ПРОТЕОСОМЫ, белки микротрубочек).

БИОСИНТЕЗ ИНСУЛИНА.

ПРЕПРОИНСУЛИН - ПОЛИПЕПТИД, содержащий 110 аминокислотных остатков. Он содержит сигнальный участок, представленный гидрофильными аминокислотами, которые адресуют ПРЕПРОИНСУЛИН в ЭПС, После этого сигнальный участок отщепляется и образуется ПРОИНСУЛИН, содержащий 84 аминокислотных остатка. Он подвергается ОГРАНИЧЕННОМУ ПРОТЕОЛИЗУ путём вырезки внутреннего участка С-ПЕПТИДА, Образуется две цепочки из 21 и 30 аминокислот, которые затем соединяются дисульфидными связями с образованием молекулы инсулина из 51 аминокислотного остатка.

РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА.

Несмотря на единство общего генотипа, в организме человека присутствует примерно 200 фенотипов клеток, и фенотипические различия определяются экспрессией генов. В каждой клетке, независимо от фенотипа, экспрессируются гены «домашнего хозяйства» обеспечивающие элементарные процессы жизнедеятельности, характерные для каждой клетки. Регуляция биосинтеза белка у ПРО- и ЭУКАРИОТ различна.

У ПРОКАРИОТ основные положения теории регуляции изложены в 1961г. Ф.ЖАКОБОМ и Ж. МОНО.

1. Регуляция происходит только на уровне транскрипции. Первичные транскрипты генов у них транслируются до завершения транскрипции. Неоднородность ГЕНОМОВ. В геноме есть структурные гены и есть регуляторные области, которые могут включать регуляторные элементы и регуляторные гены. Структурные гены кодируют синтез структурных и функциональных белков. Регуляторные элементы не кодируют синтез белков вообще, но влияют на процесс транскрипции.

2. Регуляторными элементами являются:

ПРОМОТОР - место прикрепления к ДНК РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ,

ОПЕРАТОР - место взаимодействия регуляторных белков с ДНК.

Регуляторные гены кодируют синтез регуляторных белков. К ним относится белок - РЕПРЕССОР, который может блокировать считывание информации, связываясь с оператором.

Фрагмент ДНК, подверженный транскрипции называется ОПЕРОН (ПРОМОТОР, ОПЕРАТОР, структурный ген). За пределами ОПЕРОНА находятся гены-регуляторы, кодирующие синтез белка - РЕПРЕССОРА,

3. Регуляция биосинтеза белков у ПРОКАРИОТ протекает альтернативно путём репрессии и индукции.

ПРИМЕР: ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН. В микробной клетке лактоза с помощью лактазы расщепляется до галактозы и глюкозы. Лактозный ОПЕРОН регулирует синтез лактазы. Если в среде присутствует лактоза; то БЕЛОК-РЕПРЕССОР вытесняется из связи с оператором и гены лактазы транскрибируются. Лактоза выступает индуктором.

Регуляция биосинтеза белка у ЭУКАРИОТ происходит на всех уровнях матричных биосинтезов. На уровне транскрипции - групповая репрессия гистонами. У человека 90% ДНК репрессировано.

Амплификация генов - повышение числа копий гена в геноме (повышается площадь транскрипции). Регуляция транскрипции сигналами-регуляторами (усилителями и душителями). Для сигналов усилителей принят термин ЭНХАЙСЕР. Они не кодируют синтез белка, чрезвычайно эффективны, может наблюдаться 200-кратное усиление транскрипции. Действие не специфично (одновременно может влиять на группу генов). Значительно удалён от ПРОМОТОРА гена-мишени, подвержен влиянию регуляторных факторов (гормонов.).
Сигналы-душители называются САЙЛЕНСЕРЫ - угнетатели транскрипции. Особенности действия подобны ЭНХАЙСЕРАМ, только действие противоположное.

4. Регуляция на уровне процессинга МРНК

· разрешение или запрещение процессинга

· дифференциальный процессинг включает альтернативный СПЛАЙСИНГ - сборка РНК из разных экзонов, и редактирование МРНК - замена одного из нуклеотидов с изменением генетической информации, приводящее к образованию измененных белков.

5. На уровне стабильности и активности МРНК. МРНК в клетке образует комплекс с белками, который называется ИНФОРМОСОМА. В их составе МРНК не разрушается ферментами, сохранения в активном, стабильном состоянии. При необходимости она высвобождается из комплекса и транслируется. Процесс образования и распада ИНФОРМОСОМ регулируется гормонами. С одной молекулы РНК транслируется большое количество белков.

6. Регуляция на уровне трансляции:

· Тотальная регуляция может быть в виде тотальной репрессии или индукции за счет изменения концентрации белковых факторов трансляции

· Избирательная дискриминация. Определенные виды МРНК избирательно не транслируются. С них не синтезируется белок.

· Трансляция с альтернативных стартовых участков. Т.о. образом может происходить выбор исходной стартовой точки трансляции.