Биосинтез белка - реализация наследственной информации (экспрессия генов)

Теоретические вопросы молекулярных основ наследственности

Носителями наследственной информации в клетке является нуклеиновые кислоты. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК - дезоксирибонуклеиновая и РНК - рибонуклеиновая кислота, они отличаются химическим строением и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды, состоящие из 3-х компонентов: 1) остатка молекулы фосфорной кислоты, 2) моносахарида - пентозы (рибоза или дезоксирибоза) 3) одного азотистого осно­вания (пурина или пиримидина): аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У).

В состав ДНК входит моносахарид дезоксирибоза С5Н10О4, в РНК - рибоза С5Н10О5 (с чем и связаны различия в наименовании нуклеиновых кислот).

Азотистые основания А, Г, Ц встречаются в ДНК и РНК, но тимин входит в состав только ДНК, а урацил - только в РНК.

Наследственная информация записывается с помощью генетического кода, она заключена в последовательности нуклеотидов ДНК, одним триплетом или кодоном, кодируется одна аминокислота. Генетический код - это система запи­си информации в молекулах м-РНК о расположении аминокислот в молекулах белка. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на м-РНК.

Основные биологические функции ДНК заключаются в: 1) хранении, 2) самовоспроизведении (репликации), 3) передаче генетической информации, пу­тем редупликации ДНК дочерними клетками в процессе индивидуального раз­вития и передаче наследственной информации из поколения в поколение через половые клетки, 4) ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи информации из ядра к месту синтеза белка - репликация м-РНК.

Кроме того, ДНК имеет свойства репарации (восстановления структуры ДНК), рекомбинации и мутации, обусловливающие наследственную изменчи­вость организмов. Вот такие чрезвычайно важные и необходимые функции и свойства имеет и выполняет ДНК как для поддержания, так и воспроизведения жизни на Земле.

Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации. Именно м-РНК является посредни­ком (матрицей) между ДНК, находящей в ядре и строящейся белковой молеку­лой на полирибосоме в цитоплазме, р-РНК входит в состав рибосом, а т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. По структуре различают двухцепочечные РНК, являющиеся хранителями генетической информации у вирусов растений и ряда вирусов животных, и одноцепочечные РНК. В цепочку РНК нуклеотиды соединяются путем образования связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Большую часть РНК составляет рибосомальная РНК - р-РНК (80%-90%), входящая в состав рибосом, расположенных в цитоплазме, она включает от

3 до 5 тысяч нуклеотидов. Молекулы информационной РНК - м - РНК могут состоять из 300-30000 нуклеотидов, на ее долю приходится до 5% всей РНК. Транспортные РНК (т-РНК) включают 75-95 нуклеотидов, их количество со­ставляет 5-10 %. Если рибонуклеиновые кислоты преимущественно располага­ются в цитоплазме, (от 3% до 7% р-РНК содержится в ядрышке ядра), то ДНК локализована в ядре, в цитоплазме она находится в митохондриях и хлоропла-стах растений.

 
 

Способность ДНК к авторепродукции и способность со бмп. носителем наследственной информации обусловлена особенностью ее строения. Молекула ДНК по Д.Уотсону и Ф.Крику (1953 г.) представляет собой двойную спираль, состоящую из двух закрученных антипараллельных полинуклеoтидных цепей вокруг собственной оси, соединенных водородными связями азотистых оснований, причем спаривание оснований ДНК высоко специфично, адениловый нуклеотид комплементарен только тимидиловому (2-е водородные связи), а гуаниловый - цитидиловому (3-й водородные связи). Аденин и гуанин относится к пуриновым азотистым основаниям, а тимин и цитозин к пиримидиновым, сум­ма пуриновых оснований Σ(А+Г) равняется сумме пиримидиновых Σ(Т+Ц)

 

Правило Чаргаффа.

Расстояние между нуклеотидами 0,34 нм, полный виток включает 10 нуклеотидов, его длина 0,34 нм х 10=3,4 нм, диаметр ДНК - 2 нм.

Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. В каждой отдельной цепи нуклеотиды соединяются между собой путем образований фосфодиэфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида, так как начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 51, а у третьего атома углерода С-31 имеется гидроксильная группа, это позволяет выделить в ней направление 51—З1 концы и данной цепи, в другой цепи ДНК фосфодиэфирная связь устанавливается в об­ратном направлении З1→51, поскольку полинуклеотидные цепи антипаралельны 51 конец одной цепи соединяется с З1 концом другой, и наоборот. Отноше­ние (А+Т)/(Г+Ц) специфично для каждого вида организмов (коэффициент специфичности), у кишечной палочки он составляет 0,43; у эукариот 1,50.

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру – одну полинуклеотидную цепь, вторичную – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями. Такое состояние обеспечивает прочную и относительную стабильность ДНК, а также сохранение равного расположения между нуклеотидами на всем протяжении молекулы ДНК. И третичная структура – трехмерная спираль ДНК. В одну молекулу ДНК может входить от 106 до 108 и более нуклеотидов, таким образом, ДНК — биополимер с очень большой молекулярной массой.

Как было отмечено выше, одним из свойств наследственного материала является его способность к самокопированию - репликации, или редупликации, что обусловлено особенностями химической организации молекулы ДНК, со­стоящей их двух комплементарных цепей. С помощью фермента геликазы двойная спираль расплетается и при участии фермента ДНК - полимеразы на каждой цепи материальной молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали, такой способ удвоение молекул, при котором каждая дочер­няя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

В 1958 г. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной био­логии, указав, что перенос информации протекает следующим образом: ДНК→ РНК→белок. В 1970 г. была открыта обратная транскриптаза X. Теминым и Д. Балтимором и догма приобрела следующий вид: ДИК↔РНК→белок.

Биосинтез белка - реализация наследственной информации (экспрессия генов)

Многообразие свойств белковых молекул определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. При биосинтезе белка в живых системах, в отличие от неживой природы, реализуется два ее фунда­ментальных принципа: 1) принцип коплементарности; 2) принцип матричности, который осуществляется при синтезе ДНК, всех видов РНК, при делении кле­ток, при биосинтезе белка.

Биосинтез белка делится на несколько этапов: транскрипцию и трансля­цию. Транскрипция - переписывание информации путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК молекулы м-РНК,последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеоти­дов матрицы - полипептидной цепи ДНК. Существуют механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информа­ция, фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза садится на ген промотор, и это пусковой механизм, начало транскрипции. РНК - полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК, две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них - смысловой, или кодогенной, фермент РНК-полимераза осущест­вляет синтез м-РНК (и-РНК).

Имеются и механизмы завершения транскрипции, точное переписывание идет до тех пор, пока РНК-полимераза не встречает кодоны - терминаторы транскрипции: УАА, УАГ, УГА - стоп-кодоны, к которым нет т-РНК. В этом участке РНК полимераза отделяется как от матрицы ДНК, которая восстанав­ливает двухцепочечную структуру, так и от вновь синтезированной м-РНК.

Трансляция - передача или перевод информации, заключенной в после­довательности нуклеотидов молекулы м-РНК в последовательность ами­нокислот полипептидной цепи.

У прокариот (бактерии и цианобактерии), не имеющих оформленного яд­ра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой м-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синте­за.

У эукариот м-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную обо­лочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой м-РНК. Кроме транспорта м-РНК к рибосомам эти белки защищают м-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов (комплекс м-РНК с белками в ядре носит название - информоферы, в цитоплазме заменяются белки и название комплекса м-РНК с белками - информосомы).

Для осуществления трансляции необходим процесс рекогниции - узнава­ние т-РНК своих аминокислот, он проходит в два этапа аминокислоты (А) ак­тивируется АТФ и узнающими ферментами (Е) - аминоацил т-РНК синтетазами. В цитоплазме существует целый набор таких ферментов, которые способны к пространственному узнаванию, с одной стороны, своей аминокислоты, а с другой - соответствующего ей антикадона т-РНК

I А+АТФ+Е→АДФ +АфЕ—аминоациладенилат (первый этап);

на втором этапе АфЕ (аминоациладенилат) соединяется с т-РНК (с ОН - груп­пой, находящейся на 3 — конце соответствующей т — РНК, а аминокислота при­соединяется своей карбоксильной группой), в итоге образуется аминоацил­аденилат т-РНК синтетаза.

Транспортные РНК имеют вид клеверного листа (тройчатый сложный лист), на черешке листа - акцепторный участок, содержащий семь пар основа­ний, имеется и одноцепочечный участок, который заканчивается последова­тельностью ЦЦА у всех т-РНК (а всего т-РНК в клетке более 60 видов, в связи с вырожденностью генетического кода), со свободной ОН - группой, к этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Противоположный участок акцепторому черешку листа содержит в центре петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные коду м-РНК, который шифрует аминокислоту, доставляемую т-РНК к месту синтеза белка. Таким образом,с помощью системы т-РНК язык нуклеотидной последовательности м-РНК транслируется в язык аминокислотной последовательности пептида.

Биосинтез белка происходит на полирибосомах. Информационная матричная-РНК проходит по борозде (желобок) между двумя субчастицами рибосом. Полирибосома предоставляет собой м-РНК с нанизанными на ней рибосомами. Рибосомы про- и эукариот очень сходны по структуре и функциям. Они состоят из 2-х субчастиц большой и малой. У эукариот малая субчастица образована одной молекулой р-РНК и 33 молекулами разных белков. Большая субчастица объединяет три молекулы р-РНК и около 40 белков. Прокариотические рибо­сомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов.

Рибосомы формируются в ядрышке ядра, но обе субчастицы соединяются при участии катионов Mg только во время синтеза белка.

В рибосомах имеются две бороздки, в одной из них располагается м-РНК, в другой удерживается растущая полипептидная цепь. Кроме того, в рибосомах выделяют два участка, связывающих т-РНК: 1) А - участок аминоацильный, где размещается аминоацил - т-РНК, несущая определенную аминокислоту; 2) П -участок пептидильный, в котором происходит сборка аминокислот, соединен­ных пептидными связями.

Через одну рибосому в данный момент проходит сегмент м-РНК протя­женностью 30 или более нуклеотидов, но считывается только два триплета двумя т-РНК, расположенные рядом с м-РНК. В ходе трансляции можно выде­лить три фазы: 1) инициация (начало синтеза пептида); 2) элонгация (наращи­вание полипептидной цепи); 3) терминация (завершение синтеза пептида), для инициации трансляции нужен инициирующий кодон-АУГ, несущий информацию об аминокислоте - метионин.

Соответственно антикодон т-РНК, несущий метионин к рибосоме, должен представлять собой УАЦ.

Антикодон инициаторный т-РНК (УАЦ) позволяет малой субчастице при­соединиться к старт-кодону АУТ м-РНК, после чего происходит соединение большой и малой субчастиц и формируется функциональная рибосома. Затем молекула инициаторный т-РНК и связанный с ней метионин оказывается в П-пептидильном участке рибосомы. В А-участок рибосомы входит следующий код он м-РНК (например УУУ). За счет комплементарного спаривания нуклео­тидов кодона м-РНК - УУУ и антикодона т-РНК - ААА, аминокислота фенилаланин попадает в А-участок.

Таким образом, узнавание комплементарности кода м-РНК антикодону т-РНК происходит через малую субчастицу в ее А-участке. Посредством специ­ального фермента, находящегося в рибосоме, карбоксильная группа метионина (-СООН) присоединяется к аминогруппе фенилаланина (-NH2) и образуется дипептид метионин (CO-NH-) фенилаланин, связанный с т-РНК фенилаланина. Затем кодон УУУ м-РНК переходит в П-участок, а А-участок освобождается для следующего кодона, рибосома прерывисто передвигается по м-РНК, т.е. сделает один шаг после встраивания аминокислоты с т-РНК в полипептидную цепь (либо скользит прерывисто сама м-РНК). В освобожденный А-участок по­ступает следующий кодон, например ГУГ, несущий информацию об аминокис­лоте валин.

Снова происходит спаривание кодона ГУГ м-РНК с антикодоном т-РНК -ЦАЦ, т.е. их комплементарное взаимодействие, в случае комплементарности между фенилаланином и валином образуется пептидная связь, фенилаланин те­ряет связь со своей т-РНК, образуется трипептид с т-РНК валина, а рибосома делает прерывистый следующий шаг, соответствующий одному кодону. Теперь следующий кодон м-РНК приходит в контакт с А-участком рибосомы, где он будет «опознан» специфически антикодоном т-РНК, с соответствующей здесь аминокислотой. И так считывается триплет за триплетом, т.е. происходит удли­нение пептида, фаза элонгации. Она включает в себя реакции от момента обра­зования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты.

Фаза терминации, или завершения синтеза полипептида прекращается ко­гда в А-участок рибосомы входит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА, как указывалось выше, к ним нет т-РНК. Особый белковый фактор освобожде­ния связывается со стоп-кодоном, попавшим в А-участок рибосомы. Прим этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода, и ее карбок­сильный конец отделяется от т-РНК.

В результате завершения пептидная цепь теряет связь с рибосомой, кото­рая распадается на две субчастицы. Таким образом, на рибосоме синтезируется первичная структура белковой молекулы, обусловленная пептидной или ковалентной взаимосвязью между аминокислотами. Для включения одной амино­кислоты в полипептидную цепь необходимо 3 молекулы АТФ. Сборка пептид­ной цепи у бактерий осуществляется с большой скоростью, зависящей от тем­пературы: при 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в 1 секунду, у эукариот эта скорость ниже и выражается в добав­лении двух аминокислот в 1 секунду.








Дата добавления: 2016-03-05; просмотров: 3214;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.