Биосинтез белков

Страница из 9

 

Биосинтез белков

Реализация наследственной информации, заключенной в генотипе организма, происходит в результате синтеза белка. Синтез белка носит матричный характер. Сами по себе аминокислоты соединиться в полипептидную цепочку не могут, для этого необходим шаблон — матрица. Матрица определяет возможность создания полипептидной цепочки, а также ее специфичность (последовательность аминокислот). Матрицей для синтеза белка служит нуклеиновая кислота. Вся эта цепь событий ДНК —> про-мРНК (предшественник мРНК) —> мРНК —> белок носит название экспрессии генов и включает: транскрипцию — синтез про-мРНК с последовательностью оснований, комплементарных (соответственных) ДНК; посттранскрипционные изменения, при которых про-мРНК перерабатывается в мРНК и переносится в цитоплазму на рибосомы; трансляцию — процесс синтеза белка с определенной последовательностью аминокислот. Рассмотрим эти процессы подробнее. План построения белка зашифрован в ДНК и находится в ядре. Между тем синтез белка осуществляется на рибосомах, которые в основном расположены в цитоплазме. Молекулы ДНК слишком велики и через поры ядра выйти не могут. Передача информации от ДНК осуществляется с помощью информационной или матричной РНК (мРНК). Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). В клетках прокариот транскрипция начинается с того, что фермент РНК-полимераза узнает определенную последовательность нуклеотидов ДНК (промотор). Для успешного взаимодействия РНК-полимеразы с ДНК-матрицей не­обходима белковая субъединица сигма. Показано, что у бактерий имеется несколько генов, кодирующих разные сигма-субъединицы. Связываясь с промотором, фермент расплетает в этом участке двойную спираль ДНК. После этого ДНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК и на одной из нитей (значащей), Как на матрице, строится и-РНК. Процесс транскрипции происходит в определенные моменты жизни клетки — именно в период между делениями (интерфаза). Транскрипция на каждом этапе жизни клетки и организма происходит лишь на части (примерно 10%) так называемых активных генов. В результате процесса транскрипции образуется РНК комплементарная, т. е. соответственная той цепочке ДНК, на которой она строится. Так, если в молекуле ДНК имеется азотистое основание гуанин, то в РНК — цитозин, и наоборот. В ДНК комплементарной парой является аденин — тимин. Однако в составе РНК тимин заменяется урацилом. Поэтому если в молекуле ДНК имеется аденин, то в молекуле РНК напротив аденина будет урацил.

 

Регуляция транскрипции у эукариот отличается от таковой прокариот тремя важными особенностями. Во-первых, у эукариот функционируют три разных типа РНК-полимераз: I, II, III. Основная часть генов, кодирующих полипептиды, считывается РНК-полимеразой П. PHK-полимераза I катализирует образование части рибосомной РНК (рРНК), а PHK-полимераза III — мелких РНК, например, малых ядерных РНК (мяРНК). РНК-полимеразы выделены из клеток высших растений, в частности из проростков гороха и кукурузы. РНК-полимераза (полное название этого фермента ДНК-зависимая — РНК полимераза) как бы считывает генетическую информацию с ДНК и переводит ее на язык РНК. Во-вторых, PHK-полимераза эукариот не может самостоятельно начать, т. е. инициировать транскрипцию. Для этого необходим транкрипционный фактор, включающий большое число белков, которые для начала транскрипции должны объединиться в комплекс. В-третьих, у эукариот значительно сложнее устроен промотор. И, наконец, ряд особенностей транскрипции связан с молекулярной организацией гена у эукариот. В настоящее время доказано, что ДНК гена, не непрерывна, а как бы разорвана. Сегменты ДНК, несущие информацию,— экзоны разделены неинформативными сегментами — нитронами. Процесс транскрипции у эукариот начинается с того, что транскрипционный фактор образует комплекс и фосфорилирует РНК-полимеразу П. Именно транскрипционный фактор позволяет определить место инициации транскрипции. PHK-полимераза связывается с инициирующим фрагментом ДНК, считывая информацию в направлении 3' —> 5'. После этого транскрипционный фактор высвобождается и может снова соединяться с новой молекулой РНК полимеразы

 

Экспрессия генов у эукариот

 

 

Поскольку ген эукариот имеет прерывистую (экзон-интронную) структуру, то в процессе транскрипции PHK-полимераза считывает информацию со всей цепочки ДНК как с экзонов, так и с интронов. Образуется гигантская молекула РНК — предшественник мРНК (про-мРНК), которая значительно длиннее, чем зрелая мРНК. Молекулы про-мРНК претерпевают созревание—процессию. Здесь же в ядре из про-мНК вырезаются и удаляются участки, считанные с интронов, а фрагменты, которые были считаны с экзонов, соединяются в одну общую последовательность. Происходит сшивка или, как говорят, сплайсинг. В молекулярном механизме сплайсинга важнейшую роль играют так называемые малые ядерные РНК (мяРНК), которые катализируют процесс.

 

Кроме того, к образовавшейся РНК прикрепляется защитная химическая группировка — кэп (шляпка), которая блокирует 5'-конец мРНК и обеспечивает узнавание молекул РНК рибосомой. Также происходит присоединение к З'-концу последовательности, состоящей из 100—200 остатков адениловой кислоты (поли А). Такая химическая модификация мРНК необходима для стабильности мРНК, а также способствует транспорту зрелой мРНК из ядра. Перенос мРНК в цитоплазму к месту синтеза белка происходит через поры ядра в комплексе с белком. Сплайсинг происходит различными путями. В некоторых случаях экзоны вырезаются и не используются. Благодаря этому экспрессия одного гена приводит к появлению различных полипептидов — альтернативный сплайсинг.

 

В процессе синтеза белка важную роль выполняет еще одна группа рибонуклеиновых кислот — транспортные РНК (тРНК). Гипотеза об их существовании была высказана в 1955 г. Ф. Криком, который предположил, что в синтезе белка участвуют не сами аминокислоты, а продукты их взаимодействия с определенными веществами. В настоящее время установлено, что тРНК имеет сравнительно низкую молекулярную массу (25—30 тыс.), состоит из 70—80 нуклеотидов. В состав белков входит 20 аминокислот, каждой аминокислоте соответствует своя т-РНК. Благодаря определенному расположению комплиментарных нуклеотидов полинуклеотидная цепочка тРНК свернута определенным образом. В качестве обобщенной вторичной структуры принята структура, получившая название «клеверного листа». Однако для некоторых тРНК обнаружена иная структура, при которой одно «плечо» отсутствует. Рентгеноструктурный анализ позволил установить третичную структуру тРНК. Она оказалась составленной из двух стеблей наподобие буквы L.

 

 

 

Структура валиновой тРНК

Кроме отбора аминокислот, связывания их и переноса к месту синтеза белка (акцепторная функция), тРНК способна узнавать триплет мРНК, соответствующий транспортируемой аминокислоте и обеспечивать ее включение в определенный участок на растущей полипептидной цепи (адапторная функция). Поэтому каждая тРНК имеет двойную специфичность. Она несет специфичный триплет (антикодон), ответственный за прикрепление к определенному месту РНК (кодону). Вместе с тем тРНК специфична по отношению к ферментам аминоацил-тРНК-синтетазам, ответственным за их связывание с определенной аминокислотой. В свою очередь аминоацил-тРНК-синтетазы (или кодазы) также имеют двойную специфичность. Каждой аминоацил-тРНК-синтетазе соответствует своя тРНК и своя аминокислота. Для того, чтобы аминокислота вошла в состав полипептидной цепочки белка, нужна энергия. Активация, или обогащение энергией, аминокислоты (АК) происходит за счет ее реакции с АТФ: АК + АТФ = АК - АМФ + 2Фн. Реакция идет при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Образовавшийся аминоациладенилат остается связанным с ферментом и далее вступает в реакцию с тРНК, при этом образуется аминоацил-тРНК:

 

АК - АМФ + тРНК -> АК - тРНК + АМФ.

 

Таким образом, аминоацил-тРНК-синтетазы осуществляют оба этапа активации аминокислот: взаимодействие аминокислоты с АТФ, а затем ее перенос на молекулу тРНК. Процесс трансляции, или «перевода» нуклеотидной последовательности молекулы мРНК в последовательность аминокислот белковой молекулы начинается на рибосоме с образования комплекса между мРНК, аминоацил-тРНК и рибосомой. Этот этап — инициация трансляции — заключается в следующем. Одноцепочечная спирализованная молекула мРНК прикрепляется к малой субъединице рибосомы — к тому ее участку, который примыкает к большой субъединице. При этом в каждый момент к рибосоме прикрепляется небольшой участок цепи мРНК, содержащий один кодон. В участке малой субъединицы рибосомы к другому кодону мРНК с помощью антикодона присоединяется аминоацил-ДНК. Этот процесс идет при участии белков (факторы инициации). После того КЯХ инициаторная аминокислота (АК1) со своей тРНК1 вошла в малую субъединицу рибосомы, происходит смыкание последней с большой субъединицей. После смыкания субъединиц тРНК1 вместе с АК1 переносится на большую субъединицу. Одновременно мРНК перемещается на один кодон. В результате в малую субъединицу входит следующий кодон, кодирующий другую аминокислоту) - AK2. К этому кодону с помощью антикодона присоединяется комплекс тРНК1 с АК2. В рибосоме оказываются две аминокислоты, ориентированные друг около друга таким образом, что карбоксильная группа первой аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой второй аминокислоты. В результате сближения этих групп карбоксил отщепляется от тРНК1 и реагирует с аминогруппой второй аминокислоты, при этом образуется пептидная связь. Образовавшийся дипептид присоединен к тРНК2; тРНК1 высвобождается и уходит в цитоплазму. В результате дипептид с соответствующей т-PHK2 оказывается связанным с большой субъединицей, а мРНК перемещается еще на один триплет. Присоединение аминокислотных остатков (элонгация) повторяется многократно, пока не образуется полипептидная цепочка (белок).

 

Окончание образования полипептидной цепочки (терминация) связано с тем, что в малую субъединицу вступает терминальный кодон. Образовавшаяся полипептидная цепочка покидает рибосому. Показано, что каждая мРНК может нести информацию о нескольких молекулах белка. Большое значение имеет объединение рибосомы в цепочки — полисомы. В этом случае одна молекула мРНК может последовательно присоединяться к ним и служить матрицей для синтеза нескольких одинаковых молекул белка. Когда синтез белка закончен, мРНК распадается.

 

Поскольку синтез белковой молекулы идет с большой скоростью — от нескольких секунд до одной минуты, время жизни мРНК очень невелико. Правда, на определенных фазах развития растений синтезируются так называемые долгоживущие молекулы мРНК. Так, например, они имеются в семенах. При набухании и прорастании семян новообразование белков-ферментов может идти с использованием этой предобразованной мРНК. Таким образом, в жизни клетки важнейшее значение имеет триада ДНК — РНК — белок. Надо сказать, что у некоторых вирусов наследственную информацию несет РНК, а не ДНК. Есть вирусы, у которых имеется обратная последовательность: на молекуле РНК строится ДНК, которая переносит информацию. Процесс носит название обратной транскрипции.

 

Подводя итоги, можно сказать: из поколения в поколение каждого организма передаются специфические молекулы ДНК, которые несут в себе план построения белковых молекул. План построения белка записан в ДНК с помощью кода, представленного чередованием азотистых оснований. ДНК в процессе эволюции может претерпевать случайные изменения. Среди этих изменений, которые передаются по наследству, могут возникать полезные, дающие организмам преимущество в борьбе за существование. Эти изменения сохраняются естественным отбором. Новые комбинации, новые сочетания генов, новый геном создаются также в процессе скрещивания. В конце 70-х годов были проведены исследования, позволившие вскрыть еще один механизм генетических изменений, играющий важную роль в эволюции. Были открыты подвижные генетические элементы.

 

 

 

Схема биосинтеза белка

1 — связывание формилметионин-тРНК с начальным кодоном матричного полинуклеотида на 30S субъединице рибосомы;

2 — ассоциация субъединиц в полную рибосому;

3 — транслокация формилметионин-тРНК на 50S субъединицу рибосомы;

4 — связывание второй  аминоацил-тРНКаа с 30S субъединицей рибосомы;

5 — образование первой  пептидной связи — перенос  формилметионинового остатка с тРНК ф-мет на аминогруппу аминоацил-тРНКза

Оказалось, что некоторые участки ДНК (гены) способны перемещаться как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Эти участки ДНК получили название мобильных или «прыгающих» генов. Перемещение участков может вызывать мутационные (наследственные) изменения, а также регулировать работу (экспрессию) генома. Впервые «мобильные» гены были открыты в растениях кукурузы еще в конце 40-х годов Барбарой Мак-Клинт. Однако только в последние годы было показано, что давно известная мозаичная окраска зерна кукурузы — результат действия «мобильных» генов. В настоящее время показано, что мобильные генетические элементы — широко распространенное явление, и это важный источник изменчивости, т. е. того материала, из которого под действием естественного отбора сохраняется все полезное для вида. Не исключено, что они оказывают влияние и на развертывание генетической программы в процессе индивидуального развития организма.

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источник:    

Copyright © 2010-2013 "Физиология растений" Онлайн-энциклопедия fizrast.ru