Ген – это последовательность нуклеотидов ДНК, определяющая последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ. СИНТЕЗ БЕЛКА

Структуры белков определяется последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эта последовательность аминокислот зашифрована в молекулах ДНК с помощью генетического кода.

Генетический код это последовательность из трех нуклеотидов в молекуле ДНК. Генетический код образуется сочетанием четырех нуклеотидов, из которых образуется 4³ = 64 триплета.

Триплет – это определенное чередование трех нуклеотидов в молекуле ДНК соответствующая определенной аминокислоте. 61триплет кодирует 20 аминокислот, а три триплета – терминирующие, которые кодируют остановку синтеза белка.

Свойства генетического кода:

1 триплетность – одной аминокислоте соответствует последовательность из трех нуклеотидов.

2 вырожденность - одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов, (максимум - шесть).

3 специфичность – каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

4 универсальность – у прокариот и эукариот одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

5 неперекрываемость – т.е. каждый последующий нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания.

Наследственная информация, записанная с помощью генетического кода, хранится в молекуле ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется посредством транскрипции и трансляции. В этом процессе участвуют тРНК, иРНК и рРНК.

Синтез белка — сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

1. Первый этап — синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).

2. На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов — антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

3. Третий этап — это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

4. На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Транскрипция у эукариот

Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3'- к 5'-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).

В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5'-конца, 2) полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».

Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами.

Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре.

Синтез иРНК начинается с обнаружения РНК - полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – протомотра. После присоединения к промотору, РНК-полимераза раскручивает виток спирали ДНК. Две цепи ДНК расходятся и с одной из них, которая называется кодогенной, в направлении 5-3 синтезируется иРНК при помощи РНК- полимеразы. Продвигаясь вдоль цепи ДНК РНК-полимераза комплементарно переписывает информацию до тех пор, пока не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется от иРНК.

Участок ДНК включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор образуют единицу транскрипции – транскриптон.

Ген неоднороден, а гетерогенный, т.е. он представлен информативными участками, которые называются экзоны и неинформативными – интроны (представленные сателлитной ДНК). После транскрипции образуются иРНК, которая является незрелой РНК – про иРНК (предшественник иРНК). Далее следует процесс созревания, т.е. неинформативные участки интроны вырезаются – это называется процессингом, а информативные участки экзоны сшиваются – это называется сплайсингом. После созревания иРНК представлена последовательностью кодонов, которые определяют последовательность аминокислот при трансляции.

Сплайсинг осуществляется сплайсосомой — массивной структурой, в состав которой входит 5 малых ядерных нуклеопротеидных частиц (snRNP) — U1, U2, U4, U5 и U6 (U3 не участвует в сплайсинге) — и большого количества вспомогательных белков.

Трансляция.- это перевод последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Трансляция проходит на рибосомах. В трансляции кроме иРНК участвуют тРНК и рРНК. тРНК – транспортная РНК представляет собой последовательность нуклеотидов (в количестве 75-95), и выполняет такую важную функцию как транспорт аминокислот к рибосоме. По форме тРНК напоминает лист клевера, в котором выделяются четыре главные части, выполняющие различные функции. Верхний акцепторный стебель присоединяет транспортируемую аминокислоту. Соединение тРНК со своей аминокислотой приводит к образованию соединения, называемого аминоацил-тРНК. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК, несущей соответствующий антикодон, достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Нижняя петля содержит антикодон, комплементарный кодону иРНК, который шифруют аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к рибосоме. Известно 40 видов тРНК.

В рибосоме выделяют два активных центра:

аминоацильный - А;

пептидильный - П.

В каждом центре находится по одному кодону иРНК.

В ходе трансляции выделяют три фазы: инициация, элонгация и терминация.

Фаза инициации или начало синтеза пептида заключается в объединении двух субчастиц рибосомы на определенном участке иРНК и присоединение к ней первой тРНК, которая несет метианин и располагается в П центре, где находится стартовый кодон иРНК – АУГ.

Фаза элонгации или удлинение пептида. тРНК с аминокислотой например, триптофан – (Три), поступает в А-центр. Если антикодон данной тРНК комплементарен кодону иРНК в А-центре, то происходит комплементарное взаимодействие и между метианином тРНК П-центра и триптофаном тРНК А-центра образуется пептидная связь. Далее цепочка аминокислот с тРНК П-центра переходит на тРНК А-центра. Свободная тРНК П-центра уходит в цитоплазму освобождая тем самым П-центр. Рибосома делает шаг таким образом, что тРНК А-центра перемещается в П-центр, а А центр остается свободным, в котором появляется новый кодон иРНК. Перемещение тРНК, нагруженной пептидной цепочкой из А-центра в П-центр сопровождается продвижением рибосомы по иРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Это происходит до тех пор, пока в А центр не поступит кодон-терминатор, для которого не существует тРНК.

Фаза терминации или завершение синтеза пептида связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, или УГА), когда тот входит в зону А-центра рибосомы. К последней аминокислоте пептидной цепи присоединяется вода и пептидная цепь отделяется от тРНК. Когда полипептидная цепь теряет связь с рибосомой, она распадается на две субчастицы. Таким образом, синтез белка заканчивается.

Ген – это последовательность нуклеотидов ДНК, определяющая последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Трансляция

Органоиды, обеспечивающие трансляцию, — рибосомы. Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3'-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК. В структуре транспортной РНК имеются 3 "шпильки" и стебелек. Они образуются в результате комплементарности соседних участков РНК. На вершине каждой "шпильки" расположена петля. В антикодоновой петле (петля 2) расположены три нуклеотида, которые называются антикодоном. Антикодон отвечает за правильную установку аминокислоты в полипептидной цепочке.

Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне тРНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных тРНК.

Синтез белка начинается с того момента, когда к 5'-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.

Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.

Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.

Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.

Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек. В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).

Процесс элонгации продолжается до тех пор, пока в А-участок не попадет стоп-кодон, для которого в клетке нет тРНК с комплементарным антикодоном. Напомним, что стоп-кодонами являются три кодона: UAA, UAG, UGA. На этих кодонах процесс элонгации останавливается, и начинается завершающий этап биосинтеза белка, называемый терминацией.

ТЕРМИНАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ

В действие вступают вспомогательные белки, называемые факторами терминации. Эти белки узнают стоп-кодоны и связываются в рибосоме на место тРНК в А-участке. При этом происходит гидролиз связи синтезированного пептида с тРНК. Это приводит к тому, что освободившаяся тРНК покидает рибосому, а образовавшийся пептид освобождается и начинает самостоятельное существование. Рибосома диссоциирует на субъединицы и освобождает мРНК.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: