Биосинтез белка

Ген и генетический код

• Как известно, признаки и свойства каждого организма определяются прежде всего белками, которые синтезируются в его клетках • Белки выполняют самые разнообразные функции, обеспечивая тем самым протекание процессов жизнедеятельности • Для каждой клетки организма характерен свой набор специфических белков, информация о которых закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК

Ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре (т.е. последовательности аминокислотных остатков) одного белка*

Кроме того, генами называют участки ДНК, хранящие информацию о строении молекул рРНК и тРНК

В природе существует особая система кодирования, на основании которой последовательность нуклеотидов расшифровывается в виде последовательности белковых молекул, называемая генетическим кодом:

Генетический код — это система записи информации о первичной структуре белков в виде последовательности нуклеотидов ДНК (мРНК)

Свойства генетического кода

1) Триплетность - одну аминокислоту кодирует один триплет, состоящий из 3 нуклеотидов

2) Однозначность (специфичность) - каждый триплет кодирует только одну аминокислоту

3) Избыточность (вырожденность) - Одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами, так как аминокислот всего 20, а возможных триплетов 64 (из них кодирующие – 61)

4) Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав двух соседних триплетов

5) Непрерывность - В полинуклеотидной цепи нуклеотиды располагаются непрерывно и соседние триплеты ничем не отделены друг от друга (знаками препинания и тд), т.е, фактически деление на триплеты условно — все зависит от того, с какого именно нуклеотида начинается их считывание.

Следствие отсутствия знаков препинания между триплетами АУГЦ,УУ АУГЦУУ. При изменении количества нуклеотидов (их выпадение или вставка) на число, не кратное трем, наблюдается так называемый сдвиг рамки считывания. В результате этого последовательность аминокислот в цепи может измениться, а в некоторых случаях синтез белка прекращается (при возникновении стоп-кодонов).

6) Универсальность - Генетический код универсален для всего живого, т.е. у всех живых организмов одним и тем же триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты

Это свидетельствует о единстве происхождения живых организмов

Образование полинуклеотидной цепи

Удлинение полинуклеотидной цепи происходит за счет присоединения очередного нуклеотида, которое сопровождается образованием фосфодиэфирной связи между ОН–группой на 3’–конце и остатком фосфорной кислоты (фосфатом) свободного нуклеотида, т.е. удлиняться все время будет 3’–конец (так как к ОН–группе присоединяется полимераза (фермент), обеспечивающая образование фосфодиэфирной связи) Таким образом, на одной стороне молекулы всегда будет 5’–конец (фосфат), а на другой – 3’–конец (моносахарид)

Реакции матричного синтеза

Матрица – молекула, являющаяся основой для синтеза другого вещества

В основе матричного синтеза лежат принципы:

1) Комплементарность

2) Антипараллельность

Первая цепь (последовательность) нуклеотидов начинается с 3’–конца и заканчивается 5’–концом, а комплементарная ей начинается с 5’–конца и заканчивается 3’–концом:

К матричным реакциям относятся:

• репликация (самоудвоение ДНК перед делением)

• транскрипция (в том числе обратная)

• трансляция (биосинтез белка)

Биосинтез белка

Состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции

Транскрипция

Синтез всех видов РНК по матрице одной из цепей (матричной/транскрибируемой) ДНК

Помимо иРНК во время транскрипции на разных участках ДНК синтезируются тРНК и рРНК, которые также участвуют в биосинтезе, но непосредственными матрицами для синтеза белка они не являются (тРНК – транспортируют аминокислоты, рРНК – входят в состав рибосом)

Место протекания:

• У эукариот – ядро

• У прокариот – цитоплазма

Протекает в три этапа:

Инициация (начало/запуск синтеза)

Фермент РНК–полимераза узнает специальную стартовую последовательность нуклеотидов (промотор/старт–сигнал) и прикрепляется к ней

Под действием специальных белков (основную роль в этом выполняет сама РНК–полимераза) происходит разрыв водородных связей между цепями молекулы ДНК в месте считывания информации – молекула раскручивается.

Элонгация (рост/удлинение/наращивание цепи)

РНК–полимераза продвигается по одной из цепей ДНК (матричной) и достраивает РНК по принципу комплементарности из свободных нуклеотидов, которые плавают в ядре

Терминация (завершение синтеза)

РНК-полимераза узнает терминатор (стоп–сигнал/стоп–кодон) и отсоединяется от ДНК • Первичный транскрипт (пре–иРНК) отсоединяется от ДНК • Двухцепочечная структура ДНК восстанавливается

Созревание РНК

Первичный транскрипт (пре–иРНК) у эукариот не может сразу переходить к следующему этапу биосинтеза, так как содержит неинформативные участки, поэтому он подвергается процессингу, т.е. созреванию.

Место протекания:

• Ядро

Процессы:

• КЭПпирование – присоединение к 5'– концу КЭП структуры Значение: защита от воздействия гидролитических ферментов, обеспечивает взаимодействие иРНК с рибосомой

• Полиаденилирование – присоединение к 3'– концу поли(А)–хвоста (100–200 аденинов) Значение: защита от воздействия гидролитических ферментов

• Сплайсинг – вырезание интронов (неинформативных участков) и соединение экзонов (информативных участков)

Трансляция

Место протекания:

• Цитоплазма

Процессы:

Активирование (активация) аминокислот

Присоединение аминокислоты к определенной тРНК под действием специальных ферментов (аминоацил–тРНК–синтетаз*) *Для каждой аминокислоты имеется своя синтетаза Образование аминоацил–тРНК, т.е. тРНК с присоединенной к ней аминокислотой Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется за счет энергии АТФ, причем в результате между тРНК и аминокислотой образуется макроэргическая связь. Так происходит активирование и кодирование аминокислоты

АК активирована = обеспечена энергией для образования пептидной связи с другой аминокислотой (т.е. для роста полипептидной цепи) в рибосоме

1) Инициация (начало синтеза)

• Присоединение иРНК к малой субъединице рибосомы (в специальном активном центре – центре связывания) в области 5'–конца вблизи стартового (инициаторного) кодона АУГ (кодирует аминокислоту – метионин)

• Комплементарное присоединение инициаторной (первой, несущей АК – метионин) тРНК с помощью своего антикодона (3’–УАЦ–5’) к старт–кодону иРНК (5’–АУГ–3’)

• Присоединение к образовавшемуся комплексу (из малой субъединицы, иРНК и тРНК) большой субъединицы рибосомы, которая содержит два особых участка (активных центра) — пептидильный центр (П–центр / П–сайт ) и аминоацильный центр (А–центр / А–сайт)

• Прикрепление происходит таким образом, что в П–центре оказывается инициаторная тРНК, связанная со стартовым кодоном, а в А–центре — второй кодон (тот, который следует за стартовым)

2) Элонгация (удлинение полипептидной цепи)

• В А–центр поступает тРНК, принесшая вторую аминокислоту, и комплементарно связывается со вторым кодоном иРНК

• Аминокислота инициаторной тРНК отщепляется от нее и переносится из П–центра ко второй аминокислоте в А–центр. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь*

Сдвиг (шаг) рибосомы в сторону 3’–конца иРНК на один триплет под действием специальных белков. При этом первая (инициаторная) пустая тРНК отделяется от иРНК и покидает рибосому, а вторая тРНК (с дипептидом) перемещается и занимает ее место в П–центре. В освободившийся А–центр поступает новая аминоацил–тРНК и описанная последовательность процессов (перенос пептида → образование новой пептидной связи → сдвиг рибосомы) повторяется многократно, в результате чего происходит удлинение полипетидной цепи.

Терминация (конец синтеза)

Синтез полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока в А–центр рибосомы не попадет один из стоп–кодонов мРНК: 5’–УАА–3’, 5’–УАГ–3’ или 5’–УГА–3’, т.е. к ним молекулы тРНК не присоединяются, из–за чего процесс трансляции прекращается. Происходит отделение от рибосомы молекулы мРНК и синтезированной полипептидной цепи, а сама рибосома обычно диссоциирует – распадается на две отдельные субъединицы.

*Процессы трансляции требуют наличия разного рода белков–ферментов (факторов инициации, элонгации и терминации) и энергии АТФ

Схема биосинтеза белка у эукариот (т.к. есть оформленное ядро)

Посттрансляционная модификация (созревание белков)

Для выполнения своих биологических функций белкам, образовавшимся непосредственно в результате трансляции (т.е. незрелым белкам) требуются определенные изменения состава и структуры, осуществляемые в АГ (преимущественно) и ЭПС:

• У большинства белков происходит отщепление первого аминокислотного остатка – метионина

• Белок приобретает характерную пространственную конфигурацию: сначала формируется вторичная структура белковой молекулы, затем – третичная и, если это необходимо для функционирования белка, четвертичная

• Сложные белки (протеиды) формируются путем присоединения к полипептиду веществ небелковой природы

Особенности биосинтеза белка у прокариот

• У прокариот процессы транскрипции и трансляции сопряжены, так как (в отличие от эукариот) не разграничены ядерной оболочкой и не содержат интронов (т.е. не претерпевают сплайсинг)

• Синтезированная во время транскрипции иРНК может сразу взаимодействовать с рибосомой и участвовать в трансляции (т.е. трансляция может начаться еще до завершения транскрипции)

Организация генома у прокариот и эукариот

Геном – совокупность наследственного материала клетки

Общий план строения генов у эукариот и прокариот схож – все они содержат:

Регуляторная зона:

• Промотор – место связывания с РНК–полимеразой во время инициации транскрипции

• Оператор – место для присоединения белка–регулятора, который либо активирует транскрипцию (активаторы), либо замедляют ее (репрессоры), т.е. уменьшают экспрессию гена (активность синтеза гена РНК с этого гена) 

Транскрибируемая зона: основная структурно–функциональная единица гена, которая содержит информацию о синтезируемых аминокислотах

Терминатор – участок, на котором заканчивается синтез иРНК

Однако организация генов сильно отличается:

Согласно гипотезе Жакобо и Моно существует два вида генов:

• Структурные – определяют структуру ферментов или других белков с различной функцией

• Регуляторные – ответственны за синтез регуляторных белков (активаторов и репрессоров), которые определяют активность структурных генов

Для прокариот характерно объединение нескольких структурных генов в функциональную единицу – оперон

Объединенные в оперон структурные гены контролируются одним и тем же промотором и оператором (регуляторной зоной). Гены регуляторы, которые регулируют работу оперона, могут быть заметно от него удалены

У эукариот объединение в опероны не встречается • Транскрибируемая зона содержит неинформативные (интроны) и информативные (экзоны) участки • Каждый ген имеет свою регуляторную зону (промотора и оператора)

Сравнительная таблица

Регуляция обменных процессов в клетке

Белки являются основой регуляции всех процессов жизнедеятельности клетки – все особенности организма определяются теми белками, которые синтезируются в его клетках. В каждой клетке многоклеточного организма содержится одинаковый набор хромосом, однако клетки такого организма дифференцированы, т.е. разнообразны по структуре и функциям (в них синтезируются и накапливаются различные белки). Доказано, что это связано не с потерей части генов ДНК при дифференцировке клеток, а с активностью определенных генов (экспрессией генов)

К примеру, инсулин – гормон, который вырабатывается клетками поджелудочной железы. Однако, гены, содержащие информацию об этом белке, имеются также, например, и у клеток мышечной ткани, но в данных клетках экспрессия таких генов (т.е. транскрипция и последующая трансляция) будет подавлена, поэтому в мышечных клетках инсулин не образуется

Регуляция активности генов

Осуществляется на любом уровне биосинтеза белка:

• Первичный контроль – на уровне транскрипции с помощью регуляторных белков

• На этапе процессинга иРНК

• В процессе трансляции

• При модификации

Белок–регулятор через взаимосвязь с оператором руководит работой всего оперона:

Например, «выключение» (репрессия) структурных генов обеспечивается белком–репрессором, который присоединяется к оператору и блокирует действие РНК–полимеразы.

При транскрипции со структурных генов (транскрибируемого участка) оперона будет считываться одна молекула иРНК, содержащая несколько кодирующих участков, каждый из которых будет иметь свой старт– и стоп–кодоны, т.е. с каждого из таких участков синтезируется один белок. Таким образом из одной молекулы иРНК синтезируется несколько белков

Не все регуляторные белки равны по значимости – имеются белки, которые координируют работу целой системы генов–регуляторов органа и даже целого организма

Например, отсутствие одного–единственного гена — регулятора мужского полового гормона тестостерона — приводит к тому, что эмбрион с мужским типом наследственной информации развивается по женскому типу и превращается в почти нормальную женщину

Механизм двойной регуляции клеточного метаболизма.

Кроме прямой регуляции (влияния белка–регулятора на структурный ген) в клетке осуществляется и обратная регуляция — влияние структурного белка или продукта, синтез которого катализирует данный белок, на регуляторный белок.

Например, при возрастании концентрации конечного синтезируемого продукта это вещество может связываться с регуляторным белком, который, в свою очередь, заблокирует синтез иРНК, а следовательно, и синтез белка – происходит ингибирование процесса считывания информации со структурных генов по типу отрицательной обратной связи.