Биосинтез белков
Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул м. РНК и т. РНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.
Фундаментальные открытия 50 -х годов § В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили знаменитую модель структуры ДНК в виде двойной спирали § Хотя генетический код еще не был раскрыт, Г. Гамов предложил считать, что он должен быть триплетным. Кодо н— единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты.
Адапторная теория Ф. Крика § Ф. Крик в 1955 году предположил, что должно существовать семейство малых молекул РНК с двойной функцией - каждая из них должна ковалентно связываться с определенным аминокислотным остатком и в то же время иметь в своем составе нуклеотидный триплет, комплементарный кодону для этой аминокислоты. Эти гипотетические РНК должны выполнять функцию адапторов (переходников). Поскольку аминокислот 20, то и соответствующих им РНК-адапторов должно быть не меньше. Ф. Крик предположил, что их ковалентное связывание осуществляет 20 специальных ферментов, по одному на каждую аминокислоту.
Генетический код Это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
Расшифровка генетического кода. § Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall W. Nirenberg) и Дж. Генрих Маттеи (J. Heinrich Matthaei) из Национального института здравоохранения в городке Бетезда под Вашингтоном, округ Колумбия, поставили первые эксперименты, которые привели к разгадке генетического кода.
§ Они начали с того, что синтезировали искусственные молекулы и. РНК, состоявшие только из повторяющегося азотистого основания урацила. Они добавляли эти и. РНК в тестовые пробирки со смесью аминокислот, причем в каждой пробирке лишь одна из аминокислот была помечена радиоактивной меткой. Исследователи обнаружили, что искусственно синтезированная ими и. РНК инициировала образование белка лишь в одной пробирке, где находилась меченая аминокислота фенилаланин. Так они установили, что последовательность «—У—У—У —» на молекуле и. РНК (и, следовательно, эквивалентную ей последовательность «—А—А—А—» на молекуле ДНК) кодирует белок, состоящий только из аминокислоты фенилаланина. Это было первым шагом к расшифровке генетического кода.
§ Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (кодон) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.
Свойства генетического кода: § § § § Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон). Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин) Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже). Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.
§ Терминаторный кодон (кодирующий тринуклеотид) — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК — кодирующий прекращение (терминацию) синтеза полипептидной цепи (трансляцию). Терминаторные кодоны(УАА, УАГ и УГА) также называются стоп-кодонами. Некоторые из них вызывают обязательное прекращение синтеза, другие являются условными.
Различия между универсальным и митохондриальным генетическими кодами § Митохондрии представляют собой окруженные двойной мембраной органеллы , специализирующиеся на синтезе АТФ - путем транспорта электронов и окислительного фосфорилирования. Хотя они имеют свою собственную ДНК и аппарат белкового синтеза, большинство их белков кодируется клеточной ДНК и поступает из цитозоля.
§ Митохондриальный геном человека (мт. ДНК) состоит из кольцевой ДНК размером 16600 нуклеотидов (у млекопитающих цифра варьирует от 15 до 15 т. п. н. ), которая кодирует р. РНК и т. РНК, участвующие в митохондриальной системе трансляции, и некоторые белки, необходимые для окислительного фосфорилирования.
§ В митохондриальном геноме содержится информация о структуре 13 -ти белков, в их числе - три субъединицы цитохром-cоксидазы, цитохром b, субъединица-6 митохондриальной ATP-азы, восемь белков с неизвестной пока функцией. § Кодируются 12 S- и 16 S-р. РНК, 22 т. РНК. Кроме того, в человеческой митохондриальной ДНК отсутствуют спейсерные участки, а для множества генов не кодируются даже терминирующие кодоны. Они достраиваются в процессе пост-транскрипционного полиаденилирования соответствующей прем. РНК.
Митохондриальный геном
Транспортная РНК § Транспортная РНК, т. РНК — рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. т. РНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь — будучи в комплексе с аминокислотой — к кодону м. РНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. § Для каждой аминокислоты существует своя т. РНК.
§ т. РНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной (вторичной)форме имеет конформацию «клеверного листа» . Аминокислота ковалентно присоединяется к 3'-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа т. РНК фермента аминоацил-т. РНКсинтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте.
§ Третичная структура т. РНК( Lобразная структура)
Особенности структуры т. РНК § На 3'-конце молекулы всегда находятся четыре неспаренных нуклеотида, причем три из них – это обязательно ССА. 5'- и 3'-концы цепи РНК образуют акцепторный стебель. Цепи удерживаются вместе благодаря комплементарному спариванию семи нуклеотидов 5'-конца с семью нуклеотидами, находящимися вблизи 3'-конца. § У всех молекул имеется шпилька T? C, обозначаемая так потому, что она содержит два необычных остатка: рибо-тимидин (Т) и псевдоуридин (? ). Шпилька состоит из двухцепочечного стебля из пяти спаренных осно- ваний, включая пару G-C, и петли длиной семь нуклеотидов. Тринуклеотид Т? С всегда расположен в одном и том же месте петли.
§ В антикодоновой шпильке стебель всегда представлен семью спаренными основаниями. Триплет, комплементарный родственному кодону, – антикодон – находится в петле, состоящей из семи нуклеотидов. С 5'-конца антикодон фланкируют инвариантный остаток урацила и модифицированный цитозин, а к его 3'-концу примыкает модифицированный пурин, как правило аденин. § Еще одна шпилька состоит из стебля длиной тричетыре пары нуклеотидов и петли варьирующего размера, часто содержащей урацил в восстановленной форме – дигидроурацил (DU). Наиболее сильно варьируют нуклеотидные последовательности стеблей, число нуклеотидов между антикодоновым стеблем и стеблем Т? С (вариабельная петля), а также размер петли и локализация остатков дигидроурацила в DU-петле.
Ма тричная рибонуклеи новая кислота (м. РНК, синоним — тричная новая информацио нная РНК, и. РНК) нная § Ма тричная рибонуклеи новая кислота (м. РНК, синоним — информацио нная РНК, и. РНК) — РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков. м. РНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым м. РНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
§ Зрелая м. РНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: « 5' кэп» , 5' нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3' нетранслируемая область и 3' полиадениновый «хвост» . § 5' кэп (от англ. cap — шапочка) — это модифицированный гуанозиновый нуклеотид, который добавляется на 5' (передний) конец незрелой м. РНК. Эта модификация очень важна для узнавания м. РНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5’нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищённым 5'-концом. § Кодирующие области состоят из кодонов — следующих непосредственно друг за другом последовательностей из трёх нуклеотидов, каждая из которых соответствует в генетическом коде определённой аминокислоте или началу и концу синтеза белка. Кодирующие области начинаются со старт-кодона и заканчиваются одним из трёх стопкодонов.
Биосинтез белка § Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция и процессинг РНК, второй этап включает трансляцию. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из м. РНК удаляются некоторые фрагменты, и редко происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов переводится в последовательность остатков аминокислот.
Процессинг РНК § Между транскрипцией и трансляцией молекула м. РНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни и. РНК.
Трансляция § Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК, которые образуют с аминокислотами комплексы — аминоацил-т. РНК. Каждой аминокислоте соответствует своя т. РНК, имеющая соответствующий антикодон, «подходящий» к кодону м. РНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль м. РНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез белка обеспечивается за счёт АТФ. § Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации.
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию Биосинтез белков Биосинтез белка сложный многостадийный
Биосинтез белков.ppt