Синтез белка
Функции ДНК 1. ДНК является носителем генетической информации. Функция обеспечивается фактом существования генетического кода. 2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Функция обеспечивается процессом репликации. 3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белковферментов. Функция обеспечивается трансляции. процессами транскрипции и
В молекуле нуклеиновой кислоты различают последовательности: § кодирующие – кодируют белки. § некодирующие – регуляторные элементы. Подавляющее большинство генов содержит в закодированном виде информацию о синтезе белков. Основной структурной единицей белков являются аминокислоты.
Транскрипция v Транскрипция – процесс переписывания генетической информации, записанной в нуклеотидной последовательности ДНК, в нуклеотидную последовательность РНК. ü На ДНК-матрице транскрибируется РНК трех типов, участвующие в передаче информации от РНК к белку – § м. РНК, § р. РНК § т. РНК ü У эукариот м. РНК, р. РНК и т. РНК транскрибируются разными РНКполимеразами. ü В зоне синтеза РНК происходит расплетание спирали ДНК и считывается информация с участка цепи ДНК-матрицы, кодируется только одна цепь молекулы ДНК. ü Транскрипционные единицы ограничиваются промоторами – участок инициации и терминаторами.
ДНК Т А С С А А С Т С G Цепь ДНК-матрицы Транскрипция РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой цепи ДНК. Рост цепи РНК идет только в направлении 5‘ 3'. Для начала синтеза РНК фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной затравке. фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза м. РНК А U G G U UG A G C кодоны У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом. У эукариот - 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы. Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей актвированных нуклеотидов.
Активированные рибонуклеотиды
• Подавляющее большинство транскрибируемых последовательностей ДНК составляют так называемые структурные гены, на которых синтезируются м. РНК. • У прокариот структурный ген представляет собой непрерывный участок молекулы ДНК. • Транскрипция начинается со связывания РНК-полимеразы с промотором и образуется функциональная м. РНК. Рис 1. Схематическое изображение прокариотического структурного гена
Сплайсинг В 1978 г. Филипп Шарп (Массачусетский технологический институт) открыл явление сплайсинга РНК (от англ. to splace - сшивать без узлов). • Сплайсинг - вырезание копий интронов из про-m. РНК и сшивание копий экзонов с образованием m. РНК. У эукариот большинство структурных генов состоит из : экзонов - кодирующие участки генов интронов - некодирующие участки генов. Количество экзонов в гене больше, чем интронов. По завершении транскрипции эукариотического структурного гена интроны вырезаются из первичного продукта транскрипции с помощью ферментов, а экзоны сшиваются друг с другом «торец в торец» (сплайсинг) с образованием функциональной м. РНК.
1. 3. 2. Рис 2. Схематическое изображение эукариотического структурного гена.
Ø Обычно длина экзонов составляет от 150 до 200 нуклеотидов. Ø Длина интронов варьирует от 40 до 10 000 нуклеотидов. Очень немногие эукариотические структурные гены вообще не имеют нитронов. Ø Иногда сплайсинг м. РНК может проходить по альтернативному варианту. Например, в одной ткани функциональная м. РНК может образовываться в результате соединения всех экзонов первичного транскрипта, а в другой какой-то экзон будет вырезан вместе с фланкирующими его интронами и образуется другая функциональная м. РНК. Ø Благодаря альтернативному сплайсингу в разных тканях могут образовываться разные продукты одного и того же структурного гена.
q Синтез белка происходит в рибосомах. § Рибосомы – это компактные рибонуклеиновые частицы, построенные из двух субчастиц, каждая из которых построена из нескольких белков, связанных с одной молекулой РНК. § Бактериальные рибосомы – размер отдельных субчастиц 50 S и 30 S. § Цитоплазматические рибосомы высших эукариот –- размер отдельных субчастиц составляет 60 S и 40 S. q Хлоропласты и митохондрии эукариотических клеток располагают своими собственными рибосомами, которые по размеру ближе к прокариотическим, чем к цитоплазматическим рибосомам эукариот. § Большая часть ДНК, обнаруживаемой в хлоропластах и митохондриях, содержит информацию о структуре компонентов их собственной системы биосинтеза белка.
Трансляция v Трансляция (от translation – перевод) – процесс перевода информации, заключенной в последовательности нуклеотидов в м. РНК, в последовательность аминокислот белка. В процессе трансляции принимает участие м- РНК, т- РНК (16 %), р- РНК (80 % всей РНК клетки). ü м-РНК - последовательность кодонов. ü Кодоны и аминокислоты не вступают в непосредственное взаимодействие друг с другом Ø Транспортная РНК (75 -85 н. ) играет роль «адаптора» и выполняет сразу две функции: § узнает кодон путем комплементарного спаривания оснований. § соответствующую аминокислоту. т-РНК можно представить в видеконфигурации «клеверного листа» . q В нижней петле расположен триплет, комплементарный кодону той аминокислоты, которую представляет т-РНК – антикодон – последовательность из трех нуклеотидов. q На 3 -конце т. РНК находится последовательность р. Цр. Аон, которая служит специфическим сайтом ковалентного присоединения соответствующей аминокислоты (акцепторный конец).
1. 1. Вторичная структура - "клеверный лист". 2. Третичная структура в проекции на плоскость имеет форму бумеранга. 2. Специфичность т. РНК достигается различной нуклеотидной последовательностью, так и по содержанию некоторых необычных (минорных) оснований.
Образование аминоацилированной т. РНК Ø Подготовительный этап трансляции – образование ковалентной связи между т. РНК и соответствующей аминокислотой. § Фермент – аминоацил-т РНКсинтетаза. q Состоит из двух стадий: 1. Активирование аминокислоты. Аминокислота взаимодействует с АТФ под контролем аминоацил-т. РНК-синтетазы. 2. Присоединение аминокислоты к т. РНК – аминоацилирование. Перенос активированной аминокислоты на 3 -ОН-конец соответствующей т. РНК, при этом образуется аминоацилированная т. РНК.
Образование аминоацилированной т. РНК
Синтез белка Ø Этапы синтеза белка § § § инициация элонгация терминация
Инициация q Малая рибосомная субъединица присоединяется к соответствующему центру связывания на м. РНК, включающему инициаторный метиониновый кодон АУГ и ГУЦ кодоны инициации у бактерий, АУГ только у эукариот – инициирующая т. РНК –ее метионин не формилирован. q Затем происходит взаимодействие комплекса с большой рибосомной субъединицей. В большой рибосомной субъединице находится два участка связывания т-РНК: Р участок – донорный – участок связывания пептидил-т РНК; А участок – акцепторный – участок связывания аминоацил- т РНК.
Ø Элонгация Последовательное соединение аминокислот путем образования пептидных связей между аминокислотными остатками с одновременным освобождением молекул т. РНК. Фермент - пептидилтрансфераза, входит в состав большой рибосомной субъединицы.
1. 1. Происходит взаимодействие с аминоацил-т. РНК, несущей соответствующий антикодон, который будет комплементарен кодону. 3. 2. Образуется пептидная связь между формилметионином и аминоацил-t. РНК. Происходит перенос остатка формилметионина ( f. Met) на NHгруппу следующего аминокислотного остатка, находящегося в виде аминоацил-т. РНК в А-участке. 4. 3. Рибосома продвигается вдоль м. РНК на расстояние, соответсвующее одному кодону. При этом деацилированная т. РНК вытесняется из рибосомы, а удлинившаяся на одну аминокислоту пепетидил-т. РНК поступает в участок Р, освобождая участок А. Освобожденный участок А занимает следующая аминоацил-т. РНК,
По мере продвижения рибосомы вдоль м. РНК, инициирующий участок цепи высвобождается и на нем происходит сборка следующего активного рибосомного комплекса, и на этой же матрице снова начинается синтез полипептида. При взаимодействии нескольких активных рибосом с единичной молекулой м. РНК образуется полирибосома или полисома. Синтез белка процесс быстрый. Время сборки цепей гемоглобина составляет 14 и 21 сек соответственно. Скорость синтеза белка зависит от температуры. У бактерий за 1 сек при t = 37 С включается от 12 до 17 аминокислот. Для синтеза среднего белка размером в 300 аминокислот требуется около 20 сек. В эукариотических клетках скорость белкового синтеза ниже, 2 аминокислоты в 1 сек (в ретикулоцитах).
Терминация § Полипептидный синтез по данной матрице продолжается до тех пор, пока в А-участке не окажется один из трех терминаторных кодонов м. РНК – УАА, УАГ, УГА. § Последовательность оснований узнается специализированными белковыми факторами терминации. § В участок А подходит и терминирующий белок, вынуждающий пептидилтранферазу сделать «холостой» шаг. § Законченная полипептидная цепь высвобождается и отделяется от рибосомы. § Рисбосомные единицы в свою очередь диссоциируют, отделяются от м. РНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи. § Синтезированная полипептидная цепь приобретает свойственную ей вторичную, третичную или четвертичную структуру.
Регуляция транскрипции генов Ø Постоянно экспрессируются только те гены, которые кодируют белки, поддерживающие основные клеточные функции, а транскрипция остальных структурных генов регулируется. Ø Бактерия не синтезирует ферментов того или иного пути в отсутствие соответствующего субстрата, но способна в любое время начать их синтез при появлении такового. Данный эффект получил название «индукция ферментов» . Ø «Процесс репрессии» - прекращение синтеза фермента, необходимого для синтеза вещества, которое внезапно появляется в среде.
Схема негативной индукции Жакоба и Моно Жакоб и Моно предложили в 1961 г. механизм, объясняющий индукцию и репрессию – механизм «включения» и «выключения» генов. Первая модель была создана для lас – оперон - система регулирующая синтез ферментов, сбрасывающих лактозу. Оперон - полная единица выражения генов, включающих структурные гены, регуляторный ген и оператор. Обычно оперон находится под контролем единственного промотора, и при его транскрипции образуется одна длинная молекула м. РНК, кодирующая несколько белков. Lac-оперон E. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении. § Z - - галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу). § Y- - галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки). § А - тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу).
Транскрипция в бактериальной клетке А. Структурные гены (А, В, С и D) оперона находятся под транскрипционным контролем оператора (о) и промотора (р). РНК-полимераза связывается с участками, находящимися на расстоянии 10 (-10) и 35 (-35) пар оснований от сайта инициации транскрипции (+1). Б. связывание РНК-полимеразы с промоторной областью
В отсутствие в клетке лактозы lac- оперон выключен. Активный белок - репрессор, связан с оператором lac-оперона. Когда лактоза попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком - репрессором, изменяют его конформацию - и он теряеет сродство к оператору. Тут же начинается транскрипция lac-оперона и трансляция образующейся m. РНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы.
Схема негативной репрессии Оперон синтеза триптофана у E. сoli. В норме оперон включен. Белок - репрессор неактивен (в форме апо-репрессора), он не способен садиться на оператор. Клетке нужно N молекул триптофана. N+1 -ая молекула взаимодействует с апорепрессором. Он меняет конформацию, садится на оператор и синтез РНК прекращается.
Особенности транскрипции эукариот Единицей транскрипции у эукариот является отдельный ген, а не оперон, как у прокариот. Ø Оператор, как таковой, отсутствует. Ø Промотор есть, но он организован иначе. § На расстоянии -25 п. н. от +1 нукл. находится ТАТА-бокс. Его позиция определяет точку инициации транскрипции. § А на расстоянии -60 -80 п. н. находится ЦААТ-бокс, который не является абсолютно необходимым, но присутствует перед большинством генов. Расстояние между ЦААТ и ТАТА большое и РНК-полимераза не способна накрыть всю эту область. ЦААТ опознается своим белком, а ТАТА - своим. § Помимо этих есть еще несколько белков, называемых базальными факторами транскрипции - необходимы для инициации транскрипции всеми тремя ядерными РНК-полимеразами.
На расстоянии сотен и даже тысяч пар оснований от сайта инициации находится так называемая энхансерная последовательность, которая при взаимодействии со специфическими белками многократно повышает скорость транскрипции структурных генов. Существуют также белки, которые, взаимодействуя с регуляторными элементами, блокируют транскрипцию. Например, известен класс генов позвоночных (примерно 18), активно транскрибирующихся только в нервных клетках. Каждый из этих генов имеет регуляторный элемент из 24 п. н. , находящийся «левее» (upstream) сайта +1; он обозначается NRSE (от англ, neuron-restrictive silencer element). Во всех клетках, кроме нейронов, синтезируется NRSF-фактор (от англ, neuron-restrictive silencer factor), который связывается с NRSE и блокирует транскрипцию соответствующих генов. В нейронах NRSF не синтезируется, и упомянутые гены активно транскрибируются.
Спасибо за внимание!
