Общая схема биосинтеза белка с объяснением. Общая схема биосинтеза белка. Биологическое значение синтеза
Во всех живых клетках белки синтезируются рибосомами. Рибосома представляет собой крупную макромолекулу со сложной асимметричной четвертичной структурой, построенной из рибонуклеиновых кислот (рибосомных РНК) и белков. Для того чтобы синтезировать белок, рибосома должна быть снабжена:
1. Программой, задающей порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка.
2. Аминокислотным материалом, из которого надлежит строить белок.
3. Энергией.
Сама рибосома обладает каталитической (энзиматической) функцией, ответственной за образование пептидных связей и, соответственно, полимеризацию аминокислотных остатков в полипептидную цепь белка.
Программа, задающая порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, исходит от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), т. е.Из генома клетки.Отдельные участки двутяжевойДНК,называемые генами, являются матрицами длясинтеза на них однотяжевых цепей РНК. Синтезированные цепи РНК комплиментарны одной из цепей ДНК и, таким образом, точно воспроизводят дезоксирибонуклеотидную последовательность другой цепи ДНК в своей рибонуклеотидной последовательности. Процесс такого копирования гена, осуществляемый ферментом РНК-полимеразой, получил название транскрипции. РНК в течение синтеза и после него, особенно в эукариотических клетках, может подвергаться ряду дополнительных изменений, называемых процессингом, в ходе которых из нее могут быть вырезаны определенные куски нуклеотидной последовательности. Получающаяся РНК поступает далее в рибосомы в качестве программы, определяющую аминокислотную последовательность в синтезируемом белке. Она называется информационной или "мессенджер" РНК (мРНК). Таким образом, именно транскрипция генов и образование мРНК обеспечивают поток информации от ДНК к рибосомам.
Исходным материалом, из которого строится белок, являются аминокислоты. Однако свободные аминокислоты не используются рибосомой, Для того чтобы служить субстратом для рибосомы, аминокислота должна быть активирована с участием сопряженного расщепления АТФ и акцептирована (ковалентно присоединена) специальной молекулой РНК, называемой трансфернои или транспортной РНК (тРНК), с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетезы. Получающиеся аминоацил-тРНК поступают в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка. Кроме того, энергия химической связи между аминокислотным остатком и тРНК используется для реакции образования пептидной связи в рибосоме. Таким образом, активация аминокислот и образование аминоацил-тРНК обеспечивают поток, как материала, так и энергии для рибосомного синтеза белка.
Эти три потока (информации, материала и энергии) встречаются в рибосоме. Воспринимая их, рибосома осуществляет перевод, или трансляцию, генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности синтезируемой полипептидной цепи белка. Если представить это в молекулярных терминах, то рибосома последовательно сканирует цепь мРНК (движется вдоль нее) и тоже последовательно выбирает из среды аминоацил-тРНК, в результате чего специфичность аминоацильного остатка выбираемой рибосомой аминоацил-тРНК каждый раз детерминируется специфичностью комбинации нуклеотидов считываемого в данный момент рибосомой отрезка мРНК. Таким образом, возникает проблема генетического кода: какие комбинации нуклеотидов детерминируют, т. е. Кодируют каждую из 20 аминокислот, из которых строятся молекулы белков?
Движение рибосомы вдоль цепи мРНК (или, другими словами, Пропускание цепи мРНК сквозь рибосому) задает строгий временной порядок вхождения в рибосому разных аминоацил-тРНК в соответствии с порядком расположения кодирующих нуклеотидных комбинаций вдоль мРНК. Аминоацильный остаток выбранной аминоацил-тРНК каждый раз ковалентно присоединяется рибосомой к растущей полипептидной цепи. Деацилированная тРНК освобождается из рибосомы в раствор. Так последовательно, шаг за шагом, строится полипептидная цепь белка (см. схему 1).
Биосинтез белка.
Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) – совокупность реакций биологического синтеза. Название этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступающих в клетку из вне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Биосинтез белков осуществляется во всех клетках про -и эукариот. Информация о первичной структуре (порядке аминокислот) белковой молекулы закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК - гене.
Ген- это участок молекулы ДНК, определяющий порядок аминокислот в молекуле белка. Следовательно, от порядка нуклеотидов в гене зависит порядок аминокислот в полипептиде, т.е. его первичная структура, от которой в свою очередь зависят все другие структуры, свойства и функции белковой молекулы.
Система записи генетической информации в ДНК (и - РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом. Т.е. единица генетического кода (кодон) - это триплет нуклеотидов в ДНК или РНК, кодирующий одну аминокислоту.
Всего генетический код включает 64 кодона, из них 61 кодирующий и 3 некодирующих (кодоны-терминаторы, свидетельствующие об окончании процесса трансляции).
Кодоны-терминаторы в и - РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.
Начало процесса трансляции определяет кодон-инициатор (АУГ, в ДНК - ТАЦ), кодирующий аминокислоту метионин. Этот кодон первым входит в рибосому. Впоследствии метионин, если он не предусмотрен в качестве первой аминокислоты данного белка, отщепляется.
Генетический код обладает характерными свойствами.
1. Универсальность - код одинаков для всех организмов. Один и тот же триплет (кодон) в любом организме кодирует одну и ту же аминокислоту.
2. Специфичность - каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.
3. Вырожденность - большинство аминокислот могут кодироваться несколькими кодонами. Исключение составляют 2 аминокислоты - метионин и триптофан, имеющие лишь по одному варианту кодона.
4. Между генами имеются «знаки препинания» - три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза полипептидной цепи.
5. Внутри гена «знаков препинания» нет.
Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа – транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК.
Она (и - РНК) является посредником, передающим информацию от ДНК к месту сборки молекул белка в рибосоме. Синтез и - РНК (транскрипция) происходит следующим образом. Фермент (РНК - полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (кодирующей) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Синтезированная таким образом (матричный синтез) молекула и - РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются малые субъединицы рибосом.
Второй этап в биосинтезе белка - трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и - РНК в последовательность аминокислот в полипептиде. У прокариот, не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и - РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и - РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и - РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и - РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.
В цитоплазме на один из концов и - РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида. По мере продвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и - РНК обеспечивается т - РНК.
Транспортные РНК (т - РНК) «приносят» аминокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т - РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме напоминает лист клевера. На ее верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), который соответствует определенной аминокислоте, а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты (рис. 1).
Рис. 1. Схема строения транспортной РНК: 1 - водородные связи; 2 - антикодон; 3 -место прикрепления аминокислоты.
Каждая т - РНК может переносить только свою аминокислоту. Т-РНК активируется специальными ферментами, присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК. Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются рядом в большой субъединице рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез) (рис. 2).
Рис. 2. Схема бисинтеза белка: 1 - и-РНК; 2 - субъединицы рибосомы; 3 - т-РНК с аминокислотами; 4 - т-РНК без аминокислот; 5 - полипептид; 6 - кодон и-РНК; 7- антикодон т-РНК.
Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь. Однако, нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полирибосомами. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1с бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.
Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.
Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.
Участок хромосомы, где расположен ген называют локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом — геном , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон .
Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации, выступают РНК, т.е. реализация генетической информации происходит следующим образом:
ДНК → РНК → белок
Этапы биосинтеза белка
Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.
Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором (участок ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция) и заканчивается терминатором (участок ДНК, содержащий сигнал окончания транскрипции). Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.
В процессе трансляции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.
Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей. Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и не кодирующих (интронов ) участков. После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника пре-мРНК.
Он включает два основных события:
- присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции;
- сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз.
Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.
В трансляции участвуют все три типа РНК:
- мРНК служит информационной матрицей;
- тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны;
- рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК;
- тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.
мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом называются полирибосомами (полисомами) . На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия четырех АТФ.
Генетический код
Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка. Определенному сочетанию нуклеотидов ДНК, а следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипептидной цепи белка. Это соответствие называют генетическим кодом . Одну аминокислоту определяют три нуклеотида, объединенных в триплет (кодон) . Поскольку существуют четыре типа нуклеотидов, объединяясь по три в триплет, они дают 4 3 = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них три являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 — кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.
| № п/п | Аминокислота | Сокращенное название |
|---|---|---|
| 1 | Аланин | Ала |
| 2 | Аргинин | Арг |
| 3 | Аспарагин | Асн |
| 4 | Аспарагиновая кислота | Асп |
| 5 | Валин | Вал |
| 6 | Гистидин | Гис |
| 7 | Глицин | Гли |
| 8 | Глутамин | Глн |
| 9 | Глутаминовая кислота | Глу |
| 10 | Изолейцин | Иле |
| 11 | Лейцин | Лей |
| 12 | Лизин | Лиз |
| 13 | Метионин | Мет |
| 14 | Пролин | Про |
| 15 | Серин | Сер |
| 16 | Тирозин | Тир |
| 17 | Треонин | Тре |
| 18 | Триптофан | Три |
| 19 | Фенилаланин | Фен |
| 20 | Цистеин | Цис |
| Первое основание | Второе основание | Третье основание | |||
|---|---|---|---|---|---|
| У(А) | Ц(Г) | А(Т) | Г(Ц) | ||
| У(А) | Фен | Сер | Тир | Цис | У(А) |
| Фен | Сер | Тир | Цис | Ц(Г) | |
| Лей | Сер | Стоп | Стоп | А(Т) | |
| Лей | Сер | Стоп | Три | Г(Ц) | |
| Ц(Г) | Лей | Про | Гис | Арг | У(А) |
| Лей | Про | Гис | Арг | Ц(Г) | |
| Лей | Про | Глн | Арг | А(Т) | |
| Лей | Про | Глн | Арг | Г(Ц) | |
| А(Т) | Иле | Тре | Асн | Сер | У(А) |
| Иле | Тре | Асн | Сер | Ц(Г) | |
| Иле | Тре | Лиз | Арг | А(Т) | |
| Мет | Тре | Лиз | Арг | Г(Ц) | |
| Г(Ц) | Вал | Ала | Асп | Гли | У(А) |
| Вал | Ала | Асп | Гли | Ц(Г) | |
| Вал | Ала | Глу | Гли | А(Т) | |
| Вал | Ала | Глу | Гли | Г(Ц) | |
Примечания:
- Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном.
- На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.
- Азотистые основания вне скобок входят в состав мРНК, азотистые основания в скобках — в состав ДНК.
Свойства генетического кода :
- код триплетен — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеиновой кислоты;
- код универсален — все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код;
- код однозначен (специфичен) — триплет соответствует одной единственной аминокислоте.
- код избыточен — одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом;
- код не перекрывается — один нуклеотид не может входить в состав сразу нескольких кодонов в цепи нуклеиновой кислоты;
- код колинеарен — последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов вмРНК.
Этапы трансляции
Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.
- Инициация — сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет -тРНК, а затем с мРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
- Элонгация — удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
- Терминация — завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов мРНК, а так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мРНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Реакции матричного синтеза
К реакциям матричного синтеза относят:
- самоудвоение ДНК (репликация);
- образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
- биосинтез белка на мРНК (трансляция).
Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. На реакциях матричного синтеза основана способность живых организмов к воспроизведению себе подобных.
Регуляция экспрессии генов
Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, т.е. дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют еще и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.
Биосинтез белков (полипептидов) является чрезвычайно сложным и удивительным процессом. Биосинтез белков активно протекает во всех органах и тканях, исключая эритроциты. Многие клетки синтезируют белки на «экспорт» (клетки печени, поджелудочной железы), и в этом случае они содержат очень большое число рибосом. В животной клетке число рибосом достигает 10 5 , диаметр рибосомы равен 20 нм.
Процесс синтеза белка происходит внутри клеток на поверхности рибосом, которые представляют собой комплексы из двух субъединиц с константой седиментации 60S и 40S, функционирующих как единое целое. В рибосоме белок составляет 30-35% и рибосомальная РНК - 65-70%. В рибосоме различают аминоацильный и пептидильный участки. Первый служит для фиксации поступающего на рибосому комплекса активной аминокислоты и тРНК, а второй фиксирует полипептидную цепь, связанную с другой тРНК. Субъединицы рибосом синтезируются в ядрышке ядра на матрице ДНК.
Сущность процесса синтеза белка представляет схема:
Белоксинтезирующая система включает рибосомы, нуклеиновые кислоты, набор из 20 аминокислот, различные ферменты, АТФ, ГТФ, ионы магния, около 200 различных некаталитических белковых факторов.
Молекула белка - длинная цепь аминокислотных остатков, насчитывающая в среднем от 100 до 500 аминокислот. Программа синтеза каждого белка хранится в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Молекула ДНК - полимер, мономерами которого служат нуклеотиды. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка.
В молекуле ДНК имеются четыре вида азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Последовательность из трех оснований (триплет) составляет кодон, которому соответствует одна определенная аминокислота.
Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - обязательные компоненты биосинтеза белков. ДНК отвечает за сохранение генетической информации, тогда как РНК определяет передачу этой информации и реализацию в виде молекул белка. Можно утверждать, что главная функция ДНК - это сохранение генотипа, а РНК - выражение этого генотипа.
В количественном плане в клетке преобладает рибосомаль- ная РНК (рРНК). рРНК имеет спирализованные участки, содержит модифицированные нуклеотиды (например, 2-метил- рибоза). рРНК составляет около 80% от общего количества РНК в клетке. Второй вид РНК в клетке представлен транспортной РНК (тРНК), которая, как и все другие виды РНК, синтезируется в ядре. На ее долю приходится 10-15% общего количества РНК в клетке. Выявлено свыше 60 различных тРНК. Поэтому для транспорта отдельных аминокислот существует несколько разных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке есть по крайней мере одна специфическая тРНК. Молекулы тРНК сравнительно мелкие. В их структуре 75-93 рибонук- леотидов.
Аминокислота присоединяется к свободной 3-ОН-группе концевого мононуклеотида тРНК, представленной всегда аде- ниловой кислотой. тРНК имеет и другой важный участок - антикодон, с помощью которого комплекс аминокислоты и тРНК узнает определенную последовательность из трех нуклеотидов в матричной РНК (кодон). Антикодон и кодон комплементарно соединяются посредством водородных связей.
Если носителем наследственной информации в клетке является ДНК, которая сосредоточена в ядре, но синтез белка происходит в цитоплазме, то, следовательно, должен быть определенный посредник, передающий эту информацию в цитоплазму клетки. Этим посредником оказалась информационная или матричная РНК (мРНК). На долю мРНК приходится 2% общего количества РНК клетки. Молекулы мРНК самые длинные (включают до 5 тыс. нуклеотидов). мРНК также содержит четыре вида азотистых оснований. Из них три (А, Г, Ц) такие же, как в ДНК, а четвертое - урацил.
Информация, закодированная в мРНК, необходима для синтеза молекулы белка, который происходит на рибосомах. Синтез мРНК в ядре клетки очень быстрый, что необходимо для активного биосинтеза белковых молекул. мРНК образуется на одной из нитей ДНК ядра. При этом двухспиральная структура ДНК раскручивается и при участии ДНК-зависимой РНК-по- лимеразы по принципу комплементарности происходит синтез мРНК:
Схема синтеза мРНК
Принцип комплементарности означает, что аденину на спирали ДНК соответствует урацил мРНК, тимину - аденин, а гуанину - цитозин. Следовательно, мРНК считывает информацию с ДНК.
Стадия ДНК -» РНК, таким образом, определяет синтез молекулы мРНК, в которой нуклеотидная последовательность комплементарна определенному участку (гену) ДНК. Этот процесс носит название транскрипции. Затем мРНК поступает на рибосому, объединяясь с ее субъединицами. Одна молекула мРНК фиксируется на множестве рибосом одновременно, образуя так называемые полисомы. Наличие полисом повышает эффективность и скорость использования мРНК.
Синтез полипептидной цепи определенного состава происходит на матрице мРНК. Процесс передачи информации с мРНК на белок получил название трансляции. Стадия «РНК -> белок » представляет процесс синтеза белка, направляемый мРНК. Таким образом, передача информации всегда идет в направлении ДНК -» РНК -» белок.
Процесс трансляции включает следующие этапы:
- 1) активация аминокислот и их фиксация на тРНК;
- 2) инициация синтеза полипептидной цепи;
- 3) элонгация синтезируемой полипептидной цепи;
- 4) терминация полипептидной цепи и ее освобождение;
- 5) посттрансляционная модификация полипептидной цепи.
- 1. Активация аминокислот требует фермента аминоацил- тРНК-синтетазы и затраты энергии в виде АТФ:
Этот же фермент участвует в фиксации предварительно активированной аминокислоты в положение 2 или 3 рибозы последнего нуклеотида тРНК:
В виде данного комплекса аминокислота транспортируется на рибосому, на которой происходит синтез белковой молекулы. Аминоацил-тРНК-синтетаза специфична, она способна узнавать как аминокислоту, так и тРНК. В клетке, таким образом, имеется не менее 20 различных синтетаз, в соответствии с числом а-аминокислот.
2. тРНК, связанная эфирной связью с определенной аминокислотой, поступает на рибосому и взаимодействует с мРНК по типу комплементарности между специфическим триплетом нуклеотидов мРНК, названным кодоном, и ей комплементарным специфическим триплетом нуклеотидов (антикодоном) тРНК, переносящей определенную аминокислоту. Таким образом, каждый кодон мРНК соответствует специфической фиксации одной аминокислоты в пептидной цепи посредством антикодона тРНК. Рибосома передвигается вдоль молекулы мРНК, считывая последовательно все кодоны, устанавливая таким образом порядок расположения всех аминокислот, доставляемых к месту синтеза.
Синтез молекулы белка идет по направлению от свободной аминогруппы к свободной карбоксильной группе аминокислоты. Обычно начальной аминокислотой в синтезе полипептид- ной цепи является метионин, для которой кодоном служит нуклеотидная последовательность АУГ мРНК.
Инициация синтеза полипептида начинается при фиксации двух антикодонов тРНК по соответствующим кодонам мРНК. Процесс требует наличия источника энергии, которым служит ГТФ, а также участия целого ряда белковых факторов инициации и пептидилтрансферазы.
При участии данного фермента скорость образования ковалентных связей достигает 1200 аминокислот/мин/рибосому.
Схема инициации синтеза полипептида
3. После образования дипептида «ненагруженная» тРНК покидает рибосому и способна доставлять новые молекулы аминокислот, а мРНК продвигается относительно рибосомы (полисомы) на три нуклеотида. В результате перемещения (транслокации) свободный кодон занимает положение для узнавания очередной молекулы тРНК. Следовательно, в стадии элонгации происходит последовательное присоединение по одной аминокислоте к полипептидной цепи в строгом соответствии с порядком кодонов молекулы мРНК.
Удлиняющаяся полипептидная цепь с одной молекулой тРНК фиксируется с большой субъединицей рибосомы. Присоединение каждой дополнительной аминокислоты к полипептидной цепи происходит за счет взаимосвязи аминогруппы присоединяющейся аминокислоты в комплексе с тРНК и карбоксильной группы пептида.
4. Терминация, или завершение синтеза полипептидной молекулы, вовлекает определенные кодоны терминации «без смысла» и белковые факторы терминации. Известны три кодона (УАГ, УГА, УАА), которые не кодируют, не связывают какую-либо аминокислоту, так как в клетке не существует антикодонов тРНК, комплементарных к ним. Теоретически лишь один кодон «без смысла», узнаваемый полисомой во время прохождения в направлении 5-3 мРНК, должен остановить синтез молекулы белка.
Наличие терминирующего кодона в любом участке мРНК означает окончание белкового синтеза. В результате полисома распадается, неиспользованная мРНК гидролизуется полинук- леотидфосфорилазой, а субъединицы рибосом готовятся к началу синтеза новой молекулы белка.
мРНК может неоднократно участвовать в процессе биосинтеза белка. Продолжительность функционирования молекулы мРНК неодинакова у различных организмов. Она может колебаться от нескольких минут до нескольких суток.
5. В ДНК закодирована лишь первичная структура белка. Поэтому синтезированные на рибосомах молекулы белков еще не имеют окончательно завершенного состояния. Они представляют первичные полипептиды, которые затем претерпевают многочисленные модификации (ассоциации мономеров с образованием олигомеров, присоединения коферментов, химические превращения), изменяющие структуру белков и, значит, их активность.
Вторичная и третичная структуры не кодированы, они определяются свойствами первичной структуры, а это значит, что та или иная форма белковой молекулы зависит от последовательности аминокислот и возможностей их взаимодействия между собой. Структурные модификации синтезируемых белков имеют место еще на уровне рибосом или после завершения синтеза в результате присоединения различных функциональных групп.
Рассмотренная схема передачи информации в виде
может в отдельных случаях изменяться. Так, у вирусов, не содержащих ДНК, информация заложена в РНК. При проникновении вируса в клетку эта информация передается на ДНК клетки, а последняя уже синтезирует мРНК, на матрице которой синтезируются вирусные белки. Такой процесс носит название обратной транскрипции, и схема передачи информации в этом случае будет следующей:
Пока сохраняется последовательность нуклеотидов ДНК и, следовательно, мРНК, характер вновь синтезируемого белка остается неизменным.
Необходимая генетическая информация для синтеза белка может быть представлена аналогично записи человеческого языка, которая состоит из последовательности букв, формирующих слова и предложения. В генетическом языке, однако, есть только четыре буквы - четыре основания (аденин, гуанин, урацил, цитозин).
Генетический код включает трехбуквенные слова. Четыре основания в данном случае (43) дают 64 варианта (слова), которых более чем достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Таким образом, 64 кодона и составляют генетический код (табл. 3).
Анализ генетического кода показывает, что для различных аминокислот имеется различное число кодонов. Например, метионин и триптофан имеют только один кодон, тогда как аргинин, лейцин, серин имеют по шесть кодонов. Наличие нескольких кодонов для одной аминокислоты отражает «вырожден- ность» кода. Следовательно, одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими по своему строению нуклеотидными триплетами. В то же время каждому триплету соответствует вполне определенная аминокислота в синтезируемой поли- пептидной цепи.
Т а б л и ц а 3
Генетический код
|
нуклеотид |
Второй нуклеотид |
нуклеотид |
|||
Генетический код универсален и одинаков у видов разного уровня развития (человек, животные, растения, микроорганизмы). Универсальность кода свидетельствует, что все живые организмы в прошлом имели единого предка.
Отдельные аминокислоты (оксипролин, оксилизин), например, не имеют кодона и образуются с помощью химических реакций уже после синтеза полипептидной цепи. Этот процесс получил название посттрансляционной модификации и очень важен для правильного функционирования каждого белка.
Бессмысленные кодоны (УАА, УАГ, УГА) не кодируют аминокислоты, однако реально служат сигналом окончания синтеза белковой молекулы.
Таким образом, мРНК является непосредственным переносчиком генетической информации из ядра на рибосому цитоплазмы. Одна рибосома занимает на мРНК участок длиной около 80 нуклеотидов и способна катализировать примерно 100 пептидных связей в минуту (Северин Е. С. и др., 2011).
Синтезированные белковые молекулы могут подвергаться структурным модификациям еще на уровне рибосом или после завершения синтеза в результате присоединения различных функциональных групп. В цитоплазме мРНК имеет сравнительно короткий период существования. Некоторое количество мРНК синтезируется и запасается в неактивной форме, будучи готовой для быстрого синтеза белка. Поскольку информация мРНК связана с линейной последовательностью нуклеотидов, целостность этой последовательности чрезвычайно важна. Любая потеря или изменение порядка нуклеотидов может видоизменить синтез белка. На сегодня установлен целый ряд ингибиторов репликации ДНК в клетках организма (антибиотики, химические яды, антивирусные препараты). Повреждения в последовательности пуриновых или пиримидиновых оснований в гене получили название мутации.
Замена лишь одного нуклеотида в кодоне (мутация) приводит к смене кодирования одной аминокислоты на другую. Например, мутация, связанная с заменой глутаминовой кислоты на валин в молекуле гемоглобина, приводит к синтезу гемоглобина, вызывающего серповидную анемию. Сегодня известно более 200 мутаций полипептидной цепи молекулы гемоглобина человека. Часто мутагенами являются вещества (нитроза- мины, например), изменяющие структуру азотистых оснований, что приводит к изменению характера комплементарности оснований. Ультрафиолетовое облучение вызывает конденсацию остатков тимина с образованием тиминовых димеров. К счастью, от вредного действия ультрафиолетовых лучей животные защищены слоем озона атмосферы.
Многие антибиотики, используемые в ветеринарной практике, ингибируют бактериальный синтез белка (линкомицин, эритромицин, хлорамфеникол) еще на стадии трансляции. При этом микробная клетка погибает или приостанавливает свое развитие. Такие антибиотики, как тетрациклины, не влияют на рибосомальный синтез в клетках высших животных. Пени- циллины не являются прямыми ингибиторами синтеза белка, однако их эффекты ингибирования бактерий связаны с блокированием синтеза гексапептидов клеточной стенки. Следует отметить, что синтез белка происходит не только на рибосомах, но и в митохондриях. Митохондрии имеют полный и независимый аппарат синтеза белка для своих нужд, хотя не все митохондриальные белки синтезируются в этих органеллах. РНК митохондрий составляют лишь 3% от всего количества РНК клетки. Рибосомы митохондрий меньше по размерам, чем цитоплазматические. Кодон УГА, как терминатор синтеза белка в цитоплазме, используется в митохондриях наряду с кодоном УГГ для кодирования аминокислоты.
Синтезированные на рибосомах белки еще не имеют окончательно завершенного состояния. Они представляют первичные полипептиды, которые затем претерпевают многочисленные модификации (ассоциации мономеров с образованием олигомеров, присоединения коферментов, химические превращения), модифицирующие структуру белка и, значит, его активность.
Биосинтез белков в клетках представляет собой последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой.
Биосинтез белков представляет собой начальный этап реализации, или экспрессии генетической информации. К главным матричным процессам, обеспечивающим биосинтез белков, относятся транскрипция ДНК и трансляция мРНК. Транскрипция ДНК заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК (матричную, или информационную РНК). Трансляция мРНК заключается в переносе информации с мРНК на полипептид. Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы.
нетранскрибируемая цепь ДНК
транскрибируемая цепь ДНК
транскрипция ДНК
кодоны мРНК
трансляция мРНК
антикодоны тРНК
аминокислоты белка
метионин
На схеме видно, что генетическая информация о структуре белка хранится в виде последовательности триплетов ДНК. При этом лишь одна из цепей ДНК служит матрицей для транскрипции (такая цепь называется транскрибируемой). Вторая цепь является комплементарной по отношению к транскрибируемой и не участвует в синтезе мРНК.
Молекула мРНК служит матрицей для синтеза полипептида на рибосомах. Триплеты мРНК, кодирующие определенную аминокислоту, называются кодоны. В трансляции принимают участие молекулы тРНК. Каждая молекула тРНК содержит антикодон – распознающий триплет, в котором последовательность нуклеотидов комплементарна по отношению к определенному кодону мРНК. Каждая молекула тРНК способна переносить строго определенную аминокислоту. Соединение тРНК с аминокислотой называется аминоацил–тРНК.
Молекула тРНК по общей конформации напоминает клеверный лист на черешке. «Вершина листа» несет антикодон. Существует 61 тип тРНК с разными антикодонами. К «черешку листа» присоединяется аминокислота (существует 20 аминокислот, участвующих в синтезе полипептида на рибосомах). Каждой молекуле тРНК с определенным антикодоном соответствует строго определенная аминокислота. В то же время, определенной аминокислоте обычно соответствует несколько типов тРНК с разными антикодонами. Аминокислота ковалентно присоединяется к тРНК с помощью ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз. Эта реакция называется аминоацилированием тРНК.
На рибосомах к определенному кодону мРНК с помощью специфического белка присоединяется антикодон соответствующей молекулы аминоацил-тРНК. Такое связывание мРНК и аминоацил-тРНК называется кодонзависимым. На рибосомах аминокислоты соединяются между собой с помощью пептидных связей, а освободившиеся молекулы тРНК уходят на поиски свободных аминокислот.
Рассмотрим подробнее основные этапы биосинтеза белков.
1 этап. Транскрипция ДНК. На транскрибируемой цепи ДНК с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы достраивается комплементарная цепь мРНК. Молекула мРНК является точной копией нетранскрибируемой цепи ДНК с той разницей, что вместо дезоксирибонуклеотидов в ее состав входят рибонуклеотиды, в состав которых вместо тимина входит урацил.
2 этап. Процессинг (созревание) мРНК. Синтезированная молекула мРНК (первичный транскрипт) подвергается дополнительным превращениям. В большинстве случаев исходная молекула мРНК разрезается на отдельные фрагменты. Одни фрагменты – интроны – расщепляются до нуклеотидов, а другие – экзоны – сшиваются в зрелую мРНК. Процесс соединения экзонов «без узелков» называетсясплайсинг.
Сплайсинг характерен для эукариот и архебактерий, но иногда встречается и у прокариот. Существует несколько видов сплайсинга. Сущность альтернативного сплайсинга заключается в том, что одни и те же участки исходной мРНК могут быть и интронами, и экзонами. Тогда одному и тому же участку ДНК соответствует несколько типов зрелой мРНК и, соответственно, несколько разных форм одного и того же белка. Сущность транс–сплайсинга заключается в соединение экзонов, кодируемых разными генами (иногда даже из разных хромосом), в одну зрелую молекулу мРНК.
3 этап. Трансляция мРНК. Трансляция (как и все матричные процессы) включает три стадии: инициацию (начало), элонгацию (продолжение) и терминацию (окончание).
Инициация. Сущность инициации заключается в образовании пептидной связи между двумя первыми аминокислотами полипептида.
Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином – Мет–тРНКМет. Инициирующий комплекс узнает начало мРНК, присоединяется к ней и скользит до точки инициации (начала) биосинтеза белка: в большинстве случаев это стартовый кодон АУГ. Между стартовым кодоном мРНК и антикодоном метиониновой тРНК происходит кодонзависимое связывание с образованием водородных связей. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы.
При объединении субъединиц образуется целостная рибосома, которая несет два активных центра (сайта): А–участок (аминоацильный, который служит для присоединения аминоацил-тРНК) и Р–участок (пептидилтрансферазный, который служит для образования пептидной связи между аминокислотами).
Первоначально Мет–тРНКМет находится на А–участке, но затем перемещается на Р–участок. На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, который комплементарен кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ. В нашем примере это Гли–тРНКГли с антикодоном ЦЦГ, который комплементарен кодону ГГЦ. В результате кодонзависимого связывания между кодоном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК образуются водородные связи. Таким образом, на рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Ковалентная связь между первой аминокислотой (метионином) и её тРНК разрывается.
После образования пептидной связи между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. В результате происходит транслокация (перемещение) инициаторной метиониновой тРНКМет за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате свободная тРНКМет отщепляется и уходит на поиск своей аминокислоты.
Вторая тРНК вместе с аминокислотой (в нашем примере Гли–тРНКГли) в результате транслокации оказывается на Р–участке, а А–участок освобождается.
Элонгация. Сущность элонгации заключается в присоединении последующих аминокислот, то есть в наращивании полипептидной цепи. Рабочий цикл рибосомы в процессе элонгации состоит из трех шагов: кодонзависимого связывания мРНК и аминоацил-тРНК на А–участке, образования пептидной связи между аминокислотой и растущей полипептидной цепью и транслокации с освобождением А–участка.
На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, соответствующим следующему кодону мРНК (в нашем примере это Тир–тРНКТир с антикодоном АУА, который комплементарен кодону УАУ).
На рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Связь между предыдущей аминокислотой и её тРНК (в нашем примере между глицином и тРНКГли) разрывается.
Затем рибосома смещается еще на один триплет, и в результате транслокации тРНК, которая была на Р–участке (в нашем примере тРНКГли), оказывается за пределами рибосомы и отщепляется от мРНК. А–участок освобождается, и рабочий цикл рибосомы начинается сначала.
Терминация. Заключается в окончании синтеза полипептидной цепи.
В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс–кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.
Модификация белков. Как правило, синтезированный полипептид подвергается дальнейшим химическим превращениям. Исходная молекула может разрезаться на отдельные фрагменты; затем одни фрагменты сшиваются, другие гидролизуются до аминокислот. Простые белки могут соединяться с самыми разнообразными веществами, образуя гликопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины и другие сложные белки. Кроме того, аминокислоты уже в составе полипептида могут подвергаться химическим превращениям. Например, аминокислота пролин, входящая в состав белка проколлагена, окисляется до гидроксипролина. В результате из проколлагена образуется коллаген – основной белковый компонент соединительной ткани.
Реакции модификации белков не являются реакциями матричного типа. Такие биохимические реакции называются ступенчатыми.
Энергетика биосинтеза белков. Биосинтез белков – очень энергоемкий процесс. При аминоацилировании тРНК затрачивается энергия одной связи молекулы АТФ, при кодонзависимом связывании аминоацил-тРНК – энергия одной связи молекулы ГТФ, при перемещении рибосомы на один триплет – энергия одной связи еще одной молекулы ГТФ. В итоге на присоединение аминокислоты к полипептидной цепи затрачивается около 90 кДж/моль. При гидролизе же пептидной связи высвобождается лишь 2 кДж/моль. Таким образом, при биосинтезе большая часть энергии безвозвратно теряется (рассеивается в виде тепла).
Генетический код, его основные свойства
В ходе реакций матричного синтеза на основании генетического кода синтезируется полипептид с наследственно обусловленной структурой. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного полипептида, называется ген.
Однако, ген – это не просто участок ДНК, а единица наследственной информации, носителем которой являются нуклеиновые кислоты. Установлено, что ген имеет сложную структуру.
В большинстве случаев кодирующие участки (экзоны) разделены некодирующими (интронами). В то же время, благодаря альтернативному сплайсингу, деление участка ДНК на кодирующие и некодирующие оказывается условным. Некоторые участки ДНК могут перемещаться относительно друг друга – их называют мобильными генетическими элементами (МГЭ). Многие гены представлены несколькими копиями – тогда один и тот же белок кодируется разными участками ДНК. Еще сложнее закодирована генетическая информация у вирусов. У многих из них обнаружены перекрывающиеся гены: один и тот же участок ДНК может транскрибироваться с разных стартовых точек.
Процесс экспрессии генов обладает гибкостью: одному участку ДНК может соответствовать несколько полипептидов; один полипептид может кодироваться разными участками ДНК. Окончательная модификация белков происходит с помощью ферментов, которые кодируются различными участками ДНК.
Общие свойства генетического кода
Отражение одних объектов с помощью других называется кодированием. Отражение структуры белков в виде триплетов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков. Генетический код обладает следующими основными свойствами:
1. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны ничем не отделены друг от друга (отсутствуют «запятые»).
2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.
3. Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).
4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.
