7. Первичная и вторичная структуры рнк. Типы рнк: особенности строения. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Функция рибосом. Адапторная функция тРнк и роль мРнк в синтезе белка.
РНК (рибонуклеиновая кислота) содержится преимущественно в цитоплазме клетки и имеет молекулярную массу в пределах 104 - 106 Да. В состав её нуклеотидов входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, урацил, углевод рибоза и остатки фосфорной кислоты. В отличие от ДНК, молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи, в которой могут находиться комплементарные друг другу участки (рисунок 3.5). Эти участки могут взаимодействовать между собой, образуя двойные спирали, чередующиеся с неспирализованными участками.
Рисунок 3.5. Схема строения транспортной РНК.
По особенностям структуры и функции различают три основных типа РНК:
1) матричные (информационные) РНК (мРНК) передают информацию о структуре белка из клеточного ядра на рибосомы;
2) транспортные РНК (тРНК) осуществляют транспорт аминокислот к месту синтеза белка;
3) рибосомальные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, участвуют в синтезе белка.
8. Биосинтез днк (репликация) и мРнк (транскрипция). Процессы "созревания" первичного транскрипта при образовании мРнк.
Матричный биосинтез – процесс сборки новых макромолекул из мономеров, последовательность которых запрограммирована с помощью нуклеиновых кислот. Молекулы, используемые в качестве программы в матричном биосинтезе, называют матрицами.
Тремя главными матричными биосинтезами, присущими всем без исключения живым организмам, являются репликация ДНК, транскрипция и трансляция.
репликация ДНК происходит в ядре, предшествует делению клеток, в результате чего дочерние клетки получают полный набор генов;
транскрипция также осуществляется в ядре, в ходе её образуются матричные, транспортные и рибосомальные РНК, участвующие в синтезе белка в клетке;
трансляция происходит на рибосомах и приводит к образованию специфических клеточных белков.
Связь этих процессов отражена в основном постулате молекулярной биологии: направление потока информации от генотипа к фенотипу: ДНК → РНК → белок (стрелки обозначают направление передачи информации).
4.3.2. Кроме того, для некоторых видов вирусов характерны ещё два вида матричных синтезов:
репликация РНК – синтез РНК на матрице РНК;
обратная транскрипция – синтез ДНК с использованием в качестве матрицы молекулы РНК.
4.3.3. Попытаемся сформулировать общие закономерности, характерные для всех матричных биосинтезов.
Мономеры (нуклеотиды, аминокислоты) непосредственно в синтезе полимеров участвовать не могут; они должны находиться в активной форме – нуклеотиды – в виде нуклеозидтрифосфатов, аминокислоты – в виде соединений с тРНК.
Синтез всех полинуклеотидных и полипептидных цепей складывается из трёх основных этапов – инициации, элонгации и терминации.
На матрице имеется специальный сигнал или группа сигналов, позволяющие опознать кодирующий элемент, с которого начинается информация о синтезируемой цепи биополимера. Этот сигнал, как правило, не совпадает с точкой физического начала полимерной цепи матрицы. Инициация – процесс, в котором происходит присоединение первого мономерного звена к молекуле-матрице.
На каждый акт инициации биосинтеза приходится большое количество актов элонгации, т.е. соединения очередного мономера с растущей цепью. В элонгации участвуют 3 компонента: а) концевая группа синтезируемого полимера, б) кодирующий элемент матрицы, в) очередная молекула активного мономера. Все они должны быть зафиксированы определённым образом в активном центре фермента или рибосомы.
Каждый акт элонгации начинается с отбора субстратов путём перебора всех присутствующих субстратов в системе. Попадание в активный центр нужного субстрата является сигналом для осуществления ферментативной реакции соединения мономерного фрагмента с концом синтезируемой полимерной цепи. Присоединение мономера к растущей цепи служит сигналом для перемещения активного центра на один кодирующий элемент матрицы.
Конец продукта чаще всего не соответствует концу матрицы, на ней должен быть специальный сигнал, обеспечивающий прекращение роста цепи, т.е. терминацию.
Синтез биологически активной молекулы, как правило, не заканчивается терминацией. Образующийся полимер претерпевает ряд превращений, таких как частичный гидролиз и объединение нескольких цепей в одну, модификация мономеров в составе полимера, присоединение простетической части (к полипептиду) или апопротеина (к полинуклеотиду).
Репликация – процесс самоудвоения ДНК, или биосинтез дочерней молекулы ДНК, полностью идентичной исходной молекуле (матрице). Локализация процесса – клеточное ядро. Основные принципы репликации ДНК:
комплементарность - синтезируемые цепи комплементарны матрице;
антипараллельность - 5'-конец синтезируемой полинуклеотидной цепи находится напротив 3'-конца матрицы и наоборот;
униполярность - синтез полинуклеотидных цепей происходит всегда в направлении 5' → 3';
потребность в затравке - ферменты, синтезирующие ДНК, способны лишь наращивать существующую полинуклеотидную цепь, поэтому вначале синтезируется короткая цепь РНК (затравка или праймер), к которой присоединяются дезоксирибонуклеотиды; выполнившая свою роль РНК-затравка удаляется;
прерывистость - одна из дочерних цепей (лидирующая) в процессе репликации растёт непрерывно, а другая (отстающая) - в виде фрагментов длиной в несколько сот нуклеотидов (фрагментов Оказаки);
полуконсервативность - в результате репликации образуются две двойные дочерние ДНК, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК.
4.4.2. Условия, необходимые для репликации ДНК:
1) Матрица – молекула ДНК (рисунок 26.1, а);
2) Расплетающие белки – разрывают водородные связи между комплементарными основаниями двойной спирали ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка (рисунок 26.1, б);
3) ДНК-связываюшие белки - присоединяются к разделившимся цепям ДНК и препятствуют их обратному воссоединению; 4) Праймаза (РНК-полимераза) - фермент, синтезирующий затравочную РНК. 5) Субстраты и источники энергии – дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ). Присоединяются к азотистым основаниям полинуклеотидных цепей при помощи водородных связей по принципу комплементарности;
6) ДНК-полимераза – фермент, который формирует из нуклеозидтрифосфатов новые полинуклеотидные цепи за счёт образования 3’,5’-фосфодиэфирных связей. Источником энергии служат макроэргические связи нуклеозидтрифосфатов. На одной ветви репликативной вилки синтезируется непрерывная цепь, на другой – фрагменты Оказаки (рисунок 26.1, в);
7) ДНК-лигаза – фермент, соединяющий фрагменты Оказаки в единую цепь (рисунок 26.1, г).
В результате образуются две идентичные молекулы ДНК (рисунок 26.1, д).
Транскрипция – биосинтез РНК на матрице ДНК. Процесс транскрипции также происходит в клеточном ядре. Основные принципы транскрипции:
комплементарность - синтезируемые цепи комплементарны матрице;
антипараллельность - 5'-конец синтезируемой полинуклеотидной цепи находится напротив 3'-конца матрицы и наоборот;
униполярность - синтез полинуклеотидных цепей происходит всегда в направлении 5' → 3';
беззатравочность - биосинтез РНК не требует наличия праймера;
асимметричность - синтез дочерней цепи идёт только на одной цепи ДНК-матрицы, вторая при этом блокирована.
4.5.2. Условия, необходимые для транскрипции:
Матрица – участок одной из цепей ДНК (рисунок 8.2, а);
ДНК-зависимая РНК-полимераза – главный фермент, участвующий в транскрипции. Место присоединения фермента к ДНК – промотор;
Субстраты и источники энергии – рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ). Связываются с азотистыми основаниями транскрибируемой цепи ДНК водородными связями по принципу комплементарности.
9. Биосинтез белков. Генетический код. Последовательность реакций при синтезе полипептидной цепи (инициация, элонгация, терминация) в процессе трансляции на рибосомах. Посттрансляционная модификация молекул белков. Нарушения синтеза белка в детском возрасте (квашиоркор).
Трансляция (от англ. translation – перевод) – перевод генетической информации, заключённой в мРНК, в линейную последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Этот перевод осуществляется посредством генетического (биологического) кода. 5.1.2. Генетический код – последовательность нуклеотидов, соответствующая определённым аминокислотам. Генетический код характеризуется свойствами:
5.1.3. Аминокислоты и триплеты нуклеотидов, кодирующие их, не комплементарны друг другу. Поэтому должны существовать молекулы-адапторы, каждая из которых может взаимодействовать как с определённым кодоном, так и с соответствующей аминокислотой. Такими молекулами являются транспортные РНК (рисунок 8.3). Каждая тРНК содержит триплет нуклеотидов – антикодон, который комплементарен строго определённому кодону мРНК. 3’-конец тРНК (акцепторный участок) является местом присоединения аминокислоты, соответствующей кодону мРНК. |
Активация аминокислот – подготовительный этап биосинтеза белка – включает связывание их со специфическими тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Реакция происходит в цитоплазме клеток.
Собственно процесс трансляции включает 3 стадии – инициации, элонгации, терминации и происходит на рибосомах.
Каждая рибосома состоит из большой и малой субчастиц (40S и 60S) и содержит аминоацильный (А) и пептидильный (П) участки. Пептидильный участок связывает инициирующую аминоацил-тРНК, все остальные аминоацил-тРНК присоединяются к аминоацильному участку.
1) Стадия инициации – начало трансляции. Условия, необходимые для инициации:
инициирующий кодон мРНК (АУГ);
белковые факторы инициации;
малая и большая субчастицы рибосомы;
ГТФ (источник энергии для смыкания субчастиц рибосомы);
ионы магния;
инициирующая аминоацил-тРНК (метионил-тРНК) – связывается своим антикодоном с инициирующим кодоном мРНК в пептидильном участке рибосомы.
В результате образуется инициирующий комплекс: мРНК – рибосома – метионил-тРНК (рисунок 5.3, а).
2) Стадия элонгации – удлинение полипептидной цепи на 1 аминокислотный остаток – происходит в три шага:
присоединение к инициирующему комплексу аминоацил-тРНК, соответствующей кодону, находящемуся в аминоацильном участке рибосомы (рисунок 5.3, б);
транспептидация – образование пептидной связи между остатками аминокислот (рисунок 5.3, в). Источник энергии – ГТФ;
транслокация – перемещение рибосомы относительно мРНК на 1 триплет (рисунок 5.3, г). Источник энергии – ГТФ. В ходе элонгации принимают участие белковые факторы.
Описанный процесс многократно повторяется (по количеству аминокислот в цепи).
3) Стадия терминации – окончание трансляции. Обеспечивается присутствием в цепи мРНК одного из терминирующих (бессмысленных) кодонов – УАА, УГА или УАГ. В освобождении полипептида участвуют белковые факторы терминации (рисунок 5.3, д). Когда в аминоацильном участке оказывается один из бессмысленных кодонов, факторы терминации стимулируют гидролазную активность пептидилтрансферазы. Благодаря этому гидролизуется связь между тРНК и пептидом. ГТФ для этой реакции не требуется. После этого пептидная цепь, тРНК и мРНК покидают рибосому, а её субчастицы диссоциируют.
Таким образом, трансляция мРНК приводит к формированию пептидной цепи со строго определённой последовательностью аминокислотных остатков. Следующий этап формирования белка –фолдинг, т.е. сворачивание пептидной цепи в правильную трёхмерную структуру. Если белок состоит из нескольких субъединиц, то фолдинг включает и объединение их в единую макромолекулу.
Считается, что небольшие белковые молекулы, содержащие около 100 аминоацильных остатков, могут самостоятельно принимать трёхмерную структуру, фолдинг более крупных полипептидных цепей требует участия специальных белков – шаперонов.
Шапероны называют иначе белками теплового шока, так как они не только обеспечивают правильный фолдинг вновь образованных белков, но и ренатурацию ранее синтезированных белков, подвергшихся в клетке частичной денатурации под действием различных факторов (перегрев, облучение, действие своблодных радикалов и т.д.). 5.2.2. Посттрансляционные модификации белковой молекулы могут включать:
частичный протеолиз (например, превращение профермента в фермент);
присоединение простетической группы (остатков фосфорной кислоты, углеводных остатков, гемовых групп и т.д.);
модификации боковых цепей аминокислотных остатков:
гидроксилирование пролина в гидроксипролин в коллагене,
метилирование аргинина в гистоне,
йодирование тирозина в тироглобулине).
5.2.3. Действие токсических и лекарственных веществ на биосинтез белка. Биосинтез белка является одним из наиболее сложных процессов, протекающих в клетках. Его прерывание или извращение возможно в результате нарушения любого из трёх матричных синтезов. Так, мутагены (бенз(а)пирен, линдан) нарушают репликацию ДНК и таким образом прерывают белоксинтезирующие процессы. Некоторые токсические вещества (госсипол) могут изменять скорость транскрипции. К лекарственным веществам, влияющим на биосинтез белка, относятся антибиотики и интерфероны. Антибиотики, блокирующие матричные биосинтезы, используются в лечении инфекционных заболеваний и злокачественных опухолей. (см. таблицу 5.1).
Таблица 5.1
Антибиотики, ингибирующие матричные биосинтезы
Антибиотики |
Механизм действия |
Противоопухолевые препараты: актиномицин Д, рубомицин С, митомицин С |
Подавляют репликацию или транскрипцию, или оба эти процесса |
Противобактериальные препараты: тетрациклин, левомицетин, эритромицин, стрептомицин |
Ингибируют трансляцию в бактериальных (но не эукариотических) клетках |
10. Регуляция синтеза белка. Представление об опероне. Индукция и репрессия синтеза в организме человека. Роль гормонов в регуляции действия генов. Ингибиторы матричных синтезов - антибиотики, интерфероны.
5.3.1. Оперон (транскриптон) - совокупность генов, способных включаться и выключаться в зависимости от метаболических потребностей клетки. В состав оперона наряду соструктурными генами (СГ), кодирующими структуру определённых белков, входят участки ДНК, выполняющие регуляторные функции (рисунок 5.4). Группа структурных генов, отвечающих за синтез ферментов одного метаболического пути, находится под контролем гена-оператора (ГО), расположенного рядом. Функция гена-оператора контролируется пространственно удалённым от него геном-регулятором (ГР), который продуцирует белок-репрессор, находящийся в активной либо в неактивной форме. Активный белок-репрессор способен связываться с геном-оператором и тормозить транскрипцию структурных генов, следовательно, подавлять синтез белков. Вещества, вызывающие инактивацию белка-репрессора, являются индукторамисинтеза белка, оказывающие противоположный эффект – корепрессорами. В качестве индукторов могут выступать исходные субстраты метаболических путей, в качестве корепрессоров - конечные продукты этих путей. 5.3.2. Существуют два механизма регуляции синтеза белка – индукция и репрессия. Примером оперона, который регулируется по механизму индукции, является лактозный оперон, в состав которого наряду с геном-оператором входят 3 структурных гена, кодирующие ферменты катаболизма лактозы (см. рисунок 5.4). Лактоза является индуктором данного оперона. При высокой концентрации лактозы в среде ферменты синтезируются, при низкой концентрации – нет. |
5.3.3. По механизму репрессии регулируется гистидиновый оперон, содержащий ген-оператор и 10 структурных генов, кодирующих ферменты, необходимые для биосинтеза гистидина (см. рисунок 5.5). Гистидин является корепрессором данного оперона. При высокой концентрации гистидина в среде синтез ферментов прекращается, при отсутствии гистидина они синтезируются.