Методички по Биологии / Методички / Синтез белка
.docРЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ. СИНТЕЗ БЕЛКА
Структуры белков определяется последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эта последовательность аминокислот зашифрована в молекулах ДНК с помощью генетического кода. Генетический код это последовательность из трех нуклеотидов в молекуле ДНК. Генетический код образуется сочетанием четырех нуклеотидов, из которых образуется 43 = 64 триплета. Триплет – это определенное чередование трех нуклеотидов в молекуле ДНК соответствующая определенной аминокислоте. 61 триплет кодирует 20 аминокислот, а три триплета – терминирующие, которые кодируют остановку синтеза белка (АТТ, АЦТ, АТЦ).
Свойства генетического кода:
1 триплетность – одной аминокислоте соответствует последовательность из трех нуклеотидов.
2 вырожденность - одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов, (максимум - шесть).
3 специфичность – каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
4 универсальность – у прокариот и эукариот одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.
5 неперекрываемость – т.е. каждый последующий нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания.
Наследственная информация, записанная с помощью генетического кода, хранится в молекуле ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется посредством транскрипции и трансляции. В этом процессе участвуют тРНК, иРНК и рРНК.
Транскрипция – первый этап синтеза белка, который происходит на ДНК и заключается в переписывании информации с ДНК с образованием иРНК. (информационная РНК). Синтез иРНК начинается с обнаружения РНК - полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – протомотра. После присоединения к промотору, РНК-полимераза раскручивает виток спирали ДНК. Две цепи ДНК расходятся и с одной из них, которая называется кодогенной, в направлении 5-3 синтезируется иРНК при помощи РНК- полимеразы. Продвигаясь вдоль цепи ДНК РНК-полимераза комплементарно переписывает информацию до тех пор, пока не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется от иРНК.
Участок ДНК включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор образуют единицу транскрипции – транскриптон.
Ген неоднороден, а гетерогенный, т.е. он представлен информативными участками, которые называются экзоны и неинформативными – интроны (представленные сателлитной ДНК). После транскрипции образуются иРНК, которая является незрелой РНК – про иРНК (предшественник иРНК). Далее следует процесс созревания, т.е. неинформативные участки интроны вырезаются – это называется процессингом, а информативные участки экзоны сшиваются – это называется сплайсингом. После созревания иРНК представлена последовательностью кодонов, которые определяют последовательность аминокислот при трансляции.
Трансляция.- это перевод последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Трансляция проходит на рибосомах. В трансляции кроме иРНК участвуют тРНК и рРНК. тРНК – транспортная РНК представляет собой последовательность нуклеотидов (в количестве 75-95), и выполняет такую важную функцию как транспорт аминокислот к рибосоме. По форме тРНК напоминает лист клевера, в котором выделяются четыре главные части, выполняющие различные функции. Верхний акцепторный стебель присоединяет транспортируемую аминокислоту. Соединение тРНК со своей аминокислотой приводит к образованию соединения, называемого аминоацил-тРНК. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК, несущей соответствующий антикодон, достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Нижняя петля содержит антикодон, комплементарный кодону иРНК, который шифруют аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к рибосоме. Известно 40 видов тРНК.
В рибосоме выделяют два активных центра:
аминоацильный - А;
пептидильный - П.
В каждом центре находится по одному кодону иРНК.
В ходе трансляции выделяют три фазы: инициация, элонгация и терминация.
Фаза инициации или начало синтеза пептида заключается в объединении двух субчастиц рибосомы на определенном участке иРНК и присоединение к ней первой тРНК, которая несет метианин и располагается в П центре, где находится стартовый кодон иРНК – АУГ.
Фаза элонгации или удлинение пептида. тРНК с аминокислотой например, триптофан – (Три), поступает в А-центр. Если антикодон данной тРНК комплементарен кодону иРНК в А-центре, то происходит комплементарное взаимодействие и между метианином тРНК П-центра и триптофаном тРНК А-центра образуется пептидная связь. Далее цепочка аминокислот с тРНК П-центра переходит на тРНК А-центра. Свободная тРНК П-центра уходит в цитоплазму освобождая тем самым П-центр. Рибосома делает шаг таким образом, что тРНК А-центра перемещается в П-центр, а А центр остается свободным, в котором появляется новый кодон иРНК. Перемещение тРНК, нагруженной пептидной цепочкой из А-центра в П-центр сопровождается продвижением рибосомы по иРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Это происходит до тех пор, пока в А центр не поступит кодон-терминатор, для которого не существует тРНК.
Фаза терминации или завершение синтеза пептида связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, или УГА), когда тот входит в зону А-центра рибосомы. К последней аминокислоте пептидной цепи присоединяется вода и пептидная цепь отделяется от тРНК. Когда полипептидная цепь теряет связь с рибосомой, она распадается на две субчастицы. Таким образом, синтез белка заканчивается.
Ген – это последовательность нуклеотидов ДНК, определяющая последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Регуляция экспрессии генов.
При реализации наследственной информации важное значение имеет регуляция экспрессии разных генов для того, чтобы в клетках разных тканей в определенное время в процессе развития организма обеспечивать синтез специфичных белков в необходимом количестве. Все клетки многоклеточного организма, возникая из зиготы, получают полноценный набор генетической информации. Несмотря на это, они отличаются друг от друга по морфологии, биохимическим и функциональным свойствам. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках неодинаковых частей генома.
Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном состоянии ≈ 90%, и только 7-10% генома активно транскрибируются.
Основная масса генов, которые активно функционируют в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза – это гены, которые обеспечивают синтез белков – структурные гены. Другая группа генов – регуляторные гены, связанные с процессами регуляции синтеза белков.
Изучением регуляции генной активности у прокариот занимались Ф.Жакоб и Ж.Мано в 1961 г. Они создали оперонную модель регуляции транскрипции. Оперон – это последовательность структурных генов, ген – оператор и протомотор. Ген-регулятор располагается в той же хромосоме, что и структурные гены. Ген-регулятор через транскрипцию и трансляцию образуют белок – репрессор, который имеет два активных центра. Когда кишечную палочку выращивали на глюкозе, то белок-репрессор активным центром связывался с оператором, препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором, перекрывая работу структурных генов, отвечающих за выработку фермента расщепляющего лактозу. Если кишечную палочку переводили на лактозу, то лактоза соединялась с белком-репрессором, и это приводило к изменению третичной структуры белка-репрессора, вследствие чего он не соединялся с геном-оператором и РНК-полимераза взаимодействовала с промотором осуществляя транскрипцию структурных генов. Эти структурные гены синтезировали ферменты, участвующие в расщеплении лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции структурных генов отвечающих за выработку ферментов расщепляющих лактозу.
Регуляция экспрессии генов у эукариот.
Регуляция активности генов у эукариот гораздо сложнее, чем у прокариот. У эукариот не установлено оперонной организации генов, (ген-регулятор, оператор, промотор). В настоящее время механизм регуляции активности генов интенсивно изучается. Установлено, что регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной т.е., активность каждого гена регулируется большим количеством генов-регуляторов.
Важную роль в регуляции играют участки расположенные вблизи промотора – препромоторный участок, включающие сто пар нуклеотидов, представленные сателлитной ДНК. Другая область, участвующая в регуляции генной активности располагается на большом расстоянии от промотора (до нескольких тысяч пар нуклеотидов), и называется энхансером. Энхансер и препромоторные участки содержит серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов.
Особенностью регуляции экспрессии генов эукариотических генов является существование белков-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, даже кодировать другие белки-регуляторы.
Следующая особенность регуляции генов связана с образованием комплекса ДНК с гистонами, которые и участвуют в процессе регуляции (гистон Н1).
В регуляции активности генов эукариот большое влияние оказывают гормоны. Некоторые стероидные гормоны обратимо связываются с белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК.
Таким образом, регуляция экспрессии генов демонстрируют сложные взаимосвязи, которые существуют в геноме. Формирование любого признака нельзя рассматривать как результат действия одной пары аллельных генов в генотипе. В любом случае регуляция экспрессии ответственного за этот признак гена осуществляется при участии других генов.