Тема 6. Биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Регуляция биосинтеза белка
Практическая значимость темы. Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК, находящейся в клеточном ядре. Сохранение, передача и реализация этой информации представляет собой сложный процесс, в котором участвуют многие вещества.
Генетическая информация, заключённая в каждой клетке организма, практически идентична. Реализация этой информации регулируется в ходе индивидуального развития организма и дифференцировки составляющих его клеток. Кроме того, чтобы организм мог приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды, система передачи генетической информации должна отвечать на внешние сигналы.
Ряд факторов, в том числе физические, химические и биологические воздействия, могут вызывать образование мутаций ДНК. Эти изменения передаются в процессе деления дочерним клеткам. Многие заболевания, в том числе опухолевые, являются следствием таких мутаций.
Понимание данных механизмов позволяет раскрыть причины наследственных заболеваний и наметить пути их коррекции, даёт возможность обоснованного применения фармакологических препаратов для лечения злокачественных новообразований и инфекционных болезней.
Цель занятия. После изучения данной темы студент должен знать особенности биосинтеза и роль нуклеиновых кислот в клетке, этапы биосинтеза белка и важнейшие механизмы регуляции этого процесса; уметь применять полученные знания для решения теоретических и практических задач.
Исходный уровень знаний.
Структурная организация белковых молекул.
Строение ДНК и РНК, их структурные и функциональные особенности, разновидности РНК.
Нуклеозидтрифосфаты, их роль в организме.
Механизмы регуляции активности ферментов.
6.1. Общая характеристика.
6.1.1. 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).
6.1.2. 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.
6.1.3. 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).