Лекция: «Обмен веществ и энергии. Ген. Генетический код.
Биосинтез белков»
Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты и белки. Биосинтез белков идет интенсивно и у многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие клеток, например у клеток пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин) или у клеток желез с внутренней секрецией, синтезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща, впрочем, не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно изнашиваются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, состав и деятельность клетки не нарушаются.
В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: р-РНК, входящие в состав рибосом, и т-РНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция - синтез и-РНК на матрице ДНК (гена) - и трансляция - перевод последовательности нуклеотидов и-РНК в последовательность аминокислот и синтез полипептидной цепи.
Генетический код и его свойства
Генетический код - система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.
Свойства генетического кода:
1. триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
2. однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
3. вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
4. универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
5. неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
6. из 64 кодовых триплетов 61 - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные (в РНК - УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами, поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК - АУГ), с которого трансляция начинается.
Таблица генетического кода
| Первое основание | Второе основание | Третье основание | |||
| У(А) | Ц(Г) | А(Т) | Г(Ц) | ||
| У(А) | Фен Фен Лей Лей | Сер Сер Сер Сер | Тир Тир — — | Цис Цис — Три | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| Ц(Г) | Лей Лей Лей Лей | Про Про Про Про | Гис Гис Глн Глн | Арг Арг Арг Арг | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| А(Т) | Иле Иле Иле Мет | Тре Тре Тре Тре | Асн Асн Лиз Лиз | Сер Сер Арг Арг | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| Г(Ц) | Вал Вал Вал Вал | Ала Ала Ала Ала | Асп Асп Глу Глу | Гли Гли Гли Гли | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
* Первый нуклеотид в триплете - один из четырех левого вертикального ряда, второй — один из верхнего горизонтального ряда, третий - из правого вертикального.
Реакции матричного синтеза
Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. Термином «матрица» в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.
Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот - ДНК или РНК. Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.
К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция. Кроме живой клетки, матричный тип реакций нигде в природе обнаружен не был.
| Название реакции матричного синтеза | Характеристика процесса | Основные компоненты |
| Репликация | Синтез ДНК на матрице ДНК | Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
| Транскрипция | Синтез РНК на матрице ДНК | Участок ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
| Трансляция | Синтез полипептида на матрице РНК | Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты |
| Обратная транскрипция | Синтез ДНК на матрице РНК | Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
Строение гена эукариот
Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом. Особенностями строения гена эукариот являются:
ü наличие достаточно большого количества регуляторных блоков;
ü мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).
Экзоны (Э) - участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) - участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции. Промотор (П) - участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.
Транскрипция у эукариот
Транскрипция - синтез и-РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой. РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3'- к 5'-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).
В результате транскрипции образуется «незрелая» и-РНК (про-и-РНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя:
ü КЭПирование 5'-конца
ü полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов)
ü сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов).
В зрелой и-РНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».
Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.
Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая и-РНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; и-РНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).
Трансляция
Трансляция - синтез полипептидной цепи на матрице и-РНК. Органоиды, обеспечивающие трансляцию, - рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах - митохондриях и пластидах (70S-рибосомы), в свободном виде в цитоплазме (80S-рибосомы) и на мембранах эндоплазматической сети (80S-рибосомы). Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки.
В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая - за биохимические, ферментативные. В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, т-РНК Длина т-РНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В т-РНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3'-конце способен с помощью фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои т-РНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к т-РНК.
| 
| |
| 1. антикодон; 2. участок, связывающий связывающий аминокислоту. | Транспорт аминокислот к рибосомам: 1 - фермент; 2 - тРНК; 3 - аминокислота. |
Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид т-РНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько т-РНК. Установлено существование нескольких
т-РНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне
т-РНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных т-РНК.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5'-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.
Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая т-РНК, чей антикодон комплементарно соединяется с кодоном и-РНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая т-РНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет и-РНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая т-РНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья т-РНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от т-РНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.
Скорость передвижения рибосомы по и-РНК - 5-6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек.
В трансляции можно выделить три стадии:
· инициации (образование иницаторного комплекса);
· элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом);
· терминации (образование терминирующего комплекса).