Биосинтез белка Основные вопросы: 1. Транскрипция 2. Трансляция 3. Общая схема б-за белка

РНК получает наследственную информацию Прежде чем начнут синтезироваться белки, информацию об их строении необходимо "достать" из ДНК и доставить ее к месту синтеза белков. Этим занимаются информационные или матричные РНК. Одновременно клетке нужны транспортеры аминокислот – транспортные РНК и структурные компоненты органелл, синтезирующих белок, – рибосомальные РНК. Вся информация о строении транспортных и рибосомальных РНК также находится в ДНК. Поэтому существует процесс переписывания или транскрипции данных с ДНК на РНК (англ. transcription – переписывание) – биосинтез РНК на матрице ДНК.

Транскрипция - первая стадия реализации генетической информации в клетке. В ходе процесса образуются молекулы мРНК, служащие матрицей для синтеза белков, а также транспортные, рибосомальные и другие виды молекул РНК, выполняющие структурные, адаптерные и каталитические функции (рис. 4-26).

Транскрипция у эукариотов происходит в ядре. В основе механизма транскрипции лежит тот же структурный.принцип комплементарного спаривания оснований в молекуле РНК (G C, A=U и Т=А). ДНК служит только матрицей и в ходе транскрипции не изменяется. Рибонукле-озидтрифосфаты (ЦТФ, ГТФ, АТФ, УТФ) -субстраты и источники энергии, необходимые для протекания полимеразной реакции, образования 3',5'-фосфодиэфирной связи между рибонуклеозидмонофосфатами. Синтез молекул РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации). Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон. У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит один ген (рис. 4-27), у прокариотов несколько. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют регуляторные транскрипционные факторы.

Транскрипционые факторы - белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами и ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции. Соотношение информативной и неинформативной частей в транскриптонах эукариотов составляет в среднем 1:9 (у прокариотов 9:1).

Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК. Разделение ДНК на множество транскриптонов позволяет осуществлять с разной активностью индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов.

В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из двух цепей ДНК, которая называется матричной, вторая, комплементарная ей цепь, называется кодирующей. Синтез цепи РНК идёт от 5'- к З'-концу, при этом матричная цепь ДНК всегда антипараллельна синтезируемой нуклеиновой кислоте (рис. 4-28). Транскрипция не связана с фазами клеточного цикла; она может ускоряться и замедляться в зависимости от потребности клетки или организма в определённом белке.

РНК-полимеразы Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК- полимеразами. В ядрах эукариотов обнаружены 3 специализированные РНК- полимеразы: РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II, ответственная за синтез пре-мРНК; РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК. РНК-полимеразы - олигомерные ферменты, состоящие из нескольких субъединиц - 2α, β, β', σ. Субъединица о (сигма) выполняет регуляторную функцию, это один из факторов инициации транскрипции, РНК-полимеразы I, II, III, узнающие разные промоторы, содержат разные по строению субъединицы σ.

Стадии транскрипции Инициация Активация промотора происходит с помощью большого белка - ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора - ТАТААА- (ТАТА-бокс) (рис. 4-29).

Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Факторы инициации вызывают изменение конформации РНК-полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка, в которой матрица доступна для инициации синтеза цепи РНК (рис. 4-30). После того как синтезирован олигонуклеотид из 8-10 нуклеотидных остатков, σ-субъединица отделяется от РНК-полимеразы, а вместо неё к молекуле фермента присоединяются несколько факторов элонгации.

1 - присоединение ТАТА- фактора к промотору. Чтобы промотор был узнан РНК-полимеразой, необходимо образование транскрипционного комплекса ТАТА-фактор/ТАТА-бокс (промотор). ТАТА-фактор остаётся связанным с ТАТА-боксом во время транскрипции, это облегчает использование промотора многими молекулами РНК- полимеразы; 2 - образование транскрипционной вилки; 3 - элонгация; 4.- терминация.

Элонгация Факторы элонгации повышают активность РНК- полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. Синтез молекулы РНК идёт от 5'- к З'-концу комплементарно матричной цепи ДНК. На стадии элонгации, в области транскрипционной вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3'- к 5'-концу впереди неё происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали ДНК.

Терминация Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы - терминаторах (сайты терминации). Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы σ.

Ф гтф GF Т А Ц Г ГЦ. АТ. ф АУГЦ Для начала транскрипции необходимы: фермент РНК-полимераза, фактор транскрипции (GF) и ГТФ. Фермент связывается с GF и присоединяется к промотору – специальному участку ДНК. К этому комплексу присоединяется ГТФ и происходит раскручивание ДНК. Фермент двигается вдоль одной из цепей ДНК, присоединяя комплементарные нуклеотиды, образующейся иРНК. Дойдя до терминатора, РНК-полимераза присоединят TF и отщепляется от ДНК. Транскрипция TF и РНК

Ковалентная модификация (процессинг) матричной РНК Первичные транскрипты мРНК, прежде чем будут использованы в ходе синтеза белка, подвергаются ряду ковалентных модификаций. Эти модификации необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы.

Кэпирование (англ. cap – шапка) Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидных остатков, происходит копирование Процесс состоит в присоединении к 5'-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5'-углерода N7-метил-гуанозина. "Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от действия 5'- экзонуклеаз в цитоплазме., а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции. Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, так как инициирующие триплеты AUG, GUG распознаются рибосомой только если присутствует кип.

Полиаденилирование Полиаденилирование – при помощи полиаденилат- полимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3'-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклеотидов, формирующих полиадениловый фрагмент (поли(А)-хвост). Поли(А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3'-конца.

Транскрипция Для экспрессии гена, т.е. синтеза закодированных в нем белков, последовательность нуклеотидов кодирующей цепи ДНК должна быть трансформирована в аминокислотную последовательность. Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции выделяют 5 необходимых элементов: 1. матрица – одна из цепей ДНК, 2. растущая цепь – РНК, 3. субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ), 4. источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ. 5. ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции

Транскрипция Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон, с одного края он ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец). РНК-полимеразы эукариот имеют по две больших субъединицы и несколько малых субъединиц Поскольку ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка, информация, хранящаяся в ядре, должна быть перенесена на рибосомы, где собственно и осуществляется биосинтез белков. Для этого соответствующий участок кодирующей цепи ДНК считывается (транскрибируется) с образованием гетерогенной ядерной РНК [гяРНК (hnRNA)], т. е. последовательность этой РНК комплементарна кодирующей цепи ДНК. Поскольку в РНК вместо тимина содержится урацил, AAG триплет ДНК трансформируется в UUC-кодон гяРНК

Ген эукариот содержит наряду с кодирующими (экзоны) также некодирующие (интроны) последовательности. Фермент РНК-полимераза катализирует транскрипцию как экзонов, так и интронов с образованием гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), называемой также первичным транскриптом. Термин «интроны» означает вставочные, не транслирующие последовательности нуклеотидов в ДНК эукариот.

Процессинг. Созревание РНК-Сплайсинг Между транскрипцией и трансляцией существует еще одного важное звено – образование «зрелой» молекулы мРНК. Этот этап получил название процессинга, или созревания, мРНК, (посттранскрипционные модификации РНК) Процессинг мРНК включает три основных процесса: 1) сплайсинг – удаление некодирующих иностранных последовательностей из мРНК и сшивание образующихся экзонов;

Созревание РНК. У эукариот гяРНК, прежде, чем покинуть ядро в виде матричной РНК (мРНК), претерпевает существенные изменения: из молекулы вырезаются избыточные (некодирующие) участки (интроны), а оба конца транскриптов(экзоны) модифицируются путем присоединения дополнительных нуклеотидов.

Схематичное представление матричной РНК после процессинга 2).Кэпирование (англ. cap – шапка) – происходит еще во время транскрипции. Процесс состоит в присоединении к 5'- трифосфату концевого нуклеотида пре- мРНК 5'-углерода N7-метил-гуанозина. "Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции. 3). Полиаденилирование – при помощи полиаденилат-полимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3'-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклеотидов, формирующих полиадениловый фрагмент (поли(А)-хвост). Поли(А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3'-конца.

Трансляция Трансляция. Зрелая мРНК попадает в цитоплазму и связывается с рибосомами, преобразующими полученную информацию в аминокислотную последовательность. Рибосомные РНК выполняют функцию структурного элемента рибосом, а также принимают участие в связывании мРНК и образовании пептидных связей. Механизм преобразования генетической информации основан на взаимодействии кодонов мРНК с транспортной РНК, которая переносит на рибосому аминокислоты, связанные с 3'-концом тРНК, в соответствии с информацией, закодированной в мРНК. Примерно в середине цепи тРНК расположен триплет (например, GAA), антикодон и комплементарный соответствующему кодону а мРНК. Если транслируется кодон UUC, то с ним взаимодействует антикодон в составе Phe-тРНК, несущей на 3'-конце остаток фенилаланина. Таким образом, остаток аминокислоты занимает положение, в котором на него может быть перенесена растущая полипептидная цепь, связанная с соседней тРНК.

Генетический код Наследственная информация записана в молекулах НК в виде последовательности нуклеотидов. Определенные участки молекулы ДНК и РНК (у вирусов и фагов) содержат информацию о первичной структуре одного белка и называются генами. 1 ген = 1 молекула белка Поэтому наследственную информацию, которую содержат ДНК называют генетической.

Каждой аминокислоте в полипептидной цепи соответствует комбинация из трех нуклеотидов (триплет) в ДНК Эта зависимость между азотистыми основаниями в ДНК и аминокислотами в белке называется - генетическим кодом.

Одна аминокислота закодирована тремя нуклеотидами (один кодон). АЦТ АГЦ ГАТ Триплет, кодон ген АК1 АК2 АК3 белок Пример: АК триптофан закодирована в РНК УГГ, в ДНК - АЦЦ.

Имеется 64 кодона: 61 кодон кодирует 20 (21) аминокислот, три кодона являются знаками препинания: кодоны-терминаторы УАА, УАГ, УГА (в РНК). АТЦГАТЦГ 4 3

Генетический код: Триплетный: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим кодоном иРНК. Однозначный: один кодон соответствует одной аминокислоте Непрерывный: кодоны мРНК не отделены друг от друга (отсутствуют «запятые») Вырожденный (избыточный): одна аминокислота может кодироваться разными кодонами Не перекрывающийся: каждый нуклеотид в мРНК принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов). Универсальный: генетический код одинаков для всех организмов. в митохондриях и у инфузорий генетический код имеет некоторые отличия

эритроциты - двояковогнутые диски, содержат гемоглобин. –Норма: 6-е место – глу –Патология – вал Гемоглобин - белок 1 молекула = 4 полимера 1 полимер = 574 АК При изменении молекулы белка изменяется свойство гемоглобина, возникает наследственное заболевание: серповидно-клеточная анемия. Пример:

Синтез белка протекает в несколько стадий 1) Активация аминокислот специфическими синтетазами и их связывание с тРНК. Для синтеза белка необходимо наличие достаточного количества всех аминокислот. Синтез полипептида начинается с 5'-ОН-конца мРНК. 2) Биосинтез пептидной цепи начинается в присутствии инициирующих факторов F1, F2 и F3 (все факторы являются белками), мРНК, инициаторной тРНК, GTP, Mg2+ и рибосомальных субъединиц с коэффициентами седиментации 30S и 50S..

3) Образование пептидной связи и рост белковой цепи. Этот процесс происходит в несколько стадий. а) Ориентация отдельных АА-тРНК вдоль мРНК и их взаимодействие с рибосомой (в участке А); Для связывания необходимы GTP и цитоплазматический белок Т. Для того чтобы произошло связывание, в молекуле соответствующей тРНКАА, должен присутствовать антикодон, т.е. триплет оснований с составом, комплементарным триплетному кодону мРНК. б) Образование пептидной связи (или удлинение существующей пептидной цепи на одну аминокислоту под действием пептидилтрансферазы). в) Перемещение пептида, связанного через последнюю тРНК, в участке А рибосомы на участок Р, и освобождение предыдущей тРНК из ее связи с мРНК в участке Р (транслоказа и GTP). В то же время происходит движение мРНК вдоль рибосомы на один кодон.

4) Отделение пептидной цепи от рибосомы происходит в том месте, где на молекуле мРНК встречается «стоп» (или «бессмысленный») кодон (UAA, UAG или UGA). По мере роста цепи она свертывается с образованием вторичной и третичной структур

Активация АК Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов – аминоацил-тРНК- синтетаз – в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии: На I стадии аминокислота вступает в реакцию с АТФ, при этом освобождается пирофосфат и образуется активированная АК, которая на II стадии реагирует с соответствующей 3'-ОН- тРНК, и образуется аминоацил-тРНК и освобождается АМФ. Аминокислота присоединяется к свободному концевому 3'- ОН-гидроксилу (или 2'-ОН) АМФ, который вместе с двумя остатками ЦМФ образует концевой триплет ЦЦА, являющийся одинаковым для всех транспортных РНК. Аминоациладенилат Аминоацил-тРНК Аминоацил-тРНК- синтаза Аминоациладенилат АТФPPi Аминоацил-тРНК + тРНК I II

Схема биосинтеза Процесс биосинтеза белка состоит из трех стадий: транскрипции (синтез иРНК), сплайсинга («созревание» иРНК) и трансляции (биосинтез первичного белка). Транскрипция и сплайсинг протекают в ядре, а трансляция – в цитоплазме. В трансляции принимают участие тРНК, доставляющие аминокислоты к месту сборки белковой молекулы.

Трансляция После удаления интронов иРНК становится «зрелой» и переносится в цитоплазму. Там с ней связываются рибосомы, которые одна за другой двигаются вдоль иРНК и при участии молекул тРНК синтезируют первичную цепь белка из аминокислот согласно информации, записанной в кодирующем участке иРНК. По прошествии некоторого времени иРНК разрушается под действием ферментов – рибонуклеаз. Первым подвергается деградации хвост poly (А), содержащий нуклеотидов который присоединяется к иРНК в процессе транскрипции и не удаляется при сплайсинге.

Субъединицы рибосом присоединяются к иРНК только в процессе трансляции, образуя рибосому, которая продвигается вдоль иРНК и синтезирует первичный белок. После синтеза белка рибосома распадается на субъединицы. Трансляция, как и транскрипция состоит из трех последовательных процессов: инициации (начало синтеза белка), элонгации и терминации.

Функциональные участки рибосом Р – пептидильный участок для пептидил-тРНК А – аминоацильный участок для аминоацил-тРНК Е – участок для выхода тРНК из рибосомы Е

Первый этап инициации FI иРНК Мет-тРНК На рибосоме имеется два участка: один из них связан с удлиняющейся цепью полипептида (Р-участок), а второй присоединяет новую аминоацил-тРНК.(А-участок) Малая рибосомная субъединица присоединяется к иРНК, а затем к этому комплексу присоединяется инициаторная тРНК (Мет-тРНК) в комплексе с ферментом FI (фактор инициации) и ГТФ, т.к. любой белок начинает синтезироваться с метионина. Инициаторным триплетом служит единственный кодон метионина АУГ- старт-кодон (в некоторых случаях - ГУГ, кот в середине цепи кодирует валин, а в ее начале- метионин) ГТФ РА

Второй этап инициации АУГ Р А F1 Мет-тРНК Полученный комплекс продвигается по иРНК, пока антикодон УАЦ Мет- тРНК не спарится со старт-кодоном АУГ иРНК. Далее к комплексу (иРНК – малая субъединица – мет-тРНК) присоединяется большая субъединица и образуется комплекс инициации. FI теряет сродство с мет-тРНК и уходит, а мет-тРНК перемещается в Р участок малой субъединицы, в результате чего участок А становится вакантным. В ходе инициации происходит гидролиз ГТФ до ГДФ.

Инициация трансляции

ЭЛОНГАЦИЯ Процесс элонгации включает образование пептидных связей между соседними аминокислотами, при этом очередность присоединения аминокислот определяется очередностью кодонов в иРНК. АУГ ААА ГУЦ ВАЛ МЕТ ЛИЗ После образования инициатор- ного комплекса кодон в молекуле иРНК, следующий за кодоном АУГ, спаривается с комплементарным ему антикодоном соответствующей тРНК, а между карбоксильной группой метионина и аминогруппой следующей аминокислоты с помощью ферментативной активности, присущей большой субъединице, образуется пептидная связь. Метионин отсоединяется от инициаторной тРНК, которая отделяется от рибосомы, «протягивая» последнюю на 1 кодон по иРНК. После образования инициатор- ного комплекса кодон в молекуле иРНК, следующий за кодоном АУГ, спаривается с комплементарным ему антикодоном соответствующей тРНК, а между карбоксильной группой метионина и аминогруппой следующей аминокислоты с помощью ферментативной активности, присущей большой субъединице, образуется пептидная связь. Метионин отсоединяется от инициаторной тРНК, которая отделяется от рибосомы, «протягивая» последнюю на 1 кодон по иРНК.

Терминация (освобождение) Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до кодона УАА, УАГ, УГА В конце каждого цистрона расположен один из триплетов (конец цепи), кодирующий момент окончания синтеза полипептида (стоп- кодон, терминирующий кодон, запятые). Белковые факторы терминации (RF) связываются с рибосомой, узнают один из триплетов «конец цепи» и вызывают гидролиз связей между последней тРНК и полипептидной цепью, рибосомой и иРНК. (рибосомная пептидил- трансфераза) В результате чего полипептид освобождается. Рибосома диссоциирует на субъединицы, которые вновь могут участвовать трансляции.

СИНТЕЗ ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ Первая аминокислота цепи (fMet-тРНК) связывается с большой субъединицей рибосомы в участке П. Следующая аминокислота в виде аминоацил-тРНК связывается в участке А рибосомы за счет взаимодействия антикодона тРНК и кодона мРНК. В результате NH2-группа связывающейся аминокислоты оказывается вблизи от карбоксильной группы предыдущей аминокислоты и с помощью пептидилтрансферазы образуется пептидная связь. Образовавшийся дипептид связан с тРНК второй аминокислоты. Далее, дипептид переносится транслоказой, для функционирования которой необходима энергия GTP, из участка А в участок П, вытесняя оттуда освободившуюся тРНК, которая необходима для следующих переносов. Рибосома сдвигается и против А-участка становится следующий кодон. Так восстанавливается исходная ситуация и весь процесс повторяется. Процесс продолжается до тех пор, пока до А участка рибосомы не дойдет «стоп»-кодон (который не кодирует никакой аминокислоты). На этом синтез заканчивается и синтезируемый пептид отделяется от поверхности рибосомы.

На одной иРНК «работают» несколько рибосом. Такой комплекс называется полисома. После завершения синтеза иРНК распадается на нуклеотиды. Весь цикл процессов, связанных с синтезом одной белковой молекулы, занимает в среднем 1-3 с. Полисома из печени содержит 12 рибосом, которые выглядят темными пятнами. А цепочка иРНК на снимке не видна.

Аминокислоты