Фрагмент лекции "Биосинтез белков"

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

Пластический обмен. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакции матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.

Экзаменационные вопросы по теме:

  • Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Матричный синтез. (Б.1989)
  • ДНК, РНК и их роль в клетке. Генетический код. Реакции матричного синтеза. (Б.1998)
  • Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе белков. Генетический код. Реакции матричного синтеза. (Б. 2001; Б, ФФМ, ФББ 2007)
  • Пластический обмен. Биосинтез белков. (П. 2003)

Белки являются важнейшими компонентами живого не столько потому, что составляют большую по массе часть клетки, но потому, что обеспечивают ее функциональную активность и уникальность. Каждая клетка имеет набор специфических белков, характерных именно для этой клетки. Он отличается как от набора белков, характерного для клеток другого организма, так и от набора белков, свойственного клеткам другой ткани данного организма, поскольку в каждой клетке осуществляется синтез специфичных для нее белков. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, хранится в ядре, она записана в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Часть молекулы ДНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет последовательность аминокислот в данном белке, называется геном. В молекуле ДНК в зависимости от эволюционного пути, который прошел данный организм, может содержаться от сотен до десятков тысяч генов.

Код ДНК

Каким же образом последовательность нуклеотидов может определять последовательность аминокислот? Известно, что ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается четырьмя буквами (А, Г, Т, Ц). Из математических расчетов вытекает, что для кодирования одной аминокислоты требуется более одного нуклеотида, поскольку в белках обнаруживается 20 различных аминокислот. Поскольку из 4 нуклеотидов можно сделать лишь 16 различных сочетаний по два нуклеотида (42=16), что менее 20, то кодирующая аминокислоту последовательность должна состоять более, чем из двух букв. Если записывать кодирующее "слово" сочетанием трех букв (нуклеотидов), то число различных вариантов будет составлять 43=64, что больше 20. Таким образом, комбинации из трех нуклеотидов (триплетный код) будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих определенные аминокислоты, называют кодом ДНК или генетическим кодом.

В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, то есть известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот, входящих в состав белка. Пользуясь комбинацией, состоящей из трех нуклеотидов, можно сделать значительно большее количество кодирующих "слов", чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота кодируется более, чем одним триплетом, то есть генетический код вырожден. Так, например, аминокислота фенилаланин может кодироваться как последовательностью УУУ (код иРНК), так и последовательностью УУЦ. Только две аминокислоты (триптофан и метионин) кодируются одним триплетом. Нужно отметить, что термин "вырожденный" не означает "неточный", так как один триплет не может кодировать две аминокислоты. Таким образом, генетический код однозначен

Генетический код

Существенная особенность генетического кода заключается в том, что в нем отсутствуют сигналы, отделяющие одно кодирующее "слово" (его называют кодоном) от другого. Именно поэтому считывание информации должно начинаться с правильного места молекулы ДНК (РНК) и продолжаться последовательно от одного кодона к другому. В противном случае последовательность нуклеотидов окажется измененной во всех кодонах. Это подтверждается обнаружением мутаций, при которых из последовательности либо выпадает (делеция), либо встраивается в нее (вставка) один или два нуклеотида. При этих мутациях в результате сдвига рамки считывания синтезируется дефектный белок. В случае, когда выпадают или встраиваются три нуклеотида, на основе этого гена синтезируется белок, который отличается от нормального лишь отсутствием одной аминокислоты (делеция трех нуклеотидов) или появлением дополнительной аминокислоты (вставка трех нуклеотидов).

Еще одна особенность генетического кода заключается в том, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а своеобразные "знаки препинания". Они являются стоп-сигналами, которые сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи. Генетический код универсален, то есть триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, одинаковы у всех живых существ: один и тот же кодон кодирует определенную аминокислоту, как у человека, так и у вируса или растения. Таким образом, генетический язык одинаков для всех видов.

Универсальность генетического кода свидетельствует о том, что он возник в процессе генетической эволюции почти в том виде, в котором существует и сегодня. Вырожденность кода затрагивает только третье основание кодона: так, например, серин кодируется триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ. Таким образом, кодирование определенной аминокислоты определяется главным образом двумя первыми буквами. Это дает основание полагать, что генетический код был сначала дуплетным и содержал информацию о 16 (или менее) аминокислотах.

Реакции матричного синтеза

Реакции матричного синтеза представляют собой реакции, которые идут с использованием матрицы. Матрица представляет собой готовую структуру, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры. Для синтеза белковых молекул необходимо осуществление реакций двух типов: транскрипции, которая необходима для переноса генетической информации из ядра в цитоплазму, и трансляции. Кроме того, к реакциям матричного синтеза относится реакция самоудвоения ДНК (репликация). При синтезе ДНК и синтезе иРНК в качестве матрицы используется одна из цепей ДНК, на которой происходит образование комплементарной ей цепи. Таким образом, в результате реакций матричного синтеза образуются структуры, построенные по строго определенному плану. Реакции матричного синтеза характерны лишь для живой природы, в результате их осуществления становится возможным передача информации от одного поколения живых существ, к другому (репликация), а также синтез молекул белков в соответствии с информацией, заложенной в генетическом материале.

Транскрипция

Синтез белка осуществляется на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. В то же время информация о последовательности аминокислот в белке хранится в ДНК. Оказалось, что во время или перед началом синтеза определенного белка в ядре образуется так называемая матричная или информационная РНК, являющаяся посредником, переносящим информацию от ДНК к рибосомам. Молекула информационной РНК (иРНК) синтезируется с использованием в качестве матрицы определенного участка ДНК (гена). Затем молекула иРНК покидает ядро и перемещается в цитоплазму. Связываясь с рибосомами, она, в свою очередь, служит матрицей, на которой происходит синтез белка.

Биосинтез белка

Синтез иРНК осуществляется в ядре с помощью фермента, называемого ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Вновь синтезированная иРНК имеет нуклеотидный состав, коплементарный нуклеотидному составу использованной ДНК с той лишь разницей, что остаткам тимина в ДНК-матрице соответствуют остатки урацила в синтезированной иРНК. Таким образом, информация, имеющаяся в гене, переписывается на иРНК. Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием).

Транскрипция

Трансляция

Термином трансляция (перевод) в биологии обозначают реакции, в результате которых в рибосомах с использованием в качестве матрицы иРНК осуществляется синтез полипептидной цепи. Полипептидная цепь удлиняется в процессе синтеза путем последовательного присоединения отдельных аминокислотных остатков. Для того чтобы понять, каким образом осуществляется образование пептидной связи между соответствующими аминокислотами, необходимо рассмотреть структуру рибосом и транспортных РНК (тРНК), участвующих с процессе трансляции.

тРНККаждая рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой, которые могут отделяться друг от друга. В состав каждой субъединицы входит рибосомная РНК и белок. Некоторые рибосомные белки выполняют каталитические функции, то есть являются ферментами. Основная функция малой субъединицы - "расшифровка" генетической информации. Она связывает иРНК и тРНК, несущие аминокислоты. Функция большой субъединицы - образование пептидной связи между аминокислотами, принесенными в рибосому двумя соседними молекулами тРНК.

Транспортная РНК. Молекулы транспортных РНК невелики, в их состав входят 70-90 нуклеотидов. Функция тРНК заключается в том, чтобы в ходе процесса синтеза полипептидной цепи переносить на рибосомы определенные аминокислоты, при этом каждая аминокислота переносится соответствующей тРНК. Все молекулы тРНК способны образовывать характерную конформацию - конформацию клеверного листа. Такая конформация молекулы тРНК возникает потому, что в ее структуре имеется значительное количество нуклеотидов (по 4-7 в одном участке), комплементарных друг другу. Внутримолекулярное спаривание таких нуклеотидов за счет образования водородных связей между комплементарными основаниями и приводит к образованию такой структуры. У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен кодону иРНК, кодирующему аминокислоту. Этот триплет различен для тРНК, переносящих различные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной тРНК. Он называется антикодоном.

У основания клеверного листа находится участок, в котором связывается аминокислота. Таким образом, молекула тРНК не только переносит определенную аминокислоту, она имеет в своей структуре запись о том, что она переносит именно эту аминокислоту, причем эта запись сделана на языке генетического кода.

 В демонстрационной версии представлено только начало лекции. Полная версия доступна слушателям наших курсов.

Последнее изменение: пятница, 26 Август 2016, 00:00