Биосинтез белка

Биосинтез белка
В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена) — и трансляция — синтез полипептидной цепи.

Строение оперона
Оперон- группа рядом расположенных генов у прокариот, несущих информацию о структуре белков, участвующих в одной биохимической цепи реакций.
Строение:
промотор
оператор
структурные гены
терминатор

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: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).

Строение гена эукариот
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

Строение гена эукариот
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
Синтез РНК на матрице ДНК называется транскрипцией и осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Этот фермент узнает начало гена, точнее, определенную последовательность нуклеотидов в ДНК, называемую промотором

Транскрипция
Присоединившись к промотору, РНК-полимераза расплетает участок ДНК, образуя «транскрипционный пузырь», полностью находящийся внутри молекулы фермента

Транскрипция
После этого начинается синтез РНК с определенной точки молекулы ДНК (старт). В процессе синтеза используются нуклеотиды, содержащие основания гуанин, аденин, цитозин и урацил. При этом строится цепь РНК, комплементарная только одной из цепей ДНК, называемой матричной. В строящейся цепи аденин ставится напротив тимина в матричной ДНК, гуанин — против цитозина, цитозин — против гуанина, а урацил — против аденина, т. е. образуются пары Т–А и А–У.

Транскрипция
Та цепь ДНК, которая не используется в качестве матрицы, называется смысловой, так как последовательность нуклеотидов в ней совпадает с последовательностью синтезируемой РНК с той только разницей, что тимин в ДНК в РНК заменен на урацил.
Так же, как и при репликации, синтез РНК идет в направлении от 5’-конца к 3’-концу. По мере синтеза РНК-полимераза двигается по молекуле ДНК (в направлении от 3’-конца к 5’-концу по матричной нити), расплетая новый участок ДНК. В отличие от репликации, РНК-полимераза отделяет образуемый ею продукт (РНК) от матрицы, а матрицу снова заплетает в двойную спираль.

Транскрипция
Так продолжается до тех пор, пока фермент не дойдет до конца гена .Там находится специальная последовательность нуклеотидов, называемая терминатор. На этом месте РНК-полимераза завершает синтез. Продукт - готовая молекула РНК - отделяется от матрицы и фермента. После этого РНК-полимераза также отделяется от ДНК-матрицы и ищет новый промотор.

Транскрипция
В процессе транскрипции у всех организмов можно выделить следующие стадии:
1) связывание РНК-полимеразы с промотором
2) инициация – начало синтеза
3) элонгация – ростр цепи
4) терминация – завершение синтеза РНК
В результате транскрипции в клетке образуются все виды РНК. Основными из них являются:
Матричные, или информационные РНК (сокращенно мРНК, или иРНК), в которых закодирована последовательность аминокислот в белке.
Транспортные РНК (сокращенно тРНК), переносящие активированные аминокислоты к месту синтеза белка.
Рибосомные РНК (сокращенно рРНК), образующие рибосомы, частицы, в которых происходит биосинтез белка.

Трансляция прокариот
У прокариот РНК сразу после синтеза готова к трансляции (биосинтезу белка). Говорят, что в прокариотических клетках происходит сопряжение транскрипции и трансляции, т. е. рибосомы могут присоединиться к свободному 5'-концу РНК (он освобождается первым, т. к. при синтезе нуклеиновых кислот удлиняется всегда 3'-конец) и начать ее трансляцию еще до завершения транскрипции (см. рис.). РНК - весьма нестабильная молекула и легко подвергается гидролизу; время жизни РНК прокариот обычно не превышает нескольких минут.

Транскрипция у эукариот
В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5'-конца, 2) полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг

Транскрипция у эукариот
РНК эукариот имеют специальные приспособления для повышения стабильности и живут гораздо дольше (как минимум несколько часов). Эти приспособления - модификации концов, предотвращающие их деградацию (разрушение). На 5'-конце эукариотических иРНК имеется кэп («шапочка»), на 3'-конце - полиА-хвост, то есть длинная цепочка нуклеотидов с аденином (А). Она не транслируется и не кодирует аминокислот, но защищает 3'-конец и сама с течением жизни РНК постепенно разрушается

Транскрипция у эукариот
Когда хвост становится слишком коротким, то специальные ферменты откусывают кэп, и РНК деградирует. Таким образом, длина полиА-хвоста регулирует время жизни РНК. Время жизни иРНК - очень важный параметр. Чем дольше живет иРНК, тем большее количество белка успеет с нее синтезироваться. Поэтому регуляция времени жизни РНК (в частности, при участии белков, которые связываются с полиА-хвостом и стабилизируют его) является одним из уровней регуляции экспрессии гена, то есть интенсивности продукции соответствующего белка. Присоединение кэпа называется кэпированием РНК, а присоединение полиА-хвоста - полиаденилированием.

Транскрипция у эукариот
Еще один важный процесс- вырезание из РНК незначащих участков - интронов. Дело в том, что большинство генов эукариот, в отличие от генов прокариот, содержат некодирующие участки. Они транскрибируются, т. к. находятся внутри гена, но если такая РНК начнет транслироваться, то нормального белка не получится - последовательность интрона бессмысленна, с точки зрения структуры белка это «абракадабра», и, скорее всего, синтез быстро оборвется из-за случайного стоп-кодона внутри интрона. Кодирующие участки РНК, которые перемежаются интронами, носят название экзонов

Транскрипция у эукариот
В процессе сплайсинга интроны из РНК вырезаются, а экзоны сшиваются между собой. В результате получается зрелая иРНК, не содержащая «лишних» участков.
После этого осуществляется экспорт иРНК из ядра через одну из ядерных пор. Только правильно процессированная иРНК называется зрелой и может принять участие в трансляции.

Транскрипция у эукариот
В зрелой иРНК 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

Трансляция
Синтез полипептидной цепи на матрице мРНК, происходящий в рибосомах называется трансляцией.
Информация о последовательности аминокислот в белке записана в генах, то есть в виде нуклеотидной последовательности ДНК, и переносится из ядра к рибосомам в виде иРНК.
Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков.

Трансляция
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).
В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. 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.

Трансляция
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК. Длина тРНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК 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-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.

Трансляция
Активация аминокислот происходит путем их присоединения к тРНК. Она происходит в цитоплазме, без всякой связи с рибосомами.
Реакцию активации аминокислот осуществляют специальные ферменты. Этих ферментов 20, по числу аминокислот. Каждый такой фермент специфически узнает определенную аминокислоту и соответствующую ей тРНК и связывает их, при этом расщепляется молекула АТФ. Образуется молекула аминоацил-тРНК, то есть тРНК с висящей на ее конце соответствующей аминокислотой.
1 –фермент; 2- тРНК; 3- аминокислота

Трансляция
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.

Трансляция
Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, 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.

Трансляция
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.

Трансляция
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 тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.
Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 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.

Трансляция
В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).

Трансляция
Часто на одной мРНК последовательно друг за другом синтезируют белок несколько рибосом. Это позволяет более эффективно использовать мРНК и синтезировать в единицу времени больше белковых молекул. Такие структуры, состоящие из одной мРНК и нескольких работающих на ней рибосом, называются полисомами

Регуляция транскрипции и трансляции