Трансляция генетической информации

ТРАНСЛЯЦИЯ
Перевод генетической информации мРНК, записанной с помощью четырех нуклеотидов, в первичную структуру белка (полипептид), записанную с помощью 20 аминокислот
(экспрессия гена).
Трансляция идет в рибосомах.
Для перевода нуклеотидного кода в аминокислотную последовательность служат молекулы-адаптеры аминоацил-тРНК: на 3’-конце – аминокислота, а в другой части молекулы - триплет нуклеотидов (антикодон), комплементарный кодону мРНК.

Рибосомы
Рибосомы - внутриклеточный компартмент, где происходит трансляция.
Полирибосомы (полисомы) - несколько рибосом, транслирующих одну и ту же цепь мРНК.
Шероховатый эндоплазматический ретикулум – рибосомы, связанные с мембранами, продуцируют мембранные и экспортные белки.
Свободные полисомы синтезируют внутриклеточные белки.

Строение рибосом
Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков в соотношении 1:1 у 80S рибосом эукариот и 2:1 у 70S рибосом прокариот.
Рибосомные РНК синтезируются в ядрышке, белки образуются в цитоплазме и переносятся в ядрышко. Здесь спонтанно образуются рибосомные субчастицы путем объединения белков с соответствующими рРНК.

Строение рибосом
Рибосома состоит из 2 субъединиц: малая (30S – прокариоты или 40S - эукариоты) и большая (50S – прокариоты или 60S – эукариоты).
У эукариот малая субъединица содержит 33 белка и 18S рРНК, а большая – 49 белков, 5S, 5,8S и 28S рРНК.
В микробной клетке – 10000 рибосом, в клетках эукариот – до 100000 рибосом.

РИБОСОМНЫЙ ЦИКЛ ДЖ.УОТСОНА
В начале синтеза полипептидной цепи субъединицы рибосомы объединяются на 5’-конце мРНК в функционирующую рибосому, а в конце синтеза диссоциируют на субъединицы.
Для синтеза каждой новой полипептидной цепи необходимо собрать рибосому на 5’-конце мРНК.
С одной мРНК одновременно могут транслироваться несколько полипептидных цепей, каждая своей рибосомой.

ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ СИНТЕЗЕ БЕЛКА
ДНК: информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана в структурных генах в виде последовательности триплетов дезоксирибонуклеотидов.
мРНК: в процессе транскрипции на мРНК создается аналогичная последовательность триплетов рибонуклеотидов (кодонов).
тРНК: каждая из 20 протеиногенных аминокислот включается в 1-4 аминоацил-тРНК, имеющих одинаковый антикодон – триплет рибонуклеотидов, комплементарный соответствующему кодону мРНК.

Генетический код

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД (мРНК)
Инициирующие кодоны – АУГ и ГУГ (кодируют включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот), определяют стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы.
Смысловые кодоны – кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь.
Терминирующие кодоны (нонсенс-кодоны УАА,УАГ и УГА) не кодируют включение аминокислот, а определяют завершение (терминацию) синтеза.

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА
Активация аминокислот с образованием амино-ацил-тРНК (аа-тРНК);
Инициация полипептидной цепи;
Элонгация полипептидной цепи;
Терминация полипептидной цепи;
Сворачивание полипептидной цепи (фолдинг) и процессинг (созревание).

Белоксинтезирующая система клетки
мРНК – матрица, на которой записана последовательность аминокислот белка в виде последовательности триплетов.
Рибосомы (полирибосомы) – место ферментативного соединения аминокислот.
Набор всех типов аа-тРНК (64 типа, по числу кодонов генетического кода).
АТФ, ГТФ, ионы магния, регуляторные и вспомогательные факторы белковой природы.

АКТИВАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ
В цитозоле 20 аминокислот соединяются с соответствующими тРНК с образованием аа-тРНК.
Ферменты – аа-тРНК-синтетазы имеют 4 участка в активном центре: для аминокислоты, для тРНК, для АТФ и для воды (гидролиз в случае присоединения «неправильной» аминокислоты).
Аминоацил-тРНК-синтетазы способны распознавать ошибку и устранять ее
(1 ошибка на 1300 аминокислот).

Реакция активации аминокислот
Аминокислота + АТФ + тРНК ?
аа–тРНК + АМФ + ФФ.
2 этапа:
Аминокислота + АТФ ?
аминоациладенилат + ФФ.
Аминоациладенилат + тРНК-3’ОН ? AМФ + аа-тРНК.

Образование аминоацил-тРНК

Стадия инициации
Необходимо: субъединицы рибосом, инициирующие факторы IF-1, IF-2, IF-3, (формил)метионин-тРНК, мРНК, ГТФ.
Антикодон (формил)метионин-тРНК УАЦ комплементарен инициирующему кодону мРНК на 5’-конце мРНК.
Перед АУГ на мРНК – последовательность Shine-Dalgarno, которая помогает правильному расположению рибосомы на инициирующем кодоне мРНК (через IF-2 или 16S-РНК).

Стадия инициации (продолжение)
В рибосоме – два участка связывания аа-тРНК: А (аминоацильный) имеет основное сродство к амино-ацил-тРНК; Р (пептидильный) имеет сродство к пептидил-тРНК.
В конце стадии инициации инициирующая (формил)метионин-тРНК находится в Р-участке рибосомы; в А-участке находится следующий кодон мРНК.
В работающей рибосоме находятся 2 кодона мРНК.

Стадия элонгации
Необходимы: набор аа-тРНК, факторы элонгации EF-T и EF-g, ГТФ.
Этапы: 1) присоединение аа-тРНК к кодону мРНК в А-участке; 2) замыкание пептидной связи (пептидилтрансфераза) и образование дипептида в А-участке; 3) транслокация – перемещение дипептида в Р-участок; 4) в А-участок приходит третий кодон мРНК; 5) с ним связывается соответствующая аа-тРНК и т.д.

Стадия терминации
Факторы терминации FR-1 (УАА и УАГ) и FR-2 (УАА и УГА). Терминирующие кодоны (в скобках) не имеют аа-тРНК.
При поступлении УАА, УАГ или УГА в А-участок через факторы FR-1 и FR-2 активируется пептидилэстеразная активность и система синтеза белка распадается на элементы: субъединицы рибосомы, мРНК и синтезированный пептид.

Фолдинг и процессинг
От синтезированного пептида в цитозоле отщепляется инициирующая аминокислота (формил)метионин.
Сигнальная последовательность на N-конце позволяет проникнуть через мембрану ЭПР.
Складывание трехмерной сируктуры с помощью шаперонинов и отбраковка – с помощью белков теплового шока (семейство HSP).
Модификация (гликозилирование, фосфорилирование и пр.).

Регуляция синтеза белка
Возможна на всех стадиях.
Индукция синтеза белка – вещество понижает сродство репрессора к гену оператору, что освобождает дорогу РНК-полимеразе.
Репрессия синтеза белка – вещество повышает сродство репрессора к гену-оператору, что прекращает работу РНК-полимеразы.
В первом случае – экспрессия генов, т.е. синтез белков по генетической программе структурных генов. Во втором случае – подавление экспрессии генов.

Препараты-регуляторы синтеза белка
I класс. ИНДУКТОРЫ (анаболики)
1) Гормональные
а) специфические – стероидные гормоны.
Глюкокортикоиды (индукция ферментов глюконеогенеза)
б) неспецифические – инсулин, феноболин, ретаболин.
2) Негормональные – оротат калия, инозин (используются для синтеза пуриновых нуклеотидов
+ индуцируют синтез белков).
II класс. ИНГИБИТОРЫ
1) транскрипции;
2) процессинга и транспорта мРНК;
3)трансляции;

Ингибиторы транскрипции
Рифампицин связывается с
β-субъединицей РНК-полимеразы, ингибируя образование первой фосфодиэфирной связи в транскрипте. На уже начавшийся синтез не влияет.

Ингибиторы трансляции
Стрептомицин – препятствует связыванию с рибосомой формилметионин-тРНК, нарушая инициацию трансляции. Связывается с белком малой субъединицы рибосом и нарушает правильное считывание информации с мРНК.
Пуромицин связывается в А-участке рибосомы, конкурируя с аминоацил-тРНК и освобождает полипептид до завершения синтеза (как и тетрациклины)
Левомицетин соединяется с большой субъединицей и ингибирует пептидилтрансферазную реакцию.
Пенициллины и цефалоспорины нарушают процесс созревания белков клеточной стенки бактерий.
Эритромицин взаимодействует с большой субъединицей рибосом и препятствует элонгации синтеза белка.

Действие токсинов
Аманитин (токсин бледной поганки), циклический пептид, связывается с эукариотической РНК-полимеразой II, блокируя синтез мРНК.
Рицин (токсин клещевины) является гликозилазой, удаляющей аденин из большой субъединицы рибосом.
Дифтерийный токсин, является
АДФ-рибозилтрансферазой, модифицирует фактор элонгации синтеза белка.

Ингибиторы репликации ДНК
Антибиотики способны:
1) встраиваться (интеркаляция) между основаниями ДНК, ингибируя ее матричную активность (дауномицин, доксорубицин, рифампицин, актиномицин Д) .
2) алкилировать ДНК, препятствуя репликации (мелфалан).
3) ингибировать ДНК-гиразы у прокариот и топоизомеразы у эукариот (новобиоцин, налидиксовая кислота, номермицин).