Транскрипция, трансляция и биосинтез белка

Транскрипция, трансляция и биосинтез белка

Биосинтез  РНК 

• Транскрипция  – это синтез РНК на матрице  ДНК. Прцесс катализируется ферментами  РНК-полимеразами, которые подобно  ДНК-полимеразам, образуют фосфодиэфирные  связи между рибонуклеотидами, последовательность которых определяет комплиментарность к одной из нитей ДНК (матрицы). Синтез РНК происходит в ядре и митохондриях. Имеется три типа РНК-полимераз в ядре:
• РНК-полимераза 1 катализирует образование рибосомальной РНК (рРНК)
• РНК-полимераза 2 катализирует синтез матричной РНК (мРНК)
• РНК-полимераза 3 катализирует синтез транспортной РНК  (тРНК)
• Субстраты  - нуклеозидтрифосфаты АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ.
• Комплиментарнось такая же как и при репликации только вместо Т в рНК против А встает У (урацил).

Инициация  синтеза РНК 

• Синтез РНК  также как и ДНК идет от 5’  к 3’- концу антипараллельно матрице (ДНК).
• Процесс транскрипции включает в себя: инициацию, элонгацию и терминацию. В гене имеется участок начала транскрипции – промотор, который узнается РНК полимеразой . В промоторе имеется специфическая последовательность богатая нуклеотидами Т и А, которая называется ТАТА-бокс .
• Инициация – к ТАТА-последовательности ДНК матрицы присоединяется белок ТАТА-фактор, который образует участок узнавания для РНК-полимеразы и факторов инициации транскрипции. Этот комплекс расплетает двойную нить ДНК, к тому же последовательность богатая ТАТА легко денатурирует.

Синтез РНК 

• На этапе  элонгации происходит отсоединение факторов инициации и присоединение белковых факторов элонгации. По принципу комплементарности к матричной нити ДНК в нити РНК каждый последующий нуклеотид образует фосфорнодиэфирноую связь с 3’-концом предыдущего нуклеотида . Это происходит в каталитическом центре РНК-полимеразы. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице ДНК к освободившемуся промотору присоединяются новые молекулы РНК-полимеразы, которые начинают синтез еще одной молекулы РНК и т.д. Т.е. нарабатываются огромное количество копий РНК.
• Терминация синтеза РНК происходит, когда РНК полимераза достигает специфической последовательности нуклеотидов – сайта терминации.

Терминация  синтеза РНК 

• CCGGCCCGA----GGCCGGGCU---

 

• В сайте  терминации находятся участки  палиндромных последовательностей  и поли-А участок.
• Копия РНК, содержащая палиндромную последовательность складывается в дуплекс и образует «шпильку».  На поли-А последовательности синтезируется поли-У последовательность РНК, которая легко отделяется от ДНК матрицы.

Пост-трансрипционные модификации пре-РНК 

РНК-полимеразы  синтезируют молекулы предшественники  РНК – пре-РНК, которые превращаются в зрелые молекулы РНК после посттранскрипционных модификаций.

На стадии  элонгации к 5’-концу концу присоединяется  молекула ГТФ (фермент гуанилил  трансфераза). Затем гуанин в составе  ГТФ метилируется с образованием 7-метил ГТФ (фермент гуанин-7-метил  трансфераза) – эту группу в  составе мРНК называют кэп (шапочка). Кэп защищает РНК от нуклеаз  и играет роль в инициации  трансляции. Поли(А) –полимераза присоединяет  к 3’-концу 150-200 остатков АМФ и  в результате образуется поли(А) хвост, который защищает РНК от  РНКаз.

Сплайсинг  мРНК 

• Эукариотическая  ДНК состоит из участков генов, кодирующих последовательность  аминокислот в белках – экзонов, и участков, не содержащих информацию о строении белка – интронов. В ходе транскрипции получается пре-РНК, содержащая участки комплиментарные как экзонам, так и интронам. В процессе созревания мРНК интроны вырезаются, а экзоны соединяются между собой с помощью ферментов сплайсосом. Этот процесс созревания мРНК носит название сплайсинг. Одна и та же молекула мРНК в разных тканях может подвергаться разным схемам сплайсинга – например вместе с интронами могут вырезаться некоторые экзоны, в результате образуются мРНК, кодирующие более короткие белки. Этот механизм называется альтернативным сплайсингом.  В результате этого один и тот же ген в разных тканях может кодировать белки отличающиеся по своей структуре.

Пост-транскрипционные модификации тРНК 

• В клетках  синтезируются около 20 семейств  тРНК, каждая из которых может  связывать только одну  из 20 аминокислоту, образующих белок.
• Молекула тРНК укорачивается с обоих концов с помощью специфических РНКаз и удаляется интрон.
• До 15% нуклеотидов в РНК модифицируются.
• К 3’- концу всех тРНК с помощью фермента нуклетидилтрансферазы последовательно один за другим присоединяется триплет нуклеотидов ССА, необходимый для связывания аминокислот.

Пост-транскрипционные модификации рРНК 

• Пре-рРНК синтезируется  в виде большого транскрипта  размером 45S. До 2% этой молекулы метилируются  по остатку рибозы. Метильные  группы служат для обозначения  мест последующего расщепления  пре-рРНК на молекулы 18S, 28S и 5,8S. Отдельно  синтезируется 5S-рРНК. Все эти молекулы рРНК в комплексе с белками образуют большую 60S и малую 40S субъединицы рибосомы.
• Субъединицы рибосом и все зрелые молекулы мРНК и тРНК поступают в цитоплазму и клетки и участвуют в синтезе белка.

Биосинтез  белка (трансляция) 

• Трансляция (биосинтез белка) – процесс, в ходе которой информация о структуре белка, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК переводится на язык  последовательности аминокислот при участии тРНК и рибосом. В состав РНК входят 4 различных нуклеотида, а в состав белков – 20 аминокислот. Поэтому должен существовать способ кодирования аминокислот из последовательности нескольких нуклеотидов. Способ кодирования , согласно которому в мРНК зашифрована последовательность аминокислот в белке называется – генетическим кодом.

Установлено, что  код:

• Триплетен - каждая аминокислота кодируется в молекуле ДНК или мРНК тремя нуклеотидами (кодонами). Из 4-х нуклеотидов в составе мРНК можно составить 64 триплета (4³=64). Из них шифруют определенные аминокислоты 61 кодон, 3 остальные UAA, UAG, UGA сигнализируют о терминации аминокислотной последовательности в белке, то есть выполняют функцию точки в записи информации. Их называют терминирующими или стоп-кодонами.
• Однопаправлен – кодоны расположены линейно, не перекрываются и читаются в направлении от 5’к 3’ –концу.

 

• Специфичен  – каждый кодон соответствует одной определенной аминокислоте
• Вырожден – большинство аминокислот закодировано в ДНК и мРНК более чем одним кодоном. Исключение составляют 2 аминокислоты Метионин и Триптофан , которые зашифрованы только одним кодоном. Аргинин кодируется 6 кодонами.
• Универсален – смысл кодонов един почти для всех организмов и прокариотов и эукариотов. Исключение- митохондриальная мРНК, у которой 4 кодона имеют другой смысл.
• Коллинеарен – последовательность кодона зрелой мРНК соответствует последовательности амнокислот в белке, который синтезируется на этой матрице.

Роль тРНК 

• Декодирование  информации о структуре белка, записанной в виде последовательности  кодонов мРНК, возможно благодаря  тРНК, которая выполняет роль  адапторов аминокислот к кодонам  мРНК.
• Выполнению этой функции соответствует пространственная структура тРНК. В центре цепи тРНК находится антикодоновая петля, в которой находится триплет нуклеотидов – антикодон.
• Антикодон связывается с кодоном мРНК по принципу комплиментарности и антипараллельности.
• На 3’-конце молекулы тРНК находится акцепторный триплет ССА, которому аминокислоты прикрпляются своей СООН (а-карбоксильной) группой.

• Для 20 аминокислот  участвующих в синтезе белков, количество тРНК оказалось больше 20 (61 кодону должны соответствовать 61 антикодон) молекул тРНК. Каждой  аминокислоте соответствует своя  тРНК: для аланина ала-тРНК, лейцина  – лей-тРНК и т.д.
• В цитозоле клетки связывание аминокислоты с тРНК катализируют ферменты аминоацил-тРНК-синтазы) которые образуют сложноэфирную связь между ОН группой рибозы  акцепторного триплета ССА и а-СООН группой аминокислоты. В ходе реакции молекула АТФ расщепляется до АМФ и пирофофосфата отдавая энергию на образование макроэргической связи между аминокислотой и тРНК. То есть, образование аа-тРНК это реакция активации аминокислот.

Амноацил-тРНК-синтаза 

• Семейство  аа-тРНК-синтаз включает около 20 ферментов, для каждой аминокислоты  свой фермент катализирует ее  присоединение к тРНК. Название  каждого фермента отражает название  аминокислоты, которая активируется  в ходе реакции. Так активация  аланина катализируется аланил-тРНК-синтазой, гистидина – гистидил-тРНК-синтазой  и т.д.

Основные  компоненты необходимые  для синтеза полипептидной  цепи белка 

• Аминокислоты – субстраты синтеза белка
• мРНК – матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка в виде последовательности кодонов
• тРНК – адаптеры аминокислот к кодонам мРНК
• Аа-тРНК-синтазы – катализируют связывание аминокислот с соответствующими тРНК
• Рибосомы – субклеточные структуры, на которых происходит сборка амнокислот в полипептидные цепи
• АТФ и ГТФ- источники энергии
• Mg²⁺ - фактор страбилизирующий структуру рибосом
• Белковые факторы инициации, элонгации и терминации, участвующие в процессе трансляции

Инициация  синтеза белка 

• Инициация  начинается с присоединения к  зрелой мРНК в области кэпа  малой субъединицы рибосомы 40S, инициирующей  аминоацил тРНК (у эукариотов  это всегда мет-тРНК), белковых  факторов инициации и ГТФ. При  связывании антикодона мет-тРНК  с кодоном AUG, к ним присоединяется  субъединица 60S-рибосомы и затрачивается  энергия ГТФ.
• Формируется полная 80S-рибосома с 2-мя активными центрами: Р-центром (пептидильным), с которым оказывается связанной мет-тРНК, и А-центром (аминоацильным), куда попадает первый смысловой кодон мРНК.

• Формируется  полная 80S-рибосома с 2-мя активными  центрами: Р-центром (пептидильным), с  которым оказывается связанной  мет-тРНК, и А-центром (аминоацильным), куда попадает первый смысловой  кодон мРНК.

Элонгация 

• Элонгация  включает 3 стадии:
• 1) Связывание аа-тРНК в А-центре. В свободный А-центр присоединяется аа-тРНК, у которой антикодон комплиментарен кодону мРНК, находящемуся в этом центре. Принимает участие фактор элонгации EF1 и процесс проходит с затратой энергии ГТФ.

2) Образование  пептидной связи. Между а-NH2-группой  аминокислоты, находящейся в А-центре  в составе аа-тРНК, и карбоксильной  группой метионина или другой  аминокислоты, в составе полипептидной  цепи и присоединенной к тРНК  Р-центра, образуется пептидная  связь. Пептидилтрансфераза, которая  катализирует реакцию, образована  рРНК большой субъединицей рибосомы.  Продуктом реакции становится  удлиненная на 1 аминокислоту  пептидил-тРНК в А-центре рибосомы. 
 
3) Перемещение рибосомы по мРНК (транслокация). Рибосома перемещается по мРНК на один кодон в направлении от 5’- к 3’ – концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF2. В результате передвижения рибосомы пептидил-тРНК из А-центра попадает в Р-центр , а в А-центре оказывается следующий кодон мРНК. тРНК, которая передала растущий пептид на аминокислоту аа-тРНК, после этого теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль. В свободный А-центр присоединяется следующая аа-тРНК, у которой антикодон комплиментарен кодону мРНК. Рост полипептидной цепи белка продолжается за счет многократного повторения стадий 1,2,3.

Терминация. Этот этап наступает, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов мРНК – UAA, UAG, UGA. Синтез белка прекращается, когда стоп-кодон мРНК оказывается в А-сайте и фактор терминации (вместо «нагруженной» тРНК) связывается с рибосомой. Фактор терминации гидролизует связь между пептидом и тРНК, а также вызывает диссоциацию рибосомного комплекса. 
Принимают участие белковые факторы терминации RF1, RF3, которые узнают эти кодоны и высвобождают вновь синтезированный пептид из комплекса с тРНК, субъединицами рибосомы и мРНК. Этот этап энергозависим и сопровождается гидролизом ГТФ. 
По мере продвижения рибосомы по мРНК высвобождается 5’-конец и к нему могут присоединяться новые рибосомы.  
Комплекс мРНК с несколькими работающими рибосомами образует полирибосому. 
Полирибосома может быть в форме, связанной с эндоплазматическим ретикулумом.