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.