Реакции матричного синтеза. Биосинтез белка

Занятие № 13

Тема: Реакции матричного синтеза. Биосинтез белка

1.)   Стадии матричного синтеза.

2.)    Стадия репликации.

3.)    Стадия транскрипции.

4.)    Стадия трансляции.

Вопрос № 1: Стадии матричного синтеза

Биосинтез, осуществляемый в процессе обмена веществ, всегда идет с потреблением энергии. Биосинтез, например, простых углеводов у зеленых растений происходит за счет энергии света. Биосинтез белков идет с потреблением энергии химических связей в органических веществах.

Процесс воспроизведения генетической информации состоит из трех этапов, так называемых реакций матричного синтеза:

1) репликация — удвоение молекулы ДНК;

2) транскрипция — синтез м-РНК;

3) трансляция — синтез белка на основе информации в м-РНК.

Вопрос № 2: Стадия репликации

РЕПЛИКАЦИЯ — воспроизведение, удвоение ДНК.

Этот процесс идет в ядре клетки следующим образом.

1.) Двойная анти­параллельная спираль молекулы ДНК раскручивается, составляю­щие ее цепи расходятся, разделяясь в местах соединения азотистых оснований.

2.) На каждой из цепей из отдельных нуклеотидов строится новая дочерняя молекула ДНК по принципу комплементарности: 1-я цепь синтезируется непрерывно в одном направлении, 2-я — в противоположном — фрагментами, которые затем «сшива­ются» в непрерывную цепь.

Репликация молекулы ДНК

В процессе репликации используются специальные ферменты — ДНК-полимеразы и некоторые другие, энергия АТФ, ионы магния.

Способ репликации ДНК, предложенный Д. Уотсоном и Ф. Кри­ком, назван полуконсервативным, так как при репликации каждая новая (дочерняя) двойная спираль ДНК сохраняет одну цепь исход­ной двойной цепи ДНК (родительской), а вторая цепь синтезируется вновь.                                  

Для того чтобы синтезировался белок, информация о после­довательности аминокислот в его первичной структуре, записан­ная в ДНК, должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа — транскрипцию и трансляцию.

Вопрос № 3: Стадия транскрипция

ТРАНСКРИПЦИЯ — процесс переписывания генетической информации с ДНК на м-РНК.

Транскрипция генетичес­кой информации происходит в ядре путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последователь­ность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы— полинуклеотидной цепи ДНК. Происхо­дит раздвоение молекулы ДНК.

Существуют специальные меха­низмы «узнавания» начальной точки синтеза (точки инициации), выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизм завершения процесса. Последовательность азотистых оснований ДНК переводится в комплементарную последователь­ность РНК.

Схема транскрипции молекулы ДНК

Только одна из цепей ДНК служит матрицей для син­теза молекул РНК.

Таким образом синтезируются молекулы м-РНК, т-РНК и р-РНК. В процессе транскрипции используются специаль­ные ферменты— РНК-полимеразы и некоторые другие, энергия АТФ, ионы магния.

Образовавшиеся функционально неактивные предшественники РНК подвергаются процессингу (созреванию): происходит вырезание нитронов (т.е. некодирующих частей генов в эукариотических клетках), отщепление и модификация концевых участков молекул РНК. Так образуется зрелая м-РНК, т.е. генети­ческая информация из последовательности нуклеотидов ДНК пе­реводится в последовательность нуклеотидов м-РНК.

В ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов записан генетический код о последовательности аминокислот в бел­ке. Сущность генетического кода заключается в том, что каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует участок цепи ДНК из трех последовательно расположенных нуклеотидов — три­плет или кодон (например, АУГ — Мет, ГГГ — Гли, ГЦЦ — Ала). Код включает все возможные сочетания трех (из четырех типов) азотистых оснований. Из четырех типов нуклеотидов, взя­тых по 3, образуется 43 = 64 сочетания триплетов, достаточных для кодирования 20 типов аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами (кодонами). Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Существуют ини­циирующие и терминирующие триплеты, определяющие начало и конец биосинтеза белка, служащие «знаками препинания» и разде­ляющие участки, несущие информацию о разных белках. Участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одного поли­пептида (белка), называют геном.

Свойства генетического кода:

1)  Код триплетен. Одна аминокислота кодируется тремя ря­дом расположенными нуклеотидами (триплетом).

2)  Код неперекрывающийся. Кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний.

3) Код непрерывный, без знаков препинания. В пределах од­ного гена считывание генетической информации происходит в од­ном направлении всегда целиком.

4)  Код вырожден. Для кодирования большинства аминокис­лот существует более 1 кодона, т.е. одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (2-6).

5)  Код специфичен. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

6) Код универсален. Код для всех организмов на Земле един.

Вопрос № 4: Стадия трансляции

ТРАНСЛЯЦИЯ — биосинтез белка, перевод последователь­ности нуклеотидов м-РНК в аминокислотную последовательность белка.

У прокариот (бактерий и цианей), не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с синтезированной молекулой м-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза.

У эукариот м-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуще­ствляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК.

Для процесса трансляции необходимы следую­щие компоненты:

1) м-РНК;

2) рибосомы;

3) т-РНК, приносящая соответствующие аминокислоты;

4) аминокислоты;

5) специаль­ные ферменты (аминоацил-синтетазы) и белковые факторы;

6) энер­гия АТФ;

7) ионы магния.

Биосинтез белка включает 3 стадии:

1. Инициация — образование инициирующего комплекса в ре­зультате соединения м-РНК с рибосомой и т-РНК.

а) м-РНК перемещается из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомой. В цитоплазме на один из концов м-РНК (а именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибо­сома и начинает синтез полипептида;

Схема биосинтеза белка

                                                          Биосинтез белка

б) первая т-РНК доставляет сюда же первую аминокислоту (для каждой аминокислоты есть своя т-РНК) и связывается с опреде­ленным участком м-РНК по принципу комплементарности (анти-кодон т-РНК соответствует кодону м-РНК, благодаря этому ами^ нокислоты располагаются в определенном порядке).

2. Элонгация — удлинение полипептидной цепи.

Происходит связывание с м-РНК и рибосомой 2-й т-РНК, несущей 2-ю амино­кислоту. 1-я и 2-я аминокислоты соединяются друг с другом с по­мощью специальных ферментов пептидной связью. Затем рибосо­ма перемещается на 1-й триплет вперед, в результате 1-я «пустая» т-РНК освобождается, приходит 3-я т-РНК и т. д. Рибосома пере­мещается по молекуле м-РНК прерывисто, триплет за триплетом, делая каждый из них доступным для контакта с т-РНК. Сущность трансляции заключается в подборе по принципу комплементарности антикодона т-РНК к кодону м-РНК. Если антикодон т-РНК соответствует кодону м-РНК, то аминокислота, доставленная та­кой т-РНК, включается в полипептидную цепь, и рибосома пере­мещается на следующий триплет (кодон м-РНК). Этот процесс мно­гократно повторяется. Примерно 1-2 мин идет синтез пептида из 200-300 аминокислот.

З.Терминация — окончание синтеза.

Как только рибосома дой­дет до терминирующего кодона м-РНК, по завершении синтеза происходит распад комплекса, полипептидная цепочка отделяется от матрицы — молекулы м-РНК, освобождается готовый полипеп­тид, который затем подвергается посттрансляционной модифика­ции (это химическая модификация и пространственная конформа-ция белка). Молекула приобретает третичную структуру, свойствен­ную данному белку.

м-РНК может использоваться для синтеза полипептидов мно­гократно так же, как рибосома. Одна рибосома способна синтези­ровать полную полипептидную цепь. Образование полирибосом (од­новременно на м-РНК работает несколько рибосом) повышает эф­фективность использования м-РНК, поскольку на ней одновременно может синтезироваться несколько полипептидных цепей.