Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:
Транскрипция.
Трансляция.
Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.
Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.
Транскрипция
Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.
Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).
Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.
В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.
По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.
Трансляция
Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.
В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация.
На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.
Элонгация
— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.
Терминация
– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.
Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.
Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.
Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.
Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.
Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.
В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.
Хранящаяся в ДНК генетическая информация реализуется в процессе биосинтеза белка.
ДНК сосредоточена в ядре клетки, а белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах. Для биосинтеза белка необходимо доставить генетическую информацию из ядра клетки к рибосомам. Роль посредника, обеспечивающего передачу генетической информации от ядра клетки к рибосомам, выполняют матричные, или информационные, РНК (мРНК, или иРНК).
Матричные РНК представляют собой полинуклеотидные цепочки с молекулярными массами от 150 тысяч до 5 миллионов дальтон. Они синтезируются в ядре клетки. В ходе биосинтеза мРНК генетическая информация «переписывается» с небольшого участка ДНК, включающего один или несколько генов, на молекулу мРНК. Синтез матричной РНК на значащей нити ДНК получил название транскрипции (лат. «transcriptio » - переписывание).
Процесс транскрипции генетической информации сходен с процессом репликации ДНК. Биосинтез мРНК начицается с расплетания двойной спирали ДНК на небольшом участке.
Свободные рибонуклеозидтрифосфаты с помощью Водородных связей присоединяются к нуклеотидам расплетенного участка ДНК в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований.
Образование мРНК происходит путем переноса от рибонуклеозидтрифосфатов остатков рибонуклеотидов к третьему атому углерода рибозы концевого нуклеотида синтезируемой полинуклеотидной цепи. При этом происходит разрыв Макроэргических связей в молекулах рибонуклеозидтрифосфатов с выделением пирофосфата, что обеспечивает процесс транскрипции необходимой энергией. Биосинтез мРНК катализирует фермент РНК-полимераза.
Большую роль в процессе транскрипции играют специальные белки, которые тонко регулируют его ход.
Синтезированная в процессе транскрипции мРНК Поступает из ядра клетки в рибосому - цитоплазматическую серганеллу, по химической природе представляющую собой нукдеопротеид - сложный белок, небелковым компонентом которого является рибонуклеиновая кислота.
РНК, участвующие в построении тела рибосомы («рибонуклеиновая кислота» + гр. «сома» - тело), называют рибосомальными (рРНК). Рибосомы построены из двух субчастиц - большой и малой. В построении каждой из них участвуют большое количество разных белков и различные рРНК. Молекулярная масса рибосомальных РНК колеблется от 55000 до 1600000 дальтон и более. Синтез рРНК, также как и синтез мРНК, происходит в ядре клетки и контролируется ДНК.
Матричная РНК закрепляется в рибосоме. Теперь рибосоме необходимо воспроизвести полученную информацию, записанную в нуклеотидной последовательности мРНК четырехбуквенным «языком» азотистых оснований, на двадцатибуквенном «языке» в виде последовательности аминокислот в полипептидной цепочке синтезируемого белка. Процесс перевода генетической информации с «языка» азотистых оснований на «язык» аминокислот называют трансляцией (лат. «translation» - передача).
Доставку аминокислот к рибосомам обеспечивают транспортные РНК (тРНК). Молекулярные массы тРНК относительно невелики и варьируют в пределах от 17000 до 35000 дальтон. Синтезом тРНК в клетке управляет ДНК.
Процесс биосинтеза белка требует энергетических затрат. Для того чтобы аминокислоты соединились друг с другом пептидной связью, их необходимо активировать. Аминокислоты активируются с участием АТФ и тРНК. Эти реакции катализирует фермент аминоацил-тРНК-синтетаза.
Реакции активирования каждой из протеиногенных аминокислот катализируются своей аминоацил-тРНК-синтетазой.
Эти ферменты позволяют аминокислотам и тРНК безошибочно узнавать друг друга. В результате каждая аминокислота присоединяется к конкретной тРНК. Транспортные РНК называют по присоединяющейся аминокислоте, например: валиновая тРНК, аланиновая тРНК, сериновая тРНК и т. д.
Полинуклеотидные цепочки тРНК имеют пространственную структуру, напоминающую по форме клеверный лист. К одному из концов тРНК присоединяется аминокислота. На другой стороне молекулы тРНК в одной из петель «клеверного листа» имеется триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Этот антикодон комплементарен одному из триплетов мРНК - кодону. Генетический код кодона соответствует аминокислоте, соединенной с тРНК, обладающей комплементарным антикодоном.
Кодоны в зрелой мРНК следуют один за другим непрерывно: они не отделены друг от друга некодирующими участками и не перекрываются.
Аминоацил-тРНК последовательно поступают в рибосомы.
Здесь всякий раз между комплементарными антикодоном тРНК и кодоном мРНК возникают водородные связи. При этом аминогруппа последующей аминокислоты взаимодействует с
Карбоксильной группой предыдущей аминокислоты с образованием пептидной связи.
Синтез любого белка в клетке всегда начинается с N-конца. После образования между аминокислотами пептидной связи рибосома перемещается вдоль цепи мРНК на один кодон. Когда рибосома достигает участка мРНК, содержащего один из трех «бессмысленных» триплетов - УАА, УАГ или УГА, дальнейший синтез полипептидной цепи обрывается. Для этих триплетов в клетке не существует тРНК с комплементарными антикодонами. «Бессмысленные» триплеты располагаются в конце каждого гена и показывают, что синтез данного белка на этом необходимо завершить. Поэтому эти триплеты называют терминирующими (лат. «terminalis» - конечный). По окончании процесса трансляции генетического кода полипептидная цепочка покидает рибосому и формирует свою пространственную структуру, после чего белок приобретает способность к реализации присущей ему биологической функции. Процесс реализации генетической информации в результате транскрипции и трансляции называют экспрессией (лат. «expressio» - выражение) гена.
Биосинтез белка в клетке протекает не на отдельной рибосоме.
Матричная РНК связывается одновременно с несколькими рибосомами, при этом образуется полирибосомальный комплекс. В результате в клетке происходит синтез сразу нескольких одинаковых молекул белка.
Принципиально важным свойством генетической информации является ее способность к переносу (передаче) как в пределах одной клетки, так и от родительской клетки к дочерним либо между клетками разных индивидуумов в процессах клеточного деления и размножения организмов. Что касается направлений внутриклеточного переноса генетической информации, то в случае ДНК-содержащих организмов они связаны с процессами репликации молекул ДНК, т. е. с копированием информации, либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов
(трансляцией) (рис. 5.15). Каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.
Рис. 5.15.
Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК -? РНК -+ белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации («специализированный перенос»), обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции у при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы {ревертазы) у кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно, специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК->ДНК->РНК-?белок.
Транскрипция - первый этап общего переноса генетической информации, представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК по программе ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3"->5 переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5*-?З* на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК риб о нуклеотидам РНК (A-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 5.16). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке: матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосом- ные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).
Рис. 5.16.
Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК - 5SPHK.
Транскрипция подразделяется на три основные стадии: инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса).
Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5-ТАТААТ-З" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 нуклеотидов и распознается
РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность прокариот (5-ТТГ.АЦА-3") обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.
Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы однонитевого 3"-5"-фрагмента ДНК.
Элонгация. Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора.
Терминация - процесс прекращения репликации ДНК, происходящей посредством терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и более поли- пептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейссры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.
Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзон- ные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо про-матричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).
Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В качестве примера можно рассмотреть схему процессинга мРНК, синтезируемой при транскрипции гена р-глобиновой цепочки (рис. 5.17).
Рис. 5.17.
В процессинге принимают участие и короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностями на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и гяРНК способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания интронов из гяРНК.
Во время процессинга происходит также модификация 5 - и З"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах процессинга гена р-глобина человека (рис. 5.17) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса (рис. 5.18).
Рис. 5.18.
На 5’-конце последовательности (рис. 5.18) имеется короткий не- транслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком «минус». Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона р-гена (заштрихована на рис. 5.17). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap - колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-мстил|-уанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью трифосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.
Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК р-глобинового гена человека начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУТ) выделен шрифтом и помечен цифрой 0, поскольку кодируемая им аминокислота (метионин) в дальнейшем выщепляется из полипептида (первой аминокислотой зрелого белка будет валин, кодируемый ГУГ). Выделены также стоп-кодон УАА (кодон 147), на котором заканчивается трансляция (полипептид состоит из 146 аминокислот), и сигнальная последовательность для полиаденилирования (ААУААА) на З’-конце.
Модификация З"-конца мРНК Р-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона p-гена (рис. 5.17), связана с образованием поли- аденилового (поли А) «хвоста» молекулы, состоящего из 100-200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, нс нужна матрица, но требуется присутствие на З"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (рис. 5.18). Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды.
Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5 е -?З*)- Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т. е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.
Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
Для инициации трансляции принципиально важное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются две структурные субъединицы (большая и малая ), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т. е. по коэффициенту седиментации (величине 5). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).
Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с величинами 505 и 305 соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы имеют другие размеры (605 и 405). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то чаще всего его рассматривают в связи со структурой рибосом этих организмов. Рибосома содержит два участка (рис. 5.19), имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенных как А -участок (аминоацильный) и P-участок (пептидильный), специфичность которых определяется сочетанием соответствующих областей субъединиц 505 и 305. При диссоциации субъединиц рибосомы эти участки становятся «недостроенными», что приводит к изменению их функциональной специфичности.
Рис. 5.19.
Р - пептидильный участок; А - аминоацильный участок
В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на З"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 5.6). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии аденозинтрифос- фатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс тРНК и аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.
Инициация трансляции обеспечивается точным соединением лидирующего 5-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в «недостроенном» P-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУТ этой молекулы (рис. 5.20, а). Функциональная особенность такого Р-участка состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил- тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез полипептида всегда начинается с Анконца и нарастаег в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с TV-метионина. Однако в дальнейшем эти аминокислоты ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 5.18).
Рис. 5.20. Начальные этапы трансляции: а - инициирующий комплекс; б, в- элонгация
После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» Л-участке (рис. 5.20) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р -участка и Л-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать /4-участок на основе принципа комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (рис. 5.20, б, в).
Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"-?З", сопровождаемое отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из Л-участка в Р-участок, а освободившийся /4-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в P-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.
Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в /4-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).
После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5-конец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой полисомной группы, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.
Посттранашционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходят процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы (рис. 5.21). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.
Рис. 5.21.
Рис. 5.22.
В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной структуры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека (рис. 5.22), состоящей из двух а-цепочск и двух (J-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей.
Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.
1. Какие процессы относятся к реакциям матричного синтеза?
Брожение, трансляция, транскрипция, фотосинтез, репликация.
К реакциям матричного синтеза относятся трансляция, транскрипция и репликация.
2. Что такое транскрипция? Как протекает этот процесс?
Транскрипция – процесс переписывания генетической информации с ДНК на РНК (биосинтез РНК на соответствующих участках одной из цепей ДНК); одна из реакций матричного синтеза.
Транскрипция осуществляется следующим образом. На определённом участке молекулы ДНК происходит разъединение комплементарных цепей. Синтез РНК будет осуществляться на одной из цепей (её называют транскрибируемой цепью).
Фермент РНК-полимераза распознаёт промотор (особую последовательность нуклеотидов, расположенную в начале гена) и взаимодействует с ним. Затем РНК-полимераза начинает двигаться вдоль транскрибируемой цепи и при этом синтезировать из нуклеотидов молекулу РНК. Транскрибируемая цепь ДНК используется в качестве матрицы, поэтому синтезированная РНК будет комплементарной соответствующему участку транскрибируемой цепи ДНК. РНК-полимераза наращивает цепочку РНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдёт до терминатора (особой последовательности нуклеотидов, расположенной в конце гена), после чего транскрипция прекращается.
3. Какой процесс называется трансляцией? Охарактеризуйте основные этапы трансляции.
Трансляция – процесс биосинтеза белка из аминокислот, происходящий на рибосомах; одна из реакций матричного синтеза.
Основные этапы трансляции:
● Связывание иРНК с малой субъединицей рибосомы, после чего присоединяется большая субъединица.
● Проникновение в рибосому метиониновой тРНК и комплементарное связывание её антикодона (УАЦ) со стартовым кодоном иРНК (АУГ).
● Проникновение в рибосому следующей тРНК, несущей активированную аминокислоту, и комплементарное связывание её антикодона с соответствующим кодоном иРНК.
● Возникновение пептидной связи между двумя аминокислотами, после чего первая (метиониновая) тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому, а иРНК сдвигается на один триплет.
● Наращивание полипептидной цепи (по механизму, описанному выше), происходящее до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА).
● Прекращение синтеза белка и распад рибосомы на две отдельные субъединицы.
4. Почему при трансляции в состав белка включаются не любые аминокислоты в случайном порядке, а только те, которые закодированы триплетами иРНК, причём в строгом соответствии с последовательностью этих триплетов? Как вы думаете, сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?
Правильное и последовательное включение аминокислот в растущую полипептидную цепь обеспечивается строгим комплементарным взаимодействием антикодонов тРНК с соответствующими кодонами иРНК.
Некоторые учащиеся могут ответить, что в синтезе белков участвует 20 видов тРНК – по одному для каждой аминокислоты. Но на самом деле в синтезе белков участвует 61 вид тРНК – их столько же, сколько существует смысловых кодонов (триплетов, кодирующих аминокислоты). Каждый вид тРНК имеет уникальную первичную структуру (последовательность нуклеотидов) и, как следствие, обладает особым антикодоном для комплементарного связывания с соответствующим кодоном иРНК. Например, аминокислота лейцин (Лей) может кодироваться шестью разными триплетами, поэтому существует шесть типов лейциновых тРНК, и все они имеют разные антикодоны.
Общее количество кодонов составляет 4 3 = 64, однако молекул тРНК к терминирующим кодонам (их три) не существует, т.е. 64 – 3 = 61 вид тРНК.
5. Реакции матричного синтеза следует относить к процессам ассимиляции или диссимиляции? Почему?
Реакции матричного синтеза относятся к процессам ассимиляции потому что:
● сопровождаются синтезом сложных органических соединений из более простых веществ, а именно – биополимеров из соответствующих мономеров (репликация сопровождается синтезом дочерних цепей ДНК из нуклеотидов, транскрипция – синтезом РНК из нуклеотидов, трансляция – синтезом белка из аминокислот);
● требуют затрат энергии (поставщиком энергии для реакций матричного синтеза служит АТФ).
6. Участок транскрибируемой цепи ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов:
ТАЦТГГАЦАТАТТАЦААГАЦТ
Установите последовательность аминокислотных остатков пептида, закодированного этим участком.
По принципу комплементарности установим последовательность нуклеотидов соответствующей иРНК, а затем с помощью таблицы генетического кода определим последовательность аминокислотных остатков закодированного пептида.
Ответ: последовательность аминокислотных остатков пептида: Мет–Тре–Цис–Иле–Мет–Фен.
7. Исследования показали, что в молекуле иРНК 34% от общего числа азотистых оснований приходится на гуанин, 18% - на урацил, 28% - на цитозин и 20% - на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двуцепочечного участка ДНК, одна из цепей которого служила матрицей для синтеза данной иРНК.
● По принципу комплементарности определим процентный состав азотистых оснований соответствующей транскрибируемой цепи ДНК. Она содержит 34% цитозина (комплементарен гуанину иРНК), 18% аденина (комплементарен урацилу иРНК), 28% гуанина (комплементарен цитозину иРНК) и 20% тимина (комплементарен аденину иРНК).
● На основании состава транскрибируемой цепи определим процентный состав азотистых оснований комплементарной (нетранскрибируемой) цепи ДНК: 34% гуанина, 18% тимина, 28% цитозина и 20% аденина.
● Процентное содержание каждого типа азотистых оснований в двуцепочечной ДНК рассчитывается как среднее арифметическое процентного содержания этих оснований в обеих цепях:
Ц = Г = (34 % + 28 %) : 2 = 31 %
А = Т = (18 % + 20%) : 2 = 19 %
Ответ: соответствующий двухцепочечный участок ДНК содержит по 31% цитозина и гуанина, по 19% аденина и тимина.
8*. В эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина может происходить ещё в течение нескольких дней после утраты этими клетками ядер. Как вы можете это объяснить?
Потере ядра предшествует интенсивная транскрипция генов, кодирующих полипептидные цепи гемоглобина. В гиалоплазме накапливается большое количество соответствующих иРНК, поэтому синтез гемоглобина продолжается даже после утраты клеточного ядра.
* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.
1. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации? Выберите один правильный ответ:
ген→иРНК→белок→признак,
Признак →белок →иРНК→ ген→ ДНК,
ИРНК→ ген→белок→признак,
Ген→ ДНК →признак →белок.
2. Белок состоит из 50 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в гене? 3. Белок состоит из 130 аминокислот. Установите число нуклеотидов в иРНК и ДНК, кодирующих данный белок, и число молекул тРНК, которые необходимы для синтеза данного белка. Ответ поясните.
4. Белок состоит из 70 аминокислот. Установите, во сколько раз молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок, превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса аминокислоты – 110, а нуклеотида – 300. Ответ поясните.
6. Согласно указаниям наследственной информации клетка синтезирует белок, в начале которого соединены аминокислоты в такой последовательности: лейцин - гистидин - аспарагин - валин - лейцин - триптофан - валин - аргинин - аргинин - пролин - треонин- серин - тирозин - лизин - валин... Определите иРНК, управляющую синтезом указанного полипептида.
7. Какой триплет соответствует антикодону ААУ на тРНК?
8. Фрагмент цепи иРНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГАГУАУГЦУГГ. Определите последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот, которая соответствует данному фрагменту гена.
митоз,мейоз:
1. Во время аномального митоза в культуре ткани человека одна из коротких хромосом (№21) не разделилась, а целиком ушла в одну из дочерних клеток. Какие наборы хромосом будет нести каждая из дочерних клеток?
2. В соматической клетке растения 16 хромосом. Одна из клеток вошла в митоз, но на стадии анафазы веретено деления было разрушено колхицином. Клетка выжила, закончила митоз. Определите количество хромосом и ДНК в этой клетке на всех стадиях следующего клеточного цикла?
3. В процессе мейоза одна из гомологичных хромосом человека не поделилась (нерасхождение). Сколько хромосом содержит каждая клетка, образовавшаяся в результате такого мейоза?
4. В клетке животного диплоидный набор хромосом равен 46. Определите количество молекул ДНК перед мейозом, после первого и после второго деления?
5. Клетка гонады перед мейозом имеет генотип ааВвСС. Напишите генотипы клеток:
а) для всех стадий сперматогенеза;
б) для всех стадий овогенеза.
6. Сколько яйцеклеток могут дать 500 овоцитов I порядка? 500 овоцитов II порядка? Ответ поясните схемой овогенеза.
