Матричные биосинтезы (трансляция). Генетический код. Регуляция биосинтеза белка

Тема: «МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ (ТРАНСЛЯЦИЯ). ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ»

1. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Функции рибосом. Адапторная функция тРНК. Генетический код и его свойства.

2. Биосинтез белка (трансляция). Последовательность этапов синтеза полипептидной цепи, необходимые условия. Посттрансляционные модификации белковых молекул.

3. Регуляция биосинтеза белка. Представление об опероне. Индукция и репрессия синтеза белка в организме человека. Ингибиторы матричных биосинтезов.

4. Мутации. Молекулярные механизмы. Биологические последствия (эволюционная изменчивость, полиморфизм белков, наследственные болезни).

Раздел 5.1

Генетический код. Адапторная функция мРНК. Активация аминокислот.

 

5.1.1. Трансляция (от англ. translation – перевод) – перевод генетической информации, заключённой в мРНК, в линейную последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Этот перевод осуществляется посредством генетического (биологического) кода.

5.1.2. Генетический код – последовательность нуклеотидов, соответствующая определённым аминокислотам. Генетический код характеризуется свойствами:

  • код триплетный – каждой аминокислоте соответствует тройка (триплет) нуклеотидов – кодон. Всего существует 43 = 64 кодона. Из них 61 является смысловым (то есть кодирует определённую аминокислоту) и 3 – бессмысленными (терминирующими);
  • код неперекрывающийся – один и тот же нуклеотид ДНК или РНК не может принадлежать одновременно двум соседним кодонам;
  • код непрерывный – отсутствуют «знаки препинания», вставки между кодонами в полинуклеотидной цепи;
  • код вырожденный (множественный) – некоторые аминокислоты могут кодироваться более, чем одним триплетом нуклеотидов (так как кодонов 61, а аминокислот – 20);
  • код универсальный – смысл кодонов одинаков для организмов всех видов.

5.1.3. Аминокислоты и триплеты нуклеотидов, кодирующие их, не комплементарны друг другу. Поэтому должны существовать молекулы-адапторы, каждая из которых может взаимодействовать как с определённым кодоном, так и с соответствующей аминокислотой. Такими молекулами являются транспортные РНК (рисунок 8.3). Каждая тРНК содержит триплет нуклеотидов – антикодон, который комплементарен строго определённому кодону мРНК.

3’-конец тРНК (акцепторный участок) является местом присоединения аминокислоты, соответствующей кодону мРНК.

 

Активация аминокислот – подготовительный этап биосинтеза белка – включает связывание их со специфическими тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Реакция происходит в цитоплазме клеток.

Раздел 5.2

Стадии трансляции

 

5.2.1. Собственно процесс трансляции включает 3 стадии – инициации, элонгации, терминации и происходит на рибосомах.

Каждая рибосома состоит из большой и малой субчастиц (40S и 60S) и содержит аминоацильный (А) и пептидильный (П) участки. Пептидильный участок связывает инициирующую аминоацил-тРНК, все остальные аминоацил-тРНК присоединяются к аминоацильному участку.

1) Стадия инициации – начало трансляции. Условия, необходимые для инициации:

  • инициирующий кодон мРНК (АУГ);
  • белковые факторы инициации;
  • малая и большая субчастицы рибосомы;
  • ГТФ (источник энергии для смыкания субчастиц рибосомы);
  • ионы магния;
  • инициирующая аминоацил-тРНК (метионил-тРНК) – связывается своим антикодоном с инициирующим кодоном мРНК в пептидильном участке рибосомы.

В результате образуется инициирующий комплекс: мРНК – рибосома – метионил-тРНК (рисунок 5.3, а).

2) Стадия элонгации – удлинение полипептидной цепи на 1 аминокислотный остаток – происходит в три шага:

  • присоединение к инициирующему комплексу аминоацил-тРНК, соответствующей кодону, находящемуся в аминоацильном участке рибосомы (рисунок 5.3, б);
  • транспептидация – образование пептидной связи между остатками аминокислот (рисунок 5.3, в). Источник энергии – ГТФ;
  • транслокация – перемещение рибосомы относительно мРНК на 1 триплет (рисунок 5.3, г). Источник энергии – ГТФ. В ходе элонгации принимают участие белковые факторы.

Описанный процесс многократно повторяется (по количеству аминокислот в цепи).

3) Стадия терминации – окончание трансляции. Обеспечивается присутствием в цепи мРНК одного из терминирующих (бессмысленных) кодонов – УАА, УГА или УАГ. В освобождении полипептида участвуют белковые факторы терминации (рисунок 5.3, д). Когда в аминоацильном участке оказывается один из бессмысленных кодонов, факторы терминации стимулируют гидролазную активность пептидилтрансферазы. Благодаря этому гидролизуется связь между тРНК и пептидом. ГТФ для этой реакции не требуется. После этого пептидная цепь, тРНК и мРНК покидают рибосому, а её субчастицы диссоциируют.

Таким образом, трансляция мРНК приводит к формированию пептидной цепи со строго определённой последовательностью аминокислотных остатков. Следующий этап формирования белка –фолдинг, т.е. сворачивание пептидной цепи в правильную трёхмерную структуру. Если белок состоит из нескольких субъединиц, то фолдинг включает и объединение их в единую макромолекулу.

Считается, что небольшие белковые молекулы, содержащие около 100 аминоацильных остатков, могут самостоятельно принимать трёхмерную структуру, фолдинг более крупных полипептидных цепей требует участия специальных белков – шаперонов.

Шапероны называют иначе белками теплового шока, так как они не только обеспечивают правильный фолдинг вновь образованных белков, но и ренатурацию ранее синтезированных белков, подвергшихся в клетке частичной денатурации под действием различных факторов (перегрев, облучение, действие своблодных радикалов и т.д.). 

5.2.2. Посттрансляционные модификации
 белковой молекулы могут включать:

  • частичный протеолиз (например, превращение профермента в фермент);
  • присоединение простетической группы (остатков фосфорной кислоты, углеводных остатков, гемовых групп и т.д.);
  • модификации боковых цепей аминокислотных остатков:
    • гидроксилирование пролина в гидроксипролин в коллагене,
    • метилирование аргинина в гистоне,
    • йодирование тирозина в тироглобулине).

5.2.3. Действие токсических и лекарственных веществ на биосинтез белка. Биосинтез белка является одним из наиболее сложных процессов, протекающих в клетках. Его прерывание или извращение возможно в результате нарушения любого из трёх матричных синтезов. 
Так, мутагены (бенз(а)пирен, линдан) нарушают репликацию ДНК и таким образом прерывают белоксинтезирующие процессы. 
Некоторые токсические вещества (госсипол) могут изменять скорость транскрипции. 
К лекарственным веществам, влияющим на биосинтез белка, относятся антибиотики и интерфероны. 
Антибиотики, блокирующие матричные биосинтезы, используются в лечении инфекционных заболеваний и злокачественных опухолей. (см. таблицу 5.1).

Таблица 5.1

Антибиотики, ингибирующие матричные биосинтезы

АнтибиотикиМеханизм действия
Противоопухолевые препараты: актиномицин Д, рубомицин С, митомицин С

Подавляют репликацию или транскрипцию, или оба эти процесса

Противобактериальные препараты: тетрациклин, левомицетин, эритромицин, стрептомицин Ингибируют трансляцию в бактериальных (но не эукариотических) клетках

Раздел 5.3

Регуляция синтеза белка

 

5.3.1. Оперон (транскриптон) - совокупность генов, способных включаться и выключаться в зависимости от метаболических потребностей клетки. В состав оперона наряду соструктурными генами (СГ), кодирующими структуру определённых белков, входят участки ДНК, выполняющие регуляторные функции (рисунок 5.4). Группа структурных генов, отвечающих за синтез ферментов одного метаболического пути, находится под контролем гена-оператора (ГО), расположенного рядом. Функция гена-оператора контролируется пространственно удалённым от него геном-регулятором (ГР), который продуцирует белок-репрессор, находящийся в активной либо в неактивной форме. Активный белок-репрессор способен связываться с геном-оператором и тормозить транскрипцию структурных генов, следовательно, подавлять синтез белков. Вещества, вызывающие инактивацию белка-репрессора, являются индукторамисинтеза белка, оказывающие противоположный эффект – корепрессорами. В качестве индукторов могут выступать исходные субстраты метаболических путей, в качестве корепрессоров - конечные продукты этих путей.

5.3.2. Существуют два механизма регуляции синтеза белка – индукция и репрессия. Примером оперона, который регулируется по механизму индукции, является лактозный оперон, в состав которого наряду с геном-оператором входят 3 структурных гена, кодирующие ферменты катаболизма лактозы (см. рисунок 5.4). Лактоза является индуктором данного оперона. При высокой концентрации лактозы в среде ферменты синтезируются, при низкой концентрации – нет.

5.3.3. По механизму репрессии регулируется гистидиновый оперон, содержащий ген-оператор и 10 структурных генов, кодирующих ферменты, необходимые для биосинтеза гистидина (см. рисунок 5.5). Гистидин является корепрессором данного оперона. При высокой концентрации гистидина в среде синтез ферментов прекращается, при отсутствии гистидина они синтезируются.


ПРЕДМЕТЫ

О НАС

«Dendrit» - портал для студентов медицинских ВУЗов, включающий в себя собрание актуальных учебных материалов (учебники, лекции, методические пособия, фотографии анатомических и гистологических препаратов), которые постоянно обновляются по ходу учебного процесса в ЯГМУ.