АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Биосинтез белка. Аппарат трансляции. Локализация в клетке и этапы этого процесса. Энергетическая характеристика процесса биосинтеза белка.

Трансляция: общие сведения

Трансляция (translation): синтез белка с матрицы мРНК (матричной РНК). (В настоящее время чаще используется термин информационная РНК (иРНК). Процесс, посредством которого генетическая информация с матричной РНК переводится в белок.

иРНК, несущая сведения о первичной структуре белков, синтезируется в ядре клетки. Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК на правляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации - перевод ее с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК, выполняемый рибосомами, называется трансляцией (лат. translatio - перевод).

Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (тРНК). Эти небольшие молекулы, состоящие из 70-90 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что образуют структуры, напоминающие по форме клеверный лист (рис. 47). В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине "листа" каждой тРНК имеется последовательность из трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в иРНК, - антикодон. Специальный фермент - кодаза опознает тРНК и присоединяет к "черешку листа" аминокислоту - не какую угодно, а только ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону. На образование ковалентной связи между тРНК и своей аминокислотой затрачивается энергия одной молекулы АТФ. Для того чтобы аминокислота включилась в полипептидную цепь, она должна оторваться от тРНК. Это становится возможным, когда тРНК поступает на рибосому и антикодон узнает свой кодон иРНК. Ha рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул тРНК (рис. 48). В один из этих участков, называемый акцепторным, поступает тРНК с аминокислотой и присоединяется к своему кодону (рис. 48, I). Эта аминокислота присоединяет к себе (акцептирует) растущую цепь белка (рис. 48, II), между ними образуется пептидная связь. тРНК, к которой теперь присоединен растущий белок, перемещается вместе с кодоном информационной РНК в донорный участок рибосомы. В освободившийся акцепторный участок приходит новая тРНК, связанная с аминокислотой, которая шифруется очередным кодоном (рис. 48, III). Из донорного участка сюда вновь переносится оторвавшаяся полипептидная цепь и удлиняется еще на одно звено. Аминокислоты в растущей цепи соединены в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны в иРНК.

Когда на рибосоме оказывается один из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА), являющихся знаками препинания между генами, ни одна тРНК не может занять место в акцепторном участке. Дело в том, что не существует антикодонов, комплементарных нуклеотидам "знаков препинания". Оторвавшейся в донорном участке полипептидной цепи не к чему присоединиться в акцепторном участке, и она покидает рибосому. Синтез белка завершен.

А начинался он с того, что кодон АУГ, расположенный на первом месте в копии с каждого гена, занимает на рибосоме такую позицию, что с ним взаимодействует антикодон особой тРНК, соединенной с формилметионином. Эта измененная форма аминокислоты метионина сразу попадает в донорный участок и выполняет роль заглавной буквы во фразе - с нее в бактериальной клетке начинается синтез любой полипептидной цепи. В том случае, когда триплет АУГ стоит не на первом месте, а внутри копии с гена, он кодирует аминокислоту метионин. После завершения синтеза полипептидной цепи формилметионин отщепляется от нее и в готовом белке отсутствует.

Для увеличения производства белков информационная РНК часто одновременно проходит не по одной, а по нескольким рибосомам. Такую структуру, объединенную одной молекулой иРНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в этом, похожем на нитку бус конвейере синтезируются одинаковые белки (рис. 49). Аминокислоты бесперебойно поставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК. Отдав аминокислоту, тРНК покидает рибосому и с помощью кодазы соединяется с такой же аминокислотой. Высокая слаженность всех "служб комбината" по производству белков позволяет в течение нескольких секунд синтезировать полипептидные цепи, состоящие из сотен аминокислот. (См. Регуляция транскрипции и трансляции).

Молекулярные процессы, лежащие в основе синтеза белка, крайне сложны (Kornberg R.D. et al, 1981; McGhee J.D. et al, 1980). В синтезе белка участвует три таких класса молекул РНК, как мРНК, тРНК и рРНК. Началом синтеза белка принято считать процесс транскрипции ДНК, в результате которого в ядре должна образоваться соответствующая информационная РНК, которая затем должна перейти в цитоплазму клетки.

Процесс трансляции начинается с присоединения малой рибосомной субчастицы к молекуле мРНК. Особая инициаторная тРНК связывает малую рибосомную субчастицу со специальным старт- кодоном на мРНК. Присоединение большой субчастицы завершает сборку рибосомы.

Далее следует фаза элонгации. Каждая очередная аминокислота (находящаяся в комплексе с tРНК) присоединяется к карбоксильному концу растущего полипептида с помощью циклического процесса, состоящего из трех последовательных этапов: связывания аминоацил-тРНК, образования пептидной связи и транслокации рибосомы. Рибосома перемещается вдоль молекулы мРНК в направлении 5'-> 3' от одного кодона к другому до тех пор, пока не будет достигнут какой-либо из трех стоп-кодонов. К этому стоп-кодону присоединяется затем фактор освобождения, останавливающий трансляцию и вызывающий отделение завершенного полипептида от рибосомы. Энергия для биосинтеза белка обеспечивается гидролизом GTP.

Большинство данных о механизмах биосинтеза белка у эукариот было получено с использованием бесклеточных белоксинтезирующих систем. Важные результаты о механизмах трансляции у эукариот были получены с использованием стабильно трансформированных клеток животных и растений, выращиваемых в культуре. Установлено, что у растений и животных в основном функционируют одни и те же механизмы трансляции.

Клетки животных, кроме основной системы трансляции, локализованной в цитоплазме, имеют дополнительную систему трансляции митохондрий, которая по ряду свойств приближается к бактериальной. Клетки растений обладают дополнительной системой биосинтеза белка, функционирующей в хлоропластах.

Трансляция в митохондриях: общие сведения

Митохондрии являются органеллами эукариотических клеток, в которых в результате окислительного фосфорилирования энергия химических связей, освобождающаяся при метаболизме, накапливается в виде энергии макроэргических связей ATP. Митохондрии обладают собственным геномом - двухцепочечной ковалентно замкнутой митохондриальной ДНК (мтДНК), которая присутствует в каждой митохондрии в виде нескольких идентичных копий. Наибольшее распространение получила гипотеза об эндосимбиотическом происхождении митохондрий, в соответствии с которой современные митохондрии животных берут свое начало от альфа-протеобактерий (к которым принадлежит современная Rickettsia prowazekii), внедрившихся в цитозоль клеток-предшественников. Считается, что за время эндосимбиоза бактерии передали большую часть своих жизненно важных генов хромосомам клетки-хозяина, сохранив в своем геноме (в случае клеток человека) информацию лишь о 13 полипептидах, 22 тРНК и двух рРНК. Все полипептиды входят в состав ферментативных комплексов системы окислительного фосфорилирования митохондрий.

Длина мтДНК у человека составляет 16569 п.о. Митохондрии не являются самовоспроизводящимися генетическими системами. Репликация и транскрипция их генома зависят от транс-действующих факторов, кодируемых ядерным геномом. Все митохондриальные тРНК акцептируют аминокислотные остатки при участии аминоацил-тРНК- синтетаз, импортируемых в митохондрии из цитоплазмы. В цитоплазме же клеток позвоночных синтезируются все рибосомные белки митохондрий, мРНК которых транскрибируются с ядерных генов. Даже происхождение белков комплексов системы окислительного фосфорилирования является смешанным - ядерно-митохондриальным. Все полипептиды, кодируемые ядерным геномом, синтезируются рибосомами цитозоля. Как правило, они обладают N-концевой отщепляемой сигнальной последовательностью, которая обеспечивает направленный перенос в митохондрии.

Сравнение первичной структуры мтДНК с последовательностями аминокислот митохондриальных белков выявило ряд особенностей генетического кода, используемого митохондриями. Имеются вариации и в частоте использования кодонов митохондриями разных видов. В мтДНК большинства филогенетических групп триплет TGA кодирует Trp, хотя обычно на нем происходит терминация синтеза полипептидных цепей. С другой стороны, кодон AGR (где R=A или G) в мтДНК позвоночных является терминирующим, у иглокожих кодирует Ser, а у дрожжей, как обычно, - Arg.

Другой характерной особенностью генетической системы митохондрий является упрощение самого механизма декодирования информации, заключенной в митохондриальной мРНК. Трансляция всех кодонов в митохондриях происходит с участием не всех 32 видов молекул тРНК, которые обычно требуются для осуществления биосинтеза белка. Например, лишь 22 видов молекул тРНК достаточно для трансляции всех мРНК 13 генов мтДНК человека. Это становится возможным благодаря использованию основания U в первом (wobble) положении антикодона тРНК одного вида для распознавания всех четырех кодонов каждого из семейств, кодирующих конкретную аминокислоту.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1818 | Нарушение авторских прав