Синтез белков

• элонгация

• терминация

• Посттрансляционная преобразования

Белков Процесс синтеза белков (трансляция), как репликация и транскрипция, условно делится на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

1. Инициация. Начинается с активации аминокислот. Аминокислоты (АК) в цитозоле клетки вступают в реакцию с АТФ. Этот комплекс называется активированной аминокислотой. Так формируется АК- АМФ-комплекс. Реакцию катализирует фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой аминокислоты существует свой особый фермент. Аминокислота + АТФ + фермент -> Аминокисло- и-АМФ-ферментативный комплекс + Р ~ Р. Активированная аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК. Реакция катализируется тем же ферментом. тРНК-аминокислотный комплекс, Образовавшийся называется нагруженной тРНК (ами- ноацил-тРНК). Процесс распознавания аминокислот тРНК называют рекогнициею. Аминокислота-АМФ -> ферментативный комплекс + ТРНК -> аминоацил-тРНК + + АМФ + фермент. Аминоацил-тРНК-комплекс поступает к месту синтеза белков, а свободный фермент может снова активировать следующую молекулу аминокислоты. Активация рибосом и начало синтеза поли- пептидной цепи.

Цепь иРНК соединяется с малым рибосомальной субъединицей с помощью специального триплета. Это обеспечивается путем образования водородных связей между комплементарными парами соответствующих азотистых оснований иРНК и рРНК рибосом. Аминокислота метионин инициирует процесс синтеза белков. Она входит в состав тРНК, имеющая УАЦ-антикодон, что связывается с АУГ-кодоном иРНК. Комплекс, образуется, называется комплексом инициации. Впоследствии к малой субъединицы иРНК приходит большая субъединица, создавая активную рибосому, что имеет сформированные аминоацильну (А) и пептидильну (П) участка.

а) малая субъединица + иРНК + тРНК метионин -> комплекс инициации;

б) комплекс инициации + большая субъединица -> Активная рибосома. Процессы инициации требуют присутствия специфических факторов инициации, имеют белковую природу и обладают регуляторной активностью.

2. Элонгация (удлинение полипептидной цепи). Вторая, нагруженная, например, пролина, тРНК соединяется с рибосомой на участке А. Ее антикодон связывается с комплементарным кодоном цепи иРНК. На участке П метионин освобождается от своей тРНК и соединяется пептидной связью с пролина. Процесс катализирует фермент пептидилтрансфераза. В этом процессе связь между первой аминокислотой и ее тРНК разрывается и-СООН группы первой аминокислоты образует пептидную связь со свободной-NH2 групп второй аминокислоты. Таким образом, вторая тРНК уже несет дипептид. Первая тРНК, теперь свободная, отделяется от П-участка рибосомы и возвращается в общий фонд тРНК в цитоплазме. Здесь она может снова связываться со своей аминокислотой.

тРНК дипептидний кс мплекс вместе с иРНК перемещается в направлении П-участка рибосомы. Этот процесс называется транслока-настоящей (лат. translocatio - перемещение). Третья молекула тРНК со специфической ей аминокислотой, например, аргинином, поступает в А-участка рибосомы и присоединяется своим анти- кодоном к комплементарной кодона иРНК. Дипептид метионин-пролин вновь присоединяет аминокислоту аргинин с помощью фермента

пептидилтрансферазы. Таким образом, дипептид увеличивается до трипептид. Вторая тРНК освобождается, оставляет цепь иРНК, высвобождая П-ди- Лянкэ. Транспортная РНК - трипептидний комплекс переносится с А-участка на П-участок. Весь процесс, включающий поступления тРНК аминокислотного комплекса, образования пептидной связи и транслокация, многократно повторяется. По мере продвижения иРНК по рибосомы все ее кодоны перемещаются по А-участке друг за другом и пептидный цепь растет. В процессе элонгации принимают участие специальные белковые факторы, регулирующие эти процессы.

Синтез пептидной цепи происходит с достаточно большой скоростью, зависящей от температуры и факторов внутренней и внешней среды. В среднем в эукариот эта скорость составляет около 2 аминокислоты за 1 с. У прокариот скорость выше - около 15 аминокислот по секунду.

Рибосома движется относительно иРНК только в одном направлении, перемещаясь на один триплет от 5'-конца к 3'-концу иРНК. Синтез белковой молекулы (Объединения аминокислот) происходит в большой субъединицы, где напротив одного триплета расположен аминоацильний центр (отключение АК от тРНК), а другой - пептидильна участок (присоединение АК к пептида, растет). Аминокислоты связываются в полипептид в той последовательности, сообщаемой им с помощью иРНК.

3. Терминация (окончание синтеза и высвобождения полипептидной цепи). В конце цепи иРНК находится один из "стоп"-кодонов (УАА, УАГ, УГА). Они не распознаются ни тРНК. Фактор терминации (специальный белок) присоединяется к этого кодона и блокирует продление полипептидной цепи. Как следствие, до последней аминокислоты синтезированного белка присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. Связь между последней тРНК и полипептидным цепью разрывается специальными ферментами - факторами высвобождения. Рибосома отделяется от цепи иРНК и распадается на две субоды-низменные. Синтезированный полипептид освобождается и попадает в цитоплазму. Каждая молекула иРНК транскрибируетсянесколько раз, а впоследствии разрушается. Средний время "жизни" иРНК составляет примерно 2 мин. Выборочно разрушая старые и создавая новые иРНК, клетка может регулировать как качественный, так и количественный состав белков, а значит, уровень и направленность метаболизма. Значение трансляции.

Белковый синтез является основой деления, дифференцировки, роста и развития, обеспечивает особенности метаболизма и функций. Белки способствуют объединению клеток в группы, что приводит к образованию тканей и органов. Любые нарушения трансляции и синтеза белков причиной нарушения метаболизма, функций, что приводит к появлению болезней.

Посттрансляционная модификация белка как основа для их функционирования. Высвобожденный полипептид - Это прямолинейная молекула, не имеет метаболической активности. Синтезированные из аминокислот полипептидные цепи дальнейшем могут поступать в цитоплазму, эндоплазматическая сеть или комплекс Гольджи, где завершается формирование белковой молекулы. В процессе "созревания" она может терять некоторые конечные аминокислоты с помощью фермента экзопептидаза, а впоследствии образовывать вторичную и третичную структуры. Молекулы могут объединяться с другими полипептидами для образования четвертичной структуры сложных белков. Синтезированы молекулы объединяются с углеродными или липидными молекулами, встраиваемые в биомембраны или другие комплексы клетки.

Процессы изменения исходной структуры полипептида и формирование новой называются посттрансляционной модификацией. Вследствие этого белки приобретают специфические свойств и функциональной активности.

15Единица наследственной информации получила название гена. Поскольку все свойства организма так или иначе определяются белками, то ген соответствует последовательности нуклеотидов, на базе которой синтезируется одна молекула белка. Ген неделим в функциональном отношении, т.е. все мутации одного гена изменяют один и тот же наследственный признак. Таким образом, достаточно протяженная молекула нуклеиновой кислоты, входящая в состав хромосомы, состоит из множества генов. Наследственные задатки, расположенные в пределах одной хромосомы, передаются потомкам более-менее сцеплено. Нарушения сцепления связаны с тем, что в процессе мейоза (редукционного деления) гомологичные хромосомы могут переплетаться и обмениваться участками (такой обмен носит название кроссинговера). Чем ближе в хромосоме располагаются гены, тем меньше вероятность обмена, поэтому сила сцепления позволяет оценить расстояние между генами и составить карту хромосомы. Уникальное свойство генов состоит в том, что они сочетают высокую устойчивость (неизменность в ряду поколений) со способностью к наследуемым изменениям - мутациям.

В результате мутационного процесса ген в популяции может быть представлен несколькими вариантами - они носят название аллелей. Парные, гомологичные хромосомы состоят из одних и тех же генов. В каждой паре гомологичных хромосом одна была получена от отца, другая - от матери; аллели каждого из генов у родителей могли быть как одинаковыми, так и разными. Внешнее проявление признака, связанного с данным геном, зависит от типа аллельных отношений.

Безусловно, в большинстве случаев путь от гена до признака далеко не прост, поскольку белок - непосредственный генный продукт, как правило, участвует во множестве разнообразных реакций, прежде чем воплотиться в свойство организма, заметное невооруженным глазом. Ситуация один ген - один признак скорее счастливое исключение из правила, позволяющее нам исследовать простейшие закономерности наследственности. Подобные признаки носят название менделирующих, в честь Г.Менделя, впервые проанализировавшего их наследование. Впрочем, не надо забывать, что в основе даже самых сложных картин передачи признаков лежат простейшие закономерности наследования (механизм передачи наследственных задатков), описанные Менделем.

Полная картина того, как генотип - совокупность наследственных задатков особи - воплощается в ее фенотип - совокупность всех ее признаков и свойств, - еще крайне мало изучена. Один ген может влиять на несколько признаков, несколько генов участвовать в формировании одного свойства. Кроме того, ген в любом случае задает не конкретное проявление, а пределы, в которых может варьировать тот или иной признак, так называемую норму реакции.

В 1945 г. Дж. Бидлом и Э. Татумом была сформулирована гипотеза, которую можно выразить формулой "Один ген - один фермент". Согласно этой гипотезе, каждая стадия метаболического процесса, приводящая к образованию в организме (клетке) какого-то продукта, катализируется белком-ферментом, за синтез которого отвечает один ген.

Позднее было показано, что многие белки имеют четвертичную структуру, в образовании которой принимают участие разные пептидные цепи. Поэтому формула, отражающая связь между геном и признаком, была несколько преобразована: "Один ген - один полипептид".

Изучение химической организации Э. Чаргаффом наследственного материала и процесса реализации генетической информации привело к формированию представления о гене как о фрагменте молекулы ДНК, транскрибирующемся в виде молекулы РНК, которая кодирует аминокислотную последовательность пептида или имеет самостоятельное значение (тРНК и рРНК).

Также ценные сведения о структуре ДНК дали результаты рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи, проходя через кристалл ДНК, претерпевают дифракцию, т.е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер отклонения зависят от структуры самой молекулы. Анализ дифракционных рентгенограмм привел к заключению, что азотистые основания уложены на подобие стопки тарелок. Рентгенограммы позволили выявить в ДНК 3 главных периода: 0,34, 2 и 3,4, которые оказались размерами в модели ДНК, предложенной Дж.Уотсоном и Ф.Криком. 0,34 нм - расстояние между последовательными нуклеотидами, 2 нм - толщина цепи, 3,4 нм - расстояние между последовательными витками спирали.

15 1. Генетика - наука о наследственности и изменчивости - фундаментальных свойствах живого.

2. Общие понятия генетического материала и его свойствах.

3. Первичные функции генов. Генетический код и его свойства.

4. Уровни структурной организации наследственного материала: генный, хромосомный, геномный.

5. Генная система клеток про- и эукариот. Роль ядра и цитоплазмы в передаче наследственного материала.

Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свойствами живого, так как характерны для живых существ любого уровня организации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, называется ГЕНЕТИКОЙ

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ - это свойство живых систем передавать из поколения в поколение особенности морфологии, функции и индивидуального развития в определенных условиях среды.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ - это способность дочерних организмов отличаться от родительских форм морфологическими и физиологическими признаками и особенностями индивидуального развития.

НАСЛЕДОВАНИЕ - это способ передачи генетической информации: через половые клетки - при половом размножении, или через соматические - при бесполом, т.е. материальная основа яйцеклетка и сперматозоид, или соматическая клетка.

НАСЛЕДУЕМОСТЬ - это степень соотношения наследственности и изменчивости.

ГЕН - это единица наследственности и изменчивости. По современгны представлениям ген - это участок молекулы ДНК, дающий информацию о синтезе определенного полипептида. Набор генов организма, которые он получает от своих родителей, называется ГЕНОТИПОМ, а содержание генов в гаплоидном наборе хромосом - ГЕНОМОМ.

Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма называется ФЕНОТИПОМ , а отдельный признак - ФЕНОМ . Например, форма носа, ушной раковины, пальцев ног и рук, цвет волос - внешние фенотипические признаки, особенности строения желудка, содержание лейкоцитов и эритроцитов в крови - внутренние фенотипические признаки.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ - компоненты клетки, структурно-функциональное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации при вегетативном и половом размножении. Генетический материал обладает универсальными свойствами живого: дискретностью, непрерывностью, линейностью, относительной стабильностью.

ДИСКРЕТНОСТЬ генетического материала, т.е. существование гена, хромосомы (группы сцепления), генома, выявляется в виде: множества аллелей, составляющих группу сцепления, множества групп сцепления, составялющих геном.

НЕПРЕРЫВНОСТЬ генетического материала (физическая целостность хромосомы) выявляют в виде сцепления множества генов между собой.

ЛИНЕЙНОСТЬ (одномерность записи генетической информации) - в определенной последовательности генов в пределах групп сцепления или сайтов в пределах гена.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ или способность к конвариантной редупликации, т.е. возникновение и сохранение вариантов в ходе возспроизведения, выявляют в виде мутационной изменчивости.

Всеми этими свойствами обладают молекулы ДНК или реже РНК (у некоторых вирусов), в которых закодирована наследственная информация.

Основными свойствами генетического материала являются:

1. Ген хранит и передает информацию.

2. Ген способен к изменению генетической информации (мутации).

3. Ген способен к репарации и ее передаче от поколения к поколению (процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке химическими или физическими агентами).

4. Ген способен к реализации - синтезу белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.

5. Генетический материал обладает устойчивостью. Устойчивость генетического материала обеспечивается: - диплоидным набором хромосом; - двойной спиралью ДНК; - вырожденностью генетического кода; - повтором некоторых генов; - репарацией нарушенной структуры ДНК.

Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа МУТОНОМ, а единица рекомбинации - РЕКОНОМ. Минимальные размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются с а й т. Таким образом САЙТ - это структурная единица гена.

Согласно современным, уточненным представлениям, ГЕН - это участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфичной для него последовательностью нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функции других генов и способный изменяться путем мутирования. Гены неоднородны. Их делят на структурные и функциональные.

Основными первичными функциями генов являются хранение и передача генетической информации. Передача генетической информации происходит при редупликации ДНК (при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (при обычном функционировании клеток).

Система записи генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов называется ГЕНЕТИЧЕСКИМ КОДОМ. Явление соответствия порядка нуклеотидов в молекуле ДНК порядку аминокислот в молекуле белка называется КОЛИНЕАРНОСТЬЮ.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД - система записи, свойственная всем живым организмам

Свойства генетического кода:

1) универсальность - один триплет кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых существ;

2) триплетность - т.е. одной аминокислоте соответствуют три рядом расположенных нуклеотида;

3) неперекрываемость - один нуклеотид не может входить одновременно в два и больше триплета;

4) вырожденность (избыточность) - одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов;

5) без разделительных знаков.

Триплет является элементарной функциональной единицей гена, а пара нуклеотидов - его структурной единицей.

Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала: генный, хромосомный и геномный.

Элементарной структурой ГЕННОГО уровня организации служит ген. На этом уровне изучается структура молекулы ДНК, биосинтез белка и др. Благодаря относительной независимости генов возможно дискретное (раздельное) и независимое наследование (III закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков.

Гены клеток эукариот распределены по хромосомам, образуя ХРОМОСОМНЫЙ уровень организации наследственного материала. Этот уровень организации служит необходимым условием сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер).

Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образует единую систему, называемую ГЕНОМОМ. Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет взаимодействие генов как в одной, так и в разных хромосомах.

Генные (точковые) мутации - это изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (вставки, выпадения, перемещения, замещения нуклеотидов) в пределах отдельных генов, приводящие к изменению количества или качества соответствующих белковых продуктов.

Замены оснований приводят к появлению трех типов мутантных кодонов: с измененным смыслом (миссенс-мутации), с неизмененным смыслом (нейтральные мутации) и бессмысленных, или терминирующих кодонов (нонсенс-мутации).

В результате миссенс-мутании в кодируемом данным геном полипептиде одна аминокислота замещается на другую, поэтому фенотипическое проявление мутации зависит от функциональной значимости затронутого домена. Так замены аминокислот в активных центрах белков могут сопровождаться полной потерей их функциональной активности. К примеру, миссенс-мутация в 553-м кодоне гена FAC, приводящая к замене лейцина на пролин, делает продукт этого гена неспособным комплементировать функциональный дефект в клетках больных анемией Фанкони.

Не всякая замена аминокислоты отразится на функциональной активности белка, вследствие чего происшедшая мутация может остаться не вьшвленной. Этим объясняется факт отмечаемого несовпадения частоты мутаций в определенном гене и встречаемости мутантов по нему. Кроме того, в силу вырожденности генетического кода, не всякая замена основания приведет к миссенс-мутации, возможно, она окажется нейтральной.

В результате нонсенс мутации кодон, определяющий какую-либо аминокислоту, превращается в один из стоп-кодонов, не транслирующихся на рибосомах (UAA UAG, UGA). Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции и обрыву полипептидной цепи. Нонсенс-мутации обладают наибольшим повреждающим действием, так как образующиеся при преждевременной терминации трансляции белки не способны к модификации, часто не защищены от действия протеолитических ферментов и быстро деградируют.

Вставки, перемещения или выпадения отдельных оснований или их коротких последовательностей в пределах гена вызывают сдвиг рамки считывания. Природа таких мутаций была изучена при анализе аминокислотной последовательности белков фага Т4, кодируемьгх геном дикого типа е+ и тремя разными мутантными генами е, содержащими взаимно супрессирующие фреймшифт (сдвигающие рамку считывания)-мутации. Оказалось, что некоторые единичные мутации являются следствием одновременных изменений нескольких соседних нуклеотидов. И, скорее всего, единичная мутация со сдвигом рамки возникает в результате вставки двух соседних нуклеотидов, а не одного. При возникновении мутаций со сдвигом рамки считывания меняются все триплеты ниже сайта дупликации или делеиии по ходу считывания, при этом повышается вероятность возникновения стоп-кодонов и, соответственно, терминации трансляции.

С точки зрения структурно-функциональной организации генов, происходящие внутри них замены, вставки, выпадения, перемещения нуклеотидов можно объединить в следующие группы:

1) мутации в регуляторных областях генов • мутации в промоторной части (например, регуляторном элементе с последовательностью PuCPuCCC и внутри ТАТА-бокса у гена р-глобина) снижают уровень синтеза белкового продукта; • мутации в сайте полиаденилирования снижают уровень транскрипции (характерно для афроамериканцев, страдающих талассемией; подробно о гемоглобинопатиях см. часть П Медицинская генетика).

Таким образом, мутации в регуляторных 5' и 3'-нетранслируемых областях генов вызывают количественные изменения соответствующих продуктов и проявляются фенотипически (клинически) в зависимости от порогового уровня белков, при котором их функция еще сохраняется;

2) мутации в кодирующих областях генов • мутации в экзонах могут приводить к преждевременному окончанию белкового синтеза. Именно это происходит, к примеру, в случае 6-талассемии: в результате мутаций внутри экзона гена гемоглобина белковая цепь оказывается укороченной и не обладает активностью; • мутации в интронах способны генерировать новые сайты сплайсинга, которые, конкурируя с нормальными (исходными), в итоге, заменяют их. Возникновение замен в гене гемоглобина, замедляющих сплайсинг, известно и для В0-, и для В+-талассемии. • мутации в сайтах сплайсинга (на стыках экзонов и нитронов), нарушают процессинг первичного РНК-транскрипта и приводят к трансляции бессмысленных белков: удлиненного при неправильном вырезании интронов либо укороченного при вырезании экзонов. Так, в результате одиночных замен в донорском участке сплайсинга гена гемоглобина процессинг нарушается, что приводит к развитию В0- или р+-талассемии. А мутация сдвига рамки считывания в акцепторном участке сплайсинга гена ХРА приводит к полной инактивации белка и, как следствие, к развитию тяжелой формы пигментной ксеродермы.

Замены нуклеотидов в кодирующих областях генов, не сопровождающиеся заменами аминокислот в силу вырожденности генетического кода, приводят к нейтральным мутациям, не оказывающим заметного влияния ни на функцию соответствующего белка, ни на его структуру.

- Читать далее "Механизмы генных мутаций. Молекулярный генез генных мутаций."