Генетический код

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Каким же образом иРНК кодирует (шифрует) первичную структуру белков, т. е. порядок расположения аминокислот в них? Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в иРНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называют генетическим, его расшифровка - одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает иРНК - копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК.

Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы попытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно было бы зашифровать лишь 4 аминокислоты, тогда как их 20 и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида).

В природе же существует трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т. е. триплетом, который получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (43=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 триплета являются лишними. Однако это не так. Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Это видно из таблицы генетического кода.

Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Как видно из таблицы генетического кода, триплеты ГУА или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. К чему приводит такая замена, вы знаете из § Генетическая информация. Удвоение ДНК.

Между генами имеются знаки препинания. Каждый ген кодирует одну полипептидную цепочку. Поскольку в ряде случаев иРНК является копией нескольких генов, они должны быть отделены друг от друга. Поэтому в генетическом коде существуют три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.

Внутри гена нет знаков препинания. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот

Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица:

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Акцепторная роль тРНК.
тРНК- транспортная РНК, осуществляет доставку аминокислот к рибосоме
1. Связывается с аминокислотами, образуя комплекс аминоацил-тРНК, при помощи аминоацил-тРНК-синтетазы.
2. За счет связывания с 30S-субъединицей и мРНК - образование активной структуры 30S-аминоацил-тРНК-мРНК (отсоединение белковых факторов). Это приводит к образованию рибосомы (комплекса из 30S-50S субъединиц).
3. За счет считывания антикодона тРНК на мРНК - передвижение аминокислоты на один триплет в рибосоме.

Синтез Аминоацил…участие в регуляции.
Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) — фермент синтетаза, катализирующий образование аминоацил-тРНК в реакции этерификации определенной аминокислоты с соответствующей ей молекулой тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза.

АРСазы обеспечивают соответствие нуклеотидным триплетам генетического кода (антикодону тРНК) встраиваемых в белок аминокислот, и, таким образом, обеспечивают правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосомах.

Он важен, поскольку лишь благодаря созданию этого комплекса происходит синтез собственно белка.

31. Этапы трансляции. Состав трансляционного аппарата клетки. Строение и механизм функционирования рибосом. Роль ОНК в процессе трансляции. Участие белковых комплексов инициации, элонгации и терпинации в биосинтезе полипептидной цепи.

Трансляция (биосинтез белка)

Трансляция - перевод генетического текста иРНК в последовательность АК в белке.

Необходимый комплекс факторов:

1. строительный материал (20 АК);

2. молекулы тРНК (61 вид тРНК). 61 кодону соответствует 20 АК. 1 тРНК распознает более 1 кодона;

3. ферменты: аминоацил-тРНК-синтетаза - обеспечивают узнавание и связывание АК со своей тРНК (20);

4. молекула мРНК. У эукариот иРНК имеет так называемый 'кэп' (от англ.- кепка, шапка) в области 5^'-конца. Кэп представлен метил-ГТФ, необходимой для узнавания иРНК рибосомой и участвует в трансляции;

5. рибосомы, как место синтеза белка. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. У прокариот они более мелкие - 70S: малая субъединица - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.

6. энергия АТФ и ГТФ;

7. ионы Мg^2+, необходимые для активации ферментов;

8. белковые факторы трансляции – специфические белки различных этапов трансляции.

Этапы трансляции:

1. рекогниция – «распознавание»;

2. инициация – «начало»;

3. эллонгация – «продолжение, удлинение»;

4. терминация - «прекращение»;

5. процессинг – «созревание».

1. Рекогниция. Происходит связывание АК со своей тРНК: АК+тРНК®(над стрелкой – аминоацил-тРНК-синтетаза, АТФ) аминоацил-тРНК +АМФ+2Ф_н Количество этих реакций зависит от количества АК.

2. Инициация. Состоит из 7 фаз:

а) подготовка рибосомы к трансляции. Рибосома (30S) взаимодействует с фактором инициации 3 (ФИ-3), в результате разделяется на малую и большую субъединицы. Малая субъединица находится в комплексе с ФИ-3;

б) подготовка РНК-матрицы к трансляции. мРНК эукариот в области 5’-конца имеет особую структуру – КЭП, представленную метил-ГТФ. В этой фазе происходит присоединение к КЭПу КЭП-связываемых белков. Они обозначают на мРНК место прикрепления рибосомы;

в) подготовка инициаторной аминоацил-тРНК. Кодон, с которого начинается считывание генетической информации, представлен триплетом АУГ – метионин. В качестве инициаторной будет выступать МЕТ-тРНК: МЕТ-тРНК+ГТФ+ФИ-2® инициаторный метионин-тРНК;

г) образование инициирующего комплекса. При этом инициаторная МЕТ-тРНК взаимодействует с малой субъединицей рибосомы с образованием инициирующего комплекса. Этому процессу способствует белковый ФИ-3, связанный с рибосомой;

д) связывание мРНК с инициирующим комплексом: инициирующий комплекс+ ФИ-1+ 5’-конец мРНК. При этом АТФ®АДФ+Ф_н;

е) поиск и комплементарное взаимодействие со стартовым кодоном. При этом происходит скольжение малой субъединицы рибосомы до момента обнаружения кодона АУГ и комплементарного взаимодействия с ним антикодона МЕТ-тРНК;

ж) формирование 80S-рибосомы. Большая субъединица присоединяется к комплексу, образующемуся на 6 стадии, что сопровождается затратой энергии ГТФ (ГТФ®ГДФ+Ф_н). Для этой реакции используется ГТФ, находящаяся в составе инициирующего комплекса. В образовавщейся рибосоме выделяют 2 участка:

- Р-участок, в котором находится МЕТ-тРНК. Здесь будет происходить образование пептидных связей – сайт Р;

- А-участок (аминоацильный участок) – служит для присоединения аминоацильной-тРНК.

В завершении этой фазы происходит высвобождение белковых факторов ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 и КЭП-связанных белков.

3. Элонгация. Состоит из 3-х фаз:

а. присоединение следующей аминоацил-тРНК в соответствии со смыслом следующего кодона матрицы. Процесс требует энергии ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q и белкового фактора - фактор элонгации-1 (ФЭ-1);

б. пептизация. Между АК-остатками образуются пептидные связи (между АК-1 и АК-2). Данную реакцию катализирует пептидил-трансфераза. Этот фермент разрушает связь между первой АК и ее тРНК. Первая тРНК покидает рибосому. В результате в амино-ацильном участке рибосомы находится растущий пептид, а Р-участок освобождается;

в. транслокация или перемещение. Рибосома перемещается на 1 кодон в направлении 3’-конца тРНК. При этом пептдтл-тРНК остается на месте и происходит внутририбосомный переход растущего пептида из А-участка рибосомы в Р-участок. Для данного процесса необходимы энергия ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q и белковый фактор - ФЭ-2. Основным результатом является освобождение А-участка рибосомы, в который может поступить следующая аминоацил-тРНК.

Процесс элонгации протекает циклически с 1 по 3 фазу до момента обнаружения стоп-кодона. При достижении рибосомой нонсенс-кодона элонгация прекращается и наступает терминация.

4. Терминация.

Нонсенс-кодон распознается белковыми R-факторами (факторы освобождения) в А-участке рибосом. В результате действия R-факторов обеспечивается диссоциация элементов трансляционного аппарата и в цитоплазму высвобождаются рибосома, иРНК, полипептид. СЭС между пептидом и тРНК гидролизуется с затратой энергии ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q. иРНК в дальнейшем может использоваться повторно для трансляции (до разрушения ее иРНКазами).

Собственно трансляция включает 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.

5. Процессинг белка.

Это совокупность изменений в структуре белка (полипептида), которые заканчиваются формированием структурно и функционально зрелой белковой молекулы. Процессинг может быть 2-х видов:

- котрансляционный, протекающий во время трансляции;

- посттрансляционный – химическая можификация белка происходит после трансляции.

Включает несколько видов химической модификации:

- ограниченный протеолиз - это отщепление либо пептидного фрагмента, либо N-концевой АК (МЕТ);

- реакция ацетилирования - присоединение ацетильного остатка;

- фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты с образованием сложных белков (фосфопротеины);

- гликозилирование АК с образование гликопротеинов и протеогликанов;

- гидроксилирование АК – присоединение –ОН группы. Наиболее часто данному процессу подвергаются ПРО и ЛИЗ с образованием гидроксипролина (ОПР) и гидроксилизина (ОЛИ). Этот процесс необходим при образовании коллагена;

- окисление АК;

- образование вторичной, третичной и четвертичной структур – характерно для олигомерных белков. При образовании данных структур белок сворачивается - процесс фолдинга. Для этого необходимы специализированные белки - шапероны. Они ускоряют сворачивание белков, исправляют некорректные формы вторичной, третичной структур. Может наблюдаться патология фолдинга: существуют т.н. отрицательные шапероны. Их присутствие в клетке приводит к неправильному фолдингу, что выражается в гибели клеток.

Рибосомы, как место синтеза белка. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. У прокариот они более мелкие - 70S: малая субъединица - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.
По рибосомам ничего простого и понятного я вообще не нашёл, так что вот что есть:

Трансляция — синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной РНК. мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, когда происходит узнавание 3'-концом 16S рибосомной РНК комплементарной последовательности Шайн-Далгарно, расположенной на 5'-конце мРНК, а также позиционирование стартового кодона мРНК на малой субъединице. У эукариот малая субчастица рибосомы связывается также с помощью кэпа, на конце мРНК. Ассоциация малой и большой субъединиц происходит при связывании формилметионил-тРНК и участии факторов инициации. Таким образом, распознавание антикодона происходит на малой субъединице.

После ассоциации, fMET-тРНК находится в P- сайте каталитического центра рибосомы. Следующая тРНК, несущая на 3'-конце аминокислоту и комплементарная второму кодону на мРНК, помещается с помощью фактора EF-Tu в А- сайт каталитического центра рибосомы. Затем, образуется пептидная связь между формилметионином и аминокислотой, принесенной тРНК, находящейся в А-сайте. Механизм катализа образования пептидной связи в пептидил-трансферазном центре до сих пор полностью не ясен. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих детали этого процесса: 1. Оптимальное позиционирование субстратов, 2. Исключение из активного центра воды, способной прервать образование пептидной цепи посредством гидролиза, 3. Участие нуклеотидов рРНК в переносе протона, 4. Участие 2'-гидроксильной группы 3'-концевого нуклеотида тРНК в переносе протона;. Высокая эффективность катализа достигается взаимодействием этих факторов.

После образования пептидной связи, полипептид оказывается связанным с тРНК, находящейся в А-сайте. На следующем этапе деацилированная тРНК двигается из Р-сайта в Е-сайт, а пептидил-тРНК из А- в Р-сайт. Этот процесс называется транслокацией и происходит при участии фактора EF-G. тРНК, комплементарная следующему кодону мРНК, связывается с А-центром рибосомы, что ведет к повторению описанных шагов. Стоп-кодоны сигнализируют об окончании трансляции. Процесс окончания трансляции и освобожения готового полипетида, рибосомы и мРНК, называется терминацией. У прокариот он происходит при участии факторов терминации RF1, RF2, RF3 и RRF.

32. Регуляция биосинтеза белка на уровне репликации и транскрипции. Регуляция биосинтеза белка на этапе трансляции и посттрансляционной модификации.