Основы биологии

Инициация. Активация промотора происходит с помощью большого белка - ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора -ТАТААА- (ТАТА-бокс). Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Факторы инициации вызывают изменение кон-формации РНК-полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка, в которой матрица доступна для инициации синтеза цепи РНК.

Элонгация. Факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. Синтез молекулы РНК идёт от 5'- к З'-концу комплементарно матричной цепи ДНК. На стадии элонгации, в области транскрипционной вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3'- к 5'-концу впереди неё происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали ДНК.

Терминация. Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы - терминаторах (сайты терминации).

18.Первичный транскрипт и его процессинг. Рибозимы какпример каталитической активности нуклеиновых кислот. Биороль

Первичный транскрипт и его процессинг. Гены, кодирующие большую часть структурных РНК, транскрибируются РНК-полимеразами I и III. Нуклеиновые кислоты - предшественники рРНК и тРНК - подвергаются в ядре расщеплению и химической модификации (процессингу).

Посттранскрипционные модификации первичного транскрипта тРНК (процессинг тРНК)

Первичный транскрипт тРНК содержит около 100 нуклеотидов, а после процессинга - 70-90 нуклеотидньгх остатков. Посттранскрипционные модификации первичных транскриптов тРНК происходят при участии рибонуклеаз). Так, формирование 3'-конца тРНК катализирует РНК-аза, представляющая собой 3'-экзонуклеазу, "отрезающую" по одному нук-леотиду, пока не достигнет последовательности -ССА, одинаковой для всех тРНК. Для некоторых тРНК формирование последовательности -ССА на 3'-конце происходит в рез-е последовательного присоединения этих трёх нуклеотидов. Пре-тРНК содержит всего один интрон, состоящий из 14-16 нуклеотидов. Удаление интрона и сплайсинг приводят к формированию структуры, называемой "антикодон", - триплета нуклеотидов, обеспечивающего взаимодействие тРНК с комплементарным кодоном мРНК.

Посттранскрипционные модификации (процессинг) первичного транскрипта рРНК. Формирование рибосом.

В клетках человека содержится около сотни копий гена рРНК, локализованных группами на пяти хромосомах. Гены рРНК транскрибируются РНК-полимеразой I с образованием идентичных транскриптов. Первичные транскрипты имеют длину около 13 000 нуклеотид-ных остатков (45S рРНК). Прежде чем покинуть ядро в составе рибосомной частицы, молекула 45 S рРНК подвергается процессин-гу, в результате образуется 28S рРНК (около 5000 нуклеотидов), 18S рРНК (около 2000 нуклеотидов) и 5,88 рРНК (около 160 нуклеотидов), которые являются компонентами рибосом. Остальная часть транскрипта разрушается в ядре.

Рибосома - органелла клетки, участвующая в биосинтезе белка. Рибосома эукариотов (80S) состоит из двух, большой и малой, субъединиц: 60S и 40S. Белки рибосом выполняют структурную, регуляторную и каталитическую функции.

19.Регуляция транскрипции у прокариот. Теория оперона,регуляция по типу индукции и репрессии (примеры)

Регуляция транскрипции у прокариот. 1. Теория оперона У прокариотов ДНК не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой. В процессе транскрипции образуются первичные транскрипты, не содержащие нитронов, а мРНК лишены "кэпа" и поли-А-конца. Синтез белка начинается до того, как заканчивается транскрипция. каждая клетка Е. coli содержит информацию о нескольких тысячах белков. Но многие гены не транскрибируются. Гены белков, функции которых в метаболических процессах тесно связаны, часто в геноме группируются вместе в структурные единицы (опероны). оперонами называют участки молекулы ДНК, которые содержат информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных белков, и регуляторную зону, контролирующую транскрипцию этих генов. Структурные гены оперона экспрессируются согласованно. Когда оперон активен и все его гены транскрибируются, то синтезируется полицистронная мРНК, служащая матрицей для синтеза всех белков этого оперона. Транскрипция структурных генов зависит от способности РНК-полимеразы присоединяться к промотору, расположенному на 5'-конце оперона перед структурными генами. Связывание РНК-полимеразы с промотором зависит от присутствия белка-репрессора на смежном с промотором участке, который называют "оператор". Белок-репрессор синтезируется в клетке с постоянной скоростью и имеет сродство к операторному участку. Структурно участки промотора и оператора частично перекрываются, поэтому присоединение белка-репрессора к оператору создаёт стерическое препятствиедля присоединенияРНК-полимеразы. Большинство механизмов регуляции синтеза белков направлено на изменение скорости связывания РНК-полимеразы с промотором. Гены, осуществляющие синтез регуляторных' белков, могут быть удалены от оперона, транскрипцию которого они контролируют.

2. Индукция синтеза белков. Lac-оперон Теория оперона была предложена на основании данных, полученных при изучении свойств лактозного оперона Е. coli, т.е. оперона, в котором закодированы белки, участвующие в усвоении лактозы.

Клетки Е. coli обычно растут на среде, используя в качестве источника углерода глюкозу. Если в среде культивирования глюкозу заменить на дисахарид лактозу, то клетки адаптируются к изменившимся условиям. Они продуцируют 3 белка, обеспечивающих утилизацию лактозы. Один из этих белков - фермент в-галактозидаза, катализирующий гидролитическое расщепление лактозы до глюкозы и галактозы.

В присутствии глюкозы клетки Е. coli содержат менее 10 молекул этих ферментов на клетку. Перенос клеток на среду, содержащую лактозу, вызывает увеличение количества молекул каждого из ферментов до 5000.

В отсутствие лактозы белок-репрессор связан с оператором. А поскольку участки оператора и промотора перекрываются, то присоединение репрессора к оператору препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором, и транскрипция структурных генов оперона не идёт. Когда в среде появляется индуктор, то он присоединяется к белку-репрессору и снижает сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены.

3. Репрессия синтеза белков. Снижение концентрации фермента в бактериальной клетке может осуществляться путём репрессии синтеза ферментов. когда клетки Е. coli растут на среде, содержащей соль аммония в качестве единственного источника азота, то им приходится синтезировать все азотсодержащие вещества. если добавить в среду культивирования одну из аминокислот, например триптофан или гистидин, то клетка перестанет вырабатывать весь набор ферментов, необходимых для синтеза этих аминокислот из аммиака. Репрессия синтеза ферментов, катализирующих последовательность реакции метаболического пути конечным продуктом, как это имеет место в случае ферментов синтеза гастидина или триптофана, называется репрессией конечным продуктом.

при отсутствии в среде Гис или Три регуляторный белок-репрессор не имеет сродства к оператору и происходит синтез ферментов, осуществляющих образование этих аминокислот. Когда в среду добавляют, например, Гис, то эта небольшая "корепрессор", присоединяется к белку-репрессору. В результате конформационных изменений в молекуле репрессора комплекс белка-репрессора и корепрессора приобретает сродство к оператору, присоединяется к нему, и транскрипция оперона прекращается.

20.Механизмы регуляции экспрессии генов у эукариот

Регуляция экспрессии генов у эукариот. У эукариот организмов по сравнению с прокариотическими существенно возрастает содержание ДНК на гаплоидную клетку: с 4,2Ч10⁶ пар нуклеотидов у Е. coli до 3,3Ч10⁹ пар нуклеотидов в клетках человека.

1. Организация хроматина в дифференцированных клетках многоклеточного организма

В клетках млекопитающих существуют механизмы, которые сохраняют стабильную репрессию одних генов и депрессию других.

Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и недоступна для транскрипции, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены.

Стойкая репрессия генов гетерохроматина обеспечивается:

· высококонденсированным состоянием гетерохроматина;

· метилированием дезоксицитидина ДНК-ме-тилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК.

· связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, которые также снижают транскрипционную активность ДНК.

Исследования показали, что области эухроматина, в которых расположены активно транскрибируемые гены, обладают некоторыми структурными особенностями:

· они более чувствительны к действию ДНК-аз, чем остальные участки ДНК;

· к областям "активного" хроматина присоединяется группа негистоновых HMG-бел-ков, или белков с высокой подвижностью при гель-электрофорезе.

Разный набор и количество белков в эукариотических клетках может регулироваться:

· изменением количества структурных генов;

· перестройкой генов в хромосомах;

· эффективностью транскрипции разных участков генома;

· характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;

· на уровне трансляции;

· с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.

Амплификация генов используется организмом в том случае, когда возникает необходимость увеличить синтез определённого генного продукта. Многие гены, кодирующие белки или РНК постоянно присутствуют в амплифицированном состоянии. Амплифицированные участки могут располагаться друг за другом в хромосоме или образовывать внехромосомные фрагменты ДНК.

Нестабильны амплифицированные гены, двойные хромосомы. Они могут исчезать в последующих генерациях. Утрата генетического материала происходит в процессе созревания лимфоцитов и образования клеток синтезирующих иммуноглобулины.

генетическая рекомбинация - процесс обмена, перемещения генов между хромосомами или внутри хромосомы, объединение генов с образованием изменённой хромосомы, которая после таких структурных изменений способна к репликации и транскрипции. Этот процесс получил название "".

У эукариотов рекомбинации наблюдают:

· при половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида;

· при перемещении подвижных генетических элементов - транспозонов, в состав которых входят отдельные гены или группа генов, с исходной позиции в какое-либо другое место той же или другой хромосомы;

· при формировании в лимфоцитах "библиотеки" генов, кодирующих антитела или иммуноглобулины.

Регуляция транскрипции генов высших организмов сходна с регуляцией экспрессии генов прокариотов. Основное различие состоит в значительно большем количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс. белки способных взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК имеют один или несколько доменов, обеспечивающих выполнение регуляторных функций.

· ДНК-связывающие домены, ответственные за узнавание и связывание регуляторных факторов со специфическими участками на молекуле ДНК;

· Домены, активирующие транскрипцию за счёт связывания с белками основного инициаторного комплекса: транскрипционными факторами, коактиваторами и РНК-поли-меразой;

· Антирепрессорные домены, благодаря которым белки способны взаимодействовать с гистонами нуклеосом и освобождать транскрибируемые участки ДНК от связи с этими ингибиторными структурами; Домены, связывающие лиганды, присоединение которых к белку изменяет его конформацию и обеспечивает связывание с молекулой ДНК. Лигандь1-индукторы транскрипции - стероидные гормоны, ретиноевая кислота, кальцитриол (производное витамина D₃) и гормоны щитовидной железы. Лигандами-репрессорами могут быть конечные продукты метаболических путей, некоторые гормоны. Будучи липофильньши молекулами, они проходят плазматическую, а иногда и ядерную мембраны, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами, присоединяясь к лиганд-связьгвающему участку. Присоединение лиганда к рецептору образует ДНК-связьшающий участок, узнающий специфическую последовательность в регуляторной зоне ДНК и индуцирующий транскрипцию определённых генов.

Посттранскрипционная регуляция

· В организме животных существенное значение в обеспечении разнообразия белков играет посттранскрипционный процессинг РНК. Основные способы такой регуляции - альтернативный сплайсинг и изменение стабильности РНК.

21.Постранскрипционная регуляция у эукариот, обеспечивающая разнообразие бел-ков: альтернативный сплайсинг. Редактирование РНК

Альтернативный сплайсинг. многие эукариотические гены образуют несколько вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга первичного транскрипта. Наиболее часто промотор сохраняется на одном из концов транскрипта, а в ходе сплайсинга происходит "вырезание" одного или нескольких экзонов. В других случаях в зрелой мРНК сохраняется часть интрона и включается в состав экзона с 5' или 3'-конца. Сплайсинг может влиять на выбор промотора или участка полиаденилирования. С помощью альтернативного сплайсинга в процессе синтеза антител образуются мембраносвязанные и секреторные формы антител. Так, первоначально В-лимфоциты продуцируют транскрипты, полиаденилированные после второго стоп-кодона, а интрон, в котором имеется первый стоп-кодон, удаляется. В результате синтезируются IgM, связанные с клеточной мембраной, так как мРНК таких клеток содержит на 3'-конце экзон, кодирующий участок полипептидной цепи, состоящий из гидрофобных аминокислот. С помощью этого участка происходит "заякоривание" IgM в мембране. Когда В-лимфоциты превращаются в плазматические клетки, то в результате альтернативного сплайсинга образуется мРНК, в которой сохраняется интрон, содержащий первый стоп-кодон. Поэтому происходит более раннее полиаденилирование и исчезает экзон, кодирующий гидрофобный участок молекулы. Синтезируются укороченные молекулы антител, секретируемыев кровь.

"Редактирование" РНК. первичная структура мРНК может изменяется после транскрипции. Последовательность нуклеотидов в таких генах одинакова, а транскрибируемая в разных тканях мРНК различается в результате появления вставок или выпадений нуклеотидов. Пример "редактирования" РНК - образование апопротеина В (апо-В) в клетках печени и тонкого кишечника. Апо-В - основной компонент липопротеинов, участвующих в транспорте триацилглицеринов.

22.Механизмы генетической изменчивости. Наследственныеболезни

Механизмы генетической изменчивости. "мутации" - Изменения в последовательности пуриновых или пиримидиновых оснований в гене, не исправленные ферментами репарации. Могут быть в соматических клетках и половых- передаются по наследству и могут проявляться в фенотипе потомства.

Существенный вклад в генетическую изменчивость вносят перестройки хромосом в процессе мейоза. части генов могут перемещаться из одного места хромосомы в другие. Эти подвижные элементы или фрагменты ДНК получили название транспозонов. Транспозоны - участки ДНК, удаляемые из одного локуса хромосомы и встраиваемые в другой .локус той же или другой хромосомы.

Генные, или точечные, мутации бывают в основном 3 видов:

· замены, при которых одно азотистое основание в ДНК замещается на другое;

· вставки, обеспечивающие внедрение в молекулу ДНК одного или нескольких дополнительных нуклеотидов;

· делеции (или выпадения) одного или нескольких нуклеотидов, при которых происходит укорочение молекулы ДНК.

Наследственные болезни.

Первичные мутации происходят обычно в одной из хромосом и не сопровождаются возникновением болезни Мутантный ген в гетерозиготном состоянии часто не проявляется как болезнь.

При вторичных мутациях, если каждый из родителей является носителем мутантного гена, будучи гетерозиготой, возможно рождение детейгомозигот по дефектному аллелю,, В таком случае развивается наследственная болезнь.

б-Талассемии возникают при нарушении синтеза б-цепей. В геноме каждого индивидуума существует 4 копии гена б-глобина (по 2 копии на каждой хромосоме), поэтому встречаются несколько видов недостаточности ос-цепей. Если дефектна одна из 4 копий, то фенотипически это не проявляется, и такого человека рассматривают как "молчащего носителя" талассемии. При дефекте в 2 копиях гена у носителя мутации обнаруживают слабовыраженные признаки болезни, а при дефекте в 3 копиях развивается гемолитическая анемия. При полном отсутствии синтеза б-цепей (т.е. дефектны все 4 копии гена) наступает внутриутробная гибель плода, так как не образуются фетальные формы Нb, а тетрамеры г₄ обладают высоким сродством к кислороду и не способны функционировать как транспортные белки. в-Талассемии развиваются в результате снижения синтеза в-цепей Нb, для которых на каждой хромосоме имеется по одному гену. Синтез НbА начинается после рождения ребёнка. При дефекте в одной из копий гена недостаточность Нb проявляется в слабой степени и не требует специального лечения. Однако при полном выключении синтеза в-цепей развивается тяжёлая форма анемии, и таким пациентам проводят либо периодическую трансфузию крови, либо пересадку костного мозга.

23.Биосинтез белков (трансляция). Основные компоненты белоксинтезирующей системы: аминокислоты, т-РНК, рибосомы, источники энергии, белковые факторы, ферменты

Для синтеза полипептидной цепи необходимо большое количество компонентов, совместное и согласованное взаимодействие которых приводит к образованию белка.

Аминокислоты. Функция: Субстраты для синтеза белков

Все 20 аминокислот, входящих в структуру белков организма человека, должны присутствовать в достаточном количестве(особенно)незаменимые (т.е. не синтезирующимся в организме) аминокислоты, так как недостаточное снабжение клетки хотя бы одной незаменимой аминокислотой приводит к снижению, а иногда и полной остановке синтеза белка на кодоне, требующем включения этой аминокислоты в белок.

мРНК. Содержит информацию о структуре синтезируемого белка и используется в качестве матрицы.

Т-РНК. тРНК выполняют функцию адаптеров. Они акцепторным концом взаимодействуют с аминокислотами, а антикодоном - с кодоном мРНК. В процессе синтеза белка на рибосоме связывание антикодонов тРНК с кодонами мРНК происходит по принципу комплементарности и антипараллельности. Число тРНК для каждой аминокислоты не совпадает с числом кодирующих её кодонов в мРНК

-первые два основания кодона и последние два основания антикодона образуют обычные прочные пары (гуанинцитозин и аденинурацил) и вносят наибольший вклад в специфичность декодирования;

-связывание третьего основания кодона с первым основанием антикодона происходит слабее, чем с первыми двумя, и это позволяет некоторым тРНК прочитывать больше чем один кодон.

Гипотеза, объясняющая характер кодонан-тикодонового взаимодействия, получила название "гипотезы качания" (т.е. третье основание большинства кодонов имеет определённую степень свободы при образовании пары с соответствующим антикодоном и как бы "качается").

Аминоацил-тРНК синтетазы Ф-ция: Каждая аа-тРНК-синтетаза катализирует реакцию специфического связывания одной из 20 аминокислот с соответствующей тРНК

В цитозоле клеток 20 различных аминокислот присоединяются б-карбоксильной группой к 3'-гидроксильному акцепторному концу соответствующих тРНК с образованием сложноэфирной связи. Эти реакции катализирует семейство ферментов, носящее название аминоацил-тРНК синтетаз (аа-тРНК-синтетаз). Каждый член этого семейства узнаёт только одну определённую аминокислоту и те тРНК, которые способны связываться с этой аминокислотой. Из этого следует, что в группу тРНК синтетаз входит 20 различных ферментов. Они осуществляют активацию аминокислот

Рибосомы - Рибонуклеопротеиновые субклеточные структуры, являющиеся местом синтеза белков. Белки входят в состав субъединиц рибосомы в количестве одной копии и выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом.

Белковые факторы инициации, элонгации, терминации -специфические внерибосомные белки, необходимые для процесса трансляции (12 факторов инициации: elF; 2 фактора элонгации: eEFl, eEF2, и факторы терминации: eRF)

АТФ и ГТФ как источники энергии

На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь клетка затрачивает 4 макроэргические связи: 2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНК синтетазой (в процессе активации аминокислот АТФ расщепляется на АМФ и пирофосфат), и 2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аа-тРНК в А-центре рибосомы, а вторая затрачивается на стадию транслокации. К этому следует добавить использование ещё двух мак-роэргических связей молекул: АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи.

24.Строение и функции рибосом. Связывающие и каталитические центры рибосом

Рибосомы- Рибонуклеопротеиновые субклеточные структуры, являющиеся местом синтеза белков. Белки входят в состав субъединиц рибосомы в количестве одной копии и выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом.

Как связывание субстратов, так и ферментативный катализ на макромолекулах, включая белки и надмолекулярные комплексы, происходят, как правило, не на гладких молекулярных поверхностях, а в углублениях макромолекул, в основаниях выступов, в щелях и полостях между субъединицами или доменами - в так называемых структурных карманах. Основная морфологическая черта электронно-микроскопических изображений рибосомы - борозда, разделяющая две рибосомные субчастицы Эта борозда сильно расширяется в одном месте: виден так называемый "глаз" рибосомы. Указанная особенность отражает реальный факт существования значительной полости между двумя рибосомными субчастицами. Как показано самыми последними электронно-микроскопическими исследованиями с высоким разрешением, именно в этой полости размещаются основные субстраты рибосомы - молекулы пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК , участвующие в образовании полипептидной цепи Это тРНК-связывающий центр рибосомы . Теперь рассмотрим отдельно малую рибосомную субчастицу). Она разделяется глубокой бороздой на головку и тело. Эта глубокая борозда - шея - есть место, в котором размещается участок связывания мРНК и через которое цепь мРНК протягивается от одного конца к другому в процессе трансляции У большой рибосомной субчастицы тоже есть головка - это центральный выступ, среди трех видимых выступов данной субчастицы) . В шее (борозде, отделяющей головку от тела) размещается главный каталитический центр рибосомы - пептидил-трансферазный центр , осуществляющий синтез пептидных связей.

две шеи находятся напротив друг друга и что между шеями как раз и расположен "глаз" - межсубчастичная полость, размещающая в себе молекулы двух субстратных тРНК. Так как каждая тРНК в рибосоме одним своим концом - антикодоном - должна взаимодействовать с кодоном мРНК, а другим, акцепторным концом, несущим аминокислоту или пептид, - с пептидил-трансферазным центром, то ее положение в рибосоме в отношении двух рибосомных субчастиц определяется однозначно: антикодон тРНК сидит в шее малой субчастицы, а акцепторный конец - в шее большой субчастицы.

Наконец, важные характерные черты рибосомы - подвижный палочкообразный боковой выступ большой субчастицы, справа от головки и непокрытая малой субчастицей площадка большой субчастицы у основания выступа Наблюдения и эксперименты позволяют предполагать следующую картину событий: площадка принимает на себя поступающую в рибосому новую аминоацил-тРНК в комплексе со специальным белком - фактором элонгации 1 (EF1). При этом палочкообразный отросток взаимодействует с фактором и ориентируется более или менее перпендикулярно плоскости раздела между субчастицами. В результате образуется карман между непокрытой площадкой большой субчастицы, боковой поверхностью малой субчастицы и палочкообразным отростком. Этот же карман может принимать другой белок - фактор элонгации 2 (EF2), связывающийся с рибосомой для производства механического акта - транслокации. Третий ) - выступ большой субчастицы и примыкающая к нему лопасть (боковое "ребро"), по-видимому, непосредственно участвуют в ассоциации рибосомных субчастиц. Со стороны малой рибосомной субчастицы в ассоциации субчастиц участвует боковая лопасть ее "тела"

25.Активация аминокислот. Аминоацил-т-РНК синтетазы, субстратная специфичность

Аминоацил-тРНК синтетазы осуществляют активацию аминокислот в 2 стадии: на первой стадии аминокислота присоединяется к ферменту и реагирует с АТФ с образованием богатого энергией промежуточного соединения - аминоацил-АМФ. На второй стадии аминоацильный остаток аминоациладенилата, оставаясь связанным с ферментом, взаимодействует с молекулой соответствующей тРНК с образованием аминоацил-тРНК

Суммарную реакцию, катализируемую аминоацил-тРНК синтетазами в присутствии ионов Mg2+, можно представить следующим образом: Аминокислота +тРНК + АТФ -" аминоацил - тРНК + АМФ + PPi.

Для каждой аминокислоты существует свой фермент - своя аминоацил тРНК синтетаза: для глутамата - глутамил-тРНК синтетаза, гистидина - гистидил-тРНК синтетаза и т.д.

Аминокислоты присоединяются к 3'- или 2'-ОН группам рибозы на 3'-конце тРНК, где все тРНК имеют общую нуклеотидную последовательность -ССА.

Энергия, заключённая в макроэргической сложноэфирной связи аминоацил-тРНК, впоследствии используется на образование пептидной связи в ходе синтеза белка.

Пирофосфат, выделяющийся в ходе этой реакции, гидролитически расщепляется с образованием двух молекул ортофосфата и выделением энергии, что делает реакцию активации аминокислот необратимой.

Чрезвычайно высокая специфичность аа-тРНК синтетаз в связывании аминокислоты с соответствующими тРНК лежит в основе точности трансляции генетической информации. В активном центре этих ферментов есть 4 специфических участка для узнавания: аминокислоты, тРНК, АТФ и четвёртый - для присоединения молекулы Н2О, которая участвует в гидролизе неправильных аминоациладенилатов. За счёт существования в активном центре этих ферментов корректирующего механизма, обеспечивающего немедленное удаление ошибочно присоединённого аминокислотного остатка, достигается поразительно высокая точность работы: на 1300 связанных с тРНК аминокислот встречается только одна ошибка.

Аминокислота, присоединяясь к тРНК, в дальнейшем не определяет специфических свойств аа-тРНК, так как её структуру не узнаёт ни рибосома, ни мРНК. Участие в синтезе белка зависит только от структуры тРНК, а точнее, от комплементарного взаимодействия антикодона аминоацил-тРНК с кодоном мРНК.

Антикодон расположен в центральной (антикодоновой) петле тРНК. Узнавание тРНК аа-тРНК синтетазами не всегда происходит по антикодоновой петле. Активный центр некоторых ферментов обнаруживает комплементарное соответствие другим участкам пространственной структуры тРНК.

26. Сборка полипептидной цепи на рибосоме. Образование инициаторного комплекса у прокариот. Особенности стадии инициации у эукариот

В ходе синтеза белка прочтение информации мРНК идёт в направлении от 5'- к З'-концу, обеспечивая синтез пептида от N- к С-концу.

Каждая эукариотическая мРНК кодирует строение только одной полипептидной цепи (т.е. она моноцистронна), в отличие от прокариотических мРНК, которые часто содержат информацию о нескольких пептидах (т.е. они поли-цистронны). Эти различия вызваны тем, что у прокариотов ДНК лишена интронов, и РНК-полимераза транскрибирует участки, прочтение информации с которых подчиняется общему регуляторному механизму. Кроме того, на полицистронных мРНК синтез белка начинается до того, как заканчивается их собственный синтез, так как процессы транскрипции и трансляции не разделены. У эукариотов трансляция протекает в цитоплазме, куда из ядра поступают уже "зрелые" мРНК.

События на рибосоме включают этапы: инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация

Инициация трансляции представляет собой событие, в ходе которого происходит образование комплекса, включающего Мет-тРНКiМет, мРНК и рибосому, где тРНКiМет - инициирующая метиониновая тРНК (рис. 4-37). В этом процессе участвуют не менее 10 факторов инициации, которые обозначают как elF (от англ. eukaryotic initiation factors) с указанием номера и буквы. Первоначально 40S субъединица рибосомы соединяется с фактором инициации, который препятствует ее связыванию с 60S субъединицей, но стимулирует объединение с тройным комплексом, включающим Мет-тРНКiМет, eIF-2 и ГТФ. Затем этот теперь уже более сложный комплекс связывается с 5'-концом мРНК при участии нескольких elF. Один из факторов инициации (eIF-4F) узнаёт и присоединяется к участку "кэп" на молекуле мРНК, поэтому он получил название кэпсвязывающе-го белка. Прикрепившись к мРНК, 40S субъединица начинает скользить по некодирующей части мРНК до тех пор, пока не достигнет инициирующего кодона AUG кодирующей нуклеотидной последовательности. Скольжение 40S субъединицы по мРНК сопровождается гидролизом АТФ, энергия которого затрачивается на преодоление участков спирализации в нетранслируемой части мРНК. В эукариотических клетках некодирующие участки мРНК имеют разную длину, но обычно от 40 до 80 нуклеотидов, хотя встречаются области с протяжённостью более 700 нуклеотидов.

Достигнув начала кодирующей последовательности мРНК, 40S субъединица останавливается и связывается с другими факторами инициации, ускоряющими присоединение 60S субъединицы и образование 80S рибосомы за счёт гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата. При этом формируются А- и Р-центры рибосомы, причём в Р-центре оказывается AUG-кодон мРНК с присоединённым к нему Мет-тРНКiМет.

В клетках есть 2 различающиеся по структуре тРНК, узнающие кодон AUG. Инициирующий кодон узнаёт тРНКiМет, а триплеты мРНК, кодирующие включение метионина во внутренние участки белка, прочитываются другой тЗРКМет

27.Элонгация, образование пептидной связи (реакция транспептидации). Транслокация. Транслоказа. Терминация. Роль белковых факторов на каждой из стадий трансляции

По завершении инициации рибосома располагается на мРНК таким образом, что в Р-центре находится инициирующий кодон AUG с присоединённой к нему Мет-тРНКшМет, а в А- центре - триплет, кодирующий включение первой аминокислоты синтезируемого белка. Далее начинается самый продолжительный этап белкового синтеза - элонгация, в ходе которого рибосома с помощью аа-тРНК последовательно "читает" мРНК в виде триплетов нуклеоти-дов, следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5' к 3'-концу, наращивая полипептидную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот.

Включение каждой аминокислоты в белок происходит в 3 стадии, в ходе которых: 1)аа-тРНК каждой входящей в белок аминокислоты связывается с А-центром рибосомы; 2)пептид от пептидил-тРНК, находящейся в Р-центре, присоединяется к б-NH2-гpyппe аминоацильного остатка аа-тРНК А-центра с образованием новой пептидной связи; 3)удлинённая на один аминокислотный остаток пептидил-тРНК перемещается из А-центра в Р-центр в результате транслокации рибосомы.

Связывание аминоацил-тРНК в А-центре. Кодон мРНК, располагающийся в А-центре рядом с инициирующим кодоном, определяет природу аа1тРНКaa1, которая будет включена в А-центр. аа1тРНКaa1 взаимодействует с рибосомой в виде тройного комплекса, состоящего из фактора элонгации EF-1, аа1тРНКaa1 и ГТФ. Комплекс эффективно взаимодействует с рибосомой лишь в том случае, если антикодон аа-тРНКaa1 комплементарен и антипараллелен ко-дону мРНК в А-центре. Включение аа-тРНКaa1 в рибосому происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата. Образование пептидной связи происходит сразу же после отщепления комплекса EF-1 и ГДФ от рибосомы. Эта стадия процесса получила название реакции транспептидации

В ходе этой реакции остаток метионина Мет-тРНКIМет связывается с a-аминогруппой первой аминокислоты, присоединённой к тРНКaa1 и расположенной в А-центре, образуется первая пептидная связь.

Транслокация - третья стадия элонгации. К рибосоме присоединяется фактор элонгации EF-2 и за счёт энергии ГТФ продвигает рибосому по мРНК на один кодон к 3'-концу. В результате дипептидил-тРНК, которая не меняет своего положения относительно мРНК, из А-центра перемещается в Р-центр. Свободная от метионина тРНКiМет покидает рибосому, а в область А-центра попадает следующий кодон.

По завершении третьей стадии элонгации рибосома в Р-центре имеет дипептидил-тРНК, а в А-центр попадает триплет, кодирующий включение в полипептидную цепь второй аминокислоты. Начинается следующий цикл стадии элонгации, в ходе которого на рибосоме снова проходят вышеописанные события. Повторение таких циклов по числу смысловых кодонов мРНК завершает весь этап элонгации.

Терминация трансляции наступает в том случае, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов: UAG, UAA или UGA. Для стоп-кодонов нет соответствующих тРНК. Вместо этого к рибосоме присоединяются 2 белковых высвобождающих фактора RF или фактора терминации. Один из них с помощью пептидилтрансферазного центра катализирует гидролитическое отщепление синтезированного пептида от тРНК. Другой за счёт энергии гидролиза ГТФ вызывает диссоциацию рибосомы на субъединицы

Таким образом, матричная природа процесса трансляции проявляется в том, что последовательность поступления аминоацил-тРНК в рибосому для синтеза белка строго детерминирована мРНК, т.е. порядок расположения кодонов вдоль цепи мРНК однозначно задаёт структуру синтезируемого белка. Рибосома сканирует цепь мРНК в виде триплетов и последовательно отбирает из окружающей среды "нужные" аа-тРНК, освобождая в ходе элонгации деацилированные тРНК.

Малая и большая субъединицы рибосомы в процессе трансляции выполняют разные функции: малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма транслокации, а большая субъединица ответственна за образование пептидных связей.

28.Регуляция биосинтеза белков на уровне трансляции. Изменение скорости трансляции (на примере синтеза глобина, апоферритина)

синтез белков в ретикулоцитах. Известно, что на этом уровне дифференцировки кроветворные клетки лишены ядра и ДНК. Регуляция синтеза белка-глобина осуществляется только на уровне трансляции и зависит от содержания тема в клетке. Если внутриклеточная концентрация тема высока, то глобин синтезируется; когда содержание тема снижается, то ингибируется и образование глобина. Остановка синтеза белка осуществляется за счёт фосфорилирования фактора инициации eIF2, который в фосфорилированной форме неактивен. Гем предотвращает фосфорилирование eIF2, связываясь со специфической протеинкиназой, которая получила название гемкиназы.

Некоторые мРНК содержат элементы вторичной структуры на 5'- или 3'-концах нетранслируемого участка мРНК, к которым могут присоединяться белки и ингибировать трансляцию. Например, синтез ферритина - белка, обеспечивающего хранение ионов железа в клетке, усиливается при повышении внутриклеточной концентрации железа Обнаружено, что мРНК ферритина на 5'-конце имеет петли, к которым при низкой концентрации железа присоединяется регудяторный белок. Когда этот белок связан с мРНК, то трансляция не идёт. Если концентрация ионов железа в клетке повышается, то Fe3+ взаимодействует с белком, изменяет его конформацию и сродство к мРНК. мРНК освобождается от регуляторного белка, и на ней начинается синтез ферритина.

29.Процессинг первичных полипептидных цепей после трасляции: частичный протеолиз, образование ковалентных связей, присоединение простетических групп, ковалентная модификация аминокислотных остатков (гликозилирование, метилирование, фосфорилирование, ацетилирование)

Посттрансляционные модификации полипептидной цепи. Полипептидные цепи могут подвергаться структурным модификациям, либо будучи ещё связанными с рибосомами, либо после завершения синтеза. Эти конформационные и структурные изменения полипептидных цепей получили название посттрансляционных изменений. Они включают удаление части полипептидной цепи, ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, приобретение белком нативной конформации.

Многие модификации осуществляются в ЭР. Здесь происходят фоддинг полипептидных цепейи формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков. Причём для поддержания нативной конформации молекул огромное значение имеет правильное формирование дисульфидных связей.

Частичный протеолизМногие белки, секретируемые из клеток, первоначально синтезируются в виде молекул-предшественников, функционально неактивных. Удаление части полипептидной цепи специфическими эндопротеазами приводит к образованию активных молекул. Некоторые белки-предшественники расщепляются в ЭР или аппарате Гольджи, другие - после секреции. Так, неактивные предшественники секретируемых ферментов - зимогены - образуют активный фермент после расщепления по определённым участкам молекулы: зимоген панкреатической железы трипсиноген превращается в активный трипсин после секреции в тонкий кишечник.

Наглядным примером последовательного двухстадийного протеолиза служит образование активных форм пептидных гормонов (например, инсулина или глюкагона) из препрогормонов. Первоначально N-концевой сигнальный пептид молекулы-предшественника удаляется в ЭР в процессе синтеза белка и образуется неактивный прогормон. Затем прогормон в секреторных гранулах, формирующихся в аппарате Гольджи, подвергается действию эндо- или экзопротеаз и превращается в активный гормон.

Ковалентные модификации Структурные белки и ферменты могут активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метальных, олигосахаридных и некоторых других.

· Фосфорилирование белков осуществляется по гидроксильным группам серина, треонина и, реже, тирозина ферментами из группы протеинкиназ, тогда как дефосфорилирование катализируют гидролитические ферменты фосфопротеинфосфатазы

· Гликозилирование. Белки, входящие в состав плазматических мембран или секретирующиеся из клеток, подвергаются гликозилированию. Углеводные цепи присоединяются то гидроксильным группам серина или треонина (О-гликозилирование) либо аспарагина (N-гликозилирование). Последовательное наращивание углеводного фрагмента происходит в ЭР и аппарате Гольджи.

· Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот: в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина; в факторах свёртывания крови карбоксилируются остатки глутамата; в ЭР фибробластов гидроксилируются остатки пролина и лизина в цепях тропоколлагена.

30.Фолдинг белков. Ферменты. Роль шаперонов в фолдинге белка. Фолдинг белковой молекулы с помощью шаперониновой системы. Болезни, связанные с нарушением фолдинга белка

фолдинг и тд "фолдинг белков - Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру. Индивидуальные белки, продукты одного гена, имеют идентичную аминокислотную последовательность и приобретают в одинаковых условиях клетки одинаковую конформацию и функцию. для многих белков, имеющих сложную пространственную структуру, фолдинг протекает при участии "шаперонов"

Ренативация рибонуклеазы. процесс денатурации белков может быть обратимым. Это открытие было сделано при изучении денатурации рибонуклеазы - расщепляющего связи между нуклеотидами в РНК. Рибонуклеаза - глобулярный белок, содержащий одну полипептидную цепь, состоящую из 124 аминокислотных остатков. Его конформацию стабилизируют 4 дисульфидные и множество слабых связей.

Обработка рибонуклеазы меркаптоэтанолом приводит к разрыву дисульфидных связей и восстановлению SH-групп цистеиновых остатков, что нарушает компактную структуру белка. Добавление мочевины или гуанидинхлорвдаиприводит к образованию случайным образом свёрнутых полипептидных цепей рибонуклеазы, лишённых . денатурации фермента. если путём диализа очистить рибонуклеазу от денатурирующих агентов и меркаптоэтанола, ферментативная активность белка постепенно восстанавливается. Этот процесс называется ренатурацией

Возможность ренативации доказана и для других белков. необходимое условие для восстановления его конформации - целостность первичной структуры белка.

белки, способные связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии,способные стабилизировать их конформацию, обеспечивая фолдинг белков получили название "шапероны".

Роль шаперонов в фолдинге белков

в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов осуществляют Ш-70.Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию осуществляется в пространстве, сформированном Ш-60. Ш-60 функционируют в виде олигомернoго комплекса, состоящего из 14 субъединиц. Шапероновый комплекс имеет высокое сродство к белкам, на поверхности которых есть участки, обогащённые гидрофобными радикалами). Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60.

Роль шаперонов в защите белков клеток от денатурирующих стрессовых воздействий

Шапероны, участвующие в защите клеточных белков от денатурирующих воздействий, относят к белкам теплового шока.При действии (высокая температура, гипоксия, инфекция, УФО, изменение рН среды, изменение молярности среды, действие токсичных химических веществ, тяжёлых металлов) в клетках усиливается синтез БТШ. они могут препятствовать их полной денатурации и восстанавливать нативную конформацию белков.

Болезни, связанные с нарушением

фолдинга белков Болезнь Альцхаймера- амилоидоз нервной системы, поражающий лиц преклонного возраста и характеризующийся прогрессирующим расстройством памяти и полной деградацией личности. В ткани мозга откладывается амилоид - белок, образующий нерастворимые фибриллы, нарушающие структуру и функции нервных клеток.

Прионовые белки особый класс белков, обладающих инфекционными свойствами. Попадая в организм человека, они способны вызывать тяжёлые неизлечимые заболевания ЦНС, называемые прионовыми болезнями. Прионовый белок кодируется тем же геном, что и его нормальный аналог, т.е. они имеют идентичную первичную структуру. Однако два белка обладают различной конформацией: прионовый белок характеризуется высоким содержанием ?-слоёв, в то время как нормальный белок имеет много спиральных участков. прионовый белок обладает устойчивостью к действию протеаз.

31.Особенности синтеза и процессинга секретируемых белков (на примере коллагена и инсулина)

особенности синтеза и процессинга секретируемых белков. Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате протеолиза превращаются в активный гормон. Биосинтез препроинсулина начинается с образования сигнального пептида на полирибосомах, связанных с ЭР. Сигнальный пептид проникает в просвет ЭР и направляет поступление в просвет ЭР растущей полипептидной цепи. После окончания синтеза препроинсулина сигнальный пептид, включающий 24 аминокислотных остатка, отщепляется.

Проинсулин поступает в аппарат Гольджи, где под действием специфических протеаз расщепляется в нескольких участках с образованием инсулина и С-пептида.в эквимолярных количествах они включаются в секреторные гранулы. В гранулах инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, и инсулин и С-пептид секретируются во внеклеточную жидкость в результате экзоцитоза. После секреции в кровь олигомеры инсулина распадаются.

Разрушение инсулина происходит под действием фермента инсулиназы в печени и в почках.

Глюкоза - главный регулятор секреции инсулина. регулирует экспрессию гена инсулина, а также генов других белков, участвующих в обмене основных энергоносителей. При стимуляции глюкозой инсулин быстро освобождается из секреторных гранул, что сопровождается активацией транскрипции мРНК инсулина.

Синтез полипептидных цепей коллагенаПолипептидные цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембранами ЭР, в виде более длинных, чем зрелые цепи, предшественников - препро-б-цепей. У этих предшественников имеется гидрофобный "сигнальный" пептид на N-конце, содержащий около 100 аминокислот.

Основная функция сигнального пептида - ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР. После выполнения этой функции сигнальный пептид сразу же отщепляется. Синтезированная молекула проколлагена содержит дополнительные участки - N- и С-концевые пропептиды. В состав пропептидов входят остатки цистеина, которые образуют внутри- и межцепочечные S-S-связи. Концевые пропептиды не образуют тройную спираль, а формируют глобулярные домены. Отсутствие N- и С-концевых пептидов в структуре проколлагена нарушает правильное формирование тройной спирали.

32.Различия в продолжительности жизни белков. Убиквитинзависимая система протеолиза

Различия в продолжительности жизни молекул белка

После того как белки синтезированы, время их жизни регулируется протеазами. Разные белки имеют разные t_1/2: от нескольких часов до нескольких месяцев, а иногда и лет. Ферменты, катализирующие регуляторные реакции метаболических путей, подвергаются быстрому расщеплению, поэтому скорость обновления этих молекул достаточно высока. на продолжительность жизни белков влияет Физиологическое состояние организма. Кроме того, существует мощная система защиты, обеспечивающая быстрое расщепление дефектных белков.

Некоторые белки расщепляются лизосомными ферментами. В процессе аутофагии содержимое клетки, включая органеллы, окружается мембраной, сливается с лизосомой другой клетки и подвергается действию лизосомных ферментов.В результате гидролиза образующиеся мономеры поступают в цитоплазму для повторного использования.

Для других белков показано расщепление в цитоплазме протеазами. Так, подлежащие разрушению белки первоначально отмечаются клеткой путём присоединения белка под названиемубиквитин. Этот небольшой белок, состоящий из 76 аминокислотных остатков, обнаружен у многих организмов.

Убиквитин-зависимая система протеолиза проводит поиск мишени для протеолитической деградации среди внутриклеточных белков. Белки несут специфические сигналы деградации по аналогии с сигнальными последовательностями, которые направляют вновь синтезируемые белки к определенным микрокомпартментам клетки.

в ядре и в цитоплазме эта система отделена пространственно и функционально от протеолитических ферментов, ЗАКЛЮЧЕННЫХнных в протеасомы .

Распознанные данной системой белки-субстраты маркируются путем ковалентного присоединения к ним молекул стабильного 76- звенного белка - убиквитина . Убиквитин соединяется C-концом с боковыми остатками лизина в субстрате. Наличие такой метки в белке является первичным сигналом сортировки, направляющей образовавшиеся конъюгаты к протеасомам. к субстрату присоединяется несколько молекул убиквитина, которые организованы в виде бусинок на нитке. Молекулы белков, содержащие убиквитин яв-ся субстратами.

Убиквитин-активирующий фермент связывает убиквитин, гидролизует ATP и образует тиоэфирную связь между AMP и убиквитином с переносом молекулы убиквитина на один из своих остатков Cys. Молекула активированного убиквитина далее соединяется с одним из ферментов семейства убиквитин-конъюгирующих ферментов и с убиквитин-лигазой .

33.Полиморфизм белков и происхождение разнообразия антител

Существование в популяции 2 и большего числа аллелей одного гена называют"аллеломорфизм", или "полиморфизм", а белковые продукты, образующиеся в ходе экспрессии этих вариантов гена - "полиморфы". Разные аллели встречаются в популяции с разной частотой. К полиморфам относят только те варианты, распространённость которьж в популяции не меньше 1%.

В процессе эволюции отдельные гены амплифицируют с образованием копий, а их структура и положение могут изменяться в результате мутаций и перемещений не только внутри хромосомы, но и между хромосомами. Со временем это приводит к появлению новых генов, кодирующих белки, родственные исходному, но отличающиеся от него определёнными свойствами и занимающие в хромосомах разные генные локусы (или места).

К родственным белкам относят изобелки, представляющие собой варианты белков, выполняющие одну и ту же функцию и обнаруживаемые в пределах одного вида организмов. Так, в группе из 2000 генов человека, кодирующих факторы транскрипции и транскрипционные активаторы, идентифицировано 900, относящихся к семейству белков, имеющих "цинковые пальцы". Существует 46 генов фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, осуществляющего единственную окислительную реакцию в метаболическом пути катаболизма глюкозы до пирувата.

Выявлены семейства родственных белков, возникшие в ходе эволюции из одного "предкового" гена, или гена-предшественника. Такие семейства составляют:

1. Гемоглобины человека

В ходе эволюции из единичных генов-предшественников возникли семейства генов б- и в-глобинов (рис. 4-60), на хромосомах 16 и 11 соответственно.

...