Биосинтез белка в клетке

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «Полесский государственный университет»

Реферат по теме:

Биосинтез белка в клетке

Выполнил: Омелящик Дмитрий Сергеевич,

студент 14БТ-1 группы, 3-ого курса,

факультета биотехнологии

Проверил: Касперович Анатолий Дмитриевич

Пинск, 2016



Оглавление

1. Введение

2. Информационная РНК

3. Генетический код

4. Транспортные РНК и аминоацил-тРНК-синтетазы

Заключение

Список литература



1. Введение

Жизнь есть способ существования белковых тел. Это определение, данное Фридрихом Энгельсом, указывает на исключительную роль белков в функционировании организмов. Биосинтез белка - чрезвычайно сложный и энергозатратный процесс. Он является основой жизнедеятельности клетки.

Синтез белка осуществляется в рибосомах и проходит в несколько этапов по схеме ДНКРНК белок. Двухцепочечная молекула ДНК на основе принципа комплементарности транскрибируется в одноцепочечную молекулу РНК. В результате получается матричная РНК, которая содержит информацию об аминокислотной последовательности белка. Далее мРНК поступает в рибосому и по ней, как по матрице, синтезируется белок, путем перевода генетической информации с языка нуклеотидной последовательности на язык аминокислотной последовательности. Шаг за шагом строится полипептидная цепь, которая в процессе синтеза и после него модифицируется в биологически активный протеин. Синтезированный белок транспортируется в разные участки клетки для выполнения своих функций.

Кодирование аминокислотной последовательности белков осуществляется по определенным правилам, называемых генетическим кодом. Расшифровка генетического кода - очень значимое достижение науки. Код объясняет механизм синтеза белка, происхождение мутаций и другие биологические явления.

Рентгеноструктурный анализ и другие современные методы исследования позволили далеко продвинутся в изучении биосинтеза белка и других аспектов молекулярной биологии. Но тем не менее все еще не установлены пространственные структуры некоторых жизненно важных макромолекул. Науке предстоит ответить на многие вопросы, касающиеся белкового синтеза.

Общая схема биосинтеза белка

Общая схема биосинтеза белков в клетке: ДНКРНКбелок (Рисунок 1).

Рисунок 1 Общая схема биосинтеза белков в клетке

Транскрипция. Отдельные участки двухцепочечной ДНК (гены) служат матрицами для синтеза на них однотяжевых цепей РНК по принципу комплементарности. Транскрипция проходит в три стадии: инициация, элонгация, терминация.

Процессинг и транспорт. В процессе синтеза РНК подвергается изменениям, в результате которых превращается в зрелую молекулу, пригодную для синтеза белка. Получающаяся информационная (матричная) РНК (мРНК) затем поступает к рибосомам в качестве программы, определяющей аминокислотную последовательность в синтезируемом белке.

Активация и акцептирование аминокислот. Белки состоят из аминокислот, но свободные аминокислоты клетки не могут быть непосредственно использованы рибосомой. Каждая аминокислота сначала активируется с помощью АТФ, а затем присоединяется к специальной молекуле РНК - трансферной (транспортной) РНК (тРНК) вне рибосомы. Получающаяся аминоацил-тРНК поступает в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка.

Трансляция. Поток информации в виде мРНК и поток материала в виде аминоацил-тРНК поступают в рибосомы, которые осуществляют перевод (трансляцию) генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной. Каждая рибосома движется вдоль мРНК от одного конца к другому и соответственно выбирает из среды те аминоацил-тРНК, которые соответствуют (комплементарны) триплетным комбинациям нуклеотидов, находящимся в данный момент в рибосоме. Аминокислотный остаток выбранной аминоацил-тРНК каждый раз ковалентно присоединяется рибосомой к растущей полипептидной цепи, а деацилированная тРНК освобождается из рибосомы в раствор. Так последовательно строится полипептидная цепь.

Формирование функционального белка. По ходу синтеза полипептидная цепь высвобождается из рибосомы и сворачиваться в глобулу. Сворачивание и транспорт белка сопровождаются ферментативными модификациями (процессинг белка).

Несмотря на большую сложность аппарата биосинтеза белков, он протекает с чрезвычайно высокой скоростью. Синтез тысяч различных белков в каждой клетке строго упорядочен - при данных условиях метаболизма синтезируется лишь необходимое число молекул каждого белка.



2. Информационная РНК

Информационная (матричная) РНК (мРНК) - РНК, являющаяся комплементарной копией участков значащих цепей генов ДНК, содержащих информацию об аминокислотных последовательностях полипептидных цепей белков.

Структура мРНК

Первичная структура

Матричная РНК - одноцепочечный полинуклеотид (Рисунок 2). Он состоит из четырех нуклеотидов. Нуклеотид ы состоят из азотистого основания (аденин - А, гуанин - G, цитозин - C и урацил - U), сахара рибозы и фосфатной группы. 5'-гидроксил концевого нуклеозида (молекула, содержащая азотистое основание, связанное с сахаром) не образует связи между нуклеотидами. Он обозначается как 5'-конец РНК, а другой концевой нуклеозид со свободным З'-гидроксилом называют З'-концом РНК. мРНК читается рибосомой в направлении от 5'-конца к З'-концу.

В природных мРНК 5'-концевой гидроксил всегда замещен. мРНК эукариотов в большинстве случаев несут на 5'-конце специальную группу - кэп (Рисунок 3). Кэп представляет собой остаток 7-метилгуанозина (Рисунок 4).



Рисунок 2 Химическое строение полинуклеотида РНК

Рисунок 3 Строение 5'-конца кэпированной мРНК



Рисунок 4 Модель молекулы 7-метилгуанозина

Функциональные участки мРНК

Чаще всего началом (инициаторным кодоном) кодирующей части мРНК является AUG. Не любой триплет может стать инициаторным. Это определяется собственной структурой кодона и положением в структуре мРНК.

мРНК может содержать нуклеотидные последовательности для кодирования нескольких белков. Это характерно для прокариот. Такие мРНК называются полицистронными. У эукариот мРНК обычно кодируют одну полипептидную цепь (моноцистронные мРНК).

Пространственная структура

Трехмерная структура мРНК еще не установлена. Измерения физических параметров мРНК свидетельствуют о том, что они являются сильно свернутыми структурами, с внутрицепными взаимодействиями между азотистыми основаниями. Вторичная структура мРНК образована благодаря комплементарному спариванию отдельных участков одной и той же цепи друг с другом, с образованием большого набора относительно коротких двуспиральных участков (Рисунок 5).

Вторичная и третичная структуры мРНК играют определенную роль в трансляции. Однако роль вторичной и третичной структуры мРНК в скорости считывания цепи не установлена.

Рисунок 5 Вторичная структура РНК

Некодирующие последовательности мРНК участвуют в определении специальных пространственных структур, ответственных за регулирование инициации трансляции, элонгации и других процессов.

3. Генетический код

Так как существует только 4 нуклеотида в мРНК и 20 аминокислот в белке, то трансляция не может быть осуществляется на основе прямого соотношения между нуклеотидами РНК и аминокислотами в белке. Нуклеотидная последовательность гена через посредничество мРНК транслируется в аминокислотную последовательность по правилам, известным как генетический код.

Генетический код - способ сохранения наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Этот код был расшифрован в 1960-ых. Генетический код, основан на использовании алфавита, состоящего из четырех букв: А, Г, Ц и Т. Эти буквы соответствуют нуклеотидам, найденным в ДНК: аденин, гуанин, цитозин, тимин.

Последовательность нуклеотидов в молекуле мРНК читается непрерывными группами из трех нуклеотидов, называемых триплетами или кодонами. РНК представляет собой линейные полимер, состоящий из четырех разных нуклеотидов, поэтому возможны 4·4·4=64 комбинации трех нуклеотидов. Белки состоят из 20 аминокислот. Поэтому либо некоторые триплеты не используются, либо некоторые аминокислоты кодируются более, чем одним триплетом.

Различают два типа кодонов-- смысловые, или значащие кодоны, и бессмысленные кодоны, или нонсенс-кодоны. Большинство (61) кодонов -- значащие и только 3 (UAA, UAG, UGA) - нонсенс-кодоны. Смысловые кодоны соответствуют аминокислотам, а кодон AUG, помимо кодирования митионина, является инициирующим, или стартовым кодоном. Нонсенс-кодоны являются терминирующими кодонами, или стоп-кодонами.

Свойства генетического кода

Генетический код является неперекрываемым, непрерывным, специфичным, универсальным и вырожденным.

Неперекрываемость кода означает, что каждый нуклеотид входит только в один кодон, и поэтому изменения любого нуклеотида изменяют смысл только одного кодона.

Генетический код непрерывен. Он имеет линейный непрерывающийся порядок считывания. Кодоны транслируются всегда целиком. Расположение остатков аминокислот в синтезируемом полипептиде определяется антикодоном тРНК (триплет нуклеотидов, комплементарный одному из кодонов).

Специфичность кода означает, что код является однозначным, поскольку каждый кодонный триплет кодирует только одну аминокислоту, и с одной мРНК можно синтезировать только одинаковые пептиды,

Генетический код универсален для всех живых существ - у всех живых организмов, включая вирусы и бактерии, одинаковые кодоны (триплеты нуклеотидов) кодируют одинаковые аминокислоты. Исключение составляют 4 кодона митохондрий грибов и животных, имеющих информационный смысл, отличный от универсального кода.

Вырожденность кода означает его избыточность, синонимичность, то есть одну аминокислоту может кодировать более одного триплета. Однако вырожденность не абсолютна. Например, метионину соответствует только один кодон.

До расшифровки генетического кода было невозможно понять механизм синтеза белка и объяснить происхождение мутаций. Открытие генетического кода позволило ответить на вопрос о том, как связаны между собой дефекты определенных белков человека и наследственные заболевания.

Генетический код

1-ая позиция (5' конец)	2-ая позиция	3-ая позиция (3' конец)
	U	C	A	G
U	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr STOP STOP	Cys Cys STOP Trp	U C A G
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	lle lle lle Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

Аминокислоты и их символы	Кодоны
A C D E F G H I K L M N P A R S T V W Y	Ala Cys Asp Glu Phe Gly His Ile Lys Leu Met Asn Pro Gln Arg Ser Thr Val Trp Tyr	Alanine Cysteine Aspartic acid Glutamic acid Phenylalani Glycine Histidine Isoleucine Lysine Leucine Methionine Asparagine Proline Glutamine Arginine Serine Threonine Valine Tryptophan Tyrosine	Аланин Цистеин Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота Фенилаланин Глицин Гистидин Изолейцин Лизин Лейцин Метионин Аспарагин Пролин Глутамин Аргинин Серин Треонин Валин Триптофан Тирозин	GCA GCC GCG GCU UGC UGU GAC GAU GAA GAG UUC UUU GGA GGC GGG GGU CAC CAU AUA AUC AUU AAA AAG UUA UUG CUA CUC CUG CUU AUG AAC AAU CCA CCC CCC CCU CAA CAG AGA AGG CGA CGC CGG CGU AGC AGU UCA UCC UCG UCU ACA ACC ACG ACU GUA GUC GUG GUU UGG UAC UAU

4. Транспортные РНК и аминоацил-тРНК-синтетазы

белок биосинтез полинуклеотид генетический

Транспортные РНК (тРНК) небольшие по размеру молекулы (73- 97 нуклеотидных остатков в цепи). Все тРНК имеют одинаковый 3'-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного аденозина (CCA-конец). В середине цепи тРНК находится антикодон. В молекулах тРНК присутствет множество разнообразных модифицированных нуклеозидов (минорные нуклеозиды), образующиеся путем ферментативной модификации обычных нуклеозидных остатков.

Вторичная структура

Вторичная структура тРНК складывается за счет взаимокомплементарности участков цепи. Они формируют структуру «клеверного листа», состоящую из четырех стеблей и трех петель. Стебель с петлей формируют ветвь. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V петлю). Двухцепочечные стебли с постоянным числом спаренных нуклеотидов представляют собой двойную спираль.

Рисунок 6 Вторичная структура тРНК

Пространственная структура



Рисунок 7 Третичная структура тРНК

Третичная структура формируется за счет взаимодействия элементов вторичной структуры. Пространственная структура тРНК называется L-формой (из-за сходства с латинской буквой L).

Третичные взаимодействия (стекинг оснований и другие) скрепляют разные участки L-структуры в непрерывные двойные спирали.

Молекулам тРНК присущи индивидуальные различия, проявляющиеся на уровне вторичной и третичной структур, например, разная величина угла между доменами L-структуры.

Функции тРНК

Две основные функции тРНК:

1. Акцепторная функция - способность ковалентно связываться с аминоацильным остатком, превращаясь в аминоацил-тРНК;

2. Адапторная функция - способность узнавать триплет генетического кода, соответствующий транспортируемой аминокислоте, и обеспечивать поступление аминокислоты на «законное» место в растущей цепи белка.

Аминоацилирование тРНК

Аминоацилирование тРНК - процесс активации аминокислот. Он происходит на первом этапе биосинтеза белка - двадцать различных аминокислот присоединяются эфирной связью к соответствующим тРНК под действием двадцати различных активирующих ферментов, называемыми аминоацил-тРНК-синтетазами. Каждый фермент специфичен по отношению к определенной аминокислоте и к соответствующей тРНК.

Аминоацилирование состоит из двух стадий, проходящих в каталитическом центре фермента. На первой стадии в результате взаимодействия АТР и аминокислоты образуется промежуточное соединение - аминоациладенилат. На второй стадии аминоацильный остаток переносится с аминоациладенилата, связанного с ферментом, на соответствующую специфическую тРНК (Рисунок 8).

Рисунок 8 Обобщенная структура аминоацил-тРНК

Аминоацилирование может быть выражено схемой:

Размещено на http://www.allbest.ru/

АТФ - аденозинтрифосфат, АМФ - аденозинмонофосфат, PP_i - пирофосфаты.

Исключительно низкая частота ошибок при аминоацилировании тРНК является непременным условием реализации генетического кода - если на предрибосомном этапе произошла ошибка и к тРНК присоединилась аминокислота, не соответствующая специфичности антикодона, то эта ошибка уже не может быть исправлена на последующих этапах белкового синтеза.

В ходе эволюции выработались специфические механизмы отбора «правильных» субстратов для аминоацил-тРНК-синтетаз, обеспечивающие безошибочное аминоацилирование тРНК.

Узнавание тРНК аминоацил-тРНК-синтетазами

Каждая тРНК, сохраняя универсальную L-образную форму, имеет отличительные признаки, безошибочно распознаваемые «своим» ферментом как «притягательные», а остальными 19 ферментами - как «отталкивающие».

Это следующие участки тРНК (Рисунок 9):

· Антикодон

· Нуклеотид, предшествующий CCA-концу.

· Первые три пары нуклеотидов акцепторного стебля

Рисунок 9 Участки, по которым происходит узнавание тРНК аминоацил-тРНК-синтетазами



Заключение

Белки являются структурными блоками клетки, а также осуществляют большую часть её функций. Биосинтез белка является одним из основополагающих процессов клетки.

Расшифровка генетического кода, правил, по которым нуклеотидная последовательность РНК переводится в аминокислотную последовательность полипептида, позволила понять принцип биосинтеза белка и связанные с этих явления.

Синтез протеина начинается с построения цепи матричной РНК из ДНК по принципу комплементарности.

После определенных преобразований молекула матричной РНК становится матрицей для построения по ней белка.

Биосинтез белка происходит в рибосомах, которые состоят из белков и рРНК. Рибосомы диссоциируют на две неравные субъединицы.

· Прокароты: 70S 50S + 30S

· Эукариоты: 80S 60S + 40S

Транспортная РНК состоит из небольшого числа нуклеотидов (73-97), некоторые из которых могут быть модифицированы. тРНК имеют общее строение:

· универсальная CCA последовательность

· акцепторный стебель

· D шпилька

· T шпилька

· Антикодоновая шпилька

Транспортные РНК выполняют акцепторную и адапторную функции.

Для синтез белка необходима активация аминокислот. Аминокислоты активируются в цитозоле аминоацил-тРНК синтетазой. Эти ферменты катализируют образование аминоацил-тРНК и расщепление АТФ на АМФ и пирофосфаты (PP_i). Точность белкового синтеза зависит от правильного протекания этой реакции.

Непосредственный синтез белка (трансляция) проходит в три стадии.

1. Инициация белкового синтеза включает в себя образование комплекса из малой рибосомной субъединицы, мРНК, ГТФ, fMet-tRNA^fMet, факторов инициации и большой рибосомной субъединицы. ГТФ гидролизуется с образованием ГМФ и фосфата.

2. На стадии элонгации ГТФ и факторы элонгации учавствуют в процессе связывания аминоацил-тРНК, нагруженной аминокислотой, с А-участком рибосомы. Под действием фермента пептидилтрансферазы образуется пептидная связь. Движение рибосомы вдоль мРНК транслоцирует тРНК из А-сайта в Р-сайт за счет энергии гидролиза ГТФ. "Отработавшая" тРНК высвобождается из Е-участка.

3. После повторения нескольких циклов элонгации, на стадии терминации, синтез полипептида останавливается факторами терминации.

Полипептид сворачивается в биологически активную конформацию и транспортируется к "рабочему месту".

Несмотря на множество открытий в биохимии и значимую работу, проделанную разными учеными в области этой науки, некоторые аспекты синтеза белков еще не установлены. Например, зачем нужны молекулы рРНК и как случилось, что они приобрели главенствующую роль в структуре и функции рибосом? На этот и другие вопросы науке предстоит ответить.



Список литературы

1. Дроздов, А.Л. Биология для физиков и химиков / А.Л. Дроздов. Владивосток: Изд-во Дальневосточного. ун-та, 2005. 414 с.

2. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 329 с.,ил.

3. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с англ.: М.: Мир, 1993. 415 с., ил.

4. Ратнер В. А.Генетический код как система. Соросовский образовательный журнал, 2000, 6, № 3, с. 17-22.

5. Спирин А. С.Принципы структуры рибосом. Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с. 65-70.

6. Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и биосинтез белка: учебник для студ. высш. проф. образования / А. С. Спирин. М.: Издательский центр «Академия», 2011. 496 с., [16] с. цв. ил.

7. Фаворова О. О. Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков. Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с. 71-77.

8. Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. Под ред. И. Л. Кнунянца. 1988.

9. Alberts, B., Wilson, J. and Hunt, T. (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science.

10. Itoh, Y., Chiba, S., Sekine, S. and Yokoyama, S. (2009). Crystal structure of human selenocysteine tRNA.Nucleic Acids Research, 37(18), pp.6259-6268.

11. Itoh, Y., Sekine, S., Suetsugu, S. and Yokoyama, S. (2013). Tertiary structure of bacterial selenocysteine tRNA. Nucleic Acids Research, 41(13), pp. 6729-6738.

12. Lehninger, A., Nelson, D. and Cox, M. (2000). Lehninger principles of biochemistry. New York: Worth Publishers.

13. Marshall W. Nirenberg - Nobel Lecture: The Genetic Code. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 29 Mar 2015. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1968/nirenberg-lecture.html.

14. Svidritskiy, E., Brilot, A., Koh, C., Grigorieff, N. and Korostelev, A. (2014). Structures of Yeast 80S Ribosome-tRNA Complexes in the Rotated and Nonrotated Conformations. Structure, 22(8), pp.1210-1218.

Структуры молекул взяты из RCSB Protein Data Bank и ChemSpider.

Размещено на Allbest.ru

...