Биосинтез белков. Ген и его роль в синтезе белков

Ген и его строение. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала. Компоненты белкосинтезирующей системы. Этапы биосинтеза белка у прокариот и эукариот. Аминокислоты как источники энергии. Запись генетической информации.

Рубрика Биология и естествознание
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 29.11.2015
Размер файла 750,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» Педагогический институт им. В.Г. Белинского

Кафедра «Общая биология и биохимия»

Курсовая работа по дисциплине «Биология»

на тему: «Биосинтез белков. Ген и его роль в синтезе белков»

Выполнил: ст.гр. 15лл6

Михеева А.И.

Пенза 2015 год

Содержание

Введение

1. Ген и его строение

2. Ген. Взаимосвязь между геном и признаком

3. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала

4. Основные компоненты белкосинтезирующей системы

4.1 Аминокислоты

4.2 мРНК

4.3 тРНК

4.4 Аминоацил-тРНК синтетазы

4.5 Рибосомы

4.6 Белковые факторы

4.7 АТФ и ГТФ как источники энергии

5. Этапы биосинтеза белка у прокариот и эукариот

5.1 Транскрипция

5.2 Трансляция

Заключение

Список использованных источников информации

Введение

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации в хаотичной Вселенной зависит от генетической информации, которая реализуется, сохраняется, воспроизводится, а иногда совершенствуется в четырех генетических процессах - синтезе РНК и белка, репарации ДНК, репликации ДНК и генетической рекомбинации.

Белки - это сложные органические соединения, состоящие из углерода, кислорода и азота. В некоторых белках содержится еще и сера. Часть белков образует коплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. Молекулы белков - цепи, построенные из аминокислот, - очень велики; это макромолекулы, молекулярная масса которых колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В природных белках встречаются двадцать различных аминокислот. Потенциально разнообразие белков безгранично, поскольку каждому белку свойственна особая аминокислотная последовательность, генетически контролируемая, то есть закодированная в ДНК клетки, вырабатывающей данный белок.

Белки могут быть структурными или играть функциональную роль. Именно набор содержащихся в данной клетке ферментов определяет, к какому типу клеток она будет относиться. «Инструкции», необходимые для синтеза этих ферментов и всех других белков, заключены в ДНК, которая почти вся находится в ядре; однако, как было показано в начале пятидесятых годов, синтез белка фактически происходит в цитоплазме и в нем участвуют рибосомы. Стало ясно, что должен существовать какой-то механизм, переносящий генетическую информацию из ядра в цитоплазму. В 1961 году два французских биохимика Жакоб и Моно, исходя из теоретических соображений, постулировали существование особой формы РНК, выполняющей в синтезе белка роль посредника; впоследствии этот посредник получил название мРНК.

Биосинтез белка -- сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Иными словами, это перевод четырехбуквенного (по числу нуклеотидов) «языка» нуклеиновых кислот на двадцати буквенный (по числу протеиногенных аминокислот) «язык» белков. Перевод осуществляется в соответствии с правилами генетического кода. На долю белков приходится обычно более половины сухой массы клетки и синтез белков играет главную роль в таких процессах, как рост и дифференцировка клеток, поддержание их структуры и функций. Синтез белка зависит от совместного действия нескольких классов молекул РНК и ему предшествует ряд подготовительных этапов. Особенности молекулярного аппарата и механизм биосинтеза белка изучены в основном на прокариотических объектах (бактериях и бактериофагах), однако есть все основания считать, что основные принципы биосинтеза белка реализуются и в эукариотических клетках, в которых в то же время более развиты механизмы регуляции белкосинтезирующей системы.

1. Ген и его строение

Ген представляет собой элементарную единицу функции наследственного материала. Это означает, что фрагмент молекулы ДНК, соответствующий отдельному гену и определяющий благодаря содержащейся в нем биологической информации возможность развития конкретного признака, является далее неделимым в функциональном отношении. Некоторые cведения о генных мутациях указывают на значение изменений химической структуры, затрагивающих не весь ген, а отдельные его участки, вследствие чего появляются новые варианты признака.

Минимальное количество наследственного материала, способное, изменяясь, приводить к появлению вариантов признака, соответствует элементарной единице мутационного процесса и называется мутоном. Некоторые примеры генных мутаций свидетельствуют о том, что достаточно заменить одну пару комплементарных оснований в гене, чтобы изменились свойства кодируемого им белка. Таким образом, мутон соответствует одной паре комплементарных нуклеотидов.

Часть генных мутаций по типу вставок и выпадений нуклеотидных пар происходит вследствие неравноценного обмена между молекулами ДНК при кроссинговере, т.е. при нарушении рекомбинации между ними. Это сопровождается сдвигом рамки считывания и приводит к нарушению синтеза пептидной цепи с заданными свойствами. Наблюдения показывают, что для искажения записанной в гене биологической информации достаточно вставки или выпадения одной пары нуклеотидов. Из сказанного следует, что элементарная единица рекомбинации -- рекон -- на молекулярном уровне соответствует одной паре нуклеотидов.

Возникающие самопроизвольно или под влиянием различных внешних воздействий изменения нуклеотидных последовательностей приводят к тому, что один и тот же ген может существовать в нескольких вариантах, различающихся по содержащейся в них биологической информации.

Конкретную форму существования гена, определяющую возможность развития конкретного варианта данного признака, называют аллелем. Аллели гена располагаются в одном и том же участке--локусе--определенной хромосомы, которая в норме может одновременно содержать лишь один из серии аллелей. Это делает аллели альтернативными (взаимоисключающими) вариантами существования гена.

Изменения химической структуры могут возникать в различных участках гена. Если они совместимы с жизнью, т.е. не приводят к гибели клеток или организмов -- носителей данных мутаций, все они сохраняются в генофонде вида.

Под действием генов (экспрессией, выражением генов) понимают способность их контролировать свойства организмов или, точнее, синтез белков. Для действия генов характерен ряд особенностей, важнейшая из которых - их экспрессивность. Под экспрессивностью понимают степень фенотипической выраженности генов, т. е. «силу» действия генов, проявляющуюся в степени развития контролируемых ими признаков. Термин предложен Н.В. Тимофеевым-Ресовским (1900-1981). Экспрессивность генов не является постоянным свойством наследственности, ибо она очень вариабельна у растений, животных и у человека. Например, у людей проявляется по-разному такой признак, как способность ощущать вкус фенилтиокарбамида. Для одних это вещество является слишком горьким, для других его горечь кажется меньшей, что является результатом разной степени экспрессивности гена, контролирующего способность ощущать вкус этого соединения. Примером вариабельности экспрессивности генов является также экспрессивность доминантного гена, контролирующего ювенильную катаракту глаз человека. Экспрессия этого гена у разных индивидуумов варьируется от слабого помутнения хрусталика глаз до его полной непрозрачности.

С другой стороны, для действия генов у млекопитающих характерен так называемый геномный импринтинг, заключающийся в том, что два аллеля гена экспрессируются дифференциально, т. е. экспрессируется только один аллель из двух аллелей (отцовского и материнского), унаследованный от родителей. Например, у человека ген инсулиноподобного фактора 2 нормально экспрессируется только из аллеля, унаследованного от отца, тогда как соседний с ним ген, кодирующий нетранслируемую РНК, экспрессируется только из аллеля, унаследованного от матери.

Важнейшей особенностью действия генов является также их пенетрантность, впервые описанная тоже Н.В. Тимофеевым-Ресовским. Под ней понимают частоту проявления того или иного гена, измеряемую частотой встречаемости признака в популяции. Это объясняют либо модифицирующим влиянием других генов, либо среды, либо совместным действием этих факторов. Учет природы экспрессивности и пенетрантности генов имеет большое практическое значение, особенно в медицинской генетике.

Организмы наследуют от своих родителей не признаки и не свойства, они наследуют гены. В соответствии с существующими представлениями действие генов через РНК приводит к образованию белков. Следовательно, белки являются конечными продуктами действия генов, результатом экспрессии генов. Другими словами, гены контролируют синтез белков. Поскольку гены представляют собой ДНК, то вопрос сводится к следующему: каким образом ДНК осуществляют свои функции в контроле синтеза белков? Ответ на этот вопрос состоит в том, что в ДНК заключена генетическая информация о синтезе белков, т. е. содержится генетический код, под которым понимают систему записи генетической информации о синтезе белков в молекулах ДНК. Реализация генетического кода происходит в два этапа, один из которых называют транскрипцией, второй - трансляцией. Поток информации идет по схеме ДНК - РНК - белок. Эта схема получила название центральной догмы биологии.

2. Ген. Взаимосвязь между геном и признаком

Долгое время ген рассматривали как минимальную часть наследственного материала (генома), обеспечивающую развитие определенного признака у организмов данного вида. Однако каким образом функционирует ген, оставалось неясным. 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. Например, гемоглобин взрослого человека включает четыре глобиновых цепи -- 2б и 2в, кодируемые разными генами. Поэтому формула, отражающая связь между геном и признаком, была несколько преобразована: «Один ген -- один полипептид».

Изучение химической организации 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).

Открытия экзонинтронной организации эукариотических генов и возможности альтернативного сплайсинга показали, что одна и та же нуклеотидная последовательность первичного транскрипта может обеспечить синтез нескольких полипептидных цепей с разными функциями или их модифицированных аналогов.

Существуют ситуации, свидетельствующие о допустимости считывания разной информации с одной и той же последовательности ДНК, которые позволяют предположить, что перекрывающиеся гены представляют собой довольно распространенный элемент организации генома вирусов и, возможно, прокариот. У эукариот прерывистость генов также обеспечивает возможность синтеза разнообразных пептидов на основе одной и той же последовательности ДНК.

Имея в виду все сказанное, необходимо внести поправку в определение гена. Очевидно, нельзя больше говорить о гене как о непрерывной последовательности ДНК, однозначно кодирующей определенный белок. По-видимому, в настоящее время наиболее приемлемой все же следует считать формулу «Один ген -- один полипептид», хотя некоторые авторы предлагают ее переиначить: «Один полипептид -- один ген». Во всяком случае, под термином ген надо понимать функциональную единицу наследственного материала, по химической природе являющуюся полинуклеотидом и определяющую возможность синтеза полипептидной цепи, тРНК или рРНК.

3. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала

Дискретность наследственного материала, предположение о которой высказал еще Г. Мендель, подразумевает делимость его на части, являющиеся элементарными единицами, -- гены. В настоящее время ген рассматривают как единицу генетической функции. Он представляет собой минимальное количество наследственного материала, которое необходимо для синтеза тРНК, рРНК или полипептида с определенными свойствами. Ген несет ответственность за формирование и передачу по наследству отдельного признака или свойства клеток, организмов данного вида. Кроме того, изменение структуры гена, возникающее в разных его участках, в конечном итоге приводит к изменению соответствующего элементарного признака.

Таким образом, на генном уровне организации наследственного материала обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальное изменение отдельных признаков и свойств клеток, организмов данного вида.

Реальное существование генного уровня организации наследственного материала дало возможность исследователям при анализе характера наследования отдельных признаков открыть главные закономерности, которые легли в основу наших представлений об организации материального носителя наследственности и изменчивости.

4. Основные компоненты белкосинтезирующей системы

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

4.1 Аминокислоты

Все 20 аминокислот, входящих в структуру белков организма человека, должны присутствовать в достаточном количестве. Это требование прежде всего относится к незаменимым (т.е. синтезирующимся в организме) аминокислотам, 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.

4.2 мРНК

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

4.3 тРНК

У человека около 50 различных тРНК обеспечивают включение аминокислот в белок. тРНК называют «адапторные молекулы», так как к акцепторному концу этих молекул может быть присоединена определенная аминокислота, а с помощью антикодона они узнают специфичность кодон на мРНК. В процессе синтеза белка на рибосоме связывание антикодонов тРНК с кодонами мРНК происходит по принципу комплементарности и антипараллельности. Однако оказалось, что число тРНК для каждой аминокислоты не совпадает с числом кодирующих её кодонов в мРНК, и, следовательно некоторые тРНК способны связываться больше чем с одним кодоном. Исследование этого вопроса позволило установить следующее:

· первые два основания кодона и последние два основания антикодона образуют обычные прочные пары (гуанин-цитозин и аденин-урацил) 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 кодон-антикодонового взаимодействия, получила название «гипотезы качания» (т.е. третье основание большинства кодонов имеет определенную степень свободы при образовании пары с соответствующим антикодоном и как бы «качается»).

4.4 Аминоацил-тРНК синтетазы (аминоацил-тРНК лигазы)

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 узнает только одну определенную 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 в 2 стадии.

4.5 Рибосомы

Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые образования - своеобразные «фабрики», на которых идет сборка аминокислот в белки. Эукариотические рибосомы имеют константу седиментации 80S и состоят из 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц. Каждая субъединица включает рРНК и белки. В 40S субъединицу входит рРНК с константой седиментаии 18S и 33 молекулы белков. В 60S субъединице обнаружено 3 вида рРНК: 5S, 5,8S и 28S и 49 различных 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.

4.6 Белковые факторы

В каждой стадии белкового синтеза на рибосоме: инициации, элонгации и терминации участвует разный набор инерибосомных белковых факторов. Эти белки связываются с рибосомой или её субъединицами на определённых стадиях процесса и стабилизируют или облегчают функционирование белоксинтезирующей машины.

4.7 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 макроэргических связей молекул: АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи.

5. Этапы биосинтеза белка

5.1 Транскрипция

Мост между геном (кодонами) и белком обеспечивается РНК. Точнее, информация, закодированная в последовательности азотистых оснований ДНК, вначале переносится от ДНК к матричной РНК (мРНК). Этот этап переноса информации носит название транскрипции и происходит у прокариотов в нуклеоиде, а у эукариотов - в ядре.

Транскрипция - первый этап в передаче генетической информации, сущность которого заключается в синтезе мРНК, т. е. в «переписывании» генетической информации в молекулы мРНК. Основными структурами, которые участвуют в транскрипции, являются ДНК-матрица (цепь ДНК), РНК-полимераза и хромосомные белки (гистоновые и негистоновые). Однако наряду с молекулами мРНК с ДНК транскрибируются молекулы РНК и других видов (рибосомная и транспортная), также имеющие важное значение в реализации генетической информации. Все эти РНК называются еще ядерными. Размеры транскрибируемых молекул РНК зависят от посылаемых с цепи ДНК-шаблона сигналов начала и остановки синтеза (кодонов инициации и терминации). Наиболее обильными РНК в клетках всех видов являются молекулы рибосомной РНК (рРНК), которые выполняют роль структурных компонентов рибосом. У эукариот синтез рРНК контролируется огромным количеством генов (сотни копий) и происходит в ядрышке.

В клетках человека гены для рРНК локализованы на 13, 14, 15, 21 и 22-й парах хромосом. Молекулы рРНК являются продуктами процессинга первичных транскриптов (про-рРНК). В меньших количествах в клетках обнаруживаются молекулы транспортных РНК (тРНК), которые участвуют в декодировании информации (трасляции). Молекулы мРНК составляют около 3% общей клеточной РНК, они очень нестабильны. Период их полужизни необычайно краток у прокариотов, составляя 2-10 минут. У эукариотов время полужизни молекул мРНК составляет несколько часов или даже несколько недель. У прокариотов молекулы мРНК - непосредственные продукты транскрипции. Напротив, у эукариотов они являются продуктами процессинга первичных РНК-транскриптов.

Синтез молекул мРНК происходит в ядре клетки, откуда через ядерную мембрану они проходят в цитоплазму к рибосомам. Он очень сходен с репликацией ДНК. Отличие заключается лишь в том, что в качестве матрицы (шаблона) для копирования цепи мРНК используется только одна цепь ДНК. При этом копирование мРНК может начаться с любого пункта одиночной цепи ДНК. Важно подчеркнуть, что какой-либо ген транскрибируется лишь с одной цепи. В то же время два даже соседних гена могут транскрибироваться с разных цепей. Таким образом, для транскрипции может использоваться любая из двух цепей ДНК. Одна из цепей транскрибируется одними РНК-полимеразами, другая - другими РНК-полимеразами. Поскольку обе цепи ДНК имеют противоположную полярность, то транскрипция на каждой из цепей проходит в противоположных направлениях. Цепь, которая содержит те же последовательности, что и мРНК, называют кодирующей, а цепь, обеспечивающую синтез мРНК (на основе комплементарного спаривания), - антикодирующей. Из-за считывания кода с мРНК для его записи используют основания А, Г, У, Ц.

В меньших количествах в клетках обнаруживаются молекулы транспортных РНК (тРНК), которые участвуют в декодировании информации (трансляции). Молекулы тРНК также являются продуктами процессинга первичных транскриптов. Существенной особенностью тРНК служит свернутый характер их вторичной структуры, которая имеет форму клеверного листа.

Все РНК транскрибируются с ДНК, которая несет множественные копии соответствующих генов. Механизм синтеза РНК сходен с механизмом репликации ДНК. Непосредственными предшественниками в синтезе РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты, причем здесь действует то же правило спаривания оснований, за исключением того, что кодируются лишь ограниченные сегменты цепи ДНК и что тимин в ДНК заменяется на урацил. Урацил спаривается с аденином таким же образом, как и тимин. Цепь РНК растет в направлении от 5'- к 3'-концу с освобождением пирофосфата.

Синтез РНК обеспечивается РНК-полимеразами. У прокариот синтез мРНК, рРНК и тРНК осуществляет лишь один тип РНК-полимеразы, количество молекул которой в клетках достигает 3000. Каждая из молекул этой РНК-полимеразы состоит из шести полипептидов, какими являются субъединицы в и в' (молекулярная масса 155 000 и 151 000 соответственно), двух субъединиц б (36 000) и еще двух низкомолекулярных субъединиц д ищ,инициация транскрипции обеспечивается комплексом полимераза + белки(около шести белковых комплексов). Связывание РНК-полимеразы с ДНК происходит на участке, называемом промотором.

УЕ. coliпромоторы содержат последовательность ТАТААТ (бокс Прибнау), а контролируются белковым фактором. Напротив, в клетках эукариот существуют три РНК-полимеразы, представляющие собой сложные молекулы, содержащие от одной до нескольких полипептидных цепей. Каждая из этих РНК-полимераз, прикрепляясь к промотору на ДНК, обеспечивает транскрипцию разных последовательностей ДНК. РНК-полимераза I синтезирует рибосомальную РНК (основные молекулы РНК больших и малых субъединиц рибосом). РНК-полимераза II синтезирует все мРНК и часть малых рРНК, РНК-полимераза III синтезирует тРНК и РНК 5S'-субъединиц рибосом.

Эукариотические РНК-полимеразы также характеризуются сложным строением. РНК-полимераза II многих организмов построена из 12 различных полипептидов, три из которых гомологичны субъединицам в', в и б РНК-полимеразы из E. coli, РНК-полимеразы I и III обладают 5 субъединицами, сходными с субъединицами РНК-полимеразы II. РНК-полимераза II инициирует транскрипцию, причем для этого требуется белок ДНК-геликаза, детерминируемая у дрожжей геном RA 25, а у человека - геном XRB. Как отмечено выше, транскрипция у эукариот - более сложный процесс по сравнению с прокариотами. мРНК эукариотов образуется в ядре из первичных генных транскриптов длиной 1000-500 000 пар оснований в результате процессинга. Другими словами, формируемые первичные транскрипты (про-мРНК) не на всем протяжении способны к трансляции. Для того чтобы про-мРНК стала «зрелой» мРНК, которая полностью транслируется, она еще в ядре вовлекается в процессинг, который заключается в том, что из про-мРНК «вырезают» нетранслируемые участки (интроны), после чего транслируемые участки (эксоны) воссоединяются (сплайсинг - процессинг).

В результате образуются непрерывные последовательности, т. е. молекулы «зрелой» мРНК, которые по своим размерам значительно меньше молекул про-мРНК. Биологические механизмы сплайсинга определяются участием в этом процессе малых ядерных рибону-клеопротеиновых частиц, которые концентрируются в интерфазном ядре совместно с рибонуклеопротеидными факторами сплайсинга. Внутриклеточное распределение факторов сплайсинга контролируется одной из киназ. Четыре реакции процессинга РНК катализируются РНК-энзимами (рибозимами). Помимо модификации ядерной про-мРНК путем «вырезания» и сплайсинга ее сегментов, изредко имеет место так называемое «редактирование» РНК, которое заключается в конверсии одного основания в другое.

Например, в клетках печени синтезируемый белок аполидопротеин имеет молекулярную массу порядка 242 000 дальтон. Это результат конверсии в кодирующем гене цитозина в урацил (в клетках кишечника), что ведет к образованию стоп-кодона и, следовательно, более короткого белка. Наконец, возможна модификация РНК и путем посттранскрипционного добавления к 3'-концу 30-50 нуклеотидов полиадениловой кислоты на расстоянии 15 нуклеотидов от последовательности ААУААА. По этой причине транскрипция заканчивается вдали от полиА-сигнала, а про-цессинг удаляет экстрануклеотиды до полиА-добавления.

Синтезированная «зрелая» мРНК является первичным продуктом действия генов и идет затем из ядра в цитоплазму, где служит матрицей для формирования полипептидных цепей на рибосомах. Считают, что в клетках имеется по 2000-3000 молекул мРНК, находящихся на разных уровнях синтеза и распада. В частности, установлены рибозимы с полинуклеотидкиназной активностью, способные катализировать АТФ-зависимое фосфорилирование.

Большинство эукариотических промоторов содержит ТАТА-последовательность, локализованную на расстоянии 30 оснований от сайта транскрипционного старта. Инициация транскрипции обеспечивается совместным действием полимеразы и шести дополнительных белков.

Установление интронов поставило вопрос об их происхождении. В объяснении происхождения используют две гипотезы. В соответствии с одной гипотезой интроны были представлены уже в пред-ковых генах, в соответствии с другой - интроны были включены в гены, которые оригинально были непрерывными.

Наряду с описанной транскрипцией у некоторых РНК-овых вирусов известна обратная транскрипция, при которой матрицей для синтеза ДНК является РНК и которая осуществляется ферментом, получившим название обратной транскриптазы (ревертазы). Здесь информация идет по схеме РНК -- ДНК -- белок. Как свидетельствуют исследования, обратная транскриптаза найдена как у прокариотов, так и у эукариотов. Считают, что ревертаза имеет очень древнее происхождение и существовала еще до разделения организмов на прокариоты и эукариоты.

5.2 Трансляция

Трансляция - важная составная часть общего метаболизма, и ее сущность заключается в переводе генетической информации с мРНК, являющейся первичным продуктом действия генов, в аминокислотную последовательность белков. Трансляция происходит в цитоплазме на рибосомах и представляет собой очень сложный, но центральный процесс в синтезе белков, в котором помимо рибосом участвуют мРНК, 3-5 молекул рРНК, 40-60 молекул разных тРНК, аминокислоты, около 20 ферментов (аминоацил-тРНК синтетаз), активирующих аминокислоты, растворимые белки, вовлекаемые в инициацию, элонгацию и терминацию полипептидной цепи.

Рис.1 Трансляция

Первый этап трансляции происходит в цитоплазме и заключается в комбинировании каждой аминокислоты с АТФ и специфическим ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. В результате этого устанавливается связь между фосфатом и карбоксильной группой аминокислоты (-Р-О-С), которая приводит к образованию комплексов, состоящих из аминокислоты, АМФ и специфического фермента. Пирофосфаты в процессе образования этих комплексов удаляются.

Второй этап трансляции осуществляется также в цитоплазме. Поскольку аминоацил-тРНК-синтетазы распознают аминокислоты и их тРНК, то второй этап состоит во взаимодействии образованных комплексов аминокислота-АМФ-специфический фермент (аминоацил-тРНК-синтетаза) со специфическими тРНК (один комплекс - одна тРНК). Поскольку цепи всех тРНК имеют одинаковую структуру концов (конечное основание - аденин, а два предыдущих - цитозин и цитозин), то связывание одной аминокислоты со специфической тРНК происходит путем установления связи между рибозой конечного нуклеотида (адениловой кислоты) и карбоксильной группой аминокислоты (-С-О-С-). Вследствие этого взаимодействия происходит формирование так называемых аминоацил-тРНК, представляющих собой комплексы аминокислоты со специфической тРНК, и освобождение в процессе образования этих комплексов АМФ и фермента (аминоацил-тРНК-синтетазы). Следовательно, аминоацил-тРНК являются прямыми предшественниками полипептидного синтеза на рибосомах.

Рис. 2 Продолжение трансляции

Осуществление этих двух этапов приводит к активации аминокислот. Одни синтетазы активируют 2' -гидроксил конечного основания тРНК, тогда как другие активируют З' -гидроксил, а некоторые активируют и 2'- и 3'-гидроксилы. Однако эти различия не имеют значения, поскольку после освобождения аминоациальная группа на тРНК мигрирует взад и вперед.

Третий этап трансляции и заключается в декодировании мРНК. Он осуществляется на рибосомах и в нем участвуют как мРНК, так и различные аминоацил-тРНК. После того как мРНК отошла от ДНК и прошла через ядерную мембрану в цитоплазму, она прикрепляется к РНК-последовательности, меньшей 30 S-субъединицы рибосомы. Последовательность мРНК, которая связывается с последовательностью рРНК рибосомной субъединицы 30 S, получила название рибосомосвязывающего сайта или последовательности Шайно - Дальгарно. Между тем каждая рибосома имеет два сайта, связывающих тРНК. СайтА,или аминоацильный (акцепторный) сайт, связывает приходящую аминоацил-тРНК, которая несет аминокислоту, предназначенную для добавления в растущую полипептидную цепь рядом с ранее добавленной аминокислотой. СайтР, или пептидный (донорный) сайт, связывает пептидил-тРНК, к которой прикреплен растущий полипептид. Специфичность связывания аминоацил-тРНК в этих сайтах обеспечивается кодонами мРНК, которые составляют часть сайтовА и Р.Это связывание происходит благодаря водородным связям, устанавливаемым между определенными основаниями (антикодоном) каждой аминоацил-тРНК и основанием (кодоном) соответствующей последовательности мРНК. Первое и второе основания кодона всегда спариваются с третьим и вторым (соответственно) основаниями антикодона, тогда как третье основание кодона, если оно является урацилом, спаривается с гуанином или гипоксан-тином антикодона, если же оно является аденином - то с гипоксан-тином антикодона, а если гуанином - то с урацилом антикодона. Как уже отмечено, в обеспечении взаимодействия мРНК с тРНК участвует рРНК 16 S.

После связывания с мРНК аминоацил-тРНК помещают (включают) аминокислоты вдоль молекулы мРНК и последовательности, соответствующей последовательности триплетов азотистых оснований в мРНК. Наращивание полипептидной цепи обеспечивается тем, что при синтезе белка рибосомы (полисомы) движутся вдоль цепи мРНК. Одновременно происходит формирование пептидных связей, обеспечиваемое несколькими ферментами-трансферазами, один из которых катализирует одновременно связывание аминоацил-тРНК с рибосомой, происходящее в присутствии ГТФ как кофактора. Каждая пептидная связь образуется ковалентным связыванием атома углерода карбоксильной группы первой аминокислоты с аминогруппой второй аминокислоты. При этом в процессе связывания происходит открепление тРНК первой аминокислоты от углерода карбоксильной группы своей аминокислоты. Каждая вновь добавляемая аминокислота встает на место, следующее за аминокислотой, добавленной ранее. Как видно, полипептидная цепь наращивается с карбоксильного конца, а аминокислоты добавляются последовательно. Трансляция осуществляется в направлении от 5' - к 3' -концу полипептидного типа.

тРНК характеризуются исключительно высокой специфичностью, что проявляется в их антикодоновых последовательностях, соответствующих кодонам, доступности для распознания нужной аминоацил-тРНК-синтетазой и в точности связывания с сайтамиАиРна рибосомах.

Инициация, элонгация и терминация полипептидного синтеза находятся под генетическим контролем.

Инициация полипептидной цепи начинается с образования комплекса между мРНК, формилметионин-тРНК и рибосомной единицей 30 S, которое обеспечивается факторами (белками) инициации, а также ГТФ. Этот комплекс вступает в комбинацию с 50S-рибосомной единицей, в результате чего формилметионин-тРНК становится связанной с пептидиловым сайтом. Энергия для этого обеспечивается гидролизом одной молекулы ГТФ. Кодоны АУГ, ГУА и ГУГ на 5' -конце или рядом с ним направляют включениеV-формилметионина в качествеV-концевой аминокислоты белка. Можно сказать, что эти кодоны являются специфическими инициаторами белкового синтеза. Наиболее активен кодон АУГ.

Рис.3 Инициация белкового синтеза

Элонгация (удлинение) полипептидной цепи обеспечивается факторами элонгации,а также гидролизом одной молекулы АТФ, а движение молекулы мРНК с одного сайта рибосомы на другой обеспечивается фактором элонгацииEF-Gи гидролизом одной молекулы ГТФ. Каждый раз мРНК движется на три нуклеотида. У бактерий частота элонгации составляет 16 аминокислот в секунду. Это означает, что рибосомы движутся вдоль мРНК со скоростью 48 нуклеотидов в секунду.

Терминация (окончание) синтеза детерминируется стоп-кодонами УАГ, УАА и УГА. Когда один из этих кодонов подойдет к А-сайту рибосомы, то полипептид, тРНК в Р-сайте и мРНК освободятся, а рибосомные субъединицы диссоциируют. Окончание синтеза белка связано с активностью белковых факторов - освобождения.Диссоциировав, рибосомные субъединицы начинают трансляцию другой молекулы мРНК. Большинство мРНК симультанно транслируется несколькими рибосомами (полисомами). Например, цепь гемоглобина из 150 аминокислот синтезируется на пентарибо-сомном комплексе. У прокариотов синтез и трансляция мРНК происходят в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Далее, у них нет ядерной мембраны. Поэтому трансляция мРНК начинается еще до завершения ее синтеза. Напротив, у эукариотов транскрипция и трансляция разделены во времени, поскольку требуется время для перехода мРНК из ядра через ядерную мембрану в цитоплазму.

Рис. 4 Фаза элонгации в синтезе белка: 1-й этап--аминоацил-тРНК присоединяется к кодону, расположенному в А-участке; 2-й этап -- между аминокислотами, расположенными в А- и П-участках, образуется пептидиая связь: тРНК, расположенная в П-участке, освобождается от своей аминокислоты и покидает рибосому; 3-й этап --рибосома перемещается по мРНК на один кодон так, что тРНК, нагруженная пептидной цепочкой, переходит из А-участка в П-участок; свободный А-участок может быть занят соответствующей аминоацил-Трнк

Рис.5 Терминация синтеза пептидной цепи: 1-й этап -- присоединение фактора освобождения к стоп-кодону; 2-й этап -- терминация, высвобождение завершенного пептида; 3-й этап -- диссоциация рибосомы на две субчастицы

ген белок прокариота информация

Заключение

В ходе написания курсовой работы мне удалось выяснить что биосинтез белков осуществляется во всех клетках про- и эукариот. Информация о первичной структуре (порядке аминокислот) белковой молекулы закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК -- гене.

Система записи генетической информации в ДНК (и - РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом. Т.е. единица генетического кода (кодон) -- это триплет нуклеотидов в ДНК или РНК, кодирующий одну аминокислоту.

Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам.

Транскрипция(переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы - полинуклеотидной цепи ДНК. Она (и - РНК) является посредником, передающим информацию от ДНК к месту сборки молекул белка в рибосоме. Синтез и - РНК (транскрипция) происходит следующим образом. Фермент (РНК - полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (кодирующей) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Синтезированная таким образом (матричный синтез) молекула и - РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются малые субъединицы рибосом.

Трансляция-- это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и - РНК в последовательность аминокислот в полипептиде. У прокариот, не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и - РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и - РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и - РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и - РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

В цитоплазме на один из концов и - РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида. По мере продвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и - РНК обеспечивается т - РНК.

Транспортные РНК (т - РНК) «приносят» аминокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т - РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме напоминает лист клевера. На ее верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), который соответствует определенной аминокислоте, а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты.

Каждая т - РНК может переносить только свою аминокислоту. Т-РНК активируется специальными ферментами, присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК. Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются рядом в большой субъединице рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез).

Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь. Однако, нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полирибосомами. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы - молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1с бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.

Список использованных источников информации

1. Высоцкая Р.У., Егорова А.А. Биологический синтез белка/ Учебное пособие для студентов химико-биологических специальностей высших учебных заведений / Издательство Петрозаводск 2011 - 20 с.

2. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия/3-е издание исправленное / Учеб. / Издательство Москва «Высшая школа» 2000 - 479с.

3. Коничев.А.А, Севастьянова Г.А. Молекулярная биология/ 2-е издание, исправленное/ Учебник/ Издательство Москва «Academa» 2005 - 400с.

4. Коллектив кафедры биологии педиатрического факультета РНИМУ им.Н.И.Пирогова Биология 1 том/ Учебник/ Издательство Москва 2007 - 387с.

5. Красникова Л.В. Микробиология/ Учебное пособие/ Издательство Москва 2012 - 352с.

6. Пехов А.П. Биология. Медицинская биология, генетика и паразитология/ Учебник/ Издательство Москва Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа» 2012 - 656с.

7. Чебышев Н.В., Гринева Г.Г. Биология/ Учебное пособие/ Издательство Москва «ГЭОТАР-Медиа» 2008 - 416с.

8. Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В. Биология 1 том/ Учебник для медицинских специальностей вузов/ Издательство «Высшая школа» 2008 - 736с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Регуляция метаболизма как управление скоростью биохимических процессов. Регуляция биосинтеза белков и особенности процесса репликации. Транскрипция генетической информации, механизм катаболитной репрессии, регуляция на этапе терминации транскрипции.

    контрольная работа [816,0 K], добавлен 26.07.2009

  • Молекулярная организация генетического материала. Транскрипция и трансляция мРНК прокариот. Роль рибонуклеиновых кислот в белковом синтезе. Расположение функциональных центров на субчастицах рибосомы. Свойства генетического кода. Активация аминокислот.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 19.11.2013

  • Положения биологической гипотезы Жакоба-Мано. Роль генов-регуляторов в синтезе белков. Особенности протекания первого этапа этого процесса – транскрипции. Трансляция как следующая ступень их биосинтеза. Основы ферментативной регуляции этих процессов.

    презентация [250,9 K], добавлен 01.11.2015

  • Биосинтез как направление телесно-ориентированной (соматической) психотерапии. Происхождение жизни в ее современной клеточной форме, возникновение механизма наследуемого биосинтеза белков. Рибонуклеиновые кислоты, эволюция и специализация молекул РНК.

    реферат [588,5 K], добавлен 07.06.2010

  • Транскрипция – процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Природа информационной связи между ДНК и белками. Строение и организация единиц транскрипции у прокариот и эукариот. Синтез РНК - выделение стадий инициации, элонгации и терминации.

    лекция [27,1 K], добавлен 21.07.2009

  • Белки как источники питания, их основные функции. Аминокислоты, участвующие в создании белков. Строение полипептидной цепи. Превращения белков в организме. Полноценные и неполноценные белки. Структура белка, химические свойства, качественные реакции.

    презентация [896,5 K], добавлен 04.07.2015

  • Генетический код и его свойства. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Аминокислоты. Транспортные РНК. Матричная РНК. АТФ и ГТФ как источники энергии. Аминоацил тРНК синтетазы. Рибосомы. Белковые факторы. Этапы синтеза полипептидной цепи.

    реферат [168,9 K], добавлен 14.04.2004

  • Характеристика биосинтеза как процесса образования органических веществ, происходящего в клетках с помощью ферментов и внутриклеточных структур. Участники биосинтеза белка. Синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. Роль и значение рибосом.

    презентация [2,3 M], добавлен 21.12.2013

  • История исследования белков. Белки: строение, классификация, обмен. Биосинтез белка. Функции белков в организме. Роль в жизнедеятельности организма. Высокомолекулярные органические соединения. Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов.

    реферат [29,2 K], добавлен 05.10.2006

  • Проблемы сборки мембранных белков, методы исследования и условия переноса белков через мембраны. Сигнальная и мембранная (триггерная) гипотеза встраивания белков в мембрану. Процесс сборки мультисубъединичных комплексов и обновление мембранных белков.

    курсовая работа [289,5 K], добавлен 13.04.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.