Этапы реализации генетической информации. Биосинтез белка как процесс реализации наследственной информации.

Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются структурой специфических белков. Способность к синтезу только строго определенных белков является наследственным свойством организма. Синтез белков осуществляется по принципу матричных реакций на основе комплементарности азотистых оснований. Это сложный многоступенчатый процесс, включающий следующие этапы:

1. транскрипцию

2. трансляцию.

 

  Транскрипция (лекция) - процесс перезаписи генетической информации из ДНК в РНК.

С ДНК образуется про-и-РНК, которая после ряда модификаций превращается в м-РНК (служит матрицей для синтеза белков, т.е. их кодируют). Установлено, что м-РНК не только носители ДНК, но и переносчики этой информации из ядра в цитоплазму. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (и-РНК, р-РНК, т-РНК). Синтезируется 20 разновидностей т-РНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем и-РНК и т-РНК выходят в цитоплазму, р-РНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.

Трансляция – это процесс считывания наследственной информации с последовательности нуклеотидов и-РНК на последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Процесс обеспечивается взаимодействием т-РНК и и-РНК. Осуществляется на рибосомах. В рибосомах имеется две бороздки: одна удерживает растущую полипептидную цепь, друга – иРНК. Кроме того, в рибосомах имеются два участка, связывающих т-РНК. В аминоациальном участке (А-участке) размещается аминоацил тРНК, несущий определенную аминокислоту. В пептидальном участке (П-участок) располагается обычно т-РНК, которая нагружена цепочкой аминокислот, соединенных полипептидными связями. Образование А и П участков обеспечивается обеими субчастицами рибосомы. При реализации генетической информации каждая т-РНК распознает, присоединяет и переносит в рибосому свою аминокислоту. Этот процесс называется рекогниция. Специфическое соединение т-РНК со своей аминокислотой протекает в два этапа и приводит к образованию соединения, называемого аминоацил - т-РНК. Процесс этот происходит при участии специфического фермента (аминоацил - т-РНК - синтетазы).

 

В ходе трансляции можно выделить три фазы: · инициацию, · элонгацию · и терминацию. Фаза инициации, или начало синтеза пептида. Заключается в объединении большой и малой субчастиц рибосомы на определенном участке и РНК и присоединении к ней первой аминоацил т- РНК. В молекуле любой и-РНК вблизи ее 5' - конца имеется участок, комплементарный рРНК малой субчастицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Рядом с ним располагается стартовый кодон (инициирующий) АУГ, шифрующий аминокислоту метионин. Малая субъединица рибосомы соединяется с и-РНК тают образом, что стартовый кодон АУГ располагается в области соответствующей П - участку. При этом только инициирующая т-РНК, несущая метионин, способна занять место в недостроенном П – участке малой субчастицы рибосомы и комплементарно соединиться со стартовым кодоном. После этого происходит объединение большой и малой субчастицы рибосомы с образованием ее пептидильного и аминоациального участков. К концу фазы инициации П – участок занят аминоциал т-РНК, связанной с метионином, а в А-участке рибосомы располагается следующий за стартовым кодон. Процессы инициации, трансляции катализируются особыми белками – факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы.

 

Фаза элонгации, или удлинения пептида. Включает в себя реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. Представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит специфическое узнавание аминоацил т-РНК очередного кодона, находящегося в А-участке, комплементарное взаимодействие между кодоном и антикодоном. Благодаря особенностям строения т-РНК при соединении ее антикодона с кодоном и-РНК, транспортируемая ею аминокислота, располагается в А-участке поблизости от ранее включенной аминокислоты, находящейся в П-участке. Здесь между аминокислотами образуется пептидная связь, катализируемая особыми белками, входящими в состав рибосомы. В результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей т-РНК и присоединяется к аминоацил т-РНК, расположенной в А-участке. Находившая в этот момент в П- участке тРНК высвобождается и уходит в цитоплазму. Перемещение т-РНК, нагруженной пептидной цепочкой из А-участка в П-участок сопровождается продвижением рибосомы по и-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Затем следующий кодон входит в контакт с А-участком, где он будет специфически «опознан» соответствующей аминоацил т-РНК, которая разместит здесь свою аминокислоту. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока в А-участке рибосомы не поступит кодон – терминатор, для которого не существует соответствующей т-РНК. Скорость элонгации зависит от различных факторов, в том числе от температуры.

 

Фаза терминации, или завершения синтеза полипептида. Она обусловлена узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов, когда тот входит в зону А - участка рибосомы. При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от т-РНК. В результате завершения полипептидная цепь теряет связь с рибосомой, которая распадается на две субчастицы.

 

Эпигенез. Под действием ферментов и энергии полипептидная цель, имеющая только в определенной последовательности соединенные аминокислота, спирально сворачивается в ре3ультаге образования водородных мостиков между нитями спирали, принимая вторичную структуру. Затем молекула сворачивается в клубок, между его нитями образуются сульфидные связи (S-S). Это третичная структура. Объединение различных глобул, возникновение комплексных связей между ними определяет четвертичную структуру белка (гемоглобин). Эпигенез происходит вне рибосом на мембранах ЭПС и комплекса Гольджи. Формирую третичную и четвертичную структуру в ходе посттрансляционных преобразований, белки приобретают способность активно функционировать, включаться в определенные клеточные структуры, осуществлять ферментативные и другие функции. Синтез белка требует большого количества энергии, ферментов, всех видов аминокислот, нуклеотидов, витаминов и нормальных условий для жизни и существования клетки.

 

Центральная догма молекулярной биологии (объясняет роль биосинтеза белка в процессе реализации наследственной информации):