Біологічні макромолекули та їх роль в клітині

Біологічні макромолекули та їх роль в клітині

Біомолекули — біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та спеціалізовані для утворення клітинних структур і участі в біохімічних реакціях, які становлять сутність обміну речовин та фізіологічних функцій живих клітин.

Функції біомолекул у живих організмах:

а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди та їх фосфорні ефіри, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти, кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи тощо;

б) участь в утворенні інших, більш складних молекул — білків, нуклеїнових

кислот, полісахаридів, ліпідів (наприклад, амінокислоти, нуклеотиди, вищі жирні кислоти тощо), або біологічних структур (мембран, рибосом, ядерного хроматину тощо);

в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих

клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні регулятори — циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо.

біополімери — білки, полісахариди і нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК).

Ліпіди (жири) — не є макромолекулами, оскільки вони не створюють великих ковалентно зв'язаних молекул.

Формування просторової структури білків,біологічне значення цього процесу

У 1959 р датський біохімік К.Ліндерстрем-Ланг запропонував розрізняти 4 рівня структурної організації білків:первинна,вторинна,третинна і четвертинна структури,які визначають відповідно амінокислотну послідовність, упорядковану структуру основного ланцюга поліпептида,трьохмірну структуру білка і структури білкових агрегатів. Ця класифікація панувала до 80 років ХХ ст, коли Шульц і Шимер з урахуванням структурних особливостей білків запропонували доповнити її ще двома рівнями організації: зверхвторичними структурами і доменами. Внаслідок цього склалалось уява про 6 рівнів структурної організації білків з певною організацією, вираженою Шульцем і Шимером в вигляді схеми,за основу в якій покладено визначена генетично детермінована амінокислотна послідовність поліпептидного ланцюга(первинна структура) яка визначає всі наступні більш високі рівні організації

Біологічне значення: В залежності від форми і будови амінокислотних ланцюгів виникають різні рівні організації і різні конформації(що залежить від зміни перерозподілу амінокислотних груп) Розглядаючит молекулярні механізми формування вищих рівнів структурної організації білків, необхідно зауважити,що всі високовпорядковані форми просторової конформації білкових молекул детерміновані первинною структурою поліпептидного ланцюга, тобто амінокислотною послідовністю, яка визначається генетичним кодом клітини, в якій синтезується даний білок. Вторинна, третинна, четвертинна та доменна організації білків є результатом довільного, спонтанного формування просторових угруповань, що спрямовані на досягнення складним біофізичним утворенням, яке являє собою макромолекулу білка, термодинамічно стабільного стану

5.Cутність доменної організації білкових молекул (домен – це проміжна ланка переходу від вторинної до тритинної структури)Аналіз електронної платності білка показує наявність в білках чітко виражених областей – структурних доменів.Молекулярна маса елементарних структурних доменів становить 20кДа.

Домени — структурні ділянки білкових молекул, що являють собою глобулярні утворення всередині білків із третинною структурою. Діаметр глобулярного домену дорівнює в середньому 2,5 нм; до його складу входить 100-150 амінокислотних залишків.Окремі домени є функціонально відносно автономними утвореннями в складі білкових молекул, і доменні білки в цьому відношенні подібні до олігомерних білків. Але, на відміну від білків із четвертинною структурою (олігомерів), окремі доменні глобули утворюються тим самим поліпептидним ланцюгом і,відповідно, зв’язані між собою пептидними фрагментами (“шарнірними” ділянками). Зв’язки між доменами можна розщепити тільки за допомогою протеолітичних ферментів. Прикладами доменних білків є ферменти гліколітичного шляху окислення глюкози — гліцеральдегідфосфатдегідрогеназа та фосфогліцераткіназа у складі яких окремі домени реалізують різні етапи складного каталітичного акту. всі високо впорядковані форми просторової конформації білкових молекул детерміновані первинною структурою поліпептидного ланцюга, тобто амінокислотною послідовністю, яка визначається генетичним кодом клітини, в якій синтезується даний білок.Вторинна, третинна, четвертинна та доменна організації білків є результатом довільного, спонтанного формування просторових угруповань, що спрямовані на досягнення складним біофізичним утворенням, яке являє собою макромолекулу білка, термодинамічно стабільного стану

Захиснафункціябілків

Існують декілька видів захисних функцій білків:

Фізичний захист. У ній бере участь колаген - білок, який утворює основу міжклітинної речовини сполучних тканин (у тому числі кісток, хряща, сухожиль і глибоких шарів шкіри (дерми)); кератин, що становить основу рогових щитків, волосся, пір'я, рогів та ін похідних епідермісу. Зазвичай такі білки розглядають як білки зі структурною функцією. Прикладами цієї групи білків служать фібриногену і тромбіну, які беруть участь у згортанні крові.

Хімічнийзахист. Зв'язування токсинів білковими молекулами може забезпечувати їх детоксикацію. Особливо важливу роль в детоксикації у людини відіграють ферменти печінки, що розщеплюють отрути або переводять х у розчинну форму, що сприяє їх швидкому виведенню з організму.

Імуннийзахист. Білки, щовходять до складу крові та інших біологічних рідин, беруть участь у захисному відповіді організму як на пошкодження, так і на атаку патогенів. Білки системи комплементу і антитіла (імуноглобуліни) відносяться до білків другої групи, вони нейтралізуютьбактерії, віруси або чужорідні білки. Антитіла, що входятьдо складу адаптатівнойімунноїсистеми, приєднуються до чужорідних для даногоорганізмуречовин, антигенів, і тим самим нейтралізуютьїх, спрямовуючи до місцьзнищення. Антитіламожутьсекретироваться у міжклітиннийпростірабозакріплюватися в мембранах спеціалізованихВ-лімфоцитів, якіназиваютьсяплазмоцитами. У той час як ферментимаютьобмеженеспорідненість до субстрату, оскількизанадтосильнеприєднання до субстрату можезаважатипротіканнюкаталізуютьсяреакції, стійкістьприєднанняантитіл до антигену нічим не обмежена.

11.Нуклеосомна організація хромосом

Хромосоми(від грецького χρῶµα і σῶµα) – "забарвлені тільця" – були вперше описані у клітинах, що діляться, у ХІХ столітті. Після того, к Морганом(ThomasHuntMorgan) на початку минулого століття була сформульована хромосомна теорія спадковості, ці тільця стали центральним об'єктом у генетиці. А після відкриття у70-х роках минулого століття нуклеосомної організації хроматину(нуклеопротеїнового "матеріалу", з кого побудовані хромосоми.

Нуклеосома — структурна одиницяхромосоми в неконденсованомухроматиніміститьоктамергістонів, якийскладаєїї стержень. Навколооктамеранакручені два витки ДНК. Гістонимаютьфізіологічнопозитивний заряд завдякинаявності в них великоїкількостіамінокислотлізину та аргініну, а присутністьфосфатнихгруп в нуклеотидах придає ДНК негативного заряду.Іоннавзаємодіяміжпозитивними зарядами гістонів і негативними ДНК, очевидно, є важливою силою стабілізаціїнуклеосом. Доскладунуклеосоми входить від 10 до 60 нуклеотидних пар, які разом з молекулами гістонівскладаютьутворизавтовшки 10 нм (за іншимиданими 11 нм). ДНК міждвоманукеосомамимаєназвулінкерної і товщину 2 нм.

Унікальні властивості ДНК

Молекулярна маса ДНК довгий час не була адекватно визначена, так як при виділенні її довгі молекули зазнавали гідродинамічного розриву. Молярна маса 1000 нуклеотидних пар (типовий розмір гену) становить 660 тис д. Молярна маса ДНК із самої великої хромосоми плодової мушки становить 40 млр: д., а людини приблизно в чотири рази більша
Для ДНК властиве світлопоглинання за рахунок гетероциклів в ультрафіолетовій частині спектру з максимумом біля 260 нм.
Зовнішня поверхня молекули ДНК при рН > 4 несе негативний заряд, завдяки якому утворює комплекси з катіонами металів. Приблизно на 100 нуклеотидних пар припадає один катіон, переважно Mg2+. Також ДНК взаємодіє з поліамінами, які несуть позитивний заряд – високомолекулярними білками гістонами і низькомолекулярними, наприклад спермідином: H2N-(CH2)3-NH-CH2)4-NH2. Утворена таким чином оболонка виконує роль екрану, який захищає ДНК від дії оточення.
Незважаючи на це, тисячі різних речовин та фізичні фактори можуть змінювати ДНК. Молекули антибіотиків та інших біологічно активних речовин можуть втручатись між ланками спіралі, деформуючи її. Радіоактивне випромінювання та радикали, які виникають в клітині, можуть уражати азотисті основи, приводячи доїх окиснення та інших модифікацій. В результаті цього порушується комплементарність ланцюгів, що, в свою чергу, може привести до зміни генетичної інформації – мутації. Наприклад, залишки тиміну, що розташовуються поруч у ланцюгу, під дією ультрафіолетового випромінювання легко утворюють тимінові димери:

Такі зміни можуть призвести до злоякісного перетворення клітин шкіри при тривалому перебуванні під сонячним промінням.
Прикладом хімічного мутагену можуть бути нітрити, які у надлишковій кількості попадають в організм при неправильному харчуванні. Вони викликають дезамінування азотистих основ за схемою:
R-NH2+HNO2®R-OH+N2+H2O
Енольна форма дезамінованої основи перетворюється в кетонну і, в результаті, цитозин замінюється на урацил, аденін - на гіпоксантин, а гуанін – на ксантин. Створені міжнародні та національні регістри речовин, які викликають зміни в структурі ДНК. Вони нараховують більше 10 тис. різноманітних речовин, багато з яких є антропогенними забруднювачами.
Зв’язки, які стабілізують вторинну структуру ДНК, є досить слабкими. Їх руйнування приводить до втрати просторової структури молекули – її денатурації. Як правило, денатурацію або плавлення ДНК викликають нагріванням. ДНК плавиться в діапазоні температур 850 - 950. Чим більше в молекулі пар Г-Ц, тим вище температура плавлення, так як зв’язки в них більш чисельні, ніж в парах А-Т. Критеріями денатурації є збільшення світлопоглинання при 260 нм (гіперхромний ефект), зменшення правого обертання, зменшення в’язкості і збільшення густини ДНК.
Повна денатурація молекули ДНК приводить до розходження комплементарних ланцюгів. При швидкому охолодженні розчину денатурованої ДНК ланюги залишаються у відокремленому стані. Але, якщо протягом якогось часу підтримувати температуру дещо нижчою, ніж значення температури плавлення, то нативна структура можу відтворитися. На цій властивісті грунтується метод дослідження гомологічності нуклеїнових кислот з різних джерел шляхом гібридизації. Він застосовується як в науковому дослідження ДНК з різних організмів, так і в криміналістиці.
В дослідах по гібридизації ДНК з двох різних джерел молекули нуклеїнової кислоти з одного джерела розщеплюють (наприклад, з допомогою ультразвуку) на фрагменти довжиною близько 1000 нуклеотидів і піддають денатурації. Денатуровану ДНК з іншого джерела наносять на певний носій, наприклад агаровий гель. Фрагменти денатурованої ДНК змішують з фіксованими ланцюгами ДНК. При цьому фрагменти ДНК, які мають високий ступінь комплементарності, гібридизуються з ланцюгом ДНК і затримуються на носії, тоді як фрагменти, які не мають комплементарних ділянок в цьому ланцюгу, вільно залишають носій. Ступінь гомології виражають кількісно. На його підставі можна, зокрема довести належність певного біологічного матеріалу конкретній людині, або її близьким родичам.

Принцип компліментарності дозволяє зрозуміти механізм унікального властивості молекул ДНК – спроможністьсамовоспроизводиться. ДНК – це єдиний речовина живими клітинах, що має подібним властивістю. Процес самовідтворення молекул ДНК відбувається за активної участі ферментів. Особливірасплетающие білки послідовно хіба що проходять вздовж системи водневих зв'язків, що з'єднують азотисті підстави обохполинуклеотидних ланцюгів, і розривають їх. Виниклі внаслідок одиночніполинуклеотидние ланцюга ДНК добудовуються відповідно до принципу компліментарності з допомогою ферменту з допомогою вільних нуклеотидів, завжди що у цитоплазмі і ядрі. Навпакигуаниловогонуклеотида стає вільнийцитозиловийнуклеотид, а навпакицитозилового, своєю чергою,гуаниловий тощо. У знову що виникла ланцюга виникаютьуглеводно-фосфатние і водневі зв'язку. Отже, під час самовідтворення ДНК з однієї молекули синтезуються дві нові. Принцип компліментарності дозволяє зрозуміти механізм унікального властивості молекул ДНК – спроможністьсамовоспроизводиться. ДНК – це єдиний речовина живими клітинах, що має подібним властивістю. Процес самовідтворення молекул ДНК відбувається за активної участі ферментів. Особливірасплетающие білки послідовно хіба що проходять вздовж системи водневих зв'язків, що з'єднують азотисті підстави обохполинуклеотидних ланцюгів, і розривають їх. Виниклі внаслідок одиночніполинуклеотидние ланцюга ДНК добудовуються відповідно до принципу компліментарності з допомогою ферменту з допомогою вільних нуклеотидів, завжди що у цитоплазмі і ядрі. Навпакигуаниловогонуклеотида стає вільнийцитозиловийнуклеотид, а навпакицитозилового, своєю чергою,гуаниловий тощо. У знову що виникла ланцюга виникаютьуглеводно-фосфатние і водневі зв'язку. Отже, під час самовідтворення ДНК з однієї молекули синтезуються дві нові.

Унікальна властивість молекули ДНК подвою­ватися перед поділом клітини називається ре­плікацією. Ця властивість зумовлена особливі­стю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбу­вається в ядрі під час S-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. Реплікація ДНК - найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забез­печення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожно­го виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, зберігати незмін­ність нуклеотидної послідовності генетичного коду.

 

Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними нітратними основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги й відповідно втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватися завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними ну-
клеотидами. Важлива властивість молекул ДНК – їхня здатність до самоподвоєння. Це явище ще називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею. Реплікація ДНК – напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному – синтезованому заново. Завдяки цьому дочірні молекули ДНК є точною копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім

№ 9 Роль метильної групи у складі азотистих основ у збереженні та реплікації спадкової інформації.

ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів, наприклад метилювання). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін — тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні функції. Ділянки кодуючої послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами.

 

Механізми транскрипції.

Транскрипція (ггапзсгіріїоп) - процес синтезу РНК з використанням одного з ланцюгів ДНК як матриці, тобто “переписування” послідовно­сті нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів РНК. Зростання лан­цюга РНК відбувається в напрямку від 5'- до З'-кінця. Субстратами ре­акції є З'-кінцева ОН-група рибози зростаючого транскрипту (ланцю­га РНК, що синтезується) і рибонуклеозидтрифосфати. Фермент, що каталізує цю реакцію - ДНК-залежна РНК-полімераза Приступаючи до розгляду прокаріотичної системи транскрипції, слід зауважити, що молекулярні механізми син­тезу РНК є в основному спільними для всіх живих організмів.

Бактеріальна РНК-полімераза складається з кількох білкових субодиниць та існує, залежно від стадії транскрипції, у двох формах: 1) ко-фермент у складі субодиниць, що позначаються як а (дві копії), Р, Р' та ω; 2) голофермент - комплекс кор-ферменту із субодиницею а. Кор-фермент має досить високу неспе­цифічну спорідненість до ДНК, що дозволяє йому працювати на різ­номанітних послідовностях. Поява субодиниці а у складі голофермен-ту приводить до зниження загальної неспецифічної спорідненості, але при цьому виникає специфічна спорідненість до особливих ділянок, з яких транскрипція має розпочинатися – промоторів.

За рахунок цього голофермент має змогу ефективно перебирати (шляхом зв'язування та швидкої дисоціації) різноманітні ділянки ДНК, здійснюючи пошук промотора, взаємодія з яким є міцнішою. Отже, субодиниця σ виконує роль загального фактора ініціації транс­крипції. Різні промотори розрізняються за спорідненістю до голофер-менту (силою промотора). Відповідно, упізнання слабких промоторів залежить від додаткових, специфічних для даного гена чи групи ге­нів, факторів ініціації (див. нижче).

Робочий цикл РНК-полімерази складається з наступних стадій.

• Ініціація транскрипції, яка також є багатостадійним проце­
сом:

о зв'язування голоферменту з промотором. У результаті фор­мується закритий комплекс, у складі якого ДНК зберігає форму подвійної спіралі;

о локальне плавлення подвійної спіралі з утворенням від­критого комплексу – розходження ланцюгів ДНК, яке до­зволяє використовувати один з них як матрицю;

о включення перших двох нуклеотидів до молекули РНК (син­тез першого фосфодіефірного зв'язку в активному центрі полімерази) – найповільніша стадія процесу;

о зростання первинного короткого транскрипту – приєд­нання 8–9 нуклеотидів. Після цього є можливою абортивна ініціація (визволення короткого транскрипту), тобто не­вдала спроба ініціації;

о в іншому випадку відбувається очищення промотора – дисоціація σ-фактора, яка маркує перехід до елонгації транскрипції.

• Елонгація транскрипції, у кожному елементарному акті якої (елонгаційному циклі) відбувається приєднання чергового ну-клеотиду до 3'-кінця РНК і пересування кор-ферменту на один нуклеотид уздовж матриці (транслокація).

• Термінація транскрипції при впізнанні полімеразою спеціа­льного сигналу термінації (особливого елемента послідовнос­ті), коли відбувається визволення транскрипту. Далі кор-фермент знову взаємодіє з σ-субодиницею і здійснює новий пошук промотора.

Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білко­вих генів є те, що молекула мРНК зв'язується з рибосомами безпосе­редньо під час транскрипції – транскрипція мРНК і білковий синтез є єдиним процесом.

Такі клітини називаються стовбуровими клітинами у тварин і меристематичними клітинами (клітинами твірної тканини) у вищих рослин. Клітина, яка може диференціюватися у всі клітинні типи, властиві даному організму, називається тотипотентною. У ссавців тільки зигота і ранні ембріональні клітини є тотипотентними, тоді як у рослин багато навіть диференційованих клітин можуть стати тотипотентними в лабораторних умовах.

Експре́сія ге́нів — процес, при якому спадкова інформація генів, наприклад нуклеотидна послідовність, використовується для синтезу функціонального генетичного продукту, наприклад білка або РНК.

Якщо кінцевим продуктом є білок, процес експресії генів називається біосинтезом білків, що складається із кроків транскрипції, сплайсингу, трансляції та посттрансляційної модифікації. В інших випадках, наприклад для генів, що кодують рРНК або тРНК, набір кроків дещо відрізняється. Для експресії генів може використовуватися як генетична інформація, так і епігенетична. Застарілий термін «реалізація генетичної інформації» посилається тільки на інформацію першого типу, якої, проте, може бути недостатньо для отримання функціонального продукту.

Експресія генів в багатох випадках активно регулюється, змінюючи час та кількість синтезованого генетичного продукту. Кілька кроків у процесі експресії генів можуть модулюватися, зокрема транскрипція і посттрансляційна модифікація. Регулювання експресії генів надає клітині контроль за кількістю та структурою синтезованих біополімерів і є основою диференціації клітин, морфогенезу і адаптації організму до умов навколишнього середовища. Регулювання експресії генів також може приводити до еволюційних змін.

Процес експресії генів відбувається в організмах усіх живих істот: еукаріотів (у тому числі в багатоклітинних організмах), прокаріотів (у бактерій і археїв), а також вірусів — для створення макромолекулярних основ для їх життєдіяльності. Деякі процеси, які відбуваються під час експресії генів можуть модулюватися певними чинниками, наприклад транскрипція, сплайсинг РНК, трансляція і посттрансляційна модифікація білка.

Експресія генів забезпечує підтримання структури та функції клітини, що є основою для диференціації клітин, морфогенезу, а також універсальної адаптованості будь-якого організму до умов існування. Регуляція генів може також служити в якості субстрату для еволюційних змін, оскільки контроль за часом, місцем і інтенсивністю експресії генів може мати величезний вплив на функції (дію) генів у клітині або у багатоклітинному організмі.

У генетиці, вплив експресії генів розглядається на фундаментальному рівні, адже під час цього процесу під дією генотипу формується фенотип. Генетичний код зберігається у ДНК у вигляді нуклеотидної послідовності «яка інтерпретується» під час експресії генів, а властивості продуктів експресії генів призводить до формування фенотипу організму.

№27Рибосома як мультиферментний комплекс

Рибосома. рибонуклеопротеїдний комплекс, який складається

із двох субодиниць.Компоненти рибосоми прийнято позначати коефіцієнтами седиментації. коефіцієнтами пропорційності,що показують, наскільки зростає швидкість руху частинки при цен-

трифугуванні зі зростанням відцентрової сили (швидкості обертання ротора центрифуги). Коефіцієнт седиментації використовується як міра рухливості частинки, залежить від її маси, об’єму та форми, вимірюється у сведбергах (S). позастистемних одиницях, які мають

розмірність часу (1S = 10.13 с).Маленька субодиниця прокаріотичної рибосоми з коефіцієнтом седиментації 30S, містить одну молекулу рРНК (16S) і 21 молекулу рибосомних білків, що позначаються як S1.S21 (від Small subunit). Велика субодиниця містить дві молекули рРНК (23S і 5S) і білки L1.L36 (відLarge subunit). цей комплекс седиментує з коефіцієнтом 50S. Об’єднання субодиниць дає рибосому з коефіцієнтом седиментації 70S оскільки коефіцієнт седиментації залежить від форми частинки, він не є адитивною величиною. Еукаріотична рибосома містить трохи більшу 18S рРНК замість 16S, дві рРНК, що міцно взаємодіють між собою(28S і 5,8S), замість 23S і більшу кількість білків. Структура обох ри-

босом і принципи їхньої роботи подібні.Синтез еукаріотичних рРНК 18S, 5,8S і 28S здійснюється в ядерці,яке формується на тандемних повторах кластера відповідних геніврРНК (див. рис. 4.6). Первинний транскрипт, що синтезується РНК-полімеразою І, має константу седиментації 45S і містить три фрагментимайбутніх рРНК, розділені спейсерами. Процесинг рРНК. деградація

спейсерів, а також модифікація певних основ і метилування 2’-ОН групп специфічних рибоз. здійснюється за участю близько 150 типів маленьких ядерцевих РНК (snoRNA. small nucleolar RNA), які, аналогічно до маленьких ядерних РНК, визначають специфічні сайти деградації та

модифікацій. Частина маленьких ядерцевих РНК синтезується на певних генах РНК-полімеразами ІІ та ІІІ. Але велика кількість цих РНК є інтронами, що визволяються в результаті сплайсингу мРНК білкових генів.5S рРНК синтезується РНК-полімеразою ІІІ на окремих кластерах відпо-

відних генів поза ядерцем. В ядерці, практично одночасно з процесин гом рРНК відбувається її поступова взаємодія з рибосомними білками, до ядерця ж дифундує комплекс 5S рРНК з білками: утворюються субодиниці рибосоми, які далі транспортуються до цитоплазми.

№28Фактори трансляції та їх роль в експресії генів

Експре́сія ге́нів — процес, при якому спадкова інформація генів, наприклад нуклеотидна послідовність, використовується для синтезу функціонального генетичного продукту, наприклад білка або РНК.

Якщо кінцевим продуктом є білок, процес експресії генів називається біосинтезом білків, що складається із кроків транскрипції, сплайсингу, трансляції та посттрансляційної модифікації. В інших випадках, наприклад для генів, що кодують рРНК або тРНК, набір кроків дещо відрізняється. Для експресії генів може використовуватися як генетична інформація, так і епігенетична. Застарілий термін «реалізація генетичної інформації» посилається тільки на інформацію першого типу, якої, проте, може бути недостатньо для отримання функціонального продукту.

Експресія генів в багатох випадках активно регулюється, змінюючи час та кількість синтезованого генетичного продукту. Кілька кроків у процесі експресії генів можуть модулюватися, зокрема транскрипція і посттрансляційна модифікація. Регулювання експресії генів надає клітині контроль за кількістю та структурою синтезованих біополімерів і є основою диференціації клітин, морфогенезу і адаптації організму до умов навколишнього середовища. Регулювання експресії генів також може приводити до еволюційних змін.

Трансляція відбувається в цитоплазмі, де знаходяться рибосоми клітини. Під час трансляції, інформація, що міститься в мРНК, розшифровується згідно з правилами, відомими як генетичний код, та використовується для синтезу закодованої поліпептидної послідовності. Процес трансляції можна поділити на чотири фази: активацію, ініціацію, елонгацію та термінацію.

При активації, відповідна амінокислота (аа) приєднується до відповідної транспортної РНК (тРНК). Хоча ця стадія часто розглядається окремо від трансляції, вона необхідна для її початку. Зв'язана з амінокислотою тРНК називається аміноацил-тРНК або «зарядженою» тРНК. При ініціації мала субодиниця рибосоми зв'язується з 5'-кінцем мРНК за допомогою факторів ініціації (IF), іншіх білків, що допомагають процесу. Елонгація відбувається, коли чергова аміноацил-тРНК використовується для збільшення поліпептидного ланцюжка. Термінація відбувається, коли рибосома зустрічає стоп-кодон (UAA, UAG або UGA), для якого не існує відповідної тРНК, при цьому відбувається звільнення поліпептидного ланцюжка.

Для здійснення процесу трансляції в клітинах усіх без винятку організмів існують спеціальні органели — рибосоми. Рибосоми є рибонуклеопротеїдними комплексами, побудованими з 2 субодиниць: великої і малої. Функція рибосом полягає в розпізнаванні тринуклеотидних кодонів мРНК, підбору відповідних ним амінокислот і приєднанні цих амінокислот до білкового ланцюжка, що росте. Рухаючись уздовж молекули мРНК, рибосома розпізнає кодон за кодоном і синтезує білок відповідно інформації, закладеної в молекулі мРНК.

Для розпізнавання амінокислот в клітині існують спеціальні «адаптери», молекули транспортної РНК (тРНК). Ці молекули, що мають форму конюшинового листа, мають ділянку (антикодон), комплементарну кодону мРНК, та іншу ділянку, до якої приєднується амінокислота, що відповідає цьому кодону. Приєднання амінокислот до тРНК здійснюється в екзоенергетичній реакції ферментами аміноацил-тРНК-синтетазами, а молекула, що отримається в результаті, називається аміноацил-тРНК. Таким чином, специфічність трансляції визначається взаємодією між кодоном мРНК і антикодоном тРНК, а також специфічністю аміноацил-тРНК-синтеназ, що приєднують амінокислоти строго до відповідних їм тРНК (наприклад, кодону GGU відповідатиме тРНК, що містить антикодон CCA, а до цієї тРНК приєднуватиметься тільки амінокислота гліцин).

Механізми трансляції прокаріотів (бактерій та архей) і еукаріотів істотно відрізняються, тому багато речовин, що пригнічують прокаріотичну трансляцію, в значно меншому ступені діють на трансляцію еукаріотичних організмів, що дозволяє використовувати їх у медичній практиці як антибактеріальні засоби, безпечні для організму ссавців.

Оскільки кожен кодон містить три нуклеотида, один і той же генетичний «текст» можна прочитати трьома різними способами (починаючи з першого, другого і третього нуклеотидів), тобто в трьох різних рамках зчитування. За деякими цікавими винятками, значущою є інформація, закодована тільки в одній рамці зчитування. З цієї причини украй важливим для синтезу білка рибосомою є її правильне позиціонування на стартовому AUG-кодоні — під час ініціації трансляції.

№29 Рекогниція та її місце в біосинтезі білка

Рекогніція – приєднання амінокислоти до своєї специфічної тРНК під контролем ферменту. зму.

Синтез білків – це процес формування складних полімерних послідовностей з амінокислот-мономерів. Білки є основою структури, метаболізму і функціонування клітин. Кожен білок має визначений термін функціонування. За певний термін функціонування (звичайно за кілька годин) білки зношуються й руйнуються клітиною. Таким чином, щоб довгостроково існувати, клітини повинні постійно знову синтезувати ті самі білки. Синтез здійснюється за схемою: ДНК-РНК-білок. Інформація, що міститься в ДНК, передається синтезованому білку через РНК. Процес переносу інформації з молекул РНК на упорядковану структуру амінокислот у поліпептидний ланцюг називається трансляцією. Процес біосинтезу поліпептидного ланцюга на рибосомах по інструкції, записаній в молекулі мРНК у формі генетичного коду, називається синтезом білків. Для синтезу білків потрібна енергія, наявність достатньої кількості вільних амінокислот, рибосом і комплексу ферментів.

Амінокислоти надходять у клітину ззовні, а також утворюються в результаті руйнування власних спрацьованих білків. Синтез білків здійснюється у такій послідовності: ініціація, елонгація, термінація і модифікація.

У еукаріот синтез білків здійснюється в цитоплазмі, куди крізь ядерні пори надходять мРНК, тРНК і субодиниці рибосом.

Процеси транскрипції (синтезу РНК) і трансляції (синтезу поліпептидів) відокремлені ядерною оболонкою, тому вони проходять не одночасно.

Перенос інформації з ДНК на посередник називається транскрипцією. Це – перший етап біосинтезу. Транскрипція у клітині відбувається в основному під час інтерфази і реалізується у два етапи. Всі молекули ДНК кожної клітини містять інформацію про амінокислотний склад всіх необхідних організму білків. Оскільки ДНК не може переміщюватися до місця синтезу білків у цитоплазму, для того, щоб керувати цим процессом, інформація про структуру білків передається через посередників: молекули мРНК. В ході транскрипції утворюється всі три типи РНК – матрична, транспортна і рибосомна. РНК-полімераза починає синтезувати новий ланцюг з спеціальної послідовності нуклеотидів ДНК – промотора і закінчує його на іншій спеціальній послідовності – термінаторі. У прокаріот швидкість полімеризації при 370С складає приблизно 30-45 нуклеотидів за секунду, тому синтез ланцюга РНК довжиною 5000 нуклеотидів триває біля 3 хвилин.

Зчитування спадкової інформації регулюється спеціальними білками. Гістонові білки не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами, тому що перешкоджають зчитуванню генетичної інформації. Початок зчитування інформації пов'язано зі звільненням визначеної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів. Цей процес здійснюється з допомогою спеціальних білків, які прикріплюються до визначених ділянок ланцюга ДНК. Вони фосфорилюються і отримують негативний заряд, завдяки чому сполучаються з позитивно зарядженими гістонами і від'єднують їх з нитки ДНК. Ген стає доступним для ферментів транскрипції.

 

№30Роль аміноацил т-РНК -синтетази в трансляції

Трансляция (от лат. translatio — перевод) — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой.

Аміноацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) - фермент синтетаза, що каталізує утворення аміноацил-тРНК в реакції етерифікації певної амінокислоти з відповідною їй молекулою тРНК. Для кожної амінокислоти існує своя аміноацил-тРНК-синтетаза.

АРСази забезпечують відповідність нуклеотидних триплетів генетичного коду (антикодон тРНК) вбудовуваних в білок амінокислот, і, таким чином, забезпечують правильність того, що відбувається в подальшому зчитування генетичної інформації з мРНК при синтезі білків на рибосомах.

Механізм

Синтез білка є основою життєдіяльності клітини. Для здійснення цього процесу в клітинах всіх без винятку організмів є спеціальні органели - рибосоми. Рибосоми являють собою рібонуклеопротєїдних комплекси, побудовані з 2 субодиниць: великої і малої. Функція рибосом у впізнаванні трибуквених (трехнуклеотідних) кодонів мРНК, зіставленні їм відповідних антикодон тРНК, несучих амінокислоти, і приєднання цих амінокислот до зростаючої білкової ланцюга. Рухаючись вздовж молекули мРНК, рибосома синтезує білок у відповідності з інформацією, закладеною в молекулі мРНК.