Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Генетичний механізм контролю синтезу білку.




Біосинтез білку.

 

На долю білків в клітині припадає більше половини її сухої маси. Для підтримання клітинної структури та функцій, забезпечення процесів росту та диференціювання ведучу роль відіграє синтез білку. Молекулярні механізми, що є основою такого синтезу, надзвичайно складні, тому розглянемо їх у самих загальних рисах.

 

Генетичний механізм контролю синтезу білку.

ДНК і РНК. Вже на початку минулого століття було з’ясовано, що спадкова інформація зберігається у ядрі клітини. Тривалий час вчені не могли зрозуміти, які саме структури ядра відповідають за спадковість – білок, чи нуклеїнові кислоти. Справа в тім, що хромосоми, яким приписували саме ці функції, складаються наполовину з білку та нуклеїнових кислот. В 1944 році це питання було з’ясоване зусиллями американських вчених О.Евері, К.Мак-Леодом та М.Мак-Карті. Носієм спадкової інформації є ДНК.

В роботах Ервіна Чаргаффа було показано, що кількість аденіну в ДНК дорівнює кількості тиміну (А = Т), а Г = Ц. Загальна кількість азотистих основ скдадала А + Т = Г+ Ц. Ця закономірність відома як правило Чаргаффа.

Дослідження Е.Чаргаффа стали основою для відкриття будови ДНК Дж.Уотсоном та Ф.Кріком. Ними був сформульований принцип комплементарності азотистих основ, що заклало розуміння механізму точного копіювання молекул ДНК.

Виходячи із сучасних уявлень про будову ДНК, можна визначити її окремі ділянки – гени, які є носіями спадкової інформації окремої ознаки.

Також було відомо, що ознаки організмів зумовлені різними видами білкових полімерів. Самі поліпептиди утворюються на рибосомах в цитоплазмі. Тому виникало питання – яким чином інформація про спадкові ознаки передається з ядра в цитоплазму до місця синтезу білку? Іншими словами – який механізм контролю синтезу білку?

В 30-ті роки ХХ століття було встановлено, що крім ДНК в клітинах присутня ще одна нуклеїнова кислота – РНК. В 40-50-х роках виявили велику кількість РНК саме в місцях синтезу білка. Було зроблено припущення, що саме РНК переносить інформацію

з ДНК в цитоплазму. В 1961 році це припущення було реалізоване в чіткій гіпотезі Франсуа Жакоба та Жака Моно. Вони назвали таку РНК інформаційною, а скорочено і-РНК.

Пошуки вчених в 50- роках сприяли відкриттю ще одного типу РНК – транспортної РНК (1958 рік), а скорочено т-РНК. Крім того було встановлено, що т-РНК приєднують амінокислоти і звільняються від них на рибосомах при контакті з іншою РНК. В 1965 році американський біохімік Роберт Холлі втановив будову т-РНК (рис.43). Була виявлена специфічність т-РНК до кожної амінокислоти, тобто кожному виду амінокислоти відповідає своя окрема т-РНК (рис.43).

Поступово були відкриті і експериментально підтверджені основні етапи синтезу білку в клітині. Це транскрипція (переписування) та трансляція (перевод) – втілення генетичного коду в послідовність амінокислот в поліпептиді.

Транскрипція. Синтез білку починається з синтезу на ДНК і-РНК або так званої матричної РНК (м-РНК). Під матрицею розуміють ту структуру, з якої знімають копію. Ці дві назви РНК застосовуються рівнозначно в різній літературі.

Частина подвійної спіралі ДНК розкручується і вздовж одного з її ланцюгів рухається фермент. Він вибудовує нуклеотиди і-РНК в точній послідовності згідно комплементарності: проти аденіну ДНК становиться урацил, а проти гуаніну – цитозин; проти тиміну ДНК – аденін РНК, а проти цитозину – гуанін. Одночасно ці нуклеотиди РНК з’єднуються в ланцюг (рис.44).

На ділянці ДНК, з якої списується інформація, утворюються РНК трьох типів: інформаційна (матрична), транспортна і рибосомна. Інформаційна РНК несе генетичні інструкції про структуру білкової молекули; транспортна – постачає рибосоми амінокислотами; рибосомна РНК входить безпосередньо до структури самої рибосоми. Транскрипція відбувається в межах одного гену. Таким чином в синтезі різних типів РНК беруть участь різні гени.

 

Рис.43. Будова типової т-РНК. Зліва схематиичне зображення, а зправа – тримірна реконструкція. У всіх видів т-РНК на петлі 2 розташований антикодон, а до кінця ланцюга з нуклеотидами ЦЦА (ССА) завжди приєднується відповідна амінокислота.

Рис.44. Транскрипція: подвійний ланцюг ДНК розкручується, спеціальний фермент РНК-полімераза рухається вздовж ДНК і використувуючи один з її ланцюгів як матрицю за принципом комплементарості, синтезує і-РНК.

Полімери нуклеїнових кислот та поліпептиди мають різний мономерний склад. В першому випадку «буквами алфавіту» є нуклеотиди, а в другому – амінокислоти. Яким же чином один тип кодування транслюється в інший?

Генетичний код. Складні молекули білків та нуклеїнових кислот мають нерозгалужену структуру. При простих розрахунках стає очевидним, що 20 амінокислот білкових молекул не можуть кодуватися одним нуклеотидом ДНК. Враховуючи, що нуклеотидів всього чотири, то 16 інших амінокислот взагалі не потраплять до поліпептиду. Якщо скомбінувати чотири нуклетида по два, то отримаємо всього 16 таких комбінацій, що також не вистачає. Комбінація з чотирьох по три дає 64 варіанти, а цього вистачає і навіть з запасом. Такі комбінації по три нуклеотиди називають триплетами або кодонами. Таким чином довжина “знаку”, що кодує кожну амінокислоту на ДНК, дорівнює трьом нуклеотидам.

В 60-ті роки ХХ століття почалися активні дослідження по виявленню який саме триплет кодує яку амінокислот. Шляхом впровадження орігінальних методик із штучними РНК було визначено, наприклад, що РНК, яка складалася лише з урацилових нуклеотидів, синтезувала білок лише з однієї амінокислоти – фенілаланіну. Таким чином, триплет (кодон) УУУ відповідав за синтез амінокислоти фенілаланіну. Відповідно на ДНК такий триплет має ААА. До 1965 року було розшифровано весь генетичний код (див. табл.1).

Таблиця 1.

Ала Арг Асп Асн Цис Глу Глн Глі Гіс Іле
ГЦУ ГЦГ ГЦЦ ГЦА ЦГУ ЦГГ ЦГЦ ЦГА АГГ АГА ГАУ ГАЦ ААУ ААС УГУ УГЦ ГАГ ГАА ЦАГ ЦАА ГГУ ГГГ ГГЦ ГГА ЦАУ ЦАЦ АУУ АУЦ АУА
Лей Ліз Мет Фен Про Сер Тре Три Тир Вал
ЦУУ ЦУГ ЦУЦ ЦУА УУГ УУА ААГ ААА АУГ УУУ УУЦ ЦЦУ ЦЦГ ЦЦЦ ЦЦА УЦУ УЦГ УЦЦ УЦА АГУ АГЦ АЦУ АЦГ АЦЦ АЦА УГГ УАУ УАЦ ГУУ ГУГ ГУЦ ГУА
                                     

Серед 64-х варіантів кодонів три не відповідають ні одній амінокислоті. Це УАА, УАГ, УГА – так звані стоп-кодони, які переривають синтез білка. 61 варіант, що залишився, забезпечують кодування всіх амінокислот, багато яких кодуються більш ніж одним кодоном.

Закодована послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу зчитується з визначеної ділянки. Наприклад, при послідовності нуклеотидів на РНК УЦУАГАГЦУА зчитування зліва направо дає послідовність амінокислот серин – аргінін – аланін. Якщо почнемо зчитування з другого нуклеотиду, то отримаємо зовсім іншу послідовність. Тепер стає зрозумілим, що найменша помилка чи на ДНК, чи при транскрипції здатна водночас змінити структуру білкової молекули. Такі помилки викликаються мутаціями. Різноманітність мутацій необмежена, як і необмежені наслідки, що ними викликаються: від відсутності будь-яких змін до нездатності клітини синтезувати нормальний білок.

В ДНК еукаріотичних клітин між генами розташовані ділянки, які не несуть інформації про структуру білка. Це так звані інтрони. При транскрипції такі ділянки також зчитуються на і-РНК, але при виході її з ядра відбувається своєрідна підготовка – процесинг. При процесингу відбувається видалення видалення неінформативних ділянок (інтронів). Ділянки інтронів “вирізаються” і і-РНК знов “зшивається”. Такий процесинг отримав назву сплайсингу (від англ. splise зрощувати).

Таким чином перед виходом в цитоплазму РНК перебудовується, значно зменшивши за рахунок процесингу свою молекулярну масу.

Трансляція.Для синтезу білку необхідні м-РНК, рибосоми, амінокислоти, ферменти та АТФ. Послідовність всього процесу трансляції виглядаї таким чином. м-РНК виходить в цитоплазму і до неї приєднуються рибосоми. Їх кількість може бути різна – від однієї до 100. Місце прикріплення м-РНК до рибосоми називають активним центром. Він розташований ма межі двох субодиниць рибосоми.

Транспортні РНК приєднують відповідні амінокислоти і транспортують їх до місця синтезу. На протилежному від місця прикріплення амінокислоти кінці т-РНКрозташований триплет, який носить назву антикодону. Цей антикодон комплементарний відповідному кодону на м-РНК (рис.45).

 

Рис.45. Схема перших етапів трансляції: 1) за допомогою відповідного ферменту амінокислота, наприклад, метіонін, з’єднується з відповідною т-РНК; 2) т-РНК, що траспортує метіонін, “знаходить” на м-РНК комплементарний антикодону (УАЦ) кодон (АУГ) і амінокислота залишається на рибосомі.

 

Наступний етап – утворення ініціативного комплексу рибосоми, м-РНК, т-РНК, ферментів та АТФ. Цей комплекс умовно складається з трьох сайтів – Е, Р, А (в латиниці). Процес трансляції (процесинг) починається з фіксації т-РНК на А сайті. На активному центрі рибосоми (сайт Р) антикодон т-РНК спарюється з кодоном м-РНК, а відповідна амінокислота залишається на рибосомі. Наступна т-РНК також залишає амінокислоту при співпаданні її антикодону та кодону м-РНК. Між двома амінокислотами при участі ферменту та АТФ виникає пептидний зв’язок (рис. ). Така процедура повторюється багаторазово відповідно типлетному коду м-РНК. Просунувшись на сайт Е т-РНК покидають рибосому і повертаються в цитоплазму за новою амінокислотою. Поліпептидний ланцюг поступово нарощується і по завершенню синтезу набуває потрібної конформації (рис.46).

 

Рис.46. Нарощування поліпептидного ланцюга при трансляції (рибосома рухається вздовж м-РНК сліва направо): на активному центрі рибосоми між двома амінокислотами виникає пептидний зв’язок і “відпрацьована” т-РНК повертається в цитоплазму за новою амінокислотою; наступна т-РНК (Про), антикодон якої комплементарний кодону м-РНК, залишає амінокислоту на рибосомі.

 

Синтез білкової молекули триває до стоп-кодона на м-РНК. Часто одна молекула м-РНК транслює синтез кількох поліпептидних ланцюгів і може використовуватися не один раз. По закінченню синтезу ферменти руйнують м-РНК (рис.47).

Рис.47. Загальна схема трансляції: як правило, до м-РНК приєднується багато рибосом, утворюючи полісому (полірибосому); на кожній рибосомі паралельно синтезується відповідна кількість молекул білку; по завершенню синтезу білок набуває відповідної конформації, а рибосоми розпадаються на субодиниці.

 

Викладена схема трансляції вивчена на клітинах прокаріот. Відносно еукаріот багато чого залишається неясним. Наприклад, невідомий механізм початку синтезу, а у прокаріот він починається з приєднання до рибосоми кодону АУГ.

 

3.1.2. Регуляція синтезу білку.

 

Звичайно ДНК зберігає інформацію про синтез сотен білкових молекул. Але клітина синтезує потрібні білки у визначений час і в необхідній кількості. Тобто реакції біосинтезу білку підпорядковуються певним регуляторним механізмам.

Такі механізми існують, наприклад, на рівні транскрипції. Дослідження на клітинах прокаріот показали, що м-РНК бактерій існує близько 2-х хвилин, а потім вона розпадається до нуклеотидів. Для організації нового синтезу необхідно знов все починати з транскрипції – утворення і-РНК на ДНК. Такий спосіб регуляції досить ефективний і підтримує сталість біосинтезу.

У еукаріот регуляція відбувається на рівні трансляції. Тут тип білку і його кількість визначаються м-РНК. Але більш тонкі механізми регуляції залишаються загадковими.

Регуляція у прокаріот. У 1961 році вже відомі нам Ф.Жакоб і Ж.Моно висунули гіпотезу, яка пізніше отримала назву “концепції гена-оперона Жакобо-Моно”. Досліди, що були проведені цими вченими на бактеріальній клітині кишкової палички, стали класичними і були оцінені Нобелевською премією.

Згідно цієї гіпотези крім структурних генів, які визначають послідовність амінокислот в молекулі білку, на ДНК існують так звані регуляторні гени або гени-регулятори . Ділянка гена-регулятора, що межує із структурним геном називається оператором. Оператор і структурні гени називаються опероном. Ген-регулятор містить інформацію про спеціальний білок-репресор, який приєднуючись до оператора блокує його активність – “вимикає”. Якщо репресор не приєднується до оператора, то він залишається “ввімкнутим” – відбувається транскрипція і синтез і-РНК з подальшою трансляцією.

Механізм блокування оператора репресором досить простий. В молекулі білка-репросора є дві активних ділянки. До однієї з них може приєднуватися молекула так званого індуктора, а іншою репресор приєднується до оператора, який блокує весь оперон. Приєднання індуктора змінює структуру репресора і він не здатний приєднатися до оператора, і, таким чином, оператор “вмикає” структурний ген.

Функцію репресора можуть виконувати продукти синтезу, які з’являються в надлишку. Такі речовини носять назву корепресорів. Наприклад, кишкова паличка синтезує амінокислоту триптофан. При надлишку цієї амінокислоти вона діє як корепресор, приєднуючись до білка-репресора. Потім вони разом приєднуються до гена-оператора блокують його активність (рис.48).

Рис.48. Механізм репресії ферменту, що каталізує синтез амінокислоти триптофану: ген-регулятор синтезує неактивну молекулу білка-репресора; якщо амінокислоти триптофану в надлишку, то вона приєднується до репресора і активізує його; активна молекула репресора блокує оператора; оператор припиняє синтез і-РНК і транскрипція не відбувається; припиняється трансляція і фермент не синтезується; припиняється синтез триптофану.

В іншому випадку речовина, яка використовується в метаболізмі, приєднується до репресора і не дає йому можливості приєднатися до оператора (рис.49). Оператор, на який тепер не діє репресор, “вмикає” синтез необхідних для метаболізму даної речовини ферментів. Прикладом такого механізму регуляції є знов-таки кишкова паличка. При вирощуванні її на поживному середовищі з глюкози ген-оператор синтезує відповідний білок-репресор. Він блокує роботу структурних генів і відповідні ферменти не синтезуються. При внесенні в поживне середовище лактози, вона починає діяти як індуктор, приєднуючись до репресора. Оператор “звільняється” від репресора і “вмикає” структурні гени, які синтезують ферменти для розщеплення лактози.

Більш пізніми дослідженнями було встановлено, що поряд з оператором розташований промотор. Він виконує дві функції. Перша – він зумовлює приєднання ферменту, що каталізує транскрипцію (РНК-полімераза). Друга – визначення спіралі ДНК, з якої буде відбуватися транскрипція.

 

Рис.49. Механізм авторегуляції субстратом: субстрат, який необхідно розщепити – лактоза – приєднується до репресора, відриває його від ДНК, “вмикається” структурний ген , відбувається транскрипція, потім трансляція синтезу відповідного ферменту, який розщеплює лактозу;

 

Регуляція в еукаріот. Білковий синтез в клітинах вищих організмів ще більш складніший і ще менш зрозумілий. Встановлено, що така регуляція відбувається на всіх етапах синтезу білку, починаючи з транскрипції. Як приклад можна розглянути дію стероїдних гормонів. Статевий гормон тестостерон контролює формування вторинних статевих ознак. Він приєднується до особливих, чутливих до стероїдів, білків і транспортується в ядро клітини. Там включаються певні гени і починається синтез відповідних білків. Такі гормони діють вибірково і лише на ті клітини, які мають рецептори до стероїдів.

 

 


Поделиться:

Дата добавления: 2015-09-13; просмотров: 203; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.005 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты