Реферат: Синтез белка

      Данный программный продукт представляетсобой переводчик последовательностей РНК в последовательности ДНК, в результатечего позволяет получать максимально полное описание белковой структуры, котораяобразуется из заданной последовательности РНК. Программа содержит базу данных,включающую в себя подробную информацию о каждой аминокислоте, а также примерынаиболее распространенных в природе последовательностей аминокислот. Крометого, программа позволяет получить описание белковой структуры, которая получаетсяиз заданной самим пользователем последовательности. Имеется возможность увидетьне только сугубо научное описание синтезируемого белка, но и его трехмерноеизображение, т.е. модель, которая может вращаться в реальном времени. Этопозволяет расмотреть молекулу белка с разных сторон (вращение происходитотносительно выбранного пользователем атома).

      Программа содержит теоретическуюинформацию о процессе биосинтеза белка. Подробно рассматриваются основные этапыбиосинтеза и их условия.

      Использование программы подробнообсуждается в руководстве пользователя, которое к настоящей программеприлагается.

ВВЕДЕНИЕ   

ФУНКЦИИ БЕЛКА    

УСЛОВИЯ И ЭТАПЫБИОСИНТЕЗА БЕЛКА  

ТРАНСЛЯЦИЯ ИОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИНТЕЗУ БЕЛКА В БЕСКЛЕТОЧНОЙ СИСТЕМЕ  

Рибосомы   

Аминоацил-тРНК-синтетазы.   

Транспортные РНК 

ПРИРОДАГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА  

ЭТАПЫ СИНТЕЗАБЕЛКА    

Активированиеаминокислот   

Процессытрансляции.   

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕСВЕДЕНИЯ ОБ АМИНОКИСЛОТАХ И НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВЫХ ВЕЩЕСТВАХ.   

КЛАСС ОРАНИЧЕСКИХСОЕДИНЕНИЙ АМИНОКИСЛОТЫ     

КЛАССИФИКАЦИЯАМИНОКИСЛОТ   

КОНКРЕТНЫЕАМИНОКИСЛОТЫ:    

Аланин     

Аргинин    

Глицин     

Гистидин   

Аспарагиноваякислота  

Глутаминоваякислота   

Оксипролин 

Норлейцин  

Лейцин     

Лизин

Пролин     

Триптофан  

L-триптофан

Изолейцин  

Валин

Цистеин    

Тирозин    

Серин

Введение

    За последние годы потребность в значительныхколичествах (-аминокислот неуклонно возрастает в связи с широким использованиемих в биохимии, питании, микробиологии и при исследовании растительных иживотных тканей. Кроме того, аминокислоты нашли широкое применение в качестведобавок к природным и переработанным продуктам питания. В прошлом потребность вбольшинстве (-аминокислот могла быть удовлетворена путем их выделения изкислотных, щелочных и энзиматических гидролизатов белков или из другихприродных источников. Фактически эти методы и до настоящего времени применяют впромышленности при производстве аргинина, аспарагина, цистина, глутаминовойкислоты, гистидина, оксипролина, пролина и тирозина. Однако сейчас эти методы непредставляют собой лучшего пути получения большинства (-аминокислот, входящих всостав белков. В настоящее время существует целый ряд удобных  синтетических методов, позволяющих легкополучить аланин, аспарагиновую кислоту, глицин, изолейцин, лейцин, лизин,метионин, фенилаланин, серин, треонин, триптофан и валин, а также многие другие(-аминокислоты, причем как в лабораторном, так и в промышленном масштабах.Наиболее существенные из этих синтетических методов будут подробно рассмотреныв данной главе.

Живой организмхарактеризуется высшей степенью упорядоченности составляющих его ингредиентов иуникальной структурной организацией, обеспечивающей как его фенотипическиепризнаки, так и многообразие биологических функций. В этомструктурно-функциональном единстве организмов, составляющем сущность жизни,белки (белковые тела) играют важнейшую роль, не заменяемую другимиорганическими соединениями.

Белки —высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которыхпостроены из остатков аминокислот. Название протеины (от греч. protos — первый,важнейший), по-видимому, более точно отражает первостепенное биологическое значение этого класса веществ. Принятые вотечественной литературе названия белки и белковые вещества связаны собнаружением в тканях животных и растений веществ, имеющих сходство с белкомкуриного яйца.

В наше время,когда абсолютно достоверно установлено, что наследственная информациясосредоточена в молекуле ДНК клеток любых живых организмов, не вызываетсомнения, что только белки являются теми молекулярными инструментами, припомощи которых генетическая информация реализуется. Без белков, в частностиферментов, ДНК не может реплицироваться, не может воспроизводить себя, т. е.лишена способности передавать генетическую информацию.

Живая природахарактеризуется рядом свойств, отличающих ее от неживой природы, и почти всеэти свойства связаны с белками. Прежде всего для живых организмов характерныширокое разнообразие белковых структур и их высокая упорядоченность; последняясуществует во времени и в пространстве. Удивительная способность живыхорганизмов к воспроизведению себе подобных также связана с белками.Сократимость, движение — непременные атрибуты живых систем — имеют прямоеотношение к белковым структурам мышечного аппарата. Наконец, жизнь немыслимабез обмена веществ, постоянного обновления составных частей живого организма,т.е. без процессов анаболизма и катаболизма (этого удивительного единствапротивоположностей живого), в основе которых лежит деятельность каталитическиактивных белков — ферментов.

Таким образом,белки (белковые вещества) составляют основу и структуры и функции живыхорганизмов. По образному выражению одного из основоположников молекулярнойбиологии Ф. Крика, белки важны прежде всего потому, что они могут выполнятьсамые разнообразные функции, причем с необыкновенной легкостью и изяществом.Подсчитано, что в природе встречается примерно 1010 — 1012 различных белков,обеспечивающих существование около 106 видов живых организмов различной сложностиорганизации, начиная от вирусов и кончая человеком. Из этого огромногоколичества природных белков известны точное строение и структура ничтожно малойчасти — не более 2500. Каждый организм характеризуется уникальным наборомбелков. Фенотипические признаки и многообразие функций обусловленыспецифичностью объединения этих белков, во многих случаях в виденадмолекулярных и мультимолекулярных структур, в свою очередь определяющихультраструктуру клеток и их органелл.

В клетке Е. соliсодержится около 3000 различных белков, а в организме человека насчитываетсясвыше 50000 разнообразных белков. Самое удивительное, что все природные белкисостоят из большого числа сравнительно простых структурных блоков,представленных мономерными молекулами — аминокислотами, связанными друг сдругом в полипептидные цепи. Природные белки построены из 20 различныхаминокинокислот. Поскольку эти аминокислоты могут объединяться в самой разнойпоследовательности, то они могут образовать громадное количество разнообразныхбелков. Число изомеров, которое можно получить при всевозможных перестановкахуказанного числа аминокислот в полипептиде исчисляется огромными величинами.Так, если из двух аминокислот возможно образование только двух изомеров, то ужеиз четырех аминокислот теоретически возможно образование 24 изомеров, а из 20аминокислот — 2,4(1018 разнообразных белков.

Нетруднопредвидеть, что при увеличении числа повторяющихся аминокислотных остатков вбелковой молекуле число возможных изомеров возрастает до астрономических величин.Ясно, что природа не может позволить случайных сочетаний аминокислотныхпоследовательностей, и для каждого вида характерен свой специфический наборбелков, определяемый, как теперь известно, наследственной информацией,закодированной в молекуле ДНК живых организмов. Именно информация, содержащаясяв линейной последовательности нуклеотидов ДНК, определяет линейнуюпоследовательность аминокислот в полипептидной цепи Образовавшаяся линейнаяполипептидная цепь сама теперь оказывается наделенной функциональнойинформацией, в соответствии с которй она самопроизвольно преобразуется вопределенную стабильную трехмерную структуру. Таким образом, лабильнаяполипептидная цепь складывается, скручивается в пространственную структурубелковой молекулы, причем не хаотично, а в строгом соответствии с информацией,содержащейся в аминокислотной последовательности.

Учитываяважнейшую роль белков в живой природе, а также то, что белки составляют почтиполовину сухой массы живого организма и наделены рядом уникальных функций, а впознании структуры и функций белков лежит решение многих важных проблембиологии и медицины.

Функции белка

Белки выполняютмножество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов. Здесьже будут перечислены главные и в некотором смысле уникальные биологическиефункции белков, не свойственные или лишь частично присущие другим классамбиополимеров.

Каталитическаяфункция. Все известные в настоящее время биологические катализаторы — ферменты- являются белками. К 1988 г. было идентифицировано более 2100 ферментов. Этафункция белков является уникальной, определяющей скорость химических реакций вбиологических системах.

Питательная(резервная) функция. Эту функцию осуществляюттак называемые резервные белки,являющиеся источниками питания для развития плода, например белки яйца(овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образомпитательную функцию. Ряд других белков несомненно используется в организме вкачестве источника аминокислот, которые в свою очередь являютсяпредшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы обменавеществ.

Транспортнаяфункция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода,осуществляется молекулами гемоглобина — белка эритроцитов. В транспорте липидовпринимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белковобразует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другимисоединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция.Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, котораяобеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ напоступление в организм бактерий, токсинов или вирусов. Высокая специфичностьвзаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типубелок-белок способствует узнаванию и нейтрализации биологическог действияантигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белковкрови к свертыванию. Свертывание белка плазмы крови фибриногена приводит кобразованию сгустка крови, что предохраняет от потери крови при ранениях.

Сократительнаяфункция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множествобелковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играютактин и миозин — специфические белки мышечной ткани. Сократительная функцияприсуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечиваеттончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессемитоза).

Структурнаяфункция. Белки, выполняющие структурные функции, занимают по количеству первоеместо среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играетколлаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин всосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами вформировании ряда секретов — мукоидов, муцина и т. д. В комплексе с липидами (вчастности, фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.

Гормональнаяфункция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. Вэтой регуляции важное место занимают гормоны, вырабатываемые в железахвнутренней секреции. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами,например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.

Можно назвать ещенекоторые жизненно важные функции белков, в частности способность сохранятьонкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающиефизиологическое значение рН внутренней среды, и др.

Таким образом, изэтого далеко не полного перечня основных функций белков видно, что указаннымбиополимерам принадлежит исключительная и разносторонняя роль в живоморганизме. Если попытаться вычленить главное, решающее свойство, котореобеспечивает многогранность биологических функций белков, то следовало бы назватьспособность белков строго избирательно, специфически соединяться с широкимкругом разнообразных веществ. В частности, эта высокая специфичность белковобеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител с антигенами,транспортных белков крови с переносимыми молекулами других веществ и т. д. Вслучае ферментов это взаимодействие основано на принципе биоспецифическогоузнавания, завершающегося связыванием фермента с соответствующей молекулой, чтосодействует протеканию химической реакции. Высокой специфичностью действиянаделены также белки, которые составляют молекулярную основу таких процессов,как дифференцировка и деление клеток, развитие живых организмов, обеспечивающееих биологическую индивидуальность.

Условия и этапыбиосинтеза белка

Трансляция иобщие требования к синтезу белка в бесклеточной системе

      Прямое отношение к механизмам передачинаследственной информации имеет процесс трансляции, означающий перевод«четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на двадцатибуквеннуб речь белков».Другими словами, трансляция сводится к синтезу белка в рибосомах; в этомсинтезе последовательность расположения нуклеотидов в мРНК определяет первичнуюструктуру белка, т.е. строго упорядоченную последовательность расположенияотдельных аминокислот в молекуле синтезируемого белка.

      В классических исследованиях П.Замечникапри использовании меченых аминокислот было впервые точно установлено, чтоместом синтеза белка являются рибосомы. При определении радиоактивности белковв различных субклеточных фракциях печени, полученных методом дифференциальногоцентрифугирования через различные промежутки времени, было показано, чторадиоактивная метка в первую очередь появляется во фракции микросом и лишьзатем в других субклеточных образованиях. После установления места включениярадиоактивной метки было выяснено участие других субклеточных фракций инизкомолекулярных клеточных компонентов в синтезе белка. При инкубации микросомпечени крыс с 14С-лизином включение радиоактивной метки в белки рибосомнаблюдалось при наличии в системе, помимо фракции микросом, еще некоторыхрастворимых компонентов цитоплазмы, источника энергии в форме АТФ илиАТФ-генерирующей системы, а также ГТФ.  

      Дальнейшие исследования были направлены напоиск других компонентов белоксинтезирующей системы.

      Белоксинтезирующая система включает: наборвсех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разныхтРНК, обладающих специфичностью к определенному ферменту и аминокислоте; наборминимум 20  различных ферментов — аминоацил-тРНК-синтетаз,также обладающих двойной специфичностью к какой-либо определенной аминокислотеи одной тРНК; рибосомы (точнее полисомы: состоящие из 4-12 монорибосом сприсоединенной к ним матричной мРНК); АТФ и АТФ-генерирующую систему ферментов;ГТФ, принимающая специфическое участие в инициации и элонгации синтеза белка врибосомах; ионы Mg2+ в концентрации 0,005-0,008 М; мРНК в качестве главногокомпонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующегося врибосоме; наконец, белковые факторы, участвующие в синтезе на разном уровнетрансляции.

      Рассмотрим более подробно структуру ифункцию главных компонентов белоксинтезирующей системы.

Рибосомы

      Живые организмы, как известно, взависимости от структуры клеток  делятсяна две группы: прокариоты и эукариоты. Первые не содержат ограниченногомембраной ядра и митохондрий или хлоропластов; они представлены главным образоммикроорганизмами. Клетки эукариот животных и растений, включая грибы,  напротив, содержат ядра с мембранами, а также митохондрии (и  в ряде случаев хлоропласты).

      Оба типа клеток содержат рибосомы, причемрибосомы эукариот (клетки животных) примерно в два раза больше рибосомпрокариот (бактерии).  Обычно рибосомыхарактеризуют по скорости их седиментации в центрифужном поле, котораяколичественно выражается константой седиментации s, выражаемой в единицахСведберга S.

      Величина s зависит не только от размерачастиц, но и от формы и плотности, так что она не пропорциональна размеру.Число рибосом в микробной клетке примерно равно 104, а эукариот — около 105.

      Химически рибосомы представляют собойнуклеопротеины, состоящие только из РНК и белка, причем 80S рибосомы эукариотсодержат примерно равное их количество, а у 70S рибосом прокариот соотношение РНК и белка составляет 2:1. РНК рибосомпринято называть  рибосомным и обозначатьрРНК. Как 80S, так и  70S рибосомысостоят из двух субчастиц; это можно при помощи электронной микроскопии илипутем обработки рибосом растворами, содержащими низкие концентрации ионов Mg2+.При этих условиях рибосомы диссоциируют на субчастицы; последние могут бытьотделены друг от друга методом ультрацентрифугирования. Одна из субчастиц поразмерам в 2  раза превышает размервторой; так, у 70S рибосом величины S для субчастиц равны 50S и 30S, у 80Sрибосом, соответственно 60S и 40S. Субчастицы рибосом клеток эукариот устроеныболее сложно: более 70 разных белков в обеих субчастицах, при этом большаясубчастица содержит 28S, 5,8S и 5S рРНК, а малая содержит 18S  рРНК (К настоящему времени полностьюрасшифрована первичная структура всех рРНК в 70S и 80S рибосомах иаминокислотная последовательность всех 55 белков 70S рибосом и частично белков80S рибосом.).

      Для выяснения тонких молекулярныхмеханизмов синтеза белка в рибосомах необходимы сведения о структуре и функцияхрибосом. В последнее время получены данные, свидетельствующие о вероятнойпространственной трехмерной структуре как целых рибосом, так и их субчастиц. Вчастности, выяснено, что форму и размеры 30S и 40S рибосом предопределяют небелковые молекулы этих частиц, а третичная структура входящих в их состав 16S и18S рРНК. Более того, по данным акад. А.С. Спирина, для сохраненияпространственной морфологической модели всей 30S субчастицы оказалосьдостаточным наличие только двух белков, содержащихся в определенныхтопографических участках молекулы 16S рРНК.

      Относительно происхождения рибосомизвестно, что рРНК происходит из общего предшественника всех клеточных РНК, всвою очередь синтезирующегося на матрице ДНК в ядре; рибосомные белки имеютцитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где ипроисходит спонтанное образование рибосомных субчастиц путем объединения белковс соответствующими рРНК. Объединенные субчастицы вместе или врозь транспортируютсячерез поры ядерной мембраны обратно в цитоплазму, где ряд рибосом вместе с мРНКобразуют полисомы или полирибосомы.

Аминоацил-тРНК-синтетазы.

      Экспериментально доказано существование влюбых клетках живого организма специфических ферментов, катализирующихактивирование аминокислот и связывание последних с определенными тРНК. Все  эти ферменты выделены в чистом виде из E.coli.

      Молекулярная масса почти всех синтетазравна 100 000 Да, за исключением фенилаланин-тРНК-синтетазы (180 000 Да). Всеони оказались чувствительными к реагентам на SH-группы и требуют присутствияионов Mg2+. Ферменты обладают абсолютной специфичностью действия, поскольку ониузнают только одну какую-либо L-аминокислоту или одну тРНК; это обстоятельствочрезвычайно важно, поскольку в дальнейшем в белковом синтезе«узнавание» аминоацил-тРНК основано не на природе аминокислоты, а нахимической природе антикодона тРНК. Считается, что в молекуле каждойаминоацил-тРНК-синтетазы имеются по крайней мере три центра связывания: дляаминокислоты, тРНК и АТФ; ферменты весьма чувствительны также к аналогамаминокислот, которые ингибируют активирование соответствующих аминокислот.Некоторые ферменты состоят  из однойполипептидной цепи, другие из двух или четырех гомологичных или гетерогенныхсубъединиц.

      Аминоацил-тРНК-синтетазы в активном центресодержат гистидин, имидазольное кольцо которого участвует в связывании АТФпосредством ионов Mg2+. Наибольшим сродством эти ферменты, как было указано, обладают по отношению к молекуламспецифических тРНК, хотя конкретный механизм, посредством которого ферментыузнают подходящую РНК, пока не ясен. В то же время эти ферменты отличаютсянизкой молярной активностью (число оборотов не превышает нескольких соткаталитических актов в минуту).

Транспортные РНК

      В лаборатории М. Хогланда было выяснено,что при инкубации 14С-аминокислоты с растворимой с растворимой фракциейцитоплазмы в присутствии АТФ и последующим добавлением трихлоруксусной кислотыв образовавшемся белковом осадке метка не открывается. Было сделано заключение,что меченая аминокислота не включается в белковую молекулу. Метка оказаласьсвязанной ковалентно с РНК, содержащейся в безбелковом фильтрате. Показано, чтоРНК, к которой присоединяется меченая аминокислота, имеет небольшую молекулярнуюмассу и сосредоточена в растворимой фракции, поэтому ее сначала назвалирастворимой, а потом  адапторной илитранспортной РНК (тРНК). На долю тРНК приходится примерно 10 — 15 % общегоколичества клеточной РНК. К настоящему времени открыто более 60 различных тРНК.Для каждой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере одна специфическая РНК(для ряда аминокислот открыто более одной, в частности, для серина — 5 разныхтРНК, для лизина и глицина — по 4 разных тРНК, хотя и в этом случае каждая тРНКсвязана со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой). Молекулярная массабольшинства тРНК колеблется от 24 000 до 29 000 Да. Они содержат от 75 до 85нуклеотидов. Аминокислоты присоединяются к свободной 3'-OH-группе концевогомононуклеотида, представленного во всех тРНК АМФ, путем образования эфирнойсвязи.  Интересно, сто все тРНК обладаютне только удивительно сходными функциями, но и очень похожей трехмернойструктурой.

      Установлена первичная структура почти всех60 открытых тРНК; знание последовательности, а следовательно, состава тРНК далов руки исследователей много ценных сведений о биологической роли отдельныхкомпонентов тРНК. Общей для тРНК оказалась также нативная конформация,установленная методом рентгеноструктурного анализа и названная первоначальноконформацией клеверного листа; на самом деле эта конформация имеетнеправильную, Г-образную форму.

      Определение структуры тРНК позволиловыявить ряд отличительных участков; так, на 3'-гидроксильном концерасполагается одинаковая для всех тРНК последовательность триплета ЦЦА-ОН, ккоторой присоединяется посредством эфирной связи специфическая аминокислота.Связывание в основном происходит через 3'-ОН- группу концевого адениловогонуклеотида, хотя получены доказательства возможности присоединения аминокислотычерез 2'-ОН- группу. Тимин-псевдоуридин-цитидиловая (Т(Ц) петля, по-видимому,связывает аминоацил-тРНК с поверхностью рибосомы. Имеется, кроме того,добавочная петля, состав которой варьируется у разных типов молекул тРНК; ееназначение неизвестно. Дигидроуридиловая петля, с другой стороны, оказаласьнеобходимой как сайт (место) для узнавания специфическим ферментом —аминоацил-тРНК-синтетазой. Имеется также антикодоновая петля, несущая триплет,названный антикодоном, и расположенная на противоположной стороне от тогоконца, куда присоединяется аминокислота. Антикодон является специфичным икомплементарным к соответствующему кодону мРНК, причем оба они являютсяантипараллельными в своей комплементарности.

      Тщательный анализ нуклеотидных последовательностейразных тРНК  показал, что все онисодержат одинаковый 5'-концевой нуклеотид — ГМФ со свободной 5'-фосфатнойгруппой. Адапторная функция молекул тРНК заключается в связывании каждоймолекулы тРНК со своей аминокислотой. Но поскольку между нуклеиновой кислотой испецифической функциональной группой аминокислоты не существует соответствия исродства, эту функцию узнавания должна выполнять белковая молекула, котораяузнает как молекулу специфической тРНК, так и специфической аминокислоты.

Природагенетического кода

      Генетическая информация, закодированная впервичной структуре ДНК, переводится еще в ядре в нуклеотиднуюпоследовательность мРНК. Однако вопрос о том, каким образом эта информацияпередается на белковую молекулу, долго не был выяснен. Первые указания насуществования прямой функциональной зависимости между структурой гена  и его продуктом — белком можно найти у Ч.Яновского, который в серии изящных опытов с применением методов генетического картированияи сективирования показал, что порядок изменений в структуре мутантного генатриптофанситазы у E. coli в точности соответствует порядку соответствующихизменений  в аминокислотнойпоследовательности молекулы белка-фермента.

      Ранее было известно, что молекулы мРНК необладают сродством к аминокислотам, поэтому для перевода нуклеотиднойпоследовательности мРНК на аминокислотную последовательность белков требуетсянекий посредник, названный адаптором. Молекула адаптора должна быть в своюочередь наделена способностью узнавать нуклеотидную последовательностьспецифической мРНК и соответствующую аминокислоту. Обладая подобной адапторноймолекулой клетка может  включать каждуюаминокислоту в подходящее место полипептидной цепи, в строгом соответствии снуклеотидной последовательностью мРНК. Остается, таким образом, незыблемымположение, что сами по себе функциональные группы аминокислот не обладаютспособностью вступать в контакт с матрицей информационной мРНК.

      Было показано, что в нуклеотиднойпоследовательности молекулы мРНК имеются кодовые слова для каждой аминокислоты— генетический код. Проблема, однако, сводится к тому, из чего состоит этоттаинственный код? Вероятнее всего, он заключается в определеннойпоследовательности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК. Вопросы о том, какиенуклеотиды ответственны за включение определенной аминокислоты в белковуюмолекулу и какое количество нуклеотидов определяет это включение, оставалсянерешенным до 1961 г. Теоретический разбор показал, что код не может состоятьиз одного нуклеотида, поскольку в этом случае только 4 аминокислоты могуткодироваться. Но код не может быть и дуплетным, т.е. комбинация из двухнуклеотидов из четырехбуквенного алфавита не может охватывать всех аминокислот,так как подобных комбинаций теоретически возможно только 16 (42=16), а в составбелка входят 20 аминокислот. Для всех аминокислот белковой молекулы было быдостаточно взять триплетный код, когда число возможных комбинаций составит 64(43=64).

      Из приведенных выше данных М. Ниренбергастановится очевидным, что поли-У, т.е. РНК, гипотетическисодержащая остаткитолько одного уридилового нуклеотида, способствует синтезу белка, построенногоиз остатков одной аминокислоты — фенилаланина. На этом основании был сделанвывод, что кодоном для включения фенилаланина в белковую молекулу может служитьтриплет, состоящий из 3 уридиловых нуклеотидов — УУУ. Вскоре было показано, чтосинтетическая матричная полицитидиловая кислота (поли — Ц) кодирует образованиеполипролина, а матричная полиадениловая кислота (поли-А) —  полилизина. Соответствующие триплеты — ЦЦЦ иААА — действительно оказались триплетами (названными кодонами) для кодированияпролина лизина.

      М.Ниренберг, С. Очоа и Х. Корана,пользуясь искусственно синтезированными мРНК, представили доакзательства нетолько состава, но и последовательности триплетов всех кодонов, ответственныхза включение каждой из 20 аминокислот белковой молекулы.

      Генетический коод для аминокислот являетсявырожденным. Это означает, что подавляющее число аминокислот кодируетяс несколькимикодонами, за исключением метионина и триптофана, по существувсе остальныеаминокислоты имеют более одного специфического кодона. Вырожденность кодаоказывается неодинаковой для разных аминокислот. Так, если для серина, аргининаи лейцина имеется по 6 кодовых слов, то ряд других аминокислот, в частностиглутаминовая кислота, гистидин и тирозин, имеют по два кодона, а триптофан  — только 1. Следует отметить, чтовырожденность чаще всего касается только третьего нуклеотида, в то время какдля многих аминокислот первые два нуклеотида являются общими. Вполне допустимопоэтому предположение, что последовательность первых двух нуклеотидовопределяет в основном специфичность каждого кодона, в то время как третийнуклеотид менее существен. В последнее время появились доказательства гипотезыдва из трех, означающей, что код белкового синтеза, возможно, является кввази-или псевдодуплетным. Имеются доказательства, что вырожденность генетическогокода имеет несомненный биологический смысл, обеспечивая организму рядпреимуществ. В частности,  онаспособствует «совершенствованию» генома, так как   в процессе мутации могут наступать различныеаминокислотные замены, наиболее ценные из которых отбираются в процессеэволюции.

      Другой отличительной особенностью генетическогокода является его непрерывность, отсутствие знаков препинания, то естьсигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами,код является линейным, одноанправленным и непрерывающимся: АЦГУЦГАЦЦ. Этосвойство генетического кода обеспечивает синтез в высшей степени упорядоченнойпоследовательности молекулы белков. Во всех других случаях последовательностьнуклеотидов в кодонах будет нарушаться и приводить к синтезу«бессмысленной» полипептидной цепи с измененной структурой. Следуетуказать на еще одну особенность кода — его универсальность для всех живыхорганизмов: от Е. соli до человека.

      Среди 64 мыслимых кодонов смысл имеет 61,то есть кодирует определенную аминокислоту. В то же время три кодона, а именноУАГ, УАА, УГА являются бессмысленными, нонсенс-кодонами, так как они некодируют ни одной из 20 аминокислот. Однако эти кодоны не лишены смысла,поскольку выполняют важную функцию в синетзе белка в рибосомах (функциюокончания, терминации синтеза).

      При исследовании генетического кода вопытах in vivo были также получены доказательства универсальности кода.Однако  в последнее время выясненынекоторые отличия кода в митохондриях эукариот животных, включая человека,отличающегося четырьмя кодонами от генетического кода цитоплазмы, даже тех жеклеток. В частности, АУГ, являющийся обычно инициаторным кодоном, кодируеттакже метионин в цепи, и УГА, являющийся нонсенс-кодоном, кодирует вмитохондриях триптофан. Кроме того, кодоны АГА и АГГ являются для митохондрийскорее терминирующими, а не кодирующие аргинин. Как результат этих изменений,для считывания генетического кода митохондрий требуется меньше разных тРНК, вто время как цитоплазматическая система трансляции обладает полным наборомтРНК.

Этапы синтезабелка

      Синтез белка предсавляет собой циклиыескиймногоступенчатый энергозависимый процесс, в котором свободные аминокислотыполимеризуются в генетически детерменированную последовательность собразованием полипептидов. Система белкового синтеза, точнее, система трансляции,которая использует генетическую информацию, транскибированную в мРНК, длясинтеза полипептидной цепи с опрределенной первичной структурой, включает около200 типов макромолекул — белков и нуклеиновых кислот. Среди них около 100макромолекул, участвующих в активировании аминокислот и их переносе на рибосомы(все тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы), более 60 макромолекул, входящих в состав70S или 80S рибосом, и около 10 макромолекул (называемых белковыми факторами),принимающих непосредственное участие в системе трансляции. Не разбирая подробноприроду других важных для синтеза факторов, рассмотрим подробно механизминдивидуальных путей синтеза белковой молекулы в искусственной синтезирующейсистеме. Прежде всего, при помощи изотопного метода было выяснено, что синтезбелка начинается с N-конца и завершается С-концом, т.е. процесс протекает  в направлении NH2 ( COOH.

      Белковый синтез, или процесс трансляции,может быть условно разделен на два этапа: активирование аминокислот исобственно процесс трансляции.

Активированиеаминокислот

      Необходимым условием синтеза белка,который в конечном счете сводится к полимеризации аминокислот, является наличиев системе не свободных, а так называемых активированных аминокислот,располагающих своим внутренним запасом энергии. Активация свободных аминокислотосуществляется при помощи специфических ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз вприсутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии, причем обе катализируютсяодним ферсентом. На первой стадии аминокислота реагирует с АТФ и образуетсяпирофосфат и промежуточный продукт, который на второй стадии реагирует ссоответствующей 3'- ОН-тРНК, в результате чего образуется аминоацил -тРНК(аа-тРНК) и освобождается АМФ. Аминоацил-тРНК располагает необходимым запасомэнергии. Необходимо подчеркнуть, что аминокислота присоединяется к концевому3'- ОН-гидроксилу (или 2'-ОН) АМФ, который вместе с двумя остатками ЦМФобразует концевой ттриплет ЦЦА, являющийся одинаковым для всех транспортныхРНК.

Процессытрансляции.

      Второй этап матричного синтеза белка,собственно трансляцию, протекающую в рибосоме, условно делят на три стадии:инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициациятрансляции. Стадия инициации, являющаяся «точкой отсчета» началасинтеза белка, требует соблюдения ряда условий, в частности наличия в системепомимо 70S или 80S рибосом, инициаторной аминоацил-тРНК, иницирующих кодонов всоставе мРНК и белковых факторов инициации. Экспериментально  доказано, что у бактерий, в частности у E.Coli, инициаторной является аа-тРНК, в образовании которой специфическоеучастие принимают соответстсвующая тРНК и N10-формил-тетрагидрофолиеая кислота.Таким образом, N-формилметионил-тРНК является первой аа-тРНК, котораяопределяет включение N-концевого остатка аминокислоты и тем самым началотрансляции.

Процессформилирования имеет важный химический и биологический смысл, предотвращаяучастие NH2-группы аминокислоты в образовании пептидной связи и обеспечивая темсамым синтез белка в направлении NH2 ( COOH. Образовавшаяся формилметионил-тРНК,по-видимому, первой связывается в определенном участке с 30S субчастицейрибосомы и  с мРНК. Помимо тРНКфМет, у E.Coli имеется обычная тРНК, акцептирующая свободный,  а не формилированный метионин. Онаобозначается тРНКМет и обеспечивает перенос метионина в процессе сборки(элонгации) полипептдной цепи. Необходимым условием инициализации являетсятакже наличие инициирующих кодонов, кодирующих формилметионин. У бактерий

эту функциювыполняют триплеты АУГ и ГУГ мРНК. Однако эти триплеты кодируют формилметионин(или начальный метионин) только будучи начальными триплетами при считыванииматричной мРНК. Если же эти триплеты являются обычными, т.е. внутренними, токаждый из них кодирует свою аминокислоту, в частности, АУГ-метионин иГУГ-валин. Ясно, что инициаторный 5'-АУГ-кодону пр

еще рефераты
Еще работы по биологии