Демо-біологія фрагмент лекції - біосинтез білків
Пластичний обмін. Біосинтез білків. Ген і його роль в біосинтезі. Код ДНК. Реакції матричного синтезу. Взаємозв'язок процесів пластичного і енергетичного обміну.
Екзаменаційні питання по темі:
Біосинтез білків. Ген і його роль в біосинтезі. Код ДНК. Матричний синтез. (Б.1989)
Білки є найважливішими компонентами живого не стільки тому, що становлять більшу за масою частина клітини, але тому, що забезпечують її функціональну активність і унікальність. Кожна клітина має набір специфічних білків, характерних саме для цієї клітини. Він відрізняється як від набору білків, характерного для клітин іншого організму, так і від набору білків, властивого кліткам іншої тканини даного організму, оскільки в кожній клітині здійснюється синтез специфічних для неї білків. Інформація про те, які білки повинні синтезуватися в клітинах даного організму, зберігається в ядрі, вона записана у вигляді послідовності нуклеотидів в ДНК. Частина молекули ДНК, послідовність нуклеотидів в якій визначає послідовність амінокислот в даному білку, називається геном. У молекулі ДНК в залежності від еволюційного шляху, який пройшов цей організм, може міститися від сотень до десятків тисяч генів.
Яким же чином послідовність нуклеотидів може визначати послідовність амінокислот? Відомо, що ДНК складається з чотирьох видів нуклеотидів, тобто інформація в ДНК записується чотирма буквами (А, Г, Т, Ц). З математичних розрахунків випливає, що для кодування однієї амінокислоти потрібно більше одного нуклеотиду, оскільки в білках виявляється 20 різних амінокислот. Оскільки з 4 нуклеотидів можна зробити лише 16 різних сполучень по два нуклеотиду (4 2 = 16), що менше 20, то кодує амінокислоту послідовність повинна складатися більш, ніж з двох літер. Якщо записувати кодує "слово" поєднанням трьох букв (нуклеотидів), то число різних варіантів буде становити 4 3 = 64, що більше 20. Таким чином, комбінації з трьох нуклеотидів (триплетний код) буде досить, щоб закодувати 20 амінокислот. Набір поєднань з трьох нуклеотидів, які кодують певні амінокислоти, називають кодом ДНК або генетичним кодом.
В даний час код ДНК повністю розшифровано, тобто відомо, які триплетні поєднання нуклеотидів кодують 20 амінокислот, що входять до складу білка. Користуючись комбінацією, що складається з трьох нуклеотидів, можна зробити значно більшу кількість кодують "слів", ніж необхідно для кодування 20 амінокислот. Виявилося, що кожна амінокислота кодується більш, ніж одним кодоном, тобто генетичний код виродилися. Так, наприклад, амінокислота фенілаланін може кодуватися як послідовністю УУУ (код іРНК), так і послідовністю УУЦ. Тільки дві амінокислоти (триптофан і метіонін) кодуються одним кодоном. Потрібно відзначити, що термін "вироджених" не означає "неточний", так як один триплет не може кодувати дві амінокислоти. Таким чином, генетичний код однозначний.
Істотна особливість генетичного коду полягає в тому, що в ньому відсутні сигнали, що відокремлюють одне кодує "слово" (його називають кодоном) від іншого. Саме тому зчитування інформації повинно починатися з правильного місця молекули ДНК (РНК) і тривати послідовно від одного кодону до іншого. В іншому випадку послідовність нуклеотидів виявиться зміненою у всіх кодонах. Це підтверджується виявленням мутацій, при яких з послідовності або випадає (делеція), або вбудовується в неї (вставка) один або два нуклеотиду. При цих мутаціях в результаті зсуву рамки зчитування синтезується дефектний білок. У разі, коли випадають або вбудовуються три нуклеотиду, на основі цього гена синтезується білок, який відрізняється від нормального лише відсутністю однієї амінокислоти (делеція трьох нуклеотидів) або появою додаткової амінокислоти (вставка трьох нуклеотидів).
Ще одна особливість генетичного коду полягає в тому, що три триплета (УАА, УАГ і УГА) кодують НЕ амінокислоти, а своєрідні "розділові знаки". Вони є стоп-сигналами. які сигналізують про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. Генетичний код універсальний. тобто триплети, що кодують одну і ту ж амінокислоту, однакові у всіх живих істот: один і той же кодон кодує певну амінокислоту, як у людини, так і у вірусу або рослини. Таким чином, генетичний мова однаковий для всіх видів.
Універсальність генетичного коду свідчить про те, що він виник в процесі генетичної еволюції майже в тому вигляді, в якому існує і сьогодні. Виродженість коду зачіпає тільки третя підстава кодону: так, наприклад, серин кодується триплетами УЦУ, УЦЦ, Уца і УЦГ. Таким чином, кодування певної амінокислоти визначається головним чином двома першими літерами. Це дає підставу вважати, що генетичний код був спочатку дуплетним і містив інформацію про 16 (або менше) амінокислотах.
Реакції матричного синтезу
Реакції матричного синтезу є реакції, які йдуть з використанням матриці. Матриця являє собою готову структуру, відповідно до якої здійснюється синтез нової структури. Для синтезу білкових молекул необхідне здійснення реакцій двох типів: транскрипції. яка необхідна для перенесення генетичної інформації з ядра в цитоплазму, і трансляції. Крім того, до реакцій матричного синтезу відноситься реакція самоудвоения ДНК (реплікація). При синтезі ДНК і синтезі мРНК як матрицю використовується одна з ланцюгів ДНК, на якій відбувається утворення комплементарної їй ланцюга. Таким чином, в результаті реакцій матричного синтезу утворюються структури, побудовані за строго певним планом. Реакції матричного синтезу характерні лише для живої природи, в результаті їх здійснення стає можливим передача інформації від одного покоління живих істот, до іншого (реплікація), а також синтез молекул білків відповідно до інформації, закладеної в генетичному матеріалі.
транскрипція
Синтез білка здійснюється на рибосомах, розташованих в цитоплазмі клітини. У той же час інформація про послідовність амінокислот у білку зберігається в ДНК. Виявилося, що під час або перед початком синтезу певного білка в ядрі утворюється так звана матрична або інформаційна РНК. що є посередником, переносить інформацію від ДНК до рибосом. Молекула інформаційної РНК (іРНК) синтезується з використанням в якості матриці певної ділянки ДНК (гена). Потім молекула іРНК залишає ядро і переміщається в цитоплазму. Зв'язуючись з рибосомами, вона, в свою чергу, служить матрицею, на якій відбувається синтез білка.
Синтез мРНК здійснюється в ядрі за допомогою ферменту, званого ДНК-залежною РНК-полімеразою. Знову синтезована іРНК має нуклеотідний склад, коплементарний нуклеотидному складу використаної ДНК з тією лише різницею, що залишкам тиміну в ДНК-матриці відповідають залишки урацилу в синтезованої іРНК. Таким чином, інформація, наявна в гені, переписується на іРНК. Цей процес називається транскрипцією (переписуванням).
трансляція
Терміном трансляція (переклад) в біології позначають реакції, в результаті яких в рибосомах з використанням в якості матриці іРНК здійснюється синтез поліпептидного ланцюга. Поліпептидний ланцюг подовжується в процесі синтезу шляхом послідовного приєднання окремих амінокислотних залишків. Для того щоб зрозуміти, яким чином здійснюється освіту пептидного зв'язку між відповідними амінокислотами, необхідно розглянути структуру рибосом і транспортних РНК (тРНК), які беруть участь з процесі трансляції.
Транспортна РНК. Молекули транспортних РНК невеликі, в їх склад входять 70-90 нуклеотидів. Функція тРНК полягає в тому, щоб в ході процесу синтезу поліпептидного ланцюга переносити на рибосоми певні амінокислоти, при цьому кожна амінокислота переноситься відповідної тРНК. Всі молекули тРНК здатні утворювати характерну конформацию - конформацию конюшини. Така конформація молекули тРНК виникає тому, що в її структурі є значна кількість нуклеотидів (по 4-7 в одній ділянці), комплементарних один одному. Внутримолекулярное спаровування таких нуклеотидів за рахунок утворення водневих зв'язків між комплементарними підставами і призводить до утворення такої структури. У верхівки конюшини розташовується триплет нуклеотидів, який комплементарний кодону іРНК, кодує амінокислоту. Цей триплет різний для тРНК, що переносять різні амінокислоти, і кодує саме ту амінокислоту, яка переноситься даної тРНК. Він називається антикодоном.
У підстави конюшини знаходиться ділянка, в якому зв'язується амінокислота. Таким чином, молекула тРНК не тільки переносить певну амінокислоту, вона має в своїй структурі запис про те, що вона переносить саме цю амінокислоту, причому цей запис зроблений на мові генетичного коду.
У демонстраційній версії представлено тільки початок лекції. Повна версія доступна слухачам наших курсів.