Где синтезируются белки: Биологи из МГУ выяснили, как начинает синтезироваться белок в живой клетке — akvaufa5.ru

Биологи из МГУ выяснили, как начинает синтезироваться белок в живой клетке

Ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством Сергея Дмитриева (НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ) прояснили, как живая клетка решает, откуда начать синтез белка. Исследование было опубликовано в журнале Nucleic Acids Research (импакт-фактор 9.1).

Трудности перевода

Существенная доля нашей генетической информации, закодированной в ДНК, реализуется в живой клетке в виде белков. Для того, чтобы синтезировать нужный белок, эту информацию нужно перевести из последовательности нуклеотидов на язык аминокислот. Эта стадия преобразования называется трансляцией, и участвует в ней не ДНК, а матричная РНК — «временный носитель», на котором находится копия одного конкретного гена. Специальная молекулярная машина — рибосома — движется по матричной РНК и считывает тройки нуклеотидов, каждая из которых кодирует ту или иную аминокислоту.

Сложность заключается в том, что нуклеотиды матричной РНК просто следуют один за другим, и рибосома должна определить, с какого места ей необходимо начинать считывание. Если же первая тройка нуклеотидов будет выбрана неверно, рибосома начнет синтезировать неправильный белок, который окажется бесполезным или даже токсичным для клетки.

Сканирование и соскальзывание

«Для решения этой проблемы существует специальный механизм — рибосомное сканирование, — говорит Илья Теренин, соавтор работы. — Сначала малая субчастица рибосомы, нагруженная специальными белками, связывается с концом матричной РНК (которую можно сравнить с «ксерокопией» текста, записанного в ДНК: это как бы “инструкция” по сборке белковой молекулы). Затем рибосома начинает перемещаться по мРНК, «просматривая», как на конвейере, один за другим все встречающиеся ей тройки нуклеотидов. Как правило, в качестве точки старта используется тройка нуклеотидов «аденин-урацил-гуанин» (AUG). Когда рибосома находит его, она останавливается и начинает синтез белка. Ранее считалось, что обнаружение AUG — единственное и важнейшее событие, приводящее к началу синтеза с нужной точки, однако мы обнаружили, что это далеко не всегда так».

Когда малая субчастица встречает тройку нуклеотидов AUG, она может начать сборку белковой молекулы (инициировать трансляцию), а может и не начать. Это зависит от того, какой набор белков-помощников будет в ее распоряжении. Эти специальные белки так и называются — факторы инициации трансляции (сокращенно — eIF). Они имеют номера: так, у эукариот (организмов с ядром в клетке, к которым относимся и мы с вами) один из самых важных факторов — второй, или eIF2. Он вместе с транспортной РНК привозит первый «кирпичик» белка — аминокислоту метионин. В конце к малой субчастице рибосомы должна присоединиться еще и большая. Когда все компоненты есть в клетке в нужных количествах, происходит гидролиз (разложение) молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ), что и служит сигналом к началу трансляции. Молекула ГТФ связана с фактором трансляции eIF2, но сам eIF2 гидролизовать ГТФ не может — для этого ему нужен еще один белок-помощник, eIF5. Наличие eIF5 в необходимой концентрации как раз и определяет, гидролизуется ли ГТФ.

«Как оказалось, если гидролиза не произойдет, то малая субчастица проигнорирует стартовый кодон AUG и проскользнет дальше, как ни в чем не бывало. Мы назвали это слайдингом (от англ. sliding — “соскальзывание”)», — подводит итог Сергей Дмитриев.

Слайдинг по-семейному

Вышеизложенное можно попробовать объяснить следующей аналогией. Малая субчастица рибосомы — непоседливая младшая сестра в семье, которая в выходной встала раньше всех и хочет поиграть в конструктор — пособирать белок из аминокислот-деталек.

Большая субчастица — это старшая сестра, которая знает правила игры и умеет, в отличие от младшей, читать инструкцию по сборке красивых и сложных молекул, но устала за неделю и хочет выспаться. Она понимает, что младшая сестра будет плакать, если совсем не прийти к ней, и еще вчера пообещала с ней поиграть, поэтому поставила несколько будильников (троек нуклеотидов AUG).

Однако, как и все люди, которые ставят несколько будильников, она редко просыпается с первого раза, игнорируя сигнал AUG. Чтобы она проснулась и встала от очередного будильника, нужно успеть приготовить ее любимые блинчики на завтрак (гидролизовать ГТФ), которые своим запахом выманят соню из-под теплого одеяла. Папа (eIF2) тоже встает рано, он даже сходил в магазин за мукой (присоединил ГТФ), но печь блинчики он не умеет. Зато это умеет мама (eIF5), от которой и зависит успех всей затеи.

Таким образом, слайдинг — это игнорирование будильника. А когда все нужные факторы присутствуют, старшая сестра просыпается, ест и идет играть (собирать белки) с младшей сестрой.

Скользит и узнает

Открытие слайдинга опровергает устоявшееся мнение о том, что процесс выбора точки начала трансляции заканчивается на моменте распознавания точки старта синтеза. Решающим событием является не узнавание AUG, а гидролиз ГТФ.

Интересно, что примерно у половины матричных РНК стартовым кодоном является не первый AUG от конца молекулы, а второй, третий и даже более удаленный. До сих пор единственным объяснением этому было явление, именуемое в англоязычной литературе «leaky scanning» — при этом рибосома «проезжает» мимо первого AUG, не узнавая его. Однако leaky scanning требует, чтобы первый AUG находился в определенном нуклеотидном контексте, а это далеко не всегда так. Ученые показали, что возможно и другое объяснение: узнавание этих «преждевременных» AUG все-таки происходит, но после этого рибосома все равно оказывается на правильном стартовом кодоне благодаря открытому исследователями слайдингу.

Синтез белков контролируется молекулярным таймером

Генетическая информация, закодированная в ДНК, сначала копируется в молекулы матричной РНК (мРНК), с которой впоследствии синтезируются соответствующие белки. Каждой аминокислоте белка соответствуют три нуклеотида (триплет или кодон) в мРНК. За синтез белка отвечает рибосома — специальная внутриклеточная молекулярная машина. Сигналом к окончанию синтеза белка служат три стоп-кодона, в большинстве организмов это UGA, UAA и UAG (U — урацил, A — аденин, G — гуанин). Длина мРНК всегда больше, чем рамка считывания — участок, который несет в себе генетическую информацию о белке. Те участки, которые не кодируют информацию о белке, называются нетранслируемыми (некодирующими) областями. У млекопитающих часто встречаются случаи, когда размер некодирующих областей намного превышает размер рамки считывания и составляет тысячи нуклеотидов. Поскольку синтез мРНК — энергозатратный процесс, ученых давно интересует вопрос, зачем же нужны эти огромные нетранслируемые участки.

Известно, что нетранслируемые участки регулируют жизненный цикл мРНК. В отличие от ДНК, мРНК через какое-то время уничтожается в клетке. Некоторые молекулы мРНК еще долго «живут» после синтеза, а некоторые распадаются уже через несколько минут. Нетранслируемые области мРНК зачастую играют в этом решающую роль.

Еще одна важная функция: нетранслируемые участки мРНК регулируют синтез белка. Известно множество примеров, когда с нетранслируемыми областями мРНК связываются регуляторные белки (или короткие РНК), которые или подавляют, или стимулируют синтез белка. Это позволяет клетке быстро «включать» или «выключать» синтез определенных белков. Это важно, так как в зависимости от окружающих условий клетке необходим строго определенный набор белков. Нарушение регуляции синтеза может привести к бесконтрольному производству белков. Например, дерегуляция белков, отвечающих за клеточное деление, создает опасность для начала неконтролируемого роста числа клеток — одной из главных особенностей раковых клеток.

Изучая регуляцию трансляции мРНК фермента Amd1, ключевого на пути биосинтеза полиаминов (полимеров, содержащих аминогруппы), ученые из Университетского колледжа Корка, Медицинской школы Гарварда, МГУ имени М. В. Ломоносова и Департамента генетики человека Университета Юты обнаружили новый механизм регуляции синтеза белка.

«Давно известно, что рибосома плохо умеет синтезировать последовательности некоторых триплетов, — говорит Дмитрий Андреев, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ, — поэтому, когда такая последовательность ей попадается, рибосома может прочно застрять на мРНК. Из-за этого все рибосомы, едущие вслед за ней, тоже моментально застрянут, поскольку не могут «перепрыгнуть» застрявшего товарища, и тогда продукция белка прекратится. Исследуя регуляцию Amd1, мы обнаружили такой сигнал застревания. Но интересно оказалось то, что этот сигнал расположен после стоп кодона рамки считывания Amd1. Зачем же он там нужен?»

Дело в том, что трансляционный аппарат не должен допускать ошибки в синтезе белков, поскольку неправильные белки могут навредить клетке. Его точность имеет свои границы. Так, рибосома, дошедшая до стоп-кодона, может по ошибке прочитать его как аминокислоту и двинуться дальше, синтезируя более длинный белок. Вероятность такого события достаточно мала: по словам ученых, обычно она не превышает доли процента. Но именно прочтение стоп-кодона оказалось ключевым к пониманию нового механизма регуляции Amd1.

Ученые определили, что примерно 1 из 60 рибосом проезжает стоп-кодон Amd1, но через некоторое расстояние она очень прочно застревает на «плохой» последовательности. При этом ничего страшного не происходит, но следующая проехавшая стоп-кодон рибосома застревает в очереди за первой. И так до тех пор, пока «очередь» из застрявших рибосом не доберется до стоп кодона. Как только это произойдет, продукция белка сразу же прекратится.

«Мы назвали такой механизм регуляции синтеза белка молекулярным таймером, — рассказывает Андреев, — ведь в молекуле такой мРНК, по сути, «зашит» механизм, позволяющий точно контролировать, сколько молекул белка будет синтезировано. Даже если рибосомы начнут усиленно «садиться» на такую мРНК, прочитывание стоп-кодона с последующим застреванием — молекулярный таймер — позаботится о том, чтобы выключить синтез белка через определенное число циклов».

Стоит отметить, что Amd1 обладает онкогенными свойствами, ранее было показано, что его усиленная продукция в клетке может приводить к появлению чрезвычайно агрессивных метастазирующих опухолей. Если научиться «включать» таймер, регулирующий его синтез (например, усиливая прочтение стоп-кодона), с помощью лекарственных препаратов, то такой подход может найти применение в медицине. Сегодня уже разрабатываются препараты, действие которых основано на усилении прочтения стоп-кодонов – один из таких препаратов уже одобрен в Европе для лечения дистрофии Дюшена.

Биологи МГУ узнали, как в живой клетке начинается синтез белка — Наука

Без гидролиза сборка белковой молекулы невозможна. Этот процесс ученые назвали «слайдингом», сообщает пресс-служба МГУ им М.В. Ломоносова. Исследование биологов под руководством Сергея Дмитриева опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.

Существенная доля нашей генетической информации, закодированной в ДНК, реализуется в живой клетке в виде белков. Для того чтобы синтезировать нужный белок, эту информацию нужно перевести из последовательности нуклеотидов на язык аминокислот. В этой стадии преобразования участвует матричная РНК — «временный носитель», на котором находится копия одного конкретного гена. Специальная молекулярная машина — рибосома — движется по матричной РНК и считывает тройки нуклеотидов, каждая из которых кодирует ту или иную аминокислоту.

Таким образом, рибосома должна определить, с какого места ей необходимо начинать считывание. Если же первая тройка нуклеотидов будет выбрана неверно, рибосома начнет синтезировать неправильный белок, который окажется бесполезным или даже токсичным для клетки.

Для решения этой проблемы существует специальный механизм — рибосомное сканирование. Сначала малая субчастица рибосомы, нагруженная специальными белками, связывается с концом матричной РНК, которая играет роль «инструкции» по сборке белковой молекулы. Затем рибосома начинает перемещаться по мРНК, «просматривая» один за другим все встречающиеся ей тройки нуклеотидов. Как правило, в качестве точки старта используется тройка нуклеотидов AUG. Когда рибосома находит его, она останавливается и начинает синтез белка. Ранее считалось, что обнаружение AUG — единственное и важнейшее событие, приводящее к началу синтеза с нужной точки.

Когда малая субчастица встречает тройку нуклеотидов AUG, она может начать сборку белковой молекулы (инициировать трансляцию), а может и не начать. Это зависит от того, какой набор белков-помощников будет в ее распоряжении. Эти специальные белки так и называются — факторы инициации трансляции (сокращенно — eIF). Они имеют номера: так, у эукариот (организмов с ядром в клетке, к которым также относится человек) один из самых важных факторов — второй (eIF2). Он вместе с транспортной РНК привозит первый «кирпичик» белка — аминокислоту метионин. В конце к малой субчастице рибосомы должна присоединиться еще и большая. Когда все компоненты есть в клетке в нужных количествах, происходит гидролиз (разложение) молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ), что и служит сигналом к началу трансляции. Молекула ГТФ связана с фактором трансляции eIF2, но сам eIF2 гидролизовать ГТФ не может — для этого ему нужен еще один белок-помощник, eIF5. Наличие eIF5 в необходимой концентрации как раз и определяет, гидролизуется ли ГТФ.

«Как оказалось, если гидролиза не произойдет, то малая субчастица проигнорирует стартовый кодон AUG и проскользнет дальше, как ни в чем не бывало. Мы назвали это слайдингом», – говорит Сергей Дмитриев.

С чего начинается синтез белка

Исследователи из МГУ уточнили картину молекулярных сигналов на начальных этапах белкового синтеза.

Мы, как известно, примерно на 65% состоим из воды, но следом за водой идут белки, составляющие 20% массы тела. Информация о белках зашифрована в ДНК, в виде последовательности четырёх химических «букв» (азотистых оснований аденина, тимина, гуанина и цитозина), и для того, чтобы информация превратилась в реальную белковую молекулу, должна быть проделана довольно сложная молекулярная работа.

Молекулярная схема рибосомы: рибосомная РНК (синие нити), почти скрыта под молекулами рибосомных белков. (Иллюстрация Evolution Tale / Flickr.com.)

Рибосома движется по матричной РНК в поисках точки, с которой ей предстоит начать синтез белка. (Иллюстрация Сергей Дмитриев / НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, МГУ)

Рибосомы, синтезирующие белковые молекулы на ленте матричной РНК. (Фото Dr. Donald Fawcett & Kiseleva / Visuals Unlimited / Corbis.)

Схематическое изображение большой и малой рибосомных субчастиц. (Фото Cecilia Stevens / Flickr.com.)

‹

›

Если клетке нужен какой-то белок, она сначала делает копию с того участка в ДНК, в которой требуемый белок записан – на ДНК синтезируется молекула матричной, или информационной, РНК с необходимым куском генетического «текста». Говоря на языке молекулярной биологии, происходит транскрипция, и суть её, грубо говоря, в том, чтобы с ДНК сделать РНК-ксерокс.

А вот потом наступает черёд собственно синтеза белка, или трансляции: к ленте РНК прикрепляется большой и сложный агрегат под названием рибосома. Так называют надмолекулярный комплекс, образованный несколькими молекулами специальных РНК и целой кучей связанных с этими РНК белков. Работу рибосом можно сравнить с машиной, которая в соответствии с генетической инструкцией собирает из мономеров-аминокислот полимерную белковую молекулу. Но, как и во всяком деле, тут нужно знать, с чего начать и чем закончить.

Логично было бы предположить, что, раз у ленты информационной РНК есть начало и конец, то прямо с начального её конца и нужно включать белковый синтез. Но в силу разных причин те информационные РНК, которые синтезируются в эукариотических клетках (а люди, животные, растения относятся к эукариотам), имеют в своём начале небольшой запуск, последовательность, в которой никакой белковой информации нет. То есть представьте, например, что вы держите в руках лист бумаги с плотным текстом, набранным без пробелов и знаков препинания, и, чтобы что-то из него понять, его следует читать со слова «старт». Но «старт» стоит не в самом начале, а чуть позже, и его нужно ещё увидеть. Вот именно такую задачу и решает рибосома перед тем, как начать синтез белка.

Как всё происходит? Здесь необходимы новые молекулярные детали: рибосома на самом деле состоит из двух модулей-субчастиц, большой и малой, которые перед тем, как сесть на ленту РНК, разделяются. Первой на РНК приземляется малая субчастица, и она же потом начинает искать точку старта. В этом ей помогает целая компания специальных белков, называемых факторами инициации трансляции, или, иными словами, белковыми молекулами, обслуживающими начало синтеза белка. Их довольно много, и для большей наглядности их можно сравнить с аппаратами-лоцманами, которые в каком-нибудь фантастическом фильме подводят огромный, идущий на посадку космический корабль к правильной посадочной площадке – с той разницей, что теперь этот корабль ещё куда-то поедет по земле, и лоцманам придётся вести его и дальше.

Сев на РНК, малая субчастица рибосомы начинает сканировать её в поисках специальной последовательности генетических букв, обозначающих «старт» (и заодно, кстати, кодирующих первую аминокислоту будущей белковой молекулы). Однако таких «стартов» на пути едущей по РНК малой рибосомной субчастицы может быть не один и не два, а вот правильный среди них – только один. Считается, что правильный «старт» – он более «привлекательный», наткнувшись на него, сканирующая молекулярная машинерия слегка задерживается.

И вот нужное стартовое слово узнано, и что происходит дальше? Один из белков-лоцманов (то бишь факторов инициации) держит при себе молекулу ГТФ (гуанозинтрифосфат), которая очень часто используется в самых разных молекулярных реакциях в качестве сигнала. Когда приходит время, от ГТФ отсоединяется один остаток фосфорной кислоты. Распад ГТФ заставляет блоки белковых молекул сдвигаться друг относительно друга – молекулярная машина перестраивается и становится готовой к выполнению следующих задач. В целом, в известной степени огрубляя, ГТФ можно сравнить с сигнальной ракетой.

Вернёмся к рибосоме (точнее, к её малой субчастице), которая узнала на матричной РНК точку старта. Считается, что последовательность событий тут такая: распознавание стартового «слова» вызывает распад ГТФ (то есть «запуск сигнальной ракеты»), после чего белки-лоцманы, висящие на малой субчастице, разбегаются, чтобы к ней могла пристыковаться большая субчастица. (Стыковка происходит опять же с помощью дополнительных обслуживающих белков и опять же с распадом ещё одной молекулы ГТФ.) И вот теперь полная рибосома, образованная большим и малым «модулями», начинает читать генетический текст и собирать в соответствии с ним белковую молекулу.

Однако результаты сотрудников лаборатории Ивана Николаевича Шатского из Института НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, опубликованные в Nucleic Acids Research, заставляют описанную картину несколько пересмотреть. Не будем углубляться в тонкости методов, которые исследователи использовали в работе. Сразу перейдём к выводам: по новым данным, распад ГТФ, который, как считалось, удостоверяет узнавание места старта, на самом деле происходит до этого. То есть весь молекулярный агрегат, наткнувшись на участок в РНК, который с очень большой вероятностью является настоящим стартом, обращается с ГТФ – а точнее, к тем белкам, которые отвечают за её распад. Если ГТФ гидролизовалась, то начнётся синтез белка, если нет, то пусть тут будет хоть трижды «старт», рибосомный малый модуль проедет дальше.

Но о чём тогда сигнализирует «сигнальная ракета»? Здесь нужно вспомнить ещё раз про факторы инициации белки-лоцманы. Распад, гидролиз ГТФ зависит от присутствия сразу двух белков, и, если какого-то из них не хватает, не будет никакой «сигнальной ракеты». Иными словами, здесь происходит проверка на присутствие всех факторов инициации, и, если все они есть в достаточном количестве, значит, можно плотно сесть на точку старта, присоединить большую субчастицу и т. д.

Если доискиваться глобального биологического смысла, то тут мы имеем дело с дополнительной проверкой, дополнительным пунктом контроля, дополнительным cheсkpoint’ом в крайне важном и крайне сложном молекулярно-клеточном процессе. (Известно, что чем сложнее процедура, тем лучше лишний раз перестраховатся и лишний раз проверить, всё ли идёт как надо.)

Вообще, инициация – то есть начало – трансляции у эукариот очень зарегулирована, на этих самых белках-лоцманах и на рибосомах сходятся множество сигнальных цепочек: прежде, чем начать синтез белка, клетка должна ясно понять, что за белок и в каком количестве он нужен. Ну, а важность новых данных, проясняющих картину трансляции, легко себе представить, если вспомнить, что многие онкологические процессы начинаются как раз с неполадок в синтезе белка, когда, к примеру, какой-то молекулы, понуждающей клетку к делению, вдруг становится в клетке слишком много.

По материалам МГУ .

Синтез белков в клетке

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т—Т—Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А—Ц—А — цистину, Ц—А—А — валину н т. д. Разных аминокислот — 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка — сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап — синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).
На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов — антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
Третий этап — это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Хромосомы (от греч. «хрома» — цвет, «сома» — тело) — очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком — центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами — большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин — 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

Синтез белков контролируется молекулярным таймером

Изучая регуляцию трансляции мРНК фермента Amd1, ключевого на пути биосинтеза полиаминов (полимеров, содержащих аминогруппы), ученые из Университетского колледжа Корка, Медицинской школы Гарварда, МГУ имени М.В. Ломоносова и Департамента генетики человека Университета Юты обнаружили новый механизм регуляции синтеза белка.

«Давно известно, что рибосома плохо умеет синтезировать последовательности некоторых триплетов, — говорит Дмитрий Андреев, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ, — поэтому, когда такая последовательность ей попадается, рибосома может прочно застрять на мРНК. Из-за этого все рибосомы, едущие вслед за ней, тоже моментально застрянут, поскольку не могут «перепрыгнуть» застрявшего товарища, и тогда продукция белка прекратится. Исследуя регуляцию Amd1, мы обнаружили такой сигнал застревания. Но интересно оказалось то, что этот сигнал расположен после стоп кодона рамки считывания Amd1. Зачем же он там нужен?»

«Мы назвали такой механизм регуляции синтеза белка молекулярным таймером, — рассказывает Андреев, — ведь в молекуле такой мРНК, по сути, «зашит» механизм, позволяющий точно контролировать, сколько молекул белка будет синтезировано. Даже если рибосомы начнут усиленно «садиться» на такую мРНК, прочитывание стоп-кодона с последующим застреванием — молекулярный таймер — позаботится о том, чтобы выключить синтез белка через определенное число циклов».

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].

Биосинтез Белка — Всё для чайников

Биосинтез Белка

Подробности: Категория: Биология

Документальные учебные фильмы. Серия «Биология».

Информационная РНК (рибонуклеиновая кислота), несущая сведения о первичной структуре белковых молекул, синтезируется в ядре. Пройдя через поры ядерной оболочки, и-РНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации — перевод ее с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.

Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (т-РНК). Эти небольшие молекулы, состоящие из 70-90 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что образуют структуры, напоминающие по форме лист клевера. В клетке имеется столько же разных типов т-РНК, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине каждого «листа» т-РНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в и-РНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре т-РНК называется антикодоном. Специальный фермент «узнает» антикодон и присоединяет к «основанию листа» т-РНК не какую угодно, а определенную, «свою» аминокислоту. В этом состоит первый этап синтеза.
Для того чтобы аминокислота включилась в цепь белка, она должна оторваться от т-РНК. На втором этапе синтеза белка т-РНК выполняет функцию переводчика с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней имеется два участка. на одном т-рНК получает команду от и-РНК — антикодон узнает кодон, на другом — выполняется приказ — аминокислота отрывается от т-РНК.

Третий этап синтеза белка заключается в том, что фермент синтеза присоединяет оторвавшуюся от т-РНК аминокислоту к белковой молекуле. Информационная РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном т-РНК, затем на второй участок. Сюда же переходит т-РНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от т-РНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

Схема биосинтеза белка.

Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Готовая цепь белка отходит от рибосомы.

Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Средний по размерам белок состоит из 500 аминокислот, следовательно, столько же молекул АТФ расщепляется в процессе его синтеза. Кроме того, энергия нескольких молекул АТФ нужна для движения и-РНК по рибосоме.

Для увеличения производства белков и-РНК часто одновременно проходит не через одну, а через несколько рибосом последовательно. Такую структуру, объединенную одной молекулой и-РНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в таком, похожем на нитку бус, конвейере последовательно синтезируются несколько молекул одинаковых белков.

Синтез белков на полисоме.

Аминокислоты бесперебойно поставляются к рибосомам с помощью т-РНК. Отдав аминокислоту, молекула т-РНК тут же соединяется с другой такой же аминокислотой. Высокая слаженность всех «служб комбината» по производству белков позволяет в течение нескольких минут синтезировать молекулы, состоящие из сотен аминокислот. Синтез белка на рибосомах носит название трансляции.

Protein Synthesis — обзор

Механизм действия ингибиторов синтеза белка

Синтез белка происходит в цитоплазме на рибонуклеопротеиновых частицах, рибосомах. Информационная РНК, которая содержит в своей нуклеотидной последовательности код, управляющий синтезом одной или нескольких полипептидных цепей, синтезируется РНК-полимеразой на матрице ДНК и транспортируется в цитоплазму, где она связывается с рибосомами и направляет размещение РНК для переноса аминоацила в правильной последовательности.Аминокислота, которая была активирована и этерифицирована до определенного вида тРНК, связана с рибосомным акцепторным сайтом благодаря взаимодействиям кодон-антикодон. Пептидилтрансфераза, неотъемлемая часть рибосомы, катализирует образование пептидной связи между карбоксильной группой растущего пептида (связанной как пептидил-тРНК с сайтом донора рибосомы) и аминогруппой новой аминокислоты. Образовавшаяся пептидил-тРНК перемещается к донорному сайту с помощью GTP-требующего фермента, освобождая акцепторный сайт для присоединения следующей аминоацил-тРНК (Watson, 1970).

Взаимосвязь между синтезом белка и физиологическим проявлением радиационного повреждения исследовалась в основном с использованием ингибиторов синтеза белка. Выводы, сделанные на основе этих исследований, основаны на двух предположениях: во-первых, ингибирование влияет на одну и только одну биохимическую реакцию, а во-вторых, что эта конкретная биохимическая реакция не имеет быстрых косвенных эффектов на общий метаболизм клетки.

Пуромицин, который действует как аналог аминоацил-тРНК (Morris and Schweet, 1961; Rabinovitz and Fisher, 1962), по-видимому, ингибирует синтез белка в прокариотических и эукариотических клетках, высвобождая неполные полипептидные цепи из рибосомы (Allen and Zamecnik , 1962; Натанс, 1964). Циклогексимид может ингибировать инициацию, удлинение или прекращение синтеза белка в эукариотических клетках путем блокирования транслокации, тем самым предотвращая дальнейшее движение рибосомы по матричной РНК (Obrig et al., 1971; Rajalakshmi et al., 1971). Хлорамфеникол подавляет синтез белка в бактериях и избирательно подавляет синтез белка в митохондриях и хлоропластах изученных эукариотических клеток (Sager, 1972).Этот антибиотик связывается с большой рибосомной субъединицей (Vazquez, 1965) и препятствует образованию пептидной связи (например, Traut and Monro, 1964). Стрептомицин специфически подавляет синтез микробных и митохондриальных белков, связываясь с малой рибосомной субъединицей (Davies, 1964; Cox et al., 1964) и вызывая неправильное прочтение генетического кода (Davies et al. , 1964).

6.4: Синтез белков — Биология LibreTexts

Центральная догма биологии

Ваша ДНК , или дезоксирибонуклеиновая кислота, содержит гены, которые определяют вас.Как эта органическая молекула может влиять на ваши характеристики? ДНК содержит инструкции для всех белков, которые вырабатывает ваше тело. Белки , в свою очередь, определяют структуру и функции всех ваших клеток. Что определяет структуру белка ? Он начинается с последовательности из аминокислот , составляющих белок. Инструкции по созданию белков с правильной последовательностью аминокислот закодированы в ДНК.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (Public Domain; Nicolle Rager @ National Science Foundation через Wikimedia Commons) ДНК

обнаружена в хромосомах.В эукариотических клетках хромосомы всегда остаются в ядре, но белки образуются на рибосомах в цитоплазме или на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (RER). Как инструкции в ДНК попадают в место синтеза белка вне ядра? За это отвечает другой тип нуклеиновой кислоты. Эта нуклеиновая кислота представляет собой РНК, или рибонуклеиновую кислоту. РНК — это небольшая молекула, которая может протискиваться через поры ядерной мембраны. Он передает информацию от ДНК в ядре к рибосоме в цитоплазме, а затем помогает собрать белок.Вкратце:

ДНК → РНК → Белок

Обнаружение этой последовательности событий стало важной вехой в молекулярной биологии. Это называется центральной догмой биологии . В центральной догме участвуют два процесса: , , транскрипция, , , и , , трансляция.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Обзор транскрипции и перевода (CC BY 4.0; Thomas Shafee через Wikimedia Commons)

Транскрипция

Транскрипция — первая часть центральной догмы молекулярной биологии: ДНК → РНК . Это передача генетических инструкций ДНК на мРНК. Транскрипция происходит в ядре клетки. Во время транскрипции создается цепь мРНК, которая комплементарна цепи ДНК, называемой геном. Ген можно легко идентифицировать по последовательности ДНК. Ген содержит три основных участка: промотор, кодирующую последовательность и терминатор. Есть и другие части гена, которые показаны на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): на этом рисунке показаны основные компоненты гена.(CC BY-NC 3.0; Mandeep Grewal; собственная работа)

Шаги транскрипции

Транскрипция происходит в три этапа, называемых инициацией, удлинением и прекращением. Шаги показаны на рисунке ниже.

Инициация — это начало транскрипции. Это происходит, когда фермент РНК-полимераза связывается с областью гена, называемой промотором . Это дает сигнал ДНК раскручиваться, чтобы фермент мог «прочитать» основания в одной из цепей ДНК.Фермент готов к созданию цепи мРНК с комплементарной последовательностью оснований. Промотор не является частью образующейся мРНК

Элонгация — это добавление нуклеотидов к цепи мРНК.
Окончание — это окончание транскрипции. Когда РНК-полимераза транскрибирует терминатор, он отделяется от ДНК. После этого шага цепь мРНК завершена.
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Транскрипция происходит в три этапа — инициацию, удлинение и завершение, — показанные здесь.(Общественное достояние; Calibuon через Wikimedia.org)

Обработка мРНК

У эукариот новая мРНК еще не готова к трансляции. На этом этапе она называется пре-мРНК, и она должна пройти дополнительную обработку, прежде чем покинет ядро в виде зрелой мРНК. Обработка может включать добавление 5 ‘крышки, сращивание, редактирование и 3’ хвоста полиаденилирования. Эти процессы по-разному модифицируют мРНК. Такие модификации позволяют использовать один ген для производства более чем одного белка.

5′-кэп защищает мРНК в цитоплазме и помогает прикреплять мРНК к рибосоме для трансляции.
Сплайсинг удаляет интроны из последовательности мРНК, кодирующей белок, как показано на диаграмме ниже. Интроны — это области, которые не кодируют белок. Оставшаяся мРНК состоит только из участков, называемых экзонами , которые кодируют белок. Рибонуклеопротеины на диаграмме — это небольшие белки в ядре, которые содержат РНК и необходимы для процесса сплайсинга.
Редактирование изменяет некоторые нуклеотиды в мРНК. Например, человеческий белок APOB, который помогает транспортировать липиды в крови, имеет две разные формы из-за редактирования. Одна форма меньше другой, потому что редактирование добавляет более ранний стоп-сигнал в мРНК.
Полиаденилирование добавляет к мРНК «хвост». Хвост состоит из цепочки As (адениновых оснований). Он сигнализирует об окончании мРНК. Он также участвует в экспорте мРНК из ядра и защищает мРНК от ферментов, которые могут ее разрушить.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Сплайсинг удаляет интроны из мРНК. (CC BY-SA 4.0; Ганешманохар через Wikimedia.org)

Перевод

Перевод является второй частью центральной догмы молекулярной биологии: РНК -> Белок . Это процесс, в котором генетический код в мРНК считывается для создания белка. Перевод показан на схемах ниже. После того, как мРНК покидает ядро, она перемещается на рибосому (см. Ниже), которая состоит из рРНК и белков.Трансляция происходит на рибосомах, плавающих в цитозоле, или на рибосомах, прикрепленных к грубому эндоплазматическому ретикулуму. Рибосома считывает последовательность кодонов в мРНК, а молекулы тРНК доставляют аминокислоты к рибосоме в правильной последовательности. Как и в случае синтеза мРНК, синтез белка можно разделить на три фазы: инициация, удлинение и завершение. Помимо матрицы мРНК и рибосом, в процесс трансляции вносят вклад многие другие молекулы, такие как тРНК (см. Ниже) и различные ферментативные факторы

Чтобы понять роль тРНК, вам нужно больше узнать о ее структуре.Каждая молекула тРНК имеет антикодон для содержащейся в ней аминокислоты. Антикодон , , , комплементарен кодону аминокислоты. Например, аминокислота лизин имеет кодон AAG, поэтому антикодон — UUC. Следовательно, лизин будет переноситься молекулой тРНК с антикодоном UUC. Где бы ни появлялся кодон AAG в мРНК, временно связывается антикодон UUC тРНК. Связываясь с мРНК, тРНК отдает свою аминокислоту. С помощью рРНК между аминокислотами образуются связи, по мере того как они по одной доставляются к рибосоме, образуя полипептидную цепь.Цепочка аминокислот продолжает расти, пока не будет достигнут стоп-кодон.

Рибосомы (см. Выше), которые только что состоят из рРНК (рибосомной РНК) и белка, были классифицированы как рибозимы, потому что рРНК обладает ферментативной активностью. РРНК важна для активности пептидилтрансферазы, связывающей аминокислоты. Рибосомы состоят из двух субъединиц — рРНК и белка. Большая субъединица имеет три активных сайта, называемых сайтами E, P и A. Эти сайты важны для каталитической активности рибосом.

Так же, как и синтез мРНК, синтез белка можно разделить на три фазы: инициация, удлинение и завершение. Помимо матрицы мРНК, в процесс трансляции вносят вклад многие другие молекулы, такие как рибосомы, тРНК и различные ферментативные факторы

Инициирование трансляции: Маленькая субъединица связывается с сайтом выше (на 5′-стороне) начала мРНК. Он продолжает сканировать мРНК в направлении 5 ‘-> 3’, пока не встретит кодон START (AUG).Прикрепляется большая субъединица, и тРНК инициатора, несущая метионин (Met), связывается с сайтом P на рибосоме.

Удлинение трансляции: Рибосома сдвигает один кодон за раз, катализируя каждый процесс, который происходит в трех сайтах. На каждом этапе заряженная тРНК входит в комплекс, полипептид становится на одну аминокислоту длиннее, а незаряженная тРНК уходит. Энергия каждой связи между аминокислотами происходит от GTP, молекулы, подобной АТФ (рисунок).Вкратце, рибосомы взаимодействуют с другими молекулами РНК, образуя цепочки аминокислот, называемые полипептидными цепями, из-за пептидной связи, которая образуется между отдельными аминокислотами. Внутри рибосомы в процессе трансляции участвуют три сайта: A, P и E. Удивительно, но аппарату трансляции E. coli требуется всего 0,05 секунды для добавления каждой аминокислоты, а это означает, что полипептид из 200 аминокислот может быть транслирован всего за 10 секунд.

Прекращение трансляции : Прекращение трансляции происходит при обнаружении стоп-кодона (UAA, UAG или UGA).Когда рибосома встречает стоп-кодон, растущий полипептид высвобождается с помощью различных рилизинг-факторов (см. Рисунок ниже), а субъединицы рибосомы диссоциируют и покидают мРНК. После завершения трансляции многих рибосом мРНК разрушается, поэтому нуклеотиды можно повторно использовать в другой реакции транскрипции.

Синтез белков — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Объясните, как генетический код, хранящийся в ДНК, определяет белок, который будет образовывать
Опишите процесс транскрипции
Опишите процесс перевода
Обсудить функцию рибосом

Ранее упоминалось, что ДНК обеспечивает «план» структуры и физиологии клетки.Это относится к тому факту, что ДНК содержит информацию, необходимую клетке для построения одного очень важного типа молекулы: белка. Большинство структурных компонентов клетки состоят, по крайней мере частично, из белков, и практически все функции, которые выполняет клетка, выполняются с помощью белков. Один из наиболее важных классов белков — это ферменты, которые помогают ускорить необходимые биохимические реакции, происходящие внутри клетки. Некоторые из этих критических биохимических реакций включают создание более крупных молекул из более мелких компонентов (например, происходит во время репликации ДНК или синтеза микротрубочек) и расщепление более крупных молекул на более мелкие компоненты (например, при сборе химической энергии из молекул питательных веществ).Каким бы ни был клеточный процесс, в нем почти наверняка участвуют белки. Подобно тому, как геном клетки описывает полный набор ДНК, протеом клетки — это полный набор белков. Синтез белка начинается с генов. Ген — это функциональный сегмент ДНК, который предоставляет генетическую информацию, необходимую для создания белка. Каждый конкретный ген обеспечивает код, необходимый для создания определенного белка. Экспрессия гена, которая преобразует информацию, закодированную в гене, в конечный продукт гена, в конечном итоге определяет структуру и функцию клетки, определяя, какие белки сделаны.

Интерпретация генов работает следующим образом. Напомним, что белки — это полимеры или цепи многих строительных блоков аминокислот. Последовательность оснований в гене (то есть его последовательность нуклеотидов A, T, C, G) транслируется в аминокислотную последовательность. Триплет — это участок из трех оснований ДНК подряд, который кодирует определенную аминокислоту. Подобно тому, как трехбуквенный код d-o-g сигнализирует об изображении собаки, трехбуквенный базовый код ДНК сигнализирует об использовании определенной аминокислоты.Например, триплет ДНК CAC (цитозин, аденин и цитозин) определяет аминокислоту валин. Следовательно, ген, состоящий из нескольких триплетов в уникальной последовательности, обеспечивает код для построения целого белка с несколькими аминокислотами в правильной последовательности ((рисунок)). Механизм, с помощью которого клетки превращают код ДНК в белковый продукт, представляет собой двухэтапный процесс с молекулой РНК в качестве промежуточного звена.

Генетический код

ДНК

содержит всю генетическую информацию, необходимую для построения белков клетки.Нуклеотидная последовательность гена в конечном итоге транслируется в аминокислотную последовательность соответствующего белка гена.

От ДНК к РНК: транскрипция

ДНК

находится в ядре, а синтез белка происходит в цитоплазме, поэтому должен быть какой-то промежуточный мессенджер, который покидает ядро и управляет синтезом белка. Этот промежуточный мессенджер представляет собой информационную РНК (мРНК), одноцепочечную нуклеиновую кислоту, которая несет копию генетического кода одного гена из ядра в цитоплазму, где она используется для производства белков.

Существует несколько различных типов РНК, каждая из которых выполняет свои функции в клетке. Структура РНК похожа на ДНК, за некоторыми небольшими исключениями. Во-первых, в отличие от ДНК, большинство типов РНК, включая мРНК, являются одноцепочечными и не содержат дополнительных цепей. Во-вторых, сахар рибозы в РНК содержит дополнительный атом кислорода по сравнению с ДНК. Наконец, вместо основного тимина РНК содержит основной урацил. Это означает, что аденин всегда будет соединяться с урацилом в процессе синтеза белка.

Экспрессия гена начинается с процесса, называемого транскрипцией, который представляет собой синтез цепи мРНК, комплементарной интересующему гену. Этот процесс называется транскрипцией, потому что мРНК подобна транскрипту или копии кода ДНК гена. Транскрипция начинается примерно так же, как репликация ДНК, когда участок ДНК раскручивается и две нити разделяются, однако только эта небольшая часть ДНК будет разделена. Тройки внутри гена на этом участке молекулы ДНК используются в качестве матрицы для транскрипции комплементарной цепи РНК ((рисунок)).Кодон — это трехосновная последовательность мРНК, так называемая, потому что они непосредственно кодируют аминокислоты. Как и в случае репликации ДНК, транскрипция состоит из трех стадий: инициация, удлинение и завершение.

Транскрипция: от ДНК к мРНК

На первом из двух этапов создания белка из ДНК ген в молекуле ДНК транскрибируется в комплементарную молекулу мРНК.

Этап 1: Инициирование. Область в начале гена, называемая промотором — определенная последовательность нуклеотидов — запускает начало транскрипции.

Этап 2: удлинение. Транскрипция начинается, когда РНК-полимераза раскручивает сегмент ДНК. Одна цепь, называемая кодирующей цепью, становится матрицей с генами, которые нужно кодировать. Затем полимераза выравнивает правильную нуклеиновую кислоту (A, C, G или U) с ее комплементарным основанием на кодирующей цепи ДНК. РНК-полимераза — это фермент, который добавляет новые нуклеотиды к растущей цепи РНК. Этот процесс создает цепь мРНК.

Этап 3: Прекращение действия. Когда полимераза достигает конца гена, один из трех специфических триплетов (UAA, UAG или UGA) кодирует «стоп-сигнал», который запускает ферменты для прекращения транскрипции и высвобождения транскрипта мРНК.

Прежде чем молекула мРНК покинет ядро и приступит к синтезу белка, она модифицируется несколькими способами. По этой причине на этой стадии ее часто называют пре-мРНК. Например, ваша ДНК и, следовательно, комплементарная мРНК, содержит длинные области, называемые некодирующими областями, которые не кодируют аминокислоты. Их функция до сих пор остается загадкой, но процесс, называемый сплайсингом, удаляет эти некодирующие области из транскрипта пре-мРНК ((рисунок)). Сплайсосома — структура, состоящая из различных белков и других молекул — прикрепляется к мРНК и «сращивает» или вырезает некодирующие области.Удаленный сегмент транскрипта называется интроном. Остальные экзоны склеены. Экзон — это сегмент РНК, который остается после сплайсинга. Интересно, что некоторые интроны, удаленные из мРНК, не всегда являются некодирующими. Когда различные кодирующие области мРНК сплайсируются, в конечном итоге возникают разные вариации белка с различиями в структуре и функциях. Этот процесс приводит к гораздо большему разнообразию возможных белков и функций белков. Когда транскрипт мРНК готов, он выходит из ядра в цитоплазму.

Сплайсинг ДНК

В ядре структура, называемая сплайсосомой, вырезает интроны (некодирующие области) в транскрипте пре-мРНК и повторно соединяет экзоны.

От РНК к белку: перевод

Подобно переводу книги с одного языка на другой, кодоны цепи мРНК должны быть переведены в аминокислотный алфавит белков. Трансляция — это процесс синтеза цепочки аминокислот, называемой полипептидом. Для перевода требуются два основных вспомогательных средства: во-первых, «транслятор», молекула, которая будет осуществлять трансляцию, и, во-вторых, субстрат, на котором нить мРНК транслируется в новый белок, как «стол переводчика».Оба эти требования выполняются другими типами РНК. Субстратом, на котором происходит трансляция, является рибосома.

Помните, что многие рибосомы клетки связаны с грубым ER и осуществляют синтез белков, предназначенных для аппарата Гольджи. Рибосомная РНК (рРНК) — это тип РНК, которая вместе с белками составляет структуру рибосомы. Рибосомы существуют в цитоплазме как два отдельных компонента, малая и большая субъединица. Когда молекула мРНК готова к трансляции, две субъединицы объединяются и прикрепляются к мРНК.Рибосома обеспечивает субстрат для трансляции, объединяя и выравнивая молекулу мРНК с молекулярными «трансляторами», которые должны расшифровать ее код.

Другое важное требование для синтеза белка — это молекулы-трансляторы, которые физически «читают» кодоны мРНК. Трансферная РНК (тРНК) представляет собой тип РНК, которая переносит соответствующие соответствующие аминокислоты на рибосому и присоединяет каждую новую аминокислоту к последней, последовательно выстраивая полипептидную цепь. Таким образом, тРНК переносит определенные аминокислоты из цитоплазмы в растущий полипептид.Молекулы тРНК должны быть способны распознавать кодоны на мРНК и сопоставлять их с правильной аминокислотой. ТРНК модифицирована для этой функции. На одном конце его структуры находится сайт связывания определенной аминокислоты. На другом конце находится последовательность оснований, которая соответствует кодону, определяющему его конкретную аминокислоту. Эта последовательность из трех оснований в молекуле тРНК называется антикодоном. Например, тРНК, отвечающая за перемещение аминокислоты глицина, содержит сайт связывания глицина на одном конце.С другой стороны, он содержит антикодон, который дополняет кодон глицина (GGA является кодоном для глицина, и поэтому антикодон тРНК будет читать CCU). Оборудованная своим специфическим грузом и подходящим антикодоном, молекула тРНК может считывать свой распознанный кодон мРНК и переносить соответствующую аминокислоту в растущую цепь ((рисунок)).

Перевод РНК в белок

Во время трансляции транскрипт мРНК «читается» функциональным комплексом, состоящим из молекул рибосомы и тРНК.тРНК приводят соответствующие аминокислоты в последовательность к растущей полипептидной цепи путем сопоставления их антикодонов с кодонами на цепи мРНК.

Подобно процессам репликации и транскрипции ДНК, трансляция состоит из трех основных стадий: инициации, элонгации и терминации. Инициирование происходит при связывании рибосомы с транскриптом мРНК. Стадия элонгации включает распознавание антикодона тРНК следующим кодоном мРНК в последовательности.Как только последовательности антикодона и кодона связаны (помните, что они являются комплементарными парами оснований), тРНК представляет свой аминокислотный груз, и растущая полипептидная цепь присоединяется к этой следующей аминокислоте. Это прикрепление происходит с помощью различных ферментов и требует энергии. Затем молекула тРНК высвобождает цепь мРНК, цепь мРНК сдвигает один кодон в рибосоме, и следующая подходящая тРНК прибывает с соответствующим ей антикодоном. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнут последний кодон на мРНК, который обеспечивает сообщение «стоп», сигнализирующее о прекращении трансляции и запускающее высвобождение полного, вновь синтезированного белка.Таким образом, ген в молекуле ДНК транскрибируется в мРНК, которая затем транслируется в белковый продукт ((рисунок)).

От ДНК к белку: транскрипция через трансляцию

Транскрипция в ядре клетки производит молекулу мРНК, которая модифицируется и затем отправляется в цитоплазму для трансляции. Транскрипт расшифровывается в белок с помощью молекул рибосомы и тРНК.

Обычно транскрипция мРНК транслируется одновременно несколькими соседними рибосомами.Это увеличивает эффективность синтеза белка. Одна рибосома может транслировать молекулу мРНК примерно за одну минуту; таким образом, несколько рибосом на борту одного транскрипта могут производить в несколько раз больше одного и того же белка за одну минуту. Полирибосома — это цепочка рибосом, транслирующая одну нить мРНК.

Посмотрите это видео, чтобы узнать о рибосомах. Рибосома связывается с молекулой мРНК, чтобы начать трансляцию своего кода в белок. Что происходит с малыми и большими субъединицами рибосом в конце трансляции?

Обзор главы

ДНК хранит информацию, необходимую для того, чтобы дать клетке команду выполнять все свои функции.Клетки используют генетический код, хранящийся в ДНК, для создания белков, которые в конечном итоге определяют структуру и функцию клетки. Этот генетический код заключается в особой последовательности нуклеотидов, составляющих каждый ген в молекуле ДНК. Чтобы «прочитать» этот код, ячейка должна выполнить два последовательных шага. На первом этапе транскрипции код ДНК преобразуется в код РНК. Молекула информационной РНК, комплементарная конкретному гену, синтезируется в процессе, аналогичном репликации ДНК.Молекула мРНК обеспечивает код для синтеза белка. В процессе трансляции мРНК прикрепляется к рибосоме. Затем молекулы тРНК перемещают соответствующие аминокислоты к рибосоме, одну за другой, кодируемые последовательными триплетными кодонами на мРНК, до тех пор, пока белок не будет полностью синтезирован. По завершении мРНК отделяется от рибосомы, и белок высвобождается. Как правило, несколько рибосом присоединяются к одной молекуле мРНК одновременно, так что из мРНК можно производить несколько белков одновременно.

Вопросы по интерактивной ссылке

Они разделяются и перемещаются и могут свободно присоединяться к трансляции других сегментов мРНК.

Контрольные вопросы

Что из следующего не является разницей между ДНК и РНК?

ДНК содержит тимин, тогда как РНК содержит урацил
ДНК содержит дезоксирибозу, а РНК содержит рибозу
ДНК содержит чередующиеся молекулы сахара-фосфата, тогда как РНК не содержит сахаров
РНК одноцепочечная, а ДНК двухцепочечная

Транскрипция и перевод выполняются в ________ и ________ соответственно.

ядро; цитоплазма
ядрышко; ядро
ядрышко; цитоплазма
цитоплазма; ядро

Сколько «букв» в последовательности молекулы РНК необходимо, чтобы обеспечить код для одной аминокислоты?

Что из следующего не состоит из РНК?

носители, которые перетасовывают аминокислоты в растущую полипептидную цепь
рибосома
молекула-мессенджер, обеспечивающая код для синтеза белка
интрон

Вопросы о критическом мышлении

Кратко объясните сходство между транскрипцией и репликацией ДНК.

И транскрипция, и репликация ДНК включают синтез нуклеиновых кислот. Эти процессы имеют много общих черт, в частности, схожие процессы инициирования, удлинения и завершения. В обоих случаях молекула ДНК должна быть раскручена и разделена, а кодирующая (то есть смысловая) цепь будет использоваться в качестве матрицы. Кроме того, полимеразы служат для добавления нуклеотидов к растущей цепи ДНК или мРНК. Оба процесса получают сигнал о завершении по завершении.

Контрастная транскрипция и перевод.Назовите хотя бы три различия между двумя процессами.

Транскрипция — это на самом деле процесс «копирования», а трансляция — это действительно процесс «интерпретации», потому что транскрипция включает копирование сообщения ДНК в очень похожее сообщение РНК, тогда как трансляция включает преобразование сообщения РНК в совершенно другое аминокислотное сообщение. Эти два процесса также различаются по своему расположению: транскрипция происходит в ядре, а трансляция — в цитоплазме. Механизмы, с помощью которых выполняются эти два процесса, также полностью различны: транскрипция использует ферменты полимеразы для создания мРНК, тогда как трансляция использует различные виды РНК для создания белка.

Глоссарий

антикодон: последовательная последовательность из трех нуклеотидов в молекуле тРНК, которая комплементарна определенному кодону в молекуле мРНК

кодон: последовательная последовательность из трех нуклеотидов на молекуле мРНК, которая соответствует определенной аминокислоте

экзон: одна из кодирующих областей молекулы мРНК, остающихся после сплайсинга

ген: функциональная длина ДНК, которая обеспечивает генетическую информацию, необходимую для построения белка

экспрессия гена: активная интерпретация информации, закодированной в гене, для производства функционального генного продукта

интрон: некодирующая область транскрипта пре-мРНК, которая может быть удалена во время сплайсинга

матричная РНК (мРНК): нуклеотидная молекула, которая служит промежуточным звеном в генетическом коде между ДНК и белком

полипептид: цепь аминокислот, связанных пептидными связями

полирибосома: одновременная трансляция одного транскрипта мРНК множеством рибосом

промотор: область ДНК, которая сигнализирует о начале транскрипции в этом сайте в пределах гена

протеом: Полный набор белков, продуцируемых клеткой (определяется экспрессией специфических генов клетки)

рибосомная РНК (рРНК): РНК, составляющая субъединицы рибосомы

РНК-полимераза: , который раскручивает ДНК, а затем добавляет новые нуклеотиды к растущей цепи РНК для фазы транскрипции синтеза белка

сплайсосома: Комплекс ферментов, который служит для расщепления интронов транскрипта пре-мРНК

соединение: процесс модификации транскрипта пре-мРНК путем удаления определенных, обычно некодирующих, областей

транскрипция: процесс производства молекулы мРНК, комплементарной определенному гену ДНК

РНК переноса (тРНК): молекулы РНК, которые служат для доставки аминокислот к растущей полипептидной цепи и правильного размещения их в последовательности

перевод: процесс производства белка из кода нуклеотидной последовательности транскрипта мРНК

тройня: последовательная последовательность из трех нуклеотидов в молекуле ДНК, которая при транскрибировании в кодон мРНК соответствует определенной аминокислоте

Protein Synthesis — The Definitive Guide

Definition

Синтез белка — это процесс, в котором полипептидные цепи образуются из кодированных комбинаций отдельных аминокислот внутри клетки.Синтез новых полипептидов требует кодированной последовательности, ферментов и мессенджеров, рибосомных и переносящих рибонуклеиновых кислот (РНК). Синтез белка происходит в ядре и рибосомах клетки и регулируется ДНК и РНК.

Синтез белка

Этапы синтеза белка

Этапы синтеза белка имеют двоякий характер. Во-первых, код белка (цепочка аминокислот в определенном порядке) должен быть скопирован из генетической информации, содержащейся в ДНК клетки. Этот начальный этап синтеза белка известен как транскрипция.

Транскрипция производит точную копию участка ДНК. Эта копия известна как информационная РНК (мРНК), которая затем должна транспортироваться за пределы ядра клетки, прежде чем может начаться следующий этап синтеза белка.

Клетка эукариот. Обратите внимание на рибосомы на RER

. Второй этап синтеза белка — это трансляция. Трансляция происходит внутри клеточной органеллы, называемой рибосомой. Информационная РНК проникает в рибосому и соединяется с ней под влиянием рибосомальной РНК и ферментов.Трансферная РНК (тРНК) — это молекула, которая несет одну аминокислоту и кодированную последовательность, которая действует как ключ. Этот ключ вписывается в определенную последовательность из трех кодов на мРНК, обеспечивая правильную аминокислоту. Каждый набор из трех азотистых оснований мРНК называется кодоном.

Перевод и транскрипция будут объяснены более подробно далее. Чтобы синтез белка был простым, нам сначала нужно знать основы.

Полипептиды и белки

Результатом синтеза белка является цепочка аминокислот, которые были присоединены, звено за звеном, в определенном порядке.Эта цепь называется полимером или полипептидом и построена в соответствии с кодом на основе ДНК. Вы можете представить полипептидную цепь в виде бусинок, каждая из которых играет роль аминокислоты. Порядок, в котором нанизываются бусины, скопирован из инструкций в нашей ДНК.

Как бусы на ожерелье

Говоря о синтезе белков, важно различать полипептидные цепи и белки. Все белки являются полипептидами, но не все полипептиды являются белками; однако и белки, и полипептиды состоят из мономеров аминокислот.

Разница между белком и полипептидом заключается в форме. Меньшие цепи аминокислот — обычно менее сорока — остаются одноцепочечными цепями и называются полипептидами. Более крупные цепи должны быть более плотно упакованы; они складываются в фиксированные структуры — вторичные, третичные и четвертичные. Сворачивание полипептидной цепи называется белком.

Полипептидные цепи образуются в процессе трансляции синтеза белка. Эти полипептиды могут складываться или не складываться в белки на более поздней стадии.Однако термин «синтез белка» используется даже в научном сообществе и не является неправильным.

Уровни структуры белка

Понять синтез белка легко, если представить нашу ДНК как книгу рецептов. В этой книге перечислены инструкции, которые показывают клетке, как создавать каждую крошечную часть каждой системы, органа и ткани в нашем теле. Все эти отдельные части представляют собой полипептиды. От кератина в волосах и ногтях до гормонов, циркулирующих в кровотоке, полипептиды и белки являются краеугольным камнем любой структуры.Наша ДНК не кодирует липиды или углеводы — она кодирует только полипептиды.

Фермент РНК-полимераза открывает книгу рецептов ДНК, которая находится внутри ядра клетки. Он использует определенные фрагменты кода в качестве закладок для поиска нужной страницы. Эта книга рецептов написана на иностранном языке — мРНК копирует написанное, не понимая этого. Рецепты переведены на язык, который другие молекулы могут расшифровать на более позднем этапе. Трансляторами выступают рибосомы и тРНК. Они читают рецепт и могут собрать нужные ингредиенты и в правильном порядке сделать готовый полипептидный продукт.

Сначала необходимо транслировать рецепт белка.

Последовательности ДНК

В ядре две цепи ДНК удерживаются вместе азотистыми основаниями (также называемыми азотистыми основаниями или основаниями). Четыре основания — цитозин, гуанин, аденин и тимин — образуют буквы слов в книге рецептов ДНК.

Одна нить ДНК содержит исходный код. Если внимательно следовать инструкциям этого кода, конкретный правильный полипептид может быть собран вне ядра. Вторая цепь ДНК — цепочка-матрица — является зеркальным отображением исходной цепи.Это должно быть зеркальное отображение, поскольку азотистые основания могут присоединяться только к комплементарным партнерам. Например, цитозин соединяется только с гуанином, а тимин — только с аденином.

Соответствующие пары азотистых оснований

Вероятно, вы встречали такие коды, как CTA, ATA, TAA и CCC в различных учебниках биологии. Если это кодоны (наборы из трех оснований) исходной цепи ДНК, цепочка матрицы будет прикрепляться к ним с помощью своих партнеров. Таким образом, используя данные примеры, матричная ДНК будет прикрепляться к исходной цепи ДНК с использованием GAT, TAT, ATT и GGG.

Информационная РНК затем копирует цепочку матрицы. Это означает, что в итоге создается точная копия исходной пряди. Единственная разница в том, что мРНК заменяет тимин на основание, называемое урацилом. Копия мРНК цепи матрицы с использованием данных примеров будет читаться как CUA, AUA, UAA и CCC.

Основания в ДНК и РНК

Эти коды могут быть прочитаны путем переноса РНК за пределы ядра; рецепт можно понять по молекуле, которая не полностью понимает язык, использованный в оригинале (она не понимает тимин, только урацил).Передача РНК помогает доставить нужные части на конвейер рибосомы. Там строится белковая цепь, которая соответствует инструкциям в исходной цепи ДНК.

Участники синтеза белка

Чтобы скопировать фрагмент кода (транскрипция), нам нужны ферменты, называемые РНК-полимеразами. Эти ферменты собирают свободно плавающие молекулы информационной РНК (мРНК) внутри ядра и собирают их, чтобы сформировать буквы кода. Каждая буква кода ДНК имеет свой собственный ключ, и каждая новая буква, образованная мРНК, несет в себе блокировку, которая соответствует этому ключу, наподобие тРНК.

Обратите внимание, что мы говорим о письмах. Это важно. Внутри ядра код ДНК не понимается, его просто копируют — транскрибируют. Понимание кода путем написания слов, образованных этими буквами, — перевод — происходит на более позднем этапе.

Копирование деталей без их понимания — транскрипция РНК-полимераза

должна найти и перенести соответствующую молекулу мРНК для каждого азотистого основания на цепи матрицы. Выбранные молекулы мРНК соединяются вместе, образуя цепочку букв.В конце концов, эти буквы составят эквивалент фразы. Каждая фраза представляет собой конкретный (полипептидный) продукт. Если рецепт не соблюдается в точности, конечный продукт может быть совершенно другим или работать не так, как должен.

РНК-мессенджер теперь стала кодом. Он переходит к следующей группе важных участников, которые работают на производственных предприятиях. Рибосомы находятся вне ядра клетки, либо в цитоплазме клетки, либо прикреплены к шероховатой эндоплазматической сети; именно рибосомы делают эндоплазматический ретикулум «шероховатым».

Рибосома разделена на две части, и нить мРНК проходит через нее, как лента в старинной пишущей машинке. Рибосома распознает и соединяется со специальным кодом в начале переведенной фразы — стартовым кодоном. Молекулы переносящей РНК попадают в рибосому, неся с собой отдельные ингредиенты. Как и во всех этих процессах, для соединения необходимы ферменты.

Старые пишущие машинки помогают нам понять, как работает перевод.

Если каждый кодон мРНК имеет замок, тРНК обладает ключами.Ключ тРНК для кодона мРНК называется антикодоном. Когда молекула тРНК содержит ключ, соответствующий трехосновному коду, она может открыть дверь, сбросить свою нагрузку (аминокислоту) и покинуть фабрику рибосом, чтобы собрать еще одну аминокислотную нагрузку. Это всегда будет аминокислота того же типа, что и антикодон.

Информационная РНК перемещается по рибосоме, как по конвейерной ленте. В следующем кодоне другая молекула тРНК (с правильным ключом) приносит следующую аминокислоту. Эта аминокислота связывается с предыдущей.Начинает формироваться цепочка связанных аминокислот — полипептидная цепь. После завершения эта полипептидная цепь представляет собой точный конечный продукт, произведенный в соответствии с инструкциями в книге рецептов ДНК. Не пирог или пирог, а полипептидная цепочка.

Готовый продукт, готовый к использованию

Об окончании процесса трансляции кода мРНК сигнализирует стоп-кодон. Старт и стоп кодоны не кодируют аминокислоты, но сообщают тРНК и рибосоме, где полипептидная цепь должна начинаться и заканчиваться.

Готовый продукт — вновь синтезированный полипептид — попадает в цитоплазму.Оттуда он может путешествовать туда, где это необходимо.

Сайт синтеза белка

Сайт синтеза белка двоякий. Транскрипция (копирование кода) происходит в ядре клетки, где расположена ДНК. После создания мРНК-копии небольшого участка ДНК она проходит через ядерные поры в цитоплазму клетки. В цитоплазме нить мРНК будет двигаться к свободной рибосоме или рибосоме, прикрепленной к грубому эндоплазматическому ретикулуму. Затем можно начинать следующий этап синтеза белка — трансляцию.

Новые роли рибосом

Средняя клетка млекопитающего содержит более десяти миллионов рибосом. Раковые клетки могут производить до 7500 рибосомных субъединиц (малых и больших) каждую минуту. Как фабрика по производству полипептидов, существование, развитие и функции каждого живого организма зависят от рибосомы.

Функция рибосомы

Ранее считалось, что эукариотические рибосомы играют только эффекторные роли в синтезе белка (вызывают эффект — новый белок).Однако недавние исследования теперь показывают, что рибосомы также регулируют процесс трансляции. Они играют роль в принятии решения о том, какие белки производятся и в каких количествах. Успех и результаты трансляции зависят не только от наличия свободных аминокислот и ферментов — они также зависят от качества рибосом.

Транскрипция в синтезе белка

Процесс транскрипции — это первая стадия синтеза белка. На этом этапе генетическая информация передается от ДНК к рибосомам цитоплазмы или грубому эндоплазматическому ретикулуму.Транскрипция делится на три фазы: инициация, удлинение и завершение.

Транскрипция в ядре, трансляция без инициации

Для инициации требуются две особые группы белков. Первая группа — это факторы транскрипции — они распознают промоторные последовательности в ДНК. Последовательность промотора — это часть кода, находящаяся в начале одного гена, которая показывает, где должен начаться процесс копирования и в каком направлении этот код следует читать. Промотор работает примерно так же, как стартовый кодон на мРНК.

Вторая группа белков, необходимая для инициации транскрипции, состоит из ДНК-зависимых РНК-полимераз (РНКП). Молекула РНК-полимеразы связывается с промотором. Как только это соединение установлено, двухцепочечная ДНК раскручивается и раскрывается (расстегивается).

РНК-полимераза = застежка-молния

Соединенные основания удерживают две цепи ДНК в форме двойной спирали. Когда две нити расстегнуты, отдельные и теперь не связанные базы остаются открытыми. Процесс распаковки повторяется вдоль участка ДНК с помощью РНКП до тех пор, пока не будет достигнута точка остановки транскрипции или терминатор.Таким образом, инициация включает распознавание промоторной последовательности и разархивирование участка ДНК под влиянием факторов транскрипции и РНК-полимераз.

РНК-полимераза разделяет основания ДНК

Элонгация

Следующей фазой в процессе транскрипции является элонгация. Когда кодированная последовательность открыта, RNAP могут считывать каждое отдельное основание аденина, гуанина, цитозина или тимина на цепи-шаблоне и соединять с ним правильное основание-партнер. Важно помнить, что РНК не может воспроизводить тимин и заменяет его азотистым основанием, известным как урацил.

Если, например, короткая последовательность ДНК на матричной цепи представлена CAGTTA или цитозин-аденин-гуанин-тимин-тимин-аденином, RNAP будет связывать правильные партнерские основания, полученные из популяций свободно плавающих оснований в ядре. . В этом примере РНК-полимераза будет присоединять гуаниновое основание к цитозину, урацил к аденину, цитозин к гуанину и аденин к тимину с образованием цепи матричной РНК с кодированной азотистой последовательностью оснований G-U-C-A-A-U. Этот процесс повторяется до тех пор, пока фермент RNAP не обнаружит завершающую его последовательность генетического кода — терминатор.

Фазы транскрипции

Терминация

Когда RNAP обнаруживают терминаторную последовательность, происходит финальная фаза транскрипции — терминация. Цепочка РНКП отсоединяется от ДНК, и в результате получается цепочка информационной РНК. Эта мРНК несет в себе код, который в конечном итоге будет указывать тРНК, какие аминокислоты передать рибосоме.

Информационная РНК покидает ядро через ядерные поры в основном за счет диффузии, но иногда требуется помощь ферментов-переносчиков и АТФ, чтобы достичь места назначения.

Процесс трансляции в синтезе белка

В процессе трансляции малые и большие субъединицы рибосомы замыкаются на цепи мРНК, свободно захватывая ее внутри. Рибосомы упорядочивают нить в кодоны или наборы из трех азотистых основных букв. Это потому, что код отдельной аминокислоты — самой основной формы белка — представляет собой трехбуквенный код азотистых оснований.

Поскольку рибосомы распознают части кода, мы можем сказать, что они его понимают. Беспорядок скопированных букв, созданный на этапе транскрипции, можно прочитать и понять на этапе перевода.

Код можно понять только во время трансляции.

Например, код GGU, GGC, GGA и GGG для аминокислоты, известной как глицин. Большинство аминокислот имеют несколько кодов, так как это снижает вероятность ошибок — если РНК-полимераза случайно связывает аденин вместо цитозина с GG, это не имеет значения. И GGC, и GGA кодируют одну и ту же аминокислоту. Вы можете увидеть список кодонов мРНК для двадцати заменимых аминокислот здесь.

Есть только один стартовый кодонный код — AUG. Три кодона — TAA, TAG и TGA — представляют собой стоп-кодоны.Ни стартовый, ни стоп-кодоны не соответствуют коду аминокислоты; они не кодируют. На этом круге кодонов четко обозначены одиночный стартовый и три стоповых кодона.

Колесо кодонов

Когда кодон становится видимым — после того, как предыдущий кодон был связан с аминокислотой — часть молекулы транспортной РНК помещается в кодон мРНК. Этот «ключ» называется антикодоном. РНК-переносчик выполняет две функции — прикрепляться к аминокислоте за пределами рибосомы и размещать эту аминокислоту в нужное время и в нужном положении на нити мРНК внутри рибосомы.

От десятков до тысяч молекул транспортной РНК образуют полипептидную цепь. Титин или коннектин — самая большая молекула белка и содержит около 33 000 аминокислот. Самый маленький функциональный полипептид — это глутатион — всего три аминокислоты. Чтобы произвести глутатион, сначала рибосома и тРНК должны прочитать стартовый кодон (три основания), затем прочитать первый кодон белка (три основания), второй (три основания), третий (три основания) и стоп-кодон. (три базы). Рецепты (последовательности) кодирующей ДНК и мРНК для глутатиона содержат девять оснований.В этом рецепте могут быть или не быть дополнительных участков некодирующей ДНК. Некодирующие последовательности не производят аминокислот.

Как и в случае с процессом транскрипции, трансляция внутри рибосомы также разделяется на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Пора разобраться в коде

Инициирование включает распознавание рибосомой стартового кодона мРНК. Элонгация относится к процессу, при котором рибосома движется вдоль транскрипта мРНК, распознавая и обнажая отдельные кодоны, чтобы тРНК могла доставить нужные аминокислоты.Антикодоновое плечо тРНК прикрепляется к соответствующему кодону мРНК под влиянием рибосомных ферментов.

Наконец, терминация происходит, когда рибосома распознает стоп-кодон мРНК; завершенная полипептидная цепь затем высвобождается в цитоплазму. Он отправляется туда, где это необходимо — внутрь клетки или в другие ткани, покидая клеточную мембрану посредством экзоцитоза.

Многие полипептиды покидают клетку в результате экзоцитоза

Тест

Библиография

Показать / Скрыть

Barna M.(2013). Рибосомы берут на себя управление. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , 110 (1), 9–10. https://doi.org/10.1073/pnas.1218764110
Hatfield DL, Lee JL, Pirtle RM (Ed). (2018). Трансферная РНК в синтезе белка, Бока-Ратон (Флорида), CRC Press.
Rodwell, VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA. (2018). Harper’s Illustrated Biochemistry, тридцать первое издание. Нью-Йорк, McGraw Hill Professional.
Vargas DY, Raj A, Marras SAE, Kramer FR, Tyagi S.(2005). Механизм транспорта мРНК в ядре. Труды Национальной академии наук . Ноя 2005, 102 (47) 17008-17013; DOI: 10.1073 / pnas.0505580102

Синтез белка

Синтез мРНК с использованием цепи ДНК в качестве матрицы .

Нуклеотиды цепей ДНК считываются группами по три. Каждый триплет называется кодоном . Таким образом, кодон может быть CGA, или TTA, или GCT, или любой другой комбинацией четырех оснований, в зависимости от их последовательности в цепи ДНК.Молекула мРНК состоит из серии кодонов, полученных из генетического сообщения в ДНК.

Как только стоп-кодон достигнут, молекула мРНК покидает молекулу ДНК, и молекула ДНК перематывается, образуя двойную спираль. Между тем, молекула мРНК проходит через клеточную цитоплазму к рибосомам.

Перевод. Трансляция — это процесс, в котором генетический код будет «транслироваться» в аминокислотную последовательность в белке. Процесс начинается с прибытия молекулы мРНК к рибосомам.Пока мРНК синтезировалась, молекулы тРНК объединялись со своими специфическими аминокислотами в соответствии с активностью определенных ферментов. Затем молекулы тРНК начали транспортировать свои аминокислоты к рибосомам, чтобы встретиться с молекулой мРНК.

После того, как молекула мРНК попадает в рибосомы, она раскрывает свои основания в виде наборов из трех кодонов. Каждый кодон имеет дополнительный кодон, называемый антикодоном на молекуле тРНК. Когда кодон молекулы мРНК дополняет антикодон на молекуле тРНК, последняя помещает конкретную аминокислоту в это положение.Затем экспонируется следующий кодон мРНК, и с ним совпадает комплементарный антикодон молекулы тРНК. Аминокислота, переносимая второй молекулой тРНК, таким образом, располагается рядом с первой аминокислотой, и обе они связаны. В этот момент молекулы тРНК высвобождают свои аминокислоты и возвращаются в цитоплазму, чтобы соединиться с новыми молекулами аминокислот.

Затем рибосома движется дальше вниз по молекуле мРНК и обнажает другой кодон, который привлекает другую молекулу тРНК своим антикодоном.На место ставится другая аминокислота. Таким образом, аминокислоты продолжают добавляться к растущей цепи до тех пор, пока рибосома не переместится к концу молекулы мРНК. Таким образом, последовательность кодонов в молекуле мРНК определяет последовательность аминокислот в конструируемом белке (рис. 2).

Этапы синтеза белка, начиная с генетического кода в ДНК и заканчивая готовой полипептидной цепью .

После того, как белок был полностью синтезирован, его удаляют из рибосомы для дальнейшей обработки.Например, белок может храниться в теле Гольджи эукариотической клетки перед высвобождением, или бактерия может выделять его в виде токсина. Молекула мРНК разрушается, и нуклеотиды возвращаются в ядро. Молекулы тРНК возвращаются в цитоплазму, чтобы объединиться со свежими молекулами аминокислот, и рибосома ожидает прибытия новой молекулы мРНК.

Генный контроль. Процесс синтеза белка не происходит в клетке постоянно, а скорее с интервалами, за которыми следуют периоды генетического «молчания».Таким образом, процесс экспрессии генов регулируется и контролируется клеткой.

Контроль экспрессии генов может происходить на нескольких уровнях клетки. Например, гены редко работают во время митоза. Другие уровни генного контроля могут происходить при транскрипции, когда определенные сегменты ДНК увеличивают и ускоряют активность соседних генов. После того, как транскрипция произошла, молекула мРНК может быть изменена для регулирования активности гена. Например, было обнаружено, что мРНК эукариот содержит много бесполезных битов РНК, которые удаляются при производстве конечной молекулы мРНК.Эти бесполезные кусочки нуклеиновой кислоты называются интронами. Остальные части мРНК, называемые экзонами , затем сплайсируются с образованием конечной молекулы мРНК. Бактериальная мРНК лишена интронов.

Концепция генного контроля была тщательно исследована на бактериях. У этих микроорганизмов гены были идентифицированы как структурные гены, гены-регуляторы и контрольные области. Эти три модуля образуют функциональную единицу, называемую опероном .

Оперон был детально исследован на некоторых бактериях.Было обнаружено, что определенные углеводы могут вызывать присутствие ферментов, необходимых для переваривания этих углеводов. Например, когда присутствует лактоза, бактерии синтезируют ферменты, необходимые для ее расщепления. Лактоза действует как молекула-индуктор следующим образом: в отсутствие лактозы регуляторный ген продуцирует репрессорный белок, который связывается с контрольной областью, называемой участком оператора . Это связывание не позволяет структурным генам кодировать фермент переваривания лактозы.Однако, когда присутствует лактоза, она связывается с репрессорным белком и тем самым удаляет репрессор на участке оператора. Когда сайт оператора свободен, структурные гены высвобождаются для производства фермента, переваривающего лактозу.

Protein Synthesis

В 1950-х и 1960-х годах стало очевидно, что ДНК играет важную роль в синтезе белков. Среди множества функций, белки и могут служить ферментами и структурными материалами в клетках. Многие специализированные белки участвуют в клеточной деятельности.Например, у людей гормон инсулин и волокна мышечных клеток состоят из белка. Волосы, кожа и ногти человека состоят из белков, как и все сотни тысяч ферментов в организме.

Ключ к белковой молекуле — это то, как связаны аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке — это тип кода, который определяет белок и отличает один белок от другого. Генетический код в ДНК определяет этот аминокислотный код.Генетический код состоит из последовательности азотистых оснований в ДНК. То, как азотистый основной код транслируется в аминокислотную последовательность в белке, является основой синтеза белка.

Для того чтобы синтез белка происходил, необходимо присутствие нескольких основных материалов, таких как запас 20 аминокислот, которые составляют большинство белков. Другой важный компонент — это ряд ферментов, которые будут работать в этом процессе. ДНК и другая форма нуклеиновой кислоты, называемая рибонуклеиновой кислотой (РНК) , необходимы.

РНК

— это нуклеиновая кислота, которая переносит инструкции ядерной ДНК в цитоплазму, где синтезируется белок. РНК похожа на ДНК, за двумя исключениями. Во-первых, углевод в РНК представляет собой рибозу, а не дезоксирибозу, и, во-вторых, нуклеотиды РНК содержат пиримидин урацил, а не тимин.

Типы РНК

В синтезе белка действуют три типа РНК. Первый тип называется рибосомной РНК ( рРНК ). Эта форма РНК используется для производства рибосом. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические частицы рРНК и белка. Это места (химические «верстаки»), где аминокислоты соединяются друг с другом для синтеза белков. Рибосомы обнаруживаются в большом количестве вдоль мембран эндоплазматического ретикулума и в цитоплазме клетки (см. Главу 3).

Вторым важным типом РНК является РНК переноса (тРНК). РНК переноса существует в цитоплазме клетки и переносит аминокислоты к рибосомам для синтеза белка.Когда происходит синтез белка, ферменты очень специфическим образом связывают молекулы тРНК с аминокислотами. Например, молекула тРНК X будет связываться только с аминокислотой X; Молекула тРНК Y будет связываться только с аминокислотой Y.

Третья форма РНК — это матричная РНК (мРНК). В ядре информационная РНК построена из кода пар оснований ДНК и переносит код в цитоплазму или в грубый эндоплазматический ретикулум, где происходит синтез белка. Информационная РНК синтезируется в ядре с помощью молекул ДНК.Во время синтеза генетическая информация передается от молекулы ДНК к молекуле мРНК. Таким образом, генетический код можно использовать для синтеза белка в отдаленном месте. РНК-полимераза , фермент , осуществляет синтез мРНК, тРНК и рРНК.

Существуют также некодирующие молекулы РНК (нкРНК), которые не принимают непосредственного участия в синтезе белка. Это будет более подробно описано в разделе «Контроль генов» далее в этой главе