Біосинтез білка та його регуляція

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

БАШКИРСЬКА ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
 
 
Кафедра Біологічної хімії з курсом органічної хімії
 
 
 

 
 
Зав. кафед.:
професор Каміль Ф. Х
 
 
 
 
 
Тема:
«Біосинтез білка та його регуляція»
 
 
 
 
 
 
 
Виконала студентка:
 
Самойлова Р.Н.
Л-212 б групи
                                                                                                                       II курсу.
 
Перевірила:
Байгільдіна А. А.
 
 
 
 
 
 

Уфа 2004

 
 
Зміст:
 
 
 
 
 
I. Вступ. 3
II. Генетичний код і його властивості. 4
III. Основні компоненти білоксинтезуючої системи. 6
1) Амінокислоти. 6
2) Транспортні РНК. 6
3) Матрична РНК. 9
4) АТФ і ГТФ як джерела енергії. 7
5) аміноацил тРНК синтетази. 7
6) Рибосоми. 8
7) Білкові фактори. 9
IV. Етапи синтезу поліпептидного ланцюга. 9
1) Активування амінокислот 9
2) Процеси трансляції 10
V. Полірібосоми. 11
VI. Транспорт синтезованих білків через мембрани. 12
VII. Синтез мітохондріальних білків. 13
VIII. Посттрансляційна модифікації поліпептидного ланцюга. 13
IX. Регуляція синтезу білка. 14
X. Інгібітори синтезу білка. 17
XI. Список літератури. 19
 
 
 
 
 
 

Введення


Біосинтез білка


Одним із завдань сучасної біології та її новітніх розділів - молекулярної біології, біоорганічної хімії, фізико-хімічної біології - є розшифровка механізмів синтезу молекули білка, що містить сотні, а іноді і тисячі залишків амінокислот. Механізм синтезу має бути точно кодує системою, яка автоматично програмує включення кожного амінокислотного залишку в певне місце поліпептидного ланцюга Кодирующая система визначає первинну структуру, а вторинна і третинна структури білкової молекули визначаються фізико-хімічними властивостями і хімічною будовою амінокислот.
Початкові уявлення, згідно з якими синтез білка можуть каталізувати ті ж протеолітичні ферменти, що і викликають його гідроліз, але шляхом оборотності хімічної реакції, не підтвердилися. Виявилося, що синтетичні і катаболические реакції протікають не тільки різними шляхами, але і в різних субклітинних фракціях. Не підтвердилася так само гіпотеза про попереднє синтезі коротких пептидів з наступним об'єднанням в єдину поліпептидний ланцюг. Більш правильним виявилося припущення, що для синтезу білка потрібні джерела енергії, наявність активованих вільних амінокислот і кілька видів нуклеїнових кислот.
У сучасні уявлення про механізм синтезу білка великий внесок внесли радянські біохіміки. Так, в лабораторії А. Є. Браунштейна було вперше зазначено на участь АТФ у синтезі квазіпептідних зв'язків. В. Н. Орєхович ще 50-ті роки було показано, що перенесення аміноцільних або пептідільних угруповань на NH 2 групу амінокислот може здійснюватися не тільки з амідної або пептидного, але і з складноефірний зв'язку. Як буде показано нижче, саме цей механізм лежить в основі реакції транспептидирования в 50S рибосоме у стадії елонгації синтезу білка.
Значно пізніше були отримані докази, що в синтезі білка, що протікає в основному в цитоплазмі, вирішальну роль відіграють нуклеїнові кислоти, зокрема ДНК. Після того як було встановлено, що ДНК є носієм і зберігачем спадкової інформації, було поставлено питання про те, яким чином ця генетична інформація, записана (зашифрована) у хімічній структурі ДНК, трансформується в фенотипічні ознаки і функціональні властивості живих організмів, що передаються у спадок. В даний час можна дати однозначну відповідь на це питання: генетична інформація програмує синтез специфічних білків, що визначають в свою чергу специфічність структури і функції клітин, органів і цілісного організму. У природі, як відомо, існують два типи біополімерний макромолекул, так звані неінформативні біополімери та інформативні біополімери, що несуть первинну генетичну інформацію та вторинну генетичну, точніше фенотипическую інформацію. Ці загальні уявлення можуть бути виражені наступною послідовністю подій (потік інформації):
ДНК ® РНК ® Білок ® Клітка ® Організм
Біосинтез білка, хоча безпосередньо і регулюється рибонуклеїнової кислоти, опосередковано пов'язаний з контролюючим впливом ДНК ядра і що РНК спочатку синтезується в ядрі, потім надходить у цитоплазму, де виконує роль матриці в синтезі білка. Отримані значно пізніше експериментальні дані підтвердили гіпотезу про те, що основною функцією нуклеїнових кислот є не тільки зберігання генетичної інформації, але й реалізація цієї інформації шляхом програмованого синтезу специфічних білків.
Однак у цій послідовності ДНК ® РНК ® Білок бракувало відомостей про те, яким чином відбуваються розшифровка спадкової інформації і синтезу специфічних білків, що визначають різноманіття ознак живих істот. В даний час з'ясовано основні процеси, з яких здійснюється передача спадкової інформації: вони включають реплікацію, тобто Синтез ДНК на матриці ДНК, транскрипцію, тобто Переклад мови і типу будови ДНК на молекулу РНК, і трансляцію - процес, в якому генетична інформація, що міститься в молекулі мРНК, направляє синтез відповідної амінокислотної послідовності в білку. Багато тонкі механізми транскрипції остаточно не з'ясовані.
Отримано експериментальні докази наявності ДНК також в мітохондріях. Вона не гомологичная і не комплементарна ядерної ДНК. Передбачається, що мітохондріальна ДНК кодує синтез частини структурних білків самих мітохондрій.
Значний внесок у сучасні уявлення про місце, факторів та механізмі синтезу білка внесли дослідження Т. Касперсона, П. Берга, П. Замечніка, С. Очоа, А. А. Баєва, А. С. Спіріна та ін

Генетичний код та його властивості


Необхідність кодування структури білків лінійної послідовності
нуклеотидів мРНК і ДНК продиктовані тим, що в ході трансляції:
· Ні відповідності між числом номерів в матриці мРНК та продукт - синтезованих за білку;
· Відсутній структурний подібність між мономерами РНК та білка.
Це виключає компліментарне взаємодія між матрицею і продуктом - принцип, за яким здійснюється побудова нових молекул ДНК і РНК, під час реплікації і транскрипції.
Звідси стає ясно, що повинен існувати «словник», що дозволяє з'ясувати, яка послідовність нуклеотидів мРНК забезпечує включення в білок амінокислот в заданій послідовності. Цей «словник» отримав назву генетичного, біологічного, нуклеотидного або амінокислотного коду. Він дозволяє шифрувати амінокислоти, що входять до складу білків, за допомогою певної послідовності нуклеотидів в ДНК і мРНК. Для нього характерні певні властивості.
Триплетного. Одним з основних питань при з'ясуванні властивостей коду було питання про число нуклеотидів, яка повинна визначати включення в білок однієї амінокислоти. Відразу було зрозуміло, що це число не може бути рівним 1 або 2, так як в цьому випадку кількість кодують елементів буде недостатньо для шифрування 20 амінокислот в білках. Число кодують послідовностей з чотирьох нуклеотидів по три дорівнює 4 3 = 64, що більш ніж в 3 рази перевищує мінімальну кількість, яка необхідна для кодування 20 амінокислот. У подальшому було встановлено, що кодують елементами в шифруванні амінокислотної послідовності справді є трійки нуклеотидів або триплети, які отримали назву «кодони».

Сенс кодонів

Сенс кодонів став зрозумілий в 60-х р. XX століття, коли, використовуючи безклеточную систему синтезу білків і синтетичні полирибонуклеотидов і заданої послідовністю нуклеотидів в якості матриці, М. Ніренберг і Г. Маттей синтезували поліпептиди певної будови. Так, на матриці полі-У, що складається тільки із залишків УМФ, був отриманий поліфенілаланін, а на матриці полі-Ц-поліпролін. З цього випливало, що триплет - UUU кодує Фен, а триплет-ССС - Про.
У подальших експериментах використовували змішані синтетичні полирибонуклеотидов з відомим складом. У результаті цієї роботи вдалося встановити, що з 64 кодонів включення амінокислот у синтезуються поліпептидний ланцюг шифрує 61 триплет, а 3 інших UAA, UAG, UGA не кодують включення в білок амінокислот і спочатку були названі безглуздими, або нонсенкодоном. Однак у подальшому було показано, що ці триплети сигналізують про завершення трансляції, і тому їх почали називати термініруюшімі, або стоп-кодони.
Кодони мРНК і триплети нуклеотидів в кодує нитки ДНК з направленням від 5 ¢ до 3 ¢ - кінця мають однакову послідовність азотистих основ, за винятком того, що в ДНК замість урацилу (U), характерного для мРНК, варто тимін (Т).
Специфічність
Кожному кодону відповідає тільки одна певна амінокислота. У цьому сенсі генетичний код суворо однозначний.

Виразність

У мРНК і ДНК має сенс 61 триплет, кожен з яких кодує включення в білок одну з 20 амінокислот. З цього випливає, що в інформаційних молекулах включення в білок однієї і тієї ж амінокислот визначає кілька кодонів. Це властивість біологічного коду отримало назву виродження.
У людини одним кодоном зашифровані тільки 2 амінокислоти - Мет і Три, тоді як Лей, Сер і Арг - шістьма кодонами, а Ала, Вал, гли, Про, Тре - чотирма кодонами.
Надмірність кодують послідовностей - найцінніше властивість коли, тому що вона підвищує стійкість інформаційного потоку до несприятливих впливів зовнішнього і внутрішнього середовища. При визначенні природи амінокислоти, яка повинна бути укладена в білок, третій нуклеотид у кодоні не має такого важливого значення, як перші два. Для багатьох амінокислот заміна нуклеотиду третій позиції кодону не позначається на його значенні.

Лінійність запису інформації

Під час трансляції кодони мРНК «читаються» з фіксованою стартовою точки послідовно і не перекриваються. У записі інформації відсутні сигнали, що вказують на кінець одного кодону та початку наступного.
Кодон AUG є ініціює і прочитується тільки на початку, так і в інших ділянках мРНК як Мет. Наступні за ним триплети читаються послідовно без жодних перепусток аж до стоп-кодону, на якому синтез поліпептидного ланцюга завершується.

Універсальність

До недавнього часу вважалося, що код абсолютно універсальний, тобто сенс кодових слів однаковий для всіх вивчених організмів: вірусів, бактерій, рослин, земноводних, ссавців, включаючи людину. Проте пізніше стало відомо одне виключення, здавалося, що мітохондріальна МРНК містить 4 триплетів, що мають інше значення, ніж в мРНК ядерного походження. Так, в мРНК мітохондрій триплет UGA кодує Три, AUA-Мет, а AGA і AGG прічітиваются як додаткові стоп-кодони.

Колінеарність гена і продукту

У прокаріотів виявлено лінійне відповідність послідовності кодонів гена і послідовності амінокислот у білковому продукті, або, як кажуть, існує колінеарність гена і продукту.
У еукаріотів послідовності підстав в гені, колінеарне амінокислотної послідовності в білку, перериваються інтрони. Тому в еукаріотичних клітинах амінокислотна послідовність білка колінеарне послідовності екзонів в гені або зрілої МРНК після постранскріпціонного видалення інтронів.
Основні компоненти білоксинтезуючої системи

Для синтезу поліпептидного ланцюга необхідна велика кількість компонентів, спільне і узгоджене взаємодія призводить до утворення білка.

Амінокислоти

Всі 20 амінокислот, що входять в структуру білків організму людини, повинні бути присутніми в достатній кількості. Ця вимога перш за все відноситься до незамінних (тобто не синтезуються в організмі) амінокислотам, оскільки недостатнє постачання клітини хоча б однієї незамінною амінокислотою призводить до зниження, а іноді й повної зупинки синтезу білка на кодоні, що вимагає включення цієї амінокислоти в білок.

Транспортна РНК

У лабораторії Хогланда було з'ясовано, що при інкубації 14 С-амінокислоти з розчинної фракцією цитоплазми в присутності АТФ і наступним додаванням трихлороцтової кислоти в утворився білковому осаді мітка не відкривається. Було зроблено висновок, що мічена амінокислота не включається в білкову молекулу. Мітка виявилася що ковалентно з РНК, що міститься в білковому фільтраті. Показано, що РНК, до якої приєднується мічена амінокислота, має невелику молекулярну масу і зосереджена в розчинній фракції, тому її спочатку назвали розчинної, а пізніше адаптерний або транспортної РНК. На частку тРНК припадає близько 10-15% загальної кількості клітинної РНК. До теперішнього часу відкрито понад 60 різних тРНК. Для кожної амінокислоти в клітині є принаймні одна специфічна РНК (для ряду амінокислот відкрито більше однієї, зокрема для серину - 5 різних тРНК, для лізину і гліцину - по 4 різних тРНК, хоча і в цьому випадку кожна тРНК пов'язана зі специфічною аміноацил -тРНК-синтетазою). Молекулярна маса більшості тРНК коливається від 24000 до 29000 Так. Вони містять від 75 до 85 нуклеотидів. Амінокислоти приєднуються до вільної 3 ¢-ОН-групі кінцевого мононуклеотид, представленого у всіх тРНК АМФ, шляхом утворення ефірного зв'язку. Цікаво, що майже всі тРНК володіють не тільки індивідуально подібними функціями, але і дуже схожою тривимірною структурою.
Встановлено первинна структура майже всіх 60 відкритих тРНК; знання послідовності нуклеотидів і, отже, складу тРНК дало в руки дослідників багато цінних відомостей про біологічну роль окремих компонентів тРНК. Спільною для тРНК виявилася також нативна конформація, встановлена ​​методом рентгеноструктурного аналізу і названа спочатку названа конформацією конюшини; насправді ця конформація має неправильну, Г-образну, форму.
Визначення структури тРНК дозволило виявити ряд відмінних ділянок; так, 3 ¢-гідроксильної кінці розташовується однакова для всіх тРНК послідовність триплетів ЦЦА-ОН, до якої приєднується за допомогою ефірного зв'язку специфічна амінокислота. Зв'язування в основному відбувається через 3 ¢-ОН-групу кінцевого аденілових нуклеотидів, хоча отримані докази можливості приєднання амінокислоти і через 2 ¢-ОН-групу. Тимидин-псевдоуридин-цітіділовая петля, мабуть, забезпечує зв'язування аміноацил-тРНК з поверхнею рибосоми. Є крім того, додаткова петля, склад якої варіює у різних типів молекул тРНК; її призначення невідомо. Дігідроуріділовая петля, з іншого боку, виявилася необхідною як сайт (місце) для впізнавання специфічним ферментом-аміноацил-тРНК-синтетазою. Є також антікодоновая петля, що несе триплет, названий антикодоном, і розташована на протилежній стороні від того кінця, куди приєднується амінокислота. Антикодон є антипаралельними у своїй комплементарності.
Ретельний аналіз нуклеотидної послідовності різних тРНК показав, що всі вони містять однаковий 5 ¢-кінцевий нуклеотид - ГМФ з вільною 5 ¢-фосфатної-групою. Адапторная функція молекул тРНК полягає у зв'язуванні кожної молекули тРНК зі своєю специфічною функціональною амінокислотою. Але оскільки між нуклеїнової кислотою та специфічної функціональної групою амінокислоти не існує відповідності та спорідненості, цю функцію впізнавання повинна виконувати білкова молекула, яка дізнається як молекулу специфічної тРНК, так і специфічної амінокислоти.
Матрична РНК
Вище було вказано на необхідність участі предобразован молекули РНК для правильного розміщення амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Було висловлено думку, що предобразован РНК, необхідна для зміни типу синтезованого білка, повинна володіти високою швидкістю оновлення свого складу, тобто молекула такий РНК повинна синтезуватися і розпадатися з такою швидкістю, щоб забезпечити швидку оновлюваність нуклеотидного складу. Фактично ж рРНК позначилася метаболічно дуже стабільно, тому ставала очевидним, що вона не може служити в якості матриці.
У ряді лабораторій були отримані дані про існування в клітинах в поєднанні з рибосомами короткоживущей РНК, названої інформаційної РНК; зараз вона позначається як матрична РНК, тому що її роль полягає в перенесенні інформації від ДНК в ядрі до цитоплазми, де вона з'єднується з рибосомами і служить матрицею, на якій відбувається синтез білка.
Ці досліди відкрили пряму дорогу для експериментальної розшифровки коду, за допомогою якого інформація від РНК передається на білок, що синтезується. Послідовність нуклеотидів РНК реалізується у специфічній послідовності амінокислот поліпептидного ланцюга. Досліди Ниренберга свідчать також про те, що не рибосома і не рРНК є матрицею, на якій синтезуються специфічні білки, а цю роль виконують надходять ззовні матричні РНК. Отже, ДНК зраджує інформацію на РНК, що синтезується в ядрі і потім надходить у цитоплазму. Тут РНК виконує матричну функцію для синтезу специфічної білкової молекули. Матрична гіпотеза синтезу білка, як і інших полімерних молекул ДНК і РНК, отримала в даний час повне підтвердження. Її правильність була доведена в експериментах, які забезпечували точне відтворення первинної структури полімерних молекул; причому цей синтез на відміну від безладного хімічного синтезу відрізнявся не тільки високою швидкістю і специфічністю, але й спрямованістю самого процесу, в суворій відповідності з програмою, записаною в лінійній послідовності молекули матриці.

Аміноацил-тРНК синтетази

У цитозолі клітин 20 різних амінокислот приєднуються a-карбоксильною групою до 3 ¢-гідрофільному акцепторному кінця відповідних тРНК з утворенням складноефірний зв'язку. Ці реакції каталізує сімейство ферментів, що носить назву аміноацил-тРНК синтетаз. Кожен член цього сімейства дізнається тільки одну певну амінокислоту і ті тРНК, які здатні зв'язуватися з цією амінокислотою. З цього випливає, що до групи тРНК синтетаз входить 20 різних ферментів. Вони здійснюють активацію амінокислот в 2 стадії: на першій стадії амінокислота приєднується до ферменту і реагує з АТФ з утворенням багатого енергією проміжного з'єднання-аміноацил АМФ. На другій стадії аміноацільний залишок аміноаціладенілата, залишаючись що з ферментом, взаємодіє з молекулою відповідної тРНК з утворенням аміноацил тРНК.
Для кожної амінокислоти існує свій фермент - своя аміноацил тРНК синтетаза: для глутамату - глутаміл-тРНК синтетаза, гістидину - гістіділ-тРНК синтетаза і т.д.
Амінокислоти приєднуються до 3'-або 2'-ОН групами рибози на З "-кінці тРНК, де всі тРНК мають загальну нуклеотидну послідовність-ССА.
Енергія, укладена в макроергічних складноефірний зв'язку аміноацил-тPHK, згодом використовується на утворення пептидного зв'язку в ході синтезу білка.
Пірофосфат, що виділяється в ході цієї реакції, гідролітично розщеплюється з утворенням двох молекул ортофосфата і виділенням енергії, що робить реакцію активації амінокислот незворотною.
Надзвичайно висока специфічність аа-тРНК синтетаз у зв'язуванні амінокислоти з відповідними тРНК лежить в основі точності трансляції генетичної інформації. В активному центрі цих ферментів є 4 специфічних ділянки для впізнавання: амінокислоти, тРНК, АТФ і четвертий - для приєднання молекули Н20, яка бере участь у гідролізі неправильних аміноаціладенілатов. За рахунок існування в активному центрі цих ферментів коригуючого механізму, що забезпечує негайне видалення помилково приєднаного амінокислотного залишку, досягається вражаюче висока точність роботи: на 1300 пов'язаних з тРНК амінокислот зустрічається тільки одна помилка.
Амінокислота, приєднуючись до тРНК, надалі не визначає специфічних властивостей аа-тРНК, так як її структуру не дізнається ні рибосома, ні мРНК. Участь у синтезі білка залежить тільки від структури тРНК, а точніше, від компліментарного взаємодії антикодоном аміноацил-тРНК з кодоном мРНК.
Антикодон розташований в центральній (антікодоновой) петлі тРНК. Впізнавання тРНК аа-тРНК синтетазами не завжди відбувається по антікодоновой петлі. Активний центр деяких ферментів виявляє компліментарне відповідність іншим ділянкам просторової структури тРНК.

Рибосоми

Рибосоми є рібонуклеопротеіновие освіти - своєрідні «фабрики», на яких триває складання амінокислот у білки. Еукаріотичні рибосоми мають константу седиментації 80S і складаються з 40S (малої) і 60S (великий) субодиниць. Кожна субодиниця включає рРНК та білки. У 40S субодиницю входить рРНК з константою седиментації 18S і близько 30-40 білків. У 60S субодиниці виявлено 3 види рРНК: 5S, 5,8 S і 28S і близько 50 різних білків.
Білки входять до складу субодиниць рибосоми в кількості однієї копії і виконують структурну функцію, забезпечуючи взаємодію між мРНК і тРНК, пов'язаними з амінокислотою або пептидом.
У присутності мРНК 40S і 60S субодиниць об'єднуються з утворенням повної рибосоми, маса якої приблизно в 650 разів більше маси молекули гемоглобіну.
У рибосоме є 2 центри для приєднань молекул тРНК: аміноацільний (А) і пептідільний (Р) центри, в освіті яким беруть участь обидві субодиниці. Разом центри А і Р включають ділянку мРНК, рівний 2 кодонам. Під час трансляції центр А пов'язуємо аа-тРНК, будова якої визначає кодон, що знаходиться в області цього центру. У струк турі цього кодону зашифрована природа амінокислоти, яка буде включена в зростаючу поліпептидний ланцюг. Центр Р займає пептидил-тРНК, тобто тРНК, пов'язана з пептидного ланцюжком, яка вже синтезована.
У еукаріотів розрізняють рибосоми 2 типом «вільні», які виявляються в цитоплазма клітин, і пов'язані з ендоплазматичним ретикулумом (ЕР). Рибосоми, асоціювання з ЕР, відповідальні за синтез білків «на експорт», які виходять у плазму крові і беруть участь в оновленні білків ЕР; мембрани aаппарата Гольджі, мітохондрій або лізосом.
Мітохондрії містять свій набір рибосом. Мітохондріальні рибосоми дрібніше, ніж рибосоми еукаріотів, прокаріотів і мають константу седиментації 55S. Вони також складався з двох субодиниць, але відрізняються від еукаріріотіческіх рибосом кількістю і складом РНК і білків.

Білкові фактори

У кожній стадії білкового синтезу на рибосомі ініціації, елонгації і термінації бере участь різний набір внерібосомних білковий факторів. Ці білки зв'язуються з рибосомою або її субодиницями на певних стадіях процесу і стабілізують або полегшують функціонування білоксинтезуючої машини.

АТФ і ГТФ як джерела енергії

На включення однієї амінокислоти в зростаючу поліпептидний ланцюг клітина витрачає 4 макроергічні зв'язку: 2 з АТФ в ході реакції, що каталізується аа-тРНК синтетазою (у процесі активації амінокислот АТФ розщеплюється на АМФ і пірофосфат), і 2 молекули ГТФ: одна використовується на зв'язування аа- тРНК в А-центрі рибосоми, а друга витрачається на стадію транслокації. До цього | слід додати використання ще двох макроергічних зв'язків молекул: АТФ і ГТФ на ініціацію і терминацию синтезу поліпептидного ланцюга.
Етапи синтезу поліпептидного ланцюга

Синтез білка є циклічний багатоступінчастий енергозалежний процес, в якому вільні амінокислоти полімеризується в генетично детерміновану послідовність з утворенням поліпептидів. Система білкового синтезу, точніше система трансляції, яка використовує генетичну інформацію, транскрибований в мРНК, для синтезу поліпептидного ланцюга з певною первинної структурою, включає близько 200 типів макромолекул - білків і нуклеїнових кислот. Серед них близько 100 макромолекул, що в активуванні амінокислот і їх перенесення на рибосоми, більше 60 макромолекул, що входять до складу 70S або 80S рибосом, і близько 10S макромолекул, які беруть безпосередню участь у системі трансляції. Не розбираючи природу інших важливих для синтезу факторів, розглянемо докладно механізм індивідуальних шляхів синтезу білкової молекули в штучної синтезуючої системі. Перш за все за допомогою ізотопного методу було з'ясовано, що синтез білка починається з N-кінця і завершується C-кінцем, тобто процес протікає в напрямку: NH2 ® COOH.
Білковий синтез, або процес трансляції, може бути умовно розділений на 2 етапи: активування амінокислот і власне процес трансляції.
Другий етап матричного синтезу білка, власне трансляцію, що протікає в рибосоме, умовно ділять на три стадії: ініціації, елонгації і термінації.
Активування амінокислот
Необхідною умовою синтезу білка, який у кінцевому рахунку зводиться до полімеризації амінокислот, є наявність в системі не вільних, а так званих активованих амінокислот, які мають своїм внутрішнім запасом енергії. Активація вільних аминоксилот здійснюється за допомогою специфічних ферментів аміноацил-тРНК-синтетаз у присутності АТФ. Цей процес протікає в 2 стадії:
Обидві стадії катализируются одним і тим же ферментом. На першій стадії амінокислота реагує з АТФ і утворюється пірофосфат і проміжний продукт, який на другій стадії реагує з відповідною 3 ¢-ОН-тРНК, в результаті чого утворюється аміноацил-тРНК і звільняється АМФ. Аміноацил-тРНК в своєму розпорядженні необхідний запас енергії.
Амінокислота приєднується до кінцевого 3 ¢-ОН-гідроксилу АМФ, який разом з двома залишками ЦМФ утворює кінцевий триплет ЦЦА, що є однаковим для всіх транспортних РНК.
Процеси трансляції

Ініціація

Ініціація трансляції є подія, в ході якого відбувається образованіe комплексу, що включає Мет-тРНК i мет, мРНК і рибосому, де-тРНК i мет ініціює метионінова тРНКВ цьому процесі беруть участь не менше 10 факторів ініціації, які позначають як elF (від англ. Eukaryotic initiation factors) із зазначенням номера та букви. Спочатку 40S субодиниця рибосоми з'єднується з фактором ініціації, який перешкоджає її зв'язування з 60S субодиницею, але стимулює об'єднання з потрійним комплексом, що включає Мет-тРНК i мет, eIF-2 і ГТФ. Потім цей тепер вже більш складний комплекс зв'язується з 5'-кінцем мРНК за участю декількох elF. Один з факторів ініціації (elF-4F) дізнається і приєднується до ділянки «кеп» на молекулі мРНК, тому він отримав назву кепсвязивающего білка. Прикрепившись до мРНК, 40S субодиниця починає ковзати по некодирующей частини мРНК до тих пір, поки не досягне ініціюючого кодону AUG кодує нуклеотидної послідовності. Ковзання 40S субодиниці по мРНК супроводжується гідролізом АТФ, енергія якого витрачається на подолання ділянок спіралізаціі в нетрансльованій частини мРНК. В еукаріотичних Клек некодуючі ділянки мРНК мають різну довжину, але зазвичай від 40 до 80 нуклеотидів, хоча зустрічаються області з протяжністю більше 700 нуклеотидів.
Досягнувши початку кодує послідовності мРНК, 40S субодиниця зупиняється і зв'язується з іншими факторами ініціації, які прискорюють приєднання 60S субодиниці та освіта 80S рибосоми за рахунок гідролізу ГТФ до ГДФ і неорганічного фосфату. При цьому формуються А-і Р-центри рибосоми, причому в Р-центрі надається AUG-кодон мРНК з приєднаним до нього Мет-ТРН До i мет.
У клітинах є 2 розрізняються за структурою тРНК, узнающие кодон AUG. Ініціює кодон дізнається тРНК i мет, а триплети мРНК, що кодують включення метіоніну у внутрішні ділянки білка, прочитуються інший тРНК i мет

Елонгація

По завершенні ініціації рибосома розташовується на мРНК таким чином, що в Р-центрі знаходиться ініціює кодон AUG з приєднаною до нього Мет-ТРН До i мет., А в А-центрі - триплет, що кодує включення першої амінокислоти синтезованого білка. Далі починається найтриваліший етап білкового синтезу - елонгація, в ході якого рибосома за допомогою аа-тРНК послідовно «читає» мРНК у вигляді триплетів нуклеотидів, наступних за ініціював кодоном в напрямку від 5 'до З'-кінця, нарощуючи полипептидную ланцюжок за рахунок послідовного приєднання амінокислот.
Включення кожної амінокислоти в білок відбувається в 3 стадії, в ході яких:
• аа-тРНК кожної вхідної в білок амінокислоти зв'язується з А-центром рибосоми;
• пептид від пептидил-тРНК, що знаходиться в Р-центрі, приєднується до a-NH2-группe аміноацільного залишку аа-тРНК А-центру з утворенням нової пептидного зв'язку;
• подовжена на один амінокислотний залишок пептидил-тРНК переміщується з А-центру в Р-центр у результаті транслокації рибосоми.
Зв'язування аміноацил-тРНК в А-центрі. Кодон мРНК, що розташовується в А-центрі поруч з ініціював кодоном, визначаємо природу аа ¢-тРНК аа ¢, яка буде включена в А-центр. аа ¢-тРНК аа ¢ взаємодіє з рибосомою у вигляді потрійного комплексу, що складається з фактора елонгації EF-1, аа ¢-тРНК аа ¢, і ГТФ Комплекс ефективно взаємодіє з рибосомою лише в тому випадку, якщо антикодон аа ¢-тРНК аа ¢, компліментарний і антипаралель кодону мРНК в А-центрі. Включення аа ¢-тРНК аа ¢, у рибосому відбувається за рахунок енергії гідролізу ГТФ до ГДФ і неорганічного фосфату

Освіта пептидного зв'язку відбувається відразу ж після відщеплення комплексу EF-1 і ГДФ від рибосоми. Ця стадія процесу отримала назву реакції транспептідаціі.
У ході цієї реакції залишок метіоніну аа ¢-тРНК аа ¢, зв'язується з a-аміногрупи перший амінокислоти, приєднаної до тРНК аа ¢, і pacположенной в А-центрі, утвориться перша пептидний зв'язок. Встановлено, що пептіділтранс | феразная активність великої субодиниці рибосоми належить 28S рРНК. До теперішнього часу виявлена ​​ціла група РНК, що має властивості ферментів. Ці каталітично активні РНК отримали назву рибозимів Вважають, що рибозими можна вважати «реліктами» раннього періоду революції, коли білки ще не набули такого значення, як у наступні періоди.
Транслокація - третя стадія елонгації. До рибосоме приєднується фактор елонгації EF-2 і за рахунок енергії ГТФ просуває рибосому по мРНК на один кодон до З'-кінця. У результаті дипептидил-тРНК, яка не змінює свого положення щодо мРНК, з А-центру переміщається в Р-центр. Вільна від метіоніну тРНК аа ¢, залишає рибосому, а в область А-центру потрапляє наступний кодон.
По завершенні третьої стадії елонгації рибосома в Р-центрі має дипептидил-тРНК, а в А-центр потрапляє триплет, що кодує включення в поліпептідний ланцюг другий амінокислоти. Починається наступний цикл стадії елонгації, в ході якого на рибосоме знову проходять вищеописані події. Повторення таких циклів за кількістю смислових кодонів мРНК завершує весь етап елонгації.

Термінація

Термінація трансляції настає в тому випадку, коли в А-центр рибосоми потрапляє один зі стоп-кодонів: UAG, UAA або UGA. Для стоп-кодонів немає відповідних тРНК. Замість цього до рибосоми приєднуються 2 білкових вивільняє фактора RF (від англ, releasing / actor) або фактора термінації. Один з них за допомогою пептиділтрансферазний центру каталізує гидролитическое відщеплення синтезованого пептиду від тРНК. Інший за рахунок енергії гідролізу ГТФ викликає дисоціацію рибосоми на субодиниці.
Цікаво відзначити, що чинники трансляції, реалізують ефекти за рахунок гідролізу ГТФ, є членами суперсімейства G-білків, до якого входять G-білки, що беруть участь у трансдукції сигналів гормонів та інших біологічно активних речовин, і Ras-білки, що функціонують як фактори росту. Всі G-білки зв'язують і гідролізують ГТФ. Коли вони пов'язані з ГТФ, то активні і беруть участь у відповідних метаболічних процесах, а коли в активному центрі в результаті гідролізу ГТФ перетворюється на ГДФ, ці білки набувають неактивну конформацію.
Таким чином, матрична природа процесу трансляції проявляється в тому, що послідовність надходження аміноацил-тРНК рибосому для синтезу білка суворо детермінована мРНК, тобто порядок розташування кодонів вздовж ланцюга мРНК однозначно задає структуру синтезованого білка. Рибосома сканує ланцюг мРНК у вигляді триплетів і послідовно відбирає з навколишнього середовища «потрібні» аа-тРНК, звільняючи в ході елонгації деацілірованние тРНК.
Мала і велика субодиниці рибосоми: процесі трансляції виконують різні функції: мала субодиниця приєднує мРНК декодує інформацію за допомогою тРНК механізму транслокації, а велика суб'еданіца відповідальна за утворення пептидних зв'язків.
Полірібосоми

У процесі синтезу білка рибосома приєднується до 5'-кінця мРНК і переміщується в напрямку З "-кінця. При цьому 5'-кінець мРНК звільняється, і до нього може приєднатися нова рибосома, на якій починається poст ще однієї поліпептидного ланцюга. Як правило багато рибосом одночасно бере участь у синтезі білка на одній і тій же мРНК, утворюючи комплекс, який називають полірібосомой, або полисомой.
Кожна рибосома займає на мРНК ділянку довжиною близько 80 нуклеотидів, тому рібрсоми розташовуються на мРНК з інтервалом приблизно в 100 нуклеотидів. Чим довше полипептидная ланцюжок синтезованого білка, тим більше рибосом може одночасно здійснювати синтез цього білка, значно збільшуються таким чином ефективність використання матриці.
Кожна рибосома здатна каталізувати утворення близько 100 пептидних зв'язків у хвилину. Полірібосоми можуть існувати у вигляді часток, що плавають у цитоплазмі клітин, або можуть бути пов'язані з ЕР. Вільні цитоплазматичні полірібосомние частки відповідальні за синтез білків, що виконують внутрішньоклітинні функції. Полірібосоми, асоційовані з ЕР, під електронним мікроскопом мають вигляд «шорсткою» поверхні. Білки, синтезовані «шорстким» ЕР, повинні транспортуватися через мембрану для того, щоб вони досягли місця остаточної локалізації. Для них характерна присутність на N-кінці лидерной, або сигнальної, послідовності довжиною від 15 до 30 амінокислотних залишків, яка містить багато амінокислот з гідрофобними радикалами і забезпечує проходження білка через ліпідний бішар мембран. Деякі з цих білків для подальшого транспорту упаковуються апаратом Гольджі в секреторні гранули.
Транспорт синтезованих білків через мембрани.
Крім використання білків для потреб самої клітини, багато хто так звані експортуються білки, які функціонують поза клітини, піддадуться переносу через клітинну мембрану за допомогою особливих низькомолекулярних пептидів (від 15 до 30 амінокислот), що отримали назву лідируючих, або сигнальних, пептидів. Особливістю їх складу є переважне зміст гідрофобних радикалів, що дозволяє їм легко проникати через біслойную ліпідну мембрану або вбудовуватися в мембрану. Ці сигнальні послідовності в рибосомах утворюються першими з N-кінця при синтезі білка за програмою сигнальних кодонів, розташованих відразу після ініциаторного кодону, і легко впізнаються рецепторними ділянками мембрани ендоплазматичної мережі. При цьому утворюється комплекс між мРНК, рибосомою і мембранними рецепторними білками, формуючи своєрідний канал в мембрані, через який сигнальний пептид проникає всередину цистерни ендоплазматичної мережі, захоплюючи і протасківая за собою синтезируемую і зростаючу молекулу секреторного білка. У процесі проходження або після проникнення поліпептиду в цистерни N-кінцева сигнальна послідовність відщеплюється під дією особливої ​​лідируючої (сигнальної) пептидази, а зрілий білок через пластинчастий комплекс (апарат Гольджі) може залишати клітку у формі секреторного бульбашки. Слід вказати на можливість активної участі в транспорті білків та інших полімерних молекул через мембрани, крім сигнальних пептидів, також особливих білків, які отримали найменування порінов; хімічна природа та механізм їх дії з'ясовані поки недостатньо.

Синтез мітохондріальних білків


У мітохондріях клітин вищих організмів міститься до 2% клітинної ДНК, що відрізняється від ДНК ядра. Мітохондрії містять весь апарат, включаючи рибосоми, тРНК і МРН К, необхідний для синтезу певних білків. Синтезуються в мітохондріях білки в основному відносяться до нерозчинним білкам, які беруть участь в організації структури цих органел, в той час як джерелом синтезу розчинних мітохондріальних білків є рибосоми цитоплазми, звідки вони потім транспортуються в мітохондрії. Рибосоми в мітохондріях мають менший розмір ніж 80S рибосоми в цитоплазмі. Цікаво відзначити, що в якості ініціюючої амінокислоти при синтезі білка в мітохондріях еукаріотів може брати участь N-формілметіонін, а не вільний метіонін, як в цитоплазмі. Ця обставина свідчить про те, що мітохондріальний синтез білка за своїм механізмом, очевидно, близький до синтезу білка у прокаріот.
Посттрансляційна модифікації поліпептидного ланцюга
Поліпептидні ланцюги можуть піддаватися структурним модифікаціям, або будучи ще пов'язаними з рибосомами, або після завершення синтезу. Ці конформаційні й структурні зміни поліпептидних ланцюгів отримали назву посттрансляційних змін. Вони включають видалення частини поліпептидного ланцюга, ковалентное приєднання одного або кількох низькомолекулярних лігандів, придбання білком нативної конформації.
Багато модифікації здійснюються в ЕР. Тут відбуваються фолдінг поліпептидних ланцюгів і формування унікальної третинної або четвертинної структури білків. Причому для підтримки нативної конформації молекул величезне значення має правильне формування дисульфідних зв'язків.

Частковий протеоліз

Багато білків, секретуються з клітин, спочатку синтезуються у вигляді молекул-попередників, функціонально неактивних. Видалення частини поліпептидного ланцюга специфічними ендопротеазамі призводить до утворення активних молекул. Деякі білки-попередники розщеплюються в ЕР або апараті; Гольджі. інші - після секреції. Так, неактивні попередники секретується ферментів - зимоген - утворюють активний фермент після розщеплення по певних ділянок молекули: зимоген панкреатичної залози трипсиноген перетворюється в активний трипсин після секреції в тонкий кишечник.
Наочним прикладом послідовного двостадійного протеолізу служить утворення активних форм пептидних гормонів (наприклад, інсуліну чи глюкагону) з препрогормонов. Спочатку N-кінцевий сигнальний пептид молекули-попередника віддаляється в ЕР процесі синтезу білка і утворюється неактивний прогормон. Потім прогормон в секреторних гранулах, що формуються в апараті Гольджі піддається дії ендо-та / або екзопротеаз і перетворюється в активний гормон.

Ковалентні модифікації

Структурні білки і ферменти можуть акгівіроваться або инактивироваться в результаті приєднання різних хімічних груп фосфатних, ацильних. метальних, олігосахаридних і деяких інших.
Фосфорилювання білків здійснюється за гідроксильних груп серину, треоніну і, рідше, тирозину ферментами з групи протеїнкіназ, тоді як дефосфорілірованіе каталізують гідролітичні ферменти фосфопротеінфосфатази
Глікозилювання. Білки, що входять до складу плазматичних мембран або секретирующие з клітин, піддаються глікозідірованію. Вуглеводні ланцюги приєднуються по гідроксильних групах серину або треоніну (О-глікозилювання) або аспарагіну (N-глікозилювання). Послідовне нарощування вуглеводного фрагмента відбувається в ЕР та їх апараті Гольджі.
Численним модифікаціям піддаються бічні радикали деяких амінокислот: в тиреоглобуліну йодується залишки тирозину; у факторах згортання крові карбоксилуєтся залишки глутамату; в ЕР фібробластів гідроксіліруілся залишки проліну та лізину в ланцюгах тропоколагену.
Регуляція синтезу білка

Основною умовою існування будь-яких живих організмів є наявність тонкої, гнучкою, узгоджено діючої системи регулювання, в якій всі елементи тісно пов'язані один з одним. У білковому синтезі не тільки кількісний і якісний склад білків, але й час синтезу має пряме відношення до багатьох проявів життя. Зокрема, від цього залежить пристосування мікроорганізмів до умов навколишнього живильного середовища як біологічної необхідності або пристосування складного багатоклітинного організму до фізіологічних потреб при зміні внутрішніх і зовнішніх умов.
Клітини живих організмів у змозі синтезувати величезна кількість різноманітних білків. Проте вони ніколи не синтезують всі білки. Кількість і різноманітність білків, зокрема ферментів, визначаються ступенем їх участі у метаболізмі. Більш того, інтенсивність обміну регулюється швидкістю синтезу білка і паралельно контролюється аллостеріческій шляхом. Таким чином, синтез білка регулюється зовнішніми і внутрішніми умовами, які диктують клітині синтез такої кількості білка і таких білків, які необхідні для виконання фізіологічних функцій. Все це свідчить про дуже складному, тонкому і доцільний механізм регуляції синтезу білка в клітині.
Загальну теорію регуляції синтезу білка розробили Ф. Жакоб і Ж. Моно. Сутність цієї теорії зводиться до «виключення» чи «включенню» генів як функціонуючих одиниць, до можливості або неможливості прояву їх здатності передавати закодовану в структурних генах ДНК генетичну інформацію для синтезу специфічних білків. Ця теорія, доведена в дослідах на бактеріях, отримала широке визнання, хоча в еукаріотичних клітинах механізм регуляції синтезу білка ймовірно більш складний. У бактерій доведена індукція ферментів (тобто синтез ферментів de novo) при додаванні в живильне середовище субстратів цих ферментів. Додавання кінцевих продуктів реакції, утворення яких каталізується цими ж ферментами, навпаки, викликає зменшення кількості синтезованих ферментів. Це останнє явище отримало назву репресії синтезу ферментів. Обидва явища - індукція і репресія - взаємопов'язані.
Відповідно до теорії Жакоба і Моно в біосинтезі білка у бактерій беруть участь принаймні три типи генів: структурні гени, ген-регулятор і ген-оператор. Структурні гени визначають первинну структуру синтезованого білка. Саме ці гени в ланцюзі ДНК є основою біосинтезу мРНК, що потім надходить у рибосому і, як було зазначено вище, служить матрицею для біосинтезу білка.
Синтез мРНК на структурних генах молекули ДНК безпосередньо контролюється певною ділянкою, званим геном-оператором. Він служить як би пусковим механізмом для функціонування структурних генів. Ген-оператор локалізований на крайньому відрізку структурного гена або структурних генів, регульованих ним. «Зчитування» генетичного коду, тобто формування мРНК, починається спромотора-ділянки ДНК, що є точкою ініціації для синтезу мРНК, і далі поширюється послідовно уздовж оператора і структурних генів. Координований одним оператором одиночний ген або група структурних генів утворює оперон.
У свою чергу діяльність оперона перебуває під контролюючим впливом іншої ділянки ланцюга ДНК, названих гена-регулятора. Оскільки структурні гени і ген-регулятор знаходяться в різних ділянках ланцюга ДНК, зв'язок між ними, як припускають Ф. Жакоб і Ж. Моно, здійснюється за допомогою речовини-посередника, який опинився білком і названого репрессором. Освіта репрессора відбувається в рибосомах ядра на матриці специфічної мРНК, синтезованої на гені-регуляторі. Репрессор має спорідненість до гену-оператору і оборотно з'єднується з ним у комплекс. Утворення такого комплексу призводить до блокування синтезу мРНК і, отже, синтезу білка, тобто функція гена-регулятора полягає, в тому, щоб через білок-репрессор припиняти діяльність структурних генів, які синтезують мРНК. Репрессор, крім того, має здатність суворо специфічно зв'язуватися з певними низькомолекулярними речовинами, званими індукторами, або ефекторами. Коли такий індуктор з'єднується з репрессором, останній втрачає здатність зв'язуватися з геном-оператором, який таким чином виходить з-під контролю гена-регулятора, і починається синтез мРНК.
Це типовий приклад негативної форми контролю, коли індуктор, з'єднуючись з білком-репрессором, викликає його третинної структури настільки, що репрессор втрачає здатність зв'язуватися з геном-оператором. Цей процес аналогічний взаєминам аллостеріческого центру ферменту з ефекторів, під впливом якого змінюється третинна структура ферменту і він втрачає здатність зв'язуватися зі своїм субстратом.
Механізм описаної регуляції синтезу білка і взаємини репрессора зі структурними генами були доведені в дослідах на Є. coli, на прикладі синтезу Р-галактозидази (лактази) - ферменту, гидролизующее молочній цукор на глюкозу і галактозу. Дикий штам Е. coli, звичайно зростаючий на глюкозі, не може рости, якщо замість глюкози в живильне середовище додати лактозу (нове джерело енергії та вуглецю) до тих пір, поки не будуть синтезовані відповідні ферменти (адаптивний синтез). При надходженні у клітину лактози (індуктора) молекули її зв'язуються з білком-репрессором і блокують зв'язок між репрессором і геном-оператором. До того ж ген-оператор і структурні гени починають знову функціонувати і синтезувати необхідну мРНК, яка «дає команду» рибосомам синтезувати р-галактозидазу. Одночасно ген-регулятор продовжує виробляти репрессор, але він блокується новими молекулами лактози, тому синтез ферменту триває. Як тільки молекули лактози будуть повністю розщеплені, репрессор звільняється і, вступивши в ДНК, пов'язує ген-оператор і блокує синтез мРНК, а отже, синтез Р-галактозидази в рибосомах.
Таким чином, біосинтез мРНК, що контролює синтез білка в рибосомах, залежить від функціонального стану репрессора. Якщо репрессор, який являє собою білок, побудований з 4 субодиниць з загальною молекулярною масою близько 150000 Так, знаходиться в активному стані, не пов'язаний з індуктором, то він блокує ген-оператор і синтез мРНК не відбувається. При надходженні метаболіту-індуктора в клітку його молекули пов'язують репрессор, перетворюючи його в неактивну форму (або, можливо, знижуючи його спорідненість до гену-оператора). Структурні гени виходять з-під забороняє контролю і починають синтезувати потрібну мРНК.
Вище було зазначено, що концентрація ряду ферментів в клітинах різко знижується при збільшенні концентрації віддалених кінцевих продуктів, що утворюються в ланцюзі послідовних ферментативних реакцій. Такий ефект, який отримав назву репресії ферментів, часто спостерігається при реакціях біосинтезу. У цих випадках виявилося, що молекули репрессора, також утворюються в рибосомах ядра по «команді» гена-регулятора, є неактивними і самі по собі не мають здатність пригнічувати діяльність гена-оператора і, отже, всього оперона, але набувають таку здатність після утворення комплексу з кінцевим або одним з кінцевих продуктів биосинтетического процесу.
Кінцевий продукт виступає, таким чином, в якості корепрессора. Є дані, що показують, що в якості корепрессоров у синтезі ферментів обміну амінокислот виступає не вільна амінокислота як кінцевий продукт биосинтетической реакції, а комплекс її з тРНК - аа-тРНК.
У регуляції експресії структурних генів специфічне участь приймає особливий білок, який отримав назву катаболітний ген-активуючий білок (від англ, catabolite gene activation protein, скорочено позначається САР); цей білок взаємодіє з цАМФ, утворюючи комплекс, який сприяє прикріпленню РНК-полімерази до промоторної ділянці геному . У присутності комплексу САР-цАМФ фермент може почати транскрипцію оперона, включаючи структурні гени, тобто в клітинах є ще один, додатковий САР-цАМФ регулятор, діючий швидше за все в якості позитивного регулятора, оскільки його присутність необхідна для початку експресії гена. Таким чином, концепції Жакоба і Моно про механізм прояву активності генів визнана одним з блискучих досягнень молекулярної біології. Вона стала логічним розвитком численних досліджень, проведених генетиками і біохіміками в попередні десятиліття.
На закінчення слід коротенько розглянути питання про регулювання процесів диференціювання клітин вищих організмів. ДНК, яка присутня в усіх соматичних клітинах, найімовірніше, має однакову первинну структуру у даного організму і відповідно має інформацію для синтезу будь-яких або всіх білків тіла. Тим не менш клітини печінки, наприклад, синтезують сироваткові білки, а клітини молочної залози - білки молока. Немає сумніву в тому, що в диференційованих клітинах, очевидно, існує тонкий механізм контролю діяльності ДНК у різних тканинах, що забезпечує синтез різноманіття білків.
Механізми, що лежать в основі цієї регуляції, поки невідомі. Для пояснення їх є ряд гіпотез. Передбачається, що контроль здійснюється на рівні транскрипції за аналогією з індукцією ферментів у бактерій і що в цьому випадку в клітинах тварин повинні функціонувати аналогічні репрессора .. Оскільки з молекулою ДНК у зукаріот пов'язані гістони, вважається, що саме вони виконують роль репрессором. Однак прямі докази їх ролі в якості репрессором відсутні, як і точні дані про існування і природу будь-яких репрессором в клітинах еукаріотів. Висловлено припущення, що в ядрі синтезується гігантська молекула мРНК, що містить інформацію для синтезу широкого різноманітності білків, але в цитоплазму, як було показано вище, потрапляє лише невелика частина зрілої мРНК, а основна частина розпадається. Неясні, однак, біологічний сенс і призначення цього механізму виборчого розпаду і, відповідно, витрати величезної частини молекули мРНК.
Існує ще одне припущення, що на ДНК клітини синтезуються всі можливі мРНК, які надходять в цитоплазму, і процес трансляції регулюється шляхом специфічного та виборчого взаємодії з певними молекулами мРНК.

Інгібітори синтезу білка


Одним із шляхів з'ясування механізмів синтезу нуклеїнових кислот і білків в клітинах є використання таких лікарських препаратів, які могли б вибірково гальмувати ці процеси у бактерій, не впливаючи на організм людини. Деякі препарати дійсно мають такою дією, проте багато з них виявляються токсичними і для людини. В даний час у медичній практиці застосовуються багато антибіотиків, частина з яких буде розглянута нижче з метою з'ясування механізму їх дії на ключові хімічні реакції синтезу білка та нуклеїнових кислот.
Одним із потужних інгібіторів білкового синтезу є пуроміцін. У результаті структурної схожості з кінцевим залишком АМФ у аміноацил-тРНК 'він легко взаємодіє з А-ділянкою пептидил-тРНК з утворенням пептидил-пуро-міціна.

Оскільки пептидил-пуроміцін не несе на собі триплетів антикодоном, він тим самим гальмує елонгацію пептидного ланцюга, викликаючи обрив реакції. За допомогою пуромицина було доведено, наприклад, що гормональний ефект часом залежить від синтезу білка de novo. Зазначимо також, що пуроміцін гальмує синтез білка як у прокаріотів, так і у еукаріотів.
Білковий синтез гальмується актиноміцин D, які мають протипухлинну ефектом, який внаслідок високої токсичності застосовується рідко. Він робить гальмуючий вплив на синтез всіх типів клітинної РНК, особливо мРНК. Це властивість викликано гальмуючим впливом актиноміцину D на ДНК-залежну РНК-полімеразу, оскільки він зв'язується з залишками дезоксигуанозина ланцюга ДНК, вимикаючи матричну функцію останньої. Можна вважати, що актиноміцин D інгібує транскрипцію ДНК.
Іншим антибіотиком, також гальмує синтез клітинної РНК, є використовуваний при лікуванні туберкульозу рифаміцин. Цей препарат гальмує ДНК-залежну РНК-полімеразу шляхом зв'язування з ферментом. Найбільш чутлива до нього бактеріальна РНК-полімераза. На організм тварин цей антибіотик має незначний вплив. По механізму дії він різко відрізняється від актиноміцину t). Слід вказати на нещодавно відкрите противірусну дію рифаміцинів, зокрема, він успішно використовується при лікуванні трахоми, яка викликається ДНК-вірус. Мабуть, цей антибіотик знайде застосування в лікуванні пухлин, що викликаються вірусами.
З'ясовано механізми дії ряду інших антибіотиків, що застосовуються при лікуванні тифозних інфекцій. Так, хлорамфенікол інгібує вплив на пептиділтрансферазний реакцію (на стадії елонгації) синтезу білка в 70S рибосоме бактерій. На цей процес у 80S рибосоме він не діє. Протилежне гальмує дію на синтез білка в 80S (без ураження процесу в 70S рибосомі) надає циклогексимід, що є інгібітором транслокази.
Вельми цікавий молекулярний механізм дії дифтерійного токсину. Він виявився наділений здатністю каталізувати реакцію АДФ-рібозілірованія фактора елонгації (трансляційний фактор-2, TF-2). вимикаючи тим самим його з участі в синтезі білка. Резистентність багатьох тварин до дифтерійного токсину обумовлена ​​труднощами проникнення токсину через мембрану клітин.
Протитуберкульозні і антибактеріальні антибіотики, зокрема стрептоміцин і неоміцин, діють на белоксинтезирующий апарат чутливих до них-штамів бактерій. Висловлено припущення, що ці антибіотики викликають помилки в трансляції мРНК, що призводять до порушення відповідності між кодонами і включаються амінокислотами; наприклад, кодон УУУ замість фенілаланіну починає кодувати лейцин - в результаті утворюється аномальний білок, що призводить до загибелі бактерій.
Широко застосовуються в клініці тетрацикліни також виявилися інгібіторами синтезу білка в 70S рибосоме (менше гальмується синтез в 80S рибосомі). Вони легко проникають через клітинну мембрану. Вважається, що тетрацикліни гальмують зв'язування аміноацил-тРНК з аміноацільним центром у 50S субчастіц рибосоми. Можливо, що тетрацикліни хімічно зв'язуються з цим центром, вимикаючи тим самим одну з провідних стадій процесу трансляції.
Пеніциліни не є істинними інгібіторами синтезу білка, проте їхній антибактеріальний ефект пов'язаний з гальмуванням синтезу гексапептід, що входять до складу клітинної стінки. Механізм їх синтезу відрізняється від рибосомальному механізму синтезу білка. Еритроміцин і олеандоміцин гальмують активність транслокази в процесі трансляції, подібно циклогексимід, виключно в 80S рибосомах, тобто гальмують синтез білка в клітинах тварин.
Отримані на сьогодні дані за механізмом дії антибіотиків на синтез білка з урахуванням стадії і топографії процесу трансляції підсумовані в табл. 13.2 (за Харперу).
Слід ще раз підкреслити, що порушення чи випадання будь-якої ланки, що бере участь у синтезі білка, майже завжди призводить до розвитку патології, причому клінічні прояви хвороби будуть визначатися природою і функцією білка, синтез якого виявляється порушеним (структурний або функціональний білок). Іноді синтезуються так звані аномальні білки як результат дії мутагенних факторів і, відповідно, зміни генетичного коду (наприклад, гемоглобін при серповидно-клітинної анемії). Наслідки цих порушень можуть виражатися в розвитку найрізноманітніших синдромів або закінчуватися летально. Слід зазначити, що організм має в своєму розпорядженні потужними механізмами захисту: подібні зміни генетичного апарату швидко розпізнаються специфічними ферментами - рестріктазами, змінені послідовності вирізаються і знову заміщуються відповідними нуклеотидами за участю полімераз і лігази.
ЛІТЕРАТУРА:
 
 
 
1. Березів Т. Т., Коровкін Б. Ф. биологич
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
108.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Менструальний цикл та його регуляція
Білка білка в колесі
Синтез білка
Білка звичайна
Виробництво білка
Білка в колесі
Хімія білка
Матричний синтез білка
Біосинтез дезоксирибонуклеотидів
© Усі права захищені
написати до нас