Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла использоваться клетками она должна в неизменном виде переписаться и передаться дочерним клеткам во время деления. Этому способствует существующий процесс репликации. Т.е. синтез дочерних ДНК на ДНК материнских. Репликация осуществляется посредством ДНК-зависимых-ДНК-полимераз (ДНК-полимераз). Эти ферменты используют в качестве матрицы одну их цепей ДНК. Существует несколько разновидностей ДНК – полимераз. ДНК – полимераза –I, которая принимает участие в процессе репликации, достраивая дочернею ДНК после вырезания праймера. Этот фермент был открыт в 1955-1958 г. Корнбергом. ДНК – полимераза –II, присутствует в клетке, но ее функции до конца не определены. ДНК – полимераза – III, главный фермент реплекации. Именно ему отводится главная роль в построении дочерней ДНК.
Субстратами ДНК-полимераз служат четыре дезоксирибонуклеотидтрифосфата –АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ, которые в присутствии катиона Mg2+ распадаются до дезоксирибонулеотидмонофосфатов с освобождением эквивалентного количества пирофосфорной кислоты.
При каждом шаге происходит спаривание нуклеотида с азотистым основанием матричной цепочки. Механизм самоудвоения ДНК получил название репликативной вилки.
Каждая репликативная вилка содержит, по крайне мере, две молекулы ДНК-полимеразы, ассоциированными со вспомогательными белками. К последним относятся:
ДНК- полимеразы не способны сразу вести сборку дочерних ДНК, их функция последовательное наращивание комплементарных нуклеотидов к 3´-концу затравки. В качестве затравки используется полинуклеотид РНК, состоящий из 50-80 остатков, называемый праймер. За его синтез отвечает специальная РНК – полимераза (праймаза). Именно к нему ДНК-полимеразы присоединяют нуклеотиды для построения дочерней ДНК. Синтез дочерней ДНК идет в направлении 5 3.
В репликативной вилке происходит синтез сразу двух дочерних ДНК, антипараллельных материнским. Построение дочерних ДНК на разных концах вилки происходит по разному. Если на одном участке синтез протекает по направлению репликативной вилки, то полученная ДНК непрерывная и называется лидирующей или ведущей, то другая цепь прерывистая, и состоит из коротких фрагментов, каждый из которых начинается праймером. Этот участок ДНК называется запаздывающий или отстающий. Синтез также происходит в направлении 5 3. Когда длина такого фрагмента ДНК достигает 1000-2000 остатков – синтез этого фрагмента прерывается и начинается достройка нового праймера. Такие отдельные фрагменты дочерней ДНК, содержащие остатки РНК (праймеры) называются фрагментами Оказаки. Из этих фрагментов, в последующем, вырезаются праймеры (рестриктазами) и пробелы достраиваются с помощь ДНК-полимераз – I, а затем сшиваются с помощь. ДНК - лигаз.
Поскольку только одна из цепочек в двойной спирали ДНК синтезирована заново, то говорят, что синтез происходит по полуконсервативному механизму.
Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована для биосинтеза новых белковых молекул, ее необходимо переписать в последовательность РНК. При этом ДНК служит только матрицей, т.е. она не меняется в процессе переписывания. Сам процесс образования на матричной ДНК РНК называется транскрипцией.
Транскрипция осуществляется ДНК-зависимыми-РНК-полимеразами (РНК-полимеразы). Они действуют подобно ДНК-полимеразам, но сборку цепочки ведут с использованием рибоноклеотидов и для начала процесса переписывания информации не требуются праймеры.
Существуют несколько разновидностей РНК-полимераз:
Наибольший интерес представляет синтез мРНК, так как именно она содержит информацию о синтезирующемся белке.
На первых этапах главенствующая роль в процессах биосинтеза белка отводилась рибосомной РНК. В 1961 году Жакоб и Моно критически рассмотрели данную теорию и обратили внимание на целый ряд фактов, несовместимых с предположением о матричной роли рибосомной РНК:
Все это позволило Жакобу и Моно постулировать существование нового типа РНК, которую они назвали информационной (месседжер РНК). Они предсказали для этой РНК следующие особенности:
Через некоторое время была обнаружена и исследована такая короткоживущая РНК, способная присоединяться к рибосоме.
Рассмотрим процесс переписывания информации с ДНК на иРНК- транскрипцию.
На цепочке ДНК есть несколько участков, выполняющих различные функции. В качестве примера рассмотрим структуру гена, отвечающего за биосинтез -цепь гемоглобина.
Данный ген состоит из 2000 кодонов, однако, только 450 из них несут информацию об аминокислотной последовательности гемоглобина. Информативные кодоны объединены в кодирующие участки – экзоны. Неинформативные участки называются – интронами.
Транскрипция движется в направлении 3 5матричной ДНК
Процесс транскрипции начинается с определенного участка, который называется промотором. В большинстве случаев он представлен последовательностью дезоксирибонуклеотидов ТАТАА ….и называется ТАТА-бокс. Для взаимодействия полимеразы с этим участком необходимо наличие специальных белков, называемых основными факторами транскрипции.
После инициации транскрипции РНК-полимераза движется по матричной цепочке ДНК. Рибонуклеотиды комплементарно связываются с азотистыми основаниями ДНК водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей цепочке РНК.
Вскоре после начала транскрипции конец РНК защищается «кэпом» (7- метил ГТФ), который защищает его от действия эндонуклеаз. Конец транскрипции наступает тогда, когда РНК-полимераза достигает определенного участка на ДНК, называемого терминатором. Как правило, он представлен полиадениловой последовательностью ААТАА…. После этого полимераза прекращает транскрипцию и диссоциирует от ДНК.
Образовавшаяся РНК содержит не только информативные участки –экзоны, но и неинформативные участки – интроны. Дальнейшие превращения мРНК связаны с ее созреванием - сплайсинг. Процесс сплайсинга в первую очередь связан с вычленением неинформативных участков (интронов). В этом процессе активную роль играют специальные белковые комплексы – «малые ядерные рибополинуклеотидные частицы».
На первой стадии сплайсинга ОН-группа аденозинового остатка на 3 конце интрона при участии белковых комплексов расщеплет фосфорноэфирную связь на 5конце этого же интрона. Одновременно с этим образуется новая связь, которая придает интрону форму петли. На следующем этапе интрон освобождается, а остатки экзонов соединяются между собой. Образовавшаяся мРНК содержит только информативные участки, несущие информацию о последовательности аминокислот и готовая для рибосомального биосинтеза белка.
Трансляция. Понятие генетический код. Активирование аминокислот.
Большая часть генетической информации, содержащейся в ДНК, кодирует последовательность аминокислот. Процесс экспрессии генетической информации включает транскрипцию «текста», записанного на языке нуклеотидной последовательности в текст, записанный на «языке белков». Таково происхождение термина трансляция, что означает перевод.
Поскольку в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот (белковоообразующие или протеиногенные), «язык» нуклеиновых кислот должен содержать, по крайней мере, 20 слов (кодонов). Кодоны включают три азотистых основания (триплет). В триплетном генетическом коде для 20 аминокислот потенциально существует 43 =64 кодона. Таким образом, большинство аминокислот записываются несколькими кодонами. Кроме того, существует три кодона, которые обозначают конец транскрипции или стоп-кодоны (ТАА, ТАГ, ТГА). Еще один кодон маркирует начало трансляции – старт- кодон (АТГ).
Активирование аминокислот
Перед тем, как включится в процессы рибосомального синтеза белка каждая из 20 аминокислот должна пройти стадию активирования, т.е присоединится к молекуле тРНК, которая и доставит ее к месту биосинтеза белка. Для каждой аминокислоты существует определенный фермент аминоацил-тРНК – синтетаза (лигаза). Процесс активирования протекает в две стадии:
пирофосфата.
Аминоацил-тРНК-синтетаза – это фермент, специфически взаимодействующий с двумя субстратами: одной аминокислотой и одной определенной тРНК.
Точность трансляции зависит, прежде всего, от субстратной специфичности аминоацил-тРНК-синтетаз. Корректирующий механизм активного центра лигазы обеспечивает немедленное удаление ошибочно присоединенных аминокислотных остатков.
Структура рибосом. События на рибосоме - трансялия (Инциация, элонгация, терминация).
Биосинтез белка (трансляция), как и активация аминокислот, происходит в цитоплазме. Он осуществляется на нуклеопротеидных частицах – рибосомах.
Рибосомы эукариот состоят из двух различных субъединиц, каждая из которых построена из рибосомальной РНК. Рибосомы и их субчастицы классифицируются не по массе, а по коэффициенту седиментации (осаждение при центрифугировании). Так, коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет 80S, а ее субчастиц 40S и 60S соответственно. Рибосомы прокариот имеют аналогичную структуру, но состоят из субчастиц с коэффициентом седиментации 30 и 50S и с общим коэффициентом седиментации 70S.
Клетки, в которых происходит активный биосинтез белков, часто содержат рибосомы, расположенные одна за другой на мРНК (как жемчужины на нитке). Такая структура называется полисомой.
Первым этапом синтеза белка является инициация. Активное участие в инициации отводится специальным белковым факторам IF1, IF2, IF3. На первой стадии в работу включается инициации фактор 3 –IF3. Из скопления субъединиц он выбирает малую (40S или 30S), закрепляется на ней, тем самым, вызывая конформационные изменения, способствующие вхождению 4-х компонентов: инициации фактора 1 (IF1), инициации фактора 2 (IF2), ГТФ, тРНК-метиониновой у эукариот или тРНК –формилметиониновой у прокариот.
Выполнив свою функцию IF3 сбрасывается с субчастицы.
Следующим в работу включается IF1, он способствует вхождению в субчастицу мРНК. Именно нахождение в субчастице тРНК-метиониновой определяет положение мРНК. Здесь работает кодон-антикодоновое взаимодействие. Вторая функция IF1 – присоединение большой субъединицы. Выполнив эту функцию, фактор сбрасывается с рибосомы.
Оставшийся белковый фактор IF2 способствует с одной стороны закреплению мРНК на рибосоме, с другой – активирует гидролиз ГТФ. Энергия гидролиза расходуется на передвижение мРНК и тРНК-метиониновой в пептидильный (Р) центр рибосомы и сбрасыванию с нее продуктов гидролиза. По окончанию процесса инициации образуется транслирующая рибосома.
Вторым этапом биосинтеза белка является элонгация. В процессах элонгации также принимают активное участие белковые факторы: элонгации фактор Tu (ЕF-Tu), элонгации фактор Ts (EF- Ts), элонгации фактор G (EF- G).
Элонгацию условно можно разделить на три этапа. На первом этапе в аминоацильный (А) участок приходит тРНК – другой аминокислоты в комплексе с ГТФ и TF-Tu. Функция белкового фактора – гидролиз ГТФ. До гидролиза взаимодействие тРНК и мРНК очень слабое. Таким образом, гидролиз ГТФ при участии белкового фактора EF-Tu является лимитирующим фактором, дающим время для проверки правильно ли связана тРНК.
Белковый фактор EF- Ts катализирует процесс восстановления ГТФ и воссоздания комплекса ГТФ-EF-Tu.
На следующем этапе происходит синтез дипептида. Под действием фермента транспептидазы (пептидилтрансферазы) происходит перенос первой аминокислоты (метионин) в аминоацильный участок и образование пептидной связи. Данный процесс протекает без участия АТФ. После образования пептидной связи тРНК первой аминокислоты покидает пептидильный (Р) участок.
На следующей стадии EF- G, находящийся в комплексе с ГТФ, гидролизует последний. Энергия гидролиза расходуется на перемещение дипептида в пептидильный участок. Аминоацильный участок остается свободным, и цикл может повторяться.
Когда один из стоп-кодонов попадает в аминоацильный участок, наступает терминация. Для стоп-кодонов нет специфических тРНК Вместо аминокислот с рибосомой связываются два белковых высвобождающих фактора (RF1 и RF2). Один из них RF1 катализирует гидролитическое расщепление эфирной связи между тРНК и С-конц. Пептида, тем самым, высвобождая белок. После этого транслирующая рибосома распадается на составные части. В диссоциации рибосомы используется энергия гидролиза ГТФ, который протекает с участием RF3.
Образовавшийся белок является «сырым». Его созревание связано с отщеплением первой аминокислоты – метионина (формилметионина) или короткого олигопептида.
Синтез белка требует высоких энергетических затрат. При приосоединении одной аминокислоты затрачивается 4 макроэргических связи, две АТФ затрачиваются при активации (АТФ ---АМФ + 2 неорг. Фосфата) и две ГТФ на стадии элонгации. Кроме того, на стадии инициации и терминации расходуется по одной ГТФ.
EMBED PBrush