Синтез білка у клітинах м'язів. Синтез білків у клітині - опис, функції процесу Як відбувається синтез білка в рослинній клітині
Біосинтез білків йде у кожній живій клітині. Найбільш активний він у молодих клітинах, що ростуть, де синтезуються білки на побудову їх органоїдів, а також у секреторних клітинах, де синтезуються білки-ферменти і білки-гормони.
Основна роль визначенні структури білків належить ДНК. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру одного білка, називають геном. Молекула ДНК містить кілька сотень генів. У молекулі ДНК записаний код про послідовність амінокислот у білку у вигляді нуклеотидів, що точно поєднуються. Код ДНК удалося розшифрувати майже повністю. Сутність його полягає у наступному. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ланцюга ДНК з трьох нуклеотидів, що стоять поруч.
Наприклад, ділянка Т-Т-Т відповідає амінокислоті лізину, відрізок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валіну н т. д. Різних амінокислот - 20, число можливих поєднань з 4 нуклеотидів по 3 дорівнює 64. , Триплет з надлишком вистачає для кодування всіх амінокислот.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, що є ланцюгом синтетичних реакцій, що протікають за принципом матричного синтезу.
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, який передає інформацію з ДНК рибосоми. Таким посередником є іРНК. :
У біосинтезі білка визначають такі етапи, що йдуть у різних частинах клітини:
1.Перший етап - синтез і-РНК відбувається в ядрі, у процесі якого інформація, що міститься в гені ДНК, листується на і-РНК. Цей процес називається транскрипцією (від латів. «Транскриптик» - переписування).
2.На другому етапі відбувається поєднання амінокислот з молекулами т-РНК, які послідовно складаються з трьох нуклеотидів - антикодонів, за допомогою яких визначається свій триплет-кодон.
3. Третій етап – це процес безпосереднього синтезу поліпептидних зв'язків, званий трансляцією. Він відбувається у рибосомах.
4.На четвертому етапі відбувається утворення вторинної та третинної структури білка, тобто формування остаточної структури білка.
Таким чином, у процесі біосинтезу білка утворюються нові молекули білка відповідно до точної інформації, закладеної в ДНК. Цей процес забезпечує оновлення білків, процеси обміну речовин, зростання та розвиток клітин, тобто всі процеси життєдіяльності клітини.
Хромосоми (від грец. «хрому» – колір, «сома» – тіло) – дуже важливі структури ядра клітини. Відіграють головну роль процесі клітинного поділу, забезпечуючи передачу спадкової інформації від покоління до іншого. Вони є тонкими нитками ДНК, пов'язані з білками. Нитки називаються хроматидами, що складаються з ДНК, основних білків (гістонів) та кислих білків.
У клітині, що не ділиться, хромосоми заповнюють весь обсяг ядра і не видно під мікроскопом. Перед початком поділу відбувається спіралізація ДНК і кожна хромосома стає помітною під мікроскопом. Під час спіралізації хромосоми скорочуються у десятки тисяч разів. У такому стані хромосоми виглядають як дві однакові нитки (хроматиди), що лежать поруч, з'єднані спільною ділянкою - центромірою.
Для кожного організму характерна постійна кількість та структура хромосом. У соматичних клітинах хромосоми завжди парні, тобто у ядрі є дві однакові хромосоми, що становлять одну пару. Такі хромосоми називають гомологічними, а парні набори хромосом у соматичних клітинах називають диплоїдними.
Так, диплоїдний набір хромосом у людини складається з 46 хромосом, утворюючи 23 пари. Кожна пара складається із двох однакових (гомологічних) хромосом.
Особливості будови хромосом дозволяють виділити їх 7 груп, що позначаються латинськими літерами А, В, З, D, Е, F, G. Усі пари хромосом мають порядкові номери.
У чоловіків та жінок є 22 пари однакових хромосом. Їх називають аутосоми. Чоловік та жінка відрізняються однією парою хромосом, які називають статевими. Вони позначаються буквами - велика X (група З) і маленька Y (група З). У жіночому організмі 22 пари аутосом та одна пара (XX) статевих хромосом. У чоловіків - 22 пари аутосом н одна пара (XY) статевих хромосом.
На відміну від соматичних клітин, статеві клітини містять половинний набір хромосом, тобто містять одну хромосому кожної пари! Такий набір називають гаплоїдним. Гаплоїдний набір хромосом виникає у процесі дозрівання клітин.
властивих їй білків.Кожна клітина містить тисячі білків, у тому числі і властивих лише даному виду клітин. Оскільки у процесі життєдіяльності всі білки рано чи пізно руйнуються, клітина повинна безперервно синтезувати білки на відновлення своїх мембран, органоїдів і т. п. Крім того, багато клітин «виготовляють» білки для потреб всього організму, наприклад клітини залоз внутрішньої секреції, що виділяють в кров білкові гормони. У цих клітинах синтез білка йде особливо інтенсивно.
Синтез білка потребує великих витрат енергії.
Джерелом цієї енергії, як і для всіх клітинних процесів, є АТФ. Розмаїття функцій білків визначається їх первинної структурою, тобто. послідовністю амінокислот у їх молекулі. Своєю чергою спадкова інформаціяпро первинну структуру білка полягає в послідовності нуклеотидів у молекулі ДНК. Ділянка ДНК, в якій міститься інформація про первинну структуру одного білка, називається геном. В одній хромосомі міститься інформація про структуру багатьох сотень білків.
генетичний код.
Кожна амінокислота білка в ДНКвідповідає послідовність із трьох розташованих один за одним нуклеотидів - триплет. До теперішнього часу складено карту генетичного коду, тобто відомо, які триплетні поєднання нуклеотидів ДНК відповідають тій чи іншій з 20 амінокислот, що входять до складу білків (рис. 33). Як відомо, до складу ДНК можуть входити чотири азотисті основи: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) та цитозин (Ц). Число поєднань з 4 по 3 становить: 43 = 64, тобто можна закодувати 64 різних амінокислоти, тоді як кодується лише 20 амінокислот. Виявилося, що багатьом амінокислот відповідає не один, а кілька різних триплетів - кодонів.
Передбачається, що така властивість генетичного коду підвищує надійність зберігання та передачі генетичної інформації при розподілі клітин. Наприклад, амінокислоті аланіну відповідають 4 кодони: ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ, і виходить, що випадкова помилка в третьому нуклеотиді не може позначитися на структурі білка – все одно це буде кодон аланіну.
Так як в молекулі ДНК містяться сотні генів, то до її складу обов'язково входять триплети, що є розділовими знаками і позначають початок і кінець того чи іншого гена.
Дуже важлива властивість генетичного коду - специфічність, тобто один триплет завжди позначає лише одну-єдину амінокислоту. Генетичний код універсальний всім живих організмів від бактерій до людини.
Транскрипція. Носієм усієї генетичної інформації є ДНК, розташована в клітинах. Сам синтез білка відбувається в цитоплазмі клітини, на рибосомах. З ядра в цитоплазму інформація про структуру білка надходить як інформаційної РНК (і-РНК). Щоб синтезувати и-РНК, ділянка ДНК «розмотується», деспіралізується, та був за принципом комплементарності однією з ланцюжків ДНК з допомогою ферментів синтезуються молекули РНК (рис. 34). Це відбувається таким чином: проти, наприклад, гуаніну молекули ДНК стає цитозин молекули РНК, проти аденіну молекули ДНК - урацил РНК (згадайте, що в РНК в нуклеотиди замість тиміну включений урацил), навпроти тиміну ДНК - аденін РНК і навпроти цитозину ДНК - Гуанін РНК. Таким чином, формується ланцюжок і-РНК, що є точною копією другого ланцюга ДНК (тільки тимін замінений на урацил). Таким чином, інформація про послідовність нуклеотидів якогось гена ДНК «переписується» в послідовність нуклеотидів і РНК. Цей процес отримав назву транскрипції. У прокаріотів синтезовані молекули і-РНК відразу ж можуть взаємодіяти з рибосомами, і починається синтез білка. У еукаріотів і-РНК взаємодіє в ядрі зі спеціальними білками і переноситься через ядерну оболонку в цитоплазму.
У цитоплазмі обов'язково має бути набір амінокислот, необхідних синтезу білка. Ці амінокислоти утворюються внаслідок розщеплення харчових білків. Крім того, та чи інша амінокислота може потрапити до місця безпосереднього синтезу білка, тобто в рибосому, лише прикріпившись до спеціальної транспортної РНК (Т-РНК).
Транспортні РНК.
Для перенесення кожного виду амінокислот рибосоми потрібен окремий вид т-РНК. Оскільки до складу білків входять близько 20 амінокислот, існує стільки видів т-РНК. Будова всіх т-РНК подібна (рис. 35). Їхні молекули утворюють своєрідні структури, що нагадують формою лист конюшини. Види т-РНК обов'язково розрізняються по триплету нуклеотидів, розташованому на верхівці. Цей триплет, що отримав назву антикодон, за генетичним кодом відповідає тій амінокислоті, яку належить переносити цієї Т-РНК. До «черешка листа» спеціальний фермент прикріплює обов'язково ту амінокислоту, яка кодується триплетом, комплементарним антикодону.
Трансляція.
У цитоплазмі відбувається останній етап синтезу білка – трансляція. На той кінець і-РНК, з якого необхідно розпочати синтез білка, нанизується рибосома (рис. 36). Рибосома переміщається молекулою і-РНК переривчасто, «стрибками», затримуючись кожному триплеті приблизно 0,2 з. За цю мить одна т-РНК із багатьох здатна «пізнати» своїм антикодоном триплет, на якому знаходиться рибосома. І якщо антикодон комплементарний цьому триплету і-РНК, амінокислота від'єднується від «черешка листа» і приєднується пептидним зв'язком до зростаючого білкового ланцюжка (рис. 37). У цей момент рибосома зсувається по і-РНК на наступний триплет, що кодує чергову амінокислоту синтезованого білка, а чергова т-РНК «підносить» необхідну амінокислоту, що нарощує ланцюжок білка, що росте. Ця операція повторюється стільки разів, скільки амінокислот повинен містити «білок, що будується». Коли ж у рибосомі виявляється один лз триплетів, що є «стоп-сигналом» між генами, то жодна т-РНК до такого триплету приєднатися не може: оскільки антикодонів до них у т-РНК не буває. У цей час синтез білка закінчується. Всі описувані реакції відбуваються за дуже короткі проміжки часу. Підраховано, що на синтез досить великої молекули білка йде близько двох хвилин.
Клітці потрібна не одна, а багато молекул кожного білка. Тому щойно рибосома, першою яка розпочала синтез білка на і-РНК, просунеться вперед, за нею на ту саму і-РНК нанизується друга рибосома, що синтезує той самий білок. Потім на і-РНК послідовно нанизуються третя, четверта рибосоми і т. д. Всі рибосоми, що синтезують той самий білок, закодований в даній і-РНК, називаються полісомою.
Коли синтез білка закінчено, рибосома може знайти іншу і-РНК та почати синтезувати той білок, структура якого закодована у новій і-РНК.
Таким чином, трансляція - це переведення послідовності нуклеотидів молекули і-РНК у послідовність амінокислот синтезованого білка.
Підраховано, що це білки організму ссавця може бути закодовані лише двома відсотками ДНК, які у його клітинах. А навіщо потрібні інші 98% ДНК? Виявляється, кожен ген влаштований набагато складніше, ніж вважали раніше, і містить не тільки ту ділянку, в якій закодована структура будь-якого білка, а й спеціальні ділянки, здатні "вмикати" або "вимикати" роботу кожного гена. Ось чому всі клітини, наприклад людського організму, що мають однаковий набір хромосом, здатні синтезувати різні білки: в одних клітинах синтез білків іде за допомогою одних генів, а в інших – задіяні зовсім інші гени. Отже, у кожній клітині реалізується лише частина генетичної інформації, що міститься у її генах.
Синтез білка потребує великої кількості ферментів. І кожної окремої реакції білкового синтезу потрібні спеціалізовані ферменти.
Ген. генетичний код. Триплет. Кодон. Транскрипція. Антикодон. Трансляція. Полісома.
1. Що таке транскрипція?
2. Що таке трансляція?
3. Де відбуваються транскрипція та трансляція?
4. Що таке полісома?
5. Чому у різних клітинах якогось організму «працює» лише частина генів?
6. Чи може існувати клітина, нездатна до самостійного синтезу вещест.
Кам'янський А. А., Криксунов Є. В., Пасічник В. В. Біологія 9 клас
Надіслано читачами з інтернет-сайту
Біосинтез білка та генетичний код
Визначення 1
Біосинтез білка– ферментативний процес синтезу білків у клітині. У ньому беруть участь три структурні елементи клітини – ядро, цитоплазма, рибосоми.
В ядрі клітини в молекулах ДНК зберігається інформація про всі білки, які в ній синтезуються, зашифрована за допомогою чотирилітерного коду.
Визначення 2
Генетичний код– це послідовність розташування нуклеотидів у молекулі ДНК, яка визначає послідовність амінокислот у молекулі білка.
Властивості генетичного коду такі:
Генетичний код триплетний, тобто кожній амінокислоті відповідає свій кодовий триплет ( кодон), що складається з трьох розташованих поруч нуклеотидів.
Приклад 1
Амінокислота цистеїн кодується триплетом А-Ц-А, валін – триплетом Ц-А-А.
Код не перекривається, тобто нуклеотид не може входити до двох сусідніх триплетів.
Код вироджений, тобто одна амінокислота може кодуватись кількома триплетами.
Приклад 2
Амінокислота тирозин кодується двома триплетами.
Код не має ком (розділових знаків), зчитування інформації відбувається трійками нуклеотидів.
Визначення 3
Ген – ділянка молекули ДНК, яка характеризується певною послідовністю нуклеотидів та визначає синтез одного поліпептидного ланцюга.
Код є універсальним, тобто єдиним всім живих організмів – від бактерій до людини. У всіх організмів є одні й ті самі 20 амінокислот, які кодуються одними і тими ж триплетами.
Етапи біосинтезу білка: транскрипція та трансляція
Структура будь-якої білкової молекули закодована в ДНК, яка не бере участі безпосередньо в її синтезі. Вона є лише матрицею для синтезу РНК.
Процес біосинтезу білка відбувається на рибосомах, які розташовані переважно у цитоплазмі. Отже, реалізації передачі до місця синтезу білка генетичної інформації з ДНК потрібен посередник. Цю функцію виконує іРНК.
Визначення 4
Процес синтезу молекули иРНК однією ланцюга молекули ДНК виходячи з принципу комплементарності називається транскрипцією, або листуванням.
Транскрипція відбувається у ядрі клітини.
Процес транскрипції здійснюється одночасно не на всій молекулі ДНК, а лише на її невеликій ділянці, що відповідає певному гену. При цьому відбувається розкручування частини подвійної спіралі ДНК і коротка ділянка одного з ланцюгів оголюється - тепер вона виконуватиме роль матриці для синтезу іРНК.
Потім уздовж цього ланцюга рухається фермент РНК-полімераза, що з'єднує нуклеотиди в ланцюг іРНК, що подовжується.
Примітка 2
Транскрипція може одночасно відбуватися і на кількох генах однієї хромосоми та на генах різних хромосомах.
Утворена внаслідок іРНК містить послідовність нуклеотидів, яка є точною копією послідовності нуклеотидів на матриці.
Примітка 3
Якщо молекулі ДНК є азотисте підставу цитозин, то іРНК – гуанін і навпаки. Комплементарною парою в ДНК є аденін - тімін, а РНК замість тиміну містить урацил.
На спеціальних генах синтезуються і два інші типи РНК – тРНК та рРНК.
Початок та закінчення синтезу всіх типів РНК на матриці ДНК суворо фіксовані спеціальними триплетами, які контролюють запуск (ініціюючі) та зупинку (термінальні) синтезу. Вони виконують функції розділових знаків між генами.
Поєднання тРНК з амінокислотами відбувається у цитоплазмі. Молекула тРНК формою нагадує листок конюшини, на її верхівці розташований антикодон– триплет нуклеотидів, що кодує амінокислоту, яку переносить ця тРНК.
Скільки видів амінокислот стільки існує і тРНК.
Примітка 4
Оскільки багато амінокислот можуть кодуватися кількома триплетами, кількість тРНК більше 20 (відомо близько 60 тРНК).
Сполука тРНК з амінокислотами відбувається за участю ферментів. Молекули тРНК транспортують амінокислоти до рибосом.
Визначення 5
Трансляція- Це процес, в результаті якого інформація про структуру білка, записана в іРНК у вигляді послідовності нуклеотидів, реалізується у вигляді послідовності амінокислот в молекулі білка, яка синтезується.
Цей процес здійснюється у рибосомах.
Спочатку іРНК приєднується до рибосоми. На іРНК "нанизується" перша рибосома, яка синтезує білок. У міру просування рибосоми на кінець іРНК, що звільнився, «нанизується» нова рибосома. На одній іРНК можуть бути одночасно більше 80 рибосом, які синтезують один і той же білок. Така група рибосом, з'єднаних з однією іРНК, називається полірибосомою, або полісомою. Вид білка, що синтезується, визначається не рибосомою, а інформацією, записаною на іРНК. Одна й та сама рибосома здатна синтезувати різні білки. Після завершення синтезу білка рибосома відокремлюється від іРНК, а білок надходить в ендоплазматичну мережу.
Кожна рибосома складається з двох субодиниць – малої та великої. Молекула іРНК приєднується до малої субодиниці. У місці контакту рибосоми та іРН знаходяться 6 нуклеотидів (2 триплети). До одного з них постійно підходять з цитоплазми тРНК з різними амінокислотами і стосуються антикодон кодону іРНК. Якщо триплети кодону та антикодону виявляються комплементарними, між амінокислотою вже синтезованої частини білка та амінокислотою, що доставляється тРНК, виникає пептидний зв'язок. З'єднання амінокислот у молекулу білка здійснюється за участю ферменту синтетази. Молекула тРНК віддає амінокислоту і перетворюється на цитоплазму, а рибосома пересувається однією триплет нуклеотидів. Так послідовно синтезується поліпептидний ланцюг. Триває все це доти, доки рибосома не дійде одного з трьох термінуючих кодонів: УАА, УАГ або УГА. Після цього синтез білка припиняється.
Примітка 5
Таким чином, послідовність кодонів іРНК визначає послідовність включення амінокислот у білковий ланцюг. Синтезовані білки надходять до каналів ендоплазматичного ретикулюму. Одна молекула білка у клітині синтезується за 1 - 2 хвилини.
Головним питанням генетики є питання про синтез білка. Узагальнивши дані щодо будови та синтезу ДНК та РНК, Крик у 1960р. запропонував матричну теорію синтезу білків, засновану на 3-х положеннях:
1. Комплементарність азотистих основ ДНК та РНК.
2. Лінійна послідовність розташування генів у молекулі ДНК.
3. Передача спадкової інформації може відбуватися лише з нуклеїнової кислоти на нуклеїнову або білок.
З білка на білок передача спадкової інформації неможлива.Таким чином, матрицею для синтезу білка можуть бути тільки нуклеїнові кислоти.
Для синтезу білка потрібні:
1. ДНК (гени) у яких синтезуються молекули.
2. РНК - (і-РНК) або (м-РНК), р-РНК, т-РНК
У процесі синтезу білка розрізняють етапи: транскрипції та трансляції.
Транскрипція– перепис (переписування) інформації про нуклеїнову будову з ДНК на РНК (т-РНК, та РНК, р-РНК).
Зчитування спадкової інформації починається з певної ділянки ДНК, яка називається промотором. Промотор розташований перед геном і містить близько 80 нуклеотидів.
На зовнішньому ланцюзі молекули ДНК синтезується і-РНК (проміжна), що служить матрицею для синтезу білків і тому називається матричною. Вона є точною копією послідовності нуклеотидів на ланцюзі ДНК.
У ДНК є ділянки, які містять генетичної інформації (інтрони). Ділянки ДНК, що містять інформацію, називаються екзонами.
У ядрі є спеціальні ферменти, що вирізують інтрони, а фрагменти екзону «зрощуються» між собою у строгому порядку у загальну нитку, цей процес називається «сплайсингом». У процесі сплайсинг утворюється зріла м-РНК, що містить інформацію, необхідну для синтезу білка. Зріла і-РНК (матрична РНК) проходить через пори ядерної мембрани та надходить у канали ендоплазматичної мережі (цитоплазму) і тут з'єднується з рибосомами.
Трансляція- Послідовність розташування нуклеотидів в і-РНК, перекладається в строго впорядковану послідовність розташування амінокислот в молекулі білка, що синтезується.
Процес трансляції включає 2 етапи: активування амінокислот та безпосередньо синтез білкової молекули.
Одна молекула м-РНК поєднується з 5-6 рибосомами, утворюючи полісоми. Синтез білка відбувається на молекулі м-РНК, причому рибосоми просуваються вздовж неї. У цей період амінокислоти, що знаходяться в цитоплазмі, активуються спеціальними ферментами, що виділяються ферментами, що виділяються мітохондріями, причому кожна з них своїм специфічним ферментом.
Майже моментально амінокислоти зв'язуються з іншим видом РНК - низькомолекулярної розчинної, що виконує функції переносника амінокислот до молекули м-РНК і назва транспортної (т-РНК). т-РНК переносить амінокислоти до рибосом на певне місце, де до цього часу виявляється молекула м-РНК. Потім амінокислоти з'єднуються між собою пептидними зв'язками та утворюється білкова молекула. До кінця синтезу білка молекула поступово сходить з м-РНК.
На одній молекулі м-РНК утворюється 10-20 молекул білка, а деяких випадках і набагато більше.
Найбільш неясним у синтезі білків питання про те, як т-РНК знаходить відповідну ділянку м-РНК, до якої повинна бути приєднана амінокислота, що приноситься нею.
Послідовність розташування азотистих основ у ДНК, що визначає розміщення амінокислот у синтезованому білку – генетичний код.
Оскільки та сама спадкова інформація «записана» в нуклеїнових кислотах чотирма знаками (азотистими основами), а білках – двадцятьма (амінокислотами). Проблема генетичного коду зводиться до встановлення відповідності з-поміж них. Велику роль розшифровці генетичного коду зіграли генетики, фізики, хіміки.
Для розшифровки генетичного коду насамперед необхідно було з'ясувати, яке мінімальне число нуклеотидів може визначати (кодувати) утворення однієї амінокислоти. Якби кожна з 20 амінокислот кодувалася однією основою, то ДНК повинна була б мати 20 різних основ, фактично їх тільки 4. Очевидно, поєднання двох нуклеотидів також недостатньо для кодування 20 амінокислот. Воно може кодувати лише 16 амінокислот 42 = 16.
Тоді було запропоновано, що код включає 3 нуклеотиду 4 3 = 64 комбінації і, отже, здатне кодувати більш ніж достатню кількість амінокислот для утворення будь-яких білків. Таке поєднання трьох нуклеотидів називається триплетним кодом.
Код має такі властивості:
1.Генетичний код триплетний(кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами).
2.Виродженість– одна амінокислота може кодуватися кількома триплетами, виняток становить триптофан та метіонін.
3.У кодонах для однієї амінокислоти перші два нуклеотиди однакові, а третій змінюється.
4.Неперекривається– триплети не перекривають одне одного. Один триплет не може входити до складу іншого, кожен із них самостійно кодує свою амінокислоту. Тому в поліпептидного ланцюга поруч можуть бути будь-які дві амінокислоти і можливі будь-які їх поєднання, тобто. у послідовності основ ABCDEFGHI, перші три основи кодують 1 амінокислоту (ABC-1), (DEF-2) і т.д.
5.Універсальний,тобто. у всіх організмів для певних амінокислот кодони однакові (від ромашки до людини). Універсальність коду свідчить про єдність життя землі.
6.Коленеарність- Збіг розташування кодонів в і-РНК з порядком розташування амінокислот в поліпептидного ланцюга, що синтезується.
Кодон – триплет нуклеотидів, що кодує 1 амінокислоту.
7.Безглуздий- Він не кодує жодної амінокислоти. Синтез білка тут переривається.
В останні роки з'ясувалося, що в мітохондріях порушується універсальність генетичного коду, чотири кодони в мітохондріях змінили свій сенс, наприклад, кодон УГА – відповідає триптофану замість «СТОП» – припинення синтезу білка. АУА – відповідає метіоніну – замість «ізолейцину».
Відкриття нових кодонів у мітохондрій може бути доказом того, що код еволюціонував і що він не відразу став таким.
Нехай спадкову інформацію від гена до молекули білка можна виразити схематично.
ДНК – РНК – білок
Вивчення хімічного складу клітин показав, що різні тканини того самого організму містять різний набір білкових молекул, хоча вони мають і однакову кількість хромосом, і однакову генетичну спадкову інформацію.
Зазначимо таку обставину: незважаючи на наявність у кожній клітині всіх генів цілого організму, в окремій клітині працюють дуже небагато генів – від десятих часток до кількох відсотків від загальної кількості. Інші ділянки «мовчать», вони заблоковані спеціальними білками. Це і зрозуміло, навіщо, наприклад, генам гемоглобіну працювати у нервовій клітці? То як клітина диктує, яким генам мовчати, а яким працювати, слід припускати, що в клітці є якийсь досконалий механізм, який регулює активність генів, що визначає, які гени в даний момент повинні бути активними і яким слід перебувати в неактивному (репресивному) стані. Такий механізм за даними французьких учених Ф. Жакобо та Ж. Моно отримав назву індукції та репресії.
Індукція- Порушення білкового синтезу.
Репресія- Пригнічення білкового синтезу.
Індукція забезпечує роботу тих генів, які синтезують білок чи фермент, і який необхідний цьому етапі життєдіяльності клітини.
У тварин важливу роль у процесі регулювання генів грають гормони клітинні мембрани; у рослин – умови довкілля та інші високоспеціалізовані індуктори.
Приклад: при додаванні гормону щитовидної залози в середу відбувається швидке перетворення пуголовків на жаб.
Для нормальної життєдіяльності бактерії Е (Coli) потрібний молочний цукор (лактоза). Якщо середовище, в якому знаходяться бактерії, лактози не містить, ці гени перебувають у репресивному стані (тобто вони не функціонують). Внесена в середу лактоза є індуктором, що включає гени, що відповідають за синтез ферментів. Після видалення лактози із середовища синтез цих ферментів припиняється. Таким чином, роль репресора може виконувати речовину, яка синтезується в клітині, і якщо його вміст перевищує норму або витрачено.
У синтезі білка чи ферментів беруть участь різні типи генів.
Усі гени перебувають у молекулі ДНК.
За своїми функціями вони однакові:
- структурні –гени, що впливають синтез якогось ферменту чи білка, розташовані в молекулі ДНК послідовно один за одним у порядку їх впливу на хід реакції синтезу або ще можна сказати структурні гени – це гени, які несуть інформацію про послідовність амінокислот.
- акцепторні– гени не несуть спадкової інформації про будову білка, вони регулюють роботу структурних генів.
Перед групою структурних генів розташований загальний їм ген – оператор,а перед ним – промотор. Загалом ця функціональна група називається опереному.
Вся група генів одного оперону входить у процес синтезу і виключається з нього одночасно. Включення та виключення структурних генів становить сутність всього процесу регуляції.
Функцію включення та вимкнення виконує особлива ділянка молекули ДНК – ген оператор.Ген оператор є початковою точкою синтезу білка або, як кажуть, «зчитування» генетичної інформації. далі в тій же молекулі на деякій відстані розташований ген - регулятор, під контролем якого виробляється званий білок репресором.
Зі всього сказаного видно, що синтез білка відбувається дуже складно. Генетична система клітини, використовуючи механізми репресії та індукції, може приймати сигнали про необхідність початку та закінчення синтезу того чи іншого ферменту та здійснювати цей процес із заданою швидкістю.
Проблема регуляції дії генів у вищих організмів має велике практичне значення у тваринництві та медицині. Встановлення факторів, що регулюють синтез білка, розкрило б широкі можливості керування онтогенезом, створення високопродуктивних тварин, а також стійких тварин до спадкових захворювань.
Контрольні питання:
1.Назвіть властивості генів.
2.Що таке ген?
3.Назвіть яке біологічне значення ДНК, РНК.
4.Назвіть етапи синтезу білка
5. Перерахуйте властивості генетичного коду.
Спочатку встановіть послідовність етапів біосинтезу білка, починаючи з транскрипції. Всю послідовність процесів, що відбуваються при синтезі білкових молекул, можна поєднати у 2 етапи:
Транскрипція.
Трансляція.
Структурними одиницями спадкової інформації є гени – ділянки молекули ДНК, що кодують синтез певного білка. По хімічної організації матеріал спадковості та мінливості про- та еукаріотів принципово не відрізняється. Генетичний матеріал у яких представлений у молекулі ДНК, загальним є також принцип запису спадкової інформації та генетичний код. Одні й ті ж амінокислоти у про- та еукаріотів шифруються однаковими кодонами.
Геном сучасних прокаріотів характеризується відносно невеликими розмірами, ДНК кишкової палички має вигляд кільця, довжиною близько 1 мм. Вона містить 4 х 106 пар нуклеотидів, що утворюють близько 4000 генів. У 1961 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно відкрили цистронну, або безперервну організацію генів прокаріотів, які повністю складаються з нуклеотидних послідовностей, що кодують, і вони повністю реалізуються в ході синтезу білків. Спадковий матеріал молекули ДНК прокаріотів розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також знаходяться необхідні для експресії генів тРНК і ферменти. Експресія - це функціональна активність генів, або вираз генів. Тому синтезована з ДНК іРНК здатна одночасно виконувати функцію матриці у процесі трансляції синтезу білка.
Геном еукаріотів містить значно більше спадкового матеріалу. У людини загальна довжина ДНК у диплоїдному наборі хромосом становить близько 174 см. Вона містить 3 х 109 пар нуклеотидів і включає до 100000 генів. У 1977 р. була виявлена уривчастість у будові більшості генів еукаріотів, що дістала назву «мозаїчний» ген. Для нього характерні нуклеотидні послідовності, що кодують. екзонніі інтронніділянки. Для синтезу білка використовується лише інформація екзонів. Кількість інтронів варіює у різних генах. Встановлено, що ген овальбуміну курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців – 50. Функції мовчазної ДНК – інтронів остаточно не з'ясовані. Припускають, що вони забезпечують: структурну організацію хроматину; 2) деякі з них, очевидно, беруть участь у регуляції експресії генів; 3) інтрони вважатимуться запасом інформації для мінливості; 4) можуть грати захисну роль, приймаючи він дію мутагенів.
Транскрипція
p align="justify"> Процес переписування інформації в ядрі клітини з ділянки молекули ДНК на молекулу мРНК (іРНК) називається транскрипція(Лат. Transcriptio - Переписування). Синтезується первинний продукт гена-мРНК. Це перший етап синтезу білка. На відповідній ділянці ДНК фермент РНК-полімераза дізнається знак початку транскрипції. промотр.Стартовою точкою вважається перший нуклеотид ДНК, який включається ферментом РНК-транскрипт. Як правило, діючі ділянки починаються кодоном АУГ, іноді у бактерій використовується ГУГ. Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплетення подвійної спіралі ДНК і копіюється один із ланцюгів за принципом комплементарності. Синтезується мРНК, швидкість збирання її досягає 50 нуклеотидів в секунду. У міру руху РНК-полімерази, росте ланцюг мРНК, і коли фермент досягне кінця копіювальної ділянки - термінатора, мРНК відходить від матриці Подвійна спіраль ДНК за ферментом відновлюється.
Транскіпція прокаріотів здійснюється в цитоплазмі. У зв'язку з тим, що ДНК повністю складається з нуклеотидних послідовностей, що кодують, тому синтезована мРНК відразу виконує функцію матриці для трансляції (див. вище).
Транскрипція мРНК у еукаріотів відбувається в ядрі. Вона починається синтезом великих за розмірами молекул - попередників (про-мРНК), званих незрілої, або ядерної РНК. Первинний продукт гена-про-мРНК є точною копією транскрибованої ділянки ДНК, включає екзони та інтрони. Процес формування зрілих молекул РНК із попередників називається процесингом. Дозрівання мРНК відбувається шляхом сплайсинг- це вирізання ферментами рестриктазінтронів та з'єднання ділянок з транскрибованими послідовностями екзонів ферментами лігаз. (Мал.). Зріла мРНК значно коротше молекул-попередників про - мРНК, розміри інтронів у них варіює від 100 до 1000 нуклеотидів і більше. Перед інтронів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК.
В даний час доведено можливість альтернативного сплайсингу,при якому з одного первинного транскрипта можуть вийти в різних його ділянках нуклеотидні послідовності і утворюватимуться кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл.
Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом із ядра. Встановлено, що до цитоплазми потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі.
Трансляція
Трансляція (лат. Translatio - передача, перенесення) - Переведення інформації, укладеної в послідовності нуклеотидів молекули мРНК, в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга (Рис. 10). Це другий етап білкового синтезу. Перенесення зрілої мРНК через пори ядерної оболонки виробляють спеціальні білки, що утворюють комплекс із молекулою РНК. Крім транспорту мРНК, ці білки захищають мРНК від ушкоджувальної дії цитоплазматичних ферментів. У процесі трансляції центральна роль належить тРНК, вони забезпечують точну відповідність амінокислоти коду триплету мРНК. Процес трансляції-декодування відбувається в рибосомах і здійснюється в напрямку від 5 до 3 Комплекс мРНК і рибосом називається полісомою.
У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію.
Ініціація.
На цьому етапі відбувається складання всього комплексу, що бере участь у синтезі молекули білка. Відбувається поєднання двох субодиниць рибосом на певній ділянці мРНК, приєднання до неї першої аміноацил - тРНК і цим задається рамка зчитування інформації. У молекулі будь-якої м-РНК є ділянка, комплементарна р-РНК малої субодиниці рибосоми і специфічно нею керований. Поруч із ним знаходиться ініціювальний стартовий кодон АУГ, який кодує амінокислоту метіонін. Фаза ініціації завершується утворенням комплексу:рибосома, -мРНК;
Елонгація
- Вона включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. На рибосомі є дві ділянки зв'язування двох молекул т-РНК. В одному ділянці-пептидильному(П) знаходиться перша т-РНК з амінокислотою метіонін і з нього починається синтез будь-якої молекули білка. До другої ділянки рибосоми-аміноацильного (А) надходить друга молекула т-РНК і приєднується до свого кодону. Між метіоніном та другою амінокислотою утворюється пептидна зв'язок. Друга т-РНК переміщається разом зі своїм кодоном м-РНК пепетидильного центру. Переміщення т-РНК з поліпептидним ланцюжком з аміноацильного центру пептидильного супроводжується просуванням рибосоми по м-РНК на крок, відповідний одному кодону. Т-РНК, що доставила метіонін, повертається до цитоплазми, амноацильний центр звільняється. До нього надходить нова т-РНК із амінокислотою, зашифрованою черговим кодоном. Між третьою і другою амінокислотами утворюється пептидна зв'язок і третя т-РНК разом з кодоном м-РНК переміщається в пептидильний центр. Процес елонгації, подовження білкового ланцюга. Триває доти, поки в рибосому не потрапить один із трьох кодонів, що не кодують амінокислоти. Це кодон - термінатор і для нього не існує відповідної т-РНК, тому жодна з т-РНК не може зайняти місце в аміноацильному центрі.
Термінація
- Завершення синтезу поліпептиду. Вона пов'язана з впізнанням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ, УГА), коли він входитиме до аміноацильного центру. До рибосоми приєднується спеціальний фактор термінації, який сприяє роз'єднанню субодиниць рибосоми та звільненню синтезованої молекули білка. До останньої амінокислоти пептиду приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від т-РНК.
Складання пептидного ланцюга здійснюється з великою швидкістю. У бактерій при температурі 37°С вона виявляється у додаванні до поліпептиду від 12 до 17 амінокислот за секунду. В еукаріотів до поліпептиду додається дві амінокислоти в одну секунду.
Синтезований поліпептидний ланцюг потім надходить у комплекс Гольджі, де завершується побудова білкової молекули (послідовно виникають друга, третя, четверта структури). Тут же відбувається комплексування білкових молекул із жирами та вуглеводами.
Весь процес біосинтезу білка представлений у вигляді схеми: ДНК ® про іРНК ® мРНК ® поліпептидний ланцюг ® білок® комплексування білків та їх перетворення на функціонально активні молекули.
Етапи реалізації спадкової інформації також протікають подібним чином: спочатку транскрибується в нуклеотидну послідовність мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність поліпептиду на рибосомах за участю тРНК.
Транскрипція еукаріотів здійснюється під дією трьох ядерних РНК-полімераз. РНК-полімераза 1 знаходиться в ядерцях і відповідає за транскрипцію генів рРНК. РНК-полімераза 2 знаходиться в ядерному соці і відповідає за синтез попередника мРНК. РНК-полімераза 3 -невелика фракція в ядерному соку, яка здійснює синтез малих рРНК та тРНК. РНК-полімерази специфічно дізнаються про нуклеотидну послідовність транскрипції-промотор. Еукаріотична мРНК спочатку синтезується у вигляді попередниці (про-іРНК), на неї списується інформація з екзонів та інтронів. Синтезована мРНК має більші, ніж необхідно для трансляції розмірами і виявляється менш стабільною.
У процесі дозрівання молекули мРНК з допомогою ферментів рестриктаз вирізуються інтрони, і з допомогою ферментів – лігаз зшиваються екзони. Дозрівання мРНК називається процесингом, зшивання екзонів називається сплайсингом. Таким чином, зріла мРНК містить тільки екзони і вона значно коротша за її попередницю – про-іРНК. Розміри інтронів варіюють від 100 до 10000 нуклеотидів та більше. Перед інтонів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК. В даний час доведено можливість альтернативного сплайсингу, при якому з одного первинного транскрипта можуть видалятися в різних ділянках нуклеотидні послідовності і будуть утворюватися кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл. Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму з ядра. Встановлено, що потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі. Перетворення первинних транскриптонів еукаріотичних генів, пов'язане з їх екзон-інтронною організацією, та у зв'язку з переходом зрілої мРНК з ядра в цитоплазму, визначає особливості реалізації генетичної інформації еукаріотів. Отже, мозаїчний ген еукаріотів не є геном цистроном, тому що не вся послідовність ДНК використовується для синтезу білка.
