Лісова генетика. Навчальний посібник. Г.Г. Баранецький, Р.М. Гречаник. 2003 р.
  • Регистрация
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса)

5.6. Трансляція

На стадії транскрипції і-РНК переміщається в цитоплазму, де послідовність нуклеотидів переводиться в послідовність амінокислот поліпептиду (білка). Цей процес називають трансляцією.

описание: _17

Рис. 5.2. Схема синтезу білка в клітині [10]

Стартовим сигналом до початку синтезу білка слугує розташований на і-РНК кодон АУГ, який кодує метіонін (іноді цей кодон для валіну – ГУЦ). У поліпептидному ланцюгу, що росте, першим амінокислотним залишком завжди буде або метіонін, або валін. Тоді виникає закономірне питання: яким чином клітина відрізняє стартовий сигнал від кодонів АУГ або ГУЦ, розташованих у середині молекули і-РНК? Ця проблема вирішується за допомогою модифікованої форми метіоніну або валіну і спеціальної ініціюючої т-РНК. Формілметіонін (f мет) і є тією модифікованою формою метіоніну, з якої починається синтез білка. Він приєднується до молекул т-РНК певного типу (т-РНКf), які відрізняються від т-РНКfмет, за допомогою яких метіонін включається в серединну частину поліпептидного ланцюга. І т-РНК, і т-РНКfмет пізнають кодон АУГ, але лише т-РНКf здатне приєднатися до стартового кодону АУГ. Випадання або вставка якого-небудь нуклеотиду в молекулі ДНК змінює склад і послідовність чергування триплетів у всьому їхньому ланцюгу. Ми знаємо, що кожна і-РНК синтезує один-єдиний білок. Але щоб це було можливим, повинно бути "заборонено" списування зі зсувом на одну або дві основи. В іншому випадку списування встановленого запису порушується. Неважко побачити, що випадання або вставка в триплеті будь-якого нуклеотиду викликає помилки у кодуванні, виникають "безглузді" триплети, склад їх змінюється, так що утворення запрограмованого білка стає неможливим.

На основі робіт багатьох вчених у середині 50-х років була висунута матрична теорія синтезу білка. Згідно цією теорією, синтез білка - дуже складний багатоступінчастий процес. У ньому беруть участь ДНК, різні види РНК і різноманітні ферменти. Кожний білок синтезується на своїй особливій матриці і для цього потрібна своя особлива і-РНК. Одна молекула і-РНК транскрибує послідовність нуклеотидів з відрізка ДНК, рівного одному гену, і переносить цю інформацію на послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюгу одного білка. Інформаційна РНК, проникаючи з ядра у цитоплазму і прикріплюючись до рибосом, починає діяти стосовно білків як матриця.

Три нуклеотиди, які кодують одну амінокислоту в ДНК – кодоноген, в і-РНК – кодон, в т-РНК – антикодон. Кожний кодоноген приєднує комплементарний кодон. А кодон, в свою чергу, приєднує комплементарний антикодон.

Для процесів синтезу білка велике значення має так звана розчинна або транспортна РНК (т-РНК). Ця РНК також має однониткову структуру, але вона володіє малою молекулярною вагою – 26000 і містить близько 70-80 нуклеотидів. З допомогою радіоактивної мітки показано, що молекула т-РНК досягає рибосоми і несе з собою ту або іншу амінокислоту. Є 20 різних т-РНК, кожна з яких приносить в рибосому певну амінокислоту. Кінець, до якого приєднується амінокислота, у всіх т-РНК має однакові нуклеотиди - ЦЦА.

описание: _21

Рис. 5.3. Схематичне зображення взаємодії між кодоногеном ДНК, кодоном і-РНК і антикодоном т-РНК. Копіювання з кодоногена (вверху) кодоном і-РНК (справа) і наступне поєднання антикодона т-РНК (зліва) з кодоном і-РНК [10]

Доведено, що молекули т-РНК можуть утворювати комплекс з денатурованою ДНК хромосом. Звідси виходить, що ці молекули також синтезуються на певних генах. Знання порядку розташування нуклеотидів в молекулах т-РНК має найважливіше значення, так як він представляє собою зліпок з окремих специфічних генів. Шляхом транскрипції молекул і-РНК і т-РНК індивідуальні гени в цитоплазмі здійснюють роботу по синтезу білка.

Цей аналіз важливий для пізнання структури самого гена, оскільки виділення окремих молекул РНК по суті є виділення з клітини генетичної інформації у вигляді копій окремих генів.

Моменту приєднання амінокислоти до молекули т-РНК передує її активація. Ці процеси каталізуються для кожної амінокислоти своїм специфічним ферментом – аміноацил –т-РНК - синтетазою. Активовані амінокислоти (комплекс "аміноацил-т-РНК") приносяться в рибосоми, в яких здійснюється взаємодія і-РНК з т-РНК. Принесені останніми амінокислоти зв'язуються в поліпептидні ланцюги.

Відбувається цей процес у рибосомах за участю фермента пептидполімерази. Рибосоми побудовані з білка і РНК. Ця РНК називається рибосомною (р-РНК). Функції р-РНК поки що точно не вияснені. Вважають, що неспарені основи р-РНК беруть участь у зв'язуванні т-РНК та і-РНК. Рибосоми, зв'язані між собою в групи або агрегати, названі полісомами. Електронно-мікроскопними дослідженнями встановлено, що у полісомах рибосоми з'єднані між собою ниткою рибонуклеїнової кислоти діаметром 0,001-0,0015 мкм. Число рибосом, що входять до полісоми, визначається довжиною молекулярного ланцюга і-РНК. Прикріпившись на кінці нитки і-РНК, рибосома, до якої т-РНК увесь час доставляють активовані амінокислоти, починає синтез поліпептидного ланцюга.

До початку трансляції молекула і-РНК своїм кінцем приєднуються до малої субодиниці рибосоми. У велику субодиницю рибосоми входять дві молекули т-РНК, з'єднані з амінокислотами. Молекули т-РНК в цьому випадку виступають не тільки як переносники амінокислоти, але й як специфічні адаптори до ділянок молекули і-РНК. У рибосому входять тільки ті молекули т-РНК, які комплементарні до ділянок і-РНК, які ввійшли в рибосому. Молекула і-РНК рухається через рибосому. Молекули т-РНК спочатку приєднуються до положення 1 (аміноацильний центр) рибосоми, потім переходять в положення 2 (пептидильний центр) і після приєднання амінокислоти, принесеної цією т-РНК, до ростучого білкового ланцюга молекула т-РНК залишає рибосому. Таким чином, по мірі руху і-РНК кожна молекула т-РНК залишає принесену нею амінокислоту. Між ними виникають поліпептидні зв'язки і в результаті росте поступово поліпептид, який синтезується. Звідси зрозуміло, що синтез цього поліпептиду в розумінні розташування на ньому амінокислот, тобто синтез первинної структури білка, визначається специфікою молекули і-РНК, яка рухається по рибосомі. Через те, що молекула і-РНК є досить довгою, до неї може приєднатись декілька рибосом. В кожній з рибосом, які зв'язані з однією молекулою і-РНК, відбувається синтез одних і тих самих молекул білка, однак цей синтез знаходиться на різних стадіях, що визначається тим, яка з них раніше і яка пізніше вступає у зв'язок з молекулою і-РНК. Створена структура і-РНК з приєднаними декількома рибосомами одержала назву полірибосом або полісом. Деякі молекули і-РНК містять понад 1500 нуклеотидів, кожний з яких знаходиться один від одного на відстані 3.4 А, так що така молекула в цілому має довжину 50 000 А.

Впорядкованість процесу послідовного включення окремих амінокислот в поліпептид забезпечується тим, що молекули т-РНК, які несуть дану амінокислоту, мають апарат пізнавання потрібного кодону в молекулі і-РНК.

Яким чином відбувається трансляція тринуклеотидної послідовності м-РНК у відповідну амінокислоту білка? Це ключовий момент в процесі передачі інформації.

Виявилося, що транспортна РНК відіграє роль "адаптора" і виконує зразу дві функції: впізнає кодон і відповідну амінокислоту. На початку т-РНК ідентифікували як фракцію РНК і назвали її "розчинною", виходячи з її маленького розміру. Типові т-РНК складаються із 75-85 нуклеотидів.

Нуклеотидну послідовність кожної т-РНК можна зобразити у вигляді листка конюшини. Ділянки молекули, комплементарні між собою, спарюються і утворюють "стебла", а одноланцюгові ділянки залишаються у вигляді петель. Частину молекули, яка складається із стебла і петлі, називають "шпилькою".

Кожна т-РНК може приєднувати лише ту амінокислоту, якій відповідає її антикодон. Зв'язування амінокислоти відбувається з утворенням ефірного зв'язку, в якому беруть участь її карбоксильна група і одна з гідроксильних груп рибози останнього нуклеотида т-РНК.

Утворення аміноацил-т-РНК каталізується особливим ферментом – аміноацил-т-РНК-синтетазою. Для кожної амінокислоти є свій фермент, який впізнає лише одну амінокислоту і всі типи РНК, до яких її можна приєднати. Таких (ізоакцепторних) т-РНК може бути багато: крім тих т-РНК, які впізнають різні кодони-синоніми, може бути декілька видів т-РНК, які реагують із одним і тим самим кодоном.

Специфічне впізнання кодона можливе завдяки наявності в т-РНК антикодона – тринуклеотидної послідовності, комлементарної кодону. Чи достатньо цього для впізнання кодона?

Взаємодія між т-РНК і і-РНК проходить за участю рибосом, які забезпечують умови, необхідні для кодон-антикодонового впізнання. У процесі синтезу білка рибосоми рухаються вздовж і-РНК, послідовно зчитуючи триплети шляхом приєднання до них аміноацил-т-РНК, які несуть необхідні антикодони. Кожен етап нарощування поліпептидного ланцюга подовжує його на одну амінокислоту.

Приблизно 30-35 амінокислот, приєднаних останніми до зростаючого поліпептидного ланцюга, покриті рибосомною часткою. Очевидно, частина білка, синтезована раніше, знаходиться поза рибосомою і починає згоргатися, набуваючи характерної конформації.

Синтез білків деякою мірою нагадує складальний конвеєр, в якому рибосоми весь час пересуваються відносно інформаційної РНК, поставляючи аміноацил-т-РНК реальні будівельні блоки для складання білкових молекул. Рибосома являє собою маленьку фабрику, в якій компактно упаковані білки і т-РНК утворюють декілька активних центрів, здатних здійснювати багаточисельні каталітичні функції. Різна група додаткових факторів бере участь в роботі рибосоми на кожній із трьох стадій білкового синтезу: ініціації, елонгації і термінації.

При ініціації проходять події, які передують утворенню пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами білка. Для ініціації необхідно, щоб рибосома зв'язувалася з інформаційною РНК, утворивши ініціюючий комплекс разом із першою аміноацил-тРНК. Це відносно повільна стадія в синтезі білка.

Елонгація включає в себе всі реакції – від утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти до білкової молекули. Це найбільш прискорена стадія білкового синтезу, під час якої рибосома переміщається від першого до останнього кодона на інформаційній РНК.

Термінація складається із послідовних етапів, необхідних для звільнення синтезованого поліпептидного ланцюга, при цьому рибосома відокремлюється від і-РНК. Порівняно з часом, який вимагається для включення амінокислоти в поліпептидний ланцюг, термінація проходить повільно.

Інформаційна РНК взаємодіє з малою субодиницею рибосоми ділянкою довжиною із 30 основ. Але в кожен даний момент лише дві молекули т-РНК можуть розміститися в рибосомі. Тому в синтезі білка безпосередньо беруть участь два із десяти кодонів, які знаходяться в рибосомі.

Чому починається синтез білка, тобто як розпізнається в гені перший кодон, який являється стартовою точкою при трансляції?

Для здійснення процесу ініціації інформаційна РНК повинна володіти двома характерними особливостями. По-перше, в молекулі м-РНК є ділянка, яка передує початку кодуючої ділянки і служить сигналом для зв'язування з рибосомою. Для ініціації необхідна одночасна наявність послідовності і-РНК, відповідальної за зв'язування з рибосомою і ініціюючого кодона.

Конкретне значення кодонів АУГ і ГУГ визначається їх оточенням. За умови, що ініціюючий кодон знаходиться по сусідству з сигналом, відповідальним за зв'язування рибосоми з і-РНК, відбувається ініціація, якщо ж кодон зустрічається з уже транслюючою рибосомою, то спостерігається звичайне зчитування.

Рибосоми, пересуваючись вздовж і-РНК, нарощують поліпептидний ланцюг, здійснюючи синтез білка. Але інтактна рибосома не може безпосередньо взаємодіяти з і-РНК та ініціювати синтез білка. У першу чергу, з і-РНК зв'язується мала субчастина, яка утворює ініціюючий комплекс із першим кодоном. Мала субчастина сідає на і-РНК таким чином, що ініціюючий кодон розташовується всередині частини ділянки Р, яка належить цій субчастині. Лише ініціююча аміноацил – т-РНК має унікальну властивість безпосередньо входити в Р-ділянку, розпізнаючи кодон, який там знаходиться.

Синтез поліпептидного зв'язку здійснюється пептидилтрансферазою.

Синтез поліпептиду в рибосомі припиняється, коли в амінокислотний центр входить один з трьох нонсенс-кодонів, з яких не списується інформація – УАГ, УАА або УГА.

На полісомі одночасно синтезуються декілька поліпептидних ланцюгів одного і того самого білка. Різниця між ними лише у кількості зібраних амінокислот. Збірка білкових молекул на полісомі нагадує роботу стрічки конвеєра. Молекулярна швидкість трансляції і транскрипції велика - близько 1000 триплетів і-РНК за хвилину на одну рибосому, а всього за хвилину, наприклад, клітина Еsсhtгісhіа соlі включає у білки близько 15х106 амінокислот. Деякі локуси транскрибуються протягом клітинного циклу більше 1000 разів.

У кінцевому результаті лінійна молекула поліпептидного ланцюга набуває об'ємної структури. Під впливом водневих зв'язків, що виникають, поліпептидний ланцюг скручується у спіраль, і білкова молекула набуває біологічно активної конфігурації.

Таким чином, провідна роль у синтезі білка належить ДНК. Залежно від розташування кодуючих триплетів вздовж її ланцюга на ній синтезується молекула і-РНК, яка реалізує цю інформацію, розташовуючи, відповідно до будови, амінокислоти в синтезованій молекулі білка. Таким чином, спадкова інформація, всі ознаки і властивості організму зберігаються в молекулярній структурі ДНК, а реалізується спадковість у процесі біосинтезу білка.

Процеси транскрипції і трансляції в клітинах рослинних і тваринних організмів проходять значно складніше порівняно з бактеріальними.

Г. П. Георгієв (1970) висунув гіпотезу, згідно з якою оперон у вищих організмів складається з регуляторної та структурної зон. У процесі транскрипції спочатку синтезується довга, важка про-РНК, яка повністю відповідає нуклеотидному складу ДНК і не виходить при цьому за межі ядра. На початку трансляції важка РНК розпадається на і-РНК і р-РНК, і в цитоплазму виходять ділянки РНК, які містять інформацію лише про структуру білка. Ділянка оперона, з якого зчитується "зайва", не потрібна в цитоплазмі РНК, містить в собі могутню систему регуляції синтезу білка, складається з довгих послідовностей нуклеотидів, які приймають і аналізують різноманітні сигнали.

Мозаїчні гени – це гени, які складаються з інтронів і екзонів. У процесі транскрипції зчитується повна послідовність нуклеотидів на РНК. Потім з первинної РНК з допомогою спеціальних ферментів вирізаються ділянки РНК, синтезовані на інтронах. Утворені екзонами ділянки РНК, які залишилися, складаються (проходить процесинг) і новоутворена і-РНК іде в рибосоми для збирання амінокислот в поліпептидні зв'язки. Відомі дані про мозаїчну структуру генів глобіну, овальбуміну, імуноглобуліну, а також деяких мітохондріальних генів.

Наявність ферментів – монтажерів в клітинах птахів і ссавців дає змогу припустити, що вони не тільки можуть вирізати з РНК "беззмістовні куски", але й створювати різноманітні комбінації генів, які кодують різноманіття білків-антитіл.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить