Учебно-методический комплекс дисциплины «Молекулярная биология» по кредитной технологии обучения для студентов специальности

Литература:

1. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов Автор: Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Изд-во: Медицинское информационное агентство, 2007. С. 536

2. 
   Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот/ Под ред. А.С.Спирина. М.: Академия, 2011.
   
3. 
   Бокуть С.В., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Название: Молекулярная биология, изд-во:Вышэйшая школа, Год: 2005
   

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Эндонуклеотические и экзонуклеотические ферменты
   

Цель: ознакомиться с процессом биосинтеза белка

Содержание лекции:.

Изучение трансляции и прежде всего расшифровка генетического кода стали одной из наиболее ярких страниц молекулярной биологии второй половине XX в. Еще в начале 50-х годов Г. Гамов предложил, что генетический код является триплетным: три соседних нуклеотида в полинуклеотидной цепи программируют включение одной аминокислоты в полипептидную цепь белка. В середине 60-х годов в серии оригинальных экспериментов Ф. Крик, С. Бреннер, Г. Вйтман и другие исследователи действительно установили, что код является триплетным и непрерывным (не содержит «запятых»), т.е. в процессе синтеза белка последовательность мРНК считывается последовательно группами по три нуклеотида. Полная расшифровка генетического кода, проведенная М. Ниренбергом, С. Очаоа и Г Корана с использованием бесклеточных_; систем, содержащих рибосомы и специальные синтетически полученные матрицы определенного строения, была закончена в 1966 г. В соответствии с кодом при использовании кополимера поли (UC)n в качестве матрицы в этих системах образовался полипептид, построенный из остатков серина и лейцина, а поли (UG) п служил матрицей для синтеза сополимера с чередующимися остатками Val и Cys. Эта работа показала, что 61 из 64 возможных сочетаний трех нуклеотидов четырех типов (4x4x4) кодирую! одну из канонических аминокислот. Остальные три кодона (из 64) - UAA, UGA и UAG - не кодируют ни одну из канонических аминокислот. Эти кодоны являются сигналами остановки (терминации) трансляции и поэтому называются стоп-кодонами, или терминирующими кодонами. Терминирующими кодоны не всегда однозначно распознают системой трансляции и поэтому в составе мРНК они нередко дублируются. Первым (основным) стоп-кодоном обычно является кодон UAA, а не небольшом расстоянии следом за ним располагается один из других терминирующих триплетов (UGA и UAG). Следует также учитывать, что при синтезе ряда кодон UGA используется для включения в белок аминокислотного остатка селеноцистеина.

Поскольку число кодирующих триплетов (61) в три раза больше числа аминокислотных остатков, обычно присутствующих в белках, генетический код сильно вырожден, так что многие аминокислоты кодируются двумя и более кодонами. Только две аминокислоты (Met и Тгр) кодируются единичными кодонами (AUG и UGG соответственно), поэтому очевидно, встречаются в белках реже других. Вырожденность генетического кода проявляется в том, что для каждой аминокислоты существует более одной тРНК, и одна тРНК может взаимодействовать более чем с одним кодоном мРНК. В трехбуквенном генетическом коде наиболее важны первые две буквы, тогда как третья буква часто бывает разной. Так, например, глицин кодируется четырьмя синонимическими кодонами: GCA, GCC, GCG и GCU. В связи с преобладающей ролью первых двух кодонов (считая с 5' - конца триплета мРНК) генетический код иногда называют квазидуплетным (псевдодуплетным). Эта особенность кода позволяет использовать меньшее число тРНК: для взаимодействия с 61 кодонов достаточно 31 тРНК в цитоплазме и всего 22 тРНК в белоксинтезирующей системе митохондрий животных.




Генетический код почти всегда универсален, т.е. един для всех живущих на Земле организмов - от бактерий до человека. Небольшие отличия имеются, однако, в генетическом коде митохондрий и хлоропластов. Нет ни каких данных о том, что когда- либо существовали организмы с другим кодом или другими аминокислотами. Очевидно, генетический код тщательно сохраняется в эволюции и изменения в коде, а также рибосомальном аппарате клеток следует признать сильно заторможенными.
Активация аминокислот

Перед началом трансляции синтезированные в результате разнообразных биохимических реакций или полученные с пищей протеиногенные аминокислоты должны пройти стадию активации и присоединиться к тРНК. осуществляющими их доставку к рибосомам. Во всех клетках имеется набор тРНК, которые служат адапторами при переводе нуклеотидных последовательностей мРНК в аминокислотные последовательности белков. В структуре тРНК содержится несколько функционально важным участков (петель), главными из которых для адаптерной функции являются антикодон и акцептирующий конец.

Антикодон служит для взаимодействия с соответствующим (комплементарным) кодоном мРНК, а акцептирующий конец (расположенная на 3' - конце молекулы тРНК последовательность ССА-ООН) – для присоединения аминокислоты. Наличие антикодона и акцептирующие свойства тРНК позволяют им выполнять адаптерную функцию: связывая и перенося аминокислотный остаток и присоединяясь за счет антикодона к соответствующему кодону мРНК, они позволяют аминокислотным остаткам выстраиваться в порядке, диктуемом последовательностью нуклеотидов в матричной молекуле РНК, и таким образом способствуют переводу последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислотных остатков синтезируемого белка в соответствии с правилами генетического кода. Каждая тРНК может переносить только одну из аминокислот, вовлекаемых в биосинтез белка. Для большей части аминокислот имеется несколько тРНК, которые называются изоакцепторными и обозначаются соответственно тРНК₁^Gly, тРНК₂^Gly '' и т.д. Существование изоакцепторных тРНК связано с вырожденностью генетического кода. В результате присоединения аминокислот к 3' - конuy молекулы тРНК аминокислоты активируются между карбоксильным концом молекулы и концевым аденозином акцептирующего конца тРНК возникает макроэргическая связь, энергия которой используется далее для синтеза пептидной связи в ходе биосинтеза белка на рибосомах. В результате специфического взаимодействия тРНК и соответствующей аминокислоты возникает аминоацил-тРНК - молекула, содержащая активированный аминокислотный остаток и соответствующий антикодон и являющаяся истинным субстратом для реакции синтеза полипептидной цепи белка.

Для каждой из аминокислот существует своя особая аминоацил-тРНК-синтетаза, которая осуществляет специфическое узнавание и связывание аминокислот и тРНК. в результате чего и возникает аминоацил-тРНК. Аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы) обладают исключительно высокой субстратной специфичностью, активируя только белковые аминокислоты L-ряда и присоединяя их к имеющей определенный антикодон тРНК. Таким образом, они как бы сообщают аминокислоте определенный шифров виде трех нуклеотидов антикодона тРНК и поэтому эти ферменты иногда называют кодазами или шифразами. Выдающаяся роль АРСаз в безошибочном синтезе полипептидных цепей белков была доказана в специальных экспериментах с использованием бесклеточных систем белкового синтеза. В этих опытах осуществляли химическое превращение аминокислотных остатков в составе аминоацил-тРНК, заменяя например, остаток цистеина на остаток аланина. При использовании таких молекул в ходе биосинтеза неправильные аминокислотные остатки (Ala) включались в полипептидную цепь во всех тех положениях, которые соответствовали антикодонам тРНК (TPHK^Cys).

АРСазы могут образовывать комплексы (кодосомы), в состав которых входят несколько АРСаз. а также ферменты, которые в свою очередь регулируют их активность (протеинкинзы, протеинфосфатазы, метилтрансферазы и др.) путем соответствующих ковалентных модификаций (фосфорилирование, метилирование и др.).

АРСазы могут присоединять аминокислотные остатки как 3'-, так и 2'- гидроксильным группам концевого аденозина, расположенного на акцептирующем участке тРНК. Одни из АРСаз преимущественно связывают аминокислоту с З'-ОН группой рибозы (серил- глицил-тРНК-синтетаза), а другие с 2'-ОН-группой (фенилаланил-тРНК-синтетаза). Однако для биосинтеза белка это не имеет существенного значения, так как аминокислотный остаток может достаточно легко переходить из одной позиции в другую через образование 2', 3' - цикла.

После образования аминоацил-тРНК эти молекулы направляются к рибосомам рибонуклеопротеиновым частицам, специально приспособленным к биосинтезу полипептидных цепей белков.

Рибосомы. Изучение рибосом и механизма белкового синтеза продолжается уже более полувека, что связано со сложностью их пространственной организации и многоэтапностью самого процесса трансляции. В дифференцированных клетках эукариот синтез белка идет преимущественно в эндоплазматической сети и особенно в той ее фракции, которая носит название гранулированный (шероховатый) эндоплазматический ритикулум. мембраны которого буквально усеяны многочисленными рибосомами. В клетках бактерий рибосомы рассредоточены по всей протоплазме, и их число достигает ~10 на одну клетку. Цитоплазма недифференцированных быстро и растущих эмбриональных клеток эукариот также содержит преимущественно свободные рибосомы. Определенное число белков синтезируется также в ядре, в митохондриях и хлоропластах растений. В митохондриях выявлены рибосомы, которые несколько отличаются от обычных (цитоплазматических) рибосом по размеру (коэффициенту седиментации), что, вероятно, связано с особенностями происхождения этих органелл, спецификой их геномов и генетического кода. Так, митохондриальные рибосомы грибов имеют коэффициент седиментации 75S, а митохондриальные «минирибосомы» млекопитающих - 55S. Цитоплазматические рибосомы эукариот и рибосомы прокариот очень сходны по структуре. Каждая их них состоит из двух субчастиц - большой и малой, комплекс которых и представляет собой собственно рибосому с молекулярной массой 2,5 млн (70S) у прокариот или 4,2 млн (80S) - у эукариот. Малая субчастица (30-40S) служит для связывания мРНК и тРНК, а большая участвует в образовании пептидной связи. Основу (каркас) каждой субчастицы составляют молекулы рибосомальных РНК, вокруг которых в определенном числе и порядке группируются белки малой (S-белки) и большой (L-белки) субчастицы рибосомы.

У всех прокариотических форм жизни (эубактерии, актиномицеты, синезеленые водоросли и архебактерии) присутствуют 70S рибосомы. Весовое соотношение РНК: белок у них составляет 2:1. Около 2% сухой массы рибосом составляет Mg. В препаратах рибосом, выделенных из прокариот, обычно присутствуют органические поликатионы, такие, как спермин, спермидин, кадаверин и путресцин (суммарное количество -2,5% от сухой массы рибосом).

В цитоплазме эукариот содержатся несколько более крупные 80S рибосомы, у которых соотношение РНК: белок близко к 1:1. В их составе обнаружены ионы Mg²* и Са"⁺, а также небольшое количество полиаминов.