ТЕМА 3.4. БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ). ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ РНК — КиберПедия

ТЕМА 3.4. БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ). ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ РНК — КиберПедия Реферат

Посттранскрипционная модификация рнк

В результате транскрипции образуются три типа предшественников РНК (первичные транскрипты): предшественник мРНК, или гетерогенная ядерная РНК (пре-мРНК или гяРНК), предшественники рРНК (прерРНК), содержащие 5,8S РНК, 18S РНК и 28S РНК у эукариот и, соответственно 5S, 16S РНК и 23S РНК у прокариот, предшественники тРНК (пре-тРНК). Они представляют собой копию оперона и содержат информативные и неинформативные последовательности. Образование функционально активных молекул РНК называется процессингом и продолжается после завершения транскрипции.

Процессинг включает в себя: вырезание неинформативных участков, сшивание информативных участков (сплайсинг) и модификацию 5′ и 3′-концов РНК.

1. Вырезание неинформативных участков пре-мРНК происходит с помощью рибонуклеаз и/или рибозимов (содержат РНК, обладающие ферментативной активностью). При вырезании интронов важную роль играют малые ядерные РНК (мяРНК), нуклеотидные последовательности которых комплементарны последовательностям на концах каждого из интронов. В результате спаривания оснований, содержащихся в мяРНК и на концах свернутого в петлю интрона, два экзона сближаются, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются лигазой. Таким образом, молекулы мяРНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов для того, чтобы сплайсинг произошел в правильном месте.

2. Далее в ядре происходит модификация 5 и 3-концов мРНК. К 5′-концу мРНК присоединяется олигонуклеотид, называемый «кэпом» (cap) или колпачком, состоящий из 2-3 метилированных нуклеотидов, причем концевым является 7-метилгуанозин. Эти «колпачки» способствуют стабилизации мРНК, защищая 5′-концы от разрушения фосфатазами и нуклеазами, а также связываются со специфическим белком и могут участвовать в связывании мРНК с рибосомой для инициации трансляции.

К 3′-концу фермент поли-А-полимераза присоединяет полиадениловую последовательность (поли-А), состоящую из 50-200 нуклеотидов. Функция полиаденолового «хвоста» мРНК неизвестна. Предполагается, что он также защищает мРНК от ферментативного разрушения. Затем мРНК связывается с белком информофером и транспортируется в цитоплазму к рибосомам.

3. В клетках прокариот и эукариот молекулы рРНК транскрибируются в виде большого общего первичного транскрипта (пре-рРНК). Процессинг рибосомных РНК происходит в ядрышке, где локализованы гены рибосомных РНК. У бактерий 16S, 23S и 5S рРНК образуются из 30S предшественника; у эукариот из 45S пре-рРНК синтезируются 18S, 28S и 5,8S рРНК. Синтезированная пре-рРНК (45S) подвергается ферментативной модификации и расщеплению и дает зрелые 18S, 5,8S и 28S-рРНК. Вначале примерно 100 нуклеотидов метилируется по 2′-гидроксильной группе рибозных остатков, более 100 остатков уридина изомеризуются в остатки псевдоуридина. Метилирование идет только на участках, формирующих в дальнейшем зрелые молекулы рРНК. Затем 45S-предшественник подвергается нуклеолитическому процессингу. В ходе процессинга РНК в ядрышках происходит дальнейшее метилирование. 5,8S-рРНК и 28S-рРНК, связываясь с рибосомными белками в ядрышках, формирует большую 60S-субъединицу рибосомы. Молекула 18S-рРНК в комплексе с соответствующими полипептидами образует малую субъединицу рибосомы. 5S РНК синтезируется отдельно.

4. Молекулы тРНКпервоначально транскрибируются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы тРНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу при действии специфических рибонуклеаз. Дальнейшие модификации молекул тРНК включают алкилирование нуклеотидов и присоединение характерного ЦЦА-триплета к 3′-концу молекулы (акцепторный участок), к которому будет присоединяться соответствующая аминокислота. Метилирование предщественников тРНК млекопитающих происходит, вероятно, в ядре, в расщепление и присоединение ЦЦА-триплета – в цитоплазме.

Обратная транскрипция

Некоторые РНК-содержащие вирусы (ретровирусы), которые инфицируют животных, имеют Zn2 -содержащий фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, часто называемой обратной транскриптазой или ревертазой. Существование обратных транскриптаз в РНК-содержащих онкогенных вирусах было предсказано еще в 1962 г. Говардом Теминым и Дэвидом Балтимором. Обратной транскриптазе приписывают 3 вида ферментативной активности: 1) РНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит по матрице РНК дочернюю цепь ДНК); 2) рибонуклеазной (обеспечивает удаление цепи РНК); 3) ДНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит на матрице комплементарной ДНК вторую цепь ДНК).

ТЕМА 3.4. БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ). ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ РНК — КиберПедия

Обратная транскриптаза не обладает 3’→5’ экзонуклеазной активностью и поэтому частота ошибок синтеза составляет 1 на 20 000 нуклеотидов, что является необычно высокой для синтеза ДНК и является характерным для большинства ферментов, реплицирующих геном вируса. Следствием этого является быстрая скорость эволюции вирусов, что может быть фактором появление новых признаков заболеваний, вызываемых ретровирусами. В результате этого этапа образуется гибридная молекула РНК-ДНК. На втором этапе происходит разрушение исходной вирусной РНК из комплекса гибридной молекулы под действием обратной транскриптазы. Наконец, на третьем этапе на матрице цепи ДНК комплементарно синтезируются новые цепи ДНК.

Рефераты:  АДМИНИСТРАТИВНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОЕ ДЕЛЕНИЕ РОССИИ - Реферат, доклад, статья - #Электроннаябиблиотека #Рефераты - StavGeoSchooling - Образование - StavGeo - Ставропольский информационный портал

В результате образуется ДНК, которые содержит гены, обусловливающие рак; эта ДНК часто встраивается в геном эукариотической клетки хозяина, где она может в течение многих поколений оставаться в скрытом, т.е. неэкспрессируемом состоянии. При определенных условиях такие бездействующие вирусные гены (онкогены) могут активироваться и вызывать репликацию вируса; при других же условиях они могут способствовать превращению такой клетки в раковую.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА (трансляция)

Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, передается на РНК:

ДНК- нематричная цепь (кодирующая, или смысловая) 5′-ГГАТГЦАТ-3′

ДНК- матричная цепь (некодирующая, несмысловая) 3′-ЦЦТАЦГТА-5′

Цепь мРНК 5′-ГГАУГЦАУ-3′

У вирусов часто матричную цепь называют (-)-цепью, а нематричную ( )-цепью.

Биосинтез полипептида или белка на матрице РНК называется трансляцией.

Строение рибосом

Внутриклеточный компонент, в котором сходятся и взаимодействуют все элементы механизма трансляции белка, называется рибосомой. Несколько рибосом могут одновременно транслировать одну и ту же цепь мРНК, образуя полисомы (полирибосомы). Шероховатый эндоплазматический ретикулум – это компартмент клетки, в котором мембраносвязанные полисомы продуцируют как мембранные белки, так и белки, подлежащие транспорту и экскреции. Рибосомы эукариот в 2 раза больше рибосом прокариот.

Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков в соотношении 1:1 у 80S рибосом эукариот и 2:1 у 70S рибосом прокариот. Рибосомные РНК синтезируются в ядрышке, белки образуются в цитоплазме и переносятся в ядрышко. Здесь спонтанно образуются рибосомные субчастицы путем объединения белков с соответствующими рРНК. Рибосомы состоят из 2-х субъединиц. Большая (50S у прокариот и 60S у эукариот) и малая (30S у прокариот и 40S у эукариот) субъединицы рибосом через поры ядерной оболочки переносятся в цитозоль. Большая субъединица рибосом эукариотической клетки содержит 41 белок, 5S, 5,8S и 28S рРНК, малая субъединица – 30 белков и 18S рРНК. Согласно представлениям Дж. Уотсона существует «рибосомный цикл»: в начале синтеза полипептидной цепи субъединицы рибосом объединяются в функционирующую рибосому на мРНК для осуществления трансляции, а в конце синтеза диссоциируют.

Генетический код

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана на мРНК в виде трехбуквенного нуклеотидного кода.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность– каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (кодоном).

2. Вырожденность (избыточность) – каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами. Последовательность первых двух нуклеотидов определяет в основном специфичность каждого кодона, третий нуклеотид имеет меньшее значение. Данное свойство повышает устойчивость генетической информации к воздействию неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды.

3. Специфичность – каждому кодону соответствует только 1 аминокислота.

4. Неперекрываемость – нуклеотид, входящий в состав одного триплета не может входить в состав соседнего.

5. Однонаправленность – считывание информации идет в направлении 5’®3’.

6. Коллинеарность – соответствие последовательности аминокислот в белке последовательности триплетов в мРНК.

7. Универсальность – соответствие аминокислот триплетному коду у всех живых организмов.

Среди 64 триплетов мРНК выделяют 3 типа: 1) инициирующий – АУГ: кодирует включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот, если стоит вначале мРНК, и определяет стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы; если находится в середине – то является смысловым; 2) смысловые кодоны – кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь; 3) терминирующие кодоны не кодируют включение аминокислот, это нонсенс-кодоны, которые определяют завершение (терминацию) синтеза полипетидной цепи.

Биосинтез белка

В процессе биосинтеза белка выделяют 5 основных стадий.

9.6.3.1. Стадия 1 — активация аминокислот.Этот процесс протекает в цитозоле, а не в рибосоме. Каждая из 20 аминокислот ковалентно присоединяется к определенной тРНК, используя для этого энергию АТФ. Значение стадии: 1) активация СООН-группы аминокислоты, которая может участвовать в образовании пептидной связи; 2) аминокислоты сами не могут узнавать кодоны мРНК, а переносятся к рибосомам тРНК, которые посредством специфических антикодонов узнают кодоны мРНК и выполняют, таким образом, роль адапторных молекул.

Рефераты:  Лимбическая система

Необходимые компоненты:

1)20 аминокислот; 10 аминокислот являются незаменимыми и должны поступать с пищей; если отсутствует хотя бы одна аминокислота, процесс биосинтеза белка прекращается;

2) ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы;

3) тРНК;

4) АТФ;

5) Mg2 .

Активация аминокислот и их присоединение к тРНК осуществляется специфическими аминоацил-тРНК-синтетазами, которые называют активирующими ферментами.

Общий вид катализируемой реакции может быть выражен уравнением:

Аминокислота тРНК АТФ Mg2 ® Аминоацил-тРНК АМФ РРн

Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза обладает специфичностью к аминокислоте и к тРНК. Фермент имеет 4 центра связывания: 1) для тРНК; 2) для АТФ; 3) для аминокислоты; 4) для воды. Гидролитическая активность фермента необходима для удаления «неправильной» аминокислоты с последующим присоединением «правильной» аминокислоты к тРНК. Аминокислоты, для которых имеется две и более тРНК, активируются обычно одним ферментом.

Рекомендуемые страницы:

§

Многие полипептиды, образующиеся при трансляции мРНК подвергаются модификации различными способами и включают следующие процессы:

1. Модификация N-конца и С-конца. Удаление формильной группы и формилметионина на N-конце бактериальных белков катализируется деформилазами.Под действием аминопетидазы может произойти отщепление одного или нескольких N-концевых остатков. У прокариот и эукариот концевой метионин иногда отщепляется в то время, когда синтез остальной полипептидной цепи еще продолжается.

2. Удаление сигнальных последовательностей. Некоторые белки содержат на N-конце дополнительную полипептидную последовательность, которая направляет этот белок к месту его назначения в клетке. Такие сигнальные последовательности удаляются с помощью особых пептидаз.

3. Образование дисульфидных мостиков, которые помогают уберечь нативную конформацию от денатурации.

4. Модификация боковых цепей аминокислот:

4.1) гидроксилирование остатков пролина и лизина в коллагене;

4.2) фосфорилирование гидроксильных групп серина, треонина и тирозина (увеличение отрицательного заряда, например, в казеине молока для связывания с ионами кальция или для активации некоторых ферментов, например, гликоген-фосфорилазы);

4.3) карбоксилирование (белок свертывания крови протромбин, содержит в своей N-концевой области несколько остатков g-карбоксиглутаминовой кислоты, которые включаются в белок при помощи фермента, зависимого от витамина К);

4.4) метилирование групп (мышечные белки и цитохромы);

4.5) присоединение боковых углеводных цепей (протеогликаны).

5. Присоединение простетических групп (например, молекула биотина, ковалентно связанная с ацетил-КоА-карбоксилазой).

6. Частичный протеолиз (например, при превращении проколлагена в коллаген и проинсулина в инсулин).

Сравнительная характеристика синтеза белков у прокариот и эукариот.

Кратко подытожим особенности трансляции у эукариот и прокариот. Общий план биосинтеза белков у эукариот аналогичен таковому у прокариот. Однако, у эукариот участвуют большее количество факторов регуляции и некоторые этапы являются более сложными. Основные признаки сходства и различий:

1. Рибосомы.Рибосомы эукариот больше по размеру по сравнению с рибосомами прокариот и имеют молекулярную массу 4200 кДа (рибосома 70S прокариот имеет молекулярную массу 2700 кДа).

2. Инициирующая аа-тРНК.У эукариот инициирующей аминокислотой является метионин и инициириующей аминоацил-тРНК выстпает метионин-тРНК.

3. Инициация.Инициирующим кодоном мРНК у эукариот всегда выступает АУГ.Эукариоты, в отличие от прокариот, не используют специфический обогащенный пуринами участок мРНК на 5′-конце мРНК дистальнее инициирующего кодона АУГ. Однако, именно с этого инициирующего кодона мРНК начинается процесс трансляции. Малая субъединица рибосомы (40S) связывается с кэпом на 5′-конце молекулы мРНК и поиск инициирующего кодона АУГ идет при передвижении по мРНК к 3′-концу молекулы. Этот процесс сканирования у эукариот обеспечивается энергией каталитического гидролиза АТФ (хеликаза). В большинстве случаев эукариотические мРНК имеют только одно место старта простой полипептидной цепи, одного белка. У прокариот имеется несколько последовательностей Shine-Dalgarno в мРНК и, следовательно, несколько мест начала синтеза полипептидных цепей. У эукариот используется большее количество белковых факторов инициации (eIF), чем у прокариот. Например, eIF-4E является белком, который связывает напрямую 7-метилгуанозин (кэп), а eIF-4A является хеликазой. Различия механизмов инициации между прокариотами и эукариотами касаются и процессинга мРНК. У прокариот 5′-конец мРНК, синтезируемой при транскрипции, способен немедленно связываться с рибосомой для начала трансляции. У эукариот предшественник мРНК должен подвергнуться созреванию (сплайсинг, образование кэп, полиА), транспортироваться в цитозоль и лишь затем связываться с рибосомами для трансляции.

Рефераты:  Реферат: Мировые валютные системы и их эволюция -

4. Элонгация и терминация.Факторы элонгации у эукариот EF1и EF1аналогичны EFTu и EF-Ts у прокариот. ГТФ-EF1обеспечивает поступление аа-тРНК в А-участок рибосомы, а EF1катализирует гидролиз ГТФ до ГДФ. Эукариотический фактор еEF2 опосредует ГТФ-зависимую транслокацию по механизмам, аналогичным действию EF-G у прокариот. Терминация у кариот определяет фактор eRF1, а у прокариот – 2 фактора. И, наконец, фактор eIF3, как и у прокариот IF3, препятствует реассоциации субъединиц рибосомы при отсутствии инициаторного комплекса, соответствующего инициирующему кодону мРНК.

ТЕМА 3.4. БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ). ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ РНК — КиберПедия

Регуляция биосинтеза белка

Живые клетки имеют точно запрограмированные механизмы, регулирующие синтез различных белков таким образом, что в любой клетке присутствует определенное количество молекул каждого белка, позволяющее ей осуществлять свои метаболические процессы плавно и с максимальной эффективностью.

В клетке существует 7 процессов, которые определяют концентрацию белков и каждый из этих процессов подвергается регуляции:

1. Синтез первичного РНК транскрипта.

2. Посттранскрипционный процессинг

3. Разрушение мРНК.

4. Синтез белка (трансляция).

5. Посттрансляционная модификация белка.

6. Разрушение белка.

7. Транспорт белка.

Основным механизмом регуляции биосинтеза белка является регуляции инициации транскрипции.

Гены для белков, которые требуются постоянно, экспрессируются на относительно постоянном уровне в каждой клетке организма. Гены ферментов основных метаболических путей (например, цикла трикарбоновых кислот) относятся к этой категории генов и называются конституитивными генами. Неизменная экспрессия генов называется конституитивной экспрессией генов. Внутриклеточный уровень некоторых белков повышается или снижается под действием различных сигналов. Белки, концентрация которых повышается, называются индуцибельными. Процесс повышения экспрессии генов называется индукцией. Например, экспрессия генов, кодирующих ферменты репарации ДНК, индуцируется при повреждении ДНК. Белки, концентрация которых снижается в ответ на молекулярные сигналы, называются репрессибельными, а процесс подавления экспрессии генов – репрессия. Например, достаточное поступление триптофана приводит к подавлению генов для ферментов, которые участвуют в синтезе триптофана у бактерий.

Скорость и объем синтеза белка определяется концентрацией аминокислоты, присутствующей в наименьшем количестве.

9.7.1. Фолдинг и разрушение полипептидной цепи. Оценим характеристики биосинтеза белков в клетках кишечной палочки (E. сoli). Для удвоения числа клеток за 40 мин при 37 ºС требуется синтез примерно 1000 полипептидов со средней молекулярной массой 40 кДа за секунду. Эти полипептиды локализуются в минимальном объеме цитоплазмы, менее чем 1мкм3. Общая концентрация макромолекул в цитозоле клеток E. сoli достигает 340 г/л (напомним, что в сыворотке крови человека концентрация общего белка не превышает 85 г/л). Таким образом, синтезированная полипептидная цепь оказывается в пространстве, заполненном белками и другими макромолекулами при наличии протеолитических ферментов, способных ее гидролизовать. Возможны три негативных варианта судьбы полипептидной цепи: 1) протеолитическая деградация; 2) преципитация со снижением растворимости белка и 3) неправильное складывание полипептидной цепи. Все вышесказанное позволяет утверждать, что в процессе эволюции должны были отобраться механизмы, способные 1) сформировать правильную третичную (нативную) структуру белковой молекулы и 2) гидролизовать белки с неправильной конформацией полипептидной цепи. Для реализации таких механизмов используются белки шапероны, которые относятся к белкам теплового шока (hsp60, hsp70, hsp90, hsp100). Свое название эти белки получили потому, что их синтез возрастает при повышении температуры и других формах стресса. Параллельно они выполняют функцию защиты белков клетки от денатурации. Шапероны участвуют в трех процессах: 1) hsp60, hsp70, hsp90 определяют зависимое от АТФ правильное формирование третичной структуры белковой молекулы; 2) hsp70 и hsp100 определяют процессы агрегации-дезагрегации полипептидных цепей и 3) hsp70 обеспечивает разрушение неправильных полипептидов после мечения их убиквитином в протеасомах.

Рекомендуемые страницы:

Оцените статью
Реферат Зона
Добавить комментарий