Реферат: Синтез білка
Пряме відношення до механізмів передачі спадкової інформації має процес трансляції, що означає переклад "чотирьохбуквеної мови нуклеїнових кислот на двадцатилітерну мову білків". Іншими словами, трансляція зводиться до синтезу білка в рибосомах; у цьому синтезі послідовність розташування нуклеотидів в мРНК визначає первинну структуру білка, тобто строго впорядковану послідовність розташування окремих амінокислот в молекулі білка, що синтезується.
При визначенні радіоактивності білків в різних субклітинних фракціях печінки, отриманих методом диференціального центрифугування через різні проміжки часу, було показано, що радіоактивна мітка в першу чергу з'являється у фракції мікросом і лише потім в інших субклітинних утвореннях. Після встановлення місця включення радіоактивної мітки було з'ясовано участь інших субклітинних фракцій і низькомолекулярних клітинних компонентів в синтезі білка. При інкубації мікросом печінки щурів з 14С-лизином включення радіоактивної мітки в білки рибосом спостерігалося за наявності в системі, крім фракції мікросом, ще деяких розчинних компонентів цитоплазми, джерела енергії у формі АТФ системи, а також ГТФ.
Подальші дослідження були направлені на пошук інших компонентів белоксинтезирующей системи.
Білоксинтезуюча система включає: набір всіх 20 амінокислот, що входять до складу білкових молекул; мінімум 20 різних тРНК, що володіють специфічністю до певного ферменту і амінокислоти; набір мінімум 20 різних ферментів - аміноацил-тРНК-синтетаз, що також володіють подвійною специфічністю до якої-небудь певної амінокислоти і одній тРНК; рибосоми (точніше за полісому: що складаються з 4-12 монорибосом з приєднаною до них матричною мРНК); АТФ і АТФ-ГЕНЕРІРУЮЩУЮ систему ферментів; ГТФ, що бере специфічну участь в ініціації і елонгації синтезу білка в рибосомах; іони Mg2+ в концентрації 0,005-0,008 М; мРНК як головний компонент системи, що несе інформацію про структуру білка, що синтезується в рибосомі; нарешті, білкові чинники, що беруть участь в синтезі на різному рівні трансляції.
Розглянемо детальніше структуру і функцію головних компонентів белоксинтезирующей системи.
Рибосоми
Живі організми, як відомо, залежно від структури кліток діляться на дві групи: прокариоты і эукариоты. Перші не містять обмеженого мембраною ядра і мітохондрій або хлоропластів; вони представлені головним чином мікроорганізмами. Клітки еукаріот тварин і рослин, включаючи гриби, навпаки, містять ядра з мембранами, а також мітохондрії (і у ряді випадків хлоропласти).
Обидва типи кліток містять рибосомы, причому рибосомыэукариот (клітки тварин) приблизно в два рази більше рибосомпрокариот (бактерії). Зазвичай рибосоми характеризують за швидкістю їх седиментації у центрифужному полі, яка кількісно виражається константою седиментації s, що виражається в одиницях Сведберга S.
Величина s залежить не тільки від розміру частинок, але і від форми і щільності, так що вона не пропорційна розміру. Число рибосом в мікробній клітці приблизно рівне 104, а эукариот — близько 105.
Хімічно рибосоми є нуклеопротеїнами, що складаються тільки з РНК і білка, причому 80Sрибосоми еукаріот містять приблизно рівну їх кількість, а у 70Sрибосом прокаріот співвідношення РНК і білка складає 2:1. РНК рибосом прийнято називати рибосомним і позначати рРНК. Як 80S, так і 70Sрибосоми складаються з двох субчастинок; це можна за допомогою електронної мікроскопії або шляхом обробки рибосом розчинами, що містять низькі концентрації іонів Mg2+. За цих умов рибосомы дисоціюють на субчастинки; останні можуть бути відокремлені один від одного методом ультрацентрофугування. Одна з субчастинок по розмірах в 2 рази перевищує розмір другої; так, у 70Sрибосом величини S для субчастинок рівні 50S і 30S, у 80Sрибосом, відповідно 60S і 40S. Субчастинки рибосом кліток еукаріот влаштовані складніше: більше 70 різних білків в обох субчастинках, при цьому велика субчастинка містить 28S, 5,8S і 5S рРНК, а мала містить 18SрРНК (До теперішнього часу повністю розшифрована первинна структура всіх рРНК в 70S і 80S рибосомах і амінокислотній послідовності всіх 55 білків 70S рибосом і частково білків 80S рибосом.).
Для з'ясування тонких молекулярних механізмів синтезу білка в рибосомах необхідні відомості про структуру і функції рибосом. Останнім часом отримані дані, що свідчать про вірогідну просторову тривимірну структуру як цілих рибосом, так і їх субчастинок. Зокрема, з'ясовано, що форму і розміри 30S і 40S рибосом зумовлюють не білкові молекули цих частинок, а третинна структура що входять в їх склад 16S і 18S рРНК. Більш того, за даними акад. А.С. Спірина, для збереження просторової морфологічної моделі всієї 30S субчастинки виявилася достатньою наявність тільки двох білків, що містяться в певних топографічних ділянках молекули 16S рРНК.
Щодо походження рибосом відомо, що рРНК походить із загального попередника всіх клітинних РНК, що у свою чергу синтезується на матриці ДНК в ядрі; рибосомні білки мають походження цитоплазми, потім вони транспортуються в ядерця, де і відбувається спонтанне утворення рибосомних субчастинок шляхом об'єднання білків з відповідними рРНК. Об'єднані субчастинки разом або нарізно транспортуються через пори ядерної мембрани назад в цитоплазму, де ряд рибосом разом з мРНК утворюють полісоми або полірибосоми.
Аміноацил-тРНК-синтетази
Експериментально доведено існування в будь-яких клітках живого організму специфічних ферментів, що каталізують активування амінокислот і скріплення останніх з певними тРНК. Всі ці ферменти виділені в чистому вигляді з E. coli.
Молекулярна маса майже всіх синтетаз рівна 100 000 Так, за винятком фенілаланін-тРНК-синтетази (180 000 Так). Всі вони виявилися чутливими до реагентів на SH-группы і вимагають присутності іонів Mg2+. Ферменти володіють абсолютною специфічністю дії, оскільки вони дізнаються тільки одну яку-небудь L-амінокислоту або одну тРНК; ця обставина надзвичайна важливо, оскільки надалі в білковому синтезі "пізнавання" аміноацил-тРНК засноване не на природі амінокислоти, а на хімічній природі антикодону тРНК. Вважається, що в молекулі кожної аміноацил-тРНК-синтетази є принаймні три центри скріплення: для амінокислоти, тРНК і АТФ; ферменти вельми чутливі також до аналогів амінокислот, які інгібірують активування відповідних амінокислот. Деякі ферменти складаються з одного поліпептидного ланцюга, інші з двох або чотирьох гомологічних або гетерогенних субодиниць.
Аміноацил-трнк-синтетази в активному центрі містять гістидин, імідазольне кільце якого бере участь в скріпленні АТФ за допомогою іонів Mg2+. Найбільшою спорідненістю ці ферменти, як було вказано, володіють по відношенню до молекул специфічних тРНК, хоча конкретний механізм, за допомогою якого ферменти дізнаються відповідну РНК, поки не ясний. В той же час ці ферменти відрізняються низькою молярною активністю (число оборотів не перевищує декількох сотенькаталітичних актів в хвилину).
Транспортні РНК
У лабораторії М. Хогланда було з'ясоване, що при інкубації 14С-аминокислоты з розчинної з розчинною фракцією цитоплазми в присутності АТФ і подальшим додаванням трихлороцетової кислоти в білковому осаді, що утворився, мітка не відкривається. Було зроблено висновок, що мічена амінокислота не включається в білкову молекулу. Мітка виявилася пов'язаною ковалентний з РНК, такою, що міститься в безбілковому фільтраті. Показано, що РНК, до якої приєднується мічена амінокислота, має невелику молекулярну масу і зосереджена в розчинній фракції, тому її спочатку назвали розчинною, а потім адапторною або транспортною РНК (тРНК). Трнк припадає на частку приблизно 10 — 15 % загальної кількості клітинної РНК. До теперішнього часу відкрито більше 60 різних тРНК. Для кожної амінокислоти в клітці є принаймні одна специфічна РНК (для ряду амінокислот відкрито більш за одну, зокрема, для серину — 5 різних тРНК, для лізину і гліцину — по 4 різних тРНК, хоча і в цьому випадку кожна тРНК пов'язана із специфічною аміноацил-тРНК-синтетазою). Молекулярна маса більшості тРНК коливається від 24 000 до 29 000 Так. Вони містять від 75 до 85 нуклеотидов. Амінокислоти приєднуються до вільної 3'-OH-групі кінцевого мононуклеотіду, представленого у всіх тРНК АМФ, шляхом утворення ефірного зв'язку. Цікаво, сто всі тРНК володіють не тільки дивно схожими функціями, але і дуже схожою тривимірною структурою.
Встановлена первинна структура майже всіх 60 відкритих тРНК; знання послідовності, а отже, складу тРНК дало в руки дослідників багато цінних відомостей про біологічну роль окремих компонентів тРНК. Загальною для тРНК виявилася також нативна конформація, встановлена методом рентгеноструктурного аналізу і названа спочатку конформацією конюшинового листа; насправді ця конформація має неправильну, Г-подібну форму.
Визначення структури тРНК дозволило виявити ряд відмітних ділянок; так, на 3'-гидроксильном кінці розташовується однакова для всіх тРНК послідовність триплета ЦЦА-ОН, до якої приєднується за допомогою ефірного зв'язку специфічна амінокислота. Скріплення в основному відбувається через 3'-ОН- групу кінцевого аденілового нуклеотиду, хоча отримані докази можливості приєднання амінокислоти через 2'-ОН- групу. Тимін-псевдоуридін-цитиділова (Т(Ц) петливши, мабуть, зв'язує аміноацил-тРНК з поверхнею рибосоми. Є, крім того, додаткова петля, склад якої варіюється у різних типів молекул тРНК; її призначення невідоме. Дигідроуріділова петливши, з іншого боку, виявилася необхідною як сайт (місце) для пізнавання специфічним ферментом — аміноацил-тРНК-синтетазой. Є також антикодонова петливши, що несе триплет, названий антикодоном, і розташована на протилежній стороні від того кінця, куди приєднується амінокислота. Антикодон є специфічним і комплементарним до відповідного кодону мРНК, причому обидва вони є антипаралельними в своїй комплементарності.
Ретельний аналіз нуклеотидных послідовностей різнихтРНКпоказав, що всі вони містять однаковий 5'-кінцевий нуклеотід — ГМФ з вільною 5'-фосфатной групою. Адапторна функція молекул тРНК полягає в пов'язанні кожної молекули тРНК зі своєю амінокислотою. Але оскільки між нуклеїновою кислотою і специфічною функціональною групою амінокислоти не існує відповідності і спорідненості, цю функцію пізнавання повинна виконувати білкова молекула, яка дізнається як молекулу специфічної тРНК, так і специфічної амінокислоти.
Природа генетичної коди
Генетична інформація, закодована в первинній структурі ДНК, переводиться ще в ядрі в нуклеотидную послідовність мРНК. Проте питання про те, яким чином ця інформація передається на білкову молекулу, довго не був з'ясований. Перші вказівки на існування прямої функціональної залежності між структурою гена і його продуктом — білком можна знайти у Ч. Яновського, який в серії витончених дослідів із застосуванням методів генетичного картирування і сективірування показав, що порядок змін в структурі гена мутанта триптофанситази у E. coli в точності відповідає порядку відповідних змін в амінокислотній послідовності молекули білка-ферменту.
Раніше було відомо, що молекули мРНК не володіють спорідненістю до амінокислот, тому для перекладу нуклеотидної послідовності мРНК на амінокислотну послідовність білків потрібний якийсь посередник, названий адаптором. Молекула адаптора повинна бути у свою чергу наділена здатністю дізнаватися нуклеотидну послідовність специфічної мРНК і відповідну амінокислоту. Володіючи подібною адапторною молекулою клітка може включати кожну амінокислоту у відповідне місце поліпептидного ланцюга, в строгій відповідності з нуклеотидною послідовністю мРНК. Залишається, таким чином, непорушним положення, що самі по собі функціональні групи амінокислот не володіють здатністю вступати в контакт з матрицею інформаційної мРНК.
Було показано, що в нуклеотидной послідовності молекули мРНК є кодові слова для кожної амінокислоти — генетичний код. Проблема, проте, зводиться до того, з чого складається цей таємничий код? Найімовірніше, він полягає в певній послідовності розташування нуклеотидів в молекулі ДНК . Питання про те, які нуклеотиди відповідальні за включення певної амінокислоти в білкову молекулу і яку кількість нуклеотидів визначає це включення, залишався невирішеним до 1961 р. Теоретичний розбір показав, що код не може складатися з одного нуклеотиду, оскільки в цьому випадку тільки 4 амінокислоти можуть кодуватися. Але код не може бути і дуплетним, тобто комбінація з двох нуклеотидів з чотирьохбуквеного алфавіту не може охоплювати всіх амінокислот, оскільки подібних комбінацій теоретично можливо тільки 16 (42=16), а до складу білка входять 20 амінокислот. Для всіх амінокислот білкової молекули було б досить узяти триплетний код, коли число можливих комбінацій складе 64 (43=64).
З приведених вище за дані М. Ніренберга стає очевидним, що Полі-у, тобто РНК, що гіпотетично вміщує залишки тільки одного уриділового нуклеотиду, сприяє синтезу білка, побудованого із залишків однієї амінокислоти — фенілаланину. На цій підставі був зроблений вивід, що кодоном для включення фенілаланину в білкову молекулу може служити триплет, що складається з 3 уриділових нуклеотидів, — УУУ. Незабаром було показано, що синтетична матрична поліцитиділова кислота (поли - Ц) кодує утворення поліпролину, а матрична поліаденілова кислота (поли-А) — полілізина. Відповідні триплети — ЦЦЦ і ААА — дійсно виявилися триплетами (названими кодонами) для кодування проліну лізину.
М. Ніренберг, С. Очоа и Х. Корану, користуючись штучно синтезованими мРНК, представили докази не тільки складу, але і послідовності триплетів всіх кодонів, відповідальних за включення кожній з 20 амінокислот білкової молекули.
Генетичний код для амінокислот є виродженим. Це означає, що переважне число амінокислот кодується з декількома кодонами, за винятком метіоніну і триптофану, решта амінокислот має більш за один специфічний кодон. Виродженність коди виявляється неоднаковою для різних амінокислот. Так, якщо для серину, аргініну і лейцину є по 6 кодових слів, то ряд інших амінокислот, зокрема глутамінова кислота, гістидин і Тирозин, мають по два кодони, а триптофан — тільки 1. Слід зазначити, що виродженність найчастіше стосується тільки третього нуклеотиду, тоді як для багатьох амінокислот перші два нуклеотиди є загальними. Цілком допустимо тому припущення, що послідовність перших два нуклеотидов визначає в основному специфічність кожного кодону, тоді як третій нуклеотид менш существен. Останнім часом з'явилися докази гіпотези два з трьох, що означає, що код білкового синтезу, можливо, є квазі- або псевдодуплетним. Є докази, що вырожденность генетичної коди має безперечний біологічний сенс, забезпечуючи організму ряд переваг. Зокрема, вона сприяє "вдосконаленню" генома, оскільки в процесі мутації можуть наступати різні амінокислотні заміни, найбільш цінні з яких відбираються в процесі еволюції.
Іншою відмітною особливістю генетичної коди є його безперервність, відсутність розділових знаків, тобто сигналів, вказуючих на кінець одного кодону і почало іншого. Іншими словами, код є лінійним, що не уривається: АЦГУЦГАЦЦ. Це властивість генетичної коди забезпечує синтез надзвичайно впорядкованої послідовності молекули білків. У всіх інших випадках послідовність нуклеотидов в кодонах порушуватиметься і приводитиме до синтезу "безглуздого" поліпептидного ланцюга із зміненою структурою. Слід вказати на ще одну особливість коди — його універсальність для всіх живих організмів: від Е. соli до людини.
Серед 64 мислимих кодонів сенс має 61, тобто кодує певну амінокислоту. В той же час три кодони, а саме УАГ, УАА, УГА є безглуздими, нонсенсом-кодоном, оскільки вони не кодують жодної з 20 амінокислот. Проте ці кодони не позбавлені сенсу, оскільки виконують важливу функцію в синтезі білка в рибосомах (функцію закінчення, термінації синтезу).