Метаболизм: катаболизм и анаболизм. Основные пути катаболизма.

АТФ – универсальная энергетическая единица живых организмов, его строение и функции.

3. НАД·Н+Н+, НАДФ·Н+Н+, ФАДН2 - коферменты дегидрогеназ. Их роль в переносе атомов водорода в ЭТЦ.

Метаболизм, сопровождающийся синтезом АТФ преимущественно АТФ-синтазами: фотофосфорилирование, брожение и окислительное фосфорилирование субстратов (клеточное дыхание). Промежуточный метаболизм – уксусное брожение и метаболизм восстанавливающих бактерий.

Стадии окисления глюкозы в клетке, их энергетический выход.

Клеточное дыхание. Работа электрон-транспортной цепи митохондрий.

Фотосинтез, характеристика его этапов.

Фотосинтез, гликолиз, ЦТК, дыхательная цепь. Итоговые уравнения и количество АТФ.

Клетка как открытая система. Потоки вещества, энергии и информации в клетке.

 

ТЕМА 5. Экспрессия генов

 

Генетическая информация хранится в виде опре­деленной последовательности нуклеотидов ДНК, а реа­лизуется в виде аминокислотной последовательности бел­ков; причем посредниками, переносчиками информации выступают РНК.

Таким образом, реализация генетической информа­ции происходит следующим образом:

 

ДНК → РНК → белок

 

Как видим, передача информации имеет односторон­нюю направленность. Единственное исключение состав­ляет небольшая группа вирусов (ретровирусы, в том чис­ле ВИЧ), способных по своей РНК строить ДНК при по­мощи специального фермента ревертазы. Никакие дру­гие живые организмы на это не способны.

В данном разделе необходимо ввести одно очень важ­ное определение. Ген - участок ДНК, в котором коди­руется аминокислотная последовательность одного бел­ка. Точнее – один ген – один полипептид. Более того, данное определение относится к структурным генам, тогда как еще в ДНК находятся другие гены, например, регуляторные. Необходимо подчеркнуть, что это - биохимическое определение гена.

Реализация информации, записанной в генах, на­зывается экспрессией генов. Этот процесс осуществляет­ся в 2 этапа:

первый - транскрипция;

второй - трансляция.

 

Транскрипция

Транскрипция - синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате возникает 3 типа РНК:

♦ матричная (мРНК);

♦ рибосомная (рРНК);

♦ транспортная (тРНК).

Процесс транскрипции требует больших затрат энер­гии в виде АТФ и осуществляется ферментом ДНК-зависимой-РНК-полимеразой трех типов и рядом так назы­ваемых вспомогательных факторов.

Одномоментно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки - гены.

Транскрипция, как и репликация ДНК, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к ком­плементарному связыванию. Аналогично репликации, при транскрипции полимераза (здесь уже РНК-полимераза) шаг за шагом подбирает и «сшивает» нуклеотиды, комплементарные матричной последовательности.

Отличительной особенностью транскрипции является то, что в РНК нет тимидина, его замещает уридин; соот­ветственно при транскрипции аденозин молекулы ДНК спаривается с уридином синтезируемой РНК. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК, которая назы­вается кодирующей. Вторая цепь является некодирующей.

Какая цепь будет кодирующей, определяется тем, на какой из них находится промотор - точка начала транс­крипции. Более того, любое считывание осуществляется по цепи ДНК в направлении 5’ → 3’(по нумерации углеродных атомов в дезоксирибозе). По второй цепи ДНК с направлением 3’ → 5’ (некодирующей) осуществляется репарация ДНК при повреждениях.

Цикл транскрипции состоит из 3 стадий:

♦ инициации;

♦ элонгации;

♦ терминации.

Им предшествует узнавание промотора, или подго­товительная стадия, на которой РНК-полимераза узнает промотор и связывается с ним. Одновременно происхо­дит локальное расплетение ДНК примерно на 10 пар нуклеотидов.

1. Инициация. На этой стадии происходит образова­ние нескольких начальных звеньев РНК. До этого комплекс полимераза-ДНК не стабилен и способен распадаться.

2. Элонгация. Продолжается дальнейшее расплетение ДНК и синтез РНК по кодирующей цепи в направлении 5’ → 3’.

3. Терминация. Как только полимераза достигает тер­минатора (точка окончания транскрипции), она не­медленно отщепляется от ДНК, локальный гибрид ДНК-РНК разрушается и новосинтезированная РНК транспортируется из ядра в цитоплазму. На этом транскрипция заканчивается.

Созревание РНК

Все образовавшиеся РНК непосредственно после трансляции не способны функционировать, так как они синтезируются в виде молекул-предшественников: пре-р, пре-т и пре-м РНК. Чтобы начать работать, пре-РНК должны подвергнуться процессингу (созреванию).

Под процессингом понимают совокупность биохимических реакций, при которых пре-РНК укорачиваются, подвер­гаются химическим модификациям, в результате кото­рых образуются зрелые РНК. В этом процессе участвует четвертый известный тип РНК - малая ядерная РНК (мяРНК), которая удерживает концы экзонов (участков, несущих информацию о структуре белковых молекул) при вырезании интронов (участков, не имеющих биологического смысла). После процессинга начинается сплайсинг - уточнение структуры м-РНК в ядрышках.

 

Генетический код

Биосинтез белка осуществляется в процессе транс­ляции, во время которой информация РНК реализуется в результате синтеза полипептидной цепи белка. Однако вначале ознакомимся с генетическим кодом.

Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующую­ся молекулу мРНК, которая выступает в качестве мат­рицы в процессе биосинтеза белка. Определенному со­четанию нуклеотидов ДНК, а, следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипеп­тидной цепи белка. Такая система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в цепи ДНК или РНК называется генетическим кодом.

Оказалось, что 3 нуклеотида, объединяясь в триплет (кодон), определяют 1 аминокислоту. Поскольку суще­ствуют 4 типа нуклеотидов, объединяясь по 3 в трип­лет, они дают 4³ = 64 варианта триплетов. Из них 3 (для мРНК - УАА, УГА и УАГ) являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 являются кодирующими.

Разные аминокислоты кодируются раз­ным числом триплетов: от 1 (метионин, АУГ) до 6 (лей­цин). Функцию «переводчика» с «языка» нуклеиновых кислот в клетке выполняет тРНК, а «местом перевода» является рРНК.

 

Свойства генетического кода

1. Код триплетен. Одна аминокислота кодируется тре­мя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеи­новой кислоты.

2. Код универсален. Все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код.

3. Код вырожден. Одна аминокислота кодируется бо­лее чем одним триплетом.

4. Код однозначен. Кодон соответствует одной единственной аминокислоте.

5. Код не перекрывается. Один нуклеотид не может входить в состав двух, а тем более трех кодонов в цепи мРНК.

6. Код не содержит знаков препинания. Все нуклеотиды цепи мРНК входят в состав кодонов.

 

Генетический код (мРНК)

 

Первый нуклеотид триплета мРНК	Второй нуклеотид триплета мРНК				Третий нуклеотид триплета мРНК
	У	Ц	А	Г
	фен	сер	тир	цис	У
У	фен	сер	тир	цис	Ц
	лей	сер	STOP	STOP	А
	лей	сер	STOP	три	Г
	лей	про	гис	арг	У
Ц	лей	про	гис	арг	Ц
	лей	про	глн	арг	А
	лей	про	глн	арг	Т
	иле	тре	асн	сер	Г
А	иле	тре	асн	сер	Ц
	иле	тре	лиз	арг	А
	мет	тре	лиз	арг	Г
	вал	ала	аеп	гли	У
Г	вал	ала	асп	гли	Ц
	вал	ала	глу	гли	А
	вал	ала	глу	гли	Г

Примечание: сокращения аминокислот общепринятые.

 

Трансляция

Трансляция - синтез полипептидной цепи с исполь­зованием мРНК в роли матрицы. Как и транскрипция, трансляция - сложный мно­гостадийный процесс, требующий значительных затрат энергии и участия большого числа (до 300) вспомогатель­ных молекул.

В трансляции участвуют все три основных типа РНК: м-, р- и тРНК. мРНК является информационной матри­цей; тРНК «подносят» аминокислоты и узнают кодоны мРНК; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, ко­торые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществля­ют синтез полипептидной цепи.

Процесс трансляции основывается на том, что каж­дому триплету мРНК (кодону) соответствует определенная аминокислота. Генетический код расшифровывают (реа­лизуют) тРНК.

Напомним, что тРНК имеет структуру, состоящую из четырех петель. К одной из них присоеди­няется аминокислота (акцепторная петля), в противо­положной (антикодоновой) находится триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК. Этот триплет на­зывают антикодоном. Так, аминокислоте триптофану соответствует кодон УГГ в мРНК, триптофановая тРНК имеет антикодон АЦЦ.

 

Цикл трансляции

Транскрипция состоит из подготовительного и трех основных этапов.

Подготовительный этап. На этом этапе происхо­дит присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК. Эти реакции протекают в цитоплазме и осуществ­ляются ферментами, которые также контролируют соот­ветствие аминокислоты типу тРНК (ее антикодону).

1. Инициация. Происходит образование цельной ри­босомы, присоединение мРНК и установление первой аминокислоты.

Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой и большой. В нерабочем состоя­нии они обычно не связаны друг с другом (говорят, что рибосома диссоциирована). В процессе же трансляции рибосомы находятся в «собранном» состоянии. Процесс диссоциации и сборки рибосом зависит от наличия ионов магния в клетке.

В цельной рибосоме выделяют участок присоедине­ния тРНК, «нагруженной» аминокислотой - акцептор­ный (А-сайт) и участок удержания тРНК с растущей полипептидной цепью - пептидильный (Р-сайт) (в моле­кулярной биологии выражение «участок цепи» часто заменяют термином «сайт»). Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет - она осу­ществляется через тРНК.

Во время инициации (при участии трех вспомога­тельных белковых факторов) происходит связывание мРНК с малой субъединицей рибосомы, затем к первому кодону своим антикодоном присоединяется «груженая» (несущая аминокислоту) тРНК, а после этого к образо­вавшемуся комплексу присоединяется большая субъеди­ница рибосомы.

Интересно, что первой аминокислотой всех белков у всех эукариотических организмов всегда является метионин, а у прокариот - формил-метионин.

2. Элонгация. Ко второму кодону (в А-сайт рибосо­мы) присоединяется еще одна «груженая» тРНК. Между карбоксильной группой (-СООН) первой аминокислоты и аминогруппой (-NH₂) второй образуется пептидная связь. После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и «повисает» на соединенной с ней ами­нокислоте второй тРНК. Пустая первая тРНК освобож­дается из комплекса с рибосомой, и Р-сайт становится незанятым. Рибосома «делает шаг» вдоль мРНК. При этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт. «Шаг» рибосомы всегда строго определен и ра­вен трем нуклеотидам (кодону). Движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией.

3. Терминация. Синтез полипептидной цепи идет до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех стоп-кодонов. В этот момент белковая цепь отделяется, а ри­босома диссоциирует на субъединицы.

Практически все белки по окончании своего синте­за подвергаются созреванию или процессингу - реакциям посттрансляционных модификаций. После этого они (в основном по «трубопроводу» эндоплазматической сети) транспортируются к месту своего назначения.

Характерно, что мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом, осуществляющие синтез белка на од­ной молекуле мРНК, называют полисомами (обычно в них входят от 7 до 70 рибосом). В результа­те этого резко увеличивается «производительность» транс­ляции в единицу времени. Такой биосинтез характерен для секреторных и железистых клеток биологических организмов.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: