Биосинтез белка — это многостадийный процесс синтеза и созревания белков, протекающий в живых организмах. В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: синтез полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК (трансляция), и посттрансляционные модификации полипептидной цепи. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии. Основные этапы биосинтеза: • транскрипция (этап удвоения участка ДНК с закодированной структурой белка); • процессинг (этап образования информационной РНК); • трансляция (синтез белков в клетке на основании информационной РНК); • посттрансляционная модификация ("созревание" полипептида, формирование его объемной структуры) Схема биосинтеза Процесс биосинтеза белка состоит из трех стадий: транскрипции (синтез иРНК), сплайсинга («созревание» иРНК) и трансляции (биосинтез первичного белка). Транскрипция и сплайсинг протекают в ядре, а трансляция – в цитоплазме. В трансляции принимают участие тРНК, доставляющие аминокислоты к месту сборки белковой молекулы. • Транскрипция - первая стадия реализации генетической информации в клетке. • В ходе процесса образуются молекулы мРНК, служащие матрицей для синтеза белков, а также транспортные, рибосомальные и другие виды молекул РНК, выполняющие структурные, адапторные и каталитические функции (рис. 4-26). • Транскрипционые факторы - белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами и ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции. • Соотношение информативной и неинформативной частей в транскриптонах эукариотов составляет в среднем 1:9 (у прокариотов 9:1). РНК-полимеразы • Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНКполимеразами. Стадии транскрипции • Инициация Активация промотора происходит с помощью большого белка ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора ТАТААА- (ТАТА-бокс) Элонгация • Факторы элонгации повышают активность РНКполимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. • Синтез молекулы РНК идёт от 5'- к З'-концу комплементарно матричной цепи ДНК. • На стадии элонгации, в области транскрипционной вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. • Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. • По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3'- к 5'-концу впереди неё происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали ДНК. Терминация • Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. • Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы - терминаторах (сайты терминации). • Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. • РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы σ. Ковалентная модификация (процессинг) матричной РНК • Первичные транскрипты мРНК, прежде чем будут использованы в ходе синтеза белка, подвергаются ряду ковалентных модификаций. • Эти модификации необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы. Кэпирование (англ. cap – шапка) • Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидных остатков, происходит кэпирование • Процесс состоит в присоединении к 5'-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5'-углерода N7-метил-гуанозина. • "Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от действия 5'экзонуклеаз в цитоплазме. , а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции. • Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, так как инициирующие триплеты AUG, GUG распознаются рибосомой только если присутствует кэп. Полиаденилирование • Полиаденилирование – при помощи полиаденилатполимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3'-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклеотидов, формирующих полиадениловый фрагмент (поли(А)-хвост). • Поли(А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3'-конца. Процессинг. Созревание РНК-Сплайсинг •Между транскрипцией и трансляцией существует еще одного важное звено – образование «зрелой» молекулы мРНК. •Этот этап получил название процессинга, или созревания, мРНК, (посттранскрипционные модификации РНК) •Процессинг мРНК включает три основных процесса: •1) сплайсинг – удаление некодирующих интронных последовательностей из мРНК и сшивание образующихся экзонов; Созревание РНК. •У эукариот гяРНК, прежде, чем покинуть ядро в виде матричной РНК (мРНК), претерпевает существенные изменения: • из молекулы вырезаются избыточные (некодирующие) участки (интроны), а оба конца транскриптов(экзоны) модифицируются путем присоединения дополнительных нуклеотидов. Трансляция ТРАНСЛЯЦИЯ (от лат. translatio – передача) – синтез полипептидных цепей белков на матрице информационной РНК согласно генетическому коду; второй этап реализации генетической информации в живых клетках. Трансляция осуществляется на рибосомах в цитоплазме клетки Субъединицы рибосом присоединяются к иРНК только в процессе трансляции, образуя рибосому, которая продвигается вдоль иРНК и синтезирует первичный белок. После синтеза белка рибосома распадается на субъединицы. Трансляция, как и транскрипция состоит из трех последовательных процессов: инициации (начало синтеза белка), элонгации и терминации. Функциональные участки рибосом Е • Р – пептидильный участок для пептидил-тРНК • А – аминоацильный участок для аминоацил-тРНК • Е – участок для выхода тРНК из рибосомы Инициация трансляции ЭЛОНГАЦИЯ Процесс элонгации включает образование пептидных связей между соседними аминокислотами, при этом очередность присоединения аминокислот определяется очередностью кодонов в иРНК. АУГ ААА МЕТ ЛИЗ ГУЦ ВАЛ Терминация (освобождение) •Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до кодона УАА, УАГ, УГА В конце каждого цистрона расположен один из триплетов (конец цепи), кодирующий момент окончания синтеза полипептида (стоп-кодон, терминирующий кодон, запятые). 1. Активация АК АТФ PPi I Активация Аминоацил-тРНК- Аминоациладенилат синтаза свободных аминокислот + тРНК II осуществляется при помощи специфических Аминоациладенилат Аминоацил-тРНК ферментов – аминоацилтРНК-синтетаз – в присутствии АТФ. Аминоацил-тРНК 2. СИНТЕЗ ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ Биосинтез пептидной цепи начинается в присутствии инициирующих факторов F1, F2 и F3 (все факторы являются белками), мРНК, инициаторной тРНК, GTP, Mg2+ и рибосомальных субъединиц с коэффициентами седиментации 30S и 50S. . 3. Образование пептидной связи и рост белковой цепи. • Этот процесс происходит в несколько стадий. • а) Ориентация отдельных АА-тРНК вдоль мРНК и их взаимодействие с рибосомой (в участке А); • б) Образование пептидной связи (или удлинение существующей пептидной цепи на одну аминокислоту под действием пептидилтрансферазы). • в) Перемещение пептида, связанного через последнюю тРНК, в участке А рибосомы на участок Р. 4. Отделение пептидной цепи от рибосомы происходит в том месте, где на молекуле мРНК встречается «стоп» (или «бессмысленный») кодон (UAA, UAG или UGA).
