Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина» Факультет агрохимии, почвоведения, экологии, природообустройства и водопользования Кафедра экологии, природопользования и биологии Направление 05.03.06 Экология и природопользование РЕФЕРAТ по дисциплине «Биология» Нa тему: «Биосинтез белка. Трансляция» Выполнил: обучающийся группы Б-11ЭКЛ факультета агрохимии, почвоведения, экологии, природообустройства и водопользования Шмырёв К.В. Проверил: профессор, доктор биологиеских наук Баженова О.П. Омск 2021 Содержание Введение Краткая история открытия биосинтеза белка………………………4 Структура транспортных РНК………………………………………5 Рибосомы……………………………………………………………..6 Трансляция…………………………………………………………....9 4.1 Инициация……………………………………………………….9 4.2 Элонгация……………………………………………………….10 4.3 Терминация……………………………………………………..11 5. Сворачивание и транспорт белков…………………………………12 6. Внутриклеточная сортировка белков………………………………13 1. 2. 3. 4. 7. Заключение………………………………………………………….14 8. Библиографический список………………………………………..16 Введение Способность живой клетки синтезировать белки, является одним из значимых ее свойств. С выработанной энергией идет биосинтез белков, и все это происходит в процессе роста и развития клеток. В это время активно формируются белки для построения клеточных органоидов и мембран, а так-же синтезируются ферменты и белки [1]. Биосинтез белков идет активно и у многих взрослых, закончивших рост и развитие клеток. Например у таких клеток пищеварительных желез, которые синтезируют белки − ферменты (пепсин, трипсин) или у клеток желез с внутренней секрецией, синтезирующих белкигормоны (инсулин, тироксин) [1]. Характерен синтез белков, впрочем, не только растущим или секреторным клеткам. Любая живая клетка в течение всей своей жизни постоянно вырабатывает белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы, белки постепенно изнашиваются, структура и функции их нарушаются, и пришедшие в негодность белочные молекулы удаляются из клетки. Взамен вырабатываются новые полноценные молекулы, причем состав и жизнедеятельность клетки не изменяется [3]. Любые клетки по своему внешнему виду, строению, похожа на материнскую. Клетка может синтезировать такие-же белки как и материнская, потому-что свойства клетки зависят от ее белков. Это значит, что способность к синтезу белка передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни [1]. Величайшим достижением биологии и биохимии являются как раз открытием таких вопросов: Как происходит синтез столь большой молекулы белка, как устроен отбор нужных аминокислот, как они расставляются в определенном, и строгом порядке [5]. Основная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК. Уже изучено, что молекулы ДНК очень большие по своим размерам. Их длина в десятки и сотни раз превышает длину самых крупных молекул белков: по длине цепочки ДНК можно было бы уложить одну за другой десятки, а то и сотни молекул белков. В настоящее время 3 установлено, что разные участки ДНК определяют синтез различных белков. Одна молекула ДНК участвует в синтезе нескольких десятков белков [1]. Ген – это участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы. Каждый ген − участок двойной спирали ДНК, на котором хранится информация о структуре белка [6]. А каким образом структура ДНК определяет структуру белка, приведем такой пример: Все знают про азбуку Морзе, по которой передаются сигналы. В ней буквы алфавита это короткие и длинные тире. Совокупность таких условных обозначений и знаков называется кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой такой код. Получив напечатанную с помощью телеграфа ленту с точками и тире, знающий код Морзе, легко раскодирует написанное [1]. Код собой представляет и макромолекула ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех видов нуклеотидов. Как и в Морзе, каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК, каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание точек и тире, так в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенная связка кислот и нуклеотидов [10]. Краткая история открытия биосинтеза белка Сначала, в 1940-х годах белки считались основными веществами живых организмов, которые выполняют биохимические функции, и участвуют в передаче наследственной информации. Однако в те времена механизм работы синтеза белка оставался тогда ещё не изучен. Одним из предполагаемых механизмов объяснялся концепцией обратного протеолиза, которая поддерживалась известными биохимиками той этохи Максом Бергманном и Джозефом Фрутоном. В 1940 году Торбьерн Касперссон и Джек Шульц изобрели методы измерения поглощения нуклеиновых кислот в клетках под воздействием ультрафиолетового излучения, а также микроскопию клеток под воздействием ультрафиолета. Благодаря этой разработке они смогли определить, что синтез белков связан с 4 повышенным присутствием рибонуклеиновых кислот в определённых ядерных и цитоплазматических участках [3]. Структура транспортных РНК Что-бы понять дальнейшие процессы, необходимо рассмотреть структуру транспортных РНК. Рис. 1-тРНК. В структуре тРНК имеются 3 "палочки" и стебелек. Они образуются в результате взаимного соответствия молекул участков РНК. На верху 5 каждой "палочки" расположена петелька. В антикодоновой петельке находятся три нуклеотида, которые называются антикодоном [3]. Антикодон регулирует правильную установку аминокислоты в полипептидной цепи [2]. Отображение последовательности аминокислот в белке идёт в виде последовательности кодонов в мРНК. Как распологаются нужные аминокислоты против кодонов мРНК? Ведь между нуклеотидами и аминокислотами нет никакой взаимосвязи. Роль адаптора играет тРНК, которая присоединяется к кодону мРНК, своим антикодоном во время трансляции. К концу тРНК заранее прикрепляется нужная аминокислота, и далее она пристраивается в строящуюся цепь белка, и в итоге получается полное соответствие антикодонов и кодонов кодирующих те аминокислоты, которые несёт эта тРНК [4]. Рибосомы Рибосома − сложное макромолекулярное устройство, в котором синтезируются белки. Она состоит из более чем 50 белков, которые называются рибосомными белками, и нескольких молекул РНК, которые несут название рибосомных РНК. Число рибосом в клетке зависит от интенсивности выработки белка в данных клетках. Обычная эукариотческая клетка содержит около миллиона рибосом [6]. 6 Рис. 2 схема строения рибосомы Эукариотические и прокариотические рибосомы похожи по структуре и по своим функциям, но идёт отличие в числи и размерах рРНК и рибосомных белков. Размер рибосом составляет примерно 28−30 н.м, и состоит из двух неравных субъединиц [1]. Субъединицы эукариотических рибосом синтезируются в ядре из рРНК, соединяемых с рибосомными белками, которые переходят в ядро после синтеза в цитоплазме. Затем пара субъединиц рибосомы переходит в цитоплазму, где сливаются воедино для участия в выработке белка [1]. Большую часть массы рибосом составляют Рибосомные рибонуклеиновые кислоты(рРНК), которые и являются их основными компонентами. Молекулы определяют структуру, физические и химические свойства, функции рибосом и расположение рибосомных белков. Малые субчастицы рибосом содержат одну молекулу рРНК, а большие - две. Молекулы рРНК являются совокупностью коротких 7 одноцепных и двухспиральных участков, образующихся за счет комплементарного слияния участков одной и той же полинуклеотидной цепи [1]. А благодаря ионам двухвалентных металлов и рибосомным белкам, рибосомы рРНК компактно укомплектованы в субьединицу. Основная часть рРНК располагается внутри рибосомных субчастиц. Отдельные участки рРНК находятся на поверхности субчастиц [8]. Важная биологическая роль приходится за ними, так−как эти участки разрабатывают функциональные центры рибосом. (центры связывания матричных и транспортных РНК и белковых факторов трансляции). Концентрация рибосомной РНК происходит в основном ближе к центру частиц, тогда как масса рибосомных белков занимает в среднем более второстепенное положение. Отсюда вывод, что свернутая молекула высокополимерной рибосомной РНК - это структурное ядро рибосомной субчастицы, определяющее и ее компактность, и ее форму, и организацию на ней рибосомных белков [1]. Рибосомные белки так−же могут выполнять такие функции как: связывание питательной среды, выполнять каталитические функции, быть стабилизаторами и модификаторами определенных локальных центров рибосомной РНК и таким образом держать их в рабочем и активном состоянии. А так−же помогать им при переключении из одного состояния в другое [1]. Если рибосома не участвует в синтезе белков, две субъединицы находятся в разделенном состоянии [7]. Соответственно соединение с мРНК выполняется обратно для выполнения синтеза белков. Затем мРНК продвигается через рибосому, и по мере вхождения кодонов в ядро рибосомы, нуклеотидная последовательность мРНК транслируется в аминокислотную поледовательность с помощью тРНК в качестве адаптора, чтобы приоединять каждую аминокислоту в нужном порядке к концу растущего белка [1]. При считывании кодона, из рибосомы выходит собраный белок, и две субъединицы снова разделяются. Эти субъединицы могут снова быть 8 использованы для синтеза другого белка по другой молекуле мРНК. Обычно одна молекула мРНК читается сразу несколькими рибосомами, двигающимися вдоль мРНК друг за другом. Этот динамическая модель одной мРНК с несколькими рибосомами называется полирибосомой [1]. Трансляция Инициация (Стадия 1) Трансляция в эукариотических клетках и у бактериях в общем схожи, но имеют разные механизмы начала синтеза [4]. Для начала белкового синтеза в бактериях нужны 30S и 50S рибосомные единицы, молекула тРНК, мРНК, аминоацилированная N-формилметионином - fMet-tRNAfMet, три белка, называемые факторами инициации, гуанозинтрифосфат (ГТФ), Mg2+. В процессе работы рибосомы тратится энергия гидролиза гуанозинтрифосфата (Рисунок 3). Рис 3. Структура гуанозинтрифосфата. 9 Комплекс 30S субъединицы с факторами инициации, нужен для распознания участков слияния рибосом (сайтов), которые содержат заводящий кодон AUG, и специальную последовательность ШайнаДальгарно, которая нужна для отличия AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин [2]. В результате инициации получается 70S рибосома - инициирующий комплекс, содержащий мРНК и fMet-tRNAfMet, связанную с Pучастком рибосомы. Комплекс уже готов к следующей ступени. В эукариотических клетках есть как минимум девять факторов инициации. Инициирующий кодон AUG распознается не последовательностью Шайна-Дальгарно, а сканированием мРНК с 5конца до первого AUG и соответствующим расположением рамки считывания [1]. Элонгация Стадии элонгации нужен комплекс инициации, аминоацил-тРНК, растворимые цитозольные белки и гуанозинтрифосфат (ГТФ) [1]. Синтез происходит на рибосоме. В полипептидную цепь ступенчато добавляются аминокислотные остатки; так и осуществляется элонгация (удлинение) пептида. Каждый новый аминокислотный остаток плюсуется к карбоксильному концу (С-концу) пептида, а это значит, что С-конец пептида является растущим [3]. Добавление одного аминокислотного остатка соответствует прочтению одного нуклеотидного триплета [2]. Элонгация проходит в три этапа, которые работают по кругу, пока есть остатки аминокислот для присоединения. На первом шаге аминоацил-тРНК молекула, с аминокислотой крепится к А-сайту рибосомы, а "отработавшая" тРНК высвобождается с Е-сайта. Во втором шаге синтезируется новая пептидная связь под действием фермента пептидилтрансферазы [10]. На третьей ступени происходит транслокация: большая субъединица занимает ячейку относительно малой субъединицы, оставляя две тРНК в гибридных сайтах: в Р-сайте на большой субъединице и Асайте на малой для одной тРНК и в E-сайте на большой субъединице и Р-сайте на малой для другой. Затем малая субъединица 10 транспортируется вместе с мРНК на три нуклеотида, освобождая Асайт для следующей тРНК и круг повторяется снова [1]. Молекула мРНК транслируется с 5'-конца к 3'-третьему, а синтез протеина начинается с N-конца. С началом каждого цикла аминокислота крепится к C-концу полипептидной цепи [1]. рис. 4 Элонгация Терминация Элонгация подходит к концу тогда, когда рибосома присоединяет последнюю аминокислоту [11]. Терминация начинается при наличии одного из трех терминаторных кодонов в мРНК (UAA, UAG, UGA), которые идут сразу за последней аминокислотой. Синтез полипептида прекращается, когда рибосома достигнет терминирующего кодона мРНК [1]. В бактериях, если терминаторный кодон имеет место быть в А-сайте рибосомы, в процесс вступают три фактора терминации, которые 11 участвуют в гидролизе пептидил-тРНК связи; освобождении полипептида и последней, уже ненагруженной тРНК из Р-сайта; диссоциации 70S рибосомы на 30S и 50S субъединицы, готовых начать новый цикл синтеза белка [3]. Значит, что каждая рибосома проходит полный цикл трансляции, включающий инициацию, элонгацию и терминацию; в результате такого эпицикла прочитывается вся кодирующая последовательность мРНК и достраивается законченная полипептидная цепь белка. После этого рибосома может повторить цикл с другой цепью мРНК или другой кодирующей последовательностью той же цепи [3]. Сворачивание и транспорт белков Рис. 5 сворачивание белка. Построение аминокислотной последовательности еще далеко не последний шаг в экспрессии генов. Чтобы принести пользу клетке, с новым пептидом должен случиться процессинг [2]. 12 Процессинг заключается в сворачивании в трехмерную конформацию, присоединение молекул, которые необходимы для его активности и модифицироваться под действием протеинов и других веществ [2]. Так−же он должен правильно скрепиться с другими частями белка, с которыми он функционирует. Информация, которая нужна для этих процессов находится в последовательности связанных аминокислот, которые синтезирует рибосома, когда транслирует мРНК в полипептидную цепь [3]. Скручивание протеина в компактную структуру, провоцирует гидрофобные звенья обращаться внутрь глобулы. Происходит синтез большей часть нековалентных отношений между различными участками молекул. Конечной стадией этих взаимодействий, которые определяют свернутую структуру полипептиндой цепи, является конформация с самой низкой энергией.Не только для конформации аминокислотная последовательность индивидуального протеина была выбрана случайным образом, но так−же и для быстрого свертывания [3]. Для некоторых белков процесс сворачивания начинается с N-конца, сразу после выхода полипептида из рибосомы. И через несколько секунд формируется компактная фигура содержащая вторичную структуру в виде спиралей и листов. Это означает то, что протеин покинул рибосому. Существует такой класс белков−шапероны. Их особенность заключается в том, что такие белки не сворачиваются во время синтеза. Слияние с шаперонами обеспечивает правильное сворачивание белка в нативную конформацию [8]. Внутриклеточная сортировка белков В составляющие эукариотической клетки входят многие структуры, органеллы, отсеки с определенными функциями, которым необходим нужный набор белков. А синтезируются эти белки в цитозоле. Белки нужные для интеграции в плазматическую мембрану, секреции, и включения в лизосомы, обычно проходят несколько ступеней внутриклеточной сортировки [7]. Отдельный механизм используют белки для митохондрий, пластид и ядра. Белки, предназначенные для цитозоля, остаются там−же, где и были синтезированы. Главным элементом в процессе сортировки белков, является короткая последовательность аминокислот 13 сигнальная последовательность белка. Ее функция заключается в направлении белка на отведенное ему место и удаляется во время транспорта или по прибытию белка в конечный пункт [7]. В первую очередь идёт образование сигнальных лидеров, расположенных на N-концах. Всё это происходит в процессе синтеза белка. Определение таких лидеров осуществляется особыми рецепторными участками на внешней поверхности эндоплазматического ретикулума. Это происходит даже раньше, чем рибосома полностью закончит синтез белка [5]. Происходит транспортировка жирорастворимой части лидирующей последовательности сквозь мембрану внутрь цистерн эндоплазматического ретикулума. Она протаскивает за собой растущую полипептидную цепь. Лидер отцепляется внутри цистерн под действием особой пептидазы, и белок курсирует в аппарат Гольджи, и в виде секреторного пузырька удаляется из клетки [2]. Заключение Белок – неотъемлемая составляющая основа любого живого организма. Нарушение этой основы может вызвать его тотальное разрушение [1]. Необходимость постоянного получения белковой пищи живыми организмами, вызвано наличием у белка определенных функций, которые необходимы этому организму для его развития, размножения, и осуществления жизнедеятельности [1]. В сухой массе органических соединений животной клетки 50% приходится на долю белка. В основе важнейших процессов жизнедеятельности организма лежит как раз функционирование белка [1]. Обмен веществ, сокращение мышц, работа нервной системы и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов – высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Структурыне белки входят в состав костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований. Они же формируют остов клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.). Расхождение хромосом при делении клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека осуществляются по единому механизму при посредстве белков сократительной системы. Важную 14 группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белка, и нуклеиновых кислот [1]. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде. Особую группу составляют мембранные (амфипатические) белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных (липофильных) участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно из липофильных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны – из гидрофильных [3]. Биохимический синтез белка в промышленных целях необходимо важен для человечества, это позволяет создавать искусственные препараты, продукты питания и средства индивидуальной защиты [3]. 15 Список литературы 1) Дроздов, А.Л. Биология для физиков и химиков / А.Л. Дроздов. Владивосток: Изд-во Дальневосточного. ун-та, 2005. - 414 с. 2) Спирин А.С. Молекулярная биология : рибосомы и биосинтез белка : учебник для студ. высш. проф. образования / А. С. Спирин. - М. : Издательский центр «Академия», 2011. - 496 с., [16] с. цв. ил. 3) .Alberts, B., Wilson, J. and Hunt, T. (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. 4) Ратнер В. А.Генетический код как система -- Соросовский образовательный журнал, 2000, 6, № 3, с.17-22. 5) Alberts, B., Wilson, J. and Hunt, T. (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. 6) Спирин А. С.Принципы структуры рибосом. Соросовский образовательный журнал, 1998, 4, № 11, с. 65-70. 7) Химическая энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия. Под ред. И. Л. Кнунянца. 1988 8) Родман Л.С. Исследование белков / Родман Л.С. - М.: Колос, 2001. - 340с. 9) Служинская З.А. Функции белков в организме / Служинская З.А., Калынюк П.П. - Львов, 2002. - 278с. 10) Робертис Э. Строение и свойства белков / Робертис Э., Новинский В., Саза Ф. - М.: Мир, 2003. - 305с. 11) Огнев С.И. Аминокислоты, пептиды и белки / Огнев С.И. - М.: Высшая школа, 2005. - 365с. 16