Биосинтез белка

Тяжелые легкие ДНК

Цепи цепи тяжелая

Плотность высокая

Плотность средняя

Плотность низкая

Рующие кодоны

Сокращения:

стоп - кодон окончания синтеза

1. Ала - L-Аланин 11. Тре - L-Треонин У-урацил

2. Вал - L-Валин 12. Цис - L-Цистеин Ц-цитозин

3. Лей - L-Лейцин 13. Тир - L-Тирозин А-аденин

4. Иле - L-Изолейцин 14. Асн - L-Аспаргин Г-гуанин

5. Мет - L-Метионин 15. Глн - L-Глутамин

6. Про - L-Пролин 16. Асп - L-Аспаргиновая кислота

7. Фен - L-Фенилаланин 17. Глу - L-Глутаминовая кислота

8. Трп - L-Триптофан 18. Лиз - L-Лизин

9. Гли - L-Глицин 19. Арг - L-Аргинин

10. Сер - L-Серин. 20. Гис - L-Гистидин

Способ удвоения ДНК, описанный Уотсоном и Криком, известен под названием полуконсервативной репликации. Каждая дочерняя двойная спираль имеет 1 старую (консервативную) цепь материнской молекулы и 1 новую цепь. Полуконсервативный характер репликации ДНК доказан в опытах Меселсона и Сталя в серии изящных экспериментов в 1958 году.

Кишечные палочки выращивали на питательной среде с тяжелым изотопом азота N₁₅ в течение многих поколений. Затем микробные клетки с тяжелой ДНК переносили на питательную среду с обычным азотом N₁₄. Через 50 минут (время, соответствующее появлению нового поколения кишечных палочек при 36 С) брали пробы клеток и центрифугировали 20 часов при 40000 g в растворе (CsCl) с градиентом плотности (чем глубже, тем выше плотность раствора). ДНК кишечных палочек погружались на такую глубину, которая соответствовала их плотности, т.е., чем тяжелее была молекула, тем глубже она погружалась. Когда центрифужную пробирку исследовали в ультрафиолетовых лучах, слой ДНК имел вид узкой полосы.

Сравнили глубину этих полос при исследовании тяжелой материнской культуры (N₁₅), легкой обычной культуры (N₁₄) и пересаженной с тяжелого азота на обычный (N₁₅+N₁₄).

Если бы репликация ДНК имела полуконсервативный характер, то пересаженная культура давала бы полоску полутяжелой ДНК глубже легкой и выше тяжелой (рис. 1). Так и случилось. Исследования ДНК следующих поколений кишечной палочки дали еще более убедительное доказательство полуконсервативного характера репликации ДНК и справедливость гипотезы Уотсона и Крика.

Рисунок 1. Результаты экспериментов Меселсона и Сталя по изучению репликации ДНК

N₁₅ N₁₄ N_(14=15)

│ │ │ │ │ │

│ │ │ │ │ │

│ │ │ │ │ │

│ │ │ │ │ │

│ │ ╞═════╡ │ │

│─ ─ ─│─ ─ │─ ─ ─│─ ─ ╞═════╡

╞═════╡ │ │ │ │

└─────┘ └─────┘ └─────┘

обе обе полу-

Принцип комплементарного спаривания азотистых оснований нуклеотидов лежит в основе реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка.

Главные условия для биосинтеза белка похожи на условия репликации ДНК.

1. Наличие исходной матрицы – участка молекулы ДНК- гена. Ген имеет строго определенную последовательность нуклеотидов, а значит определяет точную последовательность аминокислот в полипептидной цепочке собираемого белка.

2. Наличие строительного материала. Строительным сырьем для РНК являются отдельные рибонуклеотиды с азотистыми основаниями: аденин, гуанин, цитозин, урацил.

3. Наличие энергии АТФ.

4. Наличие ферментов (например, РНК-полимеразы).

5. Наличие места для синтеза. Местом первого этапа биосинтеза белка является ядро эукариотической клетки или цитоплазма (прокариоты), а второй этап протекает на рибосомах гранулярной эндоплазматической сети.

Последовательность событий при биосинтезе белка.

Условно выделяют главных 2 этапа этого процесса, но между ними происходит процессинг - "созревание" и-РНК.

1. Транскрипция. Дословно "транскрипция" переводится, как "переписывание". На первом этапе происходит синтез и-РНК из свободных рибонуклетидов. Лучше называть первый этап синтезом и-РНК.

- Расхождение нитей двойной спирали ДНК, как испорченной застежки - молнии ("старые" водородные связи между комплементарно спаренными азотистыми основаниями параллельных цепочек Формируется «репликационный глазок» - ДНК разрываются не с конца молекулы а с любого участка, при этом, впереди и позади разрыва по цепочке ДНК эти водородные связи сохраняются).

- Свободные рибонуклеотиды комплементарно спариваются с освободившимися на ДНК азотистыми основаниями нуклеотидов "новыми" водородными связями.

- Фермент РНК-полимераза сшивает рибонуклеотиды ("наживленные" водородными связями) в цепочку и-РНК прочными ковалентными связями.

- Новая и-РНК отходит от участка ДНК (цепочки ДНК восстанавливают "старые" водородные связи).

В результате процессинга из и-РНК вырезаются "технологические" участки нуклеотидов, не содержащие информацию о строении синтезируемого белка (интроны). Далее происходит сшивание (сплайсинг), оставшихся после вырезания участков и-РНК, содержащих информацию о синтезируемом белке (экзонов) и формирование зрелой м-РНК.

2. Трансляция. Трансляция - процесс сборки молекул белка из аминокислот. Это перевод информации с "языка" нуклеиновых кислот на "язык" белков.

- К рибосомам с помощью т-РНК транспортируются аминокислоты, фиксированные на "черешке клеверного листа" т-РНК.

- Антикодоны т-РНК комплементарно взаимодействуют с триплетными кодонами и-РНК и образуют водородные связи.

- В начале процесса трансляции с рибосомальным активным центром связывается инициирующая и-РНК. У эукариот инициирующий кодон всех и-РНК всегда кодирует аминокислоту метионин (стартовый кодон АУГ).

- Две соседние молекулы т-РНК, связавшиеся на рибосоме с и-РНК, создают условия для образования пептидной связи между аминокислотами, фиксированными на их "черешках".

- После образования пептидной связи первая т-РНК, "отпускает" свою аминокислоту, а сама разрывает водородные связи и уходит с рибосомы в цитоплазму на "охоту" за новой аминокислотой. Вторая т-РНК (с двумя аминокислотами), спаренная с и-РНК, смещается на место первой в рибосоме.

- Следующая т-РНК с третьей аминокислотой образует комплементарные водородные связи с третьим кодоном и-РНК, создавая условия для пептидной связи между второй и третьей аминокислотой, процесс повторяется и полипептидная цепочка растет.

- Рост полипептидной цепочки продолжается до терминирующего стоп-кодона и-РНК, после которого новый белок покидает рибосому.

- Молекула и-РНК связывается сразу с несколькими рибосомами, формируя полирибосому. Это позволяет синтезировать одновременно несколько одинаковых молекул белка.

После трансляции первичные структуры новых молекул белка связываются с особыми ферментативными комплексами - шаперонами или фолдазами. В них происходит преобразование пространственного (трехмерного) строения новых белков. Этот процесс окончательного формирования рабочих структур называется фолдинг.

Т. о., с помощью генетического кода ДНК можно записать любую последовательность аминокислот и синтезировать любой белок.

ДНК хранит информацию и о молекулах небелковой природы (нуклеотиды, фосфолипиды, углеводы, пигменты и т.д.). Чтобы инициировать любую биохимическую реакцию надо обеспечить ее ферментативным аппаратом. Чтобы получить небелковое соединение (например, пигмент), надо сделать белок-фермент-катализатор для его синтеза. И в этом случае ключевым молекулярным механизмом является принцип комплементарного спаривания азотистых оснований нуклеотидов.