Генетический код и синтез белка. Реферат на тему генетический код и синтез белка работу студентка гр. Бт191б Семёнова Ксения Геннадьевна
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТКАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИЯ . РЕФЕРАТ на тему ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И СИНТЕЗ БЕЛКА Работу выполнила: студентка гр. БТ-19-1б Семёнова Ксения Геннадьевна Научный руководитель: Ходяшев Николай Борисович Пермь 2020г.Оглавление ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 1 Пермь 2020г. 1 Введение 4 1.иРНК и генетический код 5 1.1.Открытие мРНК 5 1.2.Расшифровка кода 5 1.3.Транскрипция 6 2.тРНК и Аминоацил-тРНК-синтетазы 7 3.Рибосомы и трансляция 8 3.1.Локализация рибосом в клетке 8 3.2.Прокариотический и эукариотический типы рибосом 8 3.3.Считывание мРНК рибосомами 9 3.4.Стадии трансляции 9 3.5.Бесклеточные системы трансляции 9 4.Химические реакции и общий энергетический баланс биосинтеза белка 10 Заключение 11 Литература 12 Введение 3 1. иРНК и генетический код 4 1.1. Открытие мРНК 4 1.2. Расшифровка кода 4 1.3. Транскрипция 5 2. тРНК и Аминоацил-тРНК-синтетазы 6 3. Рибосомы и трансляция 7 3.1. Локализация рибосом в клетке 7 3.2. Прокариотический и эукариотический типы рибосом 7 3.3. Считывание мРНК рибосомами 8 3.4. Стадии трансляции 8 3.5. Бесклеточные системы трансляции 8 4. Химические реакции и общий энергетический баланс биосинтеза белка 9 Заключение 10 Литература 11 ВведениеБиосинтез белка – одна из важнейших реакций пластического обмена. Клетки всех живых организмов могут синтезировать белок. В клетке содержится несколько тысяч различных белков. В каждом виде клеток есть специфические белки, характерные только им. Способность их синтезировать, присуща каждому организму, передается по наследству и сохраняется на протяжении всей жизни. Что такое биосинтез белка? Биосинтез белка – процесс синтеза белковой макромолекулы, состоящий из нескольких стадий, и дальнейшего формирования белка, происходящий в живых организмах. Очевидно, что для данного процесса нужны большие затраты энергии. Какова роль синтеза белка? Он обеспечивает клетки живых организмов «строительным материалом», биологическими катализаторами (ферментами), регуляторами и «средствами защиты организма». Ведь значение белков трудно переоценить. Рассмотрим процесс биосинтеза белков подробнее. иРНК и генетический кодОткрытие мРНК В 40-е – 50-е гг. 20 века после открытия и окончательного признания генетической роли ДНК стало понятно, что данная нуклеиновая кислота не является непосредственной матрицей для синтеза полипептидных цепей белков. В то же время исследования в области изучения РНК наталкивали на мысль о том, что именно она принимает участие в синтезе белка. Отсюда было сделано заключение о существовании в клетках особой небольшой фракции РНК, состав которой повторяет состав ДНК и которая могла бы служить посредником между генами и белоксинтезирующими частицами. Через несколько лет эта фракция была вычленена из общей массы РНК, и ее функция продемонстрирована в экспериментах С. Бреннера, Ф. Жакоба и М. Меселсона. Название РНК-посредник или информационная РНК было принято во всех последующих исследованиях. [6] Расшифровка кода В природе имеется 20 аминокислот, из которых состоят белки. В то же время нуклеиновые кислоты имеют в своем составе 4 вида нуклеотидных остатка, их азотистыми основаниями являются: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), урацил (U) (в РНК) или тимин (Т) (в ДНК). [5] Поскольку один или же два нуклеотида не могут закодировать одну аминокислоту, то приходят к выводу, что минимальное количество остатков в нуклеотидной комбинации должно равняться трем. Другими словами, аминокислоты кодируются нуклеотидными триплетами. Общее количество возможных триплетов составляет 64, что с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот. Выделяют ряд особенностей генетического кода: - в коде отсутствуют знаки препинания, т. е. сигналы, которые показывают конец одного кодона и начало следующего. - 3 из 64 возможных нуклеотидных триплетов (UAG, UAA, UGA) не кодируют ни одну из известных аминокислот. Это нонсенс-кодоны, которые сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи. - широко распространено мнение о том, что генетический код универсален, однако этому противоречат некоторые факты. Сравнительно недавно было обнаружено, что в процессе синтеза белка митохондриями в присутствии рибосом, тРНК и мРНК ряд аминокислотных кодонов используется не в соответствии с их значением по стандартному кодовому «словарю» (рис. 1). [3]  Рис. 1. Кодовый «словарь». - наиболее удивительное свойство – это вырожденность (аминокислоте может соответствовать больше чем один кодон). Так, например, лейцину и серину соответствует по шесть кодонов. - генетический код не перекрывается. Один нуклеотид не может входить в состав нескольких кодонов в цепи мРНК.[4] Транскрипция Транскрипция – процесс синтеза мРНК. Он начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – промотора. Далее РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. На том месте, где цепи ДНК расходятся, на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. При этом соблюдается принцип комплементарности (A-U, G-C, C-G, T-A). РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5´-конца к 3´-концу, поэтому матрицей служит только одна из цепей ДНК (она обращена к ферменту своим 3´-концом). Такую цепь называют кодогенной. Таким образом, двигаясь по ней, РНК-полимераза проводит точное переписывание информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. Здесь РНК-полимераза отделяется от матрицы ДНК и вновь синтезированной мРНК. Образуется транскриптон – фрагмент молекулы ДНК, который включает промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор. [1] тРНК и Аминоацил-тРНК-синтетазыМолекулы тРНК представляют собой полинуклеотидные цепи, синтезируемые на определенных последовательностях ДНК. Состоят из небольшого количества нуклеотидов (75-95) и имеют структуру, напоминающую по форме лист клевера. В них можно выделить четыре главные части, которые выполняют различные функции. Акцепторный «стебель» образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Состоит из семи пар оснований. 3´-конец его несколько длиннее, именно к нему присоединяется транспортируемая аминокислота. Другие три ветви – это комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из них – антикодоновая – состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон (три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза белка). Остальные две боковые ветви содержат модифицированные основания – дигидроуридин (D-петля) и триплет TᴪC (ᴪ - псевдоуриаин). Большое структурное разнообразие тРНК объясняется тем, что в ее составе находятся необычные основания, возникающие вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Также существует несколько видов тРНК, способных присоединяться с одним и тем же кодоном. В результате в цитоплазме клеток встречается не 61, а около 40 различных молекул тРНК. Специфическое соединение тРНК со своей аминокислотой протекает в два этапа и приводит к образованию аминоацил-тРНК. Реакция первой стадии, катализируемая аминоацил-тРНК-синтетазой, это реакция активации аминокислоты. Она взаимодействует своей карбоксильной группой с АТФ, и образуется аденилированная аминокислота. Реакция второй стадии, катализируемая тем же ферментом, это реакция акцептирования аминокислоты. Продукт первой стадии взаимодействует с ОН-группой, находящейся на 3´-конце соответствующей тРНК, и аминокислота присоединяется к нему своей карбоксильной группой, высвобождая при этом АМФ. Этот процесс протекает с затратой энергии, получаемой при гидролизе АТФ до АМФ. [1] Рибосомы и трансляцияЛокализация рибосом в клетке Клетки, ведущие белковый синтез, наполнены рибосомами. Основная их масса сосредоточена в цитоплазме. Все рибосомы цитоплазматического матрикса образуются в ядрышке эукариотической клетки. Принято считать, что здесь они не активны. [2] Прокариотический и эукариотический типы рибосом
Считывание мРНК рибосомами В процессе синтеза белка рибосома связана с ограниченным отрезком матричного полинуклеотида (мРНК). Для того чтобы рибосома была способна считать всю кодирующую последовательность мРНК, она должны пройти последовательно матрицу, от 5´-концевой части кодирующей последовательности до ее 3´-концевой части. То есть рибосома работает как лентопротяжный механизм. [6] Стадии трансляции Инициация – комплекс событий, обеспечивающих процесс начала трансляции. Рибосома начинает читать мРНК с точки, в которой начинается ее кодирующая часть. Она удалена, иногда значительно, от начала полинуклеотидной цепи. Рибосома узнает эту точку, связывается с ней, и начинается трансляция. Элонгация – процесс собственно трансляции кодирующей части мРНК. После первой стадии рибосома переходит к последовательному прочтению кодонов мРНК по направлению к 3´-концу. Этот процесс предполагает последовательный синтез полипептидной цепи белка, который кодируется мРНК. Он происходит на рибосоме, когда каждый следующий аминокислотный остаток добавляется к полипептидной цепи. Это соответствует прочтению одного нуклеотидного триплета. Терминация. Синтез полипептида прекращается, когда рибосома сталкивается с терминирующим кодоном мРНК. Под действием специальных белков (факторов терминации) синтезированный полипептид освобождается из рибосомы. По окончании данного этапа трансляции рибосома может сойти с мРНК или же продолжить скользить вдоль нее, но, уже не транслируя. [4] Бесклеточные системы трансляции Синтез белка на рибосомах может быть произведен в искусственных условиях вне клетки. Бесклеточная система может быть составлена из рибосом, матричного полинуклеотида, набора аминоацил-тРНК, а также специальных белков (факторов трансляции) и ГТФ. Важное условие – ионная среда и надлежащая концентрация ионов магния. [6] Химические реакции и общий энергетический баланс биосинтеза белкаПри синтезе белка происходит три последовательные химические реакции. Первые две катализируются аминоацил-тРНК-синтетазами, третья – рибосомой.  В первой реакции карбоксил аминокислоты реагируют с полифосфатной группой АТФ, при этом пирофосфатный остаток замещается на аминоацильный и образует смешанный ангидрид. Во второй реакции тРНК замещает аденилатный остаток, образуется сложноэфирная связь между карбоксильной группой аминокислотного остатка и гидроксилом рибозы. Третья реакция – замещение остатка tRNA´ (тРНК) остатком аминоацил-тРНК, образуется амидная (пептидная) связь. Общий баланс реакции:  Энергетический баланс составляет около -120 кДж на 1 моль аминокислоты или -25000 кДж на 1 моль белка. Синтез белка сопровождается диссипацией большого количества свободной энергии. Интересно, что избыток энергии играет важную роль в функционировании белоксинтезирующей системы. Он необходим для обеспечения высоких скоростей и высокой надежности синтеза белка. [6] ЗаключениеВо всех живых организмах синтез белка происходит с помощью рибосом – крупных молекул, состоящих из рибонуклеиновых кислот и белков. ДНК задает порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка. Единую для всех живых организмов систему сохранения полной наследственной информации называют генетическим кодом. По своей структуре это определенная последовательность нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Отдельные участки двуцепочечной ДНК служат матрицей для синтеза на них цепи РНК (в соответствии с комплементарностью). Транскрипция – процесс их копирования. Он происходит благодаря особому ферменту – РНК-полимеразе. Именно полученная РНК (иРНК) поступает в рибосомы в качестве программы, в которую включена аминокислотная последовательность в синтезируемом белке. Кроме того, свободные аминокислоты не могут принимать участие в синтезе белка. Для этого они должны быть активированы (расщепление АТФ) и акцептированы тРНК с помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. В результате появляются аминоциал-тРНК, которые поступают в рибосому. Начинается процесс трансляции, когда генетическая информация с языка нуклеотидной последовательности иРНК переводится на язык аминокислотной последовательности. Так длится до тех пор, пока синтез нити аминокислотных остатков (собственно – белковой молекулы) не будет завершен. На заключительном этапе синтезированный белок приобретает свою пространственную структуру. ЛитератураБиология. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. для медиц. спец. Вузов / В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синелыцикова; Под ред. В.Н. Ярыгина. — 5-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.— 432 с.: ил. Высоцкая Р.У. Биологический синтез белка: учебное пособие / Р.У. Высоцкая, А.А. Егорова; Федеральное агентство по образова- нию, ГОУВПО «КГПА». – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 20 с.: ил. 10. Библиогр. 11 назв. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т.1 Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 367 с., ил. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т.3 Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 320 с., ил. Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии / ред. К. Уилсон и Дж. Уолкер ; пер. с англ. — 2-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 848 с. : ил., [4] с. цв. вкл. — (Методы в биологии). Спирин А. С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка: Учеб. Для студентов биол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 303 с.; ил. |