Биосинтез белка (транскрипция и трансляция)

1.

Рабочая программа дисциплины
«Общая биология»
19.03.01 Биотехнология
Биосинтез белка
(транскрипция и трансляция)
Лекцию подготовила: к.ф.н., доцент каф.
фармацевтического естествознания
Простодушева Т.В
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

2.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
Биосинтеза белка - это реализация
генетической информации
Состоит из процессов :
1. транскрипция (идет в кариоплазме ;переписывание с ДНК → и -РНК)
2. трансляция (идет в цитоплазме на рибосомах; перевод
последовательности кодонов м- РНК в аминокислотную
последовательность полипептида белка)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

3.

ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция - синтез всех типов РНК на
участках ДНК, используемых в качестве матрицы,
осуществляемый ферментом РНК-полимеразой
Смысл транскрипции заключается в переносе
генетической информации с ДНК на РНК.
Транскрипция
является
первой
стадией
экспрессии генетического материала в клетках всех
организмов. Именно на уровне транскрипции
действуют основные механизмы генетической
регуляции.
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

4.

Транскриптон - участок молекулы ДНК,
структурно-функциональный эквивалент гена,
на котором происходят транскрипционные
процессы
Ген - это совокупность структурных и
регуляторных полинуклеотидных
последовательностей ДНК (промотора и
терминатора - трейлера)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

5.

Регуляторные последовательности гена
Регуляторные последовательности гена - это промотор и терминатор;
они контролируют инициацию, скорость окончания транскрипции
Промотор - регуляторный участок молекулы ДНК (протяженностью несколько
десятков нуклеотидов), локализованный на 5' -конце гена и содержащий
высококонсервативную последовательность нуклеотидов
Состоит из двух частей:
1. Участок связывания сигмы субъединицы РНК - полимеразы (консенсусная
последовательность у эукариот):
• ТАТА‐бокс (‐25 п.н.) (блок Хогнесса)
• ЦААТ‐боксы (‐ 50/‐150 п.н.)
• ГЦ‐мотивы (‐300 п.н.)
2. Участок связывания регуляторного белка
Между этими двумя сайтами расстояние около 20 пар нуклеотидов
Он служит для узнавания и связывания с РНК - полимеразой
Терминатор - регуляторный участок молекулы ДНК , локализованный на 3' конце гена и содержащий последовательность нуклеотидов,
сигнализирующих об окончании синтеза РНК
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

6.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

7.

Строение оперона ( группа
структурных генов у прокариот)
Оперон- это группа структурных генов
Начиная с 5’ конца, по направлению к 3’ концу располагаются –
активатор, промотор и оператор- регуляторная область оперона
К промотору присоединяется РНК -полимераза
Активатор и оператор регулируют активность нескольких структурных
генов
Консенсусная последовательность
- это последовательность
нуклеотидов на промоторе для соединения с сигмой субъединицей
холофермента РНК – полимеразы у прокариот
• ‐10 последовательность ‐ ТАТААТ (блок Прибнова)
• ‐35 последовательность ‐ ТТГАЦА
• Стартовая точка (+1) – нуклеотид, с которого начинается синтез РНК
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

8.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

9.

Ген состоит из двух цепей ДНК:
- одна транскрибируется и называется
(кодирующей) цепью
- вторая комплементарная - смысловая
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология
кодогенной

10.

ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНСКРИПЦИИ
1. ДНК-зависимые РНК - полимеразы
2. Рибонуклеозидтрифосфаты
3. Энергия (АТФ или ГТФ)
4. Специфические белки - факторы транскрипции
(транс‐факторы)
5. Регуляторные последовательности ДНК - промоторы,
энхансеры (усиливают транскрипцию) и сайленсеры
(снижают транскрипцию)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

11.

РНК РНК- ПОЛИМЕРАЗЫ ЭУКАРИОТ(РНКП)
РНК-полимеразы
эукариот
имеют
большую
молекулярную
массу
и
представляют
собой
комплекс
мультимерных белков
От 14 до 17 субъединиц в зависимости от
типа полимеразы.
Синтез РНК осуществляют три
ядерные РНК- полимеразы
• РНК‐полимераза I – синтез р - РНК
• РНК‐полимераза II – синтез (м –
РНК) или и РНК
• РНК‐полимераза III – синтез т - РНК
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

12.

Формы РНКП
• 1. Кор - фермент (core-сердцевина) РНК-полимераза у
прокариот :состоит из пяти субъединиц: двух α, β, β′ и ω.(
клешня краба)
Между β′ и β-субъединицами находится главный канал РНКП, в
котором происходит связывание ДНК и РНК в процессе
транскрипции
• 2. Холофермент РНК – полимераза : состоит из шести
субъединиц: кор-фермента и σ-субъединицы
σ-субъединица играет центральную роль в узнавании промоторов,
плавлении ДНК и последующем уходе РНКП с промотора
Тип сигмы субъединицы определяет формы холоферментов (чаще
встречается сигма с мол. массой 70000)
• .
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

13.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

14.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

15.

ОСНОВЫ ТРАНСКРИПЦИИ
1. Транскрибируется только одна нить в молекуле ДНК (участок транскриптон) - матрица (3'----5')
2. Синтез цепи РНК идет в направлении 5'---- 3'
3. РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно
транскрибируемой нити ДНК
4. В связанном с ДНК состоянии постоянно находится не более 9-10
нуклеотидов
5. В ДНК в расплетенном состоянии постоянно находится не более
18-20 нуклеотидов
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

16.

ЭТАПЫ ТРАНСКРИПЦИИ
1. Инициация (происходит связывание РНК- полимеразы с промотором
и образование первой межнуклеотидной связи фосфодиэфирной между
двумя рибонуклеотидами)
2. Элонгация – последовательное удлинение растущей цепи РНК
3. Терминация - конец транскрипции в зоне терминатора
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

17.

СТАДИИ ИНИЦИАЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ
• Образованием
«закрытого
комплекса»
(связывание
холофермента РНК-полимеразы через сигму субъединицу с
консенсуснусной последовательностью промотора (‐ ТАТААТ
блок - у прокариот или ТАТА‐бокс у эукариот).
• Образования
«открытого
двойного»
комплекса
(с
расплетением участка ДНК -плавление)
• Образования «открытого тройного» комплекса (абортивный
синтез коротких РНК длиной 2-9 нуклеотидов , которые
диссоциируют из комплекса. Этот процесс сопровождается
накоплением напряжения в инициаторном комплексе.
После синтеза фрагмента РНК (9‐12 нуклеотидов) идет
диссоциация σ‐фактор покидает промотор и начинается стадия
элонгации
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

18.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

19.

ЭЛОНГАЦИЯ
• РНК-полимераза переводит ДНК из В-формы в А-форму
• РНКП осуществляет поэтапное присоединение
рибонуклеозидмонофосфатов к 3‘ - концу цепи , комплементарных
матричной цепи ДНК
• Комплекс РНКП с ДНК и синтезируемой РНК называется
элонгационный комплекс (ЭК)
• При движении РНК-полимеразы впереди нее цепочки ДНК
расходятся, а сзади «сшиваются» с помощью ферментов
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

20.

ТЕРМИНАЦИЯ
• Терминация процесса транскрипции происходит в участке терминаторе, который распознается РНК-полимеразой
благодаря специальным белковым факторам терминации
Основные процессы:
- останавливается синтез РНК
- цепь РНК освобождается от ДНК
- РНК-полимераза освобождается от ДНК
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

21.

Механизм терминации у бактерий (Е.coli)
В оперонах выделяют два типа терминаторов:
• - ρ (ро) - независимые терминаторы (I типа) ρ‐независимая
терминация
• - ρ - зависимые терминаторы (II типа)связан с белковым
фактором ρ ( ρ‐зависимая терминация)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

22.

После
прохождения
терминатора молекула РНК
образует шпильку, которая
приводит
к
остановке
транскрипции и отсоединению
РНК-матрицы от ДНК;
ρ-независимые
терминаторы состоят из
последовательностей,
представляющих
собой
инвертированный повтор –
палиндром(последовательнос
ти,
которые
читаются
одинаково слева направо и
справа налево) ρ-независимых
терминаторов
содержат
большое
количество
Г-Цповторов
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

23.

ρ-белок присоединяется к
определенным участкам
синтезируемой РНК и с затратой
энергии АТФ способствует
диссоциации гибрида РНК с
матричной нитью ДНК
(дестабилизирует водородные связи
между матрицей ДНК и м РНК,
высвобождая молекулу РНК)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

24.

ТЕРМИНАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ У ЭУКАРИОТ
Завершается разрезанием РНК, после чего к её 3' концу
фермент добавляет несколько аденинов (…АААА), от
числа которых зависит стабильность данного транскрипта
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

25.

РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ У ПРОКАРИОТ
Контроль многоуровневой:
1) Наличие промоторов с различными последовательностями
нуклеотидов
2) Специализированные белки-активаторы транскрипции (у
Е.соli белок CRP при отсутствии глюкозы в среде роста
усиливает транскрипцию генов)
3) Белки-репрессоры, блокирующие синтез РНК
специфических белков (Lac-блокирует транскрипцию генов
ферментов, участвующих в метаболизме лактозы)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

26.

РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ У ПРОКАРИОТ
(ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

27.

Регуляция транскрипции у эукариот
• Наличие дистальных регуляторных последовательностей,
расположенных на расстоянии тысяч пар от промотора
• Энхансеры- регуляторные последовательности, расположенные на
расстоянии тысяч пар от промотора - активируют и ускоряют
транскрипцию
• Сайленсоры - регуляторные последовательности, расположенные на
расстоянии тысяч пар от промотора, которые блокируют и тормозят
транскрипцию
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

28.

Процессинг (превращение и РНК в м -РНК)
Этап формирования функционально активных зрелых молекул мРНК из первоначальных
транскриптов - иРНК, сопровождающийся посттранскрипционными модификациями
Этапы процессинга:
- сплайсинг – это вырезание интронов и сшивание экзонов
(экзоны могут соединяться по-разному; таким образом из одного транскрипта
могут образовываться разные м РНК (альтернативный сплайсинг)
- кэпирование- защита 5'-конца м-РНК ( за счет присоединения к нему 7метилгуанозинтрифосфата в противоположном направлении)
-полиаденилирование - защита 3'-конца м-РНК от ферментативного распада
путем присоединения цепочки из 100-200 нуклеотидов А( поли-А "хвост")
(содержащих аденин)
Кэп образуется сразу после высвобождения из РНК-полимеразы 5'-конца
синтезируемой РНК, а поли-А образуется сразу после терминации транскрипции
-метилирование - изменение первых нуклеотидов транскрипта
Завершается процессиг соединением м РНК со специфическими белками и
выходом в цитоплазму через ядерные поры
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

29.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

30.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

31.

Сплайсинг представляет собой
вырезание интронов и
соединение экзонов
Экзоны могут соединяться поразному
Таким образом из одного
транскрипта могут
образовываться разные мРНК
(альтернативный сплайсинг)
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

32.

ТРАНСЛЯЦИЯ
Трансляция – процесс перевода линейной последовательности
нуклеотидов зрелой мРНК, в аминокислотную последовательность
полипептидной молекулы белка первичной структуры
Этапы трансляции:
1. инициация - соединение субъединиц рибосомы – рибосома становится
функционально активной)
2. элонгация – удлинение образующейся полипептидной молекулы белка
3. терминация – разъединение м РНК матрицы и образованной молекулы
белка
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

33.

КОМПОНЕНТЫ ТРАНСЛЯЦИИ
1) м РНК — матрица
2) аминокислоты (субстраты)
3) т РНК (акцептры и адапторы аминокислот)
4) аминоацил –т РНК синтетазы, катализирующие
связывание аминокислот с соответствующими т РНК
5) рибосомы — субклеточные структуры, с помощью
которых происходит сборка аминокислот в
полипептидные цепи
6) источники энергии АТФ
7) Mg 2+ — кофактор, стабилизирующий структуру
рибосом
8) внерибосомные белки - факторы инициации, элонгации
и терминации, облегчающие и ускоряющие процесс
трансляции
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

34.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

35.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

36.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

37.

ИНИЦИАЦИЯ(ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОВ)
1) выход мРНК из ядра и присоединение к малой субъединице рибосомы
в области «кэпа» в присутствии ионов Mg 2+
2) активация аминокислоты (АК) метионин и присоединение ее к т РНК с
использованием энергии АТФ и фермента аминоацил-т РНК синтетазы
3) инициаторная аминоацил т РНК метионин («нагруженная» т РНК) идет
в П-центр рибосомы и спаривается своим антикодоном с кодоном АУГ м
РНК по правилу комплементарности между азотистыми основаниями,
образуется инициаторный комплекс, который связывает большую
субъединицу рибосомы с малой субъединицей
4) формируется полная 80 S рибосома с двумя активными центрами: Рцентром (пептидильным), и А-центром аминоацильным), в область
которого попадает первый смысловой кодон мРНК (инициаторный
комплекс). Факторы инициации удаляются
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

38.

Активация АК в цитоплазме
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

39.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

40.

Результат инициации
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

41.

ЭЛОНГАЦИЯ
1. Связывание тРНК в А-центре: новая т РНК с новой АК идет в А центр
рибосомы и соединяется своим антикодоном с кодоном м РНК при участии
фактора элонгации и энергии АТФ
2. Образование пептидной связи: Между α-NH2-группой аминокислоты,
находящейся в А центре в составе комплекса амоноацилаа-тРНК (аа-тРНК), и
карбоксильной группой метионина (аа-тРНК) в П центре, образуется
пептидная связь.
Катализирует реакцию пептидилтрансфераза. В А центре рибосомы
образуется дипептид.
3. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один кодон.
Рибосома продвигает ся по мРНК на один кодон в направлении от 5'- к 3'концу с использованием энергии и при участии фактора элонгации
В результате дипептид тРНК из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре
оказывается следующий кодон м РНК; освободившаяся от метионина тРНК
теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль.
Рост полипептидной цепи белка продолжается за счет многократного
повторения стадий 1→ 2 →3.
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

42.

Трансляция
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

43.

ТЕРМИНАЦИЯ
• Сигналом окончания синтеза полипептидной цепи молекулы белка
является стоп - кодон в м РНК (УАА,УАГ,УГА), который попадает в Ацентр рибосомы
• Синтезированный пептид высвобождается из комплекса с помощью
белковых факторов терминации, которые узнают стоп - кодоны
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

44.

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ БЕЛКОВ
1. Фолдинг : образование 2-ой; 3-ой и 4-ой структуры белка
2. Модификация N – конца и C – конца. Первый аминокислотный
остаток во всех полипептидах – N формилметионин (у бактерий) или
метионин (у эукариот) может удаляться ферментативным путем (Nацилирование).
3. Образование дисульфидных связей между остатками цистеина
(инсулин, иммуноглобулин, рибонуклеазы и др.);
4. Присоединение простетической группы, обеспечивающее
образование сложных белков и т.д.
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

45.

ОТЛИЧИЕ ПРОЦЕССА ТРАНСЛЯЦИИ У ПРО‐ И
ЭУКАРИОТ
• Прокариоты:
- процессы транскрипции и трансляции сопряжены
- синтез всех типов РНК осуществляет один фермент-РНКполимераза
- нет процессинга
• Эукариоты
- процессы транскрипции и трансляции разобщены; синтез
РНК-в ядре, белка-в цитоплазме
- синтез РНК осуществляют три ядерные РНК- полимеразы
• РНК‐полимераза I – синтез р РНК
• РНК‐полимераза II – синтез м РНК
• РНК‐полимераза III – синтез т РНК
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

46.

" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология

47.

• Спасибо за внимание!
" Общая биология" 19.03.01
Биотехнология