Молекулярна биология - пренос на генетичната информация (продължение)

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ
ЛЕКЦИЯ НА ТЕМА:
Пренос на генетичната информация
(продължение)
ДНК РНК Белтък
Д-р Цветослав Койнарски DVM, MSc, PhD

Рибозоми и състав на рибозомите
По същество рибозомите са клетъчните органели в които се срещат
кодоните на иРНК и антикодоните на тРНК носещи съответните
аминокиселини.В тези органели се изграждат специфичните полипептидни
вериги, кодирани от даден ген и пренесени от иРНК. Рибозомите са
жизненоважни органели, поради което при по-бързо растящите клетки,
тяхната маса е около 25% от общото тегло на клетката. Характерно за
рибозомите при прокариотите е тяхната възможност да се свързват с иРНК
още в процеса на транскрипция, докато при еукариотите, това ставя едва
след процесинга и експортирането на иРНК в цитоплазмата. Изграждането
на полипептидните вериги при бактериите е доста по-бързо (до 20 АК/sec) в
сравнение с еукариотите (до 4 АК/sec). Във всеки момент от синтезата на
белтък, една рибозома може да бъде ангажирана само с една иРНК и може
да синтезира само една полипептидна верига. След синтезирането на
съответната белтъчина и отделянето на иРНК от рибозомата, както
рибозомата така и иРНК молекулата могат да бъдат ангажирани в нов
процес на синтез.

Рибозоми и състав на рибозомите
Рибозомите са изградени от две субединици –малка и голяма, като
основните им градивни единици са рРНК и белтъчини. Малката
субединица е изградена от 21 белтъка, означавани като S белтъци (S –
small). Голямата субединица съдържа 34 белтъка –L –белтъци (L-
large). Според константата си на седиментация, двете частици при
бактериите се означават като 30S и 50 S. всяка бактериална рибозома
съдържа три инкорпорирани в нея рРНК молекули. Малката
субединица съдържа една рРНК (16S рРНК), а голямата две рРНК
молекули (23S и 5S). Характерно за рибозомните РНК молекули е, че
също както и тРНК, те имат много сложна вторична и третична
структура, което води до няколко двойноверижни участъка.
Пространствената структура на рРНКите се дължи на
взаимодействията им с рибозомните белтъчини, както и на
взаимодействията между самите рРНКи.

Функционални участъци в рибозомите
Активният център (пептидил трансферазен) на рибозомите е ситуиран в
голямата субединица и е изграден от рРНК. Декодиращият център е
разположен в малката субединица и отговаря за превеждането на
последователността от кодони в последователност от аминокиселини в
полипептидна верига. За да протече пептидил трансферазната реакция е
необходимо рибозомата да свърже поне две тРНК, което означава че
рибозомата притежава три места за свързването на тРНК:
А-място –тук се свързва аминоацилираната тРНК, която предстои да
бъде използвана в синтезата на белтък.
Р –място –тук синтезиращата се полипептидна верига се прехвърля
върху аминоацилираната тРНК на А място.
Е -място –тук тРНК от Р мястото се хидролизира от връзката си с
белтъка и се отделя от рибозомата.

Функционални участъци в рибозомите
И трите описани места за свързване се формират от двете единици на
рибозомата. Информационната РНК навлиза в и излиза от рибозомата
посредством два канала. Входният е много тесен, което предотвратява
навлизането на иРНК образувала вторични структури (двойноверижни
участъци). Между двата канала е разположен декодиращият център на
рибозомата. Тук се разполагат двата кодона на иРНК с които контактуват
двете тРНК (в Р мястото и в А мястото). За да се избегне приповтаряне на
отделни нуклеотиди(тъй като във всеки момент в декодиращият център има
общо 6 нуклеотида) иРНК прави леко пречупване между двата центъра (Р и
А).
Синтезираният полипептид напуска рибозомата през сравнително тесен
канал разположен в голямата субединица на рибозомата. През този канал
може да минат полипептидни вериги които не са нагънати в пространството,
поради което пространствената конформация на белтъчините се извършва
едва след тоталното им отделяне от рибозомата.

ТРАНСЛАЦИЯ
Крйният етап от експресията на даден ген се заключава в синтезата на
специфичните белтъчини кодирани в нуклеотидната му последователност.
Белтъчната синтеза е матричен процес, извършващ се в специфични
клетъчни органели –рибозоми. Тъй като нуклеиновите киселини са изградени
от нуклеотиди, а мономери на белтъчините са аминокиселините, то
наследствената информация трябва да се „преведе“ на езика на
белтъчините. Процесът се отличава с изключителна сложност, като основна
роля в него вземат иРНК и транспортните РНК, които пренасят различните
аминокиселини до белтък синтетазният комплекс. От една страна ДНК е
носител на наследствената информация, но тази информация кодира
производството на белтъчини, изпълняващи различни функции в клетката. В
същото време всички генетични процеси в клетката (репликация, репарация,
транскрипция и др.) са под контрола на различни белтъчини. Това означава,
че процесите между нуклеиновите киселини и белтъците са взаимно
свързани и без активната роля на белтъците, наследствената информация би
била неизползваема.

Роля на транспортните РНКи
Превеждането на наследствената информация от езика на аминокиселините
на езика на белтъците се извършва от тРНК, които служат като адаптори в
процеса на транслацията.
Зрялата молекула иРНК съдържа различен брой нуклеотиди, като всеки три
последователно подредени нуклеотида формират един кодон, кодираш една
от двадесетте аминокиселини. Транспортните РНК молекули имат
способността да се свързват с конкретна аминокиселина и притежават
участък от веригата си, съставен също от три нуклеотида, който се означава
като антикодон. Взаимодействието между иРНК и тРНК се осъществява по
принципът на комплементарността между кодона и антикодона, като при
съответствие между тях се изграждат водородни връзки. Тази особеност на
транслацията прави възможно подреждането на всяка аминокиселина в
определен ред от полипептидната верига, от което пък зависи първичната
структура на синтезираната белтъчина. В същото време водородните връзки
са сравнително лабилни, което дава възможност за освобождаване на тРНК
след отдаването на носената аминокиселина. Така тРНК могат да се
използват многократно в процеса на транслацията.

Аминоацил-тРНКсинтетази
Това са високоспецифичниензими, които могат да разпознават съответната
аминокиселина и тРНКносеща съответният антикодонза тази
аминокиселина. Тези ензими осъществяват свързването на тРНКсъс
специфичната за тях аминокиселина. За всяка аминокиселина е установена
отделна аминоацилтРНКсинтетаза, т.е. в клетката се откриват 20
аминоацил-тРНКсинтетази. От съществено значение за транслацията е
връзката между антикодонаи кодона, поради което бихме могли да
предположим, че разпознаването между тези ензими и тРНКмолекулите
също се базира на антикодона. В разделът генетичен код посочихме, че едни
аминокиселини се кодират от един кодон, докато някои аминокиселини се
кодират от 5 и повече кодона, поради което неможемда твърдим, че
разпознаването между тРНКи аминокиселините се базира на антикодона.
Основна роля в този процес има акцепторнотостъбло на тРНК. Там е открит
участък (дискриминатор) от една база, чиято замяна с друга е достатъчназа
дапренасочитРНКкъмдругасинтетеаза.Предполага се, че тези участъци са
няколко, като заедно формират вторичен генетичен код (разпръснат по
молекулата на тРНК), който е много по-сложен.

Как аминоацил-тРНК-синтетазите разпознават своите
аминокиселини?
Тъй като броят на аминоацил-тРНКсинтетазитее 20 и отговаря на броят на
аминокиселините, то бихме могли да си зададем въпроса –как тези ензими разпознават
и аденилиратсамо една от всички аминокиселини. Процесът на разпознаването
допълнително се усложнява от почти еднаквата химична структура на някои
аминокиселини (фенилаланин–тирозин; валин-изолевцин). Разликата между
аминокиселините фенилаланини тирозине наличието на една хидроксилна група в
тирозина. Именно тази хидроксилна група позволява на ензима да изгради водородна
връзка с аминокиселината, което му позволява да разпознае молекулата с която се
свързва. Ензимите отговарящи за всяка аминокиселина, могат да се свържат точно с тази
за която имат специфична химична връзка в своя т. нар. каталитичен джоб. По този
начин броят на сгрешените аминокиселини е под 1%. АминоацилтРНКсинтетазите
притежават възможността да коригират допуснатите грешки. Малко след каталитичният
джоб те притежават втори джоб (коректорски) джоб. В него може да се помести
единствено специфичната за ензима аминокиселина. При попадането на друга, тя се
хидролизира и се освобождава от ензима. Чрез този механизъм на корекция, погрешно
свързаните аминокиселини спадат до 0,01%. Както виждаме тези ензими извършват
невероятен контрол върху свързването на аминокиселините със съответните тРНК.
Благодарение на тяхната точност, рибозомитеследят единствено за правилното
изграждане на водородните връзки между кодони антикодон.

ИНИЦИАЦИЯ НА ТРАНСЛАЦИЯТА ПРИ
ПРОКАРИОТИ
Преди започване синтезата на белтъчините, малката и голямата
субединицаса разделени една от друга. При прокариотите
транслацията започва с оформянето на комплекс между иРНК,
рибозоматаи тРНК, носеща аминокиселината формилметионин.
Поради факта, че при всички прокариотипроцеса се инициира от
включването именно на тази амининокиселина, тРНКмолекулата
носител е наречена инициаторнатРНК. Формилиранетона
аминогрупатана метионинапозволява следващата аминокиселина
да бъде свързана единствено към карбоксилнатагрупа. Тази малка
особеност всъщност задава и посоката на синтезираните
полипептиднивериги –от N-края към СООН –края. След края на
транслацията формилметионинасе отстранява от веригата
посредством ензима метиониндеформилаза, така въпреки че това
е първата аминокиселина в процеса на транслацията, тя не се
съдържа в началото на ППВ.

ИНИЦИАЦИЯ НА ТРАНСЛАЦИЯТА ПРИ
ПРОКАРИОТИ
Информационната РНК молекула се свързва с малката субединица на рибозомата
благодарение на комплементарните взаимодействия между нея и 16S рРНК. След
присъединяването и на голямата субединица в процеса на елонгацията стартовият
кодон се разполага в Р мястото. Независимо от стартовият кодон (УУГ, ГУГ,АУГ) на
конкретният ген, към него винаги се съединява инициаторната тРНК, носеща
аминокиселината формилметионин. На този етап инициаторният комплекс се допълва и
от три иницииращи транслацията фактора -IF1, IF2 и IF3. Енергията за процеса се
получава от хидролизата на ГТФ. Всеки от трите фактора на инициацията изпълнява
конк