Является синтез белковой молекулы на основе матричной РНК (трансляция). Однако в отличие от транскрипции нуклеотидная последовательность не может быть переведена в аминокислотную напрямую, так как эти соединения имеют разную химическую природу. Поэтому для осуществления трансляции требуется посредник в виде транспортной РНК (тРНК), функция которого состоит в переводе генетического кода на "язык" аминокислот.

Общая характеристика транспортной РНК

Транспортные РНК или тРНК - это небольшие молекулы, которые доставляют аминокислоты к месту синтеза белка (в рибосомы). Количество этого вида рибонуклеиновой кислоты в клетке составляет примерно 10 % от общего пула РНК.

Как и другие разновидности тРНК состоит из цепочки рибонуклеозидтрифосфатов. Длина нуклеотидной последовательности насчитывает 70-90 звеньев, и около 10 % состава молекулы приходится на минорные компоненты.

Из-за того, что каждой аминокислоте соответствует свой переносчик в виде тРНК, клетка синтезирует большое количество разновидностей этой молекулы. В зависимости от вида живого организма этот показатель варьирует от 80 до 100.

Функции тРНК

Транспортная РНК является поставщиком субстрата для белкового синтеза, который происходит в рибосомах. За счет уникальной способности связываться и с аминокислотами, и с матричной последовательностью тРНК выполняет функцию смыслового адаптера при переводе генетической информации из формы РНК в форму белка. Взаимодействие такого посредника с кодирующей матрицей, как в транскрипции, основано на принципе комплементарности азотистых оснований.

Главная функция тРНК заключается в акцептировании аминокислотных звеньев и их транспортировке в аппарат белкового синтеза. За этим техническим процессом стоит огромный биологический смысл - реализация генетического кода. Осуществление этого процесса основано на следующих особенностях:

• все аминокислоты кодируются триплетами нуклеотидов;
• для каждого триплета (или кодона) существует антикодон, входящий в состав тРНК;
• каждая тРНК может связаться только с определенной аминокислотой.

Таким образом, аминокислотная последовательность белка определяется тем, какие тРНК и в каком порядке будут комплементарно взаимодействовать с матричной РНК в процессе трансляции. Это возможно благодаря наличию в транспортной РНК функциональных центров, один из которых отвечает за избирательное присоединение аминокислоты, а другой - за связывание с кодоном. Поэтому функции и тесно взаимосвязаны.

Строение транспортной РНК

Уникальность тРНК заключается в том, что ее молекулярная структура не линейна. Она включает в себя спиральные двуцепочечные участки, которые называют стеблями, и 3 одноцепочечные петли. По форме такая конформация напоминает клеверный лист.

В структуре тРНК различают следующие стебли:

• акцепторный;
• антикодоновый;
• дигидроуридиловый;
• псевдоуридиловый;
• добавочный.

Двойные спирали стеблей содержат от 5 до 7 Уотсон-Криксоновских пар. На конце акцепторного стебля расположена небольшая цепочка неспаренных нуклеотидов, 3-гидроксил которой является местом прикрепления соответствующей молекулы аминокислоты.

Структурной областью для соединения с мРНК служит одна из петель тРНК. Она содержит антикодон, комплементарный смысловому триплету в Именно антикодон и акцептирующий конец обеспечивают адапторную функцию тРНК.

Третичная структура молекулы

"Клеверный лист" является вторичной структурой тРНК, однако за счет фолдинга молекула приобретает L-образную конформацию, которая скрепляется дополнительными водородными связями.

L-форма представляет собой третичную структуру тРНК и состоит из двух практически перпендикулярных А-РНК спиралей, имеющих длину 7 нм и толщину 2 нм. Такая форма молекулы имеет всего 2 конца, на одном из которых расположен антикодон, а на другом - акцепторный центр.

Особенности связывания тРНК с аминокислотой

Активацию аминокислот (их присоединение к транспортной РНК) осуществляет аминоацил-тРНК-синтетаза. Этот фермент одновременно выполняет 2 важных функции:

• катализирует образования ковалентной связи между 3`-гидроксильной группой акцепторного стебля и аминокислотой;
• обеспечивает принцип избирательного соответствия.

Для каждой из есть своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Она может взаимодействовать только с соответствующим видом транспортной молекулы. Это означает, что антикодон последней должен быть комплементарен триплету, кодирующему именно эту аминокислоту. Например, синтетаза лейцина будет соединяться только с предназначеным для лейцина тРНК.

В молекуле аминоацил-тРНК-синтетазы есть три нуклеотид-связывающих кармана, конформация и заряд которых комплементарны нуклеотидам соответствующего антикодона в тРНК. Таким образом, фермент определяет нужную транспортную молекулу. Гораздо реже фрагментом опознавания служит нуклеотидная последовательность акцепторного стебля.

Все тРНК имеют общие черты как в их первичной структуре, так и в способе складывания полинуклеотидной цепи во вторичную структуру за счет взаимодействий между основаниями нуклеотидных остатков.

Первичная структура тРНК

тРНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Все тРНК имеют одинаковый 3"-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного - аденозина (CCA-конец). Именно 3"-концевой аденозин связывается с аминокислотным остатком при образовании аминоацил-тРНК. CCA-конец присоединяется ко многим тРНК с помощью специального фермента. Нуклеотидный триплет, комплементарный кодону для аминокислоты (антикодон), находится приблизительно в середине цепи тРНК. В отдельных положениях последовательности практически у всех видов тРНК встречаются одни и те же (консервативные) нуклеотидные остатки. В некоторых положениях могут находиться или только пуриновые, или только пиримидиновые основания (их называют полуконсервативными остатками).

Для всех молекул тРНК характерно присутствие большого числа (до 25% всех остатков) разнообразных модифицированных нуклеозидов, часто называемых минорными. Они образуются в различных местах молекул, во многих случаях четко определенных, в результате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.

Вторичная структура тРНК

складывания цепи во вторичную структуру происходит за счет взаимокомплементарности участков цепи. Три фрагмента цепи оказываются комплементарными при складывании их на себя, образуя шпилькообразные структуры. Кроме того, 5"-конец комплементарен участку, близкому к 3"-концу цепи, при их антипараллельном расположении; они формируют так называемый акцепторный стебель. В результате образуется структура, характеризующаяся наличием четырех стеблей и трех петель, которая получила название "клеверного листа". Стебель с петлей формируют ветвь. Внизу расположена антикодоновая ветвь, содержащая антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). Нуклеотидные последовательности всех изученных тРНК могут быть сложены в аналогичные структуры. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V-петлю). Ее размеры резко различаются у разных тРНК, варьируя, от 4 до 21 нуклеотида, а по последним данным, и до 24 нуклеотидов.

Пространственная (третичная) структура тРНК

За счет взаимодействия элементов вторичной структуры формируется третичная структура, которая получила название L-формы из-за сходства с латинской буквой L (рис. 2 и 3). За счет стэкинга оснований акцепторный стебель и T-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, а два других стебля - антикодоновый и D - другую непрерывную двойную спираль. При этом D- и T-петли оказываются сближенными и скрепляются между собой путем образования дополнительных, часто необычных пар оснований. В образовании этих пар, как правило, принимают участие консервативные или полуконсервативные остатки. Аналогичные третичные взаимодействия скрепляют и некоторые другие участки L-структуры

Рибосомная РНК

Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) - несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции - считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами. Рибосомная РНК составляет примерно 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, находящимися в ДНК нескольких хромосом, расположенных в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора.

Последовательность оснований в рРНК сходна у всех организмов - от бактерий до животных. рРНК содержится в цитоплазме, где она связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы, называемые рибосомами. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь "код", заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

Транспортная РНК

Транспортная РНК, тРНК - рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса.

Для каждой аминокислоты существует своя тРНК.

тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию "клеверного листа". В ней выделяют четыре главные части, выполняющие различные функции. Акцепторный "стебель" образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Он состоит из семи пар оснований. 3"-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей - антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.

Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания -дигидроуридин (D-петля) и триплет T?C, где? - псевдоуриаин (Т?С-петля). Между аитикодоновой и Т?С-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.

Аминокислота ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.

тРНК служит промежуточной молекулой между триплетным кодоном в мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. На долю тРНК приходится примерно 15% всей клеточной РНК;у этих РНК самая короткая полинуклеотидная цепь - в ней находится в среднем 80 нуклеотидов. В каждой отдельной клетке содержится более 20 различных молекул тРНК. Все молекулы тРНК имеют сходную основную структуру. На 5`-конце молекулы тРНК всегда находится гуанин, а на 3`-конце - последовательность оснований ЦЦА.

Последовательность нуклеотидов в остальной части молекулы варьирует и может содержать "необычные" основания, такие как инозин и псевдоурацил.

Последовательность оснований в триплете антикодона строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК.

Рис. 3.

Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфичных тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтазы. В результате образуется комплекс анимокислота-тРНК, известный как анимоацил-тРНК, в котором энергия связей между концевым нуклеотидом А в триплете ЦЦА и аминокислотой достаточна, чтобы в дальнейшем могла образовываться связь с соседней аминокислотой. Таким образом, синтезируется полипептидная цепь.

Одной из особенностей тРНК является наличие в ней необычных оснований, возникающих вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Эти измененные основания обусловливают большое структурное многообразие тРНК при общем плане их строения. Наибольший интерес представляют модификации оснований, формирующих антикодон, которые влияют на специфичность его взаимодействия с кодоном. Например, нетипичное основание инозин, иногда стоящий в 1-м положении антикодона тРНК, способен комплементарно соединяться с тремя разными третьими основаниями кодона мРНК - У, Ц и А. Так как одной из особенностей генетического кода является его вырожденность, многие аминокислоты шифруются несколькими кодонами, которые, как правило, различаются своим третьим основанием. Благодаря неспецифичности связывания модифицированного основания антикодона одна тРНК узнает несколько кодонов-синонимов.

Молекулы РНК в отличие от ДНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Однако в этой цепи (для рРНК и мРНК) имеются ком­плементарные друг другу участки, которые могут взаимодействовать, образуя двойные спирали. При этом соединяются водородными связями нуклеотидные пары А-У и Г-Ц. Такие спирализованные участки (их назы­вают шпильками) обычно содержат небольшое количество нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками.

Характерную вторичную структуру имеют тРНК. Они содержат четыре спирализованных участка и три (четыре) одноцепочные петли. При изображении такой структуры на плоскости получается фигура, на­зываемая «клеверным листом» (рис. справа).

Рис.. Вторичная (справа) и третичная (слева) структура тРНК

Все несколько десятков разных тРНК клетки имеют общий план пространственной структуры, но различаются в деталях. В тРНК выделяют следующие структурные участки.

1. Акцепторный конец - во всех типах тРНК имеет состав ЦЦА. К гидроксилу З"-ОН аденозина карбоксильной группой присоединяется аминокислота, которую данная тРНК доставляет к рибосомам, где проис­ходит синтез белка.

2. Антикодоновая петля - содержит специфический для каждой тРНК триплет нуклеотидов (антикодоны). Антикодон комплементарен кодону мРНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок чередования аминокислот в белковой молекуле при синтезе ее на рибо­сомах.

3. Псевдоуридиловая петля (Г,С) - участвует в связывании тРНК с рибосомой.

4. Дигидроуридиловая (D) петля необходима для связывания с ферментом аминоацил-тРНК-синтетзой, которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК.

5. Добавочная петля - разная у разных тРНК.

Третичная структура рнк и днк

Пространственная конфигурация спирализованной полинуклеотидной цепи (третичная структура) достаточно полно выяснена для мо­лекул РНК. Установлено, что нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской струк­туры «клеверного листа» (вторичная структура) большей компактностью за счет складывания различных частей молекулы (см. рис выше).

Для рРНК и мРНК возможно существование, а зависимости от концентрации солей и температуры, трех видов третичной структуры (рис. ниже). Первый - рыхлый беспорядочный клубок или распрямленная цепь (при повышении температуры и отсутствии солей). Второй вариант - компактный клубок с двуспиральными участками (высокая ионная сила, комнатная температура). Третий вид - компактная палочка с упорядо­чение ориентированными двуспиральными участками (низкая ионная сила, комнатная температура). Все три типа третичной структуры РНК связаны взаимными переходами.

Третичная структура ДНК зависит от того, сколько цепочек полинуклеотидов (одна или две) в ДНК. В ряде вирусов обнаружены одноцепочечные ДНК линейной и кольцевой формы. Двуцепочечные спирале­видные молекулы ДНК также могут существовать в линейной и кольце­вой форме; образование последней вызвано ковалентным соединением их открытых концов.

Рис. Третичная структура: А - ДНК: 1 - линейная одноцепочечная бактериофаг ФХ174 (и др. вирусов); 2 - кольцевая одноцепочечная ДНК вирусов и митохонд­рий; 3 - кольцевая двойная спираль ДНК; Б - РНК: 1 - рыхлый клубок или рас­прямленная цепь; 2 - компактная палочка; 3 - компактный клубок

Кроме того, полагают, что биспиральные молекулы ДНК сущест­вуют в хромосомах в виде вторично спирализованных фрагментов, свя­занных друг с другом (суперспираль). Поэтому молекулярный вес нативной ДНК достигает нескольких сотен миллионов. Следовательно, молеку­лы с молекулярной массой 10.000.000 являются субъединицами более крупных молекулярных образований (третичная структура). Именно суперспирализация обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме: вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вы­тянутой форме, она занимает всего 5 нм.

Транспортная РНК, тРНК -рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка АК к месту синтеза белка. Имеет типичную длину от 73 до 93 нуклеотидов и размеры около 5 нм. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК. тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «клеверного листа». АК ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий АК-те. тРНК синтезируются обычной РНК-полимеразой в случае прокариот и РНК-полимеразой III в случае эукариот. Транскрипты генов тРНК подвергаются многостадийному процессингу, который приводит к формированию типичной для тРНК пространственной структуры.

Процессинг тРНК включает 5 ключевых этапов:

удаление 5"-лидерной нуклеотидной последовательности;

удаление 3"-концевой последовательности;

добавление последовательности CCA на 3"-конец;

вырезание интронов (у эукариот и архей);

модификации отдельных нуклеотидов.

Транспорт тРНК осущ-ся по Ran-зависимому пути при участии транспортного фактора экспортина t, кот.распознаёт характерную вторичную и третич.стр-ру зрелой тРНК: короткие двуспиральные участки и правильно процессированные 5"- и 3"-концы. Такой механизм обеспечивает экспорт из ядра только зрелых тРНК.

62. Трансляция – узнавание кодона мРНК
Трансляция – это осуществляемый рибосомами синтез белка из аминокислот на матрице мРНК (или и РНК). Cоставляющие элементы процесса трансляции: аминокислоты, тРНК, рибосомы, мРНК, ферменты для аминоацилирования тРНК, белковые факторы трансляции (белковые факторы инициации, элонгации, терминации - специфические внерибосомные белки, необходимые для процессов трансляции), источники энергии АТФ и ГТФ, ионы магния (стабилизируют структуру рибосом). В синтезе белка участвует 20 аминокислот. Чтобы аминокислота «узнала» свое место в будущей полипепетидной цепи, она должна связаться с транспортной РНК (тРНК), выполняющей адапторную функцию. Затем тРНК, связавшаяся с аминокислотой «узнает» соответствующий кодон на мРНК. Узнавание кодона мРНК:

Взаимодействие кодон - антикодон основано на принципах комплементарности и антипараллельности:

3’----Ц - Г- А*------5’ Антикодон тРНК

5’-----Г- Ц- У*------3’ Кодон мРНК

Гипотеза качания (wobble) была предложена Ф. Криком:

3′- основание кодона мРНК имеет нестрогое спаривание с 5′- основанием антикодона тРНК: например, У (мРНК) может взаимодействовать с А и Г (тРНК)

Некоторые тРНК могут спариваться с более, чем одним кодоном.

63. Характеристика составляющих элементов процесса трансляции. Трансляция (translatio-перевод)- процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой.

Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки. Для осуществления этого процесса в клетках всех организмов имеются спец.органеллы-рибосомы - рибонуклеопротеидные комплексы, построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Функция рибосом заключается в узнавании трёхбуквенных (трехнуклеотидных) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующих антикодонов тРНК, несущих аминокислоты , и присоединении этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.

Для узнавания АК-т в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энерго-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон CCA, а к этой тРНК будет присоединяться только АК глицин).

Прокариотическая рибосома

5S и 23S рРНК 16S рРНК

34 белка 21 белок

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S, отчего получили название 70S-частиц. Они построены из двух неодинаковых субчастиц: 30S- и 50S-субъединиц. Каждая субъединица представляет комплекс рРНК и рибосомных белков.

30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка из более 20 видов (21) . 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S). В ее состав входят более 30 различных белков (34), также представленных, как правило, одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.

Эукариотическая рибосома

5S; 5,8S и 28S рРНК 18S рРНК

не менее 50 белков не менее 33 белков

Рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Основу структуры каждой субъединицы составляет сложн образом свернутая рРНК. К каркасу из рРНК прикрепл рибосомн белки.

Коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а коэффициент седиментации ее субчастиц составляет 40S и 60S.

Меньшая 40S-субчастица состоит из одной молекулы 18S-рРНК и 30-40 белковых молекул. Большая 60S-субчастица содержит три типа рРНК с коэффициентами седиментации 5S, 5,8S и 28S и 40-50 белков (например, рибосомы гепатоцитов крысы включают 49 белков).

Функциональные участки рибосом

Р – пептидильный участок для пептидил тРНК

А – аминоацильный участок для аминоацил тРНК

Е – участок для выхода тРНК из рибосомы

Рибосома содержит 2 функциональных участка для взаимодействия с тРНК: аминоацильный (акцепторный) и пептидильный (донорный). Аминоацил-тРНК попадает в акцепторный участок рибосомы и взаимодействует с образованием водородных связей между триплетами кодона и антикодона. После образования водородных связей система продвигается на 1 кодон и оказывается в донорном участке. Одновременно в освободившемся акцепторном участке оказывается новый кодон, и к нему присоединяется соответствующий аминоацил-т-РНК.

Рибосомы: строение, финкция

Рибосомы являются цитоплазматическими центрами биосинтеза белка. Они состоят из большой и малой субъединиц, различающихся коэффициентами седиментации (скоростью осаждения при центрифугировании), выражаемые в единицах Сведберга – S.

Рибосомы присутствуют в клетках как эукариот, так и прокариот, поскольку выполняют важную функцию в биосинтезе белков. В каждой клетке имеются десятки, сотни тысяч (до нескольких миллионов) этих мелких округлых органоидов. Это округлая рибонуклеопротеиновая частица. Диаметр ее составляет 20-30 нм. Состоит рибосома из большой и малой субъединиц, различающихся коэффициентами седиментации (скоростью осаждения при центрифугировании), выражаемые в единицах Сведберга – S. Эти субъединицы объединяются в присутствии нити м-РНК (матричной, или информационной, РНК). Комплекс из группы рибосом, объединенных одной молекулой м-РНК наподобие нитки бус, называется полисомой . Эти структуры либо свободно расположены в цитоплазме, либо прикреплены к мембранам гранулярной ЭПС (в обоих случаях на них активно протекает синтез белка).

Полисомы гранулярной ЭПС образуют белки, выводимые из клетки и используемые для нужд всего организма (например, пищеварительные ферменты, белки женского грудного молока). Кроме этого, рибосомы присутствуют на внутренней поверхности мембран митохондрий, где также принимают активное участие в синтезе белковых молекул.