В одной молекуле ДНК может одновременно существовать большое количество таких участков копирования информации. Повторное копирование информации с каждого участка создает поток различных копий рРНК из ДНК, которая обеспечивает программирование биосинтеза всех важных белков клетки.
Лекция № 10. Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков
Метаболизм — важнейшая особенность живых организмов. Совокупность метаболических реакций, происходящих в организме, называется метаболизмом. Метаболизм состоит из реакций ассимиляции (пластический обмен, анаболизм) и реакций распада (энергетический обмен, катаболизм). Ассимиляция — это сумма реакций биосинтеза, происходящих в клетке; деградация — это сумма реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, при которых высвобождается энергия. Эти реакционные группы взаимосвязаны: Биосинтетические реакции невозможны без энергии, выделяемой в реакциях энергетического метаболизма; реакции деградации не могут происходить без ферментов, образующихся в реакциях пластического метаболизма.
В зависимости от типа метаболизма организмы делятся на две группы: Автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — это организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, используя либо солнечную энергию, либо энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ. Гетеротрофные организмы — это организмы, которые используют для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезируемые другими организмами. Автотрофные организмы используют неорганические вещества (CO2), в то время как гетеротрофы используют экзогенные органические вещества. Автотрофы используют энергию солнечного света (фотоавтотрофы) или энергию, выделяемую при окислении неорганических соединений (хемоавтотрофы), а гетеротрофы используют энергию окисления органических веществ (хемогетеротрофы).
Большинство живых организмов являются либо фотоавтотрофными (растения), либо хемогетеротрофными (грибы, животные). Когда организмы ведут себя либо автотрофно, либо гетеротрофно в зависимости от условий, их называют миксотрофами (эвглена зеленая).
Биосинтез белков
Биосинтез белка — самый важный процесс анаболизма. Все характеристики, свойства и функции клеток и организмов в конечном итоге определяются белками. Белки недолговечны, срок их жизни ограничен. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 1950-х годов двадцатого века Ф. Крик сформулировал центральную идею синтеза белка. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой доктрине, способность клетки синтезировать определенные белки передается по наследству; информация о последовательности аминокислот в молекуле белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Часть ДНК, несущая информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепи, но и кодируют определенные типы РНК: рРНК, которая является частью рибосомы, и тРНК, которая отвечает за перенос аминокислот. Процесс биосинтеза белка состоит из двух основных этапов: транскрипции — синтеза РНК в матрицу ДНК (ген) — и трансляции — синтеза полипептидной цепи.
Генетический код — это система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде через последовательность нуклеотидов ДНК или РНК. Эта система записи теперь считается декодированной.
Свойства генетического кода:
- триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
- однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
- вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
- универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
- неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
- из 64 кодовых триплетов 61 — кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 — бессмысленные (в РНК — УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами, поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК — АУГ), с которого трансляция начинается.
Таблица генетических кодов
| Первая база | Вторая база | Третья база | |||
|---|---|---|---|---|---|
| C(A) | C (D) | A(T) | G(C) | ||
| C(A) | Фен Лэй Лэй | Сер Сер | Тир Тир — — — | Си диез Си диез — три | U(A) CIS(G) A(T) G(T) |
| C (D) | Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй Лэй. | Профи Профи Профи | G диез G диез Gln Gln Gln Gln Gln Gln | Арг Арг Арг Арг Арг Арг | U(A) CIS(G) A(T) G(T) |
| A(T) | Иле Иле Мет | Тре Тре Тре | Асн Асн Лиз Лиз | Ser Arg Arg | U(A) CIS(G) A(T) G(T) |
| G(C) | Вал Вал Вал Вал Вал Вал | Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала Ала | Asp Asp Asp Asp Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu | Gli Gli Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu | U(A) CIS(G) A(T) G(T) |
Реакции матричного синтеза
Это особый класс химических реакций, которые происходят в клетках живых организмов. В этих реакциях синтез полимерных молекул происходит по схеме, установленной в структуре других полимерных молекул в матрице. В одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекулярных реплик. Этот класс реакций включает репликацию, транскрипцию, трансляцию и обратную транскрипцию.
| Название реакции синтеза матрицы | Характеристика процесса | Основные компоненты |
|---|---|---|
| Копировать | Синтез ДНК в ДНК-матрице | Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
| Транскрипция | Синтез РНК в матрице ДНК | нить ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
| Перевод | Синтез полипептидов на РНК-шаблоне | Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты |
| Обратная транскрипция | Синтез ДНК на матрице РНК | Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты |
Биосинтез белка и генетический код: транскрипция и трансляция белка
Биосинтез белка — это ферментативный процесс синтеза белка в клетке, в котором участвуют три структурных элемента клетки: ядро, цитоплазма и рибосомы.
Молекулы ДНК в клеточном ядре хранят информацию обо всех белках, синтезируемых в клетке. Эта информация находится в зашифрованном виде — закодирована в 4-буквенном коде.
Генетический код — это последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, которая определяет порядок аминокислот в молекуле белка.
Генетический код обладает следующими свойствами:
- он триплетный. У каждой аминокислоты есть свой кодовый триплет или кодон, в состав которого входят три нуклеотида, расположенные рядом.
Такая кислота, как цистеин, кодируется триплетом A-C-A. Для валина это С-А-А.
- код не перекрывается. Это значит, что в составе двух соседних триплетов нет того же нуклеотида.
- вырожденный код. Имеется в виду, что какая-либо аминокислота кодируется при помощи нескольких триплетов.
Возьмем аминокислоту тирозин, которая кодируется двумя триплетами.
- в коде не содержатся запятые, выполняющие функцию разделительных знаков, поэтому информация считывается тройками нуклеотидов.
UAG, UAA, UGA — это три некодирующих кодона, которые не кодируют аминокислоты. Считается, что они действуют как стоп-сигналы, разделяющие гены в молекуле ДНК.
Ген — это участок молекулы ДНК, который характеризуется определенной последовательностью нуклеотидов. Ген определяет состав одной полипептидной цепи.
- универсальность кода. Он един для всех живых организмов, включая бактерий и человека. Все организмы содержат одинаковые 20 аминокислот, кодируемые одними и теми же триплетами.
Этапы биосинтеза белка: транскрипция и трансляция
Этапы биосинтеза белка основаны на двух процессах: Транскрипция и перевод.
Самый популярный вопрос, связанный с этой темой, — где происходит синтез белка. Только после этого рассматриваются этапы синтеза белка (и схема биосинтеза белка).
Каждая белковая молекула имеет структуру, которая закодирована в ДНК. Эта ДНК не принимает непосредственного участия в их синтезе. Роль белковой молекулы заключается в том, что она является матрицей для синтеза РНК.
Далее охарактеризуем функции различных типов РНК в биосинтезе белка.
Где и как происходит биосинтез белка? Синтез белка происходит в, а точнее, в рибосомах, которые в основном расположены в цитоплазме. Поэтому для передачи генетической информации от ДНК к месту синтеза белка необходим промежуточный продукт.
Роль такого промежуточного звена играет иРНК.
Первым шагом в биосинтезе белка является транскрипция.
Транскрипция — это процесс синтеза молекулы рРНК в одну цепь молекулы ДНК, основанный на принципе комплементарности.
Биосинтез белков происходит в рибосомах — это мы уже выяснили.
Где происходит транскрипция? Этот процесс происходит в ядре клетки.
Транскрипция происходит не во всей молекуле ДНК одновременно, а только в небольшой части, которая отвечает за конкретный ген. Часть двойной спирали ДНК разматывается, и появляется небольшая часть одной из цепей. Этот же регион используется в качестве шаблона для синтеза молекул рРНК.
Затем она захватывается ферментом РНК-полимеразой, которая движется вдоль этой цепи. Он связывает нуклеотиды с цепью рРНК, удлиняя ее.
Процесс транскрипции происходит одновременно в нескольких генах одной хромосомы и в генах разных хромосом.
Полученная рРНК имеет нуклеотидную последовательность, которая является точной копией нуклеотидной последовательности матрицы.
Если молекула ДНК содержит азотистое основание цитозин, то рРНК — гуанин, и наоборот. Комплементарной парой ДНК является аденин-тимин, а РНК — аденин-урацил.
ТРНК и рРНК (другие типы РНК) синтезируются в определенных генах.
Специальные триплеты прочно закрепляют начало и конец каждого синтеза РНК в матрице ДНК. Они также контролируют начало и конец синтеза (start и end). Между генами они играют роль «разделителей».
Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. Молекула тРНК имеет форму трилистника. На конце этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодирование аминокислоты (которую несет данная тРНК).
Количество тРНК зависит от количества аминокислот.
Поскольку многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, число тРНК превышает 20. Сегодня известно около 60 тРНК.
Ферменты являются связующим звеном между аминокислотами и тРНК. Молекулы тРНК служат для транспортировки аминокислот к рибосомам.
Кратко о трансляции в биологии
Что такое трансляция в биологии и как биосинтез белка связан с трансляцией?
В биологии трансляция — это процесс, в ходе которого информация о структуре белка, представленная в иРНК последовательностью нуклеотидов, переносится в виде последовательности аминокислот на синтезируемую молекулу белка.
Как и где происходит биосинтез белка во время трансляции, и какова схема синтеза белка?
Первым шагом в трансляции белка является связывание иРНК с рибосомой. В биологии трансляция — это связывание первой рибосомы, синтезирующей белки, с ibrnA. Кроме того, трансляция при синтезе белка основана на присоединении новой рибосомы по мере того, как предыдущая рибосома движется к концу рРНК, которая при этом освобождается.
На одной рРНК может располагаться более 80 рибосом, синтезирующих один и тот же белок одновременно.
Полирибосома или полисома — это группа рибосом, связанных с одной рРНК,
Информация, хранящаяся на рРНК (не на рибосоме), определяет тип синтезируемого белка. Одна и та же рибосома может синтезировать разные белки. Рибосома отделяется от рРНК после завершения синтеза белка. Заключительным этапом трансляции является синтез белка или его поступление в эндоплазматический ретикулум.
Рибосома состоит из двух субъединиц: малой субъединицы и большой субъединицы. Сцепление молекулы иРНК происходит на малой субъединице. Участок контакта между рибосомой и рРНК содержит 6 нуклеотидов (2 триплета). Из цитоплазмы тРНК с различными аминокислотами постоянно приближается к одному из триплетов. Своим антикодоном они касаются кодона иРНК. Если кодон и антикодон комплементарны, образуется пептидная связь: она формируется между аминокислотой уже синтезированной части белка и аминокислотой, поставляемой тРНК.
Фермент синтетаза участвует в соединении аминокислот с образованием молекулы белка. После доставки аминокислоты молекула тРНК смещается в цитоплазму, заставляя рибосому сдвинуть триплет нуклеотидов. Таким образом, происходит последовательный синтез полипептидной цепи. Этот процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех терминирующих кодонов: UAA, UAG или UGA. Как только это происходит, синтез белка прекращается.
Порядок включения аминокислот в белковую цепь определяется последовательностью кодонов иРНК. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматического ретикулума. Синтез молекулы белка в клетке занимает 1-2 минуты.
Схема синтеза белка выглядит следующим образом:
Используя приведенную выше схему биосинтеза белка, вы можете понять, на чем основан синтез белка, как он происходит и что стоит за трансляцией и транскрипцией.
Мы также рекомендуем вам изучить схему биосинтеза белка. В ней описывается, как происходит синтез белка в клетке, и кратко рассматриваются транскрипция и трансляция (этапы синтеза белка).
Таблица биосинтеза белка:
Таблица поясняет, как происходит синтез белка, каковы основные этапы синтеза белка, какова роль транскрипции в биосинтезе белка, где происходит синтез белка (местоположение) и кратко описывает этапы синтеза белка.
Таким образом, мы охарактеризовали функции различных типов РНК в биосинтезе белка. На примере трансляции и транскрипции мы рассмотрели наиболее важные этапы биосинтеза белка.
Где происходит синтез белка
Образование высокомолекулярного соединения происходит в цитоплазме. Здесь расположены органоиды, в которых происходит этот процесс. Рибосома состоит из двух частей: малой и большой. Чтобы привести в движение биосинтез белка, информация должна быть передана из клеточного ядра в цитоплазму.
В ядре эукариот хранится информация о первичной структуре природных полимеров. Это называется наследственной информацией. Эта важная информация должна быть передана в неизменном виде к месту синтеза белка.
Для этого матричные реакции происходят в клеточном ядре. И-РНК синтезируется в одной из нитей ДНК. Он является связующим звеном между двумя частями клетки.
Этапы биосинтеза белка
Транскрипция
Этот процесс происходит в ядре клетки. ДНК состоит из большого количества нуклеотидов. Это единица макромолекулы. Он состоит из 3 элементов:
- углевод, представленный пентозой – дезоксирибозой;
- минеральную кислоту – фосфорную;
- органическое соединение, относящееся к классу азотистых оснований.
ДНК может содержать 4 различных основания. Может быть до 4 различных баз:
- А – аденин;
- Г – гуанин;
- Ц – цитозин;
- Т – тимин.
Именно эти основания различают нуклеотиды. Чередование 3 нуклеотидов образует триплет. Триплет соответствует аминокислоте. Назначение аминокислот в триплеты было изучено и показано в таблице генетического кода.
Триплетная последовательность в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая отвечает за синтез белка, называется геном. Между разными генами существуют триплеты, не соответствующие аминокислотам. Они называются кодонами разрыва. Они служат сигналом для начала и конца гена.
Для осуществления транскрипции участок макромолекулы ДНК разматывается. Она действует как матрица. К нему прикреплена и-РНК. Синтез происходит в соответствии с принципом соответствия. Это также называется комплементарностью.
РНК также имеет нуклеотидную структуру. Вместо дезоксирибозы присутствует углевод рибоза. Остается остаток ортофосфорной кислоты. Третий компонент — азотистая основа. Три основания одинаковы — A, G, C в ДНК и РНК. Четвертым основанием рибонуклеиновой кислоты является урацил (U).
Комплементарными основаниями являются: T — A, A — U, G — C, C — G. Для комплементарных пар оснований первая соответствует ДНК, вторая — РНК. Таким образом, и-РНК строится на макромолекуле ДНК в соответствии с принципом соответствия. Затем цепь РНК транспортируется через ядерную мембрану к месту синтеза белка.
Перевод
Этот процесс происходит в органоидах — рибосомах. Они расположены в цепи и-РНК и перемещаются по ней не равномерно, а скачкообразно. Они расположены таким образом, что 1-2 триплета находятся внутри рибосомы. К одной РНК одновременно может быть присоединено большое количество рибосом.
В этом процессе участвуют т-РНК. Они имеют пространственную структуру, по форме напоминающую клеверный лист. Верхняя часть листа, т.е. молекула, содержит антикодон. Это триплет, который распознает кодон (триплет) и РНК.
Каждая т-РНК переносит очень специфическую аминокислоту на рибосому. Когда антикодоновый триплет т-РНК распознает кодоновый триплет и-РНК, аминокислота включается в макромолекулу белка. Следующая т-РНК подхватывает другую аминокислоту, и процесс узнавания происходит снова. В этом случае также происходит процесс сборки белковой матрицы. РНК служит матрицей для синтеза белка.
После синтеза белковой молекулы она высвобождается из рибосомы. Правильный обмен аминокислот в макромолекуле является основной структурой белковой молекулы. Это крайне важно, поэтому так важен матричный синтез белка. Другие структуры белковых макромолекул возникают спонтанно.
Схема биосинтеза белка
Процессы, приводящие к синтезу белка, можно обобщить в виде схемы:
- Первый этап – реакции, идущие в кариоплазме. Раскручивание ДНК. Транскрипция. Образование м-РНК.
- Второй этап – транспорт м-РНК к рибосомам.
- Третий этап – реакции, идущие в цитоплазме. Трансляция. Биосинтез белковой молекулы, протекающий при участии РНК, клеточных органоидов – рибосом.
«Домашнее обучение. Лайфхаки для родителей»
1 слайд РЕАКЦИИ КОМПОЗИЦИИ МАТРИЦЫ. Биосинтез и биохимия белка.
2 слайд Особенности реакций матричного синтеза, уникальных для живых организмов, отражают главную особенность живых организмов — воспроизводство своего вида, обеспечение специфической последовательности нуклеотидов, способствующей высокой скорости реакции.
3 Реакции синтеза слайдов Реакции матричного синтеза включают репликацию ДНК, синтез и-РНК на ДНК (транскрипция) и синтез белка на и-РНК (трансляция), а также синтез РНК или ДНК на вирусной РНК.
Биосинтез белка — это тип пластического обмена, при котором генетическая информация, закодированная в генах ДНК, преобразуется в определенную последовательность аминокислот в молекулах белка. В биосинтезе белка есть два основных этапа: транскрипция и трансляция.
4 Прозрачность Передача информации и синтез белка следуют матричному принципу, который можно сравнить с тем, как работает печатный станок. Информация в ДНК копируется много раз. Если во время копирования возникают ошибки, они повторяются во всех последующих копиях. Верно, что некоторые ошибки могут быть исправлены при копировании информации из молекулы ДНК. Этот процесс исправления ошибок называется восстановлением. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
5 слайд Информация о первичной структуре белка закодирована в ДНК в виде триплетов (кодонов) Триплет (кодон) — это участок из трех нуклеотидов в молекуле ДНК Триплет ДНК кодирует одну аминокислоту молекулы белка: 1 триплет 1 аминокислота
6 слайд ДНК: ATG — GGC — TGA — GCA — TCG Белок: Tir pro pro arg ser ДНК: Белок: Ген Ген Ген — это часть молекулы ДНК, которая кодирует информацию о структуре белка: 1 ген 1 ген белка
7 слайд Генетический код — это система записи генетической информации о структуре молекулы белка в молекуле ДНК Генетическая информация записывается в одной цепочке (кодоне) ДНК Генетический код ДНК и РНК
