Спешноооо !!!!!!! [Архив]

detelina101

05-12-2009, 05:18

Въпрос 25 - Генетичен код
Особености. Биосинтеза на белтъците (транслация). Етапи. Белтъчни фактори. Особености при про- и еукариоти. Рибозоми. Функционално важни участъци. Регулация на транслацията
В процеса на транслацията (ТРЛ) участват tRNA – с двойна функция: носят съответната АК и разпознава кодона от mRNA. rRNA имат ролята на скелет на рибозомата, но и предоставят места за свързване на ТРЛ апарат. Голямата СЕ има и биокаталитична функция за пептидил-трансферазната реакция. Участва и mRNA, която кодира информация за разчитане (разликите между рибоза и дезоксирибоза са на фиг.1 и фиг.2).
Съществуват 64 кодона, от които 61 – значещи и 3 безсмислени - UAA, UGA, UAG - stop кодони. Началният кодон обикновено е AUG за Met. При някои бактерии mRNA има start кодон - GUG, а малко Euс в mRNA имат start кодон CUG (за Met).
61 кодона определят синтезата на 20 АК – това явление се нарича изроденост (дегенерация) на кода. АК-те Met и Trp имат само по един кодон, докато Leu, Ser и Arg имат по 6 кодона.
Н.п., която започва от start- и достига до stop-кодона, се нарича рамка на четене. Теоритично генетичният код в една mRNA може да има максимум три рамки на четене. Повечето mRNA имат една рамка на четене, но понякога рибозомата може да прочете четири н.п. за един кодон – явление, нар. frameshift или може да се върне една н.п. назад – резултатът е същия.
Кодоните са последователност от три нуклеотида. Кодът е универсален, въпреки че има и промени (късно възникнал в еволюцията). В МТХ на първаци и едноклетъчни растения някои stop кодони кодират АК. В Candida albicans кодонът CUG, вместо Leu, кодира Ser. В животинските МТХ, AUA кодира Met, вместо Ile.
tRNA химически свързват точно определени АК и разчитат точно определена нуклеотидна последователност. tRNA при Proc са около 30 – 40 различни вида, а при животните и растенията броят им е около 50 – 100 (те са повече или по-малко от броя на кодоните). [Някои преговорни неща са дадени на фиг.3, фиг.4 и фиг.5].
Към ССА-края на tRNA ензимът аминоацил-tRNA-cинтетазa (те са около 20 броя, фиг.9) прехвърля АК. Всеки ензим разпознава точно определен АК. Ензимите са специфични спрямо субстрата. Ензимът има няколко активни центъра: 1. за съответната АК; 2. за свързване на АТР; 3. за хидролиза на грешно свързана АК. В първия етап аминоацил-tRNA-синтетазата свързва АК-та към АТР, като последният се хидролизира до АМР, свързан с активираната АК, а при реакцията се отделя Р ~ Р. Вторият етап е прехвърлянето на аминоацилната група към 3’ края на tRNA. АК се прехвърля или към 2’-или 3’-ОН група на крайният рибозен остатък на аденина, с които завършва tRNA (ССА). С коя група ще се свърже АК зависи от типа на ензима. Те са два класа:
1. Клас 1 – аминоацилната група се прехвърля към 2’-ОН група.
2. Клас 2 – аминоацилната група се прехвърля към 3’-ОН група.
tRNA имат определена пространствена структура и различни минорни бази, получени чрез модификация. Синтетазите разпознават повърхността на tRNA, така че ацилната група да се прехвърли правилно. По определен начин синтетазата разпознава и anti-кодоновата бримка на tRNA, към която се свързва точно определена АК. Коректорската функция на ензима се явява в това, че ако е свързна грешно дадена АК, тя се хидролизира и идва правилната на нейно място. Тази функция се осъществява от хидролазния активен център.
Взаимодействието “кодон – антикодон” става на принципа на комплементарността (Уотсън - Крикови взаимодействия) при първия и втория нуклеотиди от mRNA. Wooble взаимодействие се осъществява между кодона и антикодона на третия нуклеотид в mRNA. Следователно третият нуклеотид е по-малко значещ от първия и втория. В антикодона първият е по-малко значещия, а останалите два броя взаимодействат с Уотсън – Крикови взаимодействия.

tRNA С А G U I
mRNA
G U C
U A
G C
A
U Уотсън – Крикови взаимодействия
Wooble взаимодействия

mRNA C A G U
tRNA
G
I U
I G
U A
G
I Уотсън – Крикови взаимодействия
Wooble взаимодействия

Скоростта на белтъчния синтез е 3 – 5 АК/s. Малки белтъци (от 100 – 200 АК) се синтезират за по-малко от 1 min, а белтъци, съдържащи 3000 АК – например титина в мускулите – се синтезира за около 3h.

Инициация на ТРЛ (фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.10)
І. Procariota
Синтезата започва с АК Met, кодирана от start кодона AUG - инициаторен кодон, определящ N-края на белтъка. Има две tRNA за Met. Едната носи Met, когато кодонът е във вътрешността на веригата( tRNAiMet), а другата tRNA, свързваща Met, може да разпознава инициаторния кодон – тя се нар. tRNAi Met. При свързване на tRNAi Met се формилира до СНО–Met. При Euс и Archebacteria няма формилиране.
За да започне ТРЛ, двете СЕ на рибозомата трябва да са отделно. Малка СЕ се свързва с няколко белтъчни фактора, единият от които е G-белтък, свързан с GTР. Тези белтъци пречат на свързването на двете СЕ, а GTР носи енергия за образуване на иницииращия комплекс. Малка СЕ, заедно с иницииращите фактори образува преиницииращ комплекс. mRNA сe свързва с инициаторната tRNAiMet CHO в преинициращия комплекс.
Позиционирането на mRNA става при взаимодействие на 3’ края на 16S rRNA с 5’ края на mRNA (около 12 н.п. – SD, Шайн-Делгарно последователност). Белтъци разпознават мястото на инициращия кодон, към които се свързва fMet – CHO – образува се 30S иницииращ комплекс. При свързването става хидролиза на GTP, белтъчен комплекс се отделя от малка СЕ, а инициращия фактор се отделя като (белтък + GDP) и тогава голяма СЕ се свързва с малката до образуване на 70S иницииращ комплекс (фиг.11). Така завършва инициацията на ТРЛ. В голямата СЕ (50S) се оформят три функционални места – топографски центрове:
1. Р-място – пептидилно място – към него се свързва първата tRNAiMet.
2. А-място – аминоацилно място.
3. Е-място (exit) – за напускане на tRNA.
ІІ. Eucariota
Рибозомата също трябва да е разделена. Тук участват различни белтъчни фактори от Proc. Инициращите фактори (elF) отделят голямата от малката СЕ. Отначало се свързва elF ll, заедно с GTP и разпознава tRNAiMet. Този комплекс се свързва с малката СЕ и образува 43S преиницииращ комплекс. mRNA, с помощта на белтъчен фактор elF lV (хеликаза) + ATP се свързва с 18S RNA от мaлката СЕ. Едната от СЕ на elF lV разпознава cаp-стрктурата на mRNA, a другaта – други белтъци и свързва mRNA. Към малката СЕ се свързва и tRNAiMet. AUG кодонът е извън рибозомата, а не е позициониран в P-мястото. Малката СЕ започва да се движи по mRNA и достига първия AUG кодон като става здраво свързване на рибозомата с AUG и със съответния anti-кодон на tRNAiMet. Това свързване изисква хидролиза на АТР и отделяне на някои белтъчни фактори от преинициращия комплекс като се образува 40S иницииращ комплекс. Остава tRNAiMet ,свързана с elF ll – GTR (фиг.12).
Свързва се и голяма СЕ с участие на други белтъчни фактори и тук GTP се хидролизира и енергийно осигурява свързването на двете СЕ като се формира 80S иницииращ комплекс. Оформят се 3-те функционални места – P, A, E.
Повечето малки СЕ разпознават първия близък AUG кодон, за което значение има определена н.п. в 5’ позиция – Cosak секвенция (100 б. дв.). Н.п. преди AUG кодонът също има значение. 5’ края на mRNA се разпознават от белтък – elF lV с хеликазна активност и всички вторични структури в тази област на mRNA се премахват – mRNA се разгъва и рибозомата лесно върви до AUG.
AUG кодонът е на ~ 100 н.п. от 5’ края на mRNA. В някои случаи (Euc и vir) рибозомата пропуска първия AUG кодон и TPЛ започва от друг, вътрешен AUG кодон (на хил. н.п. от 5’ края). В тези случаи пред този AUG кодон има IRES (вътрешни response elements, фиг.13), формиращи вътрешна структура на RNA “стъбло – бримка”, разпознаваща се от малката СЕ. Така белтъкът няма някои АК в N-края и е по-къс. Много често някои белтъци с различна локализация (цитоплазмени и секреторни) се кодират от еднакви mRNA, но белтъчните продукти са различни. Секреторните белтъци в N-края си имат лидерна последователност за насочване към ЕПР, а цитоплазмените белтъци нямат такава, защото ТРЛ започва от вътрешен AUG кодон.
Транспептидазна реакция
В Р-място има tRNAiMet, в А-място е следващата tRNA, която с помощта на белтъчни фактори, свързани с GTР, разпознава с anti-кодона си кодона в mRNA. Ако tRNA не образува комплементарно взаимодействие, тя лесно се хидролизира, а на нейното място идва следващата tRNA. Всяко свързване на tRNA с А-мястото става с хидролиза на GTР. Двете АК са близо и са активирани. При тази АК, която е в Р-място, връзката между ОН-група на рибозата с Met се разкъсва и АК чрез СООН-група се свързва с NН2-група на АК при втората tRNA. Образуването пептидна връзка се катализира от голямата СЕ на рибозомата. Накрая първата tRNAi е свободна, а втората носи дипептид. Следва транслокация на рибозомата с енергия от GTР и с участие на белтъчен фактор (GTР-ase). При това втората tRNA с дипептида е в Р-място, а в А мястото навлиза трета tRNA, а първaта tRNAi е в Е-мястото. Връзката в последното място е слаба, защото то е пълно с Н2О и tRNA се хидролизира.
В терминацията участват два вида терминиращи фактори (RF), подобни на tRNA, но без АК (молекулна мимикрия). Разпознават различни stop кодони – UAG от RF1, а RF2 – UGА, UAA – от RF І и RF ІІ. Има трети белтъчен фактор – RF3 – (GTP-ase), който чрез белтък-белтъчно взаимодействие, хидролизирайки GTР, премества полипетида в Е-място и рибозомата е свободна (фиг.14).
tRNA непрекъснато променят позицията си в рибозомата. Прехвърля се АК към следващата tRNA и при транслокацията има междинен момент, при които tRNA има части в А и Р-местата, после в Р и Е-местата т.е. преместването не е статично, а молекулата заема междинни позиции.
В Euс повечето mRNA имат циклична структура по време на ТРЛ – Poly PАВ I е в цитоплазмата и се свързва с А-сигналното място, а 5’-края на mRNA – с elF IV, които също разпознава и PAB I молекулата. Когато ТРЛ свърши не става цялостна реконструкция на преинициращия комплекс, защото 5’ шапката е много близо и става бърза реконструкция през 43S - 40S - 80S- преиницииращ комплекс (фиг.15). При Proc няма Poly А, поради което това не става.
Полирибозомните комплекси (полизоми) осигуряват по-висока скорост на белтъчния синтез. При Рroc има едновременен синтез на различни белтъци от една mRNA, защото има Шайн - Делгарно последователност преди всеки ген.
ТРЛ е процес, който допуска една грешка на 104 АК, но тук има компромис между време, енергия и точност, защото белтъците имат по-кратък полуживот. При мутация в малката СЕ на бактерията, водеща до по-голяма точност на ТРЛ, МО умират, поради бавния синтез на белтъците.
За образуването на една ППВ се изразходват най-малко четири макроергични връзки. Ако се добави енергия за проверка на правилното натоварване на ензимите и свързване на tRNA, разходът се увеличава на шест макроергични връзки.

Контрол на ТРЛ
1. Ако синтезираната mRNA е непълна, има специална RNA, наречена tmRNA (363 нукл.), която има функция на tRNA и mRNA. Натоварена е с Ala и наподобява на структурата на tRNA, но няма антикодон.
Ако в Р-мястото е последната tRNA, носеща ППВ, в А-мястото влиза tmRNA (когато mRNA е прекъсната) без тя да разпознава кодона. Свързва се с А-мястото и Ala се прехвърля към ППВ. Частта от mRNA на молекулата (tmRNA) в А-мястото служи като матрица за ТРЛ, но след това ТРЛ спира. Последната АК се разпознава и белтък и се разгражда – “спасение” за скъсена RNA молекула.
2. Транслационно рекодирана – 21-та АК е Se – Cys, която се получава посттранслационно чрез рекодиране. Тази АК се образува от АК Ser, свързана с tRNA, разпознаваща UGA-кодон – когато tRNA разпознава UGA тя се разпознава от белтъчен фактор, модифициращ внесения Ser (-ОН + Se) – това е рекодиране, защото става трансформация на генетичния код.
3. Друг начин е frameshift-а – в някои retrovirus определена н.п. преди stop-кодона в mRNA се разпознава от белтъци и така stop кодона може да се изпусне като четири н.п. могат да се прочетат вместо един кодон и се образува определена АК. При други virus-и определени части от mRNA образуват специфични структури, разпознаващи се от белтъци и рибозомата може да се върне един нуклеотид назад – пак се получава frameshift.