В рибосоме при синтезе белка находятся триплеты ирнк: В рибосоме при биосинтезе белка располагаются два триплета и-РНК,и которым в соответствии с

Ученые показали, как эволюционно древний механизм биосинтеза белка помогает клетке противостоять стрессу

Как одна и та же мРНК может направлять синтез белка в клетке четырьмя различными способами, выяснили российские ученые. Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает, что такое клеточный стресс и как он влияет на производство белка.

Биологи МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта (ИМБ РАН) и Института белка РАН, применив метод трансфекции РНК, выяснили, как одна и та же мРНК может направлять синтез белка в клетке четырьмя различными способами. Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Scientific Reports.

Клеточный стресс и переформатирование белкового синтеза

«Наша работа посвящена изучению механизмов биосинтеза белка, в том числе в условиях клеточного стресса. В ней освещается три аспекта. Первый аспект — методический. Мы презентуем метод, позволяющий анализировать синтез белка в клетке с помощью метода краткосрочной РНК-трансфекции», — комментирует ведущий автор статьи, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИИ ФХБ МГУ и ИМБ РАН Сергей Дмитриев.

Трансфекция — способ, позволяющий доставлять ДНК и РНК в живую клетку. Обычно в клетку доставляют ДНК: она проникает в ядро, запускает там процессы синтеза новых РНК, и только потом эти РНК попадают в цитоплазму и могут принять участие в получении белков. Биологи МГУ предлагают доставлять в клетку уже готовую РНК, которая сразу может служить матрицей для синтеза белка. РНК доставляется в клетку с помощью специального химического реагента. При попадании в цитоплазму она освобождается и сразу начинает участвовать в производстве белков: ей остается только встретиться с рибосомой.

Таким образом, путь до конечного продукта получается сильно короче. Уже через час-два можно наблюдать активность белка и оценивать его количество.

Этот метод позволяет изучать стрессовые воздействия на клетку на коротких временных интервалах. К клеточным стрессам относятся, например, тепловой шок, вызванный повышением температуры, окислительный стресс, спровоцированный активными формами кислорода, реакция на химические агенты, нарушающие гомеостаз, в том числе на антибиотики и терапевтические препараты. Факторы клеточного стресса вынуждают клетку приостановить биосинтез белка (либо «переформатировать» его), пока система не придёт в равновесие.

«Эти процессы обычно занимают от 1 до 4 часов, и их действие удобнее всего изучать с помощью нашего метода «быстрой» РНК-трансфекции. Мы проводили работу на культивируемых клетках почки человека — стандартном модельном объекте для подобных исследований. В результате нами была разработана методика, которая позволяет получать искусственную РНК, трансфицировать её в клетку и видеть результат через очень короткое время. Вся эта процедура была обозначена нами аббревиатурой FLERT (от англ. fleeting mRNA transfection) – немного созвучной со словом «флирт»», — улыбается Сергей.

Почему у рибосомы сумма 40S и 60S равна 80S

Матричная РНК (мРНК) — полимер из нуклеотидов, кодирующий белок. Одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида. Для производства белка в клетке существует специальная молекулярная машина под названием рибосома, которая, двигаясь вдоль мРНК, считывает с неё информацию тройками. Именно так, используя мРНК как матрицу, рибосома и синтезирует белок.

Машина для синтеза белка устроена очень сложно. Она состоит из двух субчастиц — малой (40S) и большой (60S). Когда они соединяются, получается целая рибосома, но она, как ни странно, обозначается не 100S, а 80S. Дело в том, что эти числа отражают не массу частицы, а коэффициент седиментации, определяемый при центрифугировании. Этот коэффициент зависит от нескольких параметров, в том числе от формы частицы.

Для того чтобы приступить к раскодированию информации, нужно сначала найти правильную точку старта — триплет, с которого предстоит начать считывание.

Обнаружить точку старта — это нетривиальная задача, поскольку триплеты в мРНК никак не обозначены. Но если начать читать не с того нуклеотида, то рамка считывания окажется сбита, и всё пойдёт вкривь и вкось.

Найти в матрице то место, с которого следует начать читать триплеты, рибосоме помогают специальные белки (факторы инициации трансляции).

Обычно в цепочке мРНК точка старта отстоит от её начала на какое-то расстояние. Часть мРНК, предшествующая стартовому кодону, именуется лидером. Этот лидер рибосома должна «проехать», не читая. Российские ученые заинтересовались вопросом, что будет, если мРНК сразу начнется со стартового кодона, с «первого слова». Интересно, что у архей (одноклеточные организмы-прокариоты, живущие на Земле миллиарды лет и способные выживать в экстремальных условиях) и у некоторых других примитивных организмов большинство мРНК начинаются прямо со стартового кодона. Такие РНК называются безлидерными. Принято считать, что безлидерные мРНК — эволюционный прообраз матричных РНК, ведь древние рибосомы ещё не умели находить стартовые точки и начинали декодирование с самого начала.

Для того чтобы рибосома связалась с мРНК и начала синтез белка, ей нужно пройти несколько стадий. Как правило, сначала с мРНК связывается 40S-субчастица рибосомы, а уже потом на стартовом кодоне к ней присоединяется большая 60S-субчастица. А вот безлидерная мРНК может связываться сразу с целой рибосомой. Это открытие сделал ещё в 90-е годы профессор МГУ имени М.В. Ломоносова Иван Шатский.

В новой работе ученые показали, что благодаря своим уникальным свойствам безлидерные РНК устойчивы ко многим видам стресса и продолжают направлять синтез белков даже в условиях, при которых обычные РНК с лидером прекращают работать в первые же минуты после воздействия.

С помощью метода FLERT это удалось показать в системе in vivo.

Все дороги хороши — выбирай на свой вкус

Продолжение работы принесло ещё более интересные результаты. Оказалось, что уникальные свойства безлидерной мРНК придают ей большую пластичность в выборе механизмов синтеза белка.

Ранее у эукариот было найдено несколько способов, с помощью которых рибосома может оказаться на стартовом кодоне. Эти способы опосредуются разным набором белков — факторов инициации трансляции — и были открыты на разных мРНК.

Самый распространенный способ, которым может воспользоваться любая клеточная мРНК, обеспечивается белком eIF2. Однако этот фактор быстро становится неактивным при любом стрессовом воздействии. В результате рибосомы перестают распознавать стартовые кодоны на всех мРНК, кроме тех, которые пользуются другими факторами инициации.

Позднее ученые обнаружили, что eIF2 — не единственный фактор, который подходит для этих целей. Например, мРНК вируса гепатита С способна обойтись без eIF2, а вместо него использовать другие факторы — eIF5B или eIF2D (это открытие также было сделано учеными МГУ имени М.В. Ломоносова ранее). Считалось, что вирус в этом плане уникален: если обычные матрицы пассивно ждут, пока с ними свяжется рибосома, то мРНК вируса гепатита С сама «хватает» 40S-субчастицу и «сажает» ее на нужное место в цепочке.Это необычное свойство и делает возможным использование альтернативных путей.

Теперь же ученые показали, что безлидерная мРНК способна делать то же самое.

Интересно, что фактор eIF5B есть у всех организмов — это эволюционно консервативный белок. А классический eIF2 присутствует только у эукариот, у высших организмов, т.е. он универсальным не является. Совокупность упомянутых работ позволяет сказать, что хорошо изученный классический фактор eIF2 нужен только тогда, когда рибосомы узнают мРНК посредством поиска стартового кодона. Такой способ инициации трансляции называется сканированием, именно для него и нужен eIF2. Когда стартовый кодон найден, на место eIF2 приходит eIF5B и начинается биосинтез белка. Эволюционно более древняя безлидерная мРНК может использовать примитивный механизм, сразу привлекая фактор eIF5B.

«У нас получился красивый результат, который сразу всё объяснил. Мы обнаружили, что примитивная РНК может использовать эволюционно древний механизм. А кроме того, она умеет пользоваться и тремя остальными путями: через eIF2, eIF2D или прямое связывание целой 80S рибосомы», — заключает Сергей Дмитриев.

Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Биосинтез белка. Транскрипция и трансляция

Биосинтез белка и генетический код

Определение 1

Биосинтез белка – ферментативный процесс синтеза белков в клетке. В нём участвуют три структурные элемента клетки – ядро, цитоплазма, рибосомы.

В ядре клетки в молекулах ДНК сохраняется информация о всех белках, которые в ней синтезируются, зашифрованная с помощью четырёхбуквенного кода.

Определение 2

Генетический код – это последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в молекуле белка.

Свойства генетического кода таковы:

• Генетический код триплетный, то есть каждой аминокислоте соответствует свой кодовый триплет (кодон), состоящий из трёх расположенных рядом нуклеотидов.

  Пример 1

  Аминокислота цистеин кодируется триплетом А-Ц-А, валин – триплетом Ц-А-А.

• Код не перекрывается, то есть нуклеотид не может входить в состав двух соседних триплетов.

• Код вырожден, то есть одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.

  Пример 2

  Аминокислота тирозин кодируется двумя триплетами.

• Код не имеет запятых (разделительных знаков), считывание информации происходит тройками нуклеотидов.

  Замечание 1

  Существуют три несодержательные кодоны (УАГ, УАА, УГА), которые не кодируют аминокислоты и, возможно, действуют ка «стоп-сигналы», разделяя гены в молекуле ДНК.

  Определение 3

  Ген – участок молекулы ДНК, который характеризуется определённой последовательностью нуклеотидов и определяет синтез одногой полипептидной цепи.

• Код является универсальным, то есть единым для всех живых организмов – от бактерий до человека. У всех организмов есть одни и те же 20 аминокислот, которые кодируются одними и теми же триплетами.

Этапы биосинтеза белка: транскрипция и трансляция

Структура любой белковой молекулы закодирована в ДНК, которая не участвует непосредственно в её синтезе. Она служит лишь матрицей для синтеза РНК.

Процесс биосинтеза белка происходит на рибосомах, которые расположены преимущественно в цитоплазме. Значит, для осуществления передачи к месту синтеза белка генетической информации из ДНК нужен посредник. Эту функцию выполняет иРНК.

Определение 4

Процесс синтеза молекулы иРНК на одной цепи молекулы ДНК на основании принципа комплементарности называется транскрипцией, или переписыванием.

Транскрипция происходит в ядре клетки.

Готовые работы на аналогичную тему

Процесс транскрипции осуществляется одновременно не на всей молекуле ДНК, а лишь на её небольшом участке, который отвечает определённому гену. При этом происходит раскручивание части двойной спирали ДНК и короткий участок одной из цепей оголяется – теперь он будет выполнять роль матрицы для синтеза иРНК.

Потом вдоль этой цепи двигается фермент РНК-полимераза, соединяющий нуклеотиды в цепь иРНК, которая удлиняется.

Замечание 2

Транскрипция может одновременно происходить и на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосомах.

Образованная в результате иРНК содержит последовательность нуклеотидов, которая является точной копией последовательности нуклеотидов на матрице.

Замечание 3

Если в молекуле ДНК есть азотистое основание цитозин, то в иРНК – гуанин и наоборот. Комплементарной парой в ДНК является аденин – тимин, а РНК вместо тимина содержит урацил.

На специальных генах синтезируются и два другие типа РНК – тРНК и рРНК.

Начало и окончание синтеза всех типов РНК на матрице ДНК строго фиксированы специальными триплетами, которые контролируют запуск (инициирующие) и остановку (терминальные) синтеза. Они выполняют функции «разделительных знаков» между генами.

Соединение тРНК с аминокислотами происходит в цитоплазме. Молекула тРНК формой напоминает листик клевера, на его верхушке расположен антикодон – триплет нуклеотидов, который кодирует аминокислоту, которую переносит данная тРНК.

Сколько видов аминокислот, столько существует и тРНК.

Замечание 4

Поскольку много аминокислот могут кодироваться несколькими триплетами, то количество тРНК больше 20 (известно около 60 тРНК).

Соединение тРНК с аминокислотами происходит с участием ферментов. Молекулы тРНК транспортируют аминокислоты к рибосомам.

Определение 5

Трансляция – это процесс, в результате которого информация о структуре белка, записанная в иРНК в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в молекуле белка, которая синтезируется.

Этот процесс осуществляется в рибосомах.

Сначала иРНК присоединяется к рибосоме. На иРНК «нанизывается» первая рибосома, которая синтезирует белок. По мере продвижения рибосомы на конец иРНК, который освободился, «нанизывается» новая рибосома. На одной иРНК могут находиться одновременно более 80 рибосом, которые синтезируют один и тот же белок. Такая группа рибосом, соединённых с одной иРНК, называется полирибосомой, или полисомой. Вид белка, который синтезируется, определяется не рибосомой, а информацией, записанной на иРНК. Одна и та же рибосома способна синтезировать разные белки. После завершения синтеза белка рибосома отделяется от иРНК, а белок поступает в эндоплазматическую сеть.

Каждая рибосома состоит из двух субъединиц – малой и большой. Молекула иРНК присоединяется к малой субъединице. В месте контакта рибосомы и иРН находятся 6 нуклеотидов (2 триплета). К одному из них всё время подходят из цитоплазмы тРНК с разными аминокислотами и касаются антикодоном кодона иРНК. Если триплеты кодона и антикодона оказываются комплементарными, между аминокислотой уже синтезированной части белка и аминокислотой, которая доставляется тРНК, возникает пептидная связь. Соединение аминокислот в молекулу белка осуществляется с участием фермента синтетазы. Молекула тРНК отдаёт аминокислоту и переходит в цитоплазму, а рибосома передвигается на один триплет нуклеотидов. Так последовательно синтезируется полипептидная цепь. Продолжается всё это до тех пор, пока рибосома не дойдёт к одному из трёх терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. После этого синтез белка прекращается.

Замечание 5

Таким образом, последовательность кодонов иРНК определяет последовательность включения аминокислот в цепь белка. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматического ретикулюма. Одна молекула белка в клетке синтезируется за 1 — 2 минуты.

Подборка заданий по теме «Биосинтез белка» ЕГЭ №27

1.Фраг­мент цепи ДНК имеет по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов ТТ­ТА­ГЦТГТЦГГ­ТАГ. В ре­зуль­та­те про­изо­шед­шей му­та­ции в пятом три­пле­те пер­вый нук­лео­тид Т был заменён на нук­лео­тид А. Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на и-РНК по ис­ход­но­му фраг­мен­ту цепи ДНК и по изменённому. Ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода, опре­де­ли­те ами­но­кис­ло­ту, по­явив­шу­ю­ся в ре­зуль­та­те му­та­ции, и объ­яс­ни­те, что может про­изой­ти с мо­ле­ку­лой белка и его свой­ства­ми после воз­ник­шей му­та­ции ДНК.

По­яс­не­ние.

1) ис­ход­ный фраг­мент и-РНК – ААА УЦГ АЦА ГЦЦ АУЦ;

2) изменённый фраг­мент и-РНК – ААА УЦГ АЦА ГЦЦ УУЦ;

3) в белке в ре­зуль­та­те му­та­ции пя­то­го три­пле­та за­ме­нит­ся ами­но­кис­ло­та иле на ами­но­кис­ло­ту фен, что может при­ве­сти к из­ме­не­нию пер­вич­ной и дру­гих струк­тур мо­ле­ку­лы. Могут воз­ник­нуть новые при­зна­ки ор­га­низ­мА

2.Ге­не­ти­че­ский ап­па­рат ви­ру­са пред­став­лен мо­ле­ку­лой РНК, фраг­мент ко­то­рой имеет сле­ду­ю­щую нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность: ГУ­ГАА­А­ГАУ­ЦА­У­ГЦ­ГУГГ. Опре­де­ли­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность дву­це­поч­ной мо­ле­ку­лы ДНК, ко­то­рая син­те­зи­ру­ет­ся в ре­зуль­та­те об­рат­ной тран­скрип­ции на РНК ви­ру­са. Уста­но­ви­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов в иРНК и ами­но­кис­лот во фраг­мен­те белка ви­ру­са, ко­то­рая за­ко­ди­ро­ва­на в най­ден­ном фраг­мен­те мо­ле­ку­лы ДНК. Мат­ри­цей для син­те­за иРНК, на ко­то­рой идёт син­тез ви­рус­но­го белка, яв­ля­ет­ся вто­рая цепь дву­це­поч­ной ДНК. Для ре­ше­ния за­да­чи ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

 По­яс­не­ние.

1) РНК ви­ру­са ГУГ ААА ГАУ ЦАУ ГЦГ УГГ

ДНК 1 цепь ЦАЦ ТТТ ЦТА ГТА ЦГЦ АЦЦ

ДНК 2 цепь ГТГ ААА ГАТ ЦАТ ГЦГ ТГГ

2) иРНК ЦАЦ УУУ ЦУА ГУА ЦГЦ АЦЦ (по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти по­стро­е­на по 2 цепи ДНК)

3) белок гис – фен – лей – вал – арг – тре (по таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода, на ос­но­ве най­ден­ной иРНК)

3. Фраг­мент цепи ДНК имеет по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов ТТ­ТА­ГЦТГТЦГ­ГА­АГ. В ре­зуль­та­те про­изо­шед­шей му­та­ции в тре­тьем три­пле­те тре­тий нук­лео­тид заменён на нук­лео­тид А. Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на и-РНК по ис­ход­но­му фраг­мен­ту цепи ДНК и изменённому. Объ­яс­ни­те, что про­изойдёт с фраг­мен­том мо­ле­ку­лы белка и его свой­ства­ми после воз­ник­шей му­та­ции ДНК. Для ре­ше­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода

По­яс­не­ние.

Схема ре­ше­ния за­да­чи вклю­ча­ет:

1) По­сле­до­ва­тель­ность на и-РНК по ис­ход­но­му фраг­мен­ту цепи ДНК: АА­А­УЦ­ГА­ЦА­ГЦ­ЦУ­УЦ;

2) По­сле­до­ва­тель­ность на и-РНК по изменённому фраг­мен­ту цепи ДНК: АА­А­УЦ­ГА­ЦУ­ГЦ­ЦУ­УЦ;

3) Фраг­мент мо­ле­ку­лы белка и его свой­ства не из­ме­ня­ют­ся, так как три­пле­ты АЦА и АЦУ ко­ди­ру­ют одну ами­но­кис­ло­ту ТРЕ.

4. Из­вест­но, что все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це. Фраг­мент мо­ле­ку­лы ДНК, на ко­то­рой син­те­зи­ру­ет­ся уча­сток цен­траль­ной петли тРНК, имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов: ЦГТ-ГГГ-ГЦТ-АГГ- ЦТГ. Какую ами­но­кис­ло­ту будет пе­ре­но­сить тРНК, син­те­зи­ру­е­мая на этом фраг­мен­те ДНК, если её тре­тий три­плет со­от­вет­ству­ет ан­ти­ко­до­ну? Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

Схема ре­ше­ния за­да­чи вклю­ча­ет:

1) Нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность тРНК

 

ГЦА-ЦЦЦ-ЦГА-УЦЦ-ГАЦ.

 

2) Нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ан­ти­ко­до­на ЦГА (тре­тий три­плет) со­от­вет­ству­ет ко­до­ну на иРНК — ГЦУ.

3) По таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода этому ко­до­ну со­от­вет­ству­ет ами­но­кис­ло­та АЛА, ко­то­рую будет пе­ре­но­сить дан­ная тРНК.

 

При­ме­ча­ние.

В дан­ном типе за­да­ний клю­че­вы­ми сло­ва­ми яв­ля­ют­ся: «все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це».

Т. е. нам не­об­хо­ди­мо найти имен­но тРНК — мо­ле­ку­лы, со­сто­я­щие из 70—90 нук­лео­ти­дов, ко­то­рые свер­ну­ты опре­де­лен­ным об­ра­зом и на­по­ми­на­ют по форме кле­вер­ный лист и пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты в био­син­те­зе белка. Син­те­зи­ру­ют­ся они на ДНК в опре­де­лен­ных участ­ках, ко­то­рые видны под мик­ро­ско­пом в виде яд­ры­шек.

По­это­му, сна­ча­ла на ДНК по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти опре­де­ля­ем уча­сток тРНК (так же как мы это де­ла­ли при опре­де­ле­нии иРНК).

Затем на­хо­дим тот три­плет, ко­то­рый яв­ля­ет­ся цен­траль­ным, имен­но его по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти пе­ре­во­дим в иРНК и толь­ко те­перь по таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода на­хо­дим ами­но­кис­ло­ту.

5. Фраг­мент цепи ДНК имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов:

 

ТТА ГАА ТАТ ЦАГ ГАЦ

 

Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на иРНК, ан­ти­ко­до­ны со­от­вет­ству­ю­щих тРНК и по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы белка, ко­ди­ру­е­мом ука­зан­ным фраг­мен­том ДНК, ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

1) ДНК – ТТА ГАА ТАТ ЦАГ ГАЦ

иРНК – ААУ ЦУУ АУА ГУЦ ЦУГ

2) тРНК – УУА ГАА УАУ ЦАГ ГАЦ

3) фраг­мент мо­ле­ку­лы белка АСН– ЛЕЙ – ИЛЕ – ВАЛ — ЛЕЙ

6. Ан­ти­ко­до­ны тРНК по­сту­па­ют к ри­бо­со­мам в сле­ду­ю­щей по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов УЦГ, ЦГА, ААУ, ЦЦЦ. Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на иРНК, по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на ДНК, ко­ди­ру­ю­щих опре­де­лен­ный белок и по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы син­те­зи­ру­е­мо­го белка, ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода

ответ1) По прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на и-РНК: иРНК АГЦ-ГЦУ-УУА-ГГГ;

2) тогда по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве иРНК на­хо­дим ДНК: ТЦГ-ЦГА-ААТ-ЦЦЦ,

3) С по­мо­щью таб­ли­цы ге­не­ти­че­ско­го кода на ос­но­ве иРНК опре­де­ля­ем по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот: СЕР-АЛА-ЛЕЙ-ГЛИ.

7. По­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы белка сле­ду­ю­щая: ФЕН-ГЛУ-МЕТ. Опре­де­ли­те, поль­зу­ясь таб­ли­цей ге­не­ти­че­ско­го кода, воз­мож­ные три­пле­ты ДНК, ко­то­рые ко­ди­ру­ют этот фраг­мент белка.

Ответ 1) Ами­но­кис­ло­та ФЕН ко­ди­ру­ет­ся сле­ду­ю­щи­ми три­пле­та­ми иРНК: УУУ или УУЦ, сле­до­ва­тель­но, на ДНК ее ко­ди­ру­ют три­пле­ты ААА или ААГ.

2) Ами­но­кис­ло­та ГЛУ ко­ди­ру­ет­ся сле­ду­ю­щи­ми три­пле­та­ми иРНК: ГАА или­ГАГ. Сле­до­ва­тель­но, на ДНК ее ко­ди­ру­ют три­пле­ты ЦТТ или ЦТЦ.

3) Ами­но­кис­ло­та МЕТ ко­ди­ру­ет­ся три­пле­том иРНК АУГ. Сле­до­ва­тель­но, на ДНК ее ко­ди­ру­ет три­плет ТАЦ.

8. Из­вест­но, что все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це. Фраг­мент мо­ле­ку­лы ДНК, на ко­то­ром син­те­зи­ру­ет­ся уча­сток тРНК, имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов ТТГ-ГАА-ААА-ЦГГ-АЦТ. Уста­но­ви­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК ко­то­рый син­те­зи­ру­ет­ся на дан­ном фраг­мен­те. Какой кодон иРНК будет со­от­вет­ство­вать цен­траль­но­му ан­ти­ко­до­ну этой тРНК? Какая ами­но­кис­ло­та будет транс­пор­ти­ро­вать­ся этой тРНК? Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния за­да­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

Ответ 1) Нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК ААЦ-ЦУУ-УУУ-ГЦЦ-УГА;

2) нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ан­ти­ко­до­на тРНК — УУУ;

3) нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ко­до­на иРНК — ААА;

4) транс­пор­ти­ру­е­мая ами­но­кис­ло­та — лизин.

 При­ме­ча­ние.

В дан­ном типе за­да­ний клю­че­вы­ми сло­ва­ми яв­ля­ют­ся: «все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це».

Т. е. нам не­об­хо­ди­мо найти имен­но тРНК — мо­ле­ку­лы, со­сто­я­щие из 70—90 нук­лео­ти­дов, ко­то­рые свер­ну­ты опре­де­лен­ным об­ра­зом и на­по­ми­на­ют по форме кле­вер­ный лист и пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты в био­син­те­зе белка. Син­те­зи­ру­ют­ся они на ДНК в опре­де­лен­ных участ­ках, ко­то­рые видны под мик­ро­ско­пом в виде яд­ры­шек.

По­это­му, сна­ча­ла на ДНК по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти опре­де­ля­ем уча­сток тРНК (так же как мы это де­ла­ли при опре­де­ле­нии иРНК).

Затем на­хо­дим тот три­плет, ко­то­рый яв­ля­ет­ся цен­траль­ным, имен­но его по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти пе­ре­во­дим в иРНК и толь­ко те­перь по таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода на­хо­дим ами­но­кис­ло­ту.

9. В про­цес­се транс­ля­ции участ­во­ва­ло 30 мо­ле­кул т-РНК. Опре­де­ли­те число ами­но­кис­лот, вхо­дя­щих в со­став син­те­зи­ру­е­мо­го белка, а также число три­пле­тов и нук­лео­ти­дов в гене, ко­то­рый ко­ди­ру­ет этот белок.

ответ1) Одна т-РНК транс­пор­ти­ру­ет одну ами­но­кис­ло­ту. Так как в син­те­зе белка участ­во­ва­ло 30 т-РНК, белок со­сто­ит из 30 ами­но­кис­лот.

2) Одну ами­но­кис­ло­ту ко­ди­ру­ет три­плет нук­лео­ти­дов, зна­чит, 30 ами­но­кис­лот ко­ди­ру­ет 30 три­пле­тов.

3) Три­плет со­сто­ит из 3 нук­лео­ти­дов, зна­чит ко­ли­че­ство нук­лео­ти­дов в гене, ко­ди­ру­ю­щем белок из 30 ами­но­кис­лот, равно 30х3=90.

10.В био­син­те­зе по­ли­пеп­ти­да участ­ву­ют мо­ле­ку­лы т-РНК с ан­ти­ко­до­на­ми УГА, АУГ, АГУ, ГГЦ, ААУ. Опре­де­ли­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка каж­дой цепи мо­ле­ку­лы ДНК, ко­то­рый несет ин­фор­ма­цию о син­те­зи­ру­е­мом по­ли­пеп­ти­де, и число нук­лео­ти­дов, со­дер­жа­щих аде­нин (А), гу­а­нин (Г), тимин (Т), ци­то­зин (Ц) в двух­це­по­чеч­ной мо­ле­ку­ле ДНК. Ответ по­яс­ни­те.

1) и-РНК: АЦУ – УАЦ – УЦА – ЦЦГ – УУА (по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти).

2) ДНК: 1-ая цепь: ТГА – АТГ – АГТ – ГГЦ – ААТ

2-ая цепь: АЦТ – ТАЦ –ТЦА –ЦЦГ — ТТА

3) ко­ли­че­ство нук­лео­ти­дов: А — 9 (30%), Т — 9 (30%),

так как А=Т; Г — 6 (20%), Ц — 6 (20%), так как Г=Ц.

11.В био­син­те­зе белка участ­во­ва­ли т-РНК с ан­ти­ко­до­на­ми: УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ. Опре­де­ли­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка каж­дой цепи мо­ле­ку­лы ДНК, ко­то­рый несет ин­фор­ма­цию о син­те­зи­ру­е­мом по­ли­пеп­ти­де, и число нук­лео­ти­дов, со­дер­жа­щих аде­нин, гу­а­нин, тимин, ци­то­зин в двух­це­по­чеч­ной мо­ле­ку­ле ДНК.

1) Ан­ти­ко­до­ны т-РНК ком­пле­мен­тар­ны ко­до­нам и-РНК, а по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов и-РНК ком­пле­мен­тар­на одной из цепей ДНК.

2) т-РНК: УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ

и-РНК: ААУ-ЦЦГ-ГЦГ-УАА-ГЦА

1 цепь ДНК: ТТА-ГГЦ-ЦГЦ-АТТ-ЦГТ

2 цепь ДНК: ААТ-ЦЦГ-ГЦГ-ТАА-ГЦА.

3) В мо­ле­ку­ле ДНК А=Т=7, число Г=Ц=8.

12. В про­бир­ку по­ме­сти­ли ри­бо­со­мы из раз­ных кле­ток, весь набор ами­но­кис­лот и оди­на­ко­вые мо­ле­ку­лы и-РНК и т-РНК, со­зда­ли все усло­вия для син­те­за белка. По­че­му в про­бир­ке будет син­те­зи­ро­вать­ся один вид белка на раз­ных ри­бо­со­мах?

1) Пер­вич­ная струк­ту­ра белка опре­де­ля­ет­ся по­сле­до­ва­тель­но­стью ами­но­кис­лот, за­шиф­ро­ван­ных на участ­ке мо­ле­ку­лы ДНК. ДНК яв­ля­ет­ся мат­ри­цей для мо­ле­ку­лы и-РНК.

2) Мат­ри­цей для син­те­за белка яв­ля­ет­ся мо­ле­ку­ла и-РНК, а они в про­бир­ке оди­на­ко­вые.

3) К месту син­те­за белка т-РНК транс­пор­ти­ру­ют ами­но­кис­ло­ты в со­от­вет­ствии с ко­до­на­ми и-РНК.

13. Опре­де­ли­те:по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на и-РНК, ан­ти­ко­до­ны со­от­вет­ству­ю­щих т-РНК и ами­но­кис­лот­ную по­сле­до­ва­тель­ность со­от­вет­ству­ю­ще­го фраг­мен­та мо­ле­ку­лы белка (ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода),

если фраг­мент цепи ДНК имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов: ГТГ­ТАТГ­ГА­АГТ.

1) По прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве ДНК на­хо­дим иРНК: ЦАЦ-АУА-ЦЦУ-УЦА — и-РНК.

2) По прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве иРНК на­хо­дим три­пле­ты тРНК: ГУГ; УАУ; ГГА; АГУ — ан­ти­ко­до­ны т-РНК.

3) С по­мо­щью таб­ли­цы ге­не­ти­че­ско­го кода на ос­но­ве иРНК (ЦАЦ-АУА-ЦЦУ-УЦА) на­хо­дим по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот. Ами­но­кис­ло­ты: Гис-иле-про-сер

14. Фраг­мент цепи ДНК имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов: ТТА­ЦАГГ­ТТ­ТАТ. Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на иРНК, ан­ти­ко­до­ны со­от­вет­ству­ю­щих тРНК и ами­но­кис­лот­ную по­сле­до­ва­тель­ность со­от­вет­ству­ю­ще­го фраг­мен­та мо­ле­ку­лы белка, ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

1) ДНК ТТА-ЦАГ-ГТТ-ТАТ

иРНК ААУ-ГУЦ-ЦАА-АУА.

2) Ан­ти­ко­до­ны тРНК УУА, ЦАГ, ГУУ, УАУ.

3) По­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот: асн-вал-глн-иле.

15. Белок со­сто­ит из 100 ами­но­кис­лот. Уста­но­ви­те, во сколь­ко раз мо­ле­ку­ляр­ная масса участ­ка гена, ко­ди­ру­ю­ще­го дан­ный белок, пре­вы­ша­ет мо­ле­ку­ляр­ную массу белка, если сред­няя мо­ле­ку­ляр­ная масса ами­но­кис­ло­ты – 110, а нук­лео­ти­да — 300. Ответ по­яс­ни­те.

Эле­мен­ты от­ве­та:

1) ге­не­ти­че­ский код три­пле­тен, сле­до­ва­тель­но, белок, со­сто­я­щий из 100 ами­но­кис­лот, ко­ди­ру­ют 300 нук­лео­ти­дов;

2) мо­ле­ку­ляр­ная масса белка 100 х 110 = 11000; мо­ле­ку­ляр­ная масса гена 300 х 300 = 90000;

3) уча­сток ДНК тя­же­лее, чем ко­ди­ру­е­мый им белок, в 8 раз (90 000/11 000).

16. В про­цес­се транс­ля­ции участ­во­ва­ло 30 мо­ле­кул тРНК. Опре­де­ли­те число ами­но­кис­лот, вхо­дя­щих в со­став син­те­зи­ру­е­мо­го белка, а также число три­пле­тов и нук­лео­ти­дов в гене, ко­то­рый ко­ди­ру­ет этот белок.

По­яс­не­ние.

1) одна тРНК транс­пор­ти­ру­ет одну ами­но­кис­ло­ту, сле­до­ва­тель­но, 30 тРНК со­от­вет­ству­ют 30 ами­но­кис­ло­там, и белок со­сто­ит из 30 ами­но­кис­лот;

2) одну ами­но­кис­ло­ту ко­ди­ру­ет три­плет нук­лео­ти­дов, зна­чит, 30 ами­но­кис­лот, ко­ди­ру­ют 30 три­пле­тов;

3) ко­ли­че­ство нук­лео­ти­дов в гене, ко­ди­ру­ю­щем белок из 30 ами­но­кис­лот, 30 · 3 = 90.

17. Из­вест­но, что все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це. Фраг­мент мо­ле­ку­лы ДНК, на ко­то­ром син­те­зи­ру­ет­ся уча­сток цен­траль­ной петли тРНК, имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов АТА­ГЦТ­ГА­АЦГ­ГАЦТ. Уста­но­ви­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК, ко­то­рый син­те­зи­ру­ет­ся на дан­ном фраг­мен­те, и ами­но­кис­ло­ту, ко­то­рую будет пе­ре­но­сить эта тРНК в про­цес­се био­син­те­за белка, если тре­тий три­плет со­от­вет­ству­ет ан­ти­ко­до­ну тРНК. Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния за­да­чи ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

1) нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК УА­УЦ­ГА­ЦУ­У­ГЦ­ЦУ­ГА;

2) нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ан­ти­ко­до­на ЦУУ (тре­тий три­плет) со­от­вет­ству­ет ко­до­ну на иРНК ГАА;

3) по таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода этому ко­до­ну со­от­вет­ству­ет ами­но­кис­ло­та ГЛУ, ко­то­рую будет пе­ре­но­сить дан­ная тРНК.

 При­ме­ча­ние.

В дан­ном типе за­да­ний клю­че­вы­ми сло­ва­ми яв­ля­ют­ся: «все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це».

Т. е. нам не­об­хо­ди­мо найти имен­но тРНК — мо­ле­ку­лы, со­сто­я­щие из 70—90 нук­лео­ти­дов, ко­то­рые свер­ну­ты опре­де­лен­ным об­ра­зом и на­по­ми­на­ют по форме кле­вер­ный лист и пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты в био­син­те­зе белка. Син­те­зи­ру­ют­ся они на ДНК в опре­де­лен­ных участ­ках, ко­то­рые видны под мик­ро­ско­пом в виде яд­ры­шек.

По­это­му, сна­ча­ла на ДНК по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти опре­де­ля­ем уча­сток тРНК (так же как мы это де­ла­ли при опре­де­ле­нии иРНК).

Затем на­хо­дим тот три­плет, ко­то­рый яв­ля­ет­ся цен­траль­ным, имен­но его по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти пе­ре­во­дим в иРНК и толь­ко те­перь по таб­ли­це ге­не­ти­че­ско­го кода на­хо­дим ами­но­кис­ло­ту.

18.Уча­сток мо­ле­ку­лы ДНК имеет сле­ду­ю­щий со­став: — Г-А-Т-Г-А-А-Т-А-Г-Т-Г-Ц-Т-Т-Ц. Пе­ре­чис­ли­те не менее 3 по­след­ствий, к ко­то­рым может при­ве­сти слу­чай­ная за­ме­на седь­мо­го нук­лео­ти­да ти­ми­на на ци­то­зин (Ц).

По­яс­не­ние.

1) про­изой­дет ген­ная му­та­ция — из­ме­нит­ся кодон тре­тьей ами­но­кис­ло­ты;

2) в белке может про­изой­ти за­ме­на одной ами­но­кис­ло­ты на дру­гую, в ре­зуль­та­те из­ме­нит­ся пер­вич­ная струк­ту­ра белка;

3) могут из­ме­нить­ся все осталь­ные струк­ту­ры белка, что по­вле­чет за собой по­яв­ле­ние у ор­га­низ­ма но­во­го при­зна­ка.

19. Фраг­мент цепи ДНК имеет по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов ГТГ­ТАТГ­ГА­АГТ. Опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на иРНК, ан­ти­ко­до­ны со­от­вет­ству­ю­щих тРНК и по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы белка, ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

1) по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов на иРНК: ЦА­ЦА­У­АЦ­ЦУ­У­ЦА;

2) ан­ти­ко­до­ны мо­ле­кул тРНК: ГУГ, УАУ, ГГА, АГУ;

3) по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле белка: гис-иле-про-сер.

20. Фраг­мент ри­бо­сом­но­го гена имеет по­сле­до­ва­тель­ность АТТ­ГЦЦ­ГАТ­ТАЦ­ЦАА­АГ­ТАЦ­ЦА­АТ. Ка­ко­ва будет по­сле­до­ва­тель­ность РНК, ко­ди­ру­е­мая этим участ­ком? К ка­ко­му клас­су РНК она будет от­но­сить­ся? Ка­ко­ва будет её функ­ция?

 По­яс­не­ние.

1. По­сле­до­ва­тель­ность РНК — УА­АЦГ­Г­ЦУА­А­УГ­ГУ­У­У­ЦА­УГ­ГУ­УА.

  2. В ри­бо­со­ме на­хо­дит­ся рРНК, об­ра­зу­ю­ща­я­ся в про­цес­се тран­скрип­ции с дан­но­го участ­ка ДНК.

  3. Она участ­ву­ет в син­те­зе белка, свя­зы­ва­ет иРНК с ри­бо­со­мой.

21. Фраг­мент ри­бо­сом­но­го гена имеет по­сле­до­ва­тель­ность ЦЦЦ­ТАТГ­ТАТ­ТАЦГ­ГА­А­ГАГ­Г­ЦАТТ. Ка­ко­ва будет по­сле­до­ва­тель­ность РНК, ко­ди­ру­е­мая этим участ­ком? К ка­ко­му клас­су РНК она будет от­но­сить­ся? Ка­ко­ва будет её функ­ция?

По­яс­не­ние.

1. По­сле­до­ва­тель­ность РНК — ГГ­ГАУ­А­ЦА­УА­А­У­ГЦ­ЦУ­У­ЦУЦЦ­ГУАА.

  2. В ри­бо­со­ме на­хо­дит­ся рРНК, об­ра­зу­ю­ща­я­ся в про­цес­се тран­скрип­ции с дан­но­го участ­ка ДНК.

  3. Она участ­ву­ет в син­те­зе белка, свя­зы­ва­ет иРНК с ри­бо­со­мой.

22. Даны ан­ти­ко­до­ны т-РНК. Ис­поль­зуя таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода, опре­де­ли­те по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы белка, ко­до­ны и-РНК и три­пле­ты во фраг­мен­те гена, ко­ди­ру­ю­ще­го этот белок. Ан­ти­ко­до­ны т-РНК:

 

ГАА, ГЦА, ААА, АЦЦ.

По­яс­не­ние.

1) Ко­до­ны и-РНК: ЦУУ-ЦГУ-УУУ-УГГ (опре­де­ля­ем по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти).

2) Ами­но­кис­ло­ты: лей-арг-фен-три (опре­де­ля­ем с по­мо­щью таб­ли­цы ге­не­ти­че­ско­го кода).

3) Фраг­мент гена: ГАА-ГЦА-ААА-АЦЦ (опре­де­ля­ем по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве иРНК).

23. Из­вест­но, что все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це. Фраг­мент цепи ДНК, на ко­то­рой син­те­зи­ру­ет­ся уча­сток цен­траль­ной петли тРНК, имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов: ТЦЦ­Г­ЦА­ТАЦ­ГА­ТАГГ. Уста­но­ви­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК, ко­то­рый син­те­зи­ру­ет­ся на дан­ном фраг­мен­те, и ами­но­кис­ло­ту, ко­то­рую будет пе­ре­но­сить эта тРНК в про­цес­се био­син­те­за белка, если тре­тий три­плет яв­ля­ет­ся ан­ти­ко­до­ном тРНК. Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния за­да­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

1) Син­те­зи­ру­е­мая тРНК — АГ­ГЦ­ГУ­А­У­Г­ЦУ­А­УЦЦ (по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве ука­зан­ной цепи ДНК)

2) Так как ан­ти­ко­дон тРНК — тре­тий три­плет — АУГ по усло­вию, то кодон на иРНК — УАЦ

3) Поль­зу­ясь таб­ли­цей ге­не­ти­че­ско­го кода опре­де­ля­ем, что кодон на иРНК — УАЦ — ко­ди­ру­ет ами­но­кис­ло­ту ТИР

24. И-РНК со­сто­ит из 156 нук­лео­ти­дов. Опре­де­ли­те число ами­но­кис­лот, вхо­дя­щих в ко­ди­ру­е­мый ею белок, число мо­ле­кул т-РНК, участ­ву­ю­щих в про­цес­се био­син­те­за этого белка, и ко­ли­че­ство три­пле­тов в гене, ко­ди­ру­ю­щем пер­вич­ную струк­ту­ру белка. Объ­яс­ни­те по­лу­чен­ные ре­зуль­та­ты.

По­яс­не­ние.

1. Белок со­дер­жит 52 ами­но­кис­ло­ты, т. к. одну ами­но­кис­ло­ту ко­ди­ру­ет один три­плет (156:3).

2. Т-РНК транс­пор­ти­ру­ет к месту син­те­за белка одну ами­но­кис­ло­ту, сле­до­ва­тель­но, всего в син­те­зе участ­ву­ют 52 т-РНК.

3. В гене пер­вич­ную струк­ту­ру белка ко­ди­ру­ют 52 три­пле­та, так как каж­дая ами­но­кис­ло­та ко­ди­ру­ет­ся одним три­пле­том

25. В ре­зуль­та­те му­та­ции во фраг­мен­те мо­ле­ку­лы белка ами­но­кис­ло­та трео­нин (тре) за­ме­ни­лась на глу­та­мин (глн). Опре­де­ли­те ами­но­кис­лот­ный со­став фраг­мен­та мо­ле­ку­лы нор­маль­но­го и му­ти­ро­ван­но­го белка и фраг­мент му­ти­ро­ван­ной иРНК, если в норме иРНК имеет по­сле­до­ва­тель­ность: ГУ­ЦА­ЦА­ГЦ­ГАУ­ЦА­АУ. Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния за­да­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

По­яс­не­ние.

1) иРНК ГУЦ−АЦА-ГЦГ — АУЦ — ААУ

нор­маль­ный белок вал тре ала иле асн

Опре­де­ля­ем по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот с по­мо­щью таб­ли­цы ге­не­ти­че­ско­го кода.

2) После му­та­ции фраг­мент мо­ле­ку­лы белка будет иметь со­став вал-глн-ала-иле-асн.

3) Глу­та­мин ко­ди­ру­ет­ся двумя ко­до­на­ми ЦАА и ЦАГ,

сле­до­ва­тель­но, му­ти­ро­ван­ная иРНК будет ГУЦ−ЦАА−ГЦГ−АУЦ−ААУ или ГУЦ−ЦАГ−ГЦГ−АУЦ−ААУ.

 

До­пол­не­ние.

Ско­рее всего про­изо­шла му­та­ция — по­во­рот нук­лео­ти­дов на 180°, т. е. А по­ме­ня­лись с Ц — три­плет АЦА пре­вра­тил­ся в ЦАА и тогда

му­ти­ро­ван­ная иРНК будет ГУЦ−ЦАА−ГЦГ−АУЦ−АА

26. Из­вест­но, что все виды РНК син­те­зи­ру­ют­ся на ДНК-мат­ри­це. Фраг­мент цепи ДНК, на ко­то­рой син­те­зи­ру­ет­ся уча­сток цен­траль­ной петли тРНК, имеет сле­ду­ю­щую по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов: АЦГГ­ТА­АТТ­ГЦ­ТАТЦ. Уста­но­ви­те нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность участ­ка тРНК, ко­то­рый син­те­зи­ру­ет­ся на дан­ном фраг­мен­те, и ами­но­кис­ло­ту, ко­то­рую будет пе­ре­но­сить эта тРНК в про­цес­се био­син­те­за белка, если тре­тий три­плет со­от­вет­ству­ет ан­ти­ко­до­ну тРНК. Ответ по­яс­ни­те. Для ре­ше­ния за­да­ния ис­поль­зуй­те таб­ли­цу ге­не­ти­че­ско­го кода.

 По­яс­не­ние.

1) Син­те­зи­ру­е­мая тРНК — УГЦ-ЦАУ-УАА-ЦГА-УАГ (по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти на ос­но­ве ука­зан­ной цепи ДНК)

2) Так как ан­ти­ко­дон тРНК — тре­тий три­плет — УАА по усло­вию, то кодон на иРНК по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­сти — АУУ

 

3) Поль­зу­ясь таб­ли­цей ге­не­ти­че­ско­го кода опре­де­ля­ем, что кодон на иРНК — АУУ — ко­ди­ру­ет ами­но­кис­ло­ту иле

 

 

Синтез молекулы белка завершается в момент. Подготовка к егэ на тему «биосинтез белка»

Один триплет кодирует:

одну АК

один признак организма

несколько АК

Очень важное свойство генетического кода — специфичность, т.е. один триплет всегда кодирует только одну аминокислоту . Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.

Знаки препинания генетического кода…

кодируют определённые белки

запускают синтез белка

прекращают синтез белка

Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в её состав обязательно входят триплеты, являющиеся знаки препинания (УГА, УАГ, УАА) и обозначающие начало или конец того или иного гена. Ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается .

Синтез белка завершается в момент…

узнавание кодона антикодоном

появление на рибосоме «знака препинания»

поступление и-РНК на рибосому

Рибосома доходит до одного из так называемых знака препинания или стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). Эти кодоны не кодируют аминокислоты, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершён. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку структуру.

Процесс самоудвоения молекулы ДНК.

репликация

репарация

реанкорнация

Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.

Функция и-РНК в процессе биосинтеза.

хранение наследственной информации

транспорт АК на рибосомы

подача информации на рибосомы

Покинув ядро, и-РНК направляется в цитоплазму, к рибосоме. Рибосома обеспечивает правильное взаимодействие и-РНК с молекулами т-РНК и выстраивание полипептидной цепи в точном соответствии с инструкцией, записанной на и-РНК. Как правило, синтез молекулы одного белка происходит многократно, причём соединение молекулы и-РНК со следующей рибосомой происходит, как только предыдущая продвинется и освободит достаточно места. Такие бусы из рибосом, нанизанных на и-РНК, называют полисомами.

Процесс, в результате которого происходит считывание информации с молекулы ДНК.

трансляция

транскрипция

трансформация

Считывание информации с молекулы ДНК происходит подобно процессу репликации (копирование ), но с помощью других ферментов. При этом раскрывается не вся ДНК, а только нужный участок. Сборка молекулы ведётся на одной цепочке, и на этот раз приглашаются РНК-нуклеотиды. Из них строится молекула информационной РНК (и-РНК). Таким образом, информация о последовательности аминокислот в белке переводится с языка ДНК на язык РНК носит название транскрипции .

Процесс, когда т-РНК приносят аминокислоты на рибосомы.

транскрипция

трансляция

трансформация

Молекула т-РНК представляет собой цепочку нуклеотидов, сложенную в форме листка клевера. «Черешок» т-РНК предназначен для захвата определённой аминокислоты. На среднем «листке» т-РНК находится антикодон — три нуклеотида, комплементарные тому триплету и-РНК, который обозначает данную аминокислоту. При этом каждой аминокислоте соответствует особый т-РНК. Процесс, когда т-РНК приносят аминокислоты на рибосомы носит название трансляция . Это последний этап в синтезе белка происходящий в цитоплазме клетки.

Свойства белков определяется…

вторичной структурой белка

первичной структурой белка

третичной структурой белка

Свойства белков определяется прежде всего их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот в молекуле белка. Наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекулах двуцепочечной ДНК.

Процесс, при котором антикодон узнаёт кодон на и-РНК.

транскрипция

трансляция

трансформация

На втором этапе синтеза белка (трансляция ), транспортная РНК способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке. В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту синтезируемого белка.

Рибосомы, синтезирующие одну и ту же белковую молекулу.

хромосома

полисома

мегахромосома

Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называется полисомой .

Прцесс, при котором аминокислоты образуют белковую молекулу.

транскрипция

трансляция

трансформация

Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Этапы биосинтеза белка.

1-В А Р И А Н Т

Часть А

1. Материальным носителем наследственной информации в клетке является:

а) иРНК б) тРНК в) ДНК г) хромосомы

2. ДНК клетки несет информацию о строении:

а) белков, жиров, углеводов в) белков и жиров

б) аминокислот г) белков

3. Какой из нуклеотидов не входит в состав ДНК?

а) тимин; б) урацил; в) гуанин; г) цитозин; д) аденин.

4. Сколько новых одинарных нитей синтезируется при удвоении одной молекулы?

а) четыре; б) две; в) одна; г) три

5. Какой из фактов подтверждает, что ДНК является генетическим материалом клетки?

а) количество ДНК во всех клетках организма постоянно

б) ДНК состоит из нуклеотидов

в) ДНК локализована в ядре клетки

г) ДНК представляет собой двойную спираль

6. Если нуклеотидный состав ДНК –АТА-ГЦГ-ТАТ-, то каким должен быть нуклеотидный состав иРНК?

а) –ТАА-ЦГЦ-УУА- в) –УАУ-ЦГЦ-АУА-

б) –ТАА-ГЦГ-УТУ- г) –УАА-ЦГЦ-АТА-

7. Синтез иРНК начинается:

а) с разъединения молекулы ДНК на две нити

б) с удвоения каждой нити

в) с взаимодействия РНК-полимеразы и гена

г) с расщепления гена на нуклеотиды

8. Где синтезируется иРНК?

а) в рибосомах в) в ядрышке

б) в цитоплазме г) в ядре

9. Аминокислота глутамин кодируется кодоном ГАА. Какой триплет ДНК несет информацию об этой аминокислоте?

а) ГТТ б) ЦАА в) ЦУУ г) ЦТТ

10. Какую информацию содержит один триплет ДНК?

а) информацию о последовательности аминокислот в белке

б) информацию об одном признаке организма

в) информацию об одной аминокислоте, включаемой в белковую цепь

г) информацию о начале о начале синтеза иРНК

11. Каким из указанных триплетов может быть прекращен синтез полипептидной цепи?

а) ГАУ б) ААГ в) УАА г) АГУ

12.Трансляция – это:

а) синтез полипептидной цепи на рибосомах

б) синтез тРНК

в) синтез иРНК по матрице ДНК

г) синтез рРНК

13. Количество тРНК равно:

а) количеству всех кодонов ДНК

б) количеству кодонов иРНК, шифрующих аминокислоты

в) количеству генов

г) количеству белков клетке

14. Синтез белка завершается в момент:

а) появления на рибосоме «знака препинания»

б) истощения запасов ферментов

в) узнавания кодоном антикодона

г) присоединения аминокислоты к тРНК

15. В каких из перечисленных реакций участвуют ферменты?

а) в синтезе иРНК

б) во взаимодействии тРНК с аминокислотой

в) в сборке белковой молекулы

г) во всех указанных реакциях

16. Известно, что клетки многоклеточного организма имеют одинаковую генетическую информацию, но содержат разные белки. Какая из гипотез, объясняющих этот факт, наиболее верна?

а) разнообразие белков не зависит от особенностей клетки

б) в каждом типе клеток реализуется только часть генетической информации организма

в) присутствие белков в клетке не зависит от генетической информации

17. Кодовой единицей генетического кода является:

а) нуклеотид в) триплет

б) аминокислота г) тРНК

18. В ядре информация о последовательности аминокислот в молекуле белка с молекулы ДНК переписывается на молекулу:

А) глюкозы; б) тРНК; в) иРНК; г) АТФ

19. Транспортная РНК – это

а) аминокислота в) липид

б) глюкоза г) нуклеиновая кислота

20.Если антикодоны тРНК состоят только из триплетов АУА, то из какой аминокислоты будет синтезироваться белок?

а) из цистеина в) из тирозина

б) из триптофана г) из фенилаланина

21. Сколько нуклеотидов в гене, кодирующем последовательность 60 аминокислот в молекуле белка?

А) 60 б) 120 в) 180 г) 240

Часть В.

В1.

Каковы особенности реакций биосинтеза белка в клетке?

а) реакции носят матричный характер: белок синтезируется на иРНК

б) реакции происходят с освобождением энергии

в) ускорение реакций осуществляется ферментами

е) синтез белка происходит на внутренней мембране митохондрий

В2 . Дайте определения терминам

1.Реакции матричного синтеза — ………

2. Ген — ………………

3. Интрон — ………………….

4. Процессинг — ……………..

5. РНК-полимераза -……………….

6. Код коллинеарен — ……………..

7. Код непекрываем — …………………

8. Код однозначен — ……………..

Часть С . Дайте развернутый ответ .

С1 . Механизм транскрипции.

С2 . Регуляция биосинтеза белка у прокариот на примере лактозного оперона Е.соli

С3 . Решить задачи:

№1 . Белковая молекула состоит из следующих аминокислот: -аргинин- лизин-аланин-пролин-лейцин-валин-. Как изменится структура белка, если в кодирующем гене произойдет замена гуанина(всех) на цитозин.

№2 . Белок состоит из 245 аминокислот. Определить длину гена, кодирующего данный полипептид и вычислить что будет тяжелее и во сколько раз: белок или ген?

Контрольная работа «Биосинтез белков. Регуляция биосинтеза»

2-В А Р И А Н Т

Часть А Выберите один правильный ответ.

1. В основе индивидуальности, специфичности организмов лежит:

а) строение белков организма в) строение клеток

б) функции клеток г) строение аминокислот

2. В одном гене закодирована информация:

а) о структуре нескольких белков

б) о структуре одной из цепей ДНК

в) о первичной структуре одной молекулы белка

г) о структуре аминокислоты

3. Какие связи разрываются в молекуле ДНК при ее удвоении?

а) пептидные

б) ковалентные, между углеводом и фосфатом

в) водородные между двумя нитями молекулы

г) ионные

4. Какая из схем удвоения ДНК правильна?

а) молекула ДНК при удвоении образует совершенно новую дочернюю молекулу

б) дочерняя молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой цепи

в) материнская ДНК распадается на мелкие фрагменты

5. В какой из названных клеток человека нет ДНК?

а) зрелый лейкоцит в) лимфоцит

б) зрелый эритроцит г) нейрон

6. Транскрипцией называется:

а) процесс образования иРНК

б) процесс удвоения ДНК

в) процесс образования белковой цепи на рибосомах

г) процесс соединения тРНК с аминокислотами

7. Аминокислота триптофан кодируется кодоном УГГ. Какой триплет ДНК несет информацию об этой аминокислоте?

А) АЦЦ б) ТЦЦ в) УЦЦ г) АТГ

8. Где синтезируется рРНК?

а) в рибосомах в) в ядрышке

б) в цитоплазме г) в ядре

9. Как будет выглядеть участок цепи иРНК, если второй нуклеотид первого триплета в ДНК (-ГЦТ-АГТ-ЦЦА-) будет заменен на нуклеотид Т?

а) –ЦГА-УЦА-ГГТ- в) –ГУУ-АГУ-ЦЦА-

б) – ЦАА-УЦА-ГГУ- г) –ЦЦУ-УЦУ-ГГУ-

10.Какой из ферментов осуществляет синтез иРНК?

а) РНК-синтетаза

б) РНК-полимераза

в) ДНК-полимераза

11. Код ДНК вырожден потому что:

а) одна аминокислота шифруется одним кодоном

б) несколько аминокислот шифруется одним кодоном

в) между кодонами одного гена есть «знаки препинания»

г) одна аминокислота шифруется несколькими кодонами

12. Антикодоны тРНК комплементарны:

а) кодонам рРНК в) кодонам иРНК

б) кодонам ДНК г) всем указанным кодонам

13.Второй этап синтеза белка заключается:

а) в узнавании и присоединении аминокислоты к тРНК

б) в переписывании информации с ДНК

в) в отрыве аминокислоты от тРНК на рибосоме

г) в объединении аминокислот в белковую цепь

14. На полисоме синтезируется:

а) одна молекула белка

б) несколько молекул различных белков

в) несколько молекул одинаковых белков

г) возможны все варианты

15. Присоединение аминокислоты к тРНК идет:

а) с выделением энергии

б) с поглощением энергии

в) не сопровождается энергетическим эффектом

16. Какая из перечисленных реакций соответствует стадии элонгации трансляции:

а) снятие информации с ДНК

б) узнавание антикодоном тРНК своего кодона на иРНК

в) отщепление аминокислоты от тРНК

г) поступление иРНК на рибосомы

д) присоединение аминокислоты к белковой цепи с помощью фермента

17. Однозначность генетического кода проявляется в том, что каждый триплет кодирует:

а) несколько аминокислот

б) не более двух аминокислот

в) три аминокислоты

г) одну аминокислоту

18. Соответствие триплета тРНК триплету в иРНК лежит в основе:

а) взаимодействия тРНК с аминокислотой

б) передвижения рибосомы по иРНК

в) перемещения тРНК в цитоплазме

г) определения места аминокислоты в молекуле белка

19. «Знаки препинания» между генами – это кодоны (триплеты):

а) не кодирующие аминокислот

б) на которых кончается транскрипция

в) на которых начинается транскрипция

г) на которых начинается трансляция

20. Какой триплет тРНК комплементарен кодону иРНК?

а) ЦГТ; б) АГЦ; в) ГЦТ; г) ЦГА

21. Молекулы ДНК представляют собой материальную основу наследственности, так как в них закодирована информация о структуре молекул:

а) полисахаридов в) белков

б) липидов г) аминокислот

Часть В.

В1. Выберите три правильных ответа

В чем проявляется взаимосвязь биосинтеза белка и окисления органических веществ?

а) в процессе окисления органических веществ освобождается энергия, которая расходуется в ходе биосинтеза белка

б) в процессе биосинтеза образуются органические вещества, которые используются входе окисления

в) в процессе фотосинтеза используется энергия солнечного света

г) через плазматическую мембрану в клетку поступает вода

д) в процессе биосинтеза образуются ферменты, которые ускоряют реакции окисления

е) реакции биосинтеза белка происходят в рибосомах с выделением энергии

В2 . Дайте определения терминам

1.Репликация — ………

2. Генетический код — …………………

3. Экзон -…………….

4. Сплайсинг — ……………….

5. Хеликаза (Геликаза) -…………………

6. Код вырожден -………….

7. Код универсален — ……………

8. Стоп-кодоны (Терминаторы синтеза) —

Часть С . Дайте развернутый ответ .

С1 . Механизм трансляции.

С2 . Отличия биосинтеза белка у прокариот и эукариот

С3 . Решить задачи:

№1 . Как отразится на структуре синтезиремого белка замещение третьего нуклеотида во втором триплете на цитозин, если исходная ДНК имела следующий вид: ЦГААЦААГГГЦАТЦГ.

№2 . Молекулярная масса ДНК составляет 248400, на долю гуаниловых нуклеотидов приходится 24840. Определить содержание каждого вида нуклеотидов в этой ДНК (в т.ч. в %), длину ДНК, количество аминокислот в синтезируемом белке, массу белка. Вычислить, что тяжелее и во сколько раз: ген или белок?

Биосинтез белка.

1. Структура одного белка определяется:

1)группой генов 2)одним геном

3)одной молекулой ДНК 4)совокупностью генов организма

2. Ген кодирует информацию о последовательности мономеров в молекуле:

1)т-РНК 2) АК 3) гликогена 4) ДНК

3. Антикодонами называются триплеты:

1)ДНК 2) т-РНК 3)и-РНК 4) р-РНК

4. Пластический обмен состоит преимущественно из реакций:

1)распада органических веществ 2)распада неорганических веществ

3)синтеза органических веществ 4)синтеза неорганических веществ

5. Синтез белка в прокариотической клетке происходит:

1)на рибосомах в ядре 2)на рибосомах в цитоплазме 3)в клеточной стенке

4)на внешней поверхности цитоплазматической мембраны

6. Процесс трансляции происходит:

1)в цитоплазме 2)в ядре 3)в митохондриях

4)на мембранах шероховатой эндоплазматической сети

7. На мембранах гранулярной эндоплазматической сети происходит синтез:

1)АТФ; 2)углеводов; 3) липидов; 4)белков.

8. Один триплет кодирует:

1.одну АК 2 один признак организма 3. несколько АК

9. Синтез белка завершается в момент

1.узнавание кодона антикодоном 2.появление на рибосоме «знака препинания»

3.поступление и-РНК на рибосому

10. Процесс, в результате которого происходит считывание информации с молекулы ДНК.

1.трансляция 2.транскрипция 3.трансформация

11. Свойства белков определяется…

1.вторичной структурой белка 2.первичной структурой белка

3.третичной структурой белка

12. Процесс, при котором антикодон узнаёт кодон на и-РНК

13. Этапы биосинтеза белка.

1.транскрипция, трансляция 2.трансформация, трансляция

3.трансорганизация, транскрипция

14. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен ?

1.УУГ 2. ТТЦ 3. ТЦГ

15. Количество т-РНК, участвующих в трансляции, равно количеству:

1.Кодонов и-РНК, шифрующих аминокислоты 2. Молекул и-РНК

3 Генов, входящих в молекулу ДНК 4. Белков, синтезируемых на рибосомах

16. Установите последовательность расположения нуклеотидов и-РНК при транскрипции с одной из цепей ДНК: А-Г-Т-Ц-Г

1) У 2) Г 3) Ц 4) А 5) Ц

17. При репликации молекулы ДНК образуется:

1) нить, распавшаяся на отдельные фрагменты дочерних молекул

2) молекула, состоящая из двух новых цепей ДНК

3) молекула, половина которой состоит из нити иРНК

4) дочерняя молекула, состоящая из одной старой и одной новой цепи ДНК

18. Матрицей для синтеза молекулы иРНК при транскрипции служит:

1) вся молекула ДНК 2) полностью одна из цепей молекулы ДНК

3) участок одной из цепей ДНК

4) в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других– вся молекула ДНК.

19.Процесс самоудвоения молекулы ДНК.

1.репликация 2.репарация

3. реанкорнация

20. При биосинтезе белка в клетке энергия АТФ:

1) расходуется 2) запасается

3) не расходуется и не выделяется

21. В соматических клетках многоклеточного организма:

1) различный набор генов и белков 2) одинаковый набор генов и белков

3) одинаковый набор генов, но разный набор белков

4) одинаковый набор белков, но разный набор генов

22.. Один триплет ДНК несет информацию о:

1)последовательности аминокислот в молекуле белка

2)признаке организма 3)аминокислоте в молекуле синтезируемого белка

4)составе молекулы РНК

23. Какой из процессов не происходит в клетках любого строения и функции:

1)синтез белков 2) обмен веществ 3)митоз 4) мейоз

24. Понятие «транскрипция» относится к процессу:

1)удвоения ДНК 2)синтеза и-РНК на ДНК

3)перехода и-РНК на рибосомы 4)создания белковых молекул на полисоме

25. Участок молекулы ДНК, несущий информацию об одной молекуле белка — это:

1)ген 2)фенотип 3)геном 4)генотип

26. Транскрипция у эукариот происходит в:

1)цитоплазме 2)эндоплазматической мембране 3)лизосомах 4)ядре

27.Синтез белка происходит в:

1)гранулярном эндоплазматическом ретикулуме

2)гладком эндоплазматическом ретикулуме 3)ядре 4) лизосомах

28. Одна аминокислота кодируется:

1)четырьмя нуклеотидами 2)двумя нуклеотидами

3)одним нуклеотидом 4) тремя нуклеотидами

29. Триплету нуклеотидов АТЦ в молекуле ДНК будет соответствовать кодон молекулы и-РНК:

1) ТАГ 2) УАГ 3) УТЦ 4) ЦАУ

30. Знаки препинания генетического кода:

1.кодируют определённые белки 2. запускают синтез белка

3. прекращают синтез белка

31. Процесс самоудвоения молекулы ДНК.

1.репликация 2.репарация 3.реанкорнация

32. Функция и-РНК в процессе биосинтеза.

1.хранение наследственной информации 2.транспорт АК на рибосомы

3.подача информации на рибосомы

33. Процесс, когда т-РНК приносят аминокислоты на рибосомы.

1.транскрипция 2.трансляция 3.трансформация

34. Рибосомы, синтезирующие одну и ту же белковую молекулу.

1.хромосома 2.полисома 3.мегахромосома

35. Процесс, при котором аминокислоты образуют белковую молекулу.

1.транскрипция 2.трансляция 3.трансформация

36. К реакциям матричного синтеза относят…

1.репликацию ДНК 2.транскрипцию, трансляцию 3.оба ответа правильные

37.Один триплет ДНК несет информацию о:

1.Последовательности аминокислот в молекуле белка
2.Месте определенной АК в белковой цепи
3.Признаке конкретного организма
4.Аминокислоте, включаемой в белковую цепь

38. В гене закодирована информация о:

1) строении белков, жиров и углеводов 2) первичной структуре белка

3) последовательности нуклеотидов в ДНК

4) последовательности аминокислот в 2-х и более молекулах белков

39. Синтез иРНК начинается с:

1) разъединения ДНК на две нити 2) взаимодействия фермента РНК — полимеразы и гена

3) удвоения гена 4) распада гена на нуклеотиды

40. Транскрипция происходит:

1) в ядре 2) на рибосомах 3) в цитоплазме 4) на каналах гладкой ЭПС

41. Синтез белка не идет на рибосомах у:

1) возбудителя туберкулеза 2) пчелы 3) мухомора 4) бактериофага

42. При трансляции матрицей для сборки полипептидной цепи белка служат:

1) обе цепочки ДНК 2) одна из цепей молекулы ДНК

3) молекула иРНК 4) в одних случаях одна из цепей ДНК, в других– молекула иРНК

Урок биологии в 10-м классе. Тема: «Биосинтез белка»

Тип урока: урок изучения нового материала.

Задачи урока:

• Образовательные:
  • познакомить с молекулярными и цитологическими основами реализации наследственной информации на уровне синтеза полипептидной цепи и роли нуклеиновых кислот и белков в этом процессе. Раскрыть значение биосинтеза белка;
  • проконтролировать первичное усвоение знаний с помощью дидактических материалов.
• Развивающие:
  • продолжать формировать межпредметные связи, развивать познавательный интерес;
  • продолжить формирование учебно-познавательной компетенции: характеризовать процессы биосинтеза белка, его стадии; владеть умениями сравнения, доказательства, вычленения основных идей в учебном материале, составления схемы, планирования проекта;
  • развивать  умения работать с компьютером.
• Воспитательные:
  • продолжить формирование естественнонаучной картины мира при рассмотрении успехов современной науки в решении вопросов, связанных с реализацией наследственной информации;
  • формировать коммуникативную компетенцию: уметь оформлять свою мысль, отвечать на вопросы, применять в своей речи логические приемы, соблюдать процедуру группового обсуждения;
  • воспитание ценностного отношения к своему здоровью (необратимые изменения возникающие при нарушении генетического кода).

1. Учащиеся должны усвоить новые понятия: «пластический обмен, транскрипция, трансляция, генетический код, триплетность, однонаправленность.  вырожденность, специфичность, универсальность генетического кода, антикодоны ; знать сущность этапов транскрипции и трансляции, посттрансляционной модификации белков.

2. Учащиеся должны уметь самостоятельно прорабатывать учебный материал, объяснять схемы транскрипции и трансляции, аргументировать выводы, применять знания для выполнения ситуативных задач.

Оборудование:модель ДНК, презентация «Синтез белка», компьютер с мультимедийным проектором, компьютерные модели.

Методическое обеспечение:

• таблицы по общей биологии «Строение клетки», «Биосинтез белка»;
• раздаточный тестовый материал для закрепления, проверки и взаимопроверки знаний;
• презентация Microsoft PowerPoint «Биосинтез белка» – презентационное сопровождение урока 35 слайдов (POWER POINT).

Актуальность использования средств ИКТ

• Возможность представления в мультимедийной форме уникальных информационных материалов.
• Демонстрация этих процессов помогает наглядно представить сущность биосинтеза, расширить представление  о матричном синтезе и  кодировании наследственной информации.
• Необходимость наглядной визуализации изучаемых процессов.
• Возможность остановки на ключевых кадрах и повторной демонстрации  наиболее важных фрагментов.

Тип урока: комбинированный урок с закреплением знаний, новым материалом, решением проблемных вопросов и познавательных задач.

ХОД УРОКА

№	Этапы урока	Методическое обеспечение	Деятельность учителя
1.	Организационный момент.	Приветствие. Проверка готовности учащихся к уроку.	– самопроверка своего рабочего места. – 1 мин.
2.	Мотивация и целеполагание	Беседа по вопросам учителя с использованием презентации урока.	– учащиеся читают текст и  определяют тему урока – 2 мин
3.	Актуализация изученного материала(повторение теоретического материала по разделу  “Репликация и транскрипция”)	Беседа по вопросам учителя с использованием презентации урока	– учащиеся вспоминают основные понятия по темам «Нуклеиновые кислоты» и «Белки» – 10 мин
4.	Введение нового материала.	С  использованием презентации  рисунков учебника создаётся совместный проект	– учащиеся делают записи в тетрадь (описание процессов транскрипция и трансляция) 10 мин
5.	Закрепление знаний по теме: “Биосинтез белка”.	1. Создание белковой молекулы. 2. Выполнение заданий по теме  «Биосинтез белка»	Решение задач по изученному материалу Работу можно проводить в малых группах, а так же индивидуально. –  10 мин
6.	Подведение итогов урока.	– оценивание работ учащихся. – запись домашнего задания.	– беседа – запись домашнего задания в дневник. – 2 мин

Пояснения к Презентации

I. Оргмомент – 2 мин.

II. Мотивация и целеполагание

Первый слайд – титульный (вопрос)

Почитайте текст

Процесс осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза.
При участии ферментов РНК-полимеразы на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК).
В цитоплазму через ядерную оболочку перемещаются иРНК и тРНК, в субъединицы рибосом встраиваются рРНК.
Рибосома вступает на один из концов иРНК (именно на тот, с которого начинается ее синтез в ядре) и начинает перемещаться прерывисто по иРНК, триплет за триплетом, соответственно наращивается полипептидная цепочка, одна за другой соединяются аминокислоты, поднесенные с соответствующим участкам иРНК транспортными РНК. Каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий ее к тРНК.Используется энергия АТФ.

Какой процесс описан?

III. Этап самоопределения (определение темы урока)

Учащиеся работают с текстом (Приложение 1), в котором описывается биологический процесс. Их задача определить процесс.

Второй слайд – ставим цель урока, задачи урока, знакомим с содержанием.

Третий слайд «Жизнь – есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит в постоянном самообновлении химических составляющих частей этих тел» (Ф. Энгельс)

Многообразие белков и строение молекулы ДНК

Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белка. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков (компонентов мембран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту. Так, например, за сутки в организме человека распадается около 400 г различных белков, следовательно, такую же массу нужно синтезировать снова.
Каждый вид живых существ имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые белки, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми.
С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет, например, двух абсолютно одинаковых людей или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.

Четвёртый – пятый слайд Николай КонстантиновичКольцов (1872-1940) Отечественный зоолог, цитолог, генетик. Выдвинул идею о том, что синтез белка идет по матричному принципу.
Центральная догма (основной постулат) молекулярной биологии – матричный синтез.
Смысл матричного синтеза в том, что, имея одну молекулу в качестве матрицы (формочка), можно синтезировать множество других одинаковых молекул

IV. Актуализация изученного материала (повторение теоретического материала по разделу  Репликация и транскрипция)

6-7слайды.  Участники  синтеза белка (работа с текстом)

Направлен на актуализацию знаний, необходимых для восприятия новой темы – повторяем материал о нуклеиновых кислотах, их видах и функциях. Обращаем внимание на рисунки, демонстрирующие разное пространственное строение молекул РНК и связь такого строения с выполняемыми функциями. учащихся имеются бумажные варианты тестов и технологические карты, куда они записывают результат.
Используя таблицу учащиеся дают определения терминам, названием веществ и органоидов клетки, проговариваемых в ходе работы над темой

Участники биосинтеза белка (далее – примерные ответы учащихся по пройденным темам)

1. ДНК

Строение. Актуализация знаний о строении ДНК, самоудвоении ДНК, реакциях матричного синтеза, принципе комплементарности.
Разнообразие белков обусловлено различной последовательностью аминокислот в первичной структуре белковой молекулы. А зашифрована информация об этой первичной структуре в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (самостоятельная работа учащихся с компьютером

Биологические функции ДНК

2. РНК

Строение. Молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) всех типов построены по общим структурным принципам. Они состоят из одной полинуклеотидной цепочки, значительно более короткой, чем цепочка ДНК. В нуклеотидах РНК имеется 4 типа азотистых оснований: А, Г, Ц, У (урацил).

Виды РНК:

Все типы РНК образуется в результате реакций матричного синтеза.
В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, синтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией.

Информационная (матричная) РНК — и-РНК (м-РНК). Содержит от нескольких сотен до 10 000 нуклеотидов. Молекула и-РНК представляет собой незамкнутую цепочку. Она переносит информацию о структуре белка с ДНК на рибосомы — место непосредственного синтеза полипептидной цепочки.

• Учащиеся вспоминают,  какими свойствами обладает генетический код.
• Код триплетен. —одна АК кодируется тремя нуклеотидами  (ТРИПЛЕТОМ)
• Код не перекрывается –нуклеотид не может входить в состав двух триплетов.
• Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.
• Код избыточен. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном Между генами имеются «знаки препинания».
• Из 64 триплетов три: У – А – А, У – А – Г, У – Г – А, – не кодируют аминокислоты. Эти триплеты (их называют стоп-кодонами) – сигналы окончания синтеза полипептидной цепи.
• Внутри гена нет «знаков препинания».
• Код универсален.
• Определение аминокислот по генетическому коду и-РНК( самост-ая работа с компьютером)

3. Транспортная РНК — т-РНК. Переносит аминокислоты к месту синтеза белков на рибосомы.
Каждая молекула т-РНК содержит примерно 80 нуклеотидов. Специфичность т-РНК определяется структурой антикодона, т. е. участка соединения с конкретным триплетом и-РНК.

4. Рибосома, ее структура и функции

Рибосомы являются клеточными органоидами, состоящими из белков (примерно 40 %) и р-РНК (60 %). Они представляют собой миниатюрные клеточные «фабрики белка». Число их в клетке достигает 10 млн.

Рибосомальная РНК — р-РНК. Входит в состав рибосом.

V. Изучение нового материала – 10 мин.

8 слайд

Этапы биосинтеза. Генетическая информация с ДНК на белок передаётся через иРНК.

ДНК   —>    иРНК    —>    белок

транскрипция                            трансляция

Ген – участок ДНК, кодирующий информацию об одном белке.

1. Транскрипция. Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двуцепочечной ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу

Модель—анимация процесса транскрипции (самостоятельная работа учащихся с компьютером)

В начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.
В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.

Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (тРНК).

Трансляция. В цитоплазме происходит завершающий процесс синтеза белка – трансляция. Это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. Важную роль здесь играют тРНК. Каждая тРНК присоединяет определённую аминокислоту и транспортирует её к месту сборки полипептида в рибосоме. В молекуле тРНК есть два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на другом. Антикодон считывает информацию с иРНК, акцепторный конец является посадочной площадкой для аминокислоты. Синтез полипептидной цепи белковой молекулы начинается с активации аминокислот, которую осуществляют специальные ферменты. Каждой аминокислоте соответствует как минимум один фермент. Фермент обеспечивает присоединение аминокислоты к акцепторному участку тРНК с затратой энергии АТФ.

Этапы трансляции (слайды 11-16.)

1. СТАДИЯ ИНИЦИАЦИЯ

Начала синтеза цепи
С тем концом  и-РНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обоаначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции— это точка промотор.. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина.

2. СТАДИЯ ЭЛОНГАЦИЯ – удлинение

После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой т-РНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку. После этого рибосома сдвигается по и-РНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначалаСборка полипептидной цепи идет в направлении 5-3

3. СТАДИЯ ТЕРМИНАЦИЯ

Завершение синтеза белка в участке-терминаторе, который узнается РНК-полимеразой при участии особых белковых факторов терминации.
Рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). Эти кодоны не кодируют аминокислот.

20 слайд Это интересно…

• Синтез одной молекулы белка длится 3-4 минуты
• За одну минуту образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей
• Половина белков нашего тела (всего  17 кг белка) обновляется за 80 дней
• За свою жизнь человек обновляет весь свой белок около 200 раз

21 слайд Найдите ошибку:

Рибосомы, словно бусы
Забрались на ДНК.
С ДНК они читают
Код молекулы белкa.
Строят цепь белкa они
Согласно информации.
Вместе весь процесс зовем
Коротко, мы, трансляция

VI. Закрепление знаний по теме: “Биосинтез белка”. Решение задач по изученному материалу

Работу можно проводить в малых группах, а так же индивидуально – 10 мин.

Слайд 22:  Фильм  по теме  «Биосинтез белка»
Слайд № 23 Карточка-задание №1 Процесс синтеза  белка
Слайды № 24-26

ПОДВЕДЁМ ИТОГИ:

Задачи:

1. В искусственных условиях (вне клетки) удаётся синтезировать белок, используя для этого готовые, взятые из клеток организмов компоненты ( и-РНК, рибосомы, аминокислоты, АТФ, ферменты). Какой – овечий или кроличий белок будет синтезироваться, если для искусственного синтеза взяты рибосомы кролика, а и-РНК – из клеток овцы? Почему?

2. Одна макромолекула белка гемоглобина , состоит из 574 аминокислот, в молекулу белка за 1 секунду «сшивается» 20 аминокислот. Объясните  за сколько секунд она синтезируется

VII. Итог урока: подведение результатов работы на уроке; выставление оценок.

VIII. Домашнее задание:  §15 Биосинтез белка. Решение задач из технологической карты.

Онлайн урок: Метаболизм. Пластический обмен по предмету Биология 9 класс

Белковые молекулы являются неотъемлемой частью клетки, без которых она не сможет существовать, ведь белки выполняют в организме множество функций: они входят в состав мембран, гормонов, ферментов, мышечных волокон и др.

Организмы, будь то растения, животные, бактерии имеют строго определенный набор белковых молекул.

Именно белки и различия в их структуре формируют индивидуальный и неповторимый набор признаков у особи, у целых популяций и видов.

За сутки в организме человека распадается около 400 грамм различных белков, следовательно, такую же массу нужно образовывать снова, поэтому в клетке происходит постоянный процесс образования белков, что является одним из примеров пластического обмена.

Пластический обмен— совокупность реакций образования органических веществ в клетке с использованием энергии.

Биосинтез белка, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот- это примеры пластического обмена, во время которых образуются органические вещества.

Значение пластического обмена:

• образование строительного материала для создания клеточных структур (синтез белков, углеводов, жиров)
• образование органических веществ, которые могут компенсировать энергетические затраты организма
• образование нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), которые отвечают за хранение наследственной информации и синтез белка

Один из самых важных процессов пластического обмена- это синтез белка.

 

Синтез белка

Вещества и структуры клетки участвующие в биосинтезе белка:

Вещества и структуры клетки	Функции в биосинтезе белка
ДНК	Содержит информацию о структуре белка, служит матрицей для синтеза белка и для всех видов РНК
иРНК (информационная или матричная РНК)	Переносит информацию от ДНК к месту сборки белковой молекулы. Содержит генетический код
тРНК	Переносит кодирующие аминокислоты к месту биосинтеза на рибосоме. Содержит антикодон
Рибосомы	Органоид, где происходит биосинтез белка
Ферменты	Катализируют биосинтез белка
Аминокислоты	Строительный материал для построения белковой молекулы
АТФ	Вещество, обеспечивающее энергией все процессы биосинтеза белка и других процессов пластического обмена

Автотрофные организмы (растения) образуют белок из неорганических веществ.

Гетеротрофные организмы (животные) образуют белок из аминокислот.

Важно помнить, что белок состоит из аминокислот, то есть аминокислота является мономером белка (самой мельчайшей составляющей молекулы белка).

20 Аминокислот (АК) в различных комбинациях формируют огромное множество белковых молекул.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Человеческий организм самостоятельно может образовывать из 20 аминокислот всего 12, которые называют заменимые.

Остальные восемь аминокислот должны поступать в организм в готовом виде вместе с белками пищи, поэтому они называются незаменимыми.

Незаменимые аминокислоты:

• изолейцин
• лейцин
• лизин
• метионин
• фенилаланин
• треонин
• триптофан
• валин

 

Если в организм не попали какие-либо нужные аминокислоты, которые необходимы для срочного построения белка, то организм может предпринять меру по разрушению собственных белков, содержащих эту же аминокислоту.

Большинство животных белков содержат все восемь незаменимых аминокислот в достаточных количествах.

В растительной пище также есть белки с незаменимыми аминокислотами, например у бобовых растений очень большее их содержание.

Но не вся растительная пища так богата аминокислотами, уровень некоторых незаменимых аминокислот бывает очень низок. 

 

Генетический код

Каким же образом происходит синтез такой большой и сложной белковой молекулы?

Конечно, основная роль в определении структуры белка и последовательность аминокислот в белке принадлежит молекулам ДНК.

ДНК- носитель всей генетической информации в клетке, но непосредственного участия в синтезе белков не принимает, хотя одна молекула ДНК содержит информацию о нескольких десятков белков.

Из предыдущих уроков мы помним, что молекула ДНК очень длинная и разные ее участки отвечают за образование определенного вида белка.

Участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка называется ген.

Ген представляет собой участок двойной спирали ДНК, который содержит информацию о первичной структуре какого-то одного белка.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом: в виде последовательности нуклеотидов.

В ДНК содержится информация о последовательности аминокислот всех белков организма. Именно эта информация и называется генетической (наследственной) информацией.

Для перевода последовательности нуклеотидов из молекул ДНК и иРНК в последовательность аминокислот синтезируемой молекулы белка используется специальный «шифр» — генетический код.

Генетический код- запись наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.

Схематично это выглядит так:

Реакции синтеза органического вещества на основе другой органической молекулы (матрицы) относят к реакциям матричного синтеза.

Биосинтез белка происходит на основе иРНК, являющейся матрицей в процессе его создания.

 

Одна аминокислота белка закодирована тремя нуклеотидами, и эта комбинация из трех нуклеотидов ДНК называется триплет, или кодон.

В настоящее время генетический код полностью расшифрован.

Ниже представлена таблица с аминокислотами, их название сокращено.

Генетический код (основания без скобок- это основания иРНК; в скобках красным цветом- это основания ДНК)

Как пользоваться таблицей генетического кода?

В таблице представлены три вида оснований (первое, второе и третье), обратите внимание на то, что они даются в двух вариантах: без скобок- нуклеотиды РНК, а в скобках- нуклеотиды ДНК.

Пользоваться ей не сложно.

Предположим, нам известно, что в ДНК есть участок со следующим составом нуклеотидов АЦЦ- ЦТТ- АТЦ. Таким образом мы имеем три триплета. Определим аминокислоты, которые закодированы этими триплетами.

Ищем основания, что в скобках (так как нам дана ДНК), но чаще в задачах необходимо найти аминокислоты, которые кодирует участок иРНК, поэтому ДНК обычно не ищут и на самом экзамене в задачах дается таблица с основаниями только для иРНК.

Первый триплет ДНК: А-Ц-Ц, смотрим в таблице первое основание (А), это первый горизонтальный столбец.

Далее ищем второе основание (Ц) на пересечении этих двух столбцов видим прямоугольник, в котором расположены четыре аминокислоты. Далее в крайнем правом столбце находим третье основание (Ц), это четвертая строчка, там указана аминокислота Три (триптофан).

Зная алгоритм действия, мы можем решать биологические задачи и расшифровывать генетический код ДНК, используя таблицу Генетического кода.

Продолжим решать нашу задачу до конца, Ц-Т-Т кодирует аминокислоту Глу (глутаминовая кислота).

АТЦ- прочерк- это стоп-кодон, он не кодирует ни одну аминокислоту и означает конец синтеза данного белка.

Таким образом мы расшифровали генетический код и перевели его в аминокислотный состав белка.

Генетический код обладает рядом свойств:

1.     Код триплетный

Необходимо закодировать 20 аминокислот всего четырьмя нуклеотидами.

Если бы один нуклеотид кодировал одну аминокислоту, то возможно было закодировать только 4 аминокислоты.

Для того, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов.

Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 4²=16 различных комбинаций- этого недостаточно, так как у нас 20 аминокислот.

Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (4³= 64), т. е. даже больше, чем нужно, поэтому код триплетный, то есть одну аминокислоту могут кодировать три нуклеотида (триплет).

2.     Код обладает свойством однозначности и вырожденности

Кажется непонятным- для чего необходимы 64 комбинации нуклеотидов, ведь аминокислот всего 20?

Оказывается, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (до 6), что позволяет разнообразить генетический материал.

Например, один и тот же белок у бактерии кишечной палочки и вируса табачной мозаики записаны разными триплетами.

Также разные триплеты по-разному распознаются, что влияет на скорость синтеза белка рибосомами и повышается надежность кодирования информации.

Способность разных кодонов кодировать одну аминокислоту называется вырожденностью кода.

В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислоты- это стоп-кодоны, они означают конец синтеза одного белка.

Однако, несмотря на вырожденность, в генетическом коде полностью отсутствует двусмысленность. Кодоны РНК- ГАА и ГАГ кодируют аминокислоту глутамат, но ни один из них не кодирует одновременно ещё какую-то аминокислоту, т.е. каждый триплет кодирует строго одну определённую аминокислоту- это свойство генетического кода называется однозначность.

3. Генетический код универсален

Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

К примеру, белок актин есть в составе цитоскелета вирусов и мышц человека.

Аминокислоты этого белка могут кодироваться одинаковыми последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК, что в организме вируса, что в клетке человека.

Но не нужно забывать и про свойство вырожденности кода. То есть не всегда одна аминокислота кодируется одинаковыми последовательностями нуклеотидов у разных организмов.

Это свойство имеет большое практическое значение и активно используется в генной инженерии. Благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки.

Так ген для гормона роста переносят в бактерию, чтобы она была способна производить его. Таким образом получают гормон роста для медицинских целей, который в обычном организме производится в очень небольших количествах.

Таким же генно-инженерным способом научились производить гормон инсулин.

Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной.

Известно несколько генетических систем, в которых генетический код немного отличается от универсального — это митохондрии. Также отклонения от универсального генетического кода найдены у некоторых инфузорий и паразитических бактерий, но во всех этих случаях отклонения незначительны.

4.     Внутри гена нет «знаков препинания»- свойство компактности

Между кодонами внутри одного гена нет знаков препинания.

Иными словами, триплеты не отделены друг от друга, к примеру, одним ничего не значащим нуклеотидом.

Отсутствие в генетическом коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах Ф.Крика и С. Бреннера.

В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали в генах возникновение определённого типа мутаций- выпадения или вставки 1 нуклеотида.

Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.

5.     Неперекрываемость (дискретность)

Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся.

У большинства организмов код не перекрывающийся, исключением являются вирусы.

Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного триплета не может быть одновременно нуклеотидом другого триплета.

6.     Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении.

Полярность имеет важное значение для определения структур белка (первичной, вторичной и третичной).

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа:

• транскрипция— синтез РНК, происходит в ядре клетки
• трансляция— это процесс синтеза белка, происходит в цитоплазме

Для того чтобы понять этапы биосинтеза белка необходимо вспомнить основные понятия.

ДНК и РНК состоят из множества нуклеотидов.

Нуклеотид— это мономер нуклеиновых кислот.

 

Целый нуклеотид принято обозначать каким- либо одним азотистым основанием, например, А (аденин) или Г(гуанин).

Последовательность трех нуклеотидов называют триплетом (кодон) и он обозначается, например, АГЦ.

 

Первый этап биосинтеза белка- транскрипция

Транскрипция— это процесс переписывания информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК. Этот процесс происходит в ядре клетки.

При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид иРНК.

Транскрипции предшествует процесс раскручивания участка ДНК.

Двойную спираль ДНК разрывает фермент ДНК- полимераза и далее начинается считывание информации с одной спирали ДНК и формирование матричной РНК (иРНК) за счет работы РНК- полимеразы.

Процесс переписывания информации идет по принципу комплементарности.

Комплементарность- это взаимное дополнение азотистых оснований в молекуле ДНК и РНК.

Комлементарность нуклеотидов ДНК к РНК:

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, то очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе, что может привести к повреждению синтезируемой молекулы белка.

Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором.

РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.

Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «стоп- кодона» (терминатора) в молекуле ДНК (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).

После копирования, сформированная иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму к рибосоме и начинается второй этап биосинтеза белка.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Ученые «увидели» как мРНК выходят из ядра.

Создав микроскоп, способный достичь не виданного ранее разрешения, ученые из Колледжа медицины Альберта Эйнштейна впервые увидели транспорт мРНК через ядерные поры живых клеток в режиме реального времени.

Ученые увидели, что через саму пору ядра мРНК проходит всего за 5 миллисекунд, но стыковка с порой занимает 80 миллисекунд ожидания.

И еще 80 миллисекунд мРНК ждет на другом конце поры, прежде чем перейти в цитоплазму.

10 процентов молекул мРНК остаются у ядерных пор, ожидая доступа, даже в течение секунд, а не миллисекунд.

Ученые предполагают, что в этих точках ожидания мРНК подвергаются проверке на качество.

Это открытие поможет понять, как лечить некоторые болезни, к примеру болезнь миотоническая дистрофия. В клетках таких больных молекулы мРНК не могут выйти из ядра и попасть в цитоплазму

Прежде чем переходить к рассмотрению второго этапа биосинтеза белка давайте поймем принцип комплементарности и попробуем решить задачи.

Задача

Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:

А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т

Постройте мРНК по принципу комплементарности.

Решение:

Мы знаем принцип комплементарности

Если на ДНК нуклеотид А, то ему по принципу комплементарности соответствует нуклеотид У на мРНК.

Если на ДНК нуклеотид Г, то на мРНК это нуклеотид Ц и так далее.

Таким образом дописываем цепь мРНК, используя принцип комплементарности:

цепь ДНК: А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т

цепь иРНК: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А

Второй этап биосинтеза белка- трансляция

Трансляция— перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.

Триплет нуклеотидов на верхушке тРНК называется антикодон.

Кодон- это триплет нуклеотидов на иРНК.

У эукариотических организмов иРНК синтезируется в ядре, потом она переносится через ядерную мембрану в цитоплазму к месту синтеза белка-  рибосомам.

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков.

Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей.

Аминокислоты должны попасть на рибосому, а переносит их к рибосоме транспортная РНК (тРНК).

К одной транспортной РНК прикрепляется одна аминокислота, для каждой аминокислоты существует своя тРНК.

На одном конце транспортной РНК имеется структура «черешок», к которой прочно прилепляется аминокислота.

На верхушке тРНК находится триплет нуклеотидов (антикодон), который соответствует по коду данной аминокислоте.

Триплет нуклеотидов на верхушке т-РНК называется антикодон.

В основном все белки (за исключением некоторых случаев) начинаются с аминокислоты метионин, закодированный кодоном АУГ, который является знаком начала трансляции.

Рибосома взаимодействует с иРНК именно с того конца, где находится код метионина АУГ.

После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, от 3 штрих конца к 5 штрих концу, задерживаясь на каждом ее участке, состоящим из 6 нуклеотидов (2 кодона).

Пятый штрих конец- это место, где прикрепляется фосфорный остаток, третий штрих конец — где присоединена пентоза (рибоза, у ДНК дезоксирибоза).

Время задержки составляет всего 0,2 с.

За это время молекула тРНК, несущая аминокислоту, успевает распознать комплементарный триплет, то есть антикодон тРНК по принципу комплементарности соответствует кодону иРНК.

Далее аминокислота отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка.

В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку белка.

После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.

Далее рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), которые не кодируют аминокислоту и сигнализируют о завершении синтеза данного белка.

Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует определенную структуру (первичную, вторичную, третичную, четвертичную в зависимости от функции молекулы белка).

Процесс синтеза белка осуществляется за очень короткие промежутки времени.

Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка, состоящего из 300 аминокислотных остатков уходит всего около одной- двух минут. А, например, на синтез актина, который состоит из 376 аминокислот уйдет чуть больше минуты.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей.

Одна из них содержит 21 аминокислотный остаток (цепь А), вторая- 30 аминокислотных остатков (цепь В).

В 1963 г. был синтезирован первый искусственный белок- инсулин.

Сейчас методы синтеза белков значительно усовершенствованы и их синтез не является проблемой.

Клетке необходима не одна, а множество молекул каждого белка, поэтому, как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок.

На одну иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д.

Поэтому рибосомы можно назвать «заводом» по производству белков.

Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.

Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК.

Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.

Таким образом, трансляция— это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Краткая схема биосинтеза белка:

Этапы биосинтеза белка:

• подготовительный этап к синтезу белка- удвоение ДНК за счет ДНК-полимеразы
• 1 этап- транскрипция: переписывание информации с ДНК на иРНК, за счёт работы РНК-полимеразы
• 2 этап- трансляция: на рибосоме идет синтез белка, в направлении с 3 штрих конца в сторону 5 штрих конца иРНК до стоп кодона с участием тРНК, которые приносят аминокислоты
• рибосома, дойдя до стоп-кодона распадается на 2 части (большая и малая субъединица) и освобождается образовавшийся белок, который готов выполнять свои, свойственные ему функции

Транскрипция и трансляция, подготовка к ЕГЭ по биологии

И транскрипция, и трансляция относятся к матричным биосинтезам. Матричным биосинтезом называется синтез биополимеров (нуклеиновых кислот, белков) на матрице — нуклеиновой кислоте ДНК или РНК. Процессы матричного биосинтеза относятся к пластическому обмену: клетка расходует энергию АТФ.

Матричный синтез можно представить как создание копии исходной информации на несколько другом или новом «генетическом языке». Скоро вы все поймете — мы научимся достраивать по одной цепи ДНК другую, переводить РНК в ДНК и наоборот, синтезировать белок с иРНК на рибосоме. В данной статье вас ждут подробные примеры решения задач, генетический словарик пригодится — перерисуйте его себе :)

Возьмем 3 абстрактных нуклеотида ДНК (триплет) — АТЦ. На иРНК этим нуклеотидам будут соответствовать — УАГ (кодон иРНК). тРНК, комплементарная иРНК, будет иметь запись — АУЦ (антикодон тРНК). Три нуклеотида в зависимости от своего расположения будут называться по-разному: триплет, кодон и антикодон. Обратите на это особое внимание.

Репликация ДНК — удвоение, дупликация (лат. replicatio — возобновление, лат. duplicatio — удвоение)

Процесс синтеза дочерней молекулы ДНК по матрице родительской ДНК. Нуклеотиды достраивает фермент ДНК-полимераза по принципу комплементарности. Переводя действия данного фермента на наш язык, он следует следующему правилу: А (аденин) переводит в Т (тимин), Г (гуанин) — в Ц (цитозин).

Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.

Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)

Транскрипция представляет собой синтез информационной РНК (иРНК) по матрице ДНК. Несомненно, транскрипция происходит в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: А — У, Т — А, Г — Ц, Ц — Г (загляните в «генетический словарик» выше).

До начала непосредственно транскрипции происходит подготовительный этап: фермент РНК-полимераза узнает особый участок молекулы ДНК — промотор и связывается с ним. После связывания с промотором происходит раскручивание молекулы ДНК, состоящей из двух цепей: транскрибируемой и смысловой. В процессе транскрипции принимает участие только транскрибируемая цепь ДНК.

Транскрипция осуществляется в несколько этапов:

• Инициация (лат. injicere — вызывать)

Образуется несколько начальных кодонов иРНК.

• Элонгация (лат. elongare — удлинять)

Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.

• Терминация (лат. terminalis — заключительный)

Достигая особого участка цепи ДНК — терминатора, РНК-полимераза получает сигнал к прекращению синтеза иРНК. Транскрипция завершается. Синтезированная иРНК направляется из ядра в цитоплазму.

Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)

Куда же отправляется новосинтезированная иРНК в процессе транскрипции? На следующую ступень — в процесс трансляции. Он заключается в синтезе белка на рибосоме по матрице иРНК. Последовательность кодонов иРНК переводится в последовательность аминокислот.

Перед процессом трансляции происходит подготовительный этап, на котором аминокислоты присоединяются к соответствующим молекулам тРНК. Трансляцию можно разделить на несколько стадий:

• Инициация

Информационная РНК (иРНК, синоним — мРНК (матричная РНК)) присоединяется к рибосоме, состоящей из двух субъединиц. Замечу, что вне процесса трансляции субъединицы рибосом находятся в разобранном состоянии.

Первый кодон иРНК, старт-кодон, АУГ оказывается в центре рибосомы, после чего тРНК приносит аминокислоту, соответствующую кодону АУГ — метионин.

• Элонгация

Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.

Доставка нужных аминокислот осуществляется благодаря точному соответствию 3 нуклеотидов (кодона) иРНК 3 нуклеотидам (антикодону) тРНК. Язык перевода между иРНК и тРНК выглядит как: А (аденин) — У (урацил), Г (гуанин) — Ц (цитозин). В основе этого также лежит принцип комплементарности.

Движение рибосомы вдоль молекулы иРНК называется транслокация. Нередко в клетке множество рибосом садятся на одну молекулу иРНК одновременно — образующаяся при этом структура называется полирибосома (полисома). В результате происходит одновременный синтез множества одинаковых белков.

• Терминация

Синтез белка — полипептидной цепи из аминокислот — в определенный момент завершатся. Сигналом к этому служит попадание в центр рибосомы одного из так называемых стоп-кодонов: УАГ, УГА, УАА. Они относятся к нонсенс-кодонам (бессмысленным), которые не кодируют ни одну аминокислоту. Их функция — завершить синтез белка.

Существует специальная таблица для перевода кодонов иРНК в аминокислоты. Пользоваться ей очень просто, если вы запомните, что кодон состоит из 3 нуклеотидов. Первый нуклеотид берется из левого вертикального столбика, второй — из верхнего горизонтального, третий — из правого вертикального столбика. На пересечении всех линий, идущих от них, и находится нужная вам аминокислота :)

Давайте потренируемся: кодону ЦАЦ соответствует аминокислота Гис, кодону ЦАА — Глн. Попробуйте самостоятельно найти аминокислоты, которые кодируют кодоны ГЦУ, ААА, УАА.

Кодону ГЦУ соответствует аминокислота — Ала, ААА — Лиз. Напротив кодона УАА в таблице вы должны были обнаружить прочерк: это один из трех нонсенс-кодонов, завершающих синтез белка.

Примеры решения задачи №1

Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.

«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»

Объяснение:

По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).

Пример решения задачи №2

«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»

Обратите свое пристальное внимание на слова «Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК «. Эта фраза кардинально меняет ход решения задачи: мы получаем право напрямую и сразу синтезировать с ДНК фрагмент тРНК — другой подход здесь будет считаться ошибкой.

Итак, синтезируем напрямую с ДНК фрагмент молекулы тРНК: АУЦ-ГУУ-УГЦ-ЦГА-УГГ. Это не отдельные молекулы тРНК (как было в предыдущей задаче), поэтому не следует разделять их запятой — мы записываем их линейно через тире.

Третий триплет ДНК — АЦГ соответствует антикодону тРНК — УГЦ. Однако мы пользуемся таблицей генетического кода по иРНК, так что переведем антикодон тРНК — УГЦ в кодон иРНК — АЦГ. Теперь очевидно, что аминокислота кодируемая АЦГ — Тре.

Пример решения задачи №3

Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.

Один триплет ДНК состоит из 3 нуклеотидов, следовательно, 150 нуклеотидов составляют 50 триплетов ДНК (150 / 3). Каждый триплет ДНК соответствует одному кодону иРНК, который в свою очередь соответствует одному антикодону тРНК — так что их тоже по 50.

По правилу Чаргаффа: количество аденина = количеству тимина, цитозина = гуанина. Аденина 20%, значит и тимина также 20%. 100% — (20%+20%) = 60% — столько приходится на оставшиеся цитозин и гуанин. Поскольку их процент содержания равен, то на каждый приходится по 30%.

Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? :)

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Трансляция мРНК — Клетка

Белки синтезируются из матриц мРНК с помощью процесса, который на протяжении всей эволюции был высококонсервативным (рассмотрено в главе 3). Все мРНК считываются в направлении от 5´ к 3´, и полипептидные цепи синтезируются от амино до карбокси-конца. Каждая аминокислота определяется тремя основаниями (кодоном) в мРНК в соответствии с почти универсальным генетическим кодом. Основная механика синтеза белка одинакова во всех клетках: трансляция осуществляется на рибосомах, при этом тРНК служат адаптерами между матрицей мРНК и аминокислотами, включенными в белок.Таким образом, синтез белка включает взаимодействия между тремя типами молекул РНК (матрицами мРНК, тРНК и рРНК), а также различными белками, необходимыми для трансляции.

РНК переноса

Во время трансляции каждая из 20 аминокислот должна быть выровнена с соответствующими кодонами на матрице мРНК. Все клетки содержат различных тРНК , которые служат адаптерами для этого процесса. Как и следовало ожидать, учитывая их общую функцию в синтезе белков, разные тРНК имеют сходные общие структуры.Однако они также обладают уникальными идентификационными последовательностями, которые позволяют присоединить правильную аминокислоту и выровнять ее с соответствующим кодоном в мРНК.

Трансферные РНК имеют длину примерно от 70 до 80 нуклеотидов и имеют характерные структуры в виде клеверного листа, которые возникают в результате комплементарного спаривания оснований между различными участками молекулы (). Исследования рентгеновской кристаллографии также показали, что все тРНК складываются в сходные компактные L-формы, которые, вероятно, необходимы для того, чтобы тРНК вписывались в рибосомы во время процесса трансляции.Адаптерная функция тРНК включает две отдельные области молекулы. Все тРНК имеют последовательность CCA на своем 3´ конце, а аминокислоты ковалентно присоединены к рибозе концевого аденозина. Затем матрица мРНК распознается петлей антикодона, расположенной на другом конце свернутой тРНК, которая связывается с соответствующим кодоном посредством комплементарного спаривания оснований.

Рисунок 7.1

Структура тРНК. Структура дрожжевой фенилаланил-тРНК проиллюстрирована открытой формой «клеверного листа» (A), чтобы показать комплементарное спаривание оснований.Модифицированные основания обозначены как mG, метилгуанозин; mC, метилцитозин; DHU, дигидроуридин; (подробнее …)

Включение правильно кодируемых аминокислот в белки зависит от присоединения каждой аминокислоты к соответствующей тРНК, а также от специфичности пары оснований кодон-антикодон. Присоединение аминокислот к специфическим тРНК опосредуется группой ферментов, называемых аминоацил тРНК синтетаз, которые были открыты Полом Замечником и Махлоном Хогландом в 1957 году.Каждый из этих ферментов распознает одну аминокислоту, а также правильную тРНК (или тРНК), к которой должна быть присоединена эта аминокислота. Реакция протекает в два этапа (). Во-первых, аминокислота активируется реакцией с АТФ с образованием промежуточного соединения аминоацил-АМФ-синтетазы. Затем активированная аминокислота присоединяется к 3′-концу тРНК. Аминоацил-тРНК-синтетазы должны быть высокоселективными ферментами, которые распознают как отдельные аминокислоты, так и конкретные последовательности оснований, которые идентифицируют правильные акцепторные тРНК.В некоторых случаях высокая точность распознавания аминокислот частично является результатом функции проверки, с помощью которой неправильные аминоацильные AMP гидролизуются, а не присоединяются к тРНК во время второй стадии реакции. Распознавание правильной тРНК аминоацил тРНК синтетазой также является высокоселективным; синтетаза распознает определенные нуклеотидные последовательности (в большинстве случаев включая антикодон), которые однозначно идентифицируют каждый вид тРНК.

Рисунок 7.2

Присоединение аминокислот к тРНК.На первой стадии реакции аминокислота присоединяется к АМФ, образуя промежуточный аминоацил АМФ. На втором этапе аминокислота переносится на 3´ конец ССА акцепторной тРНК и высвобождается АМФ. (подробнее …)

После присоединения к тРНК аминокислота выравнивается на матрице мРНК путем комплементарного спаривания оснований между кодоном мРНК и антикодоном тРНК. Спаривание оснований кодон-антикодон несколько менее жесткое, чем стандартное спаривание оснований A-U и G-C, обсуждавшееся в предыдущих главах.Значение этой необычной пары оснований в распознавании кодон-антикодон связано с избыточностью генетического кода. Из 64 возможных кодонов три являются стоп-кодонами, которые сигнализируют о прекращении трансляции; остальные 61 кодируют аминокислоты (см. таблицу 3.1). Таким образом, большинство аминокислот определяется более чем одним кодоном. Частично эта избыточность является результатом присоединения многих аминокислот к более чем одному виду тРНК. Е . coli , например, содержат около 40 различных тРНК, которые служат акцепторами для 20 различных аминокислот.Кроме того, некоторые тРНК способны распознавать более одного кодона в мРНК в результате нестандартного спаривания оснований (так называемого колебания) между антикодоном тРНК и третьим положением некоторых комплементарных кодонов (). Расслабленное спаривание оснований в этом положении является частично результатом образования пар оснований G-U и частично из-за модификации гуанозина на инозин в антикодонах нескольких тРНК во время процессинга (см.). Инозин может образовывать пары оснований с C, U или A в третьем положении, поэтому его включение в антикодон позволяет одной тРНК распознавать три разных кодона в матрицах мРНК.

Рисунок 7.3

Нестандартная пара оснований кодон-антикодон. Спаривание оснований в положении третьего кодона ослаблено, что позволяет G спариваться с U, а инозин (I) в антикодоне спариваться с U, C или A. Два примера аномального спаривания оснований, позволяющих фенилаланил (Phe) тРНК (подробнее …)

Рибосома

Рибосомы являются участками синтеза белка как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Рибосомы, сначала охарактеризованные как частицы, обнаруженные с помощью ультрацентрифугирования клеточных лизатов, обычно обозначают в соответствии с их скоростью оседания: 70S для бактериальных рибосом и 80S для несколько более крупных рибосом эукариотических клеток.И прокариотические, и эукариотические рибосомы состоят из двух отдельных субъединиц, каждая из которых содержит характерные белки и рРНК . Тот факт, что клетки обычно содержат много рибосом, отражает центральную важность синтеза белка в метаболизме клетки. Е . coli , например, содержат около 20 000 рибосом, что составляет примерно 25% от сухой массы клетки, а быстрорастущие клетки млекопитающих содержат около 10 миллионов рибосом.

Общие структуры прокариотических и эукариотических рибосом схожи, хотя и отличаются в некоторых деталях ().Маленькая субъединица (обозначенная 30S) E . coli рибосомы состоят из 16S рРНК и 21 белка; большая субъединица (50S) состоит из 23S и 5S рРНК и 34 белков. Каждая рибосома содержит одну копию рРНК и одну копию каждого из рибосомных белков, за одним исключением: один белок субъединицы 50S присутствует в четырех копиях. Субъединицы эукариотических рибосом больше и содержат больше белков, чем их прокариотические аналоги. Маленькая субъединица (40S) эукариотических рибосом состоит из 18S рРНК и примерно 30 белков; большая субъединица (60S) содержит 28S, 5.8S и 5S рРНК и около 45 белков.

Рисунок 7.4

Структура рибосомы. (A) Электронная микрофотография рибосомных субъединиц 50S E. coli. (B – C) Рентгеновские кристаллические структуры с высоким разрешением 30S (B) и 50S (C) рибосомных субъединиц. (D) Модель структуры рибосомы. (E) Компоненты прокариот и эукариот (подробнее …)

Примечательной особенностью рибосом является то, что они могут быть образованы in vitro путем самосборки их РНК и белковых компонентов.Как впервые было описано в 1968 году Масаясу Номура, очищенные рибосомные белки и рРНК могут быть смешаны вместе и при соответствующих условиях будут преобразовывать функциональную рибосому. Хотя сборка рибосом in vivo, (особенно в эукариотических клетках) значительно сложнее, способность рибосом к самосборке in vitro стала важным экспериментальным инструментом, позволяющим анализировать роли отдельных белков и рРНК.

Подобно тРНК, рРНК образуют характерные вторичные структуры за счет комплементарного спаривания оснований ().В сочетании с рибосомными белками рРНК складываются дальше в отдельные трехмерные структуры. Первоначально считалось, что рРНК играют структурную роль, обеспечивая каркас, на котором собираются рибосомные белки. Однако с открытием каталитической активности других молекул РНК (например, РНКазы Р и самосплайсинговых интронов, обсуждаемых в главе 6), возможная каталитическая роль рРНК стала широко обсуждаться. В соответствии с этой гипотезой было обнаружено, что рРНК абсолютно необходимы для сборки in vitro и функциональных рибосом.С другой стороны, отсутствие многих рибосомных белков привело к снижению, но не к полной потере активности рибосом.

Рисунок 7.5

Структура 16S рРНК. Комплементарное спаривание оснований приводит к образованию отчетливой вторичной структуры. (Из S. Stern, T. Powers, L.-I. Changchien and HF Noller, 1989. Science 244: 783.)

Прямые доказательства каталитической активности рРНК впервые были получены в экспериментах Гарри Ноллера и его коллег. в 1992 г.Эти исследователи продемонстрировали, что большая рибосомная субъединица способна катализировать образование пептидных связей (реакция пептидилтрансферазы) даже после того, как приблизительно 95% рибосомных белков были удалены стандартными процедурами экстракции белков. Напротив, обработка РНКазой полностью устраняет образование пептидной связи, обеспечивая сильную поддержку гипотезы о том, что образование пептидной связи является реакцией, катализируемой РНК. Дальнейшие исследования подтвердили и расширили эти результаты, продемонстрировав, что реакция пептидилтрансферазы может катализироваться синтетическими фрагментами 23S рРНК при полном отсутствии какого-либо рибосомного белка.Таким образом, основная реакция синтеза белка катализируется рибосомной РНК. В настоящее время считается, что рибосомные белки не являются первичными каталитическими компонентами рибосом, а способствуют правильному укладыванию рРНК и усиливают функцию рибосом за счет правильного позиционирования тРНК.

Прямое участие рРНК в реакции пептидилтрансферазы имеет важные эволюционные последствия. Считается, что РНК были первыми самовоспроизводящимися макромолекулами (см. Главу 1).Это представление полностью подтверждается тем фактом, что рибозимы, такие как РНКаза P и самосплайсинговые интроны, могут катализировать реакции, в которых участвуют субстраты РНК. Роль рРНК в образовании пептидных связей расширяет каталитическую активность РНК за пределы саморепликации до непосредственного участия в синтезе белка. Дополнительные исследования показывают, что рибозим рРНК Tetrahymena может катализировать присоединение аминокислот к РНК, подтверждая возможность того, что исходные аминоацил-тРНК-синтетазы были РНК, а не белками.Способность молекул РНК катализировать реакции, необходимые для синтеза белка, а также для саморепликации, может служить важным звеном для понимания ранней эволюции клеток.

Организация мРНК и инициация трансляции

Хотя механизмы синтеза белка в прокариотических и эукариотических клетках схожи, существуют также различия, особенно в сигналах, которые определяют положения, в которых инициируется синтез полипептидной цепи на шаблон мРНК ().Трансляция не начинается просто с 5´ конца мРНК; он начинается с определенных сайтов инициации. Таким образом, 5´-концевые части мРНК прокариот и эукариот представляют собой некодирующие последовательности, обозначаемые как 5 ´ нетранслируемых областей . Эукариотические мРНК обычно кодируют только одну полипептидную цепь, но многие прокариотические мРНК кодируют несколько полипептидов, которые синтезируются независимо от различных сайтов инициации. Например, E . Оперон coli lac состоит из трех генов, транслируемых с одной и той же мРНК (см.).Информационные РНК, которые кодируют несколько полипептидов, называются полицистронными, тогда как моноцистронные мРНК кодируют одну полипептидную цепь. Наконец, как прокариотические, так и эукариотические мРНК оканчиваются некодирующими 3 ´ нетранслируемыми областями .

Рисунок 7.6

Прокариотические и эукариотические мРНК. Как прокариотические, так и эукариотические мРНК содержат нетранслируемые области (UTR) на своих 5´ и 3´ концах. Эукариотические мРНК также содержат 5´ 7-метилгуанозиновые (m ⁷ G) шапки и 3´ поли-A хвосты.Прокариотические (подробнее …)

И в прокариотических, и в эукариотических клетках трансляция всегда начинается с аминокислоты метионина, обычно кодируемой AUG. Альтернативные инициирующие кодоны, такие как GUG, иногда используются в бактериях, но когда они встречаются в начале полипептидной цепи, эти кодоны управляют включением метионина, а не аминокислоты, которую они обычно кодируют (GUG обычно кодирует валин). У большинства бактерий синтез белка инициируется модифицированным остатком метионина ( N -формилметионин), тогда как немодифицированные метионины инициируют синтез белка у эукариот (за исключением митохондрий и хлоропластов, чьи рибосомы напоминают рибосомы бактерий).

Сигналы, которые идентифицируют кодоны инициации, различны в прокариотических и эукариотических клетках, что согласуется с различными функциями полицистронных и моноцистронных мРНК (). Кодонам инициации в бактериальных мРНК предшествует определенная последовательность (названная последовательностью Шайна-Делгарно в честь ее первооткрывателей), которая выравнивает мРНК на рибосоме для трансляции путем спаривания оснований с комплементарной последовательностью около 3´ конца 16S рРНК. Это взаимодействие спаривания оснований позволяет бактериальным рибосомам инициировать трансляцию не только на 5´ конце мРНК, но также и на внутренних сайтах инициации полицистронных сообщений.Напротив, рибосомы распознают большинство мРНК эукариот путем связывания с 7-метилгуанозиновым кэпом на их 5′-конце (см.). Затем рибосомы сканируют ниже 5´ кэпа, пока не встретят инициирующий кодон AUG. Последовательности, которые окружают AUG, влияют на эффективность инициации, поэтому во многих случаях первый AUG в мРНК обходится, и трансляция инициируется в AUG дальше по течению. Однако эукариотические мРНК не имеют последовательности, эквивалентной последовательности Шайна-Делгарно прокариотических мРНК.Вместо этого трансляция эукариотических мРНК инициируется в сайте, определяемом сканированием от 5´ конца, в соответствии с их функциями как моноцистронных сообщений, которые кодируют только отдельные полипептиды.

Рисунок 7.7

Сигналы для инициации трансляции. Сайты инициации в прокариотических мРНК характеризуются последовательностью Шайна-Делгарно, которая предшествует инициирующему кодону AUG. Спаривание оснований между последовательностью Шайна-Делгарно и дополнительной последовательностью около 3´ (подробнее …)

Процесс перевода

Перевод обычно делится на три этапа: начало, продолжение и завершение (). Как у прокариот, так и у эукариот первой стадией стадии инициации является связывание специфической метионил-тРНК и мРНК инициатора с малой рибосомной субъединицей. Затем большая рибосомная субъединица присоединяется к комплексу, образуя функциональную рибосому, на которой происходит удлинение полипептидной цепи. Ряд специфических нерибосомных белков также необходим для различных стадий процесса трансляции ().

Первым этапом трансляции у бактерий является связывание трех факторов инициации (IF-1, IF-2 и IF-3) с 30S рибосомной субъединицей (). Затем мРНК и инициатор N -формилметионил тРНК присоединяются к комплексу, при этом IF-2 (который связан с GTP) специфически распознает инициаторную тРНК. Затем высвобождается IF-3, позволяя 50S рибосомной субъединице связываться с комплексом. Эта ассоциация запускает гидролиз GTP, связанного с IF-2, что приводит к высвобождению IF-1 и IF-2 (связанных с GDP).Результатом является формирование комплекса инициации 70S (с мРНК и инициаторной тРНК, связанной с рибосомой), который готов начать образование пептидной связи на стадии элонгации трансляции.

Рисунок 7.9

Инициирование трансляции у бактерий. Три фактора инициации (IF-1, IF-2 и IF-3) сначала связываются с 30S субъединицей рибосомы. За этим этапом следует связывание мРНК и инициатора N -формилметионил (fMet) тРНК, которая распознается связью IF-2 (more…)

Инициирование у эукариот более сложное и требует, по крайней мере, десяти белков (каждый из которых состоит из множества полипептидных цепей), которые обозначены как eIF ( e ukaryotic i nitiation f Акторы; см.). Факторы eIF-1, eIF-1A и eIF-3 связываются с рибосомной субъединицей 40S, а eIF-2 (в комплексе с GTP) связывается с инициатором метионил тРНК (). МРНК распознается и доставляется на рибосому группой факторов eIF-4. 5´ кэп мРНК распознается eIF-4E.Другой фактор, eIF-4G, связывается как с eIF-4E, так и с белком (поли-A-связывающим белком или PABP), связанным с поли-A-хвостом на 3 ’конце мРНК. Таким образом, факторы инициации эукариот распознают как 5 ’, так и 3’ концы мРНК, что определяет стимулирующий эффект полиаденилирования на трансляцию. Факторы инициации eIF-4E и eIF-4G в сочетании с eIF-4A и eIF-4B затем переносят мРНК в рибосомную субъединицу 40S, при этом eIF-4G взаимодействует с eIF-3. Субъединица 40S рибосомы в ассоциации со связанной метионил-тРНК и eIFs затем сканирует мРНК для идентификации инициирующего кодона AUG.Когда достигается кодон AUG, eIF-5 запускает гидролиз GTP, связанного с eIF-2. Затем высвобождаются факторы инициации (включая eIF-2, связанный с GDP), и субъединица 60S связывается с субъединицей 40S с образованием инициирующего комплекса 80S эукариотических клеток.

Рисунок 7.10

Инициирование трансляции в эукариотических клетках. Факторы инициации eIF-3, eIF-1 и eIF-1A связываются с 40S субъединицей рибосомы. Инициатор метионил тРНК доставляется на рибосому с помощью eIF-2 (в комплексе с GTP), а мРНК с помощью eIF-4E (который связывается с (более…)

После образования комплекса инициации трансляция происходит за счет удлинения полипептидной цепи. Механизм удлинения в прокариотических и эукариотических клетках очень похож (). Рибосома имеет три сайта связывания тРНК, обозначенных сайтами P (пептидил), A (аминоацил) и E (выход). Инициатор метионил тРНК связывается по Р-сайту. Первым шагом в элонгации является связывание следующей аминоацил тРНК с сайтом A путем спаривания со вторым кодоном мРНК. Аминоацил тРНК сопровождается к рибосоме фактором элонгации (EF-Tu у прокариот, eEF-1α у эукариот), который образует комплекс с GTP.GTP гидролизуется до GDP, когда правильная аминоацил тРНК вставляется в сайт A рибосомы и высвобождается фактор элонгации, связанный с GDP. Требование гидролиза GTP до высвобождения EF-Tu или eEF-1α из рибосомы является лимитирующей стадией элонгации и обеспечивает временной интервал, в течение которого неправильная аминоацил тРНК, которая будет менее прочно связываться с кодоном мРНК, может диссоциировать от рибосомы, а не использоваться для синтеза белка. Таким образом, расход высокоэнергетического GTP на этом этапе является важным вкладом в точный синтез белка; это дает время для проверки пары кодон-антикодон до образования пептидной связи.

Рисунок 7.11

Стадия удлинения трансляции. Рибосома имеет три сайта связывания тРНК, обозначенных P (пептидил), A (аминоацил) и E (выход). Инициирующая N -формилметионил тРНК располагается в P-сайте, оставляя пустой A-сайт. Вторая аминоацил тРНК (например, (подробнее …)

После того, как EF-Tu (или eEF-1α) покинет рибосому, может образоваться пептидная связь между инициаторной метионил тРНК в сайте P и второй аминоацильной тРНК на сайте А.Эта реакция катализируется большой рибосомной субъединицей, при этом рРНК играет решающую роль (как уже обсуждалось). В результате метионин переносится на аминоацил тРНК в А-сайте рибосомы, образуя пептидил-тРНК в этом положении и оставляя незаряженную инициаторную тРНК на Р-сайте. Следующим шагом в элонгации является транслокация, которая требует другого фактора элонгации (EF-G у прокариот, eEF-2 у эукариот) и снова связана с гидролизом GTP. Во время транслокации рибосома перемещает три нуклеотида вдоль мРНК, размещая следующий кодон в пустом A-сайте.На этом этапе пептидил тРНК перемещается с сайта A на сайт P, а незаряженная тРНК с сайта P на сайт E. Затем в рибосоме оставляют пептидил тРНК, связанную с сайтом P, и пустой сайт A. Связывание новой аминоацил тРНК с сайтом A затем вызывает высвобождение незаряженной тРНК из сайта E, оставляя рибосому готовой для вставки следующей аминокислоты в растущую полипептидную цепь.

По мере продолжения элонгации EF-Tu (или eEF-1α), который высвобождается из рибосомы, связанной с GDP, должен быть снова преобразован в свою форму GTP ().Это преобразование требует третьего фактора элонгации, EF-Ts (eEF-1βγ у эукариот), который связывается с комплексом EF-Tu / GDP и способствует обмену связанного GDP на GTP. Этот обмен приводит к регенерации EF-Tu / GTP, который теперь готов сопровождать новую аминоацил тРНК к сайту A рибосомы, начиная новый цикл элонгации. Регулирование EF-Tu путем связывания и гидролиза GTP иллюстрирует общие способы регуляции активности белков. Как будет обсуждаться в следующих главах, подобные механизмы контролируют активность широкого спектра белков, участвующих в регуляции роста и дифференцировки клеток, а также в транспорте и секреции белков.

Рисунок 7.12

Регенерация EF-Tu / GTP. EF-Tu в комплексе с GTP сопровождает аминоацил тРНК к рибосоме. Связанный GTP гидролизуется по мере вставки правильной тРНК, поэтому EF-Tu в комплексе с GDP высвобождается. Комплекс EF-Tu / GDP неактивен и не может связываться с другим (подробнее …)

Удлинение полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока стоп-кодон (UAA, UAG или UGA) не переместится в A-сайт рибосомы. Клетки не содержат тРНК с антикодонами, комплементарными этим сигналам терминации; вместо этого у них есть факторов высвобождения , которые распознают сигналы и прекращают синтез белка ().Прокариотические клетки содержат два фактора высвобождения, которые распознают кодоны терминации: RF-1 распознает UAA или UAG, а RF-2 распознает UAA или UGA (см.). В эукариотических клетках один фактор высвобождения (eRF-1) распознает все три кодона терминации. И прокариотические, и эукариотические клетки также содержат факторы высвобождения (RF-3 и eRF-3 соответственно), которые не распознают специфические кодоны терминации, но действуют вместе с RF-1 (или eRF-1) и RF-2. Факторы высвобождения связываются с терминирующим кодоном в сайте A и стимулируют гидролиз связи между тРНК и полипептидной цепью в сайте P, что приводит к высвобождению завершенного полипептида из рибосомы.Затем тРНК высвобождается, и рибосомные субъединицы и матрица мРНК диссоциируют.

Рисунок 7.13

Прекращение перевода. Кодон терминации (например, UAA) в сайте A распознается фактором высвобождения, а не тРНК. Результатом является высвобождение завершенной полипептидной цепи с последующей диссоциацией тРНК и мРНК из рибосомы. (подробнее …)

Информационные РНК могут транслироваться одновременно несколькими рибосомами как в прокариотических, так и в эукариотических клетках.Как только одна рибосома отошла от сайта инициации, другая может связываться с мРНК и начать синтез новой полипептидной цепи. Таким образом, мРНК обычно транслируются серией рибосом, расположенных с интервалом примерно от 100 до 200 нуклеотидов (). Группа рибосом, связанных с молекулой мРНК, называется полирибосомой или полисомой. Каждая рибосома в группе функционирует независимо, чтобы синтезировать отдельную полипептидную цепь.

Рисунок 7.14

Полисомы. Информационные РНК транслируются серией множественных рибосом (полисомой).(A) Электронная микрофотография полисома эукариот. (B) Схема обобщенного полисома. Обратите внимание, что рибосомы, расположенные ближе к 3´ концу мРНК, имеют (подробнее …)

Регуляция трансляции

Хотя транскрипция является основным уровнем, на котором контролируется экспрессия генов, трансляция мРНК также регулируется в обоих прокариотических и эукариотические клетки. Одним из механизмов регуляции трансляции является связывание белков-репрессоров, которые блокируют трансляцию, со специфическими последовательностями мРНК.Наиболее понятным примером этого механизма в эукариотических клетках является регуляция синтеза ферритина, белка, который хранит железо внутри клетки. Трансляция мРНК ферритина регулируется поступлением железа: если железа в избытке, синтезируется больше ферритина (). Эта регуляция опосредуется белком, который (в отсутствие железа) связывается с последовательностью (элемент ответа на железо, или IRE) в 5´ нетранслируемой области мРНК ферритина, блокируя ее трансляцию. В присутствии железа репрессор больше не связывается с IRE, и трансляция ферритина может продолжаться.

Рисунок 7.15

Трансляционная регуляция ферритина. МРНК содержит элемент ответа на железо (IRE) около своей 5´ крышки. При наличии достаточного количества железа трансляция мРНК протекает нормально. Однако, если железа дефицит, белок (называемый (подробнее …)

) Интересно отметить, что регуляция трансляции мРНК ферритина железом аналогична регуляции стабильности мРНК рецептора трансферрина, которая обсуждалась в предыдущую главу (см.).А именно, стабильность мРНК рецептора трансферрина регулируется связыванием белка с IRE в его 3´ нетранслируемой области. Один и тот же белок связывается с IRE мРНК рецепторов ферритина и трансферрина. Однако последствия связывания белка с двумя IRE совершенно разные. Белок, связанный с рецептором трансферрина IRE, защищает мРНК от деградации, а не ингибирует ее трансляцию. Эти различные эффекты предположительно являются результатом разного расположения IRE в двух мРНК.Чтобы функционировать как сайт связывания репрессора, IRE должен располагаться в пределах 70 нуклеотидов 5´ кэпа мРНК ферритина, предполагая, что связывание белка с IRE блокирует трансляцию, препятствуя распознаванию кэпа и связыванию 40S рибосомной субъединицы. Вместо ингибирования трансляции связывание белка с той же последовательностью в 3´ нетранслируемой области мРНК рецептора трансферрина защищает мРНК от расщепления нуклеазой. Таким образом, связывание одного и того же регуляторного белка с разными сайтами на молекулах мРНК может иметь различные эффекты на экспрессию генов, в одном случае ингибируя трансляцию, а в другом — стабилизируя мРНК для увеличения синтеза белка.

Другой механизм регуляции трансляции в эукариотических клетках, приводящий к глобальному влиянию на общую трансляционную активность, а не на трансляцию конкретных мРНК, включает модуляцию активности факторов инициации, особенно eIF-2. Как уже обсуждалось, eIF-2 (в комплексе с GTP) связывается с инициатором метионил тРНК, доставляя ее на рибосому. Последующее высвобождение eIF-2 сопровождается гидролизом GTP, в результате чего eIF-2 остается в виде неактивного комплекса GDP. Чтобы участвовать в другом цикле инициации, комплекс eIF-2 / GTP должен быть регенерирован путем обмена связанного GDP на GTP.Этот обмен опосредуется другим фактором, eIF-2B. Таким образом, контроль активности eIF-2 посредством связывания и гидролиза GTP аналогичен контролю EF-Tu (см.). Однако регуляция eIF-2 обеспечивает критическую контрольную точку в различных эукариотических клетках. В частности, eIF-2 может фосфорилироваться регуляторными протеинкиназами. Это фосфорилирование блокирует обмен связанного GDP на GTP, тем самым подавляя инициацию трансляции. Одним из типов клеток, в которых происходит такое фосфорилирование, является ретикулоцит, который отвечает за синтез гемоглобина ().Трансляция мРНК глобина контролируется доступностью гема: мРНК транслируется только в том случае, если доступен адекватный гем для образования функциональных молекул гемоглобина. В отсутствие гема активируется протеинкиназа, фосфорилирующая eIF-2, и дальнейшая трансляция ингибируется. Было обнаружено, что аналогичные механизмы контролируют синтез белка в других типах клеток, особенно в инфицированных вирусом клетках, в которых синтез вирусного белка ингибируется интерфероном.

Рисунок 7.16

Регуляция трансляции путем фосфорилирования eIF-2.Трансляция в ретикулоцитах (которая посвящена синтезу гемоглобина) контролируется поставкой гема, который регулирует активность eIF-2. Активная форма eIF-2 (в комплексе с GTP) (подробнее …)

Другие исследования показали, что eIF-4E, который связывается с 5´ кэпом мРНК, является регуляторным белком трансляции. Например, гормон инсулин стимулирует синтез белка в адипоцитах и ​​мышечных клетках. Этот эффект инсулина опосредуется, по крайней мере частично, фосфорилированием белков, связанных с eIF-4E, что приводит к стимуляции активности eIF-4E и увеличению скорости инициации трансляции.

Регулирование трансляции особенно важно на раннем этапе развития. Как обсуждалось в главе 6, различные мРНК хранятся в ооцитах в нетранслируемой форме; трансляция этих сохраненных мРНК активируется при оплодотворении или более поздних стадиях развития. Одним из механизмов такой регуляции трансляции является контролируемое полиаденилирование мРНК ооцитов. Многие нетранслируемые мРНК хранятся в ооцитах с короткими поли-А-хвостами (примерно 20 нуклеотидов). Эти сохраненные мРНК впоследствии привлекаются для трансляции на соответствующей стадии развития путем удлинения их поли-А-хвостов до нескольких сотен нуклеотидов.Кроме того, трансляция некоторых мРНК во время развития, по-видимому, регулируется репрессорными белками, которые связываются со специфическими последовательностями в своих 3´ нетранслируемых областях. Эти регуляторные белки могут также направлять мРНК в определенные области яиц или эмбрионов, обеспечивая локализованный синтез кодируемых белков во время эмбрионального развития.

Box

Ключевой эксперимент: каталитическая роль рибосомной РНК.

Box

Молекулярная медицина: антибиотики и синтез белков.

Типы РНК: мРНК, рРНК и тРНК

РНК

или рибонуклеиновая кислота представляет собой полимер нуклеотидов, состоящий из рибозного сахара, фосфата и оснований, таких как аденин, гуанин, цитозин и урацил. Он играет решающую роль в экспрессии генов, выступая в качестве промежуточного звена между генетической информацией, кодируемой ДНК и белками.

Designua | Shutterstock

РНК

имеет структуру, очень похожую на структуру ДНК. Ключевое различие в структуре РНК состоит в том, что сахар рибозы в РНК обладает гидроксильной (-ОН) группой, которая отсутствует в ДНК.

Типы РНК

Как у прокариот, так и у эукариот существует три основных типа РНК — информационная РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Эти 3 типа РНК обсуждаются ниже.

Информационная РНК (мРНК)

мРНК составляет всего 5% от общей РНК в клетке. мРНК является наиболее гетерогенной из трех типов РНК с точки зрения как последовательности оснований, так и размера. Он несет дополнительный генетический код, скопированный из ДНК во время транскрипции, в виде триплетов нуклеотидов, называемых кодонами.

Каждый кодон определяет конкретную аминокислоту, хотя одна аминокислота может кодироваться множеством разных кодонов. Хотя в генетическом коде 64 возможных кодона или триплетных основания, только 20 из них представляют собой аминокислоты. Есть также 3 стоп-кодона, которые указывают на то, что рибосомы должны прекращать образование белка путем трансляции.

В рамках посттранскрипционного процессинга у эукариот 5’-конец мРНК кэпируется гуанозинтрифосфатным нуклеотидом, который помогает в распознавании мРНК во время трансляции или синтеза белка.Точно так же 3 ’конец мРНК имеет поли-A-хвост или несколько добавленных остатков аденилата, что предотвращает ферментативную деградацию мРНК. И 5 ’, и 3’ конец мРНК придают стабильность мРНК.

Рибосомная РНК (рРНК)

рРНК обнаружены в рибосомах и составляют 80% всей РНК, присутствующей в клетке. Рибосомы состоят из большой субъединицы, называемой 50S, и небольшой субъединицы, называемой 30S, каждая из которых состоит из своих собственных специфических молекул рРНК.Различные рРНК, присутствующие в рибосомах, включают малые рРНК и большие рРНК, которые принадлежат малой и большой субъединицам рибосомы, соответственно.

рРНК соединяются с белками и ферментами в цитоплазме с образованием рибосом, которые действуют как места синтеза белка. Эти сложные структуры перемещаются вдоль молекулы мРНК во время трансляции и способствуют сборке аминокислот с образованием полипептидной цепи. Они взаимодействуют с тРНК и другими молекулами, которые имеют решающее значение для синтеза белка.

У бактерий малая и большая рРНК содержат примерно 1500 и 3000 нуклеотидов, соответственно, тогда как у человека они содержат примерно 1800 и 5000 нуклеотидов, соответственно. Однако структура и функция рибосом во многом схожи у всех видов.

Трансферная РНК (тРНК)

тРНК — самая маленькая из трех типов РНК, содержащая около 75-95 нуклеотидов. тРНК являются важным компонентом трансляции, где их основная функция — перенос аминокислот во время синтеза белка.Поэтому их называют транспортными РНК.

Каждая из 20 аминокислот имеет определенную тРНК, которая связывается с ней и переносит ее в растущую полипептидную цепь. тРНК также действуют как адаптеры при трансляции генетической последовательности мРНК в белки. Таким образом, их еще называют адапторными молекулами.

тРНК имеют структуру клеверного листа, которая стабилизируется прочными водородными связями между нуклеотидами. Обычно они содержат несколько необычных оснований в дополнение к обычным 4, которые образуются в результате метилирования обычных оснований.Метилгуанин и метилцитозин — два примера метилированных оснований.

Что такое РНК | Генетика | Биология | FuseSchool Играть

Другие типы РНК

Помимо первичной роли РНК в синтезе белка, существует несколько разновидностей РНК, которые участвуют в посттранскрипционной модификации, репликации ДНК и регуляции генов. Некоторые формы РНК встречаются только в определенных формах жизни, например, у эукариот или бактерий.

Малая ядерная РНК (мяРНК)

мяРНК участвует в процессинге пре-мессенджера РНК (пре-мРНК) в зрелую мРНК.Они очень короткие, их средняя длина составляет всего 150 нуклеотидов.

Регуляторные РНК

Ряд типов РНК участвует в регуляции экспрессии генов, включая микро РНК (miRNA), малую интерферирующую РНК (siRNA) и антисмысловую РНК (aRNA).

миРНК (21–22 н.) Обнаружена у эукариот и действует посредством РНК-интерференции (РНКи). miRNA может разрушать мРНК, к которой она комплементарна, с помощью ферментов. Это может блокировать трансляцию мРНК или ускорять ее деградацию.

миРНК (20-25 нуклеотидов) часто образуются при расщеплении вирусной РНК, хотя существуют также эндогенные источники миРНК. Они действуют аналогично миРНК. Сама мРНК может содержать регуляторные элементы, такие как рибопереключатели, в 5′-нетранслируемой области или 3′-нетранслируемой области; эти цис-регуляторные элементы регулируют активность этой мРНК.

РНК-мессенджер (тмРНК)

Встречается во многих бактериях и пластидах. тмРНК маркирует белки, кодируемые мРНК, у которых отсутствуют стоп-кодоны для деградации, и предотвращает остановку рибосомы из-за отсутствия стоп-кодона.

Рибозимы (ферменты РНК) В настоящее время известно, что

РНК принимают сложные третичные структуры и действуют как биологические катализаторы. Такие ферменты РНК известны как рибозимы, и они обладают многими характеристиками классического фермента, такими как активный сайт, сайт связывания для субстрата и сайт связывания для кофактора, такого как ион металла.

Одним из первых открытых рибозимов была РНКаза P, рибонуклеаза, участвующая в образовании молекул тРНК из более крупных РНК-предшественников.РНКаза P состоит как из РНК, так и из белка; однако только фрагмент РНК является катализатором.

Двухцепочечная РНК (дцРНК)

РНК этого типа имеет две связанные друг с другом цепи, как в случае двухцепочечной ДНК. дцРНК образует генетический материал некоторых вирусов.

Дополнительная литература

Многогранная дерегуляция экспрессии генов и синтеза белка с возрастом

Значимость

Старение связано с множеством изменений на всех уровнях организации организма.Однако как это влияет на синтез белка, основную метаболическую активность клетки, неизвестно. Мы обнаружили нарушение регуляции синтеза белка и механизма биогенеза рибосом, особенно на трансляционном уровне с возрастом. Более того, рибосомы истощались вблизи старт-кодонов и увеличивались около стоп-кодонов. Эти данные свидетельствуют о систематическом, многоуровневом нарушении регуляции экспрессии генов и синтеза белка, показывая, как этот основной клеточный процесс снижается с возрастом.

Abstract

Синтез белка представляет собой основную метаболическую активность клетки.Однако то, как на него влияет старение и как это, в свою очередь, влияет на функцию клеток, остается в значительной степени неизученным. Чтобы ответить на этот вопрос, мы охарактеризовали возрастные изменения как в транскриптоме, так и в транслатоме тканей мыши на протяжении всей жизни. Мы показали, что изменения транскриптома управляют изменениями транскриптома и связаны с измененной экспрессией генов, участвующих в воспалении, внеклеточном матриксе и метаболизме липидов. Мы также определили гены, которые могут служить кандидатами в биомаркеры старения.На уровне трансляции мы обнаружили устойчивое подавление набора 5′-концевых олигопиримидиновых (5′-TOP) транскриптов, кодирующих синтез белка и механизм биогенеза рибосом и регулируемых путем mTOR. Для многих из них занятость рибосом снизилась вдвое или даже больше. Более того, с возрастом покрытие рибосом постепенно снижалось в районе старт-кодонов и увеличивалось рядом со стоп-кодонами, выявляя сложные возрастные изменения в процессе трансляции. Взятые вместе, наши результаты показывают систематическое и многомерное нарушение регуляции синтеза белка, показывая, как этот основной клеточный процесс снижается с возрастом.

Старение связано с постепенным снижением функций и приспособленности организма, что, в свою очередь, тесно связано с изменениями протеома. Баланс между синтезом и деградацией белка, протеостазом и надлежащим контролем качества белка необходим для поддержания гомеостаза клетки (1–3). Среди других процессов, молекулярные повреждения, накапливающиеся в клетках с возрастом, влияют на протеом, конечную точку экспрессии генов (4). Кроме того, с возрастом повреждение белков проявляется в виде посттрансляционных модификаций, таких как окисление и гликирование, нарушение функции; поврежденные белки также склонны к образованию токсичных олигомеров и нерастворимых агрегатов.Фактически, нарушение протеостаза — хорошо известная причина заболеваний, связанных со старением. Тем не менее, эта возрастная дисфункция также считается системным и хроническим влиянием на организмы, снижая их стрессоустойчивость и способность очищать неправильно свернутые белки (1). Действительно, по сравнению со своими ближайшими родственниками долгоживущие виды демонстрируют повышенную стабильность протеома (5) и устойчивость к окислению белков (6). Оборот белка и контроль качества включают несколько отдельных, но тесно связанных биологических процессов, и их можно условно разделить на фазы синтеза белка, фолдинга, активности, посттрансляционной регуляции и деградации.Среди них только сворачивание и деградация относительно хорошо изучены в контексте старения, и их нарушение действительно объясняет некоторые связанные со старением патологии (1). С другой стороны, изменения синтеза белка с возрастом остаются значительно менее изученными (7, 8).

Во второй половине 20 века несколько исследований различных видов показали, что общая скорость синтеза белка, активность, концентрация факторов элонгации и инициации, а также уровни аминоацилирования тРНК снижаются с возрастом (9).Недавние исследования на млекопитающих также согласуются с идеей возрастного снижения общей скорости трансляции. В частности, было показано, что уровни общей мРНК, а также экспрессия РНК-полимеразы I, eIF2Bε и eEF2 снижаются с возрастом в тканях крыс (10). Сообщалось также об увеличении метилирования промотора в генах рибосомальной РНК и снижении концентрации рибосомальной РНК во время старения (11). Кроме того, снижение регуляции трансляции с возрастом было подтверждено in vivo у овец (12), а также у репликативно выдержанных дрожжей (13).Недавно анализ печени и мозга крыс в возрасте 6 и 24 мес. Выявил возрастные изменения трансатома у млекопитающих (14).

Роль синтеза белка в старении также подтверждается косвенными доказательствами. Снижение скорости синтеза белка обычно приводит к увеличению продолжительности жизни животных (см. Ссылку 7). Например, нокаут или нокдаун нескольких компонентов механизма трансляции у червей значительно увеличивает среднюю продолжительность жизни и усиливает эффекты продлевающих жизнь мутаций (15).Кроме того, сверхэкспрессия репрессора инициации трансляции 4E-BP1 увеличивала продолжительность жизни (16) и опосредовала эффекты увеличения продолжительности жизни при ограничении питания у плодовых мушек (17), тогда как ингибирование биогенеза рибосомной субъединицы 60S увеличивало продолжительность жизни дрожжей (18). . Примечательно, что большинство вмешательств, которые, как известно, продлевают продолжительность жизни, связаны с подавлением метаболизма (например, ограничение калорийности) или ингибированием передачи сигналов питательных веществ (например, рапамицина), регуляции синтеза белка и биосинтеза компонентов машины трансляции (19).По крайней мере частично, это можно объяснить снижением нагрузки на оборудование по контролю качества белка и уменьшением потребления энергии (20). Более того, недавно было обнаружено, что повышенная точность трансляции и снижение скорости оборота белка связаны с долголетием; Например, голый землекоп, животное с чрезвычайно большой продолжительностью жизни по сравнению с его родственниками-грызунами, обладает высокоточным аппаратом перевода (21⇓ – 23).

Несмотря на растущее количество исследований изменений синтеза белка с возрастом у млекопитающих, предыдущие исследования не касались изменений трансатома с временным и количественным разрешением, достаточным для выявления принципов изменения синтеза белка с возрастом в масштабе всего транскриптома.В этом исследовании мы использовали комбинацию профилирования рибосом (Ribo-seq) (24) и RNA-seq для характеристики возрастных изменений синтеза белка на протяжении всей жизни, уделяя особое внимание печени и почкам мышей. Этот подход поддержал идентификацию функциональных групп генов, демонстрирующих возрастные изменения транскрипции и / или трансляции. Интересно, что десятки транскриптов, кодирующих компоненты аппарата биогенеза рибосом и синтеза белка, специфически подавляются с возрастом на трансляционном уровне, что согласуется со снижением синтеза белка с возрастом.Анализ Ribo-seq также выявил перераспределение покрытия рибосом по всему транскриптому от начала до конца кодирующих областей мРНК, а также другие особенности, связанные со сложной и многофакторной дерегуляцией синтеза белка с возрастом.

Результаты

Изменения экспрессии генов в печени и почках мышей отражают возрастную дисфункцию.

Чтобы охарактеризовать возрастные изменения в синтезе белка, мы подвергли образцы тканей мышей секвенированию транскриптома и профилированию рибосом (набор данных S1), поскольку этот подход позволяет разделить вклад процессов транскрипции и трансляции.Образцы печени были взяты у самцов мышей, представляющих шесть возрастных групп (1, 3, 11, 20, 26 и 32 месяца), и образцы почек из трех возрастных групп (3, 20 и 32 месяца) (рис. 1 ). А ). Этот широкий диапазон возрастов был выбран для охвата всей продолжительности жизни взрослых мышей, от заключительных стадий развития (1 мес.) До очень преклонных возрастов (32 мес.). Для каждой возрастной группы было три биологических повторности (три мыши), за исключением 32-месячных мышей (две повторности).

Рис. 1.

Ribo-seq и RNA-seq в печени и почках стареющих мышей.( A ) Обзор экспериментальной схемы. Печень мышей шести возрастных групп (1, 3, 11, 20, 26 и 32 мес.) И почки трех возрастных групп (3, 20 и 32 мес.) Были использовал. Для каждого возраста были приготовлены три биологические повторы (три мыши-самцы C57BL / 6), за исключением 32-месячной группы (две мыши). Библиотеки Ribo-seq и RNA-seq получали из одного и того же лизата цитоплазматических клеток. ( B ) Метагеновые профили 5′-концевых участков рибосом в окнах длиной 200 нуклеотидов с центром в стартовых и стоп-кодонах, построенных для 2920 и 4566 транскриптов для печени и почек, соответственно.Для каждого транскрипта необработанное покрытие Ribo-seq нормализовалось до суммы покрытия транскрипта, деленной на его длину. Затем нормализованное покрытие транскриптов в окне было агрегировано для всех выбранных транскриптов. ( C ) Распределение покрытия Ribo-seq и RNA-seq в различных областях гена. ( D ) Анализ главных компонентов (PCA) 8562 генов в наборах данных Ribo-seq и RNA-seq печени и почек мышей. ( E ) Тепловые карты коэффициентов корреляции Пирсона для копий печени и почек мышей, проанализированных с помощью Ribo-seq.Для PCA и расчета коэффициентов корреляции Пирсона и в дальнейшем в исследовании Ribo-seq анализировался вместе с набором данных RNA-seq, но отдельно для органов. В целом, количество генов, охваченных в каждом образце, составило 8992 в печени и 11 461 в почках.

В нашем протоколе Ribo-seq мы применили комбинацию РНКаз T1 и S7, потому что она наиболее эффективно превращает полисомы в моносомы в тканях мыши при сохранении целостности рибосом ( SI Приложение , Рис. S1 A ) (25) .Полученные следы имели среднюю длину 28 нт ( SI, приложение , рис. S1 B ), отображали четкую триплетную периодичность (рис. 1 B ) и демонстрировали более высокий CDS и 5′-нетранслируемую область (5 ‘-UTR) по сравнению с 3’-UTRs и интронами (рис. 1 C ). В обоих органах наблюдались выраженные пики на старт-кодонах, в то время как пик на стоп-кодонах был более выражен в почках, в соответствии с предыдущими наблюдениями (26, 27). Анализ главных компонентов (PCA) показал, что 61% дисперсии можно объяснить первыми тремя основными компонентами (PCs): PC1 и PC2, отнесенными к секвенированной ткани, и PC3 к типу эксперимента (Ribo- или RNA-seq) .Разделение выборки по возрасту было достигнуто PC4 с 3% объясненной дисперсии (Рис. 1 D и SI Приложение , Рис. S1 C ). Профили экспрессии были хорошо воспроизводимы во всех повторах (Рис.1 E и SI Приложение , Рис. S1 D ), особенно в каждой возрастной группе, как в печени, так и в почках, что отражает тот факт, что профили экспрессии генов между отдельными мыши в одной возрастной группе более похожи, чем мыши разных возрастов.Образцы от мышей возрастом 1 месяц сформировали отдельную группу с высокой корреляцией между повторами как в данных Ribo-seq, так и в данных RNA-seq, тогда как для более старых мышей мы обнаружили небольшое увеличение дисперсии экспрессии генов с возрастом (рис. 1 ). E и SI Приложение , рис. S1 D ), в соответствии с предыдущими отчетами (28).

Далее мы оценили временные паттерны экспрессии генов на основе Ribo-seq в печени мыши (рис. 2 A и B ) и почках (рис.2 C и D ). Здесь Ribo-seq не был нормализован по охвату транскриптома, поэтому он отражает экспрессию генов в отношении изменений как транскрипции, так и трансляции. Поскольку печень мышей в возрасте 1 мес. Отличалась от печени мышей других возрастов (рис.1 E ), мы использовали 3-месячных мышей в качестве эталона и выбрали гены, которые дифференциально экспрессировались по крайней мере в одном сравнении ( SI Приложение , рис. S3 и набор данных S2). Большинство генов следовали U-образному паттерну изменений экспрессии с максимумом или минимумом через 3 месяца (рис.2 A ), который послужил поворотным моментом (29, 30) и может отражать переход от развития к взрослому состоянию. Действительно, гены, активируемые в 1-месячной печени (по сравнению с 3-месячными образцами), были связаны с развитием урогенитальной и сосудистой систем, сборкой хроматина, организацией внеклеточного матрикса и метаболизмом аминокислот и нуклеотидов (набор данных S3).

Рис. 2.

Профилирование экспрессии печени и почек стареющих мышей с помощью Ribo-seq. ( A и C ) Тепловая карта возрастных изменений экспрессии генов в печени ( A ) и почках ( C ).Для каждого возраста рассчитывалась дифференциальная экспрессия по сравнению с таковой у 3-месячных мышей. Были проанализированы данные от трех мышей каждого возраста, за исключением 32-месячных образцов (две мыши). Для генов DE с скорректированным значением P менее 0,05, по крайней мере, в одном возрасте по сравнению с 3-мес., Значения log ₂ (кратное изменение) были сгруппированы и представлены на тепловой карте (набор данных S2). Количество генов DE указано в Приложении SI , рис. S3. ( B и D ) GO BP (биологический процесс) и GO CC (клеточный компартмент) функциональное обогащение генов с повышенной (красный) или пониженной (синий) регуляцией с возрастом в печени ( B ) и почках ( D ) (Набор данных S3).( E ) Сравнение наборов генов, по-разному экспрессируемых в печени и почках. Диаграммы Венна показывают повышенную или понижающую регуляцию генов с возрастом в соответствии с данными Ribo-seq.

Функциональные паттерны изменений Ribo-seq (рис. 2), а также изменения в экспрессии определенных генов ( SI Приложение , рис. S2) были в некоторой степени похожи в печени и почках, особенно для генов с активированной регуляцией. с возрастом. Мы наблюдали устойчивое увеличение экспрессии генов воспаления и иммунной системы, что отражает «воспаление» — хроническое воспаление, прогрессирующее с возрастом (см.31). Общие маркеры стареющих клеток — лизосомальные белки (32) — были активированы в обеих тканях. В нашем исследовании пять генов, кодирующих воспалительные и лизосомные белки ( Ctss , C1qa , C1qb , C1qc и Laptm5 ), были активированы как в печени, так и в почках, а также в нескольких других транскриптомах и транслатомах старения. наборы данных по различным органам и видам (14, 33, 34), предполагая, что они могут считаться надежными биомаркерами старения.

Известно, что в отличие от воспаления функция митохондрий снижается с возрастом (см. Ссылку 35). Действительно, в почках мы наблюдали постепенное снижение экспрессии ядерных генов, кодирующих митохондриальные белки, хотя это было менее выражено в печени (тем не менее, многие гены следовали этой схеме, например, Uqcc2 , Fxn , Mrps16 , Mrpl9 , Mrpl30 , Mrpl54 , Mterf4 , Atp5k , Aadat , Mtch3 ).Экспрессия генов, участвующих в окислительно-восстановительном гомеостазе, была изменена как в печени, так и в почках, что согласуется с ролью окислительного стресса в старении (см. Ссылку 36). Некоторые из этих генов были подавлены в почках и печени ( Pex16 , Sod1 ), тогда как другие гены были активированы ( Gpx3 , Gsta2 : как в печени, так и в почках; Gstt3 , Sod3). : в печени; Gstt1 : в почках). Другие функциональные группы генов с повышенной экспрессией в обоих органах были связаны с регуляцией кровяного давления и предшественниками амилоидных белков ( Prnp : в печени и почках; App , Aplp2 : в печени).

Гены, подавляемые в почках, включают гены, участвующие в ответе на глюкокортикоидные гормоны, биосинтезе кофакторов и метаболизме липидов. Примечательно, что 21 ген, кодирующий пероксисомные компоненты, показал снижение экспрессии с возрастом в почках, что согласуется с ассоциацией возрастных изменений липидного обмена с почечными нарушениями (37).

Большинство возрастных изменений в транслятоме коррелировали с изменениями в транскриптоме обоих органов, что позволяет предположить, что первичные изменения экспрессии генов с возрастом происходят на уровне транскрипции (рис.3 A и B и SI Приложение , рис. S3). Поэтому мы искали предполагаемые факторы транскрипции (TF), регулирующие гены, которые активируются или подавляются с возрастом (таблица 1 и набор данных S4). Этот анализ выявил RelA (субъединица p65 NF-κB) и Spi-B (специфический для лимфоцитов активатор транскрипции), которые могут активировать транскрипцию своих мишеней при старении как в печени, так и в почках. Большинство их мишеней, активируемых с возрастом, участвуют в воспалительной реакции и иммунных процессах.Кроме того, было обнаружено, что 55 из 217 мишеней RelA, активируемых в почках, являются общими с другим фактором транскрипции, Jun (субъединица фактора транскрипции AP-1), который в сотрудничестве с NF-κB способствует выживанию клеток (38). В свою очередь, общие мишени Jun и Smad3 также были обогащены генами с возрастным увеличением экспрессии, что отражает ответ на проапоптотический цитокин TGFβ (39). Дополнительными факторами, которые могут участвовать в активации транскрипции связанных с иммунитетом генов с возрастом, были MafB в печени и Irf3 и Stat5a в почках.Мишени рецептора α, активируемого пролифератором пероксисом, PPARα (отдельно или вместе с рецептором ретиноевой кислоты RXRα), были обогащены генами, активирующими метаболизм липидов в почках. Димер PPARα / RXRα активирует транскрипцию генов, участвующих в окислении и катаболизме жирных кислот (40). Более того, активация PPARα подавляет функцию NF-κB, а снижение уровней PPARα связано со старением (41). Сам по себе Ppara является одной из мишеней фактора транскрипции Foxa3, который был обогащен генами почек, регулируемыми с возрастом.Для генов с пониженной регуляцией мы обнаружили два потенциальных фактора транскрипции, участвующих в почках, Arid1a и Hnf4a, регулирующих экспрессию генов, ответственных за метаболизм липидов и кофакторов.

Рис. 3.

Возрастные изменения занятости функциональных групп генов рибосомами. ( A и B ) Сравнение транскрипции (RNA-seq) и трансляции (Ribo-seq) для печени ( A ) и почек ( B ) 32-месячных мышей (два повтора) по сравнению с 3-месячными мышами (три повтора) (набор данных S2).( C и D ) Функциональные группы генов с возрастными изменениями RO представлены как результаты GSEA. Линейные изменения RO с возрастом (от 3 до 32 мес. Мышей) оценивали с помощью edgeR (всего 14 мышей). Гены были отсортированы в соответствии с их подписанными значениями P [−log ₁₀ (значение P ) * знак (log ₂ (кратное изменение))], в печени ( C ) и почках ( D ). ). Показаны условия GO BP со значением q менее 0,25 (набор данных S3).

Таблица 1.

Факторы транскрипции с сайтами связывания, обогащенными промоторами генов, регулируемых с повышением или понижением с возрастом

Старение влияет на занятость рибосомами определенных групп транскриптов.

Многие гены, подавляемые с возрастом в печени, по данным Ribo-seq связаны с синтезом белка, метаболизмом некодирующей РНК и биогенезом рибосом. Среди них были гены, кодирующие многочисленные рибосомные белки, факторы трансляции, белки, участвующие в биогенезе больших ( Nol9 , Nsa2 ) и малых ( Utp14a , Tsr1 ) субъединиц рибосомы, компоненты РНК-полимеразы I ( Cd3eap ). , ядерные импортные и экспортные белки ( Nmd3 , Ipo4 , Sdad1 ), РНК-геликазы ( Ddx1 , Ddx17 , Ddx21 ), некодирующие нуклеазы процессинга РНК ( тинтета-синтазы RNA) ( Mars , Qars , Farsb ), компоненты комплекса псевдоуридилирования рРНК (например,g., Nhp2 ) и РНК-связывающих белков с различными функциями ( Cirbp , Aimp1 , Pa2g4 , Rtraf ). В почках различные гены, связанные с синтезом белка, также показали сниженную экспрессию (например, Eif3h , Eif4g3 , Eif5 , Eif5a , Dars , Sars , Ddx3x , Ртраф ). Эта функциональная группа не наблюдалась в предыдущих исследованиях транскриптомов, связанных с возрастом, что указывает на снижение регуляции именно на посттранскрипционном уровне.Чтобы исследовать это дальше, мы проанализировали вклад транскрипции и трансляции, сравнивая возрастные изменения, обнаруженные в данных RNA-seq и Ribo-seq (рис. 3 и приложение SI, приложение , рис. S3).

Вместе, Ribo-seq и RNA-seq позволяют разложить вклад транскрипции и трансляции в изменения экспрессии генов, анализируя занятость рибосом (RO) (количество следов рибосом, нормализованных по количеству транскриптов) конкретных транскриптов. RO является показателем эффективности трансляции, поскольку в большинстве случаев, чем больше рибосом транслирует мРНК, тем больше продуктов производится.Таким образом, мы сначала сравнили возрастные изменения в экспрессии генов, идентифицированные с помощью Ribo- и RNA-seq в каждом органе (рис. 3 A и B ). Несмотря на то, что возрастные изменения в экспрессии генов в основном были вызваны изменениями транскриптомов, также были отчетливые выбросы, и почти все они по-разному выражались на уровне трансляции, а не на уровне транскрипции.

Чтобы идентифицировать функциональные группы генов, трансляция которых зависит от возраста, мы выполнили анализ обогащения набора генов (GSEA).Линейные изменения RO мышей в возрасте от 3 до 32 месяцев оценивали с учетом данных по всем соответствующим возрастным группам. Списки генов были отсортированы по знаковым значениям P . В обоих органах активированные гены представляют собой термины ГО, относящиеся к воспалению, развитию и дифференцировке различных типов клеток, тогда как термины ГО, охватывающие подавляемые гены в почках, включают митохондриальные компоненты, связанные с цепью переноса электронов, митохондриальной трансляцией и мембрана (рис.3 C и D и набор данных S3). Хотя снижение митохондриальной функции является хорошо задокументированным феноменом старения, трансляционный контроль этого процесса еще не зарегистрирован. Интересно, что многие кодируемые ядром мРНК, связанные с активностью митохондрий и биогенезом, регулируются на уровне трансляции с помощью пути mTOR посредством 4E-BP-зависимой регуляции трансляции (42). Таким образом, некоторые функциональные группы генов действительно демонстрируют регуляцию трансляции, на которую влияет старение, хотя не было отдельных генов, которые прошли бы значение P , скорректированное на ложное обнаружение.Однако, исследуя верхнюю и нижнюю часть ранжированного списка генов, мы обнаружили гены, кодирующие функционально связанные продукты. Среди генов, RO которых снижается с возрастом, ярким примером является фактор 7 регуляторной транскрипции IFN ( Irf7 ), который, как известно, специфически репрессируется посредством 4E-BP (43). Его RO был примерно в шесть раз ниже у старых образцов по сравнению с молодыми. Наиболее известные термины ГО, обогащенные подавляемыми генами в печени, были связаны с биосинтезом белка (рис. 3 A и C ).Напротив, мРНК, кодирующие субъединицы ферритина Fth2 и Ftl1, которые, как известно, трансляционно регулируются железо-чувствительным элементом в их 5′-UTRs (44), обе активируются в печени. Это может отражать хорошо известные нарушения метаболизма и хранения железа, связанные со старением (45), или быть следствием связанного со старением воспаления, поскольку эти мРНК трансляционно активируются при воспалительной реакции (46).

Термин «трансляция» GO включал гены, которые также подавлялись в почках, хотя и с меньшей значимостью.Возможно, наблюдаемые изменения RO связаны с изменениями количества изоформ транскрипта. Чтобы прояснить это, мы проанализировали изменения численности изоформ транскриптов с возрастом (набор данных S5) и сравнили их с изменениями RO соответствующих генов. Однако мы не обнаружили ни значительных переключений основных изоформ транскриптов с возрастом, ни ассоциации между изоформами изоформ и изменениями RO ( SI Приложение , рис. S4 и S5).

Трансляция 5′-концевых олигопиримидиновых транскриптов, кодирующих компоненты оборудования для синтеза белков, репрессируется с возрастом.

Известно, что трансляция мРНК, кодирующих компоненты аппарата синтеза белка, регулируется посредством пути mTOR. В частности, многие из мРНК-мишеней mTOR несут регуляторную последовательность 5′-концевого олигопиримидина (5′-TOP) (47), что делает их более чувствительными к ингибированию mTOR, чем остальная часть транскриптома (48). Мы проанализировали возрастные изменения RO этих транскриптов (рис. 4). В печени трансляция мишеней mTOR подавлялась у старых животных (32- по сравнению с 3-месячными мышами), и среди них транскрипты 5′-TOP были наиболее затронуты (рис.4 A и B и SI Приложение , рис. S8 A ). Например, гены, кодирующие рибосомные белки Rps5, Rps11, Rps25, Rps21, фактор элонгации Eef2 и Pabpc1, были среди генов с наиболее сильным снижением RO в печени (Рис.4 A и B и SI Приложение , Рис. S7). Большинство этих генов имели общий паттерн изменения RO с возрастом: количество следов Ribo-seq увеличивалось с 1 до 3 месяцев и постепенно уменьшалось от 3 месяцев до самого старшего возраста, тогда как количество RNA-seq было более или менее стабильным в разных возрастных группах. ( SI Приложение , рис.S7). Снижение RO было также обнаружено, если линейное изменение RO с возрастом было предоставлено в GSEA (Рис. 4 C ) и тест Манна-Уитни U (Рис. 4 D ). Значительное, хотя и более слабое снижение RO транскриптов 5′-TOP и мишеней mTOR также наблюдалось, когда 32-месячные мыши были исключены из анализа ( SI Приложение , рис. S8 B и C ) , предполагая, что гены 5′-TOP и мишени mTOR имеют тенденцию обнаруживать более низкие RO в более раннем возрасте, с наиболее заметным снижением в старшем возрасте.

Рис. 4.

Уменьшение занятости рибосом транскриптами, кодирующими рибосомные и другие связанные с трансляцией белки, с возрастом в печени. ( A ) Сравнение транскриптома (RNA-seq) и вывода трансляции (Ribo-seq) log ₂ (кратное изменение) между 32-месячными мышами (две мыши) и 3-месячными мышами (три мышей). ( B ) График вулкана показывает логарифм ₂ (кратное изменение) RO между 32-месячными мышами (две мыши) и 3-месячными мышами (три мыши). ( C ) GSEA возрастных изменений RO 41 5′-TOP и 160 mTOR-чувствительных генов (59) в печени.Линейные изменения RO с возрастом (от 3 до 32 мес. Мышей) оценивали с помощью edgeR (всего 14 мышей). Гены были отсортированы в соответствии с их знаковыми значениями P [−log ₁₀ (значение P ) * знак (log ₂ (изменение в разы))]. ( D ) Коробчатая диаграмма, показывающая распределение регулируемых mTOR и 5′-TOP генов RO. Статистическая значимость рассчитывалась с помощью критерия Манна – Уитни U .

Таким образом, данные свидетельствуют о том, что наблюдаемое снижение трансляции транскриптов, кодирующих компоненты аппарата синтеза белка, можно объяснить понижающей регуляцией mTOR с возрастом.Интересно, что мы обнаружили, что количество самой мРНК mTOR отрицательно связано с возрастом согласно нашим данным Ribo-seq и RNA-seq (Dataset S2), предполагая, что во время старения киназа mTOR может регулироваться на уровне транскрипции.

В почках сходный, но более слабый паттерн изменений наблюдается для транскриптов, кодирующих компоненты, связанные с трансляцией ( SI Приложение , Fig. S6). Хотя количество Ribo-seq немного снизилось с 3 до 32 месяцев, RNA-seq не изменилась или даже увеличилась для большинства этих генов, таким образом компенсируя наблюдаемый эффект ( SI Приложение , рис.S7). Вероятно, поэтому термин трансляции GO не был обнаружен в общем профиле дифференциальной экспрессии в почках (Fig. 2 A ). Тем не менее, даже при аналогичном паттерне изменения транскриптов, связанных с трансляцией, и RO, репертуар этих транскриптов не был идентичным для печени и почек (например, сравните Рис. 4 A и B и SI Приложение , Рис. . S6 A и B и набор данных S6). Мы также наблюдали подавление трансляции транскриптов 5′-TOP с возрастом и снижение уровней транскриптов mTOR (набор данных S2), в то время как в этом случае мы не обнаружили выраженного снижения RO для mTOR-чувствительных транскриптов ( SI Приложение , Инжир.S6 C ).

Перераспределение покрытия рибосом к 3′-концу кодирующих последовательностей с возрастом.

Чтобы проанализировать возможные возрастные изменения в распределении рибосом по транскриптам, мы построили метагенные профили рибосомного покрытия в 100-нуклеотидных окнах, окружающих стартовый и стоп-кодоны надежно экспрессируемых транскриптов в печени и почках (рис. 5 A ) . Поразительно, что мы наблюдали зависящее от возраста снижение плотности рибосомных следов на 5′-конце кодирующих областей и увеличение на его 3′-проксимальной части в обоих органах.Что касается печени, то в 11 мес. Произошел явный поворотный момент. Изменение в распределении рибосом ограниченного подмножества мРНК может сильно способствовать наблюдаемому паттерну, но это также может быть объяснено незначительными изменениями во многих мРНК. Чтобы различать эти возможности, мы проанализировали позиционные профили следов рибосом вдоль отдельных транскриптов относительно 3-месячной контрольной точки. Мы разделили каждую транскрипцию на фиксированный набор сегментов ( Материалы и методы, ) и подобрали линейную модель охвата следа, используя относительную координату транскрипта в качестве переменной-предиктора (рис.5 B и SI Приложение , рис. S9 и дополнительные методы , раздел 5). Для каждого возраста мы обнаружили значительный сдвиг в распределении наклонов линейной регрессии по транскриптам (по сравнению с 3-месячными мышами, использующими тест знаков [ SI Приложение , рис. S9]), тогда как только небольшое количество транскриптов показали увеличение покрытия рибосом в 5 ‘проксимальной части. Эффект постепенно становился более выраженным для образцов от мышей в возрасте от 11 до 32 месяцев (рис. 5 B ).Таким образом, изменения в рибосомном покрытии транскрипта отражают глобальную тенденцию дерегуляции трансляции с возрастом. Эти возрастные изменения проиллюстрированы на фиг. 5 C , где показаны репрезентативные транскрипты. Эффект был наиболее выражен вблизи старт-кодонов и стоп-кодонов, но также обнаруживался по всем транскриптам ( SI Приложение , Рис. S9). В целом, эта модель перераспределения раскрывает еще один уровень дерегуляции трансляции, связанной с возрастом.

Фиг.5.

Постепенная возрастная перестройка следов рибосом по направлению к 3′-концу кодирующей последовательности. ( A ) Метагеновые профили рибосомного покрытия вблизи старт-кодонов и стоп-кодонов (окна 200 нуклеотидов) 2920 и 4566 транскриптов для печени и почек, соответственно. Значения покрытия метагена в положении +42 нуклеотида от стартовых кодонов и в положении -42 нуклеотида от стоп-кодонов представлены на отдельных графиках под основными графиками (значения покрытия в повторах, среднее значение показано горизонтальными линиями).( B ) Распределение наклонов линейной регрессии для профилей отпечатков рибосом, нормализованных к среднему охвату через 3 месяца и сглаженных с помощью относительной координаты транскрипта в качестве переменной-предиктора ( SI Приложение , Дополнительные методы , раздел 5). Гистограммы отображают количество транскриптов с отрицательным (, левый, ) и положительным (, правый, ) наклонами. Были проанализированы данные от трех мышей каждого возраста, за исключением 32-месячных образцов (две мыши). ( C ) Репрезентативные транскрипты, демонстрирующие увеличенное покрытие рибосомного следа в печени и почках с возрастом.Пунктирными линиями обозначены стартовый и стоп-кодоны.

Обсуждение

Изменение синтеза белка с возрастом в течение некоторого времени было спорным вопросом (см. Ссылку 7). Хотя считается, что общий синтез белка у млекопитающих с возрастом снижается, механистические детали остаются неуловимыми. В данной работе мы применили Ribo-seq и RNA-seq для анализа возрастных изменений трансатомов печени и почек мышей на протяжении всей жизни. Это позволило нам охарактеризовать функциональные группы генов, экспрессия которых изменяется с возрастом на уровне транскрипции или трансляции, и выявить гены-кандидаты, которые могут служить маркерами старения в исследуемых тканях.Кроме того, мы идентифицировали специфическое нарушение регуляции трансляции транскриптов 5′-TOP, кодирующих компоненты аппарата синтеза белка во время старения. Мы также обнаружили, что позиционный профиль рибосом вдоль транскрипта отличается у молодых и старых животных, что отражает еще один уровень возрастных изменений трансляции по мере старения животных.

Наблюдаемые нами изменения экспрессии генов (рис.2) в целом соответствовали ранее описанным транскриптомным паттернам во время старения (например,г., исх. 33 и 34), указывая на основные процессы, изменяющиеся с возрастом на уровне экспрессии генов, такие как воспаление, регуляция артериального давления, биосинтез липидов и глюкокортикоидов, деградация протеасомных белков, митохондриальная активность и окислительный стресс. Сильная корреляция между профилями Ribo-seq и RNA-seq, а также соответствие данным, полученным в предыдущих исследованиях, указывают на то, что возрастные изменения в экспрессии генов проявляются преимущественно на уровне транскрипции, по крайней мере, в печени и почках (рис.3). Экспрессия большинства генов, дифференциально экспрессируемых на протяжении жизни, следовала U-образной кривой с поворотной точкой примерно в возрасте 3 мес. В предыдущих исследованиях такой закономерности не наблюдалось, вероятно, потому, что возрастные изменения экспрессии генов изучались либо только в двух временных точках (14, 33), либо они не включали молодых животных (1 мес.) (14, 33, 34). ). Однако ранее сообщалось о U-образном «обратном» паттерне экспрессии генов для мозга человека (29, 30) и крысы (49) с поворотными точками на ∼3.5–20 лет для людей и от 6 до 12 месяцев для крыс.

Помимо возрастных изменений экспрессии генов на уровне транскриптомов, мы обнаружили ряд транскриптов, специфически затронутых на уровне трансляции. К ним относятся транскрипты, кодирующие митохондриальные белки, связанный с иммунитетом фактор транскрипции Irf7, клинически значимые факторы гемостаза F13a1 и Vwf, связанную с ферроптозом пероксидазу Gpx4 и две субъединицы ферритина, Fth2 и Ftl1. Кроме того, гены из терминов GO, относящиеся к развитию и дифференцировке клеток, были обогащены среди генов с RO, активируемым с возрастом в обоих органах.С другой стороны, мы не обнаружили связи между численностью изоформ и изменениями RO ( SI Приложение , рис. S4 и S5 и набор данных S5), предполагая, что альтернативный сплайсинг вряд ли может быть источником наблюдаемых изменений RO.

Что наиболее важно, наш анализ выявил конкретную субпопуляцию транскриптов, 5′-TOP мРНК, кодирующих несколько компонентов аппарата синтеза белка, эффективность трансляции которых постепенно снижается с возрастом (рис. 4). Эта группа транскриптов специфически регулируется осью mTOR / 4E-BP (47), сигнальным путем, который, как известно, связан со старением, контролем продолжительности жизни и долголетием (для обзора см.7). Интересно, что мы также наблюдали подавление обилия мРНК mTOR с возрастом, предполагая существование транскрипционного компонента регуляции mTOR во время старения (Dataset S2). Хотя профилирование рибосом предоставляет данные об экспрессии только генов, кодирующих белок, вполне вероятно, что синтез рРНК и тРНК также нарушается во время старения, поскольку их экспрессия также контролируется путем mTOR (50).

Таким образом, мы показали, что трансляция мРНК, кодирующих компоненты аппарата синтеза белка, снижается с возрастом как в печени, так и в почках.Эта картина хорошо коррелирует с ранее наблюдавшимся снижением общего синтеза белка с возрастом (для обзора см. Ссылку 7). Однако в отличие от быстро пролиферирующих раковых клеток, где mTOR-зависимые транскрипты составляют основную фракцию мРНК, ассоциированных с полисомами, по нашим данным, собранным из терминально дифференцированных клеток органов мыши, транскрипты 5′-TOP не были обогащены среди высокоэффективных транскриптов. переведенные стенограммы. Следовательно, их пониженная ассоциация с полисомами, как предполагается, не вносит значительного вклада в общее снижение синтеза белка у старых животных, а скорее влияет косвенно, изменяя численность и состав машинного перевода.Следует отметить, что наблюдаемое снижение общей экспрессии компонентов машины трансляции наиболее заметно в печени, тогда как в почках изменения скорости трансляции этих транскриптов существенно компенсируются на уровне транскрипции ( SI Приложение , Fig. S6). Мы также не можем исключить влияние возрастных изменений в составе тканей, поскольку для экспериментальных анализов использовались лизаты цельной ткани.

Описанное подавление трансляции транскриптов, кодирующих компоненты аппарата синтеза белка, не было обнаружено при попарном сравнении экспрессии генов в печени и головном мозге молодых и старых крыс, проведенном в более раннем исследовании профилирования рибосом, предположительно из-за изменений в синтезе компонентов машинного перевода более заметны в старшем возрасте (14).Однако полученные данные согласуются с изменениями трансатома во время репликативного старения дрожжей (13). Интересно отметить, что дрожжевые транскрипты, кодирующие компоненты, связанные с трансляцией, не имеют мотивов 5′-TOP (47) и, таким образом, маловероятно, что они трансляционно регулируются с помощью TOR так же, как транскрипты млекопитающих. В этом случае снижение как общей трансляции, так и синтеза рибосомного белка достигается за счет различных механизмов, т. Е. Активации регуляторного пути GCN2 / eIF2α и повышенного рекрутирования мРНК в Р-тельца в стареющих клетках (13).Интересно, что ось GCN2 / eIF2α, как было показано, регулирует трансляцию мРНК 5′-TOP также у млекопитающих (50), поэтому ее возможная связь с наблюдаемым феноменом заслуживает дальнейшего изучения.

Другое важное наблюдение в нашем исследовании касается изменений метагенного профиля покрытия рибосом вдоль кодирующих областей (Рис. 5), указывая на системное изменение трансляции с возрастом. Мы предполагаем, что эти изменения отражают снижение общей эффективности инициации трансляции, вызванное наблюдаемым подавлением пути mTOR (рис.4), а также возможное снижение скорости терминации трансляции или рециклинга рибосом. Наша модель основана на представлении о дифференциальной скорости удлинения в разных частях кодирующей последовательности (51, 52). Известно, что медленные кодоны распределены внутри транскриптов неслучайным образом и особенно обогащены в области, следующей за сайтом инициации, в то время как дистальные части кодирующих областей имеют гораздо более низкое содержание медленных кодонов (51, 52). В результате первые ∼30–50 кодонов обычно транслируются медленнее, тогда как последние ∼50 кодонов являются самыми быстрыми (51).Таким образом, в условиях, когда инициация трансляции ингибируется, плотность рибосом вдоль кодирующей последовательности должна перераспределяться от 5′-проксимальной к дистальной части транскрипта, в то время как ингибирование терминации и / или рециклинга рибосом должно увеличивать плотность в его 3′-фрагменте. проксимальная часть. Однако следует отметить, что повышенная скорость удлинения и, возможно, другие факторы также могут приводить к аналогичному паттерну изменений профиля метагена с возрастом (53).

Таким образом, наши результаты выявили ранее неизвестные способы дерегуляции трансляции с возрастом.Снижение скорости трансляции может отражать попытку клетки справиться с накоплением поврежденных белков или компенсировать дефицит энергии с возрастом (7). Было показано, что для многих модельных организмов от дрожжей до приматов фармакологические, диетические и генетические вмешательства, снижающие скорость синтеза белка и подавляющие передачу сигналов mTOR, значительно увеличивают продолжительность жизни (7, 8, 54). Однако наше исследование ясно показывает, что более молодые ткани на самом деле характеризуются более активным синтезом белка и повышенной трансляцией mTOR-зависимых мРНК.Таким образом, возвращение клетки в более молодое состояние должно включать обновление и реактивацию аппарата синтеза белка, сопровождаемую одновременным усилением сети клеточного протеостаза. Как показало наше исследование, дерегуляция трансляции, связанная с возрастом, имеет множество аспектов, которые вместе вносят свой вклад в дисфункцию этого важнейшего клеточного процесса во время старения.

Материалы и методы

Сбор и лизис тканей.

Образцы тканей были собраны у самцов мышей C57BL / 6 указанного возраста в Национальном институте стареющих престарелых колоний грызунов, как описано в ссылке.55. Для каждого возраста были приготовлены три биологические повторы (три мыши), за исключением 32-месячной группы (две мыши). Образцы печени и почек нарезали и замораживали в жидкости N ₂ и хранили при -80 ° C. Образцы тканей (~ 55 и ~ 75 мг для печени и почек, соответственно) использовали для последующих анализов. Ткани размораживали и механически разрушали в буфере для лизиса (20 мМ Tris⋅HCl, pH 7,5, 100 мМ KCl, 5 мМ MgCl ₂ , 1 мМ DTT, 1% Triton X-100) с добавлением 0,1 мг / мл циклогексимида ( CHX), как описано ранее (4).Быстрое замораживание и быстрое оттаивание с последующим прерыванием в присутствии высоких концентраций CHX позволило минимизировать артефакты, связанные с обработкой CHX (56). Отметим, что для образцов тканей животных не сообщалось об артефактах, индуцированных CHX (57). После гомогенизации и центрифугирования 250 мкл лизата были добавлены с 20 единицами ингибитора РНКазы SUPERase-In и взяты для подготовки библиотеки RNA-seq, а 500 мкл лизата были доведены до 1 мл с буфером для лизиса и взяты для библиотеки Ribo-seq. подготовка.

Подготовка библиотеки секвенирования для профилирования рибосом.

Библиотеки профилирования рибосом получали, как описано ранее (4), с модификацией расщепления РНКазой, как указано ниже. Расщепление лизатов РНК проводили в течение 1 ч смесью 2000 единиц РНКазы Т1 (Epicenter) и 300 единиц РНКазы S7 (Roche). После 30 мин инкубации добавляли 0,8 мг гепарина для ингибирования всех РНКаз, кроме РНКазы Т1. После переваривания в лизаты вводили 80 единиц ингибитора РНКазы SUPERase-In.

Подготовка и секвенирование библиотеки транскриптомов.

Суммарная РНК была выделена из 250 мкл лизата с 750 мкл реагента TRIzol LS и обработана ДНКазой, не содержащей РНКазы RQ1 (1 единица на 1 мкг общей РНК) в течение 30 минут при 37 ° C с последующим водонасыщенным кислым фенолом. экстракция и осаждение этанолом (с добавлением 1/100 объема РНК гликогена). Пятьсот нанограммов тотальной РНК, обработанной ДНКазой I, удаляли рибосомальной РНК с помощью набора для истощения рРНК NEBNext (человек / мышь / крыса) (# E6310) и использовали для подготовки библиотеки транскриптомов с помощью набора для подготовки библиотеки направленной РНК NEBNext Ultra II для Illumina (# E7760).Секвенирование рибосомных профилей и библиотек транскриптомов проводили в системе Illumina NextSeq 500/550 (факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова и Институт проблем передачи информации РАН).

Секвенирование, обработка данных и биоинформатический анализ Ribo-Seq и RNA-Seq.

Биоинформатический анализ данных секвенирования Ribo-seq и RNA-seq подробно описан в SI Приложение , Дополнительные методы .Вкратце, считывания Ribo-seq и RNA-seq были сопоставлены с набором транскриптома и генома мыши (mm10, GRCm38.p5) с использованием аннотации GENCODE M13. Для анализа дифференциальной экспрессии подсчеты считывания RNA-seq и Ribo-seq были нормализованы по относительной логарифмической экспрессии отдельно для почек и печени и преобразованы в число импульсов в минуту (количество на миллион). Гены с менее чем 1 имп / мин по крайней мере в одном образце были исключены. Дифференциальное выражение было проанализировано с помощью обобщенной линейной модели пакета edgeR (58).В исследовании использовались парные сравнения возраста и модель, описывающая линейные изменения экспрессии генов с возрастом. Чтобы проанализировать изменения рибосомного покрытия и построить профили метагена, считывания были сопоставлены с транскриптомом. Использованные транскрипты, содержащие менее 2,5 транскриптов на миллион килобаз (tpm) по крайней мере в одном образце, были исключены. Чтобы построить профили метагена для каждого транскрипта, профиль покрытия был нормализован к соответствующему (5′-конец или полноразмерный след) среднему охвату полного транскрипта Ribo-seq, а затем нормализованные значения были суммированы для всех стенограммы.Динамика возрастных изменений рибосомного покрытия белок-кодирующих областей оценивалась следующим образом. Профиль охвата для каждого транскрипта был обработан для получения списка неперекрывающихся сегментов со стабильным охватом зоны покрытия и нормализован к среднему охвату через 3 месяца. Был проведен линейный регрессионный анализ для нормализованного покрытия отпечатка рибосомы с относительной координатой транскрипта в качестве предиктора (подробности см. В приложении SI , Дополнительные методы , раздел 5).

Утверждение этических норм.

Эксперименты проводились в соответствии с протоколами, утвержденными Комитетом по уходу и использованию животных больницы Бригама и женщин.

Доступность данных.

Все необработанные и обработанные данные секвенирования, полученные в этом исследовании, были депонированы в базе данных Gene Expression Omnibus, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ (инвентарный номер GSE123981).

Благодарности

Мы благодарим Марию Д. Логачеву, факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова и Институт проблем передачи информации РАН за секвенирование Illumina и ценные комментарии.Мы также благодарим Ирину А. Елисееву, Павла В. Баранова, Дмитрия Е. Андреева и Надежду Е. Макарову за обсуждение, а также Екатерину А. Сахарову, Александра Тышковского и Филиппа О. Гусева за помощь в биоинформатическом анализе. Работа финансировалась грантом Российской Федерации 14.W03.31.0012 и грантами NIH DK117149 и AG047745, а биоинформатический анализ — грантом Российского научного фонда 18-14-00291.

Сноски

• Автор: A.S.A., M.V.G., I.V.K., S.E.D. и V.N.G. спланированное исследование; КАК. и M.B.M. проведенное исследование; A.S.A., M.B.M., M.V.G., I.V.K., S.E.D. и V.N.G. проанализированные данные; и A.S.A., I.V.K., S.E.D. и V.N.G. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Размещение данных: Все необработанные и обработанные данные секвенирования, представленные в этой статье, были депонированы в базе данных Gene Expression Omnibus (GEO), https: // www.ncbi.nlm.nih.gov/geo (инвентарный номер GSE123981).

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2001788117/-/DCSupplemental.

Синтез и созревание белка

Синтез и созревание белка

Синтез белка и созревание

Генетическая информация перетекает от ДНК к РНК к белку. ДНК кодирует информацию, необходимую для синтеза белков и копия закодированной информации транскрибируется и обрабатывается в информационную РНК (мРНК).Информация, переносимая мРНК, направляет синтез белков этот процесс называется трансляцией. Перевод происходит на поверхность частиц, называемых рибосомами.

Генетический Код

Генетический код — это система конкретные последовательности оснований, которые определяют, какие аминокислоты должны использоваться для синтез белка при трансляции. Генетический код состоит из кодоны, которые состоят из триплета оснований и определяют конкретную аминокислоту.Существует 64 последовательности кодонов, шестьдесят одна специфическая аминокислота и три прямые прекращение перевода. Поскольку существует 20 природных аминокислот, кислоты более одного кодона могут указывать на аминокислоту. Например, изолейцин определяется тремя кодонами AUU, AUC и AUA. Кодоны, указывающие то же самое аминокислоты называются синонимами. Генетический код называется вырожденным, потому что синонимичные кодоны обычно различаются только третьим основанием. Три кодона, UAA, UAG и UGA являются стоп-кодонами или бессмысленными кодонами и направляют прекращение трансляции.

Ала / А	GCU, GCC, GCA, GCG	лей / л	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Арг / R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	Lys / K	AAA, AAG
Асн / N	AAU, AAC	Мет / М	AUG
Asp / D	GAU, GAC	Phe / F	УУУ, УУК
Cys / C	УГУ, УГК	Pro / P	CCU, CCC, CCA, CCG
Gln / Q	CAA, CAG	Сер / С	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu / E	GAA, GAG	Thr / T	ACU, ACC, ACA, ACG
Gly / G	GGU, GGC, GGA, GGG	Trp / Вт	UGG
г / н	CAU, CAC	тир / год	UAU, UAC
Иль / И	AUU, AUC, AUA	Val / V	ГУУ, ГУК, ГУА, ГУГ
СТАРТ	AUG	СТОП	UAA, UGA, UAG

Перевод обычно инициируется с кодоном AUG, который определяет метионин.Остальная часть сообщения читается последовательно, по одному кодону за раз, кодоны не перекрываются, перевод прекращается, когда встречается стоп-кодон.

Например, последовательность ДНК (смысловая цепь, которая транскрибируется напрямую) 5 ‘ ATGCCACCTATAGGGTAG 3 ‘сначала транскрибируется (просто заменяя тимин (T) на урацил (U)) в мРНК 5’ AUGCCACCUAUAGGGUAG 3 ‘. Затем эта мРНК транслируется в Met-Pro-Pro-Ile-Gly.

Аминокислотная активация

Аминокислоты должны быть активированы для перевод произойдет.Активация гарантирует, что правильная аминокислота будет признано, и что энергии достаточно для образования пептидной связи. Активация ковалентное связывание аминокислот с определенными адапторными молекулами. Адаптер молекулы называются транспортной РНК (тРНК). На каждый из 20 встречающихся в природе аминокислот. ТРНК распознает кодоны, несущие мРНК и расположите их так, чтобы облегчить образование пептидной связи.

Шаг 1

Аминокислота + АТФ ———-> Амино-AMP-enz + PPi; фермент: аминоацил тРНК синтаза

Амино связано через 5 ‘положение к рибозе на АТФ, высвобождая PPi.Обратите внимание, что комплекс амино-АМФ остается связаны с ферментом аминоацил тРНК-синтазой.

Шаг 2

Амино-AMP-enz + тРНК ———-> Амино-тРНК + AMP + фермент

Аминогруппа ферментативно переносится на 3′-концевой аденозин тРНК, высвобождая фермент и AMP.

Общее уравнение:

Амино кислота + АТФ + тРНК ———-> Амино-тРНК + АМФ + PPi

Обратите внимание, две высокоэнергетические фосфатные связи используются для образования амино-тРНК.Молекула тРНК, связанная с аминокислотой, называется заряженной.

Структура и функции тРНК

Все тРНК похожи по структуре. TyC рука участвует в связывании заряженной тРНК с участком на рибосоме, где происходит синтез белка. Рука DHU (или D) необходима для распознавания собственно аминоацил тРНК-синтаза (фермент). Конец акцептора находится на 3 ‘и оканчивается в последовательности CCA.Рука антикодона состоит из семи нуклеотидов, последовательность которых читается от 3 ‘до 5’ (соглашение, противоположное обычные 5 футов на 3 фута).

Каждый антикодон тРНК может иметь пару оснований с комплементарным кодоном на мРНК. Например, аргинин определяется двумя кодонами, AGA и AGG, но существует только один антикодон тРНК для Arg, 3 ‘UCU 5’. ТРНК распознает и пары оснований с любым из двух кодонов Arg. Спаривание оснований происходит между первые два основания кодона и антикодон, третье основание кодона не соответствует.Таким образом, спаривание оснований не является строгим для последнего нуклеотида кодон-антикодон, это явление называется колебанием.

Структура рибосомы

Рибосомы находятся в цитоплазме на внешней стороне грубый ER и в митохондриальном матриксе. Рибосомы состоят из РНК и белки. Коэффициент седиментации рибосом эукариот составляет 80S. В Коэффициент седиментации S — это единица измерения, которая описывает, насколько быстро макромолекула осаждается при вращении в высокоскоростной центрифуге.Более крупные молекулы обычно имеют большие значения S. Рибосомы эукариот состоят из двух субъединиц: большая субъединица 60S и малая субъединица 40S. Субблок 60S состоит из около 45 белков и три рРНК, которые имеют S-коэффициенты 5, 5,8 и 28. Субъединица 40S состоит примерно из 33 белков и 18S рРНК.

Митохондриальные рибосомы состоят из большой субъединицы, 16S рРНК и малая субъединица 12S рРНК.

Синтез белка

Для трансляции мРНК в белок необходимы рибосомы, мРНК, тРНК, экзогенные белковые факторы и энергия в виде АТФ и ГТФ.Перевод происходит в три основных этапа: начало, удлинение и прекращение.

Начало

Для инициации трансляции необходимы четыре основных шага: рибосома диссоциация, образование преинициативного комплекса, образование 40S инициации комплекс и образование инициирующего комплекса 80S.

Удлинение

Во время элонгации белок синтезируется одной аминокислотой на время на рибосоме 80S.Этот процесс состоит из трех основных этапов: привязка заряженной тРНК, образование пептидной связи, транслокация растущего пептида цепь.

Прекращение действия

Когда появляется стоп-кодон, перевод завершается. Там нет тРНК, распознающих стоп-кодоны. Вместо белков, называемых высвобождением Факторы eRF распознают стоп-кодон. Релизинг-факторы вместе с пептидилом трансферазы и GTP катализируют гидролиз связи между полипептидом цепь и тРНК.Белок и тРНК отделяются от сайта и рибосома диссоциирует на субъединицы 40S и 60S, высвобождая мРНК.

Затраты энергии на синтез белка

Заряд тРНК: 2 АТФ

Связывание тРНК с рибосомой: 1 GTP

Транслокация: 1 GTP

Общая стоимость: 4 высокоэнергетические фосфатные связи на каждую образованную пептидную связь

Созревание белка

Скорость синтеза белка составляет около 6 пептидных связей в минуту, таким образом, синтез белка среднего размера занимает от 1 до 2 минут.Потому что мРНК часто имеет длину несколько тысяч нуклеотидов, одни и те же молекулы мРНК могут одновременно связываться со многими рибосомами. МРНК, которая связана несколькими рибосомы называют полисомами. Полисомы обеспечивают механизм для многих копий белка, транслируемого с одной мРНК. Полисомы в цитозоле синтезируют большинство белков и ферментов, необходимых организму для внутриклеточных процессов например, метаболизм.

Когда синтез белка прекращается, аминокислота-инициатор, метионин, будет иметь свободную аминогруппу.Этот конец белка является N-концом и последняя аминокислота в цепи имеет свободный карбокси или С-конец. Синтез белка таким образом, инициируется с аминоконца и продвигается к С-концу. Белки, синтезированные на грубом ЭПР, транспортируются через мембрану и в цистернальные пространства между листами ER, где они упакованы для экспорт. Чтобы транспортироваться через мембрану, белок синтезируется с сигнальная или лидерная последовательность на его амино-конце.

После его синтеза образуются дисульфидные связи и белок складывается в трехмерное состояние. Некоторые белки требуют посттрансляционного модификация, прежде чем стать полностью активным. Эти модификации могут включать удаление сегментов с использованием пептидаз, добавления фосфата, сахара или липидов к специфическим аминокислоты и гликозилирование.

Белок Синтез Анимация

Ингибиторы трансляции

Антибиотики

Стрептомицин: предотвращает связывание тРНК, тем самым блокируя инициацию перевода.

Эритромицин: связывается с субъединицей 50S прокариотической рибосомы, блокирование транслокации.

Тетрациклин: связывается с 30S субъединицей прокариотической рибосомы. и ингибирует связывание заряженной тРНК.

Токсины

Диптерия: катализирует ADP-рибозилирование His при ингибировании eEF транслокация. Несколько микрограммов могут убить человека.

Рицин: отщепляет один аденин от 28S рРНК и инактивирует рибосомная субъединица 60S.Одна молекула может убить целую клетку.

© Доктор Ноэль Штурм 2020

---

Заявление об ограничении ответственности: Взгляды и мнения, выраженные на неофициальных страницах штата Калифорния Университет, преподаватели, сотрудники или студенты университета Домингес Хиллс являются строго такими же авторы страницы. Содержание этих страниц не проверялось или одобрен Калифорнийским государственным университетом, Домингес-Хиллз.

bio final review guide Flashcards

dolly the lamb

Эмбриональная стволовая клетка потенциально может развиться в ЛЮБУЮ клетку в организме теоретически без ограничений для пополнения, а взрослая стволовая клетка способна только созреть в специализированную тканевую клетку, из которой ткань cell is positioned

Технология стволовых клеток может полностью изменить медицину.Многие люди имеют моральные и этические возражения против использования эмбриональных стволовых клеток в качестве методов лечения заболеваний. Однако многие люди не осознают, что во многих случаях стволовые клетки вовсе не обязательно должны быть получены из эмбрионов. По мере развития этой молодой науки существует очень большая вероятность того, что люди увидят значительные успехи в лечении и потенциально излечении заболеваний с помощью стволовых клеток

Стволовые клетки уникальны среди человеческих клеток, поскольку они не являются специализированными и могут практически превратиться в любой необходимый тип ячейки.Стволовые клетки можно получить из эмбрионов (в этом случае эмбрион не выживает) или их можно найти у взрослых. Взрослые стволовые клетки — это недифференцированные клетки, которые существуют среди более нормальных и функционально дифференцированных клеток в различных органах. Считается, что эти взрослые стволовые клетки существуют для того, чтобы тело могло восстанавливаться при травмах. Обычно эмбриональные стволовые клетки собирают из человеческих эмбрионов, оставшихся после процедур оплодотворения. Эти эмбрионы были бы уничтожены или оставались бы замороженными в криогенном состоянии, если бы они не использовались для исследования стволовых клеток.

Стволовые клетки способны лечить и лечить различные болезни и другие недуги, потому что они способны превращаться в любую ткань.Это означает, например, что при включении в мозг, который может быть разрушен болезнью Альцгеймера, они становятся клетками мозга, здоровыми клетками мозга. Исследованию стволовых клеток в США не позволялось процветать в течение десяти лет, поэтому весь объем целебной силы стволовых клеток до конца не изучен. Однако теоретически, в силу самой своей природы и способности превращаться в любую форму здоровых клеток, стволовые клетки потенциально могут лечить и / или излечивать десятки, если не сотни, заболеваний.Эти типы заболеваний включают дегенеративные генетические нарушения, от которых в настоящее время страдают миллионы людей, такие как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и мышечная дистрофия.
Помимо потенциальной способности лечить или вылечить различные заболевания и расстройства, стволовые клетки также продемонстрировали значительный потенциал при лечении травм спинного мозга.

[PDF] GenesCodeForProteins — Скачать бесплатно PDF

Скачать GenesCodeForProteins …

GenesCodeForProteins

Генетический код отвечает за построение белков, которые могут быть структурными компонентами клеток или метаболизма.Энзимы ontrollinq, Различные уровни генетических инструкций проиллюстрированы ниже вместе с их «белковыми эквивалентами». Нуклеотиды — это простейшая базовая единица генетической информации, которая считывается группами по три (называемых триплетами). Один триплет предоставляет информацию для ввода одна аминокислота во время конструирования белка. Серия триплетов в длинной цепочке позволяет синтезировать полипептидные цепи и называются генами. (0 (0 (0 ~

~

! I

I Triplet

START

t

— + — +

I

i

Triplel

Triplet

I, I 9000

I

8 8

Эта полипептидная цепь образует другую часть функционального белка,

Функциональный белок

Полипептидная цепь n

I

(0 (0 (0 (0 (0 t t I

(0

I

) Триплет + аминокислоты кодируют одну аминокислоту ~ Белковый синтез: ~ ~ ~ I: I транскрипция и II I! i, I i, I I трансляция

~

1

триплетов имеют особую контролирующую функцию при создании полипептидной цепи.Эквивалентом триплета в молекуле мРНК является кодон. Три кодона могут обозначать конечную точку построения полипептидной цепи в мРНК: UAG. UAA и UGA (также называемые STOP-кодонами). Триплет ATG находится в начале каждого гена (кодон AUG на мРНК) и отмечает начальную позицию для чтения гена. Для образования функционального белка может потребоваться несколько полипептидных цепей. Гены, необходимые для этого, вместе называются единицей транскрипции.

Triplel

t

I

Triplel

i

I

I

I

Triple,

STOP

START

000 Triplet

000

I

Трипл

I

Триплет

i I

I

Триплет

Триплет

STOP

5 ‘

3′

…. ДНК

Единица транскрипции

Три нуклеотида составляют триплет

Примечание. Этот стартовый код соответствует кодирующей цепи ДНК

, ДНК-цепочке шаблона

, из которой

этих РНК будет иметь последовательность: ТАС.

В моделях нуклеиновых кислот нуклеотиды обозначаются их основанием.

1, Следующее упражнение предназначено для понимания терминов, используемых при описании структуры белка, и генетической информации, которая их определяет.Ваша задача — свериться с диаграммой выше и сопоставить структуру на уровне организации белка с эквивалентной генетической информацией: (a) Коды нуклеотида

для:

(b) TriPlet / eoaon

коды для:

(c ) Gene

коды для:

~ l ~ f2C «fH A.sz .. ~ (y ~ c ;. 🙂

(d) Блок транскрипции

коды для:

a. ~ C * i5> na- t pn * ~ C ~

a

N ‘\

0. N «Y» -o’ ‘oA =>

a.. cd

J.

IoeMQAa

c: s £ cd- ~ ~)

2, Назовите основные строительные блоки для каждого из следующих уровней генетической информации: (a) Нуклеотид

состоит из:

p ~ bo.1S.LI

s, «» ‘(f \. £ oX «ll

~ 4: n, ~

knS.C4

(o-tLu, .y, ~ R ¥ I . ~ I ~~ ‘C4 ~ f’ ~~ l OY «» u..ro .. ~ l)

…

J

lo :: tCil » ‘1

(b) Триплет состоит из:

~ etbL

(d) Транскрипция

3 c..ons.oC.c.url V’t-

m

Ck

ba. ~ eo

—tbo * a … ce :.

rTead

t & cM …

ttf- 1T \ ~ ld- ~, t ± CU «+ i ~ wj» «,, a. IdnK’t O! … tu- ~ on (s-lnp ) e.ccNt.

арео, \ M> AoI’a

единица состоит из:

их РНК будет иметь

•

~ -n (‘h

-два

1

нуклеотидных моделей ,

ce: x4.

P «:.

….

GeneExpression

.&. \ RAE)

Процесс синтеза белка является фундаментальным для понимания того, как клетка может контролировать свою деятельность. Генетические инструкции в форме ДНК используются в качестве схемы для конструирования и производства белков. Некоторые из этих белков являются ферментами, которые контролируют сложные биохимические реакции в клетке, в то время как другие выполняют множество других функций. Хромосомная ДНК

содержит основную копию всей генетической информации для производства белков для клетки.Большинство эукариотических генов содержат сегменты кодирующих последовательностей (экзоны), прерванные некодирующими последовательностями (интронами).

Интрон

ДНК

Интрон

Интрон

Интрон

]

Экзон

Экзон Экзон

Транскрипция

H ~

Экзон

0002 экзон

экзон

Экзон

Экзон

Обратная транскрипция происходит, когда ретровирусы (например, ВИЧ) проникают в клетки-хозяева.Их вирусная РНК превращается в ДНК и встраивается в геном хозяина с помощью фермента, называемого обратной транскриптазой.

._—— — ~ II-I — ………

Первичный транскрипт РНК Как экзоны, так и интроны транскрибируются с образованием длинного первичного транскрипта РНК.

Интрон

Процесс передачи информации, закодированной в гене, в его функциональный генный продукт называется экспрессией гена. Он разделен на два отдельных этапа: транскрипция и перевод. Они кратко изложены ниже и подробно описаны на следующих страницах.Для простоты участие интронов в экспрессии генов на следующих страницах опущено.

Первичная РНК

II

-,

r

Интроны

I :::: ~.,

Экзоны сплайсированы вместе

Информационная РНК Затем интроны удаляются путем сплайсинга с образованием зрелой мРНК. Информационная РНК — это отредактированная копия молекулы ДНК (теперь исключающая интроны), которая кодирует образование единственного белка.

Интроны в ДНК (также скопированные в первичную РНК) представляют собой длинные последовательности кодонов, которые (пока) не имеют очевидной функции.Возможно, это остатки неиспользуемых древних генов. Было высказано предположение, что они могут способствовать рекомбинации между белково-кодирующими областями (экзонами) разных генов; процесс, известный как перетасовка экзонов. Это может ускорить эволюцию.

Трансляция

Структурные белки

Y

Y

Y

‘f

Иммунологические белки

Регуляторные белки

y

Транспортные белки

Каталитические белки 1

.Гипотеза, известная как центральная догма биологии, гласит, что «генетическая информация может течь только в направлении ДНК к белкам, а не в противоположном направлении». Принимая во внимание идеи на диаграмме выше, сформируйте дискуссионную группу из 2-3 человек. ваших одноклассников и обсудите достоинства этого утверждения. Кратко опишите ответ вашей группы ниже:

~ CJ £ .IPreoo i C \ l «\ ‘, ~ -tb.t. f20CC; OO ~ что с..х ..фут. c..cll (или c ~. ~ rf’O, N \ A.tto .. ~ rtcM, o ~ ~ ~ fln: d..Mc ~. ~ A ~

— + bt.. «lnftx ~ S> 00J2 c0c4» или «ost, kf» \) ~ ~ r ‘»»

Второй второй номер

Пример: Определите CAG C в левой строке, эт. на слишком большом столбце G в правом ряду CAG — это Gin I, глутамин)

То есть)

Прочтите lhrrd

Второе письмо

Заголовок первое письмо nere ~

Как читать таблицу: Таблица на right IS используется для «кодирования» генетического кода как последовательности аминокислот в полипентидной цепи. из заданной последовательности мРНК. Чтобы выяснить, какая аминокислота кодируется кодоном (триплет оазисов), найдите первую полосу кодона в метке строки на IEI! стороны стороны.] ben lo ok для столбца, который пересекает строку I —- e сверху. tnat соответствует tne ___ .ronc base. Наконец, найдите третье основание в кодоне, глядя вдоль ряда от rrgnt nand, который соответствует вашему кодону,

CecA opt —

u

c

Pne

A

UCU seUCC Ser UCA Se t UCG Ser

UAU UAC UAA UAG

Твой год STOP

CCU CCC CCA CCG

Pro

CAU CAe

! -1 1 ~

AUA Iso AUG ACU

ACU

Tnr in I n:

GUU va GUC Va GUA Va GUG «, jo

GCU GCe GCA GCG

Al e

UUU UUC UUA UUG

Pn» Leu Leu

9000 CUU Leu et,

CUA Lel.CUG Le u AUU rsc AUC

ISO

F:, c Pre

«rc

., …, ~

AlE:

Ali Ali

здесь

STOP

G UGU e VE UGU c. «s UGA STOo UGG Try

CAf … Gl …. CAG Gte

CGU Ar» CGC A’9 CGA A r ~ CGG A, g

AAU .A.Sr. AAC p, sn AAA LYS AAG LYS

AGU Se r AGC Ser AGA Arg AGG Arg

GAU ASL GAC Aso GAt. Glu GAG GI …

GGU Gry GGC G l ,! GGA G’y

HI S

GGG

Gr.’

и количество различных кодонов, которые могут кодировать каждую аминокислоту (первая аминокислота была сделана для vou),

A.

ITd’ ~ f \.

Сводка по синтезу белка

~

8

.

ee 8eO 08

. : · ..0. ····

~ aQ I ~ V

: ~ 6

, ‘~ b.’. TJ ‘0-.

..

~ ….

‘4- ..

ltlr J

Цитоплазма На приведенной выше диаграмме представлен обзор процесса синтеза белка.Это комбинация диаграмм с двух предыдущих страниц. Каждый из основных этапов процесса пронумерован, структура \ ~ Ihil € ‘: r9 помечена буквами. 1. Напишите краткое описание каждого пронумерованного процесса на схеме выше: (a) Процесс 1: \ AK \ wi ~

DNA

(b) Процесс 2:

-tra., OWr’ipt6> n-mitNA s .. ~ w -r \ A.lcJ, dic44

(c) Процесс 3:

DNA

feb> «

Q» Q (dp., t

10 ~ «3 mleNf \

rd .o

::: :::::: ::::: a :::; i :::! ‘:::::::: ~ ::: ~ :: = ~ r ~

~ ~ t … ~ h 4eJlW * c ~ crxAAn f Q ‘> clAnkn’L (g) Процесс 7: l:, (? NA lea.v’Co i’h.Q «; ~ ny» (f) Процесс 6:

.L ‘»

(ч) Процесс 8: ~ …. NA

•

u

II

.-J ~

rc.c: ~» «

‘ I ~ —

. ..Lt.

.-

•

~ ~ 0. (. 4

Wl = rn

-pMLf a.rn; (1 () «1« ~ o;:. ~~

‘д

2.Определите каждую из структур, отмеченных буквой, и напишите их имена ниже в отведенных местах:]) ….. NL.1Lf \ ~ (a) Структура A: …..

_

(b) Структура B: «FCc.e. W ‘\ M (» ld (c) Structure

c РНК

ertickoe

3

_

«‘ udDl1 # ‘~~

fU.McA-iC) n1 wi: tWn

CA. Wl

~ Q

(i) Структура I:

~ 1r :: c ~ r’Y’A-

U) Структура J:

Po \ ~ r ~ h c .k \ a. ,,: O / p ~

7 ~ k +, An c: .wn :.

o.cAc :: Lo

(J ‘! I)

fS’tlJ.j bla. -ftir:

-: E’N \ .. ~ J ~ p> rt Prb ~ J

~ iN.e-hL (a..i ~} ~ ‘! LJ «» «» -KnCdat (fd. ~ -tho. n «nC4- \ C *» — uf ~ c..eM — PAMt’9V \ vs · rCEA, blotd …….. 11’0.

_

(h) Структура H:

Объясните цель синтеза белка (экспрессия гена):

So ~

N. ACg De,., FDr «- ‘

(g) Структура G: _»‘ = — «» «» » «e .. !!!

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

.