Біосинтез білків

Білки є найважливішими компонентами живого не стільки тому, що становлять більшу за масою частина клітини, але тому, що забезпечують її функціональну активність і унікальність. Практично всі хімічні процеси, що протікають у клітці, здійснюються білками-ферментами. Кожна клітина має набір специфічних білків, характерних саме для даної клітини. Він відрізняється як від набору, характерного для клітин іншого організму, так і від набору, властивого кліткам іншої тканини даного організму, оскільки в кожній клітині здійснюється синтез специфічних для неї білків. Інформація про те, які білки повинні синтезуватися в клітинах даного організму, зберігається в ядрі, вона записана у вигляді послідовності нуклеотидів в ДНК. Частина молекули ДНК, послідовність нуклеотидів в якій визначає послідовність амінокислот у певному білку, називається геном. У молекулі ДНК залежно від еволюційного шляху, який пройшов даний організм, може міститися від сотень до десятків тисяч генів.

Код ДНК. Яким же чином послідовність нуклеотидів може визначати послідовність амінокислот? Відомо, що ДНК складається з чотирьох видів нуклеотидів, тобто інформація в ДНК записується чотирма літерами (А, Г, Т, Ц). З математичних розрахунків випливає, що для кодування однієї амінокислоти потрібно більше одного нуклеотиду, оскільки в білках виявляється 20 різних амінокислот. Оскільки з 4 нуклеотидів можна зробити лише 16 різних сполучень по два нуклеотиди (42 = 16), що менше 20, то «слово», кодує певну амінокислоту, повинно складатися більш ніж з двох букв. Якщо записувати кодує «слово» поєднанням трьох букв (нуклеотидів), то число різних варіантів становитиме 43 = 64. Таким чином, комбінації з трьох нуклеотидів (триплетний код) буде достатньо, щоб закодувати 20 амінокислот (64> 20).

Сполучення з трьох нуклеотидів, які кодують певні амінокислоти, називаються кодом ДНК, або генетичним кодом. В даний час код ДНК повністю розшифрований, тобто відомо, які конкретно триплетні поєднання нуклеотидів кодують входять до складу білка 20 амінокислот. Користуючись комбінацією, що складається з трьох нуклеотидів, можна зробити значно більшу кількість кодують «слів», ніж необхідно для кодування 20 амінокислот. Виявилося, що кожна амінокислота може кодуватися більш ніж одним кодоном, тобто генетичний код виродилися. Так, наприклад, амінокислота фенілаланін може кодуватися як послідовністю УУУ, так і послідовністю УУЦ. Тільки дві амінокислоти (триптофан і метіонін) кодуються одним кодоном. Потрібно відзначити, що термін «вироджений» не означає «неточний», так як один триплет не може кодувати дві амінокислоти.

Істотна особливість генетичного коду полягає в тому, що в ньому відсутні сигнали, що відокремлюють одне кодує «слово» (його називають кодоном) від іншого. Саме тому зчитування інформації має починатися з правильного місця молекули ДНК (РНК) і тривати послідовно від одного кодону до іншого. В іншому випадку послідовність нуклеотидів виявиться зміненою у всіх кодонах. Це підтверджується виявленням мутацій, при яких з послідовності або випадає (делеція), або вбудовується в неї (вставка) один або два нуклеотиду. При цих мутаціях в результаті зсуву зчитування синтезується дефектний білок. У тому випадку, якщо випадає або вбудовується три нуклеотиду, синтезується білок, який відрізняється від нормального тим, що в ньому відсутня одна амінокислота (у разі делеції трьох нуклеотидів) або з’являється додаткова амінокислота (у разі вставки трьох нуклеотидів).

Ще одна особливість генетичного коду полягає в тому, що три триплета (УАА, УАГ і УГА) кодують НЕ амінокислоти, а своєрідні «розділові знаки». Вони є стоп-сигналами, які сигналізують про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга.
Генетичний код універсальний, тобто триплети, що кодують одну і ту ж амінокислоту, однакові у всіх живих істот: один і той же кодон кодує певну амінокислоту як у людини, так і у вірусу або рослини. Таким чином, генетичний мову однаковий для всіх видів. Універсальність генетичного коду свідчить про те, що він виник в процесі генетичної еволюції майже в тому вигляді, в якому існує і сьогодні. Виродженість коду зачіпає тільки третя підстава кодону: так, наприклад, серин кодується триплетами УЦУ, УЦЦ, Уца і УЦГ. Таким чином, кодування певної амінокислоти визначається головним чином двома першими літерами. Можна думати, що генетичний код був спочатку дуплетним і містив інформацію про 16 (або менше) амінокислотах.

Транскрипція. Синтез білка здійснюється на рибосомах, розташованих в цитоплазмі клітини. Водночас інформація про послідовність амінокислот у білку зберігається в ДНК. Виявилося, що під час або перед початком синтезу певного білка в ядрі утворюється так звана матрична, або інформаційна РНК, що є посередником, переносящим інформацію з ДНК до рибосом. Молекула інформаційної РНК (іРНК) синтезується з використанням як матриці певної ділянки ДНК (гена). Потім молекула іРНК покидає ядро і переміщається в цитоплазму. Зв’язуючись з рибосомами, вона, в свою чергу, служить матрицею, на якій відбувається синтез білка.

Синтез іРНК здійснюється в ядрі за допомогою ферменту, званого ДНК-залежної РНК-полімеразою. Знову синтезована іРНК має нуклеотидний склад, коплементарний нуклеотидному складу використаної ДНК з тією лише різницею, що залишкам аденіну в ДНК-матриці відповідають залишки урацила в синтезованої мРНК. Таким чином, інформація, наявна в гені, в процесі синтезу мРНК переписується на мРНК. Цей процес називається транскрипцією (переписуванням).
Процес транскрипції, разом з реакцією самоудвоения ДНК, яка називається реплікацією, відносять до реакцій матричного синтезу. Реакції матричного синтезу являють собою реакції, які йдуть з використанням матриці.

Матриця (від латинського матрикс – матка) являє собою готову структуру, відповідно до якої здійснюється синтез нової структури. При синтезі ДНК (реплікації) і синтезі іРНК як матриці використовується одна з ланцюгів ДНК, на якій відбувається утворення комплементарної їй ланцюга. Таким чином, в результаті реакцій матричного синтезу утворюються структури, побудовані за строго визначеним планом. Реакції матричного синтезу характерні лише для живої природи, в результаті їх здійснення стає можливим передача інформації від одного покоління живих істот до іншого (реплікація), а також синтез молекул білків, відповідно до інформації, закладеної в генетичному матеріалі. Для синтезу білкових молекул необхідне здійснення двох типів реакцій матричного синтезу: транскрипції, яка необхідна для перенесення генетичної інформації з ядра в. цитоплазму, і трансляції.

Трансляція. Терміном трансляція (переклад) в біології позначають реакції, в результаті яких в рибосомах з використанням як матриці інформаційної РНК здійснюється синтез поліпептидного ланцюга. Поліпептидний ланцюг подовжується в процесі синтезу шляхом послідовного приєднання окремих амінокислотних залишків, починаючи з N-кінцевого залишку. Для того щоб зрозуміти, яким чином здійснюється освіта пептидного зв’язку між відповідними амінокислотами, необхідно розглянути структуру рибосом і транспортних РНК (тРНК), що беруть участь в процесі трансляції.

Рибосоми еукаріот мають діаметр близько 220 А і молекулярну масу близько 4 млн. дальтон. Рибосоми прокаріотів дрібніші. Кожна рибосома складається з двох нерівних субодиниць, причому субодиниці можуть відділятися один від одного.

До складу кожної субодиниці входить рибосомная РНК і білок. Деякі рибосомні білки виконують каталітичні функції, тобто є ферментами.

Транспортна РНК. Молекули транспортних РНК невеликі, їх молекулярна маса становить 23 000 – 30 000 дальтон. Функція тРНК полягає в тому, щоб у ході процесу синтезу поліпептидного ланцюга переносити на рибосоми певні амінокислоти, при цьому кожна амінокислота переноситься відповідними транспортними тРНК. Всі молекули тРНК здатні утворювати характерну конформацію – конформацію листа конюшини. Така конформація молекули тРНК виникає тому, що в її структурі є значна кількість нуклеотидів (по 4-7 в одній ділянці), комплементарних один одному. Внутримолекулярное спарювання таких нуклеотидів за рахунок утворення водневих зв’язків між комплементарними підставами і призводить до утворення такої структури. У верхівки листа конюшини розташовується триплет нуклеотидів, який комплементаріїв відповідного кодону іРНК. Цей триплет різний для тРНК, що переносять різні амінокислоти, і кодує саме ту амінокислоту, яка переноситься даної тРНК. Він називається антикодоном.

У підстави листа конюшини знаходиться ділянка, в якому зв’язується амінокислота. Зв’язування амінокислоти з тРНК здійснюється за рахунок утворення зв’язку між карбоксильної групою амінокислоти і ОН-групою залишку адениловой кислоти, що розташовується в кінцевій частині молекул всіх тРНК. Таким чином, молекула тРНК не тільки переносить певну амінокислоту, вона має у своїй структурі запис про те, що вона переносить саме цю амінокислоту, причому ця запис зроблено на мові генетичного коду.

Синтез білка. Рибосоми здатні зв’язувати іРНК, несучу інформацію про амінокислотної послідовності синтезованого білка, транспортні РНК, що несуть амінокислоти, і, нарешті, синтезируемую поліпептидний ланцюг. Менша субодиниця рибосоми пов’язує іРНК і тРНК, що несе перший (N-кінцеву) амінокислоту поліпептидного ланцюга, після чого відбувається зв’язування великої субодиниці з утворенням функціонуючої (що працює) рибосоми.

У міру складання поліпептидного ланцюга рибосома пересувається уздовж ниткоподібної молекули тРНК. Одночасно на одній молекулі іРНК може перебувати кілька рибосом, кожна з яких здійснює синтез поліпептидного ланцюга, закодованої цієї тРНК. Чим далі по ланцюгу іРНК просунулася рибосома, тим більший за довжиною фрагмент молекули білка буде синтезований. Коли рибосома досягає кінця молекули іРНК, синтез білка закінчується, і рибосома із знов синтезованим білком покидає молекулу іРНК. Сигнал про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга подається трьома спеціальними кодонами, один з яких присутній в термінальної частини молекули іРНК. Зчитування інформації з молекули тРНК можливо тільки в одному напрямку.

Ще в процесі синтезу знову утворений кінець поліпептидного ланцюга може зв’язуватися зі спеціальними білками шаперонами, забезпечують її правильну укладку, а потім прямує до апарату Гольджі, звідки білок транспортується в те місце, де він буде працювати. Рибосома, яка звільнилася від іРНК і синтезованої поліпептидного ланцюга, дисоціює на субодиниці, після чого більша субодиниця, зв’язавшись з будь іРНК, може зв’язати меншу субодиницю і утворити активну рибосому, здатну почати синтез нового (або того ж самого) білка.

ПОДІЛИТИСЯ: