Біосинтез білків

Біосинтез білка – це один з найважливіших процесів обміну речовин в клітині. В ході такого синтезу формуються біополімери – складні молекули білків, які складаються з мономерів – амінокислот.

Біосинтез білків протікає в цитоплазмі клітини, а точніше – на рибосомах за участю матричної РНК – мРНК (ще її називають інформаційною РНК – іРНК) і транспортної РНК (тРНК) під контролем ДНК ядра.

З’ясування ролі ДНК і РНК в процесі біосинтезу білків у клітині – одне з чудових досягнень біологічної науки середини XX ст.

Біосинтез білків включає два етапи:

  • транскрипцію;
  • трансляцію.

Транскрипція

Транскрипція (від лат. Transcriptio – переписування) – це біосинтез молекул матричної РНК (мРНК), що відбувається в ядрі на основі молекули ДНК.

У ході транскрипції фермент РНК-полімераза пересувається уздовж молекули ДНК. При цьому фермент утримує на собі нуклеотиди зростаючого ланцюга мРНК, який синтезується на основі однієї з ланцюгів молекули ДНК з нуклеотидів, що знаходяться в ядерному матриксі.

Матрична РНК (мРНК) – це одноланцюгова структура, і транскрипція йде з одного ланцюга молекули ДНК. В результаті транскрипції утворюється молекула мРНК, що представляє собою точну копію ділянки одного з ланцюгів ДНК (нагадаємо, що в молекулі РНК азотна основа тимін замінено на урацил).

По довжині кожна з молекул мРНК в сотні разів коротше, ніж молекула ДНК.

Це пов’язано з тим, що кожна мРНК є копією не всієї молекули ДНК, а лише її частини – одного гена або групи поруч стоячих генів, що містять інформацію про структури білків, необхідних для виконання однакових функцій.

За участю ферментів на відповідних ділянках молекули ДНК синтезується не тільки мРНК, але й інші РНК – транспортна (тРНК), рибосомальна (рРНК). Потім синтезовані РНК направляються з ядра через ядерні пори в цитоплазму, до місця синтезу білка – рибосоми.

Трансляція

У рибосомах синтезуються поліпептидні ланцюги білків на матриці мРНК, тобто здійснюється трансляція (лат. Translatio – переклад, перенесення).

Збірка білкових молекул відбувається в рибосомах.

При цьому одна мРНК зв’язується з декількома рибосомами, утворюючи складну структуру – полісів. На полісомі одночасно йде синтез багатьох молекул одного білка.

Амінокислоти, з яких синтезуються білкові молекули, доставляються до рибосом молекулами тРНК. Вони мають відносно невеликі розміри (в них входять від 70 до 90 нуклеотидів) і нагадують за формою лист конюшини.

На вершині «листа» кожної тРНК (нагадаємо, що різновидів тРНК стільки, скільки існує триплетів, шифруючих амінокислоти) є антикодон. Він являє собою послідовність трьох нуклеотидів, комплементарних нуклеотидам триплета в мРНК. Спеціальний фермент пізнає тРНК і приєднує до «черешка» листа ту з амінокислот, яка кодується одним з триплетів мРНК.

Транспортні РНК надходять в рибосоми.

Ділянка рибосоми, в якій відбувається збірка білкових молекул, називається функціональним центром рибосоми (ФЦР). У ФЦР завжди розташовані тільки два триплета мРНК. До кожного триплету (кодону) мРНК приєднується тРНК з комплементарним антикодоном.

Між амінокислотами під впливом ферментів утворюється пептидний зв’язок, і амінокислота з першої тРНК (позначимо для зручності тРНК порядковими номерами) виявляється приєднаною до другої тРНК. Перша тРНК, звільнившись від амінокислоти, виходить з рибосоми.

Потім рибосома переміщається по мРНК на відстань, рівну одному триплету, і в ФЦР виявляється вже наступний триплет. Процес складання триває: пептидний зв’язок виникає між амінокислотами, доставленими другою і третьою тРНК і т. д.

Пептидний ланцюжок подовжується до тих пір, поки процес трансляції не доходить до одного з стоп-кодонів – УАА, УАГ, УГА, які інформації про амінокислоти не несуть. Як тільки це відбувається, трансляція завершується і поліпептидний ланцюжок залишає рибосому, занурюючись в канал ендоплазматичної мережі.

Щоразу в результаті трансляції синтезується поліпептидний ланцюг молекули білка, точно відповідна спадковій інформації, записаної в ДНК. Швидкість складання однієї молекули білка, що складається з 200-300 амінокислот, дорівнює 1-2 хв. Загальна схема біосинтезу білка може бути представлена наступним чином:

ДНК  (транскрипція)  мРНК  (трансляція)  білок.

Реакції матричного синтезу

Процеси трансляції, транскрипції і реплікації (самоудвоєння) ДНК називають реакціями матричного синтезу (від лат. Matrix – штамп, форма з поглибленням). Ці реакції здійснюються тільки в живих клітинах і в точній відповідності з планом, закладеним у структурі вже існуючих молекул, які відіграють роль матриць. Такими молекулами є молекули ДНК (під час реплікації і транскрипції) і мРНК (під час трансляції). Таким чином, роль матриці можуть виконувати як молекули ДНК, так і молекули РНК.

Матричний синтез забезпечує високу точність передачі спадкової інформації і високу швидкість синтезу макромолекул. В основі матричного синтезу лежить принцип комплементарності.

В даний час в науці досить докладно досліджений механізм передачі спадкової інформації.

Проте залишається цілий ряд ще не вирішених проблем. Одна з них – вивчення механізмів, що регулюють активність генів. Всі клітини багатоклітинного організму мають однаковий набір генів. І тим не менше клітини різних тканин відрізняються за будовою, функціями, складом білків.

Спеціалізація клітини визначається не всіма наявними в ній генами, а тільки тими, з яких була здійснена транскрипція на мРНК і спадкова інформація реалізована у вигляді білків. Навіть в одній і тій же клітині швидкість синтезу білкових молекул може бути різною залежно від умов середовища і потреби в білку самої клітини.

Ймовірно, існує якийсь механізм, що регулює «включення» і «виключення» генів на різних етапах життя клітини. Вперше пояснення цього механізму в 1961 р. зробили французькі біологи Ф. Жакоб, А. Львів і Ж. Моно на прикладі регуляції білкового синтезу у бактерій. За свою роботу ці вчені удостоєні Нобелівської премії.

Як відбувається регуляція активності генів в клітині, досі неясно. Пізнання регуляторних механізмів транскрипції і трансляції необхідно для управління процесами реалізації спадкової інформації.

Посилання на основну публікацію