Синтез білкового ланцюга на рибосомі

Матричні процеси становлять основу здатності живих організмів до відтворення. В клітинному ядрі відбувається подвоєння ДНК. Нова молекула відтворюється на матриці старої і являє собою її точну копію. Матрична РНК синтезується на матриці ДНК у вигляді точної копії однієї з ділянок ДНК (з урахуванням заміни Т ^ У). Далі на матриці мРНК відбувається синтез білків.

Транспортні РНК. Необхідні для синтезу білків амінокислоти завжди маються на цитозоле. Вони синтезуються або ж утворюються в процесі розщеплення білків в лізосомах. Транспортні РНК приєднують амінокислоти, доставляють їх до рибосоми і здійснюють точну просторову орієнтацію амінокислот на рибосомі (див. Рис. На с. 41).

Розглянемо пристрій тРНК, що дозволяє їй виконувати свої складні функції. У ланцюжку тРНК, що складається з 70-90 ланок, є 4 пари комплементарних відрізків з 4-7 нуклеотидів – А, Б, В і Г. Комплементарні ділянки зв’язуються водневими зв’язками попарно (як в молекулі ДНК). В результаті ланцюг тРНК «злипається» в чотирьох місцях з утворенням петлистой вторинної структури, нагадує лист конюшини. У верхівці «листа» розташовується триплет (на рис. Цяць), комплементарний того кодону мРНК, який відповідає транспортованої амінокислоті (на рис. Валін). Якщо в мРНК код амінокислоти валіну ГУГ, то на вершині валіновой тРНК буде триплет цяць. Комплементарний триплет в тРНК називають антикодоном.

Спеціальний фермент розпізнає антикодон тРНК, приєднує до «живцю аркуша» певну амінокислоту (у нашому прикладі – валін), і потім тРНК переміщує її до рибосоми. Кожна тРНК транспортує тільки свою амінокислоту.

Трансляція (<лат. Translatio передача). Переклад послідовності нуклеотидів мРНК в послідовність амінокислот синтезованих білків називають трансляцією. Синтез починається з того, що мала субодиниця рибосоми зв’язується з ділянкою мРНК поблизу 5′-кінця, несучим ініціює кодон АУГ. Далі метіонінових тРНК приєднується до ко-дону АУГ. Після цього мала і велика субодиниці, мРНК і инициаторного тРНК об’єднуються в комплекс, здатний синтезувати білок. В процесі синтезу мала субодиниця пов’язує мРНК, а велика каталізує утворення пептидних зв’язків між амінокислотами.

В області кодон-антикодоновой взаємодій рибосоми (активному центрі) розміщуються два триплета мРНК і відповідно дві тРНК. Рибосома переміщується по мРНК не плавно, а переривчасто, триплет за триплетом. На кожному кроці приєднується нова амінокислота. Транспортні РНК переміщаються зі своєю амінокислотою до рибосоми і «приміряють» свій антикодон до чергового кодону мРНК, що знаходиться в активному центрі. Між комплементарними нуклеотидами виникають водневі зв’язки. Якщо антикодон виявляється не комплементарним, то тРНК видаляється в цитоплазму до інших рибосомам. Якщо ж він виявляється комплементарним, то тРНК приєднується до кодону водневими зв’язками.

Далі синтезируемая білкова ланцюг приєднується до прибулої амінокислоті. Нова тРНК продовжує утримувати всю формирующуюся білкову ланцюг на кодоні мРНК до приходу наступної тРНК. Звільнена тРНК переміщається в цитоплазму на пошук своєї амінокислоти. Рибосома переміщується на наступний триплет мРНК, і процес повторюється. Інтервал між переміщеннями становить не більше 0,2 секунди, а весь синтез білка середньої довжини триває 1-2 хвилини. На одного ланцюга мРНК можуть працювати кілька рибосом. На мРНК, що містить інформацію про білку гемоглобіні, розміщається до 5 рибосом, на деяких інших мРНК – до 20 рибосом. Коли в області кодон-антикодоновой взаємодій виявляється один з трьох стоп-кодонів УГА, УАА або УАГ, синтез білка завершується. Білкова ланцюг відділяється від тРНК, а сама рибосома розпадається на субодиниці. Рибосоми універсальні і можуть синтезувати білки по будь матриці мРНК. Субодиниці рибосом з’єднуються тільки на час синтезу білка.

Синтез білків вимагає витрат великої кількості енергії. Тільки на приєднання кожної амінокислоти до тРНК витрачається енергія однієї молекули АТФ, а в білку середньої довжини міститься 400-500 амінокислот. Загальна кількість енергії, що витрачається істотно перевищує сумарну хімічну енергію утворюються пептидних зв’язків між амінокислотами. З цієї причини білки рідко використовуються клітиною як палива: занадто великі витрати на їх виготовлення.

Регуляція транскрипції і трансляції. Клітини різних тканин сильно розрізняються між собою за будовою і функціями, але всі вони походять від єдиної зиготи (заплідненої яйцеклітини) в результаті багаторазового поділу. Перед кожним актом розподілу ДНК реплікується в дві точні копії. Вченим вдалося експериментально довести, що диференційовані клітини організму мають, як правило, однаковий набір ДНК.

У 1945 р Г. В. Лопашов розробив метод пересадки ядер в яйцеклітину. У 1958 р Ф. Стюарт вперше виростив з єдиної клітини дорослої моркви ціле рослина, а в 1968 р Дж. Гордону вдалося пересадити ядра з клітин кишечника пуголовка в яйцеклітини жаби, позбавлені власних ядер, і виростити з них нормальних жаб (клонів). Отже, клітини всіх тканин організму мають один і той же набір генів, одну і ту ж інформацію про будову білків.

Однак клітини кожної тканини виробляють свої білки, свої ферменти. Білковий гормон росту синтезується тільки в клітинах гіпофіза, зоровий білок опсин – в клітинах сітківки ока, а інсулін – в клітинах підшлункової залози.

Така різноманітність існує тому, що клітини кожної тканини реалізують тільки свою частину інформації ДНК. У клітинах різних тканин відбувається транскрипція різних генів, синтезуються різні мРНК, по яких відтворюються різні білки. Набір активно працюючих генів залежить не тільки від тканинної приналежності клітини, але і від періоду її життєвого циклу. Так, за інтенсивне ділення і зростання кліток в період розвитку ембріона відповідають певні гени, в більшості клітин дорослих істот ці гени мовчать (їх включення може привести до появи пухлин). В еукаріотичної клітці багатоклітинного організму функціонує близько 5% наявних у неї генів, інші знаходяться в репресування стані (не активні). Ці факти свідчать про те, що активність генів регулюється.

Основним механізмом регуляції активності генів (експресії) служить утруднення або стимуляція приєднання РНК-полімерази до промотор для початку транскрипції. Розрізняють два види регуляторних білків.

Білки-репрессори, зв’язуючись з оператором (регулюючий ділянку ДНК, розташований в промоторі або між ним і геном), перешкоджають приєднанню полімерази до промотор. Білки-активатори, навпроти, полегшують приєднання полі-Мераз і стимулюють таким чином транскрипцію. Діяльністю регуляторних білків керують речовини-ефектори. Зв’язуючись з білками-регуляторами, Ефектори змінюють їх біологічну активність, «включаючи» і «вимикаючи» транскрипцію. Ефекторами часто служать гормони. Найактивніші промотори в бактеріофагів, тому вони і перемагають генетичний механізм клітини-хазяїна, змушуючи її синтезувати переважно свої білки.

У прокаріотів гени, що кодують синтез ферментів, що у одного ланцюга біохімічних перетворень (наприклад, здійснюють розщеплення глюкози), часто зібрані під одним промотором (з нього починається транскрипція). Таку групу структурних генів (визначальних структуру ферментів) разом з промотором, оператором, послідовностями початку і кінця транскрипції називають опероном. У міру необхідності Оперон «включаються» і «вимикаються». Так, кишкова паличка використовує для життєдіяльності і глюкозу і лактозу (молочний цукор), але якщо вона знаходиться в середовищі, що містить тільки глюкозу, щось не розтрачує енергію АТФ на синтез білків, розщеплюють лактозу. Ген-регулятор лактозного оперону синтезує білок-репрессор, який, взаємодіючи з оператором, перешкоджає приєднанню РНК-полімерази до промотор і «вимикає» транскрипцію генів, в яких закодовані ферменти, необхідні для засвоєння лактози. Якщо ж бактерії перемістити в середу, що містить лише лактозу, то лактоза, потрапляючи в клітини, інактивує білок-репресор і починається транскрипція оперону, відповідає за засвоєння лактози.

Генетичний апарат еукаріот влаштований набагато складніше, ніж у прокаріот, саме внаслідок більшої складності регуляції генетичних процесів. У людини генів в 2 рази більше, ніж у дрозофіли, і в 5 разів більше, ніж у дріжджів. У вищих тварин і людини не більше 5% ДНК кодують власне гени (у прокаріот – більше 50%). Значно більше місця в ДНК займають різноманітні регуляторні елементи. Основну ж частину генома (набору генів організму) еукаріот складає мовчала ДНК – багаторазово повторювані короткі послідовності нуклеотидів, що не кодують макромолекули.

Матричні РНК більшості генів еукаріот крім ділянок, безпосередньо кодують білки (екзонів), містять фрагменти, які підлягають видаленню (інтрони). Спеціальні ферменти в ядрі вирізають інтрони і зшивають між собою Екзони. Цей процес називають сплайсингом (<англ. Splice зрощувати канати без вузлів, морський термін). Після сплайсинга і деяких інших операцій мРНК називають зрілої, далі вона надходить в цитоплазму до рибосом.

Ферменти не завжди зшивають екзони в тому порядку, в якому вони були лічені з ДНК. Змінений порядок зшивання екзонів називають альтернативним сплайсингом. У багатьох випадках альтернативний сплайсинг має тканеспеціфічний характер: в дозрілих мРНК різних тканин і органів порядок екзонів може дещо різнитися, відповідно відрізняються і трансльовані білки. У людини і вищих тварин близько 40% генів піддаються альтернативному сплайсингу. Так економно влаштована ДНК: ген один, а білків виходить декілька. Функції цих білків зазвичай дуже подібні, тому їх називають изоформами, але в ряді випадків такі білки-ферменти забезпечують різні процеси метаболізму.

У рослин і багатоклітинних тварин деякі интрони містять гени особливих мікроРНК (міРНК), що включають всього лише 20-28 нуклеотидів. Ці міРНК грають важливу роль в регуляції сотень генів. Нуклеотидних послідовність міРНК комплементарна ділянці мРНК, трансляцію якої вона регулює. Зв’язуючись з таким ділянкою, міРНК або придушує трансляцію, або викликає руйнування мРНК.

Посилання на основну публікацію