Загальна схема синтезу білка. Біосинтез білка і його етапи. Роль РНК і ДНК в процесі
Генетична інформація у всіх організмів зберігається у вигляді певної послідовності нуклеотидів ДНК (або РНК у РНК-вірусів). Прокаріоти містять генетичну інформацію у вигляді однієї молекули ДНК. У клітині генетичний матеріал розподілений в декількох молекулах ДНК, організованих в хромосоми.
ДНК складається з кодують і не кодують ділянок. Кодують ділянки кодують РНК. Некодуючі області ДНК виконують структурнуфункцію, дозволяючи ділянок генетичного матеріалу упаковуватися певним чином, або регуляторнуфункцію, беручи участь у включенні генів, що направляють синтез білка.
Кодують ділянками ДНК є гени. ген- ділянку молекули ДНК, що кодує синтез однієї мРНК (і відповідно поліпептиду), рРНК або тРНК.
Ділянка хромосоми, де розташований ген називають локусом. Сукупність генів клітинного ядра являє собою генотип, Сукупність генів гаплоїдного набору хромосом - геном, Сукупність генів внеядерная ДНК (мітохондрій, пластид, цитоплазми) - квант.
Реалізація інформації, записаної в генах, через синтез білків називається експресією(Проявом) генів. Генетична інформація зберігається у вигляді певної послідовності нуклеотидів ДНК, а реалізується у вигляді послідовності амінокислот у білку. Посередниками, переносниками інформації, виступають РНК, тобто реалізація генетичної інформації відбувається наступним чином:
ДНК → РНК → білок
Етапи біосинтезу білка
Процес біосинтезу білка включає два етапи: транскрипцію і трансляцію.
транскрипція(Від лат. transcriptio- переписування) - синтез РНК з використанням ДНК в якості матриці. В результаті утворюються мРНК, тРНК і рРНК. Процес транскрипції вимагає великих витрат енергії у вигляді АТФ і здійснюється ферментом РНК-полімерази.
Одночасно транскрибується не вся молекула ДНК, а лише окремі її відрізки. Такий відрізок ( транскріптон) починається промотором(Ділянка ДНК, куди приєднується РНК-полімераза і звідки починається транскрипція) і закінчується термінатором(Ділянка ДНК, що містить сигнал закінчення транскрипції). Транскріптон - це ген з точки зору молекулярної біології.
Транскрипція, як і реплікація, заснована на здатності азотистих основ нуклеотидів до комплементарному зв'язування. На час транскрипції подвійний ланцюг ДНК розривається, і синтез РНК здійснюється по одній ланцюга ДНК.
У процесі трансляції послідовність нуклеотидів ДНК переписується на синтезирующуюся молекулу мРНК, яка виступає в якості матриці в процесі біосинтезу білка.
Гени прокаріот складаються тільки з кодують нуклеотидних послідовностей. Гени еукаріот складаються з чергуються кодують ( екзонів) І не кодують ( интронов) Ділянок. Після транскрипції ділянки мРНК, відповідні Інтрони, видаляються в ході сплайсингу, що є складовою частиноюпроцесингу. процесинг- процес формування зрілої мРНК з її попередника пре-мРНК.
Він включає два основних події:
- приєднання до кінців мРНК коротких послідовностей нуклеотидів, що позначають місце початку і місце кінця трансляції;
- сплайсинг- видалення неінформативних послідовностей мРНК, відповідних Інтрони ДНК. В результаті сплайсингу молекулярна маса мРНК зменшується в 10 разів.
трансляція(Від лат. translatio- переклад) - синтез поліпептидного ланцюга з використанням мРНК в ролі матриці.
В трансляції беруть участь всі три типи РНК:
- мРНК служить інформаційною матрицею;
- тРНК доставляють амінокислоти і дізнаються кодони;
- рРНК разом з білками утворюють рибосоми, які утримують мРНК;
- тРНК і білок і здійснюють синтез поліпептидного ланцюга.
мРНК транслюється не однієї, а одночасно декількома (до 80) рибосомами. Такі групи рибосом називаються полірібосомамі (полисомой). На включення однієї амінокислоти в поліпептидний ланцюг необхідна енергія чотирьох АТФ.
генетичний код
Інформація про структуру білків «записана» в ДНК у вигляді послідовності нуклеотидів. У процесі транскрипції вона листується на синтезирующуюся молекулу мРНК, яка виступає в якості матриці в процесі біосинтезу білка. Певному поєднанню нуклеотидів ДНК, а отже, і мРНК, відповідає певна амінокислота в поліпептидного ланцюга білка. Це відповідність називають генетичним кодом. Одну амінокислоту визначають три нуклеотиду, об'єднаних в триплет (кодон). Оскільки існують чотири типи нуклеотидів, об'єднуючись по три в триплет, вони дають 4 3 = 64 варіанта триплетів (в той час як кодуються тільки 20 амінокислот). З них три є «стоп-кодонами», які припиняють трансляцію, решта 61 - кодують. Різні амінокислоти кодуються різною кількістю триплетів: від 1 до 6.
| № п / п | амінокислота | скорочена назва |
|---|---|---|
| 1 | аланин | Ала |
| 2 | аргінін | арг |
| 3 | аспарагин | АСН |
| 4 | аспарагінова кислота | асп |
| 5 | валін | Вал |
| 6 | гістидин | Гіс |
| 7 | гліцин | гли |
| 8 | глутамин | Глн |
| 9 | глутамінова кислота | гли |
| 10 | ізолейцин | Ілі |
| 11 | лейцин | лей |
| 12 | лізин | Ліз |
| 13 | метіонін | мет |
| 14 | пролин | про |
| 15 | Серін | сер |
| 16 | тирозин | тир |
| 17 | треонін | Тре |
| 18 | триптофан | Три |
| 19 | фенілаланін | фен |
| 20 | цистеїн | цис |
| перша підстава | друга підстава | третя підстава | |||
|---|---|---|---|---|---|
| У (А) | Ц (Г) | А (Т) | Г (Ц) | ||
| У (А) | фен | сер | тир | цис | У (А) |
| фен | сер | тир | цис | Ц (Г) | |
| лей | сер | стоп | стоп | А (Т) | |
| лей | сер | стоп | Три | Г (Ц) | |
| Ц (Г) | лей | про | Гіс | арг | У (А) |
| лей | про | Гіс | арг | Ц (Г) | |
| лей | про | Глн | арг | А (Т) | |
| лей | про | Глн | арг | Г (Ц) | |
| А (Т) | Ілі | Тре | АСН | сер | У (А) |
| Ілі | Тре | АСН | сер | Ц (Г) | |
| Ілі | Тре | Ліз | арг | А (Т) | |
| мет | Тре | Ліз | арг | Г (Ц) | |
| Г (Ц) | Вал | Ала | асп | гли | У (А) |
| Вал | Ала | асп | гли | Ц (Г) | |
| Вал | Ала | гли | гли | А (Т) | |
| Вал | Ала | гли | гли | Г (Ц) | |
Примітки:
- Перше азотистих основ в триплеті знаходиться в лівому вертикальному ряду, друге - у верхньому горизонтальному, третє - у правому вертикальному.
- На перетині ліній трьох підстав виявляється шукана амінокислота.
- Азотисті основи поза дужками входять до складу мРНК, азотисті основи в дужках - до складу ДНК.
Властивості генетичного коду:
- код триплетів- одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами (кодонів) в молекулі нуклеїнової кислоти;
- код універсальний- всі живі організми від вірусів до людини використовують єдиний генетичний код;
- код однозначний (специфічний)- триплет відповідає одній єдиній амінокислоті.
- код надлишковий- одна амінокислота кодується більш ніж одним кодоном;
- код не перекривається- один нуклеотид не може входити до складу відразу кількох кодонів в ланцюзі нуклеїнової кислоти;
- код колінеарен- послідовність амінокислот у синтезованої молекулі білка збігається з послідовністю триплетів вмРНК.
етапи трансляції
Трансляція складається з трьох етапів: ініціації, елонгації та термінації.
- ініціація- складання комплексу, який бере участь в синтезі поліпептидного ланцюга. Мала субчастіца рибосоми з'єднується з инициаторной мет-тРНК, а потім з мРНК, після чого відбувається утворення цілої рибосоми, що складається з малої і великої субчастиц.
- елонгація- подовження поліпептидного ланцюга. Рибосома переміщується вздовж мРНК, що супроводжується багаторазовим повторенням циклу приєднання черговий амінокислоти до зростаючої поліпептидного ланцюга.
- Терминация- завершення синтезу поліпептидного молекули. Рибосома досягає одного з трьох стоп-кодонів мРНК, а так як не існує тРНК з антикодон, комплементарними стоп-кодонам, синтез поліпептидного ланцюга припиняється. Вона вивільняється і відділяється від рибосоми. Рибосомні субчастіци диссоциируют, відокремлюються від мРНК і можуть взяти участь в синтезі наступної поліпептидного ланцюга.
Реакції матричного синтезу
До реакцій матричного синтезу відносять:
- самоудвоение ДНК (реплікація);
- освіту мРНК, тРНК і рРНК на молекулі ДНК (транскрипція);
- біосинтез білка на мРНК (трансляція).
Всі ці реакції об'єднує те, що молекула ДНК в одному випадку або молекула мРНК в іншому виступають в ролі матриці, на якій відбувається утворення однакових молекул. На реакціях матричного синтезу заснована здатність живих організмів до відтворення собі подібних.
Регуляція експресії генів
тіло багатоклітинного організмупобудовано з різноманітних клітинних типів. Вони відрізняються структурою і функціями, тобто диференційовані. Відмінності проявляються в тому, що крім білків, необхідних будь-якій клітині організму, клітини кожного типу синтезують ще й спеціалізовані білки: в епідермісі утворюється кератин, в еритроцитах - гемоглобін і т.д. Клітинне диференціювання обумовлена зміною набору експрессіруемих генів і не супроводжується якими-небудь незворотними змінами в структурі самих послідовностей ДНК.
біосинтез білкавідбувається інакше. У біосинтезі білка активну участь беруть нуклеі-нові кислоти - ДНК і РНК, а в якості необхідної енергії використовує-ся енергія хімічних зв'язківвисокомолекулярних органічних з'єднань-ний, наявних в клітці, головним чином - АТФ.Послідовність нуклеотидів ДНК (т. Е. Генів), або генетичний код, являє собою систему запису інформації про після-довательности розташування амінокислот в білках і фактично є шифром, що забезпечує біосинтез білка.
Генетична інформація відповідно до генетичним кодом в якийсь момент переписується з ДНК, як з матриці, в нуклеотидну послідовно-вательность нитки інформаційноїРНК (іРНК). Вона і визначає потім по-отже збірки амінокислот відповідної білкової молекули.
Важливо відзначити, що генетичний код є універсальнимдля всіх організмів, що існують на Землі. Це властивість універсальності ко-да дозволяє зробити важливий світоглядний висновок про єдність походжу-дення всіх живих організмів - прокаріотів, еукаріотів і вірусів.
В даний час розшифровані триплети для всіх 20 амінокислот, що входять 8 склад природних білків. Генетичний код був розшифрований в 60-і рр. XX ст. Це здійснили вчені-біохіміки X. Корану, М. Ніренбергі Р. Холлі. За рас-шифровку генетичного коду і його ролі в синтезі білка названим вченим в 1968 році була присуджена Нобелівська премія.
У біосинтезі активну участь беруть багато структурні компоненти клітини: різні молекули РНК, рибосоми і молекули різних амінокислот, з яких будується полімерна молекула білка. Хоча план будови білка закодований в ДНК, сама вона участі в синте-зе білкових молекул не приймає, а служить лише матрицеюдля синтезу информацион-ної РНК (іРНК). Тому процес синтезу білка складається з двох етапів: створення іРНКі збірка молекули білка по інформа-ції в цій молекулі іРНК.
Синтез білкових молекул відбувається безперервно. Він йде з великою швидкістю: в 1 хвилину утворюється від 50 до 60 тисяч пептидних зв'язків. Синтез однієї молекули триває зазвичай 3-4 сек. Тривалість життя білків в середовищ-ньому становить близько двох діб, хоча окремі білки не руйнуються в ті-чення декількох місяців. В результаті половина білків тіла людини (все-го це близько 17 кг білка) оновлюється приблизно за 80 днів. Матеріал з сайту
Процес біосинтезу на всіх його етапах йде за участю багатьох фермен-тів і з неодмінним споживанням великої кількості енергії.
Чітка послідовність процесів, що відбуваються, їх матрична організованість і розподіл функцій між всіма задіяними компонентами призводять до висновку, що біосинтез білка - це цілісна молі-кулярной система виконання складних реакцій, що забезпечує створення речовин, необхідних для життя.
Біосинтез білка - пластична частина обміну речовин клітини. Характеризується матричної основою складання молекул бел-ка. Синтез відбувається в рибосомах при безпосередній участі іРНК, тРНК, рРНК і мономерів - амінокислот. На відміну від фотосинтезу Біосини-тез білка йде під строгим контролем генетичної інформації, списаної іРНК з генетичного коду ДНК. Процес біосинтезу білкової молекули обумовлений двома етапами: транскрипцією (списання) і трансляцією (пере-дача).
Найважливіші функції організму - обмін речовин, ріст, розвиток, передача спадковості, рух і ін. - здійснюються в результаті безлічі хімічних реакційза участю білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних речовин. При цьому в клітинах безперервно синтезуються різноманітні сполуки: будівельні білки, білки-ферменти, гормони. В ході обміну ці речовини зношуються і руйнуються, а замість них утворюються нові. Оскільки білки створюють матеріальну основу життя і прискорюють всі реакції обміну речовин, життєдіяльність клітини і організму в цілому визначається здатністю клітин синтезувати білки. Їх первинна структура зумовлена генетичним кодом в молекулеДНК.
Молекули білків складаються з десятків і сотень амінокислот (точніше, з амінокислотних залишків). Наприклад, в молекулі гемоглобіну їх близько 600, і вони розподілені в чотири поліпептидні ланцюжки; в молекулі рибонуклеази таких амінокислот 124 та т. д.
Головна роль у визначенні первинної структури білка належить молекулам ДНК.Різні її ділянки кодують синтез різних білків, отже, одна молекула ДНК бере участь в синтезі багатьох індивідуальних білків. Властивості білків залежать від послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. У свою чергу чергування амінокислот визначається послідовністю нуклеотидів в ДНК, і кожній амінокислоті відповідає певний триплет. Експериментально доведено, що, наприклад, ділянку ДНК з кодонів ВАЦ відповідає амінокислоті лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеїну і т.д. Розподіливши молекулу ДНК на триплети, можна уявити, які амінокислоти і в якій послідовності будуть розташовуватися в молекулі білка. Сукупність триплетів становить матеріальну основу генів, а кожен ген містить інформацію про структуру специфічного білка (ген - це основна біологічна одиниця спадковості; в хімічному відношенні ген є ділянка ДНК, що включає кілька сотень пар нуклеотидів).
Генетичний код -історично сформована організація молекул ДНК і РНК, при якій послідовність нуклеотидів в них несе інформацію про послідовність амінокислот в білкових молекулах. Властивості коду:триплетність (кодон), неперекриваемость (кодони слідують один за одним), специфічність (один кодон може визначати в полііептідной ланцюга тільки одну амінокислоту), універсальність (у всіх живих організмів один і той же кодон обумовлює включення в поліпептид одну і ту ж амінокислоту), надмірність (для більшості амінокислот існує кілька кодонів). Триплети, що не несуть інформації про амінокислотах, є стоп триплету, що позначають місце початку синтезу і-РНК.(В.Б. Захаров. Біологія. Довідкові матеріали. М., 1997)
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, що передає інформацію з ДНК на рибосоми. Таким посередником служить і РНК, на яку нуклеотидних послідовність переписується, в точній відповідності з такою на ДНК - за принципом комплементарності. Цей процес отримав назву транскрипціїі протікає як реакція матричного синтезу. Він характерний тільки для живих структур і лежить в основі найважливішого властивості живого - самовідтворення. Біосинтезу білка передує матричний синтез іРНК на нитки ДНК. Виникла при цьому іРНК виходить з ядра клітини в цитоплазму, де на неї нанизуються рибосоми, сюди ж за допомогою тРЙК доставляються амінокислоти.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, в якому беруть участь ДНК, іРНК, тРНК, рибосоми, АТФ і різноманітні ферменти. Спочатку амінокісдоти в цитоплазмі активуються за допомогою ферментів і приєднуються до тРНК (до ділянки, де розташований нуклеотид ЦЦА). На наступному етапі йде з'єднання амінокислот в такому порядку, в якому чергування нуклеотидів з ДНК передано на іРНК. Цей етап називається трансляцією.На нитки іРНК розміщується не одна рибосома, а група їх - такий комплекс називається полісома (Н. Ковальов, Л.Д. Шевчук, О. І. Щуренко. Біологія для підготовчих відділень медичних інститутів).
схема біосинтез білка
Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції і трансляції.
I. Транскрипція (переписування) - біосинтез молекул РНК, здійснюється в хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів на відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, рРНК, тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, так як в біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Потім іРНК і тРНК виходять в цитоплазму, рРНК вбудовується в субодиниці рибосом, які також виходять в цитоплазму.
II. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, здійснюється в рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:
1. Освіта функціонального центру рибосоми - ФЦР, що складається з іРНК і двох субодиниць рибосом. У ФЦР завжди знаходяться два триплета (шість нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активних центру: А (амінокислотний) - центр впізнавання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжку.
2. Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, з цитоплазми в ФЦР. В активному центрі А здійснюється зчитування антикодону тРНК з кодоном мРНК, в разі комплементарностн виникає зв'язок, яка служить сигналом для просування (стрибок) уздовж іРНК рибосоми на один триплет. В результаті цього комплекс "кодон рРНК і тРНК з амінокислотою" переміщається в активний центр П, де і відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжку (білкової молекулі). Після чого тРНК залишає рибосому.
3. Пептидний ланцюжок подовжується до тих пір, поки не закінчиться трансляція і рибосома НЕ зіскочить з іРНК. На одній іРНК може уміщатися одночасно кілька рибосом (полісома). Поліпептидна ланцюжок занурюється в канал ендоплазматіче-ської мережі і там набуває вторинну, третинну або четвертинних структуру. Швидкість складання однієї молекули білка, що складається з 200-300 амінокислот, становить 1-2 хв. Формула біосинтезу білка: ДНК (транскрипція) -> РНК (трансляція) -> білок.
Завершивши один цикл, полісоми можуть взяти участь в синтезі нових молекул білка.
Відокремилася від рибосоми молекула білка має вигляд нитки, яка біологічно неактивна. Біологічно функціональної вона стає після того, як молекула набуває вторинну, третинну і четвертинних структуру, т. Е. Певну просторово специфічну конфігурацію. Вторинна і наступні структури білкової молекули зумовлені в інформації, закладеної в чергуванні амінокислот, т. Е. В первинну структуру білка. Інакше кажучи, програма освіти глобули, її унікальна конфігурація визначаються первинною структурою молекули, яка в свою чергу будується під контролем відповідного гена.
Швидкість синтезу білка обумовлена багатьма факторами: температурою середовища, концентрацією водневих іонів, кількістю кінцевого продукту синтезу, присутністю вільних амінокислот, іонів магнію, станом рибосом і ін.
Вступ
Життя є спосіб існування білкових тіл. Це визначення, дане Фрідріхом Енгельсом, вказує на виняткову роль білків у функціонуванні організмів. біосинтез білка- надзвичайно складний і енерговитратний процес. Він є основою життєдіяльності клітини.
Синтез білка здійснюється в рибосомах та проходить в кілька етапів за схемою ДНКРНК білок. Дволанцюжкова молекула ДНК на основі принципу комплементарності транскрибується в одноцепочечную молекулу РНК. В результаті виходить матрична РНК, яка містить інформацію про амінокислотної послідовності білка. Далі мРНК надходить в рибосому і по ній, як по матриці, синтезується білок, шляхом переведення генетичної інформації з мови нуклеотидноїпослідовності на мову амінокислотної послідовності. Крок за кроком будується поліпептидний ланцюг, яка в процесі синтезу і після нього модифікується в біологічно активний протеїн. Синтезований білок транспортується в різні ділянки клітини для виконання своїх функцій.
Кодування амінокислотноїпослідовності білків здійснюється за певними правилами, які називаються генетичним кодом. Розшифровка генетичного коду - дуже значуще досягнення науки. Код пояснює механізм синтезу білка, походження мутацій і інші біологічні явища.
Рентгеноструктурний аналіз та інші сучасні методидослідження дозволили далеко просунутися у вивченні біосинтезу білка та інших аспектів молекулярної біології. Але тим не менше все ще залишаються невстановленими просторові структури деяких життєво важливих макромолекул. Науці належить відповісти на багато питань, що стосуються білкового синтезу.
Загальна схема біосинтезу білка
Загальна схема біосинтезу білків в клітині: ДНКРНКбелок (Малюнок 1).
Малюнок 1. Загальна схема біосинтезу білків в клітині
Транскрипція.Окремі ділянки двухцепочечной ДНК (гени) служать матрицями для синтезу на них однотяжевих ланцюгів РНК за принципом комплементарності. Транскрипція проходить в три стадії: ініціація, елонгація, термінація.
Процесинг і транспорт.У процесі синтезу РНК піддається змінам, в результаті яких перетворюється в зрілу молекулу, придатну для синтезу білка. Що виходять інформаційна (матрична) РНК (мРНК) потім надходить до рибосом в якості програми, яка визначає амінокислотну послідовність в синтезованих білку.
Активація та акцептування амінокислот.Білки складаються з амінокислот, але вільні амінокислоти клітини не можуть бути безпосередньо використані рибосомою. Кожна амінокислота спочатку активується за допомогою АТФ, а потім приєднується до спеціальної молекулі РНК - трансферної (транспортної) РНК (тРНК) поза рибосоми. Що виходять аміноацил-тРНК надходить в рибосому як субстрат для синтезу білка.
Трансляція.Потік інформації у вигляді мРНК і потік матеріалу у вигляді аміноацил-тРНК надходять в рибосоми, які здійснюють переклад (трансляцію) генетичної інформації з мови нуклеотидноїпослідовності мРНК на мову амінокислотної. Кожна рибосома рухається уздовж мРНК від одного кінця до іншого і відповідно вибирає з-поміж ті аміноацил-тРНК, які відповідають (комплементарні) тріплетним комбінаціям нуклеотидів, що знаходяться в даний момент в рибосомі. Амінокислотний залишок обраної аміноацил-тРНК кожен раз ковалентно приєднується рибосомою до зростаючої поліпептидного ланцюга, а деацильованої тРНК звільняється з рибосоми в розчин. Так послідовно будується поліпептидний ланцюг.
Формування функціонального білка.По ходу синтезу поліпептидний ланцюг вивільняється з рибосоми і згортатися в глобулу. Згортання і транспорт білка супроводжуються ферментативними модифікаціями (процесинг білка).
Незважаючи на велику складність апарату біосинтезу білків, він протікає з надзвичайно високою швидкістю. Синтез тисяч різних білків в кожній клітині строго впорядкований - за даних умов метаболізму синтезується лише необхідне число молекул кожного білка.
Біосинтез білків (поліпептидів) є надзвичайно складним і дивним процесом. Біосинтез білків активно протікає у всіх органах і тканинах, виключаючи еритроцити. Багато клітини синтезують білки на «експорт» (клітини печінки, підшлункової залози), і в цьому випадку вони містять дуже велику кількість рибосом. У тваринній клітині число рибосом досягає 10 5, діаметр рибосоми дорівнює 20 нм.
Процес синтезу білка відбувається всередині клітин на поверхні рибосом, які представляють собою комплекси з двох субодиниць з константою седиментації 60S і 40S, що функціонують як єдине ціле. У рибосомі білок становить 30-35% і рибосомальная РНК - 65-70%. У рибосомі розрізняють аміноацільний і пептідільний ділянки. Перший служить для фіксації надходить на рибосому комплексу активної амінокислоти і тРНК, а другий фіксує поліпептидний ланцюг, пов'язану з іншого тРНК. Субодиниці рибосом синтезуються в полісом ядра на матриці ДНК.
Сутність процесу синтезу білка представляє схема:
Білоксинтезуюча система включає рибосоми, нуклеїнові кислоти, набір з 20 амінокислот, різні ферменти, АТФ, ГТФ, іони магнію, близько 200 різних некаталітичного білкових факторів.
Молекула білка - довгий ланцюг амінокислотних залишків, що налічує в середньому від 100 до 500 амінокислот. Програма синтезу кожного білка зберігається в молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Молекула ДНК - полімер, мономерами якого служать нуклеотиди. Послідовність азотистих основ у молекулі ДНК визначає послідовність амінокислот в молекулі білка.
У молекулі ДНК є чотири види азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) і тимін (Т). Послідовність з трьох підстав (триплет) становить кодон, якому відповідав би одна певна амінокислота.
Нуклеїнові кислоти - ДНК і РНК - обов'язкові компоненти біосинтезу білків. ДНК відповідає за збереження генетичної інформації, тоді як РНК визначає передачу цієї інформації і реалізацію у вигляді молекул білка. Можна стверджувати, що головна функціяДНК - це збереження генотипу, а РНК - вираз цього генотипу.
У кількісному плані в клітці переважає рібосомаль- ная РНК (рРНК). рРНК має спіралізують, містить модифіковані нуклеотиди (наприклад, 2-метил-рибоза). рРНК становить близько 80% від загальної кількості РНК в клітині. Другий вид РНК в клітині представлений транспортної РНК (тРНК), яка, як і всі інші види РНК, синтезується в ядрі. На її частку припадає 10-15% загальної кількості РНК в клітині. Виявлено понад 60 різних тРНК. Тому для транспорту окремих амінокислот існує кілька різних тРНК. Для кожної амінокислоти в клітці є принаймні одна специфічна тРНК. Молекули тРНК порівняно дрібні. В їх структурі 75-93 рібонук- леотідов.
Амінокислота приєднується до вільної 3-ОН-групі кінцевого мононуклеотида тРНК, представленої завжди аде- Нілов кислотою. тРНК має й інший важливий ділянку - антикодон, за допомогою якого комплекс амінокислоти і тРНК дізнається певну послідовність з трьох нуклеотидів в матричної РНК (кодон). Антикодон і кодон комплементарно з'єднуються за допомогою водневих зв'язків.
Якщо носієм спадкової інформації в клітині є ДНК, яка зосереджена в ядрі, але синтез білка відбувається в цитоплазмі, то, отже, повинен бути певний посередник, що передає цю інформацію в цитоплазму клітини. Цим посередником виявилася інформаційна або матрична РНК (мРНК). На частку мРНК припадає 2% загальної кількості РНК клітини. Молекули мРНК найдовші (включають до 5 тис. Нуклеотидів). мРНК також містить чотири види азотистих основ. З них три (А, Г, Ц) такі ж, як в ДНК, а четверте - урацил.
Інформація, закодована в мРНК, необхідна для синтезу молекули білка, який відбувається на рибосомах. Синтез мРНК в ядрі клітини дуже швидкий, що необхідно для активного біосинтезу білкових молекул. мРНК утворюється на одній з ниток ДНК ядра. При цьому двухспіральная структура ДНК розкручується і за участю ДНК-залежною РНК-по- лімерази за принципом комплементарності відбувається синтез мРНК:
Схема синтезу мРНК
Принцип комплементарності означає, що аденіну на спіралі ДНК відповідає урацил мРНК, тимін - аденін, а гуаніну - цитозин. Отже, мРНК зчитує інформацію з ДНК.
Стадія ДНК - »РНК, таким чином, визначає синтез молекули мРНК, в якій нуклеотидних послідовність комплементарна певної ділянки (гену) ДНК. Цей процес носить назву транскрипції. Потім мРНК надходить на рибосому, об'єднуючись з її субодиницями. Одна молекула мРНК фіксується на безлічі рибосом одночасно, утворюючи так звані полісоми. Наявність полісом підвищує ефективність і швидкість використання мРНК.
Синтез поліпептидного ланцюга певного складу відбувається на матриці мРНК. Процес передачі інформації з мРНК на білок отримав назву трансляції. Стадія «РНК -> білок» представляє процес синтезу білка, що направляється мРНК. Таким чином, передача інформації завжди йде в напрямку ДНК - »РНК -" білок.
Процес трансляції включає наступні етапи:
- 1) активація амінокислот і їх фіксація на тРНК;
- 2) ініціація синтезу поліпептидного ланцюга;
- 3) елонгація синтезується поліпептидного ланцюга;
- 4) термінація поліпептидного ланцюга і її звільнення;
- 5) Посттрансляційна модифікація поліпептидного ланцюга.
- 1. Активація амінокислот вимагає ферменту аміноацил тРНК-синтетази і витрати енергії у вигляді АТФ:
Цей же фермент бере участь у фіксації попередньо активованою амінокислоти в положення 2 або 3 рибози останнього нуклеотиду тРНК:
У вигляді даного комплексу амінокислота транспортується на рибосому, на якій відбувається синтез білкової молекули. Аминоацил-тРНК-синтетаза специфічна, вона здатна впізнавати як амінокислоту, так і тРНК. У клітці, таким чином, є не менше 20 різних синтетаз, відповідно до числа а-амінокислот.
2. тРНК, пов'язана ефірним зв'язком з певною амінокислотою, надходить на рибосому і взаємодіє з мРНК за типом комплементарності між специфічним кодонів нуклеотидів мРНК, названим кодоном, і їй комплементарних специфічним кодонів нуклеотидів (антикодоном) тРНК, що переносить певну амінокислоту. Таким чином, кожен кодон мРНК відповідає специфічній фіксації однієї амінокислоти в пептидного ланцюга за допомогою антикодону тРНК. Рибосома пересувається уздовж молекули мРНК, зчитуючи послідовно всі кодони, встановлюючи таким чином порядок розташування всіх амінокислот, що доставляються до місця синтезу.
Синтез молекули білка йде в бік від вільної аміногрупи до вільної карбоксильної групи амінокислоти. Зазвичай початковій амінокислотою в синтезі поліпептід- ної ланцюга є метіонін, для якої кодоном служить нуклеотидних послідовність АУГ мРНК.
Ініціація синтезу поліпептиду починається при фіксації двох антикодон тРНК за відповідними кодонам мРНК. Процес вимагає наявності джерела енергії, яким служить ГТФ, а також участі цілого ряду білкових факторів ініціації і пептіділтрансферази.
За участю даного ферменту швидкість утворення ковалентних зв'язків сягає 1200 амінокислот / хв / рибосому.
Схема ініціації синтезу поліпептиду
3. Після утворення дипептиду «Ненавантажена» тРНК залишає рибосому і здатна доставляти нові молекули амінокислот, а мРНК просувається щодо рибосоми (полісоми) на три нуклеотиду. В результаті переміщення (транслокації) вільний кодон займає положення для впізнавання черговий молекули тРНК. Отже, в стадії елонгації відбувається послідовне приєднання по одній амінокислоті до поліпептидного ланцюга в суворій відповідності з порядком кодонів молекули мРНК.
Подовжується поліпептидний ланцюг з однією молекулою тРНК фіксується з великою субодиницею рибосоми. Приєднання кожної додаткової амінокислоти до поліпептидного ланцюга відбувається за рахунок взаємозв'язку аміногрупи приєднується амінокислоти в комплексі з тРНК і карбоксильної групи пептиду.
4. Терминация, або завершення синтезу поліпептидного молекули, залучає певні кодони термінації «без сенсу» і білкові фактори термінації. Відомі три кодону (УАГ, УГА, УАА), які не кодують, не пов'язують будь-яку амінокислоту, так як в клітці не існує антикодон тРНК, комплементарних до них. Теоретично лише один кодон «без сенсу», впізнаваний полисомой під час проходження в напрямку 5-3 мРНК, повинен зупинити синтез молекули білка.
Наявність терминирующего кодону в будь-якій ділянці мРНК означає закінчення білкового синтезу. В результаті полісома розпадається, невикористана мРНК гідролізується полінук- леотідфосфорілазой, а субодиниці рибосом готуються до початку синтезу нової молекули білка.
мРНК може неодноразово брати участь в процесі біосинтезу білка. Тривалість функціонування молекули мРНК неоднакова у різних організмів. Вона може коливатися від декількох хвилин до декількох діб.
5. У ДНК закодована лише первинна структура білка. Тому синтезовані на рибосомах молекули білків ще не мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численні модифікації (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що змінюють структуру білків і, отже, їх активність.
Вторинна і третинна структури не кодовані, вони визначаються властивостями первинної структури, а це значить, що та чи інша форма білкової молекули залежить від послідовності амінокислот і можливостей їх взаємодії між собою. Структурні модифікації синтезованих білків мають місце ще на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп.
Розглянута схема передачі інформації у вигляді
може в окремих випадках змінюватися. Так, у вірусів, що не містять ДНК, інформація закладена в РНК. При проникненні вірусу в клітину ця інформація передається на ДНК клітини, а остання вже синтезує мРНК, на матриці якої синтезуються вірусні білки. Такий процес носить назву зворотної транскрипції, і схема передачі інформації в цьому випадку буде наступною:
Поки зберігається послідовність нуклеотидів ДНК і, отже, мРНК, характер знову синтезованого білка залишається незмінним.
Необхідна генетична інформація для синтезу білка може бути представлена аналогічно запису людської мови, Яка складається з послідовності букв, які формують слова та пропозиції. У генетичному мові, однак, є тільки чотири літери - чотири підстави (аденін, гуанін, урацил, цитозин).
Генетичний код включає трьохбуквені слова. Чотири підстави в даному випадку (43) дають 64 варіанта (слова), яких більш ніж достатньо, щоб кодувати 20 амінокислот. Таким чином, 64 кодони і складають генетичний код (табл. 3).
Аналіз генетичного коду показує, що для різних амінокислот є різне число кодонів. Наприклад, метіонін і триптофан мають тільки один кодон, тоді як аргінін, лейцин, серин мають по шість кодонів. Наявність декількох кодонів для однієї амінокислоти відображає «вирожден- ність» коду. Отже, одна і та ж амінокислота може кодуватися кількома за своєю будовою нуклеотидними триплету. У той же час кожному триплети відповідає цілком певна амінокислота в синтезується полі- пептидного ланцюга.
Т а б л і ц а 3
генетичний код
|
нуклеотид |
другий нуклеотид |
нуклеотид |
|||
Генетичний код універсальний і однаковий у видів різного рівня розвитку (людина, тварини, рослини, мікроорганізми). Універсальність коду свідчить, що всі живі організми в минулому мали єдиного предка.
Окремі амінокислоти (оксипролін, оксілізін), наприклад, не мають кодону і утворюються за допомогою хімічних реакцій вже після синтезу поліпептидного ланцюга. Цей процес отримав назву посттрансляционной модифікації і дуже важливий для правильного функціонування кожного білка.
Безглузді кодони (УАА, УАГ, УГА) не кодують амінокислоти, проте реально служать сигналом закінчення синтезу білкової молекули.
Таким чином, мРНК є безпосереднім переносником генетичної інформації з ядра на рибосому цитоплазми. Одна рибосома займає на мРНК ділянку довжиною близько 80 нуклеотидів і здатна каталізувати приблизно 100 пептидних зв'язків в хвилину (Северин Е. С. та ін., 2011).
Синтезовані білкові молекули можуть піддаватися структурним модифікаціям ще на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп. У цитоплазмі мРНК має порівняно короткий період існування. Деяка кількість мРНК синтезується і запасається в неактивній формі, будучи готовою для швидкого синтезу білка. Оскільки інформація мРНК пов'язана з лінійної послідовністюнуклеотидів, цілісність цієї послідовності надзвичайно важлива. Будь-яка втрата або зміна порядку нуклеотидів може видозмінити синтез білка. На сьогодні встановлено цілий ряд інгібіторів реплікації ДНК в клітинах організму (антибіотики, хімічні отрути, антивірусні препарати). Пошкодження в послідовності пуринових або піримідинових основ в гені отримали назву мутації.
Заміна лише одного нуклеотиду в кодоні (мутація) призводить до зміни кодування однієї амінокислоти на іншу. Наприклад, мутація, пов'язана з заміною глутамінової кислоти на валін в молекулі гемоглобіну, призводить до синтезу гемоглобіну, що викликає серповидную анемію. Сьогодні відомо понад 200 мутацій поліпептидного ланцюга молекули гемоглобіну людини. Часто мутагенами є речовини (нітроза- міни, наприклад), які змінюють структуру азотистих основ, що призводить до зміни характеру комплементарності підстав. Ультрафіолетове опромінення викликає конденсацію залишків тиміну з утворенням тимінових димарів. На щастя, від шкідливої дії ультрафіолетових променів тварини захищені шаром озону атмосфери.
Багато антибіотики, використовувані в ветеринарній практиці, Інгібують бактеріальний синтез білка (лінкоміцин, еритроміцин, хлорамфенікол) ще на стадії трансляції. При цьому мікробна клітина гине або призупиняє своє розвиток. Такі антибіотики, як тетрациклін, не впливають на рибосомальних синтез в клітинах вищих тварин. Пені- циллином не є прямими інгібіторами синтезу білка, проте їх ефекти інгібування бактерій пов'язані з блокуванням синтезу гексапептид клітинної стінки. Слід зазначити, що синтез білка відбувається не тільки на рибосомах, а й в мітохондріях. Мітохондрії мають повний і незалежний апарат синтезу білка для своїх потреб, хоча не всі мітохондріальні білки синтезуються в цих органелах. РНК мітохондрій становлять лише 3% від усієї кількості РНК клітини. Рибосоми мітохондрій менше за розмірами, ніж цитоплазматические. Кодон УГА, як термінатор синтезу білка в цитоплазмі, використовується в мітохондріях поряд з кодоном УГГ для кодування амінокислоти.
Синтезовані на рибосомах білки ще не мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численні модифікації (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що модифікують структуру білка і, отже, його активність.