Білки відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів, виконують захисні, структурні, гормональні, енергетичні функції. Забезпечують зростання м'язової та кісткової тканини. Білки інформують про будову клітини, про її функції та біохімічні властивості, входять до складу цінних, корисних організмупродуктів харчування (яєць, молочних продуктів, риби, горіхів, бобових, жита та пшениці). Засвоюваність такої їжі пояснюється біологічною цінністю. При рівному показнику кількості білка легше засвоюватиметься той продукт, чия цінність вища. Дефектні полімери повинні видалятися з організму та замінюватися на нові. Цей процес протікає при синтезі білків у клітинах.

Якими бувають білки

Речовини, що складаються лише із залишків амінокислот, називаються простими білками (протеїнами). У разі потреби використовується їхня енергетична властивість, тому людям, які ведуть здоровий образжиття, часто додатково потрібен прийом протеїну. Складні білки, протеїди, мають у своєму складі простий білок і небілкову частину. Десять амінокислот у білку є незамінними, це означає, що організм не може синтезувати їх самостійно, вони надходять з їжі, інший десяток - замінний, тобто їх можна створити з інших амінокислот. Так починається життєво необхідний всім організмів процес.

Основні етапи біосинтезу: звідки беруться білки

Нові молекули беруться внаслідок біосинтезу - хімічної реакції сполуки. Існує два основні етапи синтезу білків у клітині. Це транскрипція та трансляція. Транскрипція відбувається у ядрі. Це зчитування з ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти), яка несе інформацію про майбутнє білка, на РНК (рибонуклеїнову кислоту), яка переносить цю інформацію з ДНК до цитоплазми. Відбувається це через те, що ДНК безпосередньо в біосинтезі участі не бере, вона лише несе відомості, не маючи здатності виходити до цитоплазми, де синтезується білок, і виконуючи лише функцію носія генетичної інформації. Транскрипція дозволяє вважати дані з матриці ДНК на РНК за принципом комплементарності.

Роль РНК та ДНК у процесі

Отже, запускає синтез білків у клітинах ланцюжок ДНК, який несе інформацію про якийсь конкретний білок і називається геном. Ланцюжок ДНК у процесі транскрипції розплітається, тобто її спіраль починає розпадатися у лінійну молекулу. З ДНК інформація має перетворитися на РНК. Навпроти тиміну в цьому процесі повинен ставати аденін. Цитозин ж має як пару гуанін, так само, як ДНК. Навпаки аденіну РНК стає урацил, оскільки в РНК такого нуклеотиду, як тімін, немає, він замінюється просто урациловым нуклеотидом. З гуаніном є сусідом цитозин. Навпаки аденіну стає урацил, а парі з тиміном розташовується аденін. Ці молекули РНК, що стають навпаки, називаються інформаційними РНК (іРНК). Вони здатні через пори виходити з ядра в цитоплазму та рибосоми, які, власне, виконують функцію синтезу білків у клітинах.

Про складне простими словами

Тепер відбувається збірка з амінокислотних послідовностей поліпептидного ланцюжка білка. Транскрипцією можна назвати зчитування інформації про майбутнє білка з матриці ДНК на РНК. Це можна визначити, як перший етап. Після того, як РНК виходить з ядра, вона повинна потрапити до рибосом, де відбувається другий етап, який називається трансляцією.

Трансляція - це вже перехід РНК, тобто перенесення інформації з нуклеотидів на молекулу білка, коли РНК говорить про те, яка послідовність амінокислот має бути в речовині. У такому порядку інформаційна РНК потрапляє в цитоплазму до рибосом, які здійснюють синтез білків у клітині: А (аденін) – Г (гуанін) – У (урацил) – Ц (цитозин) – У (урацил) – А (аденін).

Навіщо потрібні рибосоми

Для того, щоб відбулася трансляція і в результаті утворився білок, потрібні такі компоненти, як сама інформаційна РНК, транспортна РНК, а також рибосоми як "фабрика", на якій виробляється білок. В даному випадку функціонують два різновиди РНК: інформаційний, який утворився в ядрі з ДНК, і транспортний. Молекула другої кислоти має вигляд конюшини. Ця "конюшина" приєднує до себе амінокислоту і несе її до рибосом. Тобто він виконує транспортування органічних сполукбезпосередньо до "фабрики" за їх освітою.

Як працює рРНК

Також існують рибосомальні РНК, які входять до складу рибосоми і виконують синтез білка в клітині. Виходить, що рибосоми є немембранними структурами, вони не мають оболонок, як, наприклад, ядро ​​або ендоплазматична мережа, а складаються просто з білків та рибосомальних РНК. Що ж відбувається, коли послідовність із нуклеотидів, тобто інформаційна РНК, потрапляє до рибосом?

Транспортна РНК, що у цитоплазмі, підтягує себе амінокислоти. Звідки взялися амінокислоти в клітці? А утворюються вони внаслідок розщеплення білків, які надходять усередину з їжею. Ці сполуки переносяться струмом крові до клітин, де відбувається продукування необхідних організму білків.

Кінцевий етап синтезу білків у клітинах

Амінокислоти плавають у цитоплазмі так само, як і транспортні РНК, і коли відбувається збирання поліпептидного ланцюга, ці транспортні РНК починають з ними з'єднуватися. Однак не у будь-якій послідовності і далеко не будь-яка транспортна РНК може поєднатися з усіма видами амінокислот. Існує певна ділянка, до якої приєднується необхідна амінокислота. Друга ж ділянка транспортної РНК називається антикодоном. Цей елемент складається із трьох нуклеотидів, які комплементарні послідовності нуклеотидів в інформаційній РНК. Для однієї амінокислоти необхідно три нуклеотиди. Наприклад, якийсь умовний білок складається для спрощення лише з двох амінокислот. Очевидно, що переважно білки мають дуже довгу структуру, складаються з багатьох амінокислот. Ланцюг А - Г - У називається триплетом, або кодоном, до нього приєднуватиметься транспортна РНК у вигляді конюшини, на кінці якого перебуватиме певна амінокислота. До наступного триплету Ц - У - А приєднуватиметься ще одна тРНК, яка міститиме зовсім іншу амінокислоту, комплементарну даної послідовності. У такому порядку відбуватиметься подальше складання поліпептидного ланцюжка.

Біологічне значення синтезу

Між двома амінокислотами, що знаходяться на кінцях "конюшин" кожного триплету, утворюється пептидна зв'язок. На цьому етапі транспортна РНК йде у цитоплазму. До триплетів приєднується потім наступна транспортна РНК з іншою амінокислотою, яка утворює з попередніми двома поліпептидним ланцюгом. Цей процес повторюється досі, коли набирається необхідна послідовність амінокислот. Таким чином відбувається синтез білка в клітині, і утворюються ферменти, гормони, кров'яні речовини і т. д. Не у будь-якій клітині утворюється будь-який білок. Кожна клітина може утворити певний білок. Наприклад, в еритроцитах утворюватиметься гемоглобін, а клітинами підшлункової залози синтезуватимуться гормони та різноманітні ферменти, що розщеплюють їжу, яка потрапляє в організм.

У м'язах утворюватиметься білок актин і міозин. Як видно, процес синтезу білка в клітинах багатоетапний і складний, що говорить про його значущість та необхідність для всього живого.

Біосинтез білків у клітинах є послідовністю реакцій матричного типу, в ході яких послідовна передача спадкової інформації з одного типу молекул на інший призводить до утворення поліпептидів з генетично обумовленою структурою.

Біосинтез білків є початковим етапом реалізації, або експресією генетичної інформації. До головних матричних процесів, що забезпечують біосинтез білків, відносяться транскрипція ДНК та трансляція мРНК. Транскрипція ДНК полягає у переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну або інформаційну РНК). Трансляція мРНК полягає у перенесенні інформації з мРНК на поліпептид. Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна як схеми.

нетранскрибований ланцюг ДНК

транскрибований ланцюг ДНК

транскрипція ДНК

кодони мРНК

трансляція мРНК

антикодони тРНК

амінокислоти білка

метіонін

На схемі видно, що генетична інформація про структуру білка зберігається як послідовності триплетів ДНК. При цьому лише один з ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції (такий ланцюг називається транскрибується). Другий ланцюг є комплементарним по відношенню до транскрибується і не бере участі в синтезі мРНК.

Молекула мРНК є матрицею для синтезу поліпептиду на рибосомах. Триплети мРНК, що кодують певну амінокислоту, називаються кодони. У трансляції беруть участь молекули тРНК. Кожна молекула тРНК містить антикодон – триплет, що розпізнає, в якому послідовність нуклеотидів комплементарна по відношенню до певного кодону мРНК. Кожна молекула тРНК здатна переносити певну амінокислоту. Сполука тРНК з амінокислотою називається аміноацил-тРНК.

Молекула тРНК за загальною конформацією нагадує конюшинний лист на черешку. "Вершина листа" несе антикодон. Існує 61 тип тРНК із різними антикодонами. До «черешку листа» приєднується амінокислота (існує 20 амінокислот, що у синтезі поліпептиду на рибосомах). Кожній молекулі тРНК з певним антикодоном відповідає певна амінокислота. У той же час певній амінокислоті зазвичай відповідає кілька типів тРНК з різними антикодонами. Амінокислота ковалентно приєднується до тРНК за допомогою ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз. Ця реакція називається аміноацилуванням тРНК.

p align="justify"> На рибосомах до певного кодону мРНК за допомогою специфічного білка приєднується антикодон відповідної молекули аміноацил-тРНК. Таке зв'язування мРНК та аміноацил-тРНК називається кодонзалежним. На рибосомах амінокислоти з'єднуються між собою за допомогою пептидних зв'язків, а молекули тРНК, що звільнилися, йдуть на пошуки вільних амінокислот.

Розглянемо докладніше основні етапи біосинтезу білків.

1 етап. Транскрипція ДНК. На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежної РНК-полімерази добудовується комплементарний ланцюг мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрибованого ланцюга ДНК з тією різницею, що замість дезоксирибонуклеотидів до її складу входять рибонуклеотиди, до складу яких замість тиміну входить урацил.

2 етап. Процесинг (дозрівання) мРНК. Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворенням. Найчастіше вихідна молекула мРНК розрізається деякі фрагменти. Одні фрагменти – інтрони – розщеплюються до нуклеотидів, інші – екзони – зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називається сплайсинг.

Сплайсинг характерний для еукаріотів та архебактерій, але іноді зустрічається і у прокаріотів. Існує кілька видів сплайсингу. Сутність альтернативного сплайсингу полягає в тому, що ті самі ділянки вихідної мРНК можуть бути і інтронами, і екзонами. Тоді одному й тому ділянки ДНК відповідає кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька різних форм одного і того ж білка. Сутність транс-сплайсингу полягає в поєднанні екзонів, що кодуються різними генами (іноді навіть з різних хромосом), в одну зрілу молекулу мРНК.

3 етап. Трансляція мРНК. Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію (початок), елонгацію (продовження) та термінацію (закінчення).

Ініціація. Сутність ініціації полягає у освіті пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.

Спочатку утворюється ініціюючий комплекс, до складу якого входять: мала субодиниця рибосоми, специфічні білки (фактори ініціації) та спеціальна ініціаторна метіонінова тРНК з амінокислотою метіоніном – Мет-тРНКМет. Ініціюючий комплекс дізнається початок мРНК, приєднується до неї і ковзає до точки ініціації (початку) біосинтезу білка: здебільшого це стартовий кодон АУГ. Між стартовим кодоном мРНК та антикодоном метіонінової тРНК відбувається кодонзалежне зв'язування з утворенням водневих зв'язків. Потім відбувається приєднання великої субодиниці рибосоми.

При об'єднанні субодиниць утворюється цілісна рибосома, яка несе два активні центри (сайту): А-ділянка (аміноацильна, яка служить для приєднання аміноацил-тРНК) і Р-ділянка (пептидилтрансферазна, яка служить для утворення пептидного зв'язку між амінокислотами).

Спочатку Мет-тРНКМет знаходиться на А-ділянці, але потім переміщається на Р-дільницю. На звільнений А-ділянка надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, який комплементарний кодону мРНК, що йде за кодоном АУГ. У нашому прикладі це Глі-тРНКГлі з антикодоном ЦЦГ, який комплементарний кодону ГГЦ. В результаті кодонзалежного зв'язування між кодоном мРНК та антикодоном аміноацил-тРНК утворюються водневі зв'язки. Таким чином, на рибосомі поряд виявляються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидна зв'язок. Ковалентний зв'язок між першою амінокислотою (метіоніном) та її тРНК розривається.

Після утворення пептидного зв'язку між першими першими амінокислотами рибосома зсувається на один триплет. В результаті відбувається транслокація (переміщення) ініціаторної метіонінової тРНКМет за межі рибосоми. Водневий зв'язок між стартовим кодоном та антикодоном ініціаторної тРНК розривається. В результаті вільна тРНКМет відщеплюється і йде на пошук своєї амінокислоти.

Друга тРНК разом з амінокислотою (у нашому прикладі Глі-тРНКГлі) в результаті транслокації виявляється на Р-ділянці, а А-ділянка звільняється.

Елонгація. Сутність елонгації полягає у приєднанні наступних амінокислот, тобто у нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзалежного зв'язування мРНК і аміноацил-тРНК на А-ділянці, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючим поліпептидним ланцюгом і транслокації зі звільненням А-ділянки.

На звільнений А-ділянка надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, що відповідає наступному кодону мРНК (у нашому прикладі це Тир-тРНКТир з антикодоном АУА, який комплементарний кодону УАУ).

На рибосомі поруч виявляються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Зв'язок між попередньою амінокислотою та її тРНК (у нашому прикладі між гліцином та тРНКГлі) розривається.

Потім рибосома зміщується ще на один триплет, і в результаті транслокації тРНК, яка була на Р-ділянці (у нашому прикладі тРНКГлі), виявляється за межами рибосоми і відщеплюється від мРНК. А-дільниця звільняється, і робочий цикл рибосоми починається спочатку.

Термінація. Полягає у закінченні синтезу поліпептидного ланцюга.

Зрештою, рибосома досягає такого кодону мРНК, якому відповідає жодна тРНК (і жодна амінокислота). Існує три такі нонсенс-кодони: УАА («охра»), УАГ («бурштин»), УГА («опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми припиняється, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову поділяється на субодиниці.

Модифікація білків. Як правило, синтезований поліпептид піддається подальшим хімічним перетворенням. Вихідна молекула може розрізатися окремі фрагменти; потім одні фрагменти зшиваються, інші гідролізуються до амінокислот. Прості білкиможуть з'єднуватися з різноманітними речовинами, утворюючи глікопротеїни, ліпопротеїни, металопротеїни, хромопротеїни та інші складні білки. Крім того, амінокислоти вже у складі поліпептиду можуть піддаватися хімічним перетворенням. Наприклад, амінокислота пролін, що входить до складу білка проколагену, окислюється до гідроксипроліну. У результаті проколагену утворюється колаген – основний білковий компонент сполучної тканини.

Реакції модифікації білків є реакціями матричного типу. Такі біохімічні реакції називаються ступінчастими.

Енергетика біосинтезу білків. Біосинтез білків – дуже енергоємний процес. При аміноацилювання тРНК витрачається енергія одного зв'язку молекули АТФ, при кодонзависимом зв'язуванні аміноацил-тРНК – енергія одного зв'язку молекули ГТФ, при переміщенні рибосоми однією триплет – енергія однієї зв'язку ще однієї молекули ГТФ. У результаті приєднання амінокислоти до полипептидной ланцюга витрачається близько 90 кДж/моль. При гідролізі пептидного зв'язку вивільняється лише 2 кДж/моль. Таким чином, при біосинтезі більшість енергії безповоротно втрачається (розсіюється як тепла).

Генетичний код, його основні властивості

У ході реакцій матричного синтезуна підставі генетичного коду синтезується поліпептид із спадково обумовленою структурою. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру певного поліпептиду, називається геном.

Однак, ген - Це не просто ділянка ДНК, а одиниця спадкової інформації, носієм якої є нуклеїнові кислоти. Встановлено, що ген має складну структуру.

Найчастіше кодуючі ділянки (екзони) розділені некодирующими (інтронами). У той же час, завдяки альтернативному сплайсингу, розподіл ділянки ДНК на кодуючі та некодуючі виявляється умовним. Деякі ділянки ДНК можуть переміщатися щодо один одного – їх називають мобільними генетичними елементами (МГЕ). Багато генів представлені кількома копіями – тоді той самий білок кодується різними ділянками ДНК. Ще складніше закодовано генетичну інформацію у вірусів. У багатьох з них виявлені гени, що перекриваються: одна і та ж ділянка ДНК може транскрибуватися з різних стартових точок.

Процес експресії генів має гнучкість: одній ділянці ДНК може відповідати кілька поліпептидів; один поліпептид може кодуватись різними ділянками ДНК. Остаточна модифікація білків відбувається за допомогою ферментів, що кодуються різними ділянками ДНК.

Загальні властивості генетичного коду

Відображення одних об'єктів за допомогою інших називається кодуванням. Відображення структури білків як триплетів ДНК називається кодом ДНК, чи генетичним кодом. Завдяки генетичному коду встановлюється однозначна відповідність між нуклеотидними послідовностями. нуклеїнових кислотта амінокислотами, що входять до складу білків. Генетичний код має такі основні властивості:

1. Генетичний код триплетен: кожна амінокислота кодується триплетом нуклеотидів ДНК та відповідним триплетом іРНК. При цьому кодони нічим не відокремлені один від одного (відсутні «коми»).

2. Генетичний код є надлишковим (виродженим): майже всі амінокислоти можуть кодуватися різними кодонами. Тільки двом амінокислот відповідає по одному кодону: метіоніну (АУГ) і триптофану (УГГ). Зате лейцину, серину та аргініну відповідає по 6 різних кодонів.

3. Генетичний код є таким, що не перекривається: кожна пара нуклеотидів належить тільки одному кодону (винятки виявлені у вірусів).

4. Генетичний код єдиний для переважної більшості біологічних систем. Однак є і винятки, наприклад, в інфузорій та в мітохондріях різних організмів. Тому генетичний код називають квазіуніверсальним.

Біосинтез білків (поліпептидів) є надзвичайно складним та дивовижним процесом. Біосинтез білків активно протікає у всіх органах та тканинах, виключаючи еритроцити. Багато клітин синтезують білки на «експорт» (клітини печінки, підшлункової залози), і в цьому випадку вони містять дуже велике числорибосом. У тваринній клітині число рибосом досягає 10 5 діаметр рибосоми дорівнює 20 нм.

Процес синтезу білка відбувається всередині клітин на поверхні рибосом, які є комплексами з двох субодиниць з константою седиментації 60S і 40S, що функціонують як єдине ціле. У рибосомі білок становить 30-35% та рибосомальна РНК – 65-70%. У рибосомі розрізняють аміноацильні та пептидильні ділянки. Перший служить для фіксації комплексу активної амінокислоти і тРНК, що надходить на рибосому, а другий фіксує поліпептидний ланцюг, пов'язаний з іншою тРНК. Субодиниці рибосом синтезуються в ядерці 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 некаталітичних білкових факторів.

Молекула білка - довгий ланцюг амінокислотних залишків, що налічує в середньому від 100 до 500 амінокислот. Програма синтезу кожного білка зберігається у молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Молекула ДНК - полімер, мономерами якого є нуклеотиди. Послідовність азотистих основ у молекулі ДНК визначає послідовність амінокислот у молекулі білка.

У молекулі ДНК є чотири види азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) та тимін (Т). Послідовність із трьох підстав (триплет) становить кодон, якому відповідає одна певна амінокислота.

Нуклеїнові кислоти – ДНК та РНК – обов'язкові компоненти біосинтезу білків. ДНК відповідає за збереження генетичної інформації, тоді як РНК визначає передачу цієї інформації та реалізацію у вигляді молекул білка. Можна стверджувати, що головна функція ДНК – це збереження генотипу, а РНК – вираз цього генотипу.

У кількісному плані у клітині переважає рибосомальна РНК (рРНК). рРНК має спіралізовані ділянки, містить модифіковані нуклеотиди (наприклад, 2-метил-рибозу). рРНК становить близько 80% від загальної кількостіРНК у клітині. Другий вид РНК у клітині представлений транспортною РНК (тРНК), яка, як та інші види РНК, синтезується в ядрі. На її частку припадає 10-15% загальної кількості РНК у клітині. Виявлено понад 60 різних тРНК. Тож транспорту окремих амінокислот існує кілька різних тРНК. Для кожної амінокислоти у клітині є принаймні одна специфічна тРНК. Молекули тРНК порівняно дрібні. У їх структурі 75-93 рибонуклеїдів.

Амінокислота приєднується до вільної 3-ОН-групи кінцевого мононуклеотиду тРНК, представленої завжди аденіловою кислотою. тРНК має й іншу важливу ділянку - антикодон, за допомогою якого комплекс амінокислоти та тРНК дізнається певну послідовність із трьох нуклеотидів у матричній РНК (кодон). Антикодон та 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, має бути певний посередник, який передає цю інформацію цитоплазму клітини. Цим посередником виявилася інформаційна чи матрична РНК (мРНК). Перед 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 у ДНК, а четверте – урацил.

Інформація, закодована в мРНК, необхідна синтезу молекули білка, що відбувається на рибосомах. Синтез мРНК у ядрі клітини дуже швидкий, що необхідне активного біосинтезу білкових молекул. мРНК утворюється на одній із ниток ДНК ядра. При цьому двоспіральна структура ДНК розкручується і за участю ДНК-залежної РНК-полімерази за принципом комплементарності відбувається синтез мРНК:

Схема синтезу мРНК

Принцип комплементарності означає, що аденіну на спіралі ДНК відповідає урацил мРНК, тиміну – аденін, а гуаніну – цитозин. Отже, мРНК зчитує інформацію із ДНК.

Стадія ДНК - РНК, таким чином, визначає синтез молекули мРНК, в якій нуклеотидна послідовність комплементарна певному ділянці (гену) ДНК. Цей процес зветься транскрипції. Потім мРНК надходить на рибосому, поєднуючись з її субодиницями. Одна молекула мРНК фіксується на множині рибосом одночасно, утворюючи так звані полісоми. Наявність полісом підвищує ефективність та швидкість використання мРНК.

Синтез поліпептидного ланцюга певного складу відбувається на матриці мРНК. Процес передачі з мРНК на білок отримав назву трансляції. Стадія «РНК -> білок» є процесом синтезу білка, що направляється мРНК. Таким чином, передача інформації завжди йде в напрямку ДНК - РНК - білок.

Процес трансляції включає такі етапи:

• 1) активація амінокислот та їх фіксація на тРНК;
• 2) ініціація синтезу поліпептидного ланцюга;
• 3) елонгація синтезованого поліпептидного ланцюга;
• 4) термінація поліпептидного ланцюга та його звільнення;
• 5) посттрансляційна модифікація поліпептидного ланцюга.
• 1. Активація амінокислот вимагає ферменту аміноацил-тРНК-синтетази та витрати енергії у вигляді АТФ:

Цей же фермент бере участь у фіксації попередньо активованої амінокислоти в положення 2 або 3 рибози останнього нуклеотиду тРНК:

У вигляді даного комплексу амінокислота транспортується рибосому, де відбувається синтез білкової молекули. Аміноацил-тРНК-синтетаза специфічна, вона здатна впізнавати як амінокислоту, і тРНК. У клітині, 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 триплетом нуклеотидів мРНК, названим кодоном, і їй комплементарним специфічним триплетом нуклеотидів (антикодоном) тР. Таким чином, кожен кодон мРНК відповідає специфічній фіксації однієї амінокислоти в пептидному ланцюзі за допомогою антикодону тРНК. Рибосома пересувається вздовж молекули мРНК, послідовно зчитуючи всі кодони, встановлюючи таким чином порядок розташування всіх амінокислот, що доставляють до місця синтезу.

Синтез молекули білка йде у напрямку від вільної аміногрупи до вільної карбоксильної групи амінокислоти. Зазвичай початковою амінокислотою в синтезі поліпептидного ланцюга є метіонін, для якого кодоном є нуклеотидна послідовність АУГ мРНК.

Ініціація синтезу поліпептиду починається при фіксації двох антикодонів тРНК за відповідними кодонами мРНК. Процес вимагає наявності джерела енергії, яким служить ГТФ, а також участі цілого ряду білкових факторів ініціації та пептиділтрансферази.

За участю даного ферменту швидкість освіти ковалентних зв'язківдосягає 1200 амінокислот/хв/рибосом.

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 нуклеотиди. В результаті переміщення (транслокації) вільний кодон займає положення для впізнавання чергової молекули тРНК. Отже, у стадії елонгації відбувається послідовне приєднання по одній амінокислоті до поліпептидного ланцюга у суворій відповідності до порядку кодонів молекули мРНК.

Поліпептидний ланцюг, що подовжується, з однією молекулою тРНК фіксується з великою субодиницею рибосоми. Приєднання кожної додаткової амінокислоти до поліпептидного ланцюга відбувається за рахунок взаємозв'язку аміногрупи амінокислоти, що приєднується в комплексі з тРНК і карбоксильної групи пептиду.

4. Термінація або завершення синтезу поліпептидної молекули залучає певні кодони термінації «без сенсу» та білкові фактори термінації. Відомі три кодони (УАГ, УГА, УАА), які не кодують, не пов'язують якусь амінокислоту, так як в клітині не існує антикодонів тРНК, комплементарних до них. Теоретично лише один кодон "без сенсу", відомий полісомою під час проходження в напрямку 5-3 мРНК, повинен зупинити синтез молекули білка.

Наявність термінуючого кодону в будь-якій ділянці мРНК означає закінчення синтезу білка. В результаті полісому розпадається, невикористана мРНК гідролізується полінукле- леотидфосфорілазою, а субодиниці рибосом готуються до початку синтезу нової молекули білка.

мРНК може неодноразово брати участь у процесі біосинтезу білка. Тривалість функціонування молекули мРНК неоднакова у різних організмів. Вона може коливатися від кількох хвилин до кількох діб.

5. У ДНК закодовано лише первинну структуру білка. Тому синтезовані на рибосомах молекули білків ще мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численних модифікацій (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що змінюють структуру білків і, отже, їх активність.

Вторинна та третинна структури не кодовані, вони визначаються властивостями первинної структури, а це означає, що та чи інша форма білкової молекули залежить від послідовності амінокислот та можливостей їх взаємодії між собою. Структурні модифікації білків, що синтезуються, мають місце ще на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп.

Розглянута схема передачі у вигляді

може в окремих випадках змінюватись. Так, у вірусів, які не містять ДНК, інформація закладена в РНК. При проникненні вірусу 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 в цьому випадку буде наступною:

Поки зберігається послідовність нуклеотидів ДНК і, отже, мРНК, характер білка, що знову синтезується, залишається незмінним.

Необхідна генетична інформація для синтезу білка може бути представлена ​​аналогічно до запису людської мови, яка складається з послідовності букв, що формують слова та речення. У генетичній мові, однак, є лише чотири літери - чотири основи (аденін, гуанін, урацил, цитозин).

Генетичний код включає трилітерні слова. Чотири підстави в даному випадку (43) дають 64 варіанти (слова), яких більш ніж достатньо, щоб кодувати 20 амінокислот. Таким чином, 64 кодони і складають генетичний код (табл. 3).

Аналіз генетичного коду показує, що з різних амінокислот є різне число кодонов. Наприклад, метіонін і триптофан мають лише один кодон, тоді як аргінін, лейцин, серин мають по шість кодонів. Наявність кількох кодонів для однієї амінокислоти відображає «виродженість» коду. Отже, та сама амінокислота може кодуватися кількома за своєю будовою нуклеотидними триплетами. У той же час кожному триплету відповідає цілком певна амінокислота в поліпептидному ланцюгу, що синтезується.

Таблиця 3

Генетичний код

нуклеотид	Другий нуклеотид				нуклеотид

Генетичний код універсальний і однаковий у видів різного рівнярозвитку (людина, тварини, рослини, мікроорганізми). Універсальність коду свідчить, що всі живі організми минулого мали єдиного предка.

Окремі амінокислоти (оксипролін, оксилизин), наприклад, не мають кодону і утворюються за допомогою хімічних реакційвже після синтезу поліпептидного ланцюга. Цей процес отримав назву посттрансляційної модифікації та дуже важливий для правильного функціонування кожного білка.

Безглузді кодони (УАА, УАГ, УГА) не кодують амінокислоти, проте реально є 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 за хвилину (Северін Е. С. та ін., 2011).

Синтезовані білкові молекули можуть піддаватися структурним модифікаціям на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп. У цитоплазмі мРНК має порівняно короткий період. Деяка кількість мРНК синтезується та запасається у неактивній формі, будучи готовою для швидкого синтезу білка. Оскільки інформація мРНК пов'язана з лінійною послідовністю нуклеотидів, цілісність цієї послідовності є надзвичайно важливою. Будь-яка втрата або зміна порядку нуклеотидів може змінити синтез білка. На сьогодні встановлено цілу низку інгібіторів реплікації ДНК у клітинах організму (антибіотики, хімічні отрути, антивірусні препарати). Пошкодження в послідовності пуринових або піримідинових основ у гені отримали назву мутації.

Заміна лише одного нуклеотиду в кодоні (мутація) призводить до зміни кодування однієї амінокислоти на іншу. Наприклад, мутація, пов'язана із заміною глутамінової кислоти на валін у молекулі гемоглобіну, призводить до синтезу гемоглобіну, що викликає серпоподібну анемію. Сьогодні відомо понад 200 мутацій поліпептидного кола молекули гемоглобіну людини. Часто мутагенами є речовини (нітрозаміни, наприклад), що змінюють структуру азотистих основ, що призводить до зміни характеру комплементарності основ. Ультрафіолетове опромінення викликає конденсацію залишків тиміну з утворенням тімінових димерів. На щастя, від шкідливого впливу ультрафіолетових променів тварини захищені шаром озону атмосфери.

Багато антибіотиків, що використовуються у ветеринарній практиці, інгібують бактеріальний синтез білка (лінкоміцин, еритроміцин, хлорамфенікол) ще на стадії трансляції. При цьому мікробна клітина гине чи зупиняє свій розвиток. Такі антибіотики, як тетрацикліни, не впливають на рибосомальний синтез у клітинах вищих тварин. Пеніциліни не є прямими інгібіторами синтезу білка, проте їх ефекти пригнічення бактерій пов'язані з блокуванням синтезу гексапептидів клітинної стінки. Слід зазначити, що синтез білка відбувається не тільки на рибосомах, а й у мітохондріях. Мітохондрії мають повний та незалежний апарат синтезу білка для своїх потреб, хоча не всі мітохондріальні білки синтезуються в цих органелах. РНК мітохондрій становлять лише 3% від кількості РНК клітини. Рибосоми мітохондрій менші за розмірами, ніж цитоплазматичні. Кодон УГА як термінатор синтезу білка в цитоплазмі використовується в мітохондріях поряд з кодоном УГГ для кодування амінокислоти.

Синтезовані на рибосомах білки не мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численних модифікацій (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що модифікують структуру білка і, отже, його активність.

Вступ

Життя є спосіб існування білкових тіл. Це визначення, дане Фрідріхом Енгельсом, вказує на виняткову роль білків у функціонуванні організмів. Біосинтез білка- надзвичайно складний та енерговитратний процес. Він є основою життєдіяльності клітини.

Синтез білка здійснюється у рибосомах і проходить у кілька етапів за схемою ДНКРНК білок. Дволанцюжкова молекула ДНК на основі принципу комплементарності транскрибується в одноланцюгову молекулу РНК. В результаті виходить матрична РНК, яка містить інформацію про амінокислотну послідовність білка. Далі мРНК надходить у рибосому і по ній, як по матриці, синтезується білок, шляхом перекладу генетичної інформації з нуклеотидної мови послідовності на мову амінокислотної послідовності. Крок за кроком будується поліпептидний ланцюг, який у процесі синтезу і після нього модифікується на біологічно активний протеїн. Синтезований білок транспортується в різні ділянки клітини для виконання своїх функцій.

Кодування амінокислотної послідовності білків здійснюється за певними правилами, які називаються генетичним кодом. Розшифровка генетичного коду – дуже значуще досягнення науки. Код пояснює механізм синтезу білка, походження мутацій та інші біологічні явища.

Рентгеноструктурний аналіз та інші сучасні методидослідження дозволили далеко просунуться у вивченні біосинтезу білка та інших аспектів молекулярної біології. Проте все ще не встановлені просторові структури деяких життєво важливих макромолекул. Наука має відповісти на багато питань, що стосуються білкового синтезу.

Загальна схемабіосинтеза білка

Загальна схема біосинтезу білків у клітині: ДНКРНКбілок (Малюнок 1).

Рисунок 1. Загальна схема біосинтезу білків у клітині

Транскрипція.Окремі ділянки дволанцюжкової ДНК (гени) є матрицями для синтезу на них однотяжових ланцюгів РНК за принципом комплементарності. Транскрипція проходить у три стадії: ініціація, елонгація, термінація.

Процесинг та транспорт.У процесі синтезу РНК піддається змінам, у яких перетворюється на зрілу молекулу, придатну синтезу білка. Інформаційна (матрична) РНК (мРНК), що виходить, потім надходить до рибосом в якості програми, що визначає амінокислотну послідовність в синтезованому 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 молекули РНК – трансферної (транспортної) РНК (тРНК) поза рибосомою. Виходить аміноацил-тРНК надходить у рибосому як субстрат для синтезу білка.

Трансляція.Потік інформації у вигляді мРНК і потік матеріалу у вигляді аміноацил-тРНК надходять до рибосом, які здійснюють переклад (трансляцію) генетичної інформації з мови нуклеотидної послідовності мРНК на мову амінокислотної. Кожна рибосома рухається вздовж мРНК від одного кінця до іншого і відповідно вибирає із середовища ті аміноацил-тРНК, які відповідають (комплементарні) триплетним комбінаціям нуклеотидів, що знаходяться в даний момент у рибосомі. Амінокислотний залишок обраної аміноацил-тРНК щоразу ковалентно приєднується рибосомою до зростаючого поліпептидного ланцюга, а деацильована тРНК звільняється з рибосоми в розчин. Так послідовно будується поліпептидний ланцюг.

Формування багатофункціонального білка.По ходу синтезу поліпептидний ланцюг вивільняється з рибосоми і згортатиметься в глобулу. Згортання та транспортування білка супроводжуються ферментативними модифікаціями (процесинг білка).

Незважаючи на велику складність апарату біосинтезу білків, він протікає із надзвичайно високою швидкістю. Синтез тисяч різних білків у кожній клітині суворо впорядкований - за умов метаболізму синтезується лише необхідне число молекул кожного білка.

Найважливіші функції організму - обмін речовин, зростання, розвиток, передача спадковості, рух та ін - здійснюються внаслідок безлічі хімічних реакцій за участю білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних речовин. При цьому в клітинах постійно синтезуються різноманітні сполуки: будівельні білки, білки-ферменти, гормони. У ході обміну ці речовини зношуються та руйнуються, а замість них утворюються нові. Оскільки білки створюють матеріальну основу життя та прискорюють усі реакції обміну речовин, життєдіяльність клітини та організму загалом визначається здатністю клітин синтезувати специфічні білки. Їхня первинна структура зумовлена ​​генетичним кодом в молекуліДНК.

Молекули білків складаються з десятків та сотень амінокислот (точніше, з амінокислотних залишків). Наприклад, у молекулі гемоглобіну їх близько 600, і вони розподілені в чотири поліпептидні ланцюжки; в молекулі рибонуклеази таких амінокислот 124 і т.д.

Головна роль визначенні первинної структури білка належить молекулам ДНК.Різні її ділянки кодують синтез різних білків, отже одна молекула ДНК бере участь у синтезі багатьох індивідуальних білків. Властивості білків залежать від послідовності амінокислот поліпептидної ланцюга. У свою чергу чергування амінокислот визначається послідовністю нуклеотидів у ДНК, і кожній амінокислоті відповідає певний триплет. Експериментально доведено, що, наприклад, ділянка ДНК з триплет ААЦ відповідає амінокислоті лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеїну і т.д. Розподіливши молекулу ДНК на триплет, 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; у хімічному відношенні ген є ділянка ДНК, що включає кілька сотень пар нуклеотидів).

Генетичний код -історично склалася організація молекул ДНК і РНК, коли він послідовність нуклеотидів у яких несе інформацію про послідовності амінокислот в білкових молекулах. Властивості коду:триплетність (кодон), неперекриваність (кодони слідують один за одним), специфічність (один кодон може визначати в поліієптидному ланцюгу 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 амінокислоти, є стоп триплетами, що позначають місце початку синтезу та-РНК.(В.Б. Захаров. Біологія. Довідкові матеріали. М., 1997)

Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, який передає інформацію з ДНК рибосоми. Таким посередником служить і РНК, на яку нуклеотидна послідовність переписується, у точній відповідності до такої на ДНК - за принципом комплементарності. Цей процес отримав назву транскрипціїта протікає як реакція матричного синтезу. Він характерний лише живих структур і є основою найважливішого властивості живого - самовідтворення. Біосинтезу білка передує матричний синтез іРНК на нитці ДНК. ІРНК, що виникла при цьому, виходить з ядра клітини в цитоплазму, де на неї нанизуються рибосоми, сюди ж за допомогою тРЙК доставляються амінокислоти.

Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, у якому беруть участь ДНК, іРНК, тРНК, рибосоми, АТФ та 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 у такому порядку, в якому чергування нуклеотидів із ДНК передано на іРНК. Цей етап називається трансляцією.На нитці іРНК розміщується не одна рибосома, а їх група - такий комплекс називається полісома (Н.Є. Ковальов, Л.Д. Шевчук, О.І. Щуренко. Біологія для підготовчих відділень медичних інститутів).

Схема Біосинтез білка

Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції та трансляції.

I. Транскрипція (переписування) – біосинтез молекул РНК, що здійснюється в хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, рРНК, тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, оскільки у біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Потім іРНК і тРНК виходять у цитоплазму, рРНК вбудовується у субодиниці рибосом, які також виходять у цитоплазму.

ІІ. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, що здійснюється в рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:

1. Утворення функціонального центру рибосоми - ФЛР, що складається з іРНК та двох субодиниць рибосом. У ФЛР завжди знаходяться два триплети (шість нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активні центри: А (амінокислотний) - центр впізнавання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка.

2. Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, із цитоплазми до ФЛР. В активному центрі А здійснюється зчитування антикодону тРНК з кодоном іРНК, у разі комплементарності виникає зв'язок, який служить сигналом для просування (стрибок) вздовж іРНК рибосоми на один триплет. В результаті цього комплекс "кодон рРНК і тРНК з амінокислотою" переміщається в активний центр П, де відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка (білкової молекули). Після цього тРНК залишає рибосому.

3. Пептидна ланцюжок подовжується доти, доки не закінчиться трансляція і рибосома не зіскочить з іРНК. На одній іРНК може одночасно вміщатися кілька рибосом (полісома). Поліпептидний ланцюжок занурюється в канал ендоплазматичної мережі і там набуває вторинної, третинної або четвертинної структури. Швидкість збирання 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 брати участь у синтезі нових молекул білка.

Відокремилася від рибосоми молекула білка має вигляд нитки, що біологічно неактивна. Біологічно функціональною вона стає після того, як молекула набуває вторинної, третинної та четвертинної структури, тобто певну просторово специфічну конфігурацію. Вторинна і наступні структури білкової молекули зумовлені інформацією, закладеної у чергуванні амінокислот, т. е. у первинної структурі білка. Інакше висловлюючись, програма освіти глобули, її унікальна конфігурація визначаються первинної структурою молекули, що у своє чергу будується під контролем відповідного гена.

Швидкість синтезу білка обумовлена ​​багатьма факторами: температурою середовища, концентрацією водневих іонів, кількістю кінцевого продуктусинтезу, присутністю вільних амінокислот, іонів магнію, станом рибосом та ін.