Процес трансляції при біосинтезі протеїну відбувається. Основне місце біосинтезу білка. Етапи біосинтезу білка. Де і як відбувається біосинтез білка

Біосинтез білка.

Пластичний обмін (асиміляція чи анаболізм) – сукупність реакцій біологічного синтезу. Назва цього виду обміну відбиває його сутність: з речовин, які у клітину з поза, утворюються речовини, подібні речовинам клітини.

Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну – біосинтез білків. Біосинтез білківздійснюється у всіх клітинах про -і еукаріотів. Інформація про первинну структуру (порядок амінокислот) білкової молекули закодована послідовністю нуклеотидів у ділянці молекули ДНК - гені.

Ген-це ділянка молекули ДНК, що визначає порядок амінокислот в молекулі білка. Отже, від нуклеотидів у гені залежить порядок амінокислот в поліпептиді, тобто. його первинна структура, від якої у свою чергу залежать всі інші структури, властивості та функції білкової молекули.

Система запису генетичної інформації в ДНК (і РНК) у вигляді певної послідовності нуклеотидів називається генетичним кодом. Тобто. одиниця генетичного коду (кодон) - це триплет нуклеотидів у ДНК або РНК, що кодує одну амінокислоту.

Усього генетичний код включає 64 кодони, з них 61 кодуючий і 3 некодуючі (кодони-термінатори, що свідчать про закінчення процесу трансляції).

Кодони-термінатори і - РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.

Початок процесу трансляції визначає кодон-ініціатор (АУГ, ДНК - ТАЦ), що кодує амінокислоту метіонін. Цей кодон першим входить у рибосому. Згодом метіонін, якщо він не передбачений як перша амінокислота даного білка, відщеплюється.

Генетичний код має характерні властивості.

1. Універсальність – код однаковий для всіх організмів. Один і той же триплет (кодон) в будь-якому організмі кодує ту саму амінокислоту.

2. Специфічність – кожен кодон шифрує лише одну амінокислоту.

3. Виродженість – більшість амінокислот можуть кодуватися кількома кодонами. Виняток становлять 2 амінокислоти - метіонін і триптофан, що мають лише за одним варіантом кодону.

4. Між генами є «розділові знаки» - три спеціальні триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких позначає припинення синтезу поліпептидного ланцюга.

5. Усередині гена «розділових знаків» немає.

Для того, щоб синтезувався білок, інформація про послідовність нуклеотидів у його первинній структурі має бути доставлена ​​до рибосом. Цей процес включає два етапи – транскрипцію та трансляцію.

Транскрипція(переписування) інформації відбувається шляхом синтезу на одному з ланцюгів молекули ДНК одноланцюжкової молекули РНК, послідовність нуклеотидів якої точно відповідає послідовності нуклеотидів матриці – полінуклеотидного ланцюга ДНК.

Вона (і - РНК) є посередником, що передає інформацію від ДНК до місця збирання молекул білка в рибосомі. Синтез і РНК (транскрипція) відбувається наступним чином. Фермент (РНК - полімераза) розщеплює подвійний ланцюжок ДНК, і однією з її ланцюгів (кодирующей) за принципом комплементарності вибудовуються нуклеотиди РНК. Синтезована таким чином (матричний синтез) молекула і РНК виходить у цитоплазму, і на один її кінець нанизуються малі субодиниці рибосом.

Другий етап у біосинтезі білка - трансляція- це переклад послідовності нуклеотидів у молекулі та - РНК у послідовність амінокислот у поліпептиді. У прокаріотів, що не мають оформленого ядра, рибосоми можуть зв'язуватися з новоствореною молекулою і - РНК відразу ж після її відділення від ДНК або навіть до повного завершення її синтезу. У еукаріотів і - РНК спочатку має бути доставлена ​​через ядерну оболонку в цитоплазму. Перенесення здійснюється спеціальними білками, які утворюють комплекс з молекулою і РНК. Крім функцій перенесення ці білки захищають і - РНК від дії, що пошкоджує цитоплазматичних ферментів.

У цитоплазмі однією з кінців і - РНК (а саме на той, з якого починається синтез молекули в ядрі) вступає рибосома і починається синтез поліпептиду. У міру просування молекулою РНК рибосома транслює триплет за триплетом, послідовно приєднуючи амінокислоти до зростаючого кінця поліпептидного ланцюга. Точна відповідність амінокислоти коду триплету і РНК забезпечується т РНК.

Транспортні РНК (т – РНК) «приносять» амінокислоти у велику субодиницю рибосоми. Молекула т – РНК має складну конфігурацію. На деяких ділянках її між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв'язки, і молекула формою нагадує лист конюшини. На її верхівці розташований триплет вільних нуклеотидів (антикодон), який відповідає певній амінокислоті, а основа є місцем прикріплення цієї амінокислоти (рис. 1).

Мал. 1. Схема будови транспортної РНК: 1 – водневі зв'язки; 2 – антикодон; 3-місце прикріплення амінокислоти.

Кожна т – РНК може переносити лише свою амінокислоту. Т-РНК активується спеціальними ферментами, приєднує свою амінокислоту і транспортує в рибосому. Усередині рибосоми в кожний момент знаходиться всього два кодони і-РНК. Якщо антикодон т-РНК є комплементарним кодону і-РНК, відбувається тимчасове приєднання т-РНК з амінокислотою до і-РНК. До другого кодону приєднується друга т-РНК, яка несе свою амінокислоту. Амінокислоти розташовуються поруч великої субодиниці рибосоми, і з допомогою ферментів з-поміж них встановлюється пептидна зв'язок. Одночасно руйнується зв'язок між першою амінокислотою та її т-РНК, і т-РНК йде з рибосоми за наступною амінокислотою. Рибосома переміщається однією триплет, і процес повторюється. Так поступово нарощується молекула поліпептиду, в якій амінокислоти розташовуються в суворій відповідності з порядком триплетів, що кодують їх (матричний синтез) (рис. 2).

Мал. 2. Схема бісинтезу білка: 1 – і-РНК; 2 - субодиниці рибосоми; 3 – т-РНК з амінокислотами; 4 – т-РНК без амінокислот; 5 – поліпептид; 6 - кодон та-РНК; 7-антикодон т-РНК.

Одна рибосома здатна синтезувати повний поліпептидний ланцюг. Проте, нерідко однією молекулою і-РНК рухається кілька рибосом. Такі комплекси називаються полірибосомами. Після завершення синтезу поліпептидний ланцюжок відокремлюється від матриці – молекули і-РНК, згортається в спіраль і набуває властивої їй (вторинної, третинної або четвертинної) структури. Рибосоми працюють дуже ефективно: протягом 1с бактеріальна рибосома утворює поліпептидний ланцюг із 20 амінокислот.

Генетична інформація про структуру білка зберігається у вигляді послідовності триплетів ДНК. При цьому лише один із ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції.

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. ТранскрипціяДНК полягає у переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну або інформаційну РНК). ТрансляціямРНК полягає у перенесенні інформації з мРНК на поліпептид.

Копіювання мРНК починається з прикріплення РНК-полімерази до ділянки ДНК, яка називається промотором. Однак, враховуючи відомості про можливість альтернативного сплайсингу, можливі випадки, коли гени, навіть розташовані поруч, транскрибуватимуться з різних ланцюгів. Таким чином, для транскрипції можуть використовуватися обидва ланцюги ДНК. При транскрипції комплементарних ланцюгів ДНК використовуються різні РНК-полімерази, а напрямок їх руху ланцюгом визначається послідовністю промотора.

Так як ланцюги ДНК інвертовані відносно один одного, а синтез мРНК, також, як синтез ДНК йде тільки в напрямку від 5 до 3 кінці, то і транскрипції на ДНК йдуть у протилежних напрямках.

Ланцюг ДНК, що містить ті ж послідовності, що і мРНК, називається кодуючою, а ланцюг, що забезпечує синтез мРНК (на основі комплементарного спарювання) - антикодуючою. Антикодуючий ланцюг також називається транскрибується.

Крім мРНК у клітині утворюються інші продукти транскрипції ДНК. До них належать молекули рРНК та тРНК, які також є учасниками синтезу поліпептидів. Усі ці РНК називаються ядерними.

Якщо розглядати відсотковий вміст цих трьох видів РНК у клітині, то частку зрілої мРНК припадає близько 5 % загального вмісту РНК, частку тРНК – близько 10 %, а більшість – до 85 % посідає рРНК.

Усі РНК транскрибуються з ДНК із рибонуклеотидтрифосфатів зі звільненням пірофосфату за участю РНК-полімераз. У прокаріот є тільки один вид РНК-полімерази, яка забезпечує синтез мРНК, рРНК і тРНК.

У клітинах еукаріот є три види РНК-полімераз (I, II, III). Кожна з цих РНК-полімераз, прикріплюючись до промотор на ДНК, забезпечує транскрипцію різних послідовностей ДНК. РНК-полімераза I синтезує великі рРНК (основні молекули РНК великих та малих субодиниць рибосом). РНК-полімераза II синтезує всі мРНК і частину малих рРНК, РНК-полімераза III синтезує тРНК та РНК 5s-субодиниць рибосом.

Для зв'язування РНК-полімераз з промотором необхідні спеціальні білки, що виконують функцію факторів ініціації транскрипції (TF I, TF II, TF III для відповідних полімераз).

З урахуванням цих позицій основні етапи біосинтезу білків полягають у наступному:

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. Усі стадії процесингу мРНК відбуваються у РНП-частинках (рибонуклеопротеїдних комплексах).

У міру синтезу про-мРНК, вона відразу утворює комплекси з ядерними білками – інформоферами та утворює ядерні та цитоплазматичні комплекси (мРНК плюс інформофери) - інформосоми. Таким чином, мРНК немає вільної від білків. На всьому шляху до завершення трансляції мРНК захищена від нуклеаз. Крім того, білки надають їй необхідної конформації.

3 етап. Трансляція мРНК. Отримана при транскрипції 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.

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. Сполука тРНК з амінокислотою називається аміноацил-тРНК.

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: у більшості випадків 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. Наприклад, 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.

При цьому друга тРНК разом з амінокислотою (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 поліпептидним ланцюгом, що росте, і транслокації зі звільненням А-ділянки.

На ділянку, що звільнилася, надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, що відповідає наступному кодону мРНК (наприклад, 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 таких н онсенс-кодону: 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.

Енергетика біосинтезу білків.Біосинтез білків – дуже енергоємний процес. При аміноацилуванні тРНК витрачається енергія одного зв'язку молекули АТФ, при кодонзависимом зв'язуванні аміноацил-тРНК – енергія одного зв'язку молекули ГТФ, при переміщенні рибосоми на один триплет – енергія одного 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).

Спочатку встановіть послідовність етапів біосинтезу білка, починаючи з транскрипції. Всю послідовність процесів, що відбуваються при синтезі білкових молекул, можна поєднати у 2 етапи:

1. Транскрипція.

2. Трансляція.

Структурними одиницями спадкової інформації є гени – ділянки молекули ДНК, що кодують синтез певного білка. По хімічній організації матеріал спадковості та мінливості про- та еукаріотів принципово не відрізняється. Генетичний матеріал у яких представлений у молекулі ДНК, загальним є також принцип запису спадкової інформації та генетичний код. Одні й самі амінокислоти у про — і еукаріотів шифруються однаковими кодонами.

Геном сучасних прокаріотів характеризується відносно невеликими розмірами, ДНК кишкової палички має вигляд кільця, довжиною близько 1 мм. Вона містить 4 х 106 пар нуклеотидів, що утворюють близько 4000 генів. У 1961 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно відкрили цистронну, або безперервну організацію генів прокаріотів, які повністю складаються з нуклеотидних послідовностей, що кодують, і вони повністю реалізуються в ході синтезу білків. Спадковий матеріал молекули ДНК прокаріотів розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також знаходяться необхідні для експресії генів тРНК і ферменти. Експресія - це функціональна активність генів, або вираз генів. Тому синтезована з ДНК іРНК здатна одночасно виконувати функцію матриці у процесі трансляції синтезу білка.

Геном еукаріотів містить значно більше спадкового матеріалу. У людини загальна довжина ДНК у диплоїдному наборі хромосом становить близько 174 см. Вона містить 3 х 109 пар нуклеотидів і включає до 100000 генів. У 1977 р. було виявлено уривчастість у будові більшості генів еукаріотів, що отримав назву «мозаїчний» ген. Для нього характерні нуклеотидні послідовності, що кодують. екзонніі інтронніділянки. Для синтезу білка використовується лише інформація екзонів. Кількість інтронів варіює у різних генах. Встановлено, що ген овальбуміну курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців – 50. Функції ДНК, що мовчить, – інтронів остаточно не з'ясовані. Припускають, що вони забезпечують: структурну організацію хроматину; 2) деякі з них, очевидно, беруть участь у регуляції експресії генів; 3) інтрони вважатимуться запасом інформації для мінливості; 4) можуть грати захисну роль, приймаючи він дію мутагенів.

Транскрипція

Процес переписування інформації у ядрі клітини з ділянки молекули ДНК на молекулу мРНК (іРНК) називається транскрипція(Лат. Transcriptio - Переписування). Синтезується первинний продукт гена-мРНК. Це перший етап синтезу білка. На відповідній ділянці ДНК фермент РНК-полімераза дізнається знак початку транскрипції. промотр.Стартовою точкою вважається перший нуклеотид ДНК, який включається ферментом РНК-транскрипт. Як правило, діючі ділянки починаються кодоном АУГ, іноді у бактерій використовується ГУГ. Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплітання подвійної спіралі ДНК і копіюється один із ланцюгів за принципом комплементарності. Синтезується мРНК, швидкість збирання її досягає 50 нуклеотидів в секунду. У міру руху РНК-полімерази, росте ланцюг мРНК, і коли фермент досягне кінця копіювальної ділянки - термінаторамРНК відходить від матриці. Подвійна спіраль ДНК за ферментом відновлюється.

Транскіпція прокаріотів здійснюється в цитоплазмі. У зв'язку з тим, що ДНК повністю складається з нуклеотидних послідовностей, що кодують, тому синтезована мРНК відразу виконує функцію матриці для трансляції (див. вище).

Транскрипція мРНК у еукаріотів відбувається в ядрі. Вона починається синтезом великих за розмірами молекул - попередників (про-мРНК), званих незрілої, або ядерної РНК. Первинний продукт гена-про-мРНК є точною копією транскрибованої ділянки ДНК, включає екзони та інтрони. Процес формування зрілих молекул РНК із попередників називається процесингом. Дозрівання мРНК відбувається шляхом сплайсинг- це вирізання ферментами рестриктазінтронів та з'єднання ділянок з транскрибованими послідовностями екзонів ферментами лігаз. (Мал.). Зріла мРНК значно коротше молекул-попередників про - мРНК, розміри інтронів у них варіює від 100 до 1000 нуклеотидів і більше. Перед інтронів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК.

Наразі доведено можливість альтернативного сплайсингу,при якому з одного первинного транскрипта можуть видаляться в різних ділянках нуклеотидні послідовності і будуть утворюватися кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл.

Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом з ядра. Встановлено, що у цитоплазму потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі.

Трансляція

Трансляція (лат. Translatio - передача, перенесення) - Переведення інформації, укладеної в послідовності нуклеотидів молекули мРНК, в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга (Рис. 10). Це другий етап білкового синтезу. Перенесення зрілої мРНК через пори ядерної оболонки виробляють спеціальні білки, що утворюють комплекс із молекулою РНК. Крім транспорту мРНК, ці білки захищають мРНК від дії цитоплазматичних ферментів, що пошкоджують. У процесі трансляції центральна роль належить тРНК, вони забезпечують точну відповідність амінокислоти коду триплету мРНК. Процес трансляції-декодування відбувається в рибосомах і здійснюється в напрямку від 5 до 3 Комплекс мРНК і рибосом називається полісомою.

У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію.

Ініціація.

На цьому етапі відбувається складання всього комплексу, що бере участь у синтезі молекули білка. Відбувається об'єднання двох субодиниць рибосом на певній ділянці мРНК, приєднання до неї першої аміноацил тРНК і цим задається рамка зчитування інформації. У молекулі будь-якої м-РНК є ділянка, комплементарна р-РНК малої субодиниці рибосоми і специфічно нею керований. Поряд з ним знаходиться ініціювальний стартовий кодон АУГ, який кодує амінокислоту метіонін.

Елонгація

- Вона включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. На рибосомі є дві ділянки зв'язування двох молекул т-РНК. В одній ділянці-пептидильній(П) знаходиться перша т-РНК з амінокислотою метіонін і з нього починається синтез будь-якої молекули білка. У другу ділянку рибосоми-аміноацильний (А) надходить друга молекула т-РНК і приєднується до свого кодону. Між метіоніном та другою амінокислотою утворюється пептидна зв'язок. Друга т-РНК переміщається разом зі своїм кодоном м-РНК у пептидильний центр. Переміщення т-РНК з поліпептидним ланцюжком з аміноацильного центру в пептидильний супроводжується просуванням рибосоми м-РНК на крок, що відповідає одному кодону. Т-РНК, що доставила метіонін, повертається до цитоплазми, амноацильний центр звільняється. До нього надходить нова т-РНК із амінокислотою, зашифрованою черговим кодоном. Між третьою і другою амінокислотами утворюється пептидна зв'язок і третя т-РНК разом з кодоном м-РНК переміщається в пептидильний центр. Процес елонгації, подовження білкового ланцюга. Триває до тих пір, поки в рибосому не потрапить один із трьох кодонів, що не кодують амінокислоти. Це кодон - термінатор і для нього не існує відповідної т-РНК, тому жодна з т-РНК не може зайняти місце в аміноацильному центрі.

Термінація

- Завершення синтезу поліпептиду. Вона пов'язана з впізнаванням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ, УГА), коли він входитиме до аміноацильного центру. До рибосоми приєднується спеціальний фактор термінації, який сприяє роз'єднанню субодиниць рибосоми та звільненню синтезованої молекули білка. До останньої амінокислоти пептиду приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від т-РНК.

Складання пептидного ланцюга здійснюється з великою швидкістю. У бактерій при температурі 37°С вона виявляється у додаванні до поліпептиду від 12 до 17 амінокислот на секунду. В еукаріот клітин до поліпептиду додається дві амінокислоти в одну секунду.

Синтезований поліпептидний ланцюг потім надходить у комплекс Гольджі, де завершується побудова білкової молекули (послідовно виникають друга, третя, четверта структури). Тут же відбувається комплексування білкових молекул із жирами та вуглеводами.

Весь процес біосинтезу білка представлений у вигляді схеми: ДНК ® про іРНК ® мРНК ® поліпептидний ланцюг ® білок® комплексування білків та їх перетворення на функціонально активні молекули.

Етапи реалізації спадкової інформації також протікають подібним чином: спочатку транскрибується в нуклеотидну послідовність мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність поліпептиду на рибосомах за участю тРНК.

Транскрипція еукаріотів здійснюється під дією трьох ядерних РНК-полімераз. РНК-полімераза 1 знаходиться в ядерцях і відповідає за транскрипцію генів рРНК. РНК-полімераза 2 знаходиться в ядерному соку та відповідає за синтез попередника мРНК. РНК-полімераза 3 -невелика фракція в ядерному соку, яка здійснює синтез малих рРНК та тРНК. РНК-полімерази специфічно дізнаються про нуклеотидну послідовність транскрипції-промотор. Еукаріотична мРНК спочатку синтезується у вигляді попередниці (про-іРНК), на неї списується інформація з екзонів та інтронів. Синтезована мРНК має більші, ніж необхідно для трансляції розмірами і виявляється менш стабільною.

У процесі дозрівання молекули мРНК з допомогою ферментів рестриктаз вирізуються інтрони, і з допомогою ферментів – лігаз зшиваються екзони. Дозрівання мРНК називається процесингом, зшивання екзонів називається сплайсингом. Таким чином, зріла мРНК містить лише екзони і вона значно коротша за її попередницю – про-іРНК. Розміри інтронів варіюють від 100 до 10000 нуклеотидів та більше. Перед інтонів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК. В даний час доведена можливість альтернативного сплайсингу, при якому з одного первинного транскрипта можуть видалятися в різних ділянках нуклеотидні послідовності і будуть утворюватися кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл. Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму з ядра. Встановлено, що потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі. Перетворення первинних транскриптонів еукаріотичних генів, пов'язане з їх екзон-інтронною організацією, та у зв'язку з переходом зрілої мРНК з ядра в цитоплазму, визначає особливості реалізації генетичної інформації еукаріотів. Отже, мозаїчний ген еукаріотів не є геном цистроном, тому що не вся послідовність ДНК використовується для синтезу білка.

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 організму продуктів 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 новими. 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 спосіб життя, 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 в цитоплазму, 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, тому що в РНК такого нуклеотиду, як тімін, немає, він замінюється просто урациловим 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, і 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 сполук безпосередньо 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 безпосередньо складання 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 якої 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.

1. Які функції виконують у клітині білки?

Відповідь. Білки грають винятково велику роль у процесах життєдіяльності клітини та організму, їм властиві такі функції.

1. Структурна. Входять до складу внутрішньоклітинних структур тканин і органів. Наприклад, колаген і еластин служать компонентами сполучної тканини: кісток, сухожиль, хрящів; фіброїн входить до складу шовку, павутиння; кератин входить до складу епідермісу та його похідних (волосся, роги, пір'я). Утворюють оболонки (капсиди) вірусів.

2. Ферментативна. Всі хімічні реакції в клітині протікають за участю біологічних каталізаторів - ферментів (оксидоредуктази, гідролази, лігази, трансферази, ізомерази та ліази).

3. Регуляторна. Наприклад, гормони інсулін та глюкагон регулюють обмін глюкози. Білки-гістони беруть участь у просторовій організації хроматину, і тим самим впливають на експресію генів.

4. Транспортна. Гемоглобін переносить кисень у крові хребетних, гемоціанін у гемолімфі деяких безхребетних, міоглобін – у м'язах. Сироватковий альбумін служить для транспортування жирних кислот, ліпідів і т. п. Мембранні транспортні білки забезпечують активний транспорт речовин через клітинні мембрани. Цитохроми здійснюють перенесення електронів по електронтранспортним ланцюгам мітохондрій та хлоропластів.

5. Захисна. Наприклад, антитіла (імуноглобуліни) утворюють комплекси з антигенами бактерій та з сторонніми білками. Інтерферони блокують синтез вірусного білка в інфікованій клітині. Фібриноген та тромбін беруть участь у процесах згортання крові.

6. Скоротлива (рухова). Білки актин та міозин забезпечують процеси м'язового скорочення та скорочення елементів цитоскелету.

7. Сигнальна (рецепторна). Білки клітинних мембран входять до складу рецепторів та поверхневих антигенів.

Запасні білки. Казеїн молока, альбумін курячого яйця, феритин (запасає залізо в селезінці).

8. Білки-токсини. Дифтерійний токсин.

9. Енергетична функція. При розпаді 1 г білка до кінцевих продуктів обміну (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) виділяється 17,6 кДж або 4,2 ккал енергії.

2. Із чого складаються білки?

Відповідь. Білки - високомолекулярні органічні речовини, що складаються з амінокислот, з'єднаних в ланцюжок пептидним зв'язком. У живих організмах амінокислотний склад білків визначається генетичним кодом, при синтезі здебільшого використовується 20 стандартних амінокислот. Безліч їх комбінацій створюють молекули білків з великою різноманітністю властивостей.

Питання після §26

1. Що таке ген?

Відповідь. Ген – матеріальний носій спадкової інформації, сукупність яких батьки передають нащадкам під час розмноження. В даний час в молекулярній біології встановлено, що гени - це ділянки ДНК, що несуть будь-яку цілісну інформацію - про будову однієї молекули білка або однієї молекули РНК. Ці та інші функціональні молекули визначають зростання та функціонування організму.

2. Який процес називається транскрипцією?

Відповідь. Носієм генетичної інформації є ДНК, розташована у клітинному ядрі. Сам синтез білка відбувається в цитоплазмі на рибосомах. З ядра до цитоплазми інформація про структуру білка надходить у вигляді інформаційної РНК (іРНК). Для того, щоб синтезувати іРНК, ділянка дволанцюгової ДНК розкручується, а потім на одному з ланцюжків ДНК за принципом комплементарності синтезується молекула іРНК. Це відбувається таким чином: проти, наприклад, Г молекули ДНК стає Ц молекули РНК, проти А молекули ДНК - У молекули РНК (згадайте, що замість тиміну РНК несе урацил, або У), проти Т молекули ДНК - А молекули РНК і проти Ц молекули ДНК - Р молекули РНК. Таким чином, формується ланцюжок іРНК, що являє собою точну копію другого (нематричного) ланцюжка ДНК (тільки замість тиміну включений урацил). Так інформація про послідовність амінокислот у білку перекладається з «мови ДНК» на «мову РНК». Цей процес отримав назву транскрипції.

3. Де і як відбувається біосинтез білка?

Відповідь. У цитоплазмі відбувається процес синтезу білка, який інакше називають трансляцією. Трансляція – це переведення послідовності нуклеотидів молекули іРНК у послідовність амінокислот молекули білка. З тим кінцем іРНК, з якого має розпочатися синтез білка, взаємодіє рибосома. При цьому початок майбутнього білка позначається триплетом АУГ, що є знаком початку трансляції. Так як цей кодон кодує амінокислоту метіонін, всі білки (за винятком спеціальних випадків) починаються з метіоніну. Після зв'язування рибосома починає рухатися іРНК, затримуючись на кожній її ділянці, який включає в себе два кодони (тобто 3 + 3 = 6 нуклеотидів). Час затримки становить лише 0,2 с. За цей час молекула тРНК, антикодон якої комплементарний кодону, що знаходиться в рибосомі, встигає розпізнати його. Та амінокислота, яка була пов'язана з цією тРНК, відокремлюється від «черешка» і приєднується з утворенням пептидного зв'язку до ланцюжка білка, що росте. У той же момент до рибосоми підходить наступна тРНК, антикодон якої комплементарний наступному триплету в іРНК, і наступна амінокислота, принесена цієї тРНК, включається в ланцюжок, що росте. Після цього рибосома зсувається іРНК, затримується на наступних нуклеотидах, і все повторюється спочатку.

4. Що таке стоп-кодон?

Відповідь. Стоп-кодони (УАА, УАГ або УГА) не кодують амінокислот, вони тільки показують, що синтез білка повинен бути завершений. Білковий ланцюжок від'єднується від рибосоми, виходить у цитоплазму і формує властиву цьому білку вторинну, третинну та четвертинну структури

5. Скільки видів тРНК бере участь у синтезі білків у клітині?

Відповідь. Не менше 20 (кількість амінокислот), не більше 61 (кількість смислових кодонів). Зазвичай близько 43 тРНК у прокаріотів. Людина близько 50 різних тРНК забезпечують включення амінокислот в білок.

6. З чого складається полісом?

Відповідь. Клітини необхідна не одна, а багато молекул кожного білка. Тому щойно рибосома, першої розпочала синтез білка на молекулі іРНК, просувається вперед, відразу на цю іРНК нанизується друга рибосома, яка починає синтезувати такий самий білок. На ту ж іРНК може бути нанизана і третя, і четверта рибосома, і т. д. Усі рибосоми, що синтезують білок однією молекулі іРНК, називаються полісомою.

7. Чи вимагають процеси синтезу білка витрат енергії? Чи, навпаки, у процесах синтезу білка відбувається виділення енергії?

Відповідь. Як і будь-який синтетичний процес, синтез білка - це ендотермічна реакція і, отже, потребує енерговитрат. Біосинтез білка є ланцюгом синтетичних реакцій: 1) синтез і-РНК; 2) з'єднання амінокислот з т-РНК; 3) "складання білка". Усі ці реакції вимагають великих енергетичних витрат – до 24,2 ккал/моль. Енергія для синтезу білка забезпечується реакцією розщеплення АТФ.