Под этапами биосинтеза белка могут понимать как 1) совокупность процессов транскрипции, трансляции и посттрансляционные модификации , так и 2) только этапы трансляции , так как именно в процессе трансляции происходит непосредственный синтез молекулы полипептида (будущего белка или его составной части).
В первом случае рассматриваются три этапа:
- Транскрипция - синтез молекулы мРНК на участке ДНК
- Трансляция - синтез белка (полипептидной цепочки) на рибосомах .
- Приобретение белком своей функциональной третичной структуры (или четверичной).
Во втором случае, говоря об этапах биосинтеза белка, подробно рассматривают, как протекает трансляция, выделяя в ней ряд своих этапов. Остановимся на этом случае.
Трансляция - это процесс биосинтеза белка из аминокислот , который протекает на рибосомах при участии мРНК, тРНК, ферментов (факторов) и включает этапы активации аминокислот, инициацию трансляции, ее элонгацию и терминацию.
Активация аминокислот непосредственно не связана с биосинтезом белка. Аминокислоты плавают в цитоплазме, с помощью специальных ферментов специфичных для каждой кислоты переходят в активную форму и связываются со своими молекулами тРНК. В итоге образуются комплексы аминоацил-тРНК (аа-тРНК) – тРНК, несущие свои аминокислоты.
На этапе инициации трансляции происходит присоединение матричной РНК (мРНК) к малой субъединице рибосомы. Факторы инициации распознают начальный (5") конец мРНК по кэпу и специальным нуклеотидным последовательностям. При этом стартовый кодон (АУГ) оказывается в недостроенном P-участке рибосомы. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и активные участки достраиваются.
К кодону АУГ комплементарна тРНК с антикодоном УАЦ, которая переносит аминокислоту метионин. Именно эта тРНК и данная аминокислота (у эукариот) всегда начинают синтез полипептида.
На этапе элонгации происходит последовательное присоединение одной аминокислоты за другой, т. е. происходит биосинтез белка. После этапа инициации в P-участке рибосомы находится тРНК, связанная с метионином. В A-участок рибосомы заходит следующая тРНК. Ее антикодон комплементарен находящемуся здесь кодону мРНК (он следующий за стартовым), и несет эта тРНК соответствующую этому кодону аминокислоту.
Итак, в P-участке находится один комплекс аа-тРНК, в A-участке – другой. Рибосома располагает тРНК, их аминокислоты и факторы элонгации так, что между аминокислотами протекает химическая реакция, в результате которой образуется пептидная связь . Две аминокислоты оказываются связанными друг с другом.
Рибосома смещается по мРНК на один триплет вперед. При этом та тРНК, что была в P-участке покидает рибосому. Та тРНК, что была в A-участке, оказывается в P-участке. С этой тРНК остается соединенным синтезированный дипептид (состоит из двух аминокислот, первая из которых метионин). A-участок освобождается.
На следующем цикле элонгации в A-участок рибосомы заходит следующий комплекс аа-тРНК. (Антикодон этой тРНК комплементарен находящемуся здесь кодону мРНК. В зависимости от своего антикодона тРНК связывается только с определенной аминокислотой.)
Далее происходит реакция между дипептидом и третьей аминокислотой, образуется трипептид. Рибосома смещается, трипептид связанный с тРНК оказывается в P-участке. Рибосома готова для принятия четвертого комплекса аа-тРНК.
Этап элонгации биосинтеза белка (т. е. последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепочки) продолжается до тех пор, пока на мРНК не встретится один из трех стоп-кодонов. Это УАА, УАГ, УГА. Для них не существует своих тРНК, но зато есть специальные факторы терминации, при присоединении которых к рибосоме происходит высвобождение синтезированного полипептида, субъединицы рибосомы расходятся, мРНК также высвобождается. Все это происходит на этапе терминации .
Первый метионин, соответствующий стартовому кодону, вырезается из белка. Внутри полипептида могут находится метионины, их также кодировал кодон АУГ, но поскольку перед этими кодонами не было кэпа и определенных последовательностей нуклеотидов, они не воспринимались системой биосинтеза белка как стартовые.
Часто по одной мРНК «ползут» несколько рибосом (друг за другом), каждая из которых синтезирует свою полипептидную цепь (но идентичные по последовательности аминокислот в готовом продукте). Такую совокупность рибосом называют полирибосомой , или полисомой .
Итак, если под биосинтезом белка понимать только процесс трансляции, то он будет включать три основных этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.
Важнейшие функции организма - обмен веществ, рост, развитие, передача наследственности, движение и др. - осуществляются в результате множества химических реакций с участием белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. При этом в клетках непрерывно синтезируются разнообразные соединения: строительные белки, белки-ферменты, гормоны. В ходе обмена эти вещества изнашиваются и разрушаются, а вместо них образуются новые. Поскольку белки создают материальную основу жизни и ускоряют все реакции обмена веществ, жизнедеятельность клетки и организма в целом определяется способностью клеток синтезировать специфические белки. Их первичная структура предопределена генетическим кодом в молекулеДНК.
Молекулы белков состоят из десятков и сотен аминокислот (точнее, из аминокислотных остатков). Например, в молекуле гемоглобина их около 600, и они распределены в четыре полипептидные цепочки; в молекуле рибонуклеазы таких аминокислот 124 и т. д.
Главная роль в определении первичной структуры белка принадлежит молекулам ДНК. Разные ее участки кодируют синтез разных белков, следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе многих индивидуальных белков. Свойства белков зависят от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, и каждой аминокислоте соответствует определенный триплет. Экспериментально доказано, что, например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеину и т.д. Распределив молекулу ДНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупность триплетов составляет материальную основу генов, а каждый ген содержит информацию о структуре специфического белка (ген - это основная биологическая единица наследственности; в химическом отношении ген есть участок ДНК, включающий несколько сотен пар нуклеотидов).
Генетический код - исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них несет информацию о последовательности аминокислот в белковых молекулах. Свойства кода: триплетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полииептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон обусловливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для большинства аминокислот существует несколько кодонов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК. (В.Б. Захаров. Биология. Справочные материалы. М.,1997)
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником служит и РНК, на которую нуклеотидная последовательность переписывается, в точном соответствии с таковой на ДНК - по принципу комплементарности. Этот процесс получил название транскрипции и протекает как реакция матричного синтеза. Он характерен только для живых структур и лежит в основе важнейшего свойства живого - самовоспроизведения. Биосинтезу белка предшествует матричный синтез иРНК на нити ДНК. Возникшая при этом иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы, сюда же с помощью тРЙК доставляются аминокислоты.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Вначале аминокисдоты в цитоплазме активируются с помощью ферментов и присоединяются к тРНК (к участку, где расположен нуклеотид ЦЦА). На следующем этапе идет соединение аминокислот в таком порядке, в каком чередование нуклеотидов с ДНК передано на иРНК. Этот этап называется трансляцией. На нити иРНК размещается не одна рибосома, а группа их - такой комплекс называется полисома (Н.Е. Ковалев, Л.Д. Шевчук, О.И. Щуренко. Биология для подготовительных отделений медицинских институтов).
Схема Биосинтез белка
Синтез белка состоит из двух этапов - транскрипции и трансляции.
I. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.
II. Трансляция (передача) - синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:
1. Образование функционального центра рибосомы - ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.
2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс "кодон рРНК и тРНК с аминокислотой" перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего тРНК покидает рибосому.
3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматиче-ской сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) --> РНК (трансляция) --> белок.
Завершив один цикл, полисомы могут принять участие в синтезе новых молекул белка.
Отделившаяся от рибосомы молекула белка имеет вид нити, которая биологически неактивна. Биологически функциональной она становится после того, как молекула приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру, т. е. определенную пространственно специфическую конфигурацию. Вторичная и последующие структуры белковой молекулы предопределены в информации, заложенной в чередовании аминокислот, т. е. в первичной структуре белка. Иначе говоря, программа образования глобулы, ее уникальная конфигурация определяются первичной структурой молекулы, которая в свою очередь строится под контролем соответствующего гена.
Скорость синтеза белка обусловлена многими факторами: температурой среды, концентрацией водородных ионов, количеством конечного продукта синтеза, присутствием свободных аминокислот, ионов магния, состоянием рибосом и др.
Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.
Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.
Участок хромосомы, где расположен ген называют локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом — геном , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон .
Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации, выступают РНК, т.е. реализация генетической информации происходит следующим образом:
ДНК → РНК → белок
Этапы биосинтеза белка
Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.
Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором (участок ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция) и заканчивается терминатором (участок ДНК, содержащий сигнал окончания транскрипции). Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.
В процессе трансляции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.
Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей. Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и не кодирующих (интронов ) участков. После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника пре-мРНК.
Он включает два основных события:
- присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции;
- сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз.
Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.
В трансляции участвуют все три типа РНК:
- мРНК служит информационной матрицей;
- тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны;
- рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК;
- тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.
мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом называются полирибосомами (полисомами) . На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия четырех АТФ.
Генетический код
Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка. Определенному сочетанию нуклеотидов ДНК, а следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипептидной цепи белка. Это соответствие называют генетическим кодом . Одну аминокислоту определяют три нуклеотида, объединенных в триплет (кодон) . Поскольку существуют четыре типа нуклеотидов, объединяясь по три в триплет, они дают 4 3 = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них три являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 — кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.
| № п/п | Аминокислота | Сокращенное название |
|---|---|---|
| 1 | Аланин | Ала |
| 2 | Аргинин | Арг |
| 3 | Аспарагин | Асн |
| 4 | Аспарагиновая кислота | Асп |
| 5 | Валин | Вал |
| 6 | Гистидин | Гис |
| 7 | Глицин | Гли |
| 8 | Глутамин | Глн |
| 9 | Глутаминовая кислота | Глу |
| 10 | Изолейцин | Иле |
| 11 | Лейцин | Лей |
| 12 | Лизин | Лиз |
| 13 | Метионин | Мет |
| 14 | Пролин | Про |
| 15 | Серин | Сер |
| 16 | Тирозин | Тир |
| 17 | Треонин | Тре |
| 18 | Триптофан | Три |
| 19 | Фенилаланин | Фен |
| 20 | Цистеин | Цис |
| Первое основание | Второе основание | Третье основание | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 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 | Гис | Арг | У(А) |
| Лей | Про | Гис | Арг | Ц(Г) | |
| Лей | Про | Глн | Арг | А(Т) | |
| Лей | Про | Глн | Арг | Г(Ц) | |
| А(Т) | Иле | Тре | Асн | Сер | У(А) |
| Иле | Тре | Асн | Сер | Ц(Г) | |
| Иле | Тре | Лиз | Арг | А(Т) | |
| Мет | Тре | Лиз | Арг | Г(Ц) | |
| Г(Ц) | Вал | Ала | Асп | Гли | У(А) |
| Вал | Ала | Асп | Гли | Ц(Г) | |
| Вал | Ала | Глу | Гли | А(Т) | |
| Вал | Ала | Глу | Гли | Г(Ц) | |
Примечания:
- Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном.
- На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.
- Азотистые основания вне скобок входят в состав мРНК, азотистые основания в скобках — в состав ДНК.
Свойства генетического кода :
- код триплетен — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеиновой кислоты;
- код универсален — все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код;
- код однозначен (специфичен) — триплет соответствует одной единственной аминокислоте.
- код избыточен — одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом;
- код не перекрывается — один нуклеотид не может входить в состав сразу нескольких кодонов в цепи нуклеиновой кислоты;
- код колинеарен — последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов вмРНК.
Этапы трансляции
Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.
- Инициация — сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет -тРНК, а затем с мРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
- Элонгация — удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
- Терминация — завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов мРНК, а так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мРНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Реакции матричного синтеза
К реакциям матричного синтеза относят:
- самоудвоение ДНК (репликация);
- образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
- биосинтез белка на мРНК (трансляция).
Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. На реакциях матричного синтеза основана способность живых организмов к воспроизведению себе подобных.
Регуляция экспрессии генов
Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, т.е. дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют еще и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.
Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков определяются их первичной структурой , т.е. последовательностью аминокислот в их молекулах.
В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Эта информация получила название генетической , а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется ген .
Ген - это участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка.
Ген - это единица наследственной информации организма.
Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип .
Биосинтез белка
Биосинтез белка - это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.
Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.
Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.
Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до \(60\) тыс. пептидных связей.
Транскрипция
Транскрипция - это процесс снятия информации с молекулы ДНК синтезируемой на ней молекулой иРНК (мРНК).
Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре.
В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается», а затем на одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.
Информационная (матричная) РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности.
Формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК».
Как и в любой другой биохимической реакции в этом синтезе участвует фермент - РНК-полимераза .
Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором . РНК-полимераза «узнаёт» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.
Фермент продолжает синтезировать иРНК до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК - терминатора (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).
У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков.
У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.
Трансляция
Трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.
В цитоплазме клетки обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.
Обрати внимание!
Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК ). Любая аминокислота может попасть в рибосому только прикрепившись к специальной тРНК).
На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно \(0,2\) секунды.
За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК (антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК), и следующая аминокислота включается в растущую цепочку.
Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной молекулы оказывается рядом с аминогруппой другой молекулы. В результате между ними образуется пептидная связь.
Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так постепенно формируется молекула полипептида (белка).
Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). После этого белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Так как клетке необходимо много молекул каждого белка, то как только рибосома, первой начавшая синтез белка на иРНК, продвинется вперед, за ней на ту же иРНК, нанизывается вторая рибосома. Затем на иРНК последовательно нанизываются следующие рибосомы.
Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, образуют полисому . Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых молекул белка.
Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.
Общая схема синтеза белка
представлена на рисунке.
Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называетсягеном . Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: рРНК, входящие в состав рибосом, и тРНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция - синтез РНК на матрице ДНК (гена) - и трансляция - синтез полипептидной цепи.
Генетический код и его свойства
Генетический код - система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.
Свойства генетического кода:
- триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
- однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
- вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
- универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
- неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
- из 64 кодовых триплетов 61 - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные (в РНК - УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами , поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК - АУГ), с которого трансляция начинается.
| Первое основание | Второе основание | Третье основание |
|||
|---|---|---|---|---|---|
| У(А) | Ц(Г) | А(Т) | Г(Ц) | ||
| У(А) | Фен Фен Лей Лей | Сер Сер Сер Сер | Тир Тир - - | Цис Цис - Три | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| Ц(Г) | Лей Лей Лей Лей | Про Про Про Про | Гис Гис Глн Глн | Арг Арг Арг Арг | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| А(Т) | Иле Иле Иле Мет | Тре Тре Тре Тре | Асн Асн Лиз Лиз | Сер Сер Арг Арг | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
| Г(Ц) | Вал Вал Вал Вал | Ала Ала Ала Ала | Асп Асп Глу Глу | Гли Гли Гли Гли | У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) |
* Первый нуклеотид в триплете - один из четырех левого вертикального ряда, второй - один из верхнего горизонтального ряда, третий - из правого вертикального.
Реакции матричного синтеза
Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция.
Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом . Особенностями строения гена эукариот являются: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).
Экзоны (Э) - участки гена, несущие информацию о строении полипептида.
Интроны (И) - участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции.
Промотор (П) - участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры . Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.
Транскрипция - синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.
РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3′-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3′- к 5′-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).
В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5′-конца, 2) полиаденилирование 3′-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».
Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.
Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).
Трансляция
Трансляция - синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.
Органоиды, обеспечивающие трансляцию, - рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах - митохондриях и пластидах (70S-рибосомы), в свободном виде в цитоплазме (80S-рибосомы) и на мембранах эндоплазматической сети (80S-рибосомы). Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки. В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая - за биохимические, ферментативные.
В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) иаминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК. Длина тРНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3′-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.
Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне тРНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных тРНК.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5′-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.
Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.
Скорость передвижения рибосомы по иРНК - 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек.
В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).
Транскрипция и трансляция у прокариот
«Механизмы» сборки полинуклеотидных и полипептидных цепочек у прокариот и эукариот не различаются. Но в связи с тем, что гены прокариот не имеют экзонов и интронов (исключение - гены архебактерий), располагаются группами, и на эту группу генов приходится один промотор, появляются следующие особенности транскрипции и трансляции у прокариот.
- В результате транскрипции образуется полицистронная иРНК, кодирующая несколько белков, совместно обеспечивающих определенную группу реакций.
- иРНК имеет несколько центров инициации трансляции, терминации трансляции и НТО.
- Не происходят КЭПирование, полиаденилирование и сплайсинг иРНК.
- Трансляция начинается еще до завершения транскрипции; эти процессы не разделены во времени и пространстве, как это имеет место у эукариот.
Можно добавить, что срок «жизни» прокариотических иРНК - несколько минут (у эукариот - часы и даже сутки).
Если видео не работает. Дополнительный