Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Все многообразие свойств белков в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет.
Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНК и транспортной – тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание – урацил – комплементарно аденину.
Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.
Первый этап (транскрипция) происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене – участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому про-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. В ядре в про-мРНК специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. Этот процесс называют сплайсингом. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.
Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем - до 5600, 4850, 3800, 3400 и т. д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид.
Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.
Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – Ц-Ц-А. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.
Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30х30х20 нм, у эукариот – 40х40х20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет величину 70Sи состоит из двух субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64 % рибосомальной РНК и 36 % белка.
Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – А-У-Г-. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее – элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.
Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрее.
Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК. Она не зависит от строения рибосомы.
Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:
Транскрипция.
Трансляция.
Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.
Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.
Транскрипция
Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.
Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).
Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.
В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.
По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.
Трансляция
Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.
В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация.
На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.
Элонгация
— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.
Терминация
– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.
Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.
Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.
Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.
Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.
Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.
В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.
Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами - синтезом макромолекул: ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена - достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под генетическим контролем. Действие гена обеспечивает транскрипцию , или синтез РНК, и трансляцию , или синтез белка (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции: а - общая схема транскрипции. Стрелка показывает направление, в котором ДНК-матрица движется через молекулу РНК-полимеразы; б - два этапа: транскрипция и трансляция
Процесс синтеза белка начинается с транскрипции ДНК (как рассматривалось выше). Следующий процесс - трансляция мРНК.
Трансляция мРНК - это синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.
В этом процессе различают три стадии:
- 1. Активация свободных аминокислот - образование аминоациладе- нилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каждой аминокислоты. Эти ферменты - ами- ноацил-тРНК-синтетазы - участвуют и в следующей стадии.
- 2. Аминоацилирование тРНК - присоединение аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК- синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.
- 3. Собственно трансляция, или полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.
Таким образом, при трансляции последовательность расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.
Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУГ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл. 5.4.). Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (^-центре), располагающемся преимущественно на малой субъединице рибосомы.
Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодоном УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состоящему из малой субъединицы рибосомы (305), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (505). В результате образуется полностью собранная рибосома, включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидиль- ный центры.
Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, который может соединиться с антикодоном следующей ами- ноацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоациль- ный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). При этом выделяется молекула воды:
В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.
В результате процесса трансляции комплекс дипсптндил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр нс поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или УГА.
После поступления в аминоацильный центр рибосомы терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые затем диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов.
Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают постгрансляционные преобразования и в дальнейшем выполняют свои специфические функции. Первичная структура полипептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется природой боковых групп аминокислотных остатков (а-спираль, складчатый P-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространственной) структурой полипептида , отражающей способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.
Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина включает в себя две a-цепи и две P-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.
Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон-антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной роли рибосом в контроле комплементар- ности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции.
Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом.
Он состоит из двух основных этапов - транскрипции и трансляции (рис. 4.5). Первый этап - транскрипция генетической информации
- процесс синтеза однонитевой мРН К комплементарно одной смысловой цепи ДНК, то есть перенос генетической информации о нуклеотидном строении ДНК на мРНК. Через норы ядерной мембраны мРНК поступает в каналы эндоплазматической сети и здесь соединяется с рибосомами. Синтез белка происходит на молекуле мРНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее и к концу синтеза полипептидной цепи сходят с нее (рис. 4.6).
На рисунке 4.6 показаны только два триплета: антикодон комплементарный, соответствующий колону мРНК, и триплет ЦЦА, к которому присоединяется аминокислот (ЛК).
Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активируются ферментами, после чего связываются с другим видом РНК - транспортной. Она перекосит аминокислоты к рибосомам. Различные тРНК доставляют к: рибосоме аминокислоты и располагают их соответственно последовательности триплетов мРНК. Три последовательных нуклеотида, кодирующие определенную аминокислоту, были названы кодоном (мРНК), а неразрывный триплет - антикодоном (тРНК). Кодоны ничем не отделены друг от друга. Доставляя определенную аминокислоту, тРНК взаимодействует с мРНК (кодон-антикодон). и аминокислота присоединяется к растущей пол и пептидной цепи. Совершенно очевидно, что синтез полипептида, то есть расположения в нем аминокислот, определяется последовательностью нуклеотидов мРНК.
Второй этап биосинтеза - трансляция - перевод генетической информации с мРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи.
В последовательности расположения нуклеотидов в триплете закодирована определенная аминокислота. Установлено, что генетический код является триплетным, то есть каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов. Если код триплетом, то из четырех азотистых оснований можно составить 64 кодона (4в3); этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот. Выявлено новое свойство генетического кода - его избыточность, то есть некоторые аминокислоты кодируют не один, а большее число триплетов. Из 64 кодонов три признаны стопкодонами, они обусловливают прекращение (терминацию) или перерыв генетической трансляции (табл. 4.2).
Генетический код неперекрывающийся. Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары оснований должна была привести к замене двух аминокислот в полипептидной цепи, а этого не происходит. Кроме этого, он универсален - одинаков для биосинтеза белков живых существ. Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на Земле. Таким образом, генетический код - это система записи наследственной информации в нуклеиновых кислотах в виде последовательности нуклеотидов.
Впоследствии путь реализации генетической информации в клетке был дополнен обратной транскрипцией (синтез ДНК на матрице РНК) - репликацией ДНК и РНК (рис. 4.7).
Ген - участок ДНК. кодирующий первичную структуру полипептида или нуклеиновую кислоту. В контроле синтеза полинептидной цепи принимают участие несколько разных генов: структурные гены, ген-peгулятор, ген-оператор. Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бактериях E. coli и получил название механизма индукции-репрессии. Структурные гены кодируют последовательность аминокислот в полипептидах. Обычно для структурных генов существует общая система регуляции, состоящая из гена-регулятора и гена-оператора. Ген-регулятор обусловливает синтез белка-репрессора, который, соединяясь с оператором, «разрешает» или «запрещает» считывание информации соответствующих структурных генов. Ген-оператор и следующие за мим структурные гены были названы опероном - единицей считывания генетической информации, единицей транскрипции (рис. 4.8).
Например, для нормальной жизнедеятельности E. coli необходим молочный сахар - лактоза. У нее имеется лактозный участок (lас-оперон), на котором расположены три структурных гена для расщепления лактозы. Если лактоза не поступает в клетку, то белок-репрессор, вырабатываемый геном-регулятором, связывается с оператором и тем самым «запрещает» транскрипцию (синтез мРНК) со всего оперона. Если же лактоза поступает в клетку, то функция белка-репрессора блокируется, начинаются транскрипция, трансляция, синтез белков-ферментов и растепление лактозы. После расщепления всей лактозы восстанавливается активность белка-репрессора и транскрипция подавляется.
Таким образом, гены могут находиться во включенном и отключенном состоянии. На их регуляцию влияют продукты метаболизма, гормоны. Ген функционирует в системе ДНК-РНК-белок, на которую влияет взаимодействие генов и факторы внешней среды.
Для изучения процессов, протекающих в организме, нужно знать, что происходит на клеточном уровне. А там важнейшую роль играют белковые соединения. Необходимо изучить не только их функции, но и процесс создания. Поэтому важно объяснить кратко и понятно. 9 класс для этого подходит самым лучшим образом. Именно на этом этапе учащиеся владеют достаточным количеством знаний для понимания данной темы.
Белки - что это такое и для чего они нужны
Эти высокомолекулярные соединения играют огромную роль в жизни любого организма. Белки являются полимерами, то есть состоят из множества похожих «кусочков». Их количество может варьироваться от нескольких сотен до тысяч.
В клетке белки выполняют множество функций. Велика их роль и на более высоких уровнях организации: ткани и органы во многом зависят от правильной работы различных белков.
Например, все гормоны имеют белковое происхождение. А ведь именно эти вещества контролируют все процессы в организме.
Гемоглобин - тоже белок, он состоит из четырех цепей, которые в центре соединены атомом железа. Такая структура обеспечивает возможность переносить кислород эритроцитами.
Напомним, что все мембраны имеют в своем составе белки. Они необходимы для переноса веществ сквозь оболочку клеток.
Существует еще множество функций белковых молекул, которые они выполняют четко и беспрекословно. Эти удивительные соединения очень разнообразны не только по своим ролям в клетке, но и по строению.
Где происходит синтез
Рибосома является органеллой, в которой проходит основная часть процесса, называемого "биосинтез белка". 9 класс в разных школах отличается по программе изучения биологии, но многие учителя дают материал по органеллам заблаговременно, до изучения трансляции.
Поэтому учащимся будет нетрудно вспомнить пройденный материал и закрепить его. Следует знать, что на одной органелле одновременно может создаваться только одна полипептидная цепь. Этого мало, чтобы удовлетворить все потребности клетки. Поэтому рибосом очень много, и чаще всего они объединяются с эндоплазматической сетью.
Такая ЭПС называется шероховатой. Выгода такого «сотрудничества» очевидна: белок сразу после синтеза попадает в транспортный канал и может без задержек отправляться в место назначения.
Но если принимать во внимание самое начало, а именно считывание информации с ДНК, то можно сказать, что биосинтез белка в живой клетке начинается еще в ядре. Именно там синтезируется которая содержит генетический код.
Необходимые материалы - аминокислоты, место синтеза - рибосома
Кажется, что сложно объяснить, как протекает биосинтез белка, кратко и понятно, схема процесса и многочисленные рисунки просто необходимы. Они помогут донести всю информацию, а также учащимся удастся легче ее запомнить.
Прежде всего, для синтеза необходим «строительный материал» - аминокислоты. Некоторые из них вырабатываются организмом. Другие же можно получить только с пищей, они называются незаменимыми.
Общее число аминокислот - двадцать, но за счет огромного числа вариантов, в которых можно их располагать в длинной цепочке, молекулы белков очень разнообразны. Эти кислоты похожи между собой по структуре, но отличаются радикалами.
Именно свойства этих частей каждой аминокислоты определяют, в какую структуру «свернется» получившаяся цепочка, будет ли она образовывать четвертичную структуру с другими цепями, и какими свойствами будет обладать получившаяся макромолекула.
Процесс биосинтеза белка не может протекать просто в цитоплазме, для него нужна рибосома. состоит из двух субъединиц - большой и малой. В состоянии покоя они разобщены, но как только начинается синтез, они сразу соединяются и начинают работать.
Такие разные и важные рибонуклеиновые кислоты
Для того чтобы принести аминокислоту к рибосоме, нужна специальная РНК, называемая транспортной. Для сокращения ее обозначают т-РНК. Эта одноцепочечная молекула в виде клеверного листа способна прицепить одну аминокислоту к своему свободному концу и переправить ее к месту синтеза белка.
Еще одна РНК, участвующая в синтезе белка, называется матричной (информационной). Она несет в себе не менее важный компонент синтеза - код, в котором четко прописано, когда какую аминокислоту цеплять к образующейся цепочке белка.
Эта молекула имеет одноцепочечное строение, состоит из нуклеотидов, так же как и ДНК. Существуют некоторые отличия в первичной структуре этих нуклеиновых кислот, о которых вы можете прочитать в сравнительной статье о РНК и ДНК.
Информацию о составе белка м-РНК получает от главного хранителя генетического кода - ДНК. Процесс чтения и синтеза м-РНК называется транскрипцией.
Он происходит в ядре, откуда получившаяся м-РНК отправляется к рибосоме. Сама же ДНК из ядра не выходит, ее задача - только сохранить генетический код и передать его дочерней клетке во время деления.
Сводная таблица главных участников трансляции
Для того чтобы описать биосинтез белка кратко и понятно, таблица просто необходима. В нее мы запишем все компоненты и их роль в этом процессе, который называется трансляцией.
Сам же процесс создания белковой цепочки делится на три этапа. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно. После этого вы сможете легко объяснить всем желающим биосинтез белка кратко и понятно.
Инициация - начало процесса
Это начальная стадия трансляции, в которой малая субъединица рибосомы соединяется с самой первой т-РНК. Эта рибонуклеиновая кислота несет на себе аминокислоту - метионин. Трансляция всегда начинается именно с этой аминокислоты, так как стартовым кодоном является АУГ, который и кодирует этот первый мономер в белковой цепи.
Для того чтобы рибосома узнала стартовый кодон и не начала синтез с середины гена, где последовательность АУГ тоже может оказаться, вокруг начального кодона располагается специальная последовательность нуклеотидов. Именно по ним рибосома узнает то место, на которое должна сесть ее малая субъединица.
После образования комплекса с м-РНК, стадия инициации заканчивается. И начинается основной этап трансляции.
Элонгация - середина синтеза
На этом этапе происходит постепенное наращивание белковой цепочки. Продолжительность элонгации зависит от количества аминокислот в белке.
Первым делом к малой субъединице рибосомы присоединяется большая. И начальная т-РНК оказывается в ней целиком. Снаружи остается только метионин. Далее в большую субъединицу заходит вторая т-РНК, несущая другую аминокислоту.
Если второй кодон на м-РНК совпадает с антикодоном на верхушке «клеверного листа», вторая аминокислота присоединяется к первой с помощью пептидной связи.
После этого рибосома передвигается по м-РНК ровно на три нуклеотида (один кодон), первая т-РНК отсоединяет от себя метионин и отделяется от комплекса. На ее месте оказывается вторая т-РНК, на конце которой висит уже две аминокислоты.
Затем в большую субъединицу входит третья т-РНК и процесс повторяется. Он будет происходить до тех пор, пока рибосома не наткнется на кодон в м-РНК, который сигнализирует об окончании трансляции.
Терминация
Этот этап является последним, некоторым он может показаться весьма жестоким. Все молекулы и органеллы, которые так слаженно работали над созданием полипептидной цепочки, останавливаются, как только рибосома наезжает на терминальный кодон.
Он не кодирует ни одну аминокислоту, поэтому какая бы т-РНК ни зашла в большую субъединицу, все они будут отвергнуты из-за несоответствия. Тут в дело вступают факторы терминации, которые отделяют готовый белок от рибосомы.
Сама органелла может либо распасться на две субъединицы, либо продолжить свой путь по м-РНК в поисках нового стартового кодона. На одной м-РНК могут находиться сразу несколько рибосом. Каждая из них - на свой стадии трансляции.Только что созданный белок снабжается маркерами, с помощью которых всем будет понятно его место назначения. И по ЭПС он будет отправлен туда, где необходим.
Чтобы понять роль биосинтеза белка, необходимо изучить, какие функции он может выполнять. Это зависит от последовательности аминокислот в цепочке. Именно их свойства определяют вторичную, третичную, а иногда и четвертичную (если она существует) и его роль в клетке. Более подробно о функциях белковых молекул можно прочитать в статье по этой теме.
Как узнать больше о трансляции
В этой статье описан биосинтез белка в живой клетке. Конечно, если изучать предмет глубже, на объяснение процесса во всех подробностях уйдет немало страниц. Но вышеизложенного материала должно хватить для общего представления.Очень полезным для понимания могут оказаться видеоматериалы, в которых ученые смоделировали все этапы трансляции. Некоторые из них переведены на русский язык и могут послужить отличным пособием для учащихся или просто познавательным видео.
Для того чтобы разбираться в теме лучше, следует прочитать и другие статьи на близкие темы. Например, про или про функции белков.