Біосинтез білка (реалізація спадкової інформації)
Найважливіші функції організму - обмін речовин, ріст, розвиток, передача спадковості, рух і ін. - здійснюються в результаті безлічі хімічних реакцій за участю білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних речовин. При цьому в клітинах безперервно синтезуються різноманітні сполуки: будівельні білки, білки-ферменти, гормони. В ході обміну ці речовини зношуються і руйнуються, а замість них утворюються нові. Оскільки білки створюють матеріальну основу життя і прискорюють всі реакції обміну речовин, життєдіяльність клітини і організму в цілому визначається здатністю клітин синтезувати білки. Їх первинна структура зумовлена генетичним кодом в молекулі ДНК.
Молекули білків складаються з десятків і сотень амінокислот (точніше, з амінокислотних залишків). Наприклад, в молекулі гемоглобіну їх близько 600, і вони розподілені в чотири поліпептидні ланцюжки; в молекулі рибонуклеази таких амінокислот 124 та т. д.
Головна роль у визначенні первинної структури білка належить молекулам ДНК. Різні її ділянки кодують синтез різних білків, отже, одна молекула ДНК бере участь в синтезі багатьох індивідуальних білків. Властивості білків залежать від послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. У свою чергу чергування амінокислот визначається послідовністю нуклеотидів в ДНК, і кожній амінокислоті відповідає певний триплет. Експериментально доведено, що, наприклад, ділянку ДНК з кодонів ВАЦ відповідає амінокислоті лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеїну і т.д. Розподіливши молекулу ДНК на триплети, можна уявити, які амінокислоти і в якій послідовності будуть розташовуватися в молекулі білка. Сукупність триплетів становить матеріальну основу генів, а кожен ген містить інформацію про структуру специфічного білка (ген - це основна біологічна одиниця спадковості; в хімічному відношенні ген є ділянка ДНК, що включає кілька сотень пар нуклеотидів).
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, що передає інформацію з ДНК на рибосоми. Таким посередником служить і РНК, на яку нуклеотидних послідовність переписується, в точній відповідності з такою на ДНК - за принципом комплементарності. Цей процес отримав назву транскрипції і протікає як реакція матричного синтезу. Він характерний тільки для живих структур і лежить в основі найважливішого властивості живого - самовідтворення. Біосинтезу білка передує матричний синтез іРНК на нитки ДНК. Виникла при цьому іРНК виходить з ядра клітини в цитоплазму, де на неї нанизуються рибосоми, сюди ж за допомогою тРЙК доставляються амінокислоти.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, в якому беруть участь ДНК, іРНК, тРНК, рибосоми, АТФ і різноманітні ферменти. Спочатку амінокісдоти в цитоплазмі активуються за допомогою ферментів і приєднуються до тРНК (до ділянки, де розташований нуклеотид ЦЦА). На наступному етапі йде з'єднання амінокислот в такому порядку, в якому чергування нуклеотидів з ДНК передано на іРНК. Цей етап називається трансляцією. На нитки іРНК розміщується не одна рибосома, а група їх - такий комплекс називається полісома (Н. Ковальов, Л.Д. Шевчук, О. І. Щуренко. Біологія для підготовчих відділень медичних інститутів).
ПОЯСНЕННЯ До СХЕМОЮ БІОСИНТЕЗ БЕЛКА
Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції і трансляції.
I. Транскрипція (переписування) - біосинтез молекул РНК, здійснюється в хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів на відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, рРНК, тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, так як в біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Потім іРНК і тРНК виходять в цитоплазму, рРНК вбудовується в субодиниці рибосом, які також виходять в цитоплазму.
II. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, здійснюється в рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:
1. Освіта функціонального центру рибосоми - ФЦР, що складається з іРНК і двох субодиниць рибосом. У ФЦР завжди знаходяться два триплета (шість нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активних центру: А (амінокислотний) - центр впізнавання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжку.
2. Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, з цитоплазми в ФЦР. В активному центрі А здійснюється зчитування антикодону тРНК з кодоном мРНК, в разі комплементарностн виникає зв'язок, яка служить сигналом для просування (стрибок) уздовж іРНК рибосоми на один триплет. В результаті цього комплекс "кодон рРНК і тРНК з амінокислотою" переміщається в активний центр П, де і відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжку (білкової молекулі). Після чого тРНК залишає рибосому.
3. Пептидний ланцюжок подовжується до тих пір, поки не закінчиться трансляція і рибосома НЕ зіскочить з іРНК. На одній іРНК може уміщатися одночасно кілька рибосом (полісома). Поліпептидна ланцюжок занурюється в канал ендоплазматіче-ської мережі і там набуває вторинну, третинну або четвертинних структуру. Швидкість складання однієї молекули білка, що складається з 200-300 амінокислот, становить 1-2 хв. Формула біосинтезу білка: ДНК (транскрипція) -> РНК (трансляція) -> білок.
Мал. Етапи реалізації спадкової інформації при синтезі білка I- транскрипція, II - трансляція
Завершивши один цикл, полісоми можуть взяти участь в синтезі нових молекул білка.
Відокремилася від рибосоми молекула білка має вигляд нитки, яка біологічно неактивна. Біологічно функціональної вона стає після того, як молекула набуває вторинну, третинну і четвертинних структуру, т. Е. Певну просторово специфічну конфігурацію. Вторинна і наступні структури білкової молекули зумовлені в інформації, закладеної в чергуванні амінокислот, т. Е. В первинну структуру білка. Інакше кажучи, програма освіти глобули, її унікальна конфігурація визначаються первинною структурою молекули, яка в свою чергу будується під контролем відповідного гена.
Швидкість синтезу білка обумовлена багатьма факторами. температурою середовища, концентрацією водневих іонів, кількістю кінцевого продукту синтезу, присутністю вільних амінокислот, іонів магнію, станом рибосом і ін.