біосинтез білка
Будь-яка жива клітина здатна синтезувати білки, і ця здатність представляє одне з найбільш важливих і характерних її властивостей. З особливою енергією йде біосинтез білків в період зростання і розвитку клітин. У цей час активно синтезуються білки для побудови клітинних органоїдів, мембран. Синтезуються ферменти. Біосинтез білків іде інтенсивно й у багатьох дорослих, т. Е. Які закінчили ріст і розвиток, клітках, наприклад у клітках травних залоз, що синтезують білки-ферменти (пепсин, трипсин), або в клітинах залоз внутрішньої секреції, що синтезують білки-гормони (інсулін, тироксин). Здатність до синтезу білків властива не тільки зростаючим або секреторних клітин: будь-яка клітина протягом усього життя постійно синтезує білки, так як в ході нормальної життєдіяльності молекули білків поступово денатуруються, структура і функції їх порушуються. Такі прийшли в непридатність молекули білків видаляються з клітки. Натомість синтезуються нові повноцінні молекули, в результаті склад і діяльність клітини не порушуються.
Здатність до синтезу білка передається у спадок від клітини до клітини і зберігається нею протягом усього життя.
Основна роль у визначенні структури білків належить ДНК. Самі ДНК особистої участі в синтезі не приймають. ДНК міститься в ядрі клітини, а синтез білків відбувається в рибосомах, що перебувають в цитоплазмі. У ДНК тільки міститься і зберігається інформація про структуру білків.
На довгій нитці ДНК слід одна за одною запис інформації про склад первинних структур різних білків. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру одного білка, називають геном. Молекула ДНК збори кількох сотень генів.
Щоб розібратися в тому, яким чином структура ДНК визначає структуру білка, наведемо такий приклад. Багато хто знає про азбуці Морзе, за допомогою якої передають сигнали і телеграми. Азбукою Морзе всі букви алфавіту позначені сполученнями коротких і довгих сигналів - точкам і тире. Буква А позначається .--, Б - -. і т. д. Збори умовних позначень називають кодом або шифром. Азбука Морзе являє собою приклад коду. Отримавши телеграфну стрічку з точками і тире, що знає код Морзе легко розшифрує написане.
Макромолекула ДНК, що складається з декількох тисяч послідовно розташованих чотирьох видів нуклеотидів, являє собою код, який визначає структуру ряду молекул білка. Так само як в коді Морзе кожній букві відповідає певне поєднання точок і тире, так і в коді ДНК кожній амінокислоті відповідає певне поєднання точок і тире, так і в коді ДНК кожній амінокислоті відповідає певне поєднання послідовно пов'язаних нуклеотидів.
Код ДНК вдалося розшифрувати майже повністю. Сутність коду ДНК полягає в наступному. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ланцюга ДНК з трьох поруч складаються нуклеотидів. Наприклад, ділянка Т-Т-Т відповідає амінокислоті лізину, відрізок А-Ц-А - цистеїну, Ц-А-А - валін і. т. д. Припустимо, що в гені нуклеотиди розташовані у такому порядку:
Розбивши цей ряд на трійки (триплети), ми відразу розшифруємо, які амінокислоти і в якому порядку йдуть в молекулі білка: А-Ц-А - цистеїн; Т-Т-Т - лізин; А-А-Ц - лейцин; Ц-А-А - валін; Г-Г-Г - пролін. У коді Морзе всього два знака. Для позначення всіх букв, всіх цифр і розділових знаків доводиться брати на деякі букви або цифри до 5 знаків. Код ДНК простіше. Різних нуклеотидів 4. Число можливих комбінацій з 4 елементів по 3 дорівнює 64. Різних амінокислот усього 20. Таким чином, різних триплетів нуклеотидів з надлишком вистачає для кодування всіх амінокислот.
транскрипція
Для синтезу білка в рибосоми повинна бути доставлена програма синтезу, т. Е. Інформація про структуру білка, записана і зберігається в ДНК. Для синтезу білка в рибосоми направляються точні копії цієї інформації. Це здійснюється за допомогою РНК, які синтезуються на ДНК і точно копіюють її структуру. Послідовність нуклеотидів РНК точно повторює послідовність в одному з ланцюжків гена. Таким чином, інформація, що міститься в структурі даного гена, як би листується на РНК. Цей процес називають транскрипцією (лат. "Транскрипція" - переписування). З кожного гена можна зняти будь-яке число копій РНК. Ці РНК, що несуть в рибосоми інформацію про склад білків, називають інформаційними (і-РНК).
Для того щоб зрозуміти, яким чином склад і послідовність розташування нуклеотидів в гені можуть бути "переписані" на РНК, згадаємо принцип комплементарності, на підставі якого побудована двухспіральная молекула ДНК. Нуклеотиди одного ланцюга обумовлюють характер протилежних нуклеотидів іншого ланцюжка. Якщо на одного ланцюга знаходиться А, то на тому ж рівні іншого ланцюга коштує Т, а проти Г завжди перебуває Ц. Інших комбінацій не буває. Принцип комплементарності діє і при синтезі інформаційної РНК. Як це відбувається, видно на малюнку 4.
Проти кожного нуклеотиду одному з ланцюжків ДНК встає комплементарний до нього нуклеотид інформаційної РНК (в РНК замість тіміділового нуклеотиду (Т) присутній уридиловий нуклеотид (У). Таким чином, проти Г днк встає Ц рнк, проти А днк - У рнк, проти Т днк - А РНК. В результаті утворюється ланцюжок РНК за складом і послідовності своїх нуклеотидів являє собою точну копію складу і послідовності нуклеотидів однієї з ланцюгів ДНК. Молекули інформаційної РНК направляються до місця, де відбувається синтез білка, т. е. до рибосом. Туди ж іде з цитоплазми потік матеріалу, з якого будується білок, т. Е. Амінокислоти. У цитоплазмі клітин завжди є амінокислоти, які утворюються в результаті розщеплення білків їжі.
Транспортні РНК
Амінокислоти потрапляють в рибосому не самостійно, а в супроводі транспортних РНК (т-РНК). Молекули т-РНК невеликі - вони складаються всього з 70-80 нуклеотидних ланок. Їх склад і послідовність для деяких т-РНК вже встановлені повністю. При цьому з'ясувалося, що в ряді місць ланцюжка т-РНК виявляються 4-7 нуклеотидних ланок, комплементарних один одному. На малюнку 2 такі ділянки позначені буквами А, Б, В, Г. Наявність комплементарних послідовностей в молекулі призводить до того, що ці ділянки при достатньому зближенні злипаються один з одним завдяки утворенню водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. В результаті виникає складна петлистая структура, що нагадує за формою листок конюшини. До одного з кінців молекули т-РНК приєднується амінокислота (Д), а в верхівці "листка конюшини" перебуває триплет нуклеотидів (Е), який відповідає за кодом даної амінокислоті. Так як існує не менше 20 різних амінокислот, то, очевидно, є не менше 20 різних т-РНК: на кожну амінокислоту - своя т-РНК.
Реакція матричного синтезу
У живих системах ми зустрічаємося з новим типом реакцій, на зразок редуплікації ДНК, або реакцією синтезу РНК. Такі реакції невідомі в неживій природі. Їх називають реакціями матричного синтезу.
Терміном "матриця" в техніці позначають форму, вживану для відливання монет, медалей, типографського шрифту: затверділий метал в точності відтворює всі деталі форми, що служила для відливання. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються в точній відповідності з планом, закладеним в структурі вже існуючих молекул. Матричний принцип лежить в основі найважливіших синтетичних реакцій клітини, таких, як синтез нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна, строго специфічна послідовність мономерних ланок у синтезованих полімерах. Тут відбувається спрямоване стягування мономерів в певне місце клітини - на молекули, службовці матрицею, де реакція протікає. Якби такі реакції відбувалися в результаті випадкового зіткнення молекул, вони протікали б нескінченно повільно. Синтез складних молекул на основі матричного принципу здійснюється швидко і точно.
Роль матриці в матричних реакціях грають макромолекули нуклеїнових кислот ДНК або РНК. Мономірні молекули, з яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарності розташовуються і фіксуються на матриці в строго визначеному, заданому порядку. Потім відбувається "зшивання" мономерних ланок у полімерну ланцюг, і готовий полімер скидається з матриці. Після цього матриця готова до збірки нової полімерної молекули. Зрозуміло, що як на даній формі може проводитися виливок тільки якоїсь однієї монети, однієї літери, так і на даній матричної молекулі може йти "складання" тільки якогось одного полімеру.
Матричний тип реакцій - специфічна особливість хімізму живих систем. Вони є основою фундаментального властивості всього живого - його здатності до відтворення собі подібного.
трансляція
Інформація про структуру білка, записана в і-РНК у вигляді послідовності нуклеотидів, переноситься далі у вигляді послідовності амінокислот в синтезується поліпептидного ланцюга. Цей процес називають трансляцією. Для того щоб розібратися в тому, як в рибосомах відбувається трансляція, тобто. Е. Переклад інформації з мови нуклеїнових кислот на мову білків, звернемося до малюнка 3.
Рибосоми на малюнку зображені у вигляді яйцевидних тіл, що вкривали і-РНК з лівого кінця і починає синтез білка. У міру складання білкової молекули рибосома повзе по і-РНК. Коли рибосома просунеться вперед на 50-100 А, з того ж кінця на і-РНК входить друга рибосома, яка, як і перша, починає синтез і рухається слідом за першою рибосомою. Потім на і-РНК вступає третя рибосома, четверта і т. Д. Всі вони виконують одну й ту ж роботу: кожна синтезує один і той же білок, запрограмований на даній і-РНК.
Чим далі вправо просунулася рибосома по І-РНК, тим більший відрізок білкової молекули "зібраний". Коли рибосома досягає правого кінця і-РНК, синтез закінчено. Рибосома з утворився білком сходить з і-РНК. Потім вони розходяться: рибосома - на будь-яку і-РНК (так як вона здатна до синтезу будь-якого білка; характер білка залежить від матриці), білкова молекула - в ендоплазматичну мережу і по ній переміщається в ту ділянку клітки, де потрібен даний вид білка. Через короткий час закінчує роботу друга рибосома, потім третя і т. Д. А з лівого кінця і-РНК на неї вступають всі нові і нові рибосоми, і синтез білка йде безупинно. Число рибосом, що вміщаються одночасно на молекулі і-РНК, залежить від довжини і-РНК. Так, на молекулі і-РНК, яка програмує синтез білка гемоглобіну і довжина якої близько 1500 А, міститься до п'яти рибосом (діаметр рибосоми приблизно дорівнює 230 А). Групу рибосом, що міститься одночасно на одній молекулі і-РНК, називають полірібосомамі.
Мал. 3. полірібосомамі: А - рибосома; Б - і-РНК; В - т-РНК з амінокислотами; Г - білок.
Тепер зупинимося докладніше на механізмі роботи рибосоми. Звернемося до малюнка 4. Рибосома під час руху по і-РНК в кожен даний момент знаходиться в контакті з невеликим беруть участь її молекули. Можливо, розмір цієї ділянки складає всього один триплет нуклеотидів. Рибосома пересувається по і-РНК не плавно, а переривчасто, "кроками", триплет за кодоном. На деякій відстані від місця контакту рибосоми з і-РЕК знаходиться пункт "збірки" білка: тут міститься і працює фермент білок-синтетаза. створює поліпептидний ланцюг, т. е. утворює пептидні зв'язку між амінокислотами.
Мал. 4. Схема синтезу білка в рибосоми:
А - рибосома; Б - і-РНК; В - фермент (білок синтетаза); Г - т-РНК, що несуть амінокислоти в рибосому; Д - білок.
Сам механізм "складання" білкової молекули в рибосомах здійснюється наступним чином. У кожну рибосому, що входить до складу полірібосоми, т. Е. Що рухається по і-РНК, з навколишнього середовища безперервним потоком ідуть молекули т-РНК з "навішали" на них амінокислотами. Вони проходять, зачіпаючи своїм кодовим кінцем місце контакту рибосоми з і-РНК, який в даний момент знаходиться в рибосомі. Протилежний кінець т-РНК (несучий амінокислоту) виявляється при цьому поблизу пункту "складання" білка. Однак тільки в тому випадку, якщо кодовий триплет т-РНК виявиться комплементарним до триплету і-РНК (що знаходиться в даний момент в рибосомі), амінокислота, доставлена т-РНК, потрапить до складу молекули білка і відокремиться від т-РНК. Негайно ж рибосома робить "крок" вперед по і-РНК на один триплет, а вільна т-РНК викидається з рибосоми в навколишнє середовище. Тут вона захоплює нову молекулу амінокислоти і несе її в будь-яку з працюючих рибосом. Так поступово, триплет за кодоном, рухається по і-РНК рибосома і росте ланка за ланкою - поліпептидний ланцюг. Так працює рибосома - цей органоид клітини, який з повним правом називають "молекулярним автоматом" синтезу білка.
У лабораторних умовах штучний синтез білка вимагає величезних зусиль, багато часу і коштів. А в живій клітині синтез однієї молекули білка завершується в 1-2 хв.
Роль ферментів у біосинтезі білка
Не слід забувати, що жоден крок у процесі синтезу білка не йде без участі ферментів. Всі реакції білкового синтезу катализируются спеціальними ферментами. Синтез і-РНК веде фермент, який "повзе уздовж молекули ДНК від початку гена до його кінця і залишає позаду себе готову молекулу і-РНК. Ген в цьому процесі дає тільки програму для синтезу, а сам процес здійснює фермент. Без участі ферментів не відбувається і з'єднання амінокислот з т-РНК. Існують особливі ферменти, що забезпечують захоплення і з'єднання амінокислот з їх т-РНК. Нарешті, в рибосомі в процесі складання білка працює фермент, зчіплюючий амінокислоти між собою.
Енергетика біосинтезу білка
Ще однією дуже важливою стороною біосинтезу білка є його енергетика. Будь-синтетичний процес являє собою ендотермічну реакцію і, отже, має потребу у витраті енергії. Біосинтез білка представляє ланцюг синтетичних реакцій: 1) синтез і-РНК; 2) з'єднання амінокислот з т-РНК; 3) "збірку білка". Всі ці реакції вимагають енергетичних витрат. Енергія для синтезу білка доставляється реакцією розщеплення АТФ. Кожна ланка біосинтезу завжди пов'язане з розпадом АТФ.