Синтез білка в клітині 2

Сукупність реакцій біологічного синтезу називається пластичним обміном, або асиміляцією. Назва цього виду обміну відображає його сутність: з простих речовин, що надходять в клітину ззовні, утворюються речовини, подібні речовинам клітини.

Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну - біосинтез білків. Все різноманіття властивостей білків в кінцевому рахунку визначається первинною структурою, т. Е. Послідовністю амінокислот. Величезна кількість відібраних еволюцією унікальних поєднань амінокислот відтворюється шляхом синтезу нуклеїнових кислот з такою послідовністю азотистих основ, яка відповідає послідовності амінокислот в білках. Кожній амінокислоті в поліпептидного ланцюжку відповідає комбінація з трьох нуклеотидів - триплет.

Процес реалізації спадкової інформації в біосинтезі здійснюється за участю трьох видів рибонуклеїнових кислот: інформаційної (матричної) - іРНК (мРНК), рибосомальной - рРНК і транспортної - тРНК. Все РНК синтезуються на відповідних ділянках молекули ДНК. Вони мають значно менші розміри, ніж ДНК, і являють собою одинарну ланцюг нуклеотидів. Нуклеотиди містять залишок фосфорної кислоти (фосфат), пентозний цукор (рибозу) та одне з чотирьох азотистих основ - аденін, цитозин, гуанін і урацил. Азотистих основ - урацил - комплементарно аденіну.

Процес біосинтезу складний і включає ряд етапів - транскрипцію, сплайсинг і трансляцію.

Перший етап (транскрипція) відбувається в ядрі клітини: на ділянці певного гена молекули ДНК синтезується мРНК. Цей синтез здійснюється за участю комплексу ферментів, головним з яких є ДНК-залежна РНК-полімераза, яка прикріплюється до початкової (ініціальної) точці молекули ДНК, розплітає подвійну спіраль і, переміщаючись уздовж однієї з ниток, синтезує поруч з нею комплементарную нитка мРНК. В результаті транскрипції мРНК містить генетичну інформацію у вигляді послідовного чергування нуклеотидів, порядок яких точно скопійований з відповідної ділянки (гена) молекули ДНК.

Подальші дослідження показали, що в процесі транскрипції синтезується так звана про-мРНК - попередник зрілої мРНК, яка бере участь в трансляції. Про-мРНК має значно більші розміри і містить фрагменти, що не кодують синтез відповідної поліпептидного ланцюга. У ДНК поряд з ділянками, що кодують рРНК, тРНК і поліпептиди, є фрагменти, які містять генетичної інформації. Вони отримали назву интронов на відміну від кодують фрагментів, які називаються екзонами. Інтрони виявлені на багатьох ділянках молекул ДНК. Так, наприклад, в одному гені - ділянці ДНК, що кодує овальбумин курки, міститься 7 интронов, в гені сироватковогоальбуміну щури - 13 інтронів. Довжина інтрона буває різною - від двохсот до тисячі пар нуклеотидів ДНК. Інтрони зчитуються (транскрибируются) одночасно з екзонами, тому про-мРНК значно довше, ніж зріла мРНК. В ядрі в про-мРНК спеціальними ферментами вирізаються інтрони, а фрагменти екзона «зрощуються» між собою в строгому порядку. Цей процес називають сплайсингом. В процесі сплайсингу утворюється зріла мРНК, яка містить тільки ту інформацію, яка необхідна для синтезу відповідного поліпептиду, тобто інформативну частину структурного гена.

Значення і функції интронов досі ще не зовсім з'ясовані, але встановлено, що, якщо в ДНК зчитуються тільки ділянки екзонів, зріла мРНК не утворюється. Процес сплайсингу вивчений на прикладі роботи гена овальбуміна. Він містить один екзон і 7 интронов. Спочатку на ДНК синтезується про-мРНК, що містить 7700 нуклеотидів. Потім в про-мРНК число нуклеотидів зменшується до 6800, потім - до 5600, 4850, 3800, 3400 і т. Д. До 1372 нуклеотидів, відповідних екзонів. Що містить тисячу триста сімдесят два нуклеотиду мРНК виходить з ядра в цитоплазму, потрапляє на рибосому і синтезує відповідний поліпептид.

Наступний етап біосинтезу - трансляція - відбувається в цитоплазмі на рибосомах за участю тРНК.

Транспортні РНК синтезуються в ядрі, але функціонують у вільному стані в цитоплазмі клітини. Одна молекула тРНК містить 76-85 нуклеотидів і має досить складну структуру, що нагадує лист конюшини. Три ділянки тРНК мають особливо важливе значення: 1) антикодон, що складається з трьох нуклеотидів, що визначає місце прикріплення тРНК до відповідного комплементарному кодону (мРНК) на рибосомі; 2) ділянка, що визначає специфічність тРНК, здатність даної молекули прикріплятися тільки до певної амінокислоті; 3) акцепторні ділянку, до якого прикріплюється амінокислота. Він однаковий для всіх тРНК і складається з трьох нуклеотидів - Ц-Ц-А. Приєднанню амінокислоти до тРНК передує її активація ферментом аміноацил-тРНК-синтетазой. Цей фермент специфічний для кожної амінокислоти. Активована амінокислота прикріплюється до відповідної тРНК і доставляється нею на рибосому.

Центральне місце в трансляції належить рибосомам - рібонуклеопротеіновим органоидам цитоплазми, в безлічі в ній присутнім. Розміри рибосом у прокаріотів в середньому 30х30х20 нм, у еукаріот - 40х40х20 нм. Зазвичай їх розміри визначають в одиницях седиментації (S) - швидкості осадження при центрифугуванні у відповідному середовищі. У бактерії кишкової палички рибосома має величину 70 S і складається з двох субчастиц, одна з яких має константу 30 S, друга 50 S, і містить 64% рибосомальної РНК і 36% білка.

Молекула мРНК виходить з ядра в цитоплазму і прикріплюється до малої субчастиц рибосоми. Трансляція починається з так званого стартового кодону (ініціатора синтезу) - А-У-Г. Коли тРНК доставляє до рибосоми активовану амінокислоту, її антикодон з'єднується водневими зв'язками з нуклеотидами комплементарного кодону мРНК. Акцепторні кінець тРНК з відповідною амінокислотою прикріплюється до поверхні великий субчастіци рибосоми. Після першої амінокислоти інша тРНК доставляє наступну амінокислоту, і таким чином на рибосомі синтезується поліпептидний ланцюг. Молекула мРНК зазвичай працює відразу на кількох (5-20) рибосомах, з'єднаних в полісоми. Початок синтезу поліпептидного ланцюга називають ініціацією, зростання її - елонгацією. Послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі визначається послідовністю кодонів в мРНК. Синтез поліпептидного ланцюга припиняється, коли на мРНК з'являється один з кодонів-термінаторів - УАА, УАГ або УГА. Закінчення синтезу даної поліпептидного ланцюга називається термінації.

Встановлено, що в клітинах тварин поліпептидний ланцюг за одну секунду подовжується на 7 амінокислот, а мРНК просувається на рибосомі на 21 нуклеотид. У бактерій цей процес протікає в два-три рази швидше.

Отже, синтез первинної структури білкової молекули - поліпептидного ланцюга - відбувається на рибосомі відповідно до порядку чергування нуклеотидів в матричної рибонуклеїнової кислоти - мРНК. Вона не залежить від будови рибосоми.