Біосинтез білка

Будь-яка живаючи клітка здатна синтезувати білки, і ця здатність представляє одне з найбільш важливих і характерних її властивостей. З особливою енергією йде біосинтез білків у період росту й розвитку кліток. У цей час активно синтезуються білки для побудови клітинних органоидов, мембран. Синтезуються ферменти. Біосинтез білків іде інтенсивно й у багатьох дорослих, тобто закончивших ріст і розвиток, клітках, наприклад у клітках травних залоз, що синтезують білки-ферменти (пепсин, трипсин), або в клітках залоз внутрішньої секреції, що синтезують білки-гормони (інсулін, тироксин). Здатність до синтезу білків властива не тільки зростаючим або секреторним кліткам: будь-яка клітка протягом всього постійно життя синтезує білки, тому що в ході нормальної життєдіяльності молекули білків поступово денатурируются, структура й функції їх порушуються. Такі молекули, що прийшли в непридатність, білків віддаляються із клітки. Замість синтезуються нові повноцінні молекули, у результаті склад і діяльність клітки не порушуються. Здатність до синтезу білка передається в спадщину від клітки до клітки й зберігається нею протягом всього . життя

Основна роль у визначенні структури білків належить ДНК. Самі ДНК особистої участі в синтезі не приймають. ДНК утримується в ядрі клітки, а синтез білків відбувається в рибосомах, що перебувають у цитоплазмі. У ДНК тільки втримується й зберігається інформація про структуру білків.

На довгій нитці ДНК треба одна за інший запис інформації про склад первинних структур різних білків. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру одного білка, називають геном. Молекула ДНК представляє збори кількох сотень генів.

Щоб розібратися в тім, яким образом структура ДНК визначає структуру білка, приведемо такий приклад. Багато хто знають про абетку Морзе, за допомогою якої передають сигнали й телеграми. По абетці Морзе всі букви алфавіту позначені сполученнями коротких і довгих сигналів - крапкам і тирі. Буква А позначається .---і, Б ---і ---і. і т.д. Збори умовних позначок називають кодом або шифром. Абетка Морзе являє собою приклад коду. Одержавши телеграфну стрічку із крапками й тирі, що знає код Морзе легко розшифрує написане.

Макромолекула ДНК, що складається з декількох тисяч послідовно розташованих чотирьох видів нуклеотидов, являє собою код, що визначає структуру ряду молекул білка. Так само як у коді Морзе кожній букві відповідає певне сполучення крапок і тирі, так і в коді ДНК кожній амінокислоті відповідає певне сполучення крапок і тирі, так і в коді ДНК кожній амінокислоті відповідає певне сполучення послідовно зв'язаних нуклеотидов.

Код ДНК удалося розшифрувати майже повністю. Сутність коду ДНК полягає в наступному. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ланцюга ДНК із трьох поруч складаються нуклеотидов. Наприклад, ділянка Т-Т-Т відповідає амінокислоті лізину, відрізок А-Ц-А - цистеину, Ц-А-А - валину й. т. буд. Допустимо, що в гені нуклеотиди випливають у такому порядку:

г-г-г

Розбивши цей ряд на трійки (триплети), ми відразу розшифруємо, які амінокислоти й у якому порядку випливають у молекулі білка: А-Ц-А - цистеин; Т-Т-Т - лізин; А-А-Ц - лейцин; Ц-А-А - валин; Г-Г-Г - пролин. У коді Морзе всього два знаки. Для позначення всіх букв, всіх цифр і розділових знаків доводиться брати на деякі букви або цифри до 5 знаків. Код ДНК простіше. Різних нуклеотидов 4. Число можливих комбінацій з 4 елементів по 3 дорівнює 64. Різних амінокислот усього 20. Таким чином, різних триплетів нуклеотидов з надлишком вистачає для кодування всіх амінокислот.

Транскрипція. Для синтезу білка в рибосоми повинна бути доставлена програма синтезу, тобто інформація про структуру білка, записана й 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 нуклеотидов РНК точно повторює послідовність в одній з ланцюгів гена. Таким чином, інформація, що втримується в структурі даного гена, як би листується на РНК. Цей процес називають транскрипцією (панцира. "транскрипція" - переписування). З кожного гена можна зняти будь-яке число копій РНК. Ці РНК, що несуть у рибосоми інформацію про склад білків, називають інформаційними ( і-рнк).

Для того щоб зрозуміти, яким образом склад і послідовність розташування нуклеотидов у гені можуть бути "переписані" на РНК, згадаємо принцип комплементарности, на підставі якого побудована двухспиральная молекула ДНК. Нуклеотиди одного ланцюга обумовлюють характер протилежних нуклеотидов іншого ланцюга. Якщо на одному ланцюзі перебуває А, то на тім же рівні іншого ланцюга коштує Т, а проти Г завжди перебуває Ц. Інших комбінацій не буває. Принцип комплементарности діє й при синтезі інформаційної РНК.

Проти кожного нуклеотида однієї з ланцюгів ДНК встає комплементарний до нього нуклеотид інформаційної РНК (у РНК замість тимидилового нуклеотида (Т) є присутнім уридиловий нуклеотид (В). Таким чином, проти Г днк встає Ц рнк, проти А днк - У рнк, проти Т днк - А рнк. У результаті ланцюжок, що утвориться, РНК по складу й послідовності своїх нуклеотидов являє собою точну копію складу й послідовності нуклеотидов однієї з ланцюгів ДНК. Молекули інформаційної РНК направляються до місця, де відбувається синтез білка, тобто до рибосом. Туди ж іде із цитоплазми потік матеріалу, з якого будується білок, тобто амінокислоти. У цитоплазмі кліток завжди є амінокислоти, що утворяться в результаті розщеплення білків їжі.

Транспортні РНК. Амінокислоти попадають у рибосому не самостійно, а в супроводі транспортних РНК ( т-рнк). Молекули т-рнк невеликі - вони складаються всього з 70-80 нуклеотидних ланок. Їхній склад і послідовність для деяких т-рнк уже встановлені повністю. При цьому з'ясувалося, що в ряді місць ланцюжка т-рнк виявляються 4-7 нуклеотидних ланок, комплементарних один одному. Наявність комплементарних послідовностей у молекулі приводить до того, що ці ділянки при достатнім зближенні сліпаються один з одним завдяки утворенню водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. У результаті виникає складна петлистая структура, що нагадує за формою листок конюшини. До одному з кінців молекули т-рнк приєднується амінокислота (Д), а у верхівці "листка конюшини" перебуває триплет нуклеотидов (Е), що відповідає по коду даній амінокислоті. Тому що існує не менш 20 різних амінокислот, те, мабуть, є не менш 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" у техніку позначають форму, уживану для виливка монет, медалей, типографського шрифту: затверділий метал у точності відтворює всі деталі форми, що служила для виливка. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються в точній відповідності із планом, закладеним у структурі вже існуючих молекул. Матричний принцип лежить в основі найважливіших синтетичних реакцій клітки, таких, як синтез нуклеинових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна, строго специфічна послідовність мономерних ланок у синтезованих полімерах. Тут відбувається спрямоване стягування мономерів у певне місце клітки - на молекули, що служать 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 й точно.

Роль матриці в матричних реакціях грають макромолекули нуклеинових кислот ДНК або РНК. Мономерние молекули, з яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарности розташовуються й фіксуються на матриці в строго певному, заданому порядку. Потім відбувається "зшивання" мономерних ланок у полімерний ланцюг, і готовий полімер скидається з матриці. Після цього матриця готова до складання нової полімерної молекули. Зрозуміло, що як на даній формі може вироблятися виливок тільки якоїсь однієї монети, однієї букви, так і на даній матричній молекулі може йти "складання" тільки якогось одного полімеру.

Матричний тип реакцій - специфічна особливість хімізму живих систем. Вони є основою фундаментальної властивості всього живого - його здатності до відтворення собі подібного.

Трансляція. Інформація про структуру білка, записана в і-рнк у вигляді послідовності нуклеотидов, переноситься далі у вигляді послідовності амінокислот у синтезованому поліпептидному ланцюзі. Цей процес називають трансляцією. Для того щоб розібратися в тім, як у рибосомах відбувається трансляція, тобто переклад інформації з мови нуклеинових кислот на мову білків, звернемося до малюнка. Рибосоми на малюнку зображені у вигляді яйцеподібних тіл, унизивающих і-рнк із лівого кінця й починає синтез білка. У міру складання білкової молекули рибосома повзе по й-рнк. Коли рибосома просунеться вперед на 50-100 А, з того ж кінця на й-рнк входить друга рибосома, що, як і перша, починає синтез і рухається слідом за першою рибосомою. Потім на й-рнк вступає третя рибосома, четверта й т.д. Всі вони виконують ту саму роботу: кожна синтезує той самий білок, запрограмований на даній і-рнк. Чим далі вправо просунулася рибосома по й-рнк, тим більший відрізок білкової молекули "зібраний". Коли рибосома досягає правого кінця й-рнк, синтез кінчений. Рибосома з білком, що утворився, сходить із і-рнк. Потім вони розходяться: рибосома - на будь-яку й-рнк (тому що вона здатна до синтезу будь-якого білка; характер білка залежить від матриці), білкова молекула - в ендоплазматическую мережа й по ній переміщається в ту ділянку клітки, де потрібен даний вид білка. Через короткий час закінчує роботу друга рибосома, потім третя й т.д. А з лівого кінця й-рнк на неї вступають всі нові й нові рибосоми, і синтез білка йде безупинно. Число рибосом, що вміщаються одночасно на молекулі й-рнк, залежить від довжини й-рнк. Так, на молекулі й-рнк, що програмує синтез білка гемоглобіну й довжина якої близько 1500 А, міститься до п'яти рибосом (діаметр рибосоми приблизно дорівнює 230 А). Групу рибосом, що міститься одночасно на одній молекулі й-рнк, називають полірибосомою.

Тепер зупинимося докладніше на механізмі роботи рибосоми. Рибосома під час руху по й-рнк у кожний даний момент перебуває в контакті з невеликим учаством її молекули. Можливо, розмір цієї ділянки становить усього один триплет нуклеотидов. Рибосома пересувається по й-рнк не плавно, а переривчасто, "шажками", триплет за триплетом. На деякій відстані від місця контакту рибосоми з і-рік перебуває пункт "складання" білка: тут міститься й працює фермент білок-синтетаза, що створює поліпептидний ланцюг, тобто утворюючий пептидние зв'язку між амінокислотами.

Сам механізм "складання" білкової молекули в рибосомах здійснюється в такий спосіб. У кожну рибосому, що входить до складу полірибосоми, тобто рухається по й-рнк, з навколишнього середовища безперервним потоком ідуть молекули т-рнк із "навішеними" на них амінокислотами. Вони проходять, зачіпаючи своїм кодовим кінцем місце контакту рибосоми з і-рнк, що у цей момент перебуває 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 й-рнк ( щоперебуває в цей момент у рибосомі), амінокислота, доставлена т-рнк, потрапить до складу молекули білка й відділиться від т-рнк. Негайно ж рибосома робить "крок" уперед по й-рнк на один триплет, а вільна т-рнк викидається з рибосоми в навколишнє середовище. Тут вона захоплює нову молекулу амінокислоти й несе її в кожну із працюючих рибосом. Так поступово, триплет за триплетом, рухається по й-рнк рибосома й росте ланка за ланкою - поліпептидний ланцюг. Так працює рибосома - цей органоид клітки, що з повним правом називають "молекулярним автоматом" синтезу білка.

У лабораторних умовах штучний синтез білка вимагає величезних зусиль, багато часу й засобів. А в живій клітці синтез однієї молекули білка завершується в 1-2 мін.

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, що "повзе уздовж молекули ДНК від початку гена до його кінця й залишає позаду готову молекулу й-рнк. Ген у цьому процесі дає тільки програму для синтезу, а сам процес здійснює фермент. Без участі ферментів не відбувається й з'єднання амінокислот з т-рнк. Існують особливі ферменти, що забезпечують захоплення й з'єднання амінокислот з їх т-рнк. Нарешті, у рибосомі в процесі складання білка працює фермент, що зчіплює амінокислоти між собою.

Енергетика біосинтезу білка. Ще однією дуже важливою стороною біосинтезу білка є його енергетика. Будь-який синтетичний процес являє собою ендотермічну реакцію й, отже, має потребу у витраті енергії. Біосинтез білка представляє ланцюг синтетичних реакцій: 1) синтез і-рнк; 2) з'єднання амінокислот з т-рнк; 3) "складання білка". Всі ці реакції вимагають енергетичних витрат. Енергія для синтезу білка доставляється реакцією розщеплення АТФ. Кожна ланка біосинтезу завжди сполучено з розпадом АТФ.

Компактність біологічної організації. При вивченні ролі ДНК з'ясувалося, що явище запису, зберігання й передачі спадкоємної інформації здійснюється на рівні молекулярних структур. Завдяки цьому досягається разюча компактність "робочих механізмів", найбільша економічність їхнього розміщення в просторі. Відомо, що зміст ДНК в одному сперматозоїді людини дорівнює 3.3Х10 -12 ступеня г ДНК утримується вся інформація, що визначає розвиток людини. Підраховано, що всі запліднені яйцеклітини, з яких розвилися всі люди, що живуть нині на Землі, містять стільки ДНК, скільки її вміщається в обсязі шпилькової голівки.

sportfarma.ru