Біосинтез білка в клітині

Всі клітини будь-яких організмів, як автотрофних так і гетеротрофних, здатні здійснювати синтез білків — провідне ланка пластичного обміну. У складному і багатоступінчастому процесі синтезу білка в живій клітині (тобто фотосинтезу) буде розглянуто лише один етап: освіта поліпептидного ланцюга з окремих амінокислот, кожна з яких займає цілком певне місце в молекулі білка. У самому узагальненому вигляді їх можна накласти наступним чином. В ядрі клітини молекулами ДНК «записаний» (закодований — від слова код) порядок амінокислот у білку. Інформація про це порядку від ядерної ДНК передається на синтезирующуюся інформаційну РНК. Цей процес називається транскрипцією. Інформаційна РНК в цитоплазмі вступає в з’єднання з рибосомами. До рибосом ж поступають з цитоплазми і амінокислоти. Їх доставляє туди транспортна РНК. Інформаційна і транспортна РНК разом жорстко визначають послідовність амінокислот при їх синтезі ферментами рибосоми в білкову молекулу. Ця передача коду інформації з РНК на амінокислоти білкової молекули називається трансляцією. Після закінчення синтезу білкова молекула відривається від рибосоми і йде через эндоплазматическую мережу в глиб клітки.

Розглянемо тепер перераховані етапи біосинтезу білка трохи докладніше.

В кожній молекулі ДНК закодована послідовність амінокислот для багатьох десятків і сотень різних білків. Спосіб кодування наступний: послідовність амінокислот в білковій молекулі визначається послідовністю нуклеотидів у молекулі ДНК. Але так як амінокислот, що входять в білки, 20, а нуклеотидів всього 4, кожної амінокислоти відповідає не один нуклеотид, а певне поєднання трьох нуклеотидів, яке отримало назву триплету. Всього таких комбінацій (з 4 по 3) може бути 64, тобто навіть значно більше, ніж амінокислот.
Зараз вже розшифровані коди для всіх амінокислот, які входять в склад білків. Так, амінокислота цистеїн кодується в молекулі ДНК таким поєднанням нуклеотидів (триплетом): A—C—A1; амінокислота валін — триплетом C—A—A; амінокислота лейцин — триплетом A—A—C; амінокислоту пролін — триплетом G—G—G.

Прийняті наступні скорочення: A — аденін, G — гуанін, T — тимін, C — цитозин, U — урацил.

Тому якщо в якійсь частині молекули ДНК послідовність нуклеотидів буде:

C – A – A – A – C – A – A – A – C – G – G – G,

то тим самим цією частиною молекули ДНК кодується наступне з’єднання амінокислот в білковій молекулі:

валін — цистеїн — лейцин — пролін.

Оскільки довжина молекули ДНК набагато перевищує довжину молекули білка, уздовж однієї молекули ДНК може бути закодована послідовність амінокислот для багатьох молекул білків. Відрізок молекули ДНК, що несе в собі інформацію про одній молекулі білка, називається геном (детальніше про це поняття дивіться главу «Генетика»). Сукупність всіх молекул ДНК клітини містить в собі інформацію про структуру всіх білків, які в змозі синтезувати даний вид тварини або рослини. Транскрипцію (переписування) коду інформації про синтез білка з молекули ДНК на молекули інформаційної РНК відбувається в процесі їх синтезу.
Інформаційна РНК синтезується в ядрі. Як і у випадку реплікації молекули ДНК, інформаційна РНК синтезується з нуклеотидів за принципом комплементарності. Матрицею такого синтезу слугує молекула ДНК. Треба тільки врахувати, що в РНК замість тиминового нуклеотиду (T) є урациловый (U). Тому при синтезі інформаційної РНК проти A(ДНК) встане U(РНК), проти T(ДНК) — A(РНК), проти G(ДНК) — C(РНК) і проти C(ДНК) — G(РНК) Тому наведений вище код для послідовності чотирьох амінокислот буде «переведений» з мови ДНК на мову інформаційної РНК наступним чином:

валін цистеїн лейцин пролін —послідовність амінокислот
C — A — A — A — C — A — A — A — C — G — G — G код цієї послідовності
в одному ланцюжку ДНК
G — U — U — U — G — U — U — U — G — C — C — C транскрипція цієї послідовності
на молекулу інформаційної РНК

Таким чином, одна і та ж амінокислота (наприклад, валін) в молекулі ДНК кодується триплетом C—A—A, а після транскрипції на молекули інформаційної РНК кодується комплектарным триплетом G—U—U. Це закономірно випливає зі способу синтезу молекул інформаційної РНК. Завершивши синтез, ці молекули виходять з ядра в цитоплазму і вступають в контакт з рибосомами. Місцем синтезу білка служать рибосоми. Кожна з них ніби нанизується на молекулу інформаційної РНК (малюнок 8) і, просуваючись уздовж неї, «читає» план складання молекули білка, триплет за триплетом. Перетворення цього плану в реальні молекули білка здійснюється з участю ще однієї нуклеїнової кислоти — транспортної РНК.

Схема синтезу білка на рибосомі
Малюнок. 8. Схема синтезу білка на рибосомі. 1 — рибосома, 2 — інформаційна РНК, 3 — транспортні РНК з амінокислотами, 4 — білок

Молекули транспортної РНК досить крейда — це короткі одинарні ланцюжка нуклеотидів. Кожна молекула транспортної РНК специфічна лише для якоїсь однієї амінокислоти, тільки її вона може доставити з цитоплазми до місця збірки» білка. Специфічність молекули транспортної РНК досягається її будовою: один кінець короткої ланцюжка несе триплет, який відповідає коду даної амінокислоти (наприклад, для валіну — C—A—A), а другий кінець може хімічно з’єднуватися тільки з цієї ж самої кислотою. Саме в такій парі (наприклад, валиновая транспортна РНК і сам валін) вони і потрапляють на рибосому. Якщо ж у цей момент рибосома знаходиться на «валиновом» триплете інформаційної РНК (G—U—U), то «валиновый» триплет вільного кінця транспортної РНК (C—A—A) за принципом комплементарності відразу приєднується до інформаційної РНК. Так, місце амінокислоти валін фіксується як раз там, де воно було спочатку закодовано в молекулі ДНК (триплетом C—A—A), потім — в молекулі інформаційної РНК (триплетом G—U—U) і, нарешті, доставлено транспортною РНК з триплетом C—A—A. Таким чином, поки рибосома рухається вздовж по молекулі інформаційної РНК, різні транспортні РНК зі своїми амінокислоти приєднуються до інформаційної РНК. Ферментні системи рибосом послідовно амінокислоти відщеплюють від транспортних РНК і з’єднують їх між собою ланцюг білкової молекули. Вивільнені транспортні РНК знову переходять в цитоплазму за наступними порціями амінокислот. Так створюється специфічність білкової молекули на рівні її первинної структури. Вторинна і третинна структури білкової молекули визначаються як первинної її структурою, так і рядом інших умов. Слід мати на увазі, що кожне з наведених ланок біосинтезу каталізується певними ферментами і забезпечується енергією за рахунок молекул АТФ.
Навіть дуже схематично описаний процес біосинтезу дивує своєю впорядкованістю. А якщо до цього додати, що в живій клітині синтез однієї молекули білка триває всього 3-4 і що одночасно в різних ділянках клітини здійснюються синтези різних білків і разом з тим йде маса інших біохімічних процесів, то закономірне запитання: яким же способом все це регулюється? Не всі конкретні шляхи регуляції відкрила ще наука. Але вона відкрила головний принцип регуляції в живій клітині — авторегуляцию. Гранично простим її випадком буде наступний. Якщо якийсь білок, синтезований в клітці в достатній кількості, то його подальшого синтезу перешкоджає сам факт присутності цього білка в клітині. Поки він не виведений з клітини (або не витрачений якимось іншим шляхом), він хімічно діє на білки-ферменти, що беруть участь в його синтезі як гальмо. Ферменти тимчасово перестають діяти. Синтез призупинено. Але ось білок витрачений. Тим самим його гальмівну дію на ферменти зникло. І синтез знову поновлюється.
Легко зрозуміти, наскільки тривалим і многотрудным був шлях еволюції живих організмів, перш ніж була досягнута настільки досконала авторегуляції.

Даний запис також доступний на Білоруська, Český, Deutsche, English, Español, Suomalainen, Français, Italiano, 日本, Norsk, Polski, Portugues, Русский та 中國



Реклама: