Биосинтез белков

В каких структурах клетки происходит биосинтез белка?
К какому обмену веществ относится биосинтез белка?

Биосинтез белка – один из важнейших процессов обмена веществ в клетке. В ходе такого синтеза формируются биополимеры – сложные молекулы белков, состоящие из мономеров – аминокислот (см. § 4). Биосинтез белков протекает в цитоплазме клетки, а точнее – на рибосомах с участием матричной РНК – мРНК (еще ее называют информационной РНК – иРНК) и транспортной РНК (тРНК) под контролем ДНК ядра.

Выяснение роли ДНК и РНК в процессе биосинтеза белков в клетке – одно из замечательных достижений биологической науки середины XX в.

Биосинтез белков включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция. Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – это биосинтез молекул матричной РНК (мРНК), происходящий в ядре на основе молекулы ДНК.

В ходе транскрипции фермент РНК-полимераза передвигается вдоль молекулы ДНК. При этом фермент удерживает на себе нуклеотиды растущей цепи мРНК, которая синтезируется на основе одной из цепей молекулы ДНК из нуклеотидов, находящихся в ядерном матриксе (рис. 16).

Схема биосинтеза белка
Рис. 16. Схема биосинтеза белка

Матричная РНК (мРНК) – это одноцепочечная структура, и транскрипция идет с одной цепи молекулы ДНК. В результате транскрипции образуется молекула мРНК, представляющая собой точную копию участка одной из цепей ДНК (напомним, что в молекуле РНК азотистое основание тимин заменено на урацил). По длине каждая из молекул мРНК в сотни раз короче, чем молекула ДНК. Это связано с тем, что каждая мРНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части – одного гена или группы рядом стоящих генов, содержащих информацию о структурах белков, необходимых для выполнения одинаковых функций.

При участии ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК синтезируется не только мРНК, но и другие РНК – транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК). Затем синтезированные РНК направляются из ядра через ядерные поры в цитоплазму, к месту синтеза белка – рибосомам.

Трансляция. В рибосомах синтезируются полипептидные цепи белков на матрице мРНК, т. е. осуществляется трансляция (лат. translatio – перевод, перенесение).

Сборка белковых молекул происходит в рибосомах. При атом одна мРНК связывается с несколькими рибосомами, образуя сложную структуру – полисому. На полисоме одновременно идет синтез многих молекул одного белка.

Аминокислоты, из которых синтезируются белковые молекулы, доставляются к рибосомам молекулами тРНК. Они имеют относительно небольшие размеры (в них входят от 70 до 90 нуклеотидов) и напоминают по форме лист клевера (см. рис. 16).

На вершине «листа» каждой тРНК (напомним, что разновидностей тРНК столько, сколько существует триплетов, шифрующих аминокислоты) имеется антикодон. Он представляет собой последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам триплета в мРНК. Специальный фермент опознает тРНК и присоединяет к «черешку» листа ту из аминокислот, которая кодируется одним из триплетов мРНК.

Транспортные РНК поступают в рибосомы. Участок рибосомы, в котором происходит сборка белковых молекул, называется функциональным центром рибосомы (ФЦР). В ФЦР всегда расположены только два триплета мРНК. К каждому триплету (кодону) мРНК присоединяется тРНК с комплементарным антикодоном (см. рис. 15).

Между аминокислотами под влиянием ферментов образуется пептидная связь, и аминокислота с первой тРНК (обозначим для удобства тРНК порядковыми номерами) оказывается присоединенной ко второй тРНК. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, выходит из рибосомы. Затем рибосома перемещается по мРНК на расстояние, равное одному триплету, и в ФЦР оказывается уже следующий триплет. Процесс сборки продолжается: пептидная связь возникает между аминокислотами, доставленными второй и третьей тРНК и т. д.

Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока процесс трансляции не доходит до одного из стоп-кодонов – УАА, УАГ, УГА, которые информации об аминокислотах не несут. Как только это происходит, трансляция завершается и полипептидная цепочка покидает рибосому, погружаясь в канал эндоплазматической сети.

Каждый раз в результате трансляции синтезируется полипептидная цепь молекулы белка, точно соответствующая наследственной информации, записанной в ДНК. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящей из 200 – 300 аминокислот, равна 1 – 2 мин. Общая схема биосинтеза белка может быть представлена следующим образом:

ДНК → (транскрипция) → мРНК → (трансляция) → белок.

Реакции матричного синтеза. Процессы трансляции, транскрипции и репликации (самоудвоения) ДНК называют реакциями матричного синтеза (от лат. matrix – штамп, форма с углублением). Эти реакции осуществляются только в живых клетках и в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул, которые играют роль матриц. Такими молекулами являются молекулы ДНК (во время репликации и транскрипции) и мРНК (во время трансляции). Таким образом, роль матрицы могут выполнять как молекулы ДНК, так и молекулы РНК.

Матричный синтез обеспечивает высокую точность передачи наследственной информации и высокую скорость синтеза макромолекул. В основе матричного синтеза лежит принцип комплементарности.

В настоящее время в науке достаточно подробно исследован механизм передачи наследственной информации. Однако остается целый ряд еще не решенных проблем. Одна из них – изучение механизмов, регулирующих активность генов. Все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый набор генов. И тем не менее клетки разных тканей отличаются по строению, функциям, составу белков.

Специализация клетки определяется не всеми имеющимися в ней генами, а только теми, с которых была осуществлена транскрипция на мРНК и наследственная информация реализована в виде белков. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может быть различной в зависимости от условий среды и потребности в белке самой клетки.

Вероятно, существует какой-то механизм, регулирующий «включение» и «выключение» генов на разных этапах жизни клетки. Впервые объяснение этого механизма в 1961 г. предприняли французские биологи Ф. Жакоб, А. Львов и Ж. Моно на примере регуляции белкового синтеза у бактерий. За свою работу эти ученые удостоены Нобелевской премии.

Как происходит регуляция активности генов в эукариотических клетках, до сих пор неясно. Познание регуляторных механизмов транскрипции и трансляции необходимо для управления процессами реализации наследственной информации.

Вопросы и задании

  1. Из каких этапов состоит биосинтез белков?
  2. В чем заключается процесс транскрипции? Где происходит транскрипция?
  3. Что образуется в результате процесса транскрипции?
  4. В чем заключается сущность трансляции?
  5. Раскройте понятие «реакции матричного синтеза».