Синтез полипептидной цепи на рибосоме

Реакции матричного синтеза. В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, наподобие удвоения ДНК или реакции синтеза РНК. Такие реакции неизвестны в неживой природе. Они называются реакциями матричного синтеза.

Термином «матрица» в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта; затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. Матричный принцип лежит в основе важнейших реакций синтеза нуклеиновых кислот и белков В этих реакциях обеспечивается точная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Мономеры поступают в определенное место на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в клетке играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, – нуклеотиды или аминокислоты – в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном порядке. Затем происходит соединение мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сходит с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой точно такой же полимерной молекулы.

Реакции матричного типа специфическая особенность живой клетки. Они являются основой фундаментального свойства всего живого – способности к воспроизведению себе подобного.

Полирибосома
Рис. 83. Полирибосома
Трансляция. Информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Этот процесс называют трансляцией (лат. «трансляцио» – перенесение, перевод). Для того чтобы понять, как в рибосомах происходит трансляция, обратимся к рисунку 83. Рибосомы на рисунке изображены в виде яйцевидных тел, нанизанных на и-РНК. Первая рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК (на рисунке сверху вниз). Когда рибосома продвинется вперед, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и т. д. Все они выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белковой молекулы «собран». Когда рибосома достигает противоположного конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком сходит с и-РНК. Затем они расходятся: рибосома – на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы и-РНК), белковая молекула – в эндоплазматическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. С левого конца и-РНК на нее вступают все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от ее длины. Так, на молекуле и-РНК, которая программирует синтез белка гемоглобина, помещается до пяти рибосом.

Механизм работы рибосомы поясняет рисунок 84.

Механизм работы рибосомы
Рис. 84. Механизм работы рибосомы

Размер участка рибосомы, в котором происходит трансляция, соответствует длине 6 нуклеотидов, т. е. двум триплетам. Следовательно, когда рибосома скользит по и-РНК, в функциональном центре рибосомы (ФЦР) всегда одновременно находятся 2 соседних триплета нуклеотидов.

Рибосома перемещается по и-РНК с триплета на триплет, но не плавно, а прерывисто, «шажками». Закончив трансляцию одного триплета, она перескакивает на соседний триплет и на мгновение останавливается. Операция трансляции занимает не более 1/5-1/6 с, и полипептидная цепь удлиняется на одно звено. Далее следует «шажок» на соседний триплет, снова короткая остановка, и так до конца пути по и-РНК.

На рисунке 84 изображена рибосома, перемещающаяся по и-РНК. Как видно, рибосома уже прошла некоторый путь по и-РНК, она уже транслировала несколько триплетов, и в результате синтезирован небольшой полипептид, который свисает с рибосомы. На рисунке 84,1 изображен момент, когда рибосома только что закончила трансляцию триплета ЦГУ. Сейчас в ФЦР находится два триплета и-РНК: ЦГУ и ГУЦ. ЦГУ это триплет, трансляция которого закончена; ГУЦ – это триплет, трансляция которого начинается. ГУЦ пока свободен, а ЦГУ комплементарно связан с т-РНК, с которой свисает полипептидная цепочка.

На рисунке 84,2 показан момент, когда в ГУЦ по правилу комплементарности присоединяется кодовым триплетом т-РНК, несущая аминокислоту валин (вал). Доставленная аминокислота (вал) и верхний аминокислотный остаток полипептидной цепи (арг) оказываются рядом. Между ними возникает пептидная связь. Полипептидная цепь удлиняется на одно звено.

На рисунке 84,3 полипептидная цепочка перебрасывается с правого нуклеотида (ЦГУ) на левый (ГУЦ) и повисает на нем.

На рисунке 84,4 рибосома скачком перемещается на следующий триплет. Триплет ЦГУ с его т-РНК оказывается за пределами ФЦР, т-РНК отрывается от ЦГУ и выталкивается из рибосомы. Далее все стадии повторяются, и полипептидная цепь растет звено за звеном. Так работает рибосома – этот удивительный органоид клетки, который по праву называют «молекулярным автоматом» синтеза белка.

Совсем недавно, в начале 50-х годов, впервые белок был синтезирован искусственно. Это был инсулин, полипептидная цепь которого состоит всего из 51 аминокислотного остатка. Для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течение трех лет. Как видите, в лабораторных условиях синтез белка требует огромных усилий, времени и средств. В живой клетке синтез одной молекулы белка, состоящей из 200-300 аминокислотных звеньев, завершается очень быстро – в 1-2 мин.

Роль ферментов в биосинтезе белка. Синтез белка не идет без участия ферментов. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами. С участием ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК. Существуют особые ферменты, обеспечивающие захват и соединение аминокислот с их т-РНК. Наконец, в рибосоме в процессе сборки белка работает фермент, сцепляющий аминокислоты между собой.

Энергетика биосинтеза белка. Любой процесс синтеза нуждается в затрате энергии. Биосинтез белка представляет цепь синтетических реакций: синтез и-РНК; соединение аминокислот с т-РНК; «сборка» белка. Все эти реакции требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка освобождается при расщеплении АТФ.

1. В основе каких реакций синтеза в клетке лежит матричный принцип? 2. Какой этап биосинтеза белка называют трансляцией? 3. Участок ДНК содержит последовательно расположенные нуклеотиды А-А-Г-Т-Г-Т-Г-А-Ц-Т-Т-А. Укажите аминокислотный состав белковой цепи, соответствующий этому участку ДНК. 4. На каких структурах протекает синтез белка в клетке? 5. Какое время требуется для синтеза одной молекулы белка в клетке?