§ 10 Биосинтез белков в живой клетке

Каждая живая клетка создает (синтезирует) составляющие ее вещества. Этот процесс называют биосинтезом. Биосинтез (от греч. bios — «жизнь» и synthe­sis— «соединение») — образование органических веществ, происходящее в жи­вых клетках с помощью ферментов и внутриклеточных структур.

Биосинтез, осуществляемый в процессе обмена веществ, всегда идет с по­треблением энергии. Биосинтез, например, простых углеводов у зеленых расте­ний происходит за счет энергии света. Биосинтез белков идет с потреблением энергии химических связей в органических веществах.

Главным поставщиком энергии для биосинтеза служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Ферменты, отщепляя остатки фосфорной кислоты от молекул АТФ, обеспечивают выделение энергии и тем создают возможность ее использования для биосинтеза.

В биосинтезе молекул белка участвуют разные аминокислоты, многочис­ленные ферменты, рибосомы и разные РНК (рРНК — рибосомная, тРНК — транспортная и иРНК — информационная ). Процесс биосинтеза молекул бел­ка осуществляется в рибосомах.

Характер биосинтеза определяется наследственной информацией, зако­дированной в определенных участках ДНК хромосом — в генах. Гены содержат информацию об очередности аминокислот того или иного синтезируемого белка, иными словами, кодируют его первичную структуру. Молекулы иРНК передают этот код для биосинтеза.

Схематически процесс биосинтеза можно представить так:

ДНК -> иРНК -> белок.

Перенос генетической информации в виде копий ДНК из ядра в рибосо­му осуществляет информационная РНК.

Этот процесс происходит в ядре. Благодаря действию ферментов участок ДНК раскручивается, и вдоль одной из цепей по принципу комплементарности, т. е. избирательного соответствия, выстраиваются нуклеотиды. Соединя­ясь между собой, они образуют полинуклеотидную цепочку иРНК (рис. 14).

После этого происходит так называемое созревание, когда с участием ферментов выре­заются внутренние участки молекулы, а остав­шиеся фрагменты «сшиваются» в одну линей­ную структуру. В результате образуется иРНК.

При этом разные ферменты способны вырезать разные участки РНК, и таким обра­зом образуются разные иРНК.

Смысл созревания иРНК заключается в том, что на основе информации одного гена возможен синтез нескольких иРНК, а в даль­нейшем и разных белков.

Образовавшаяся таким образом новая информационная цепь иРНК оказывается точной копией генетической информации, «списанной» с ДНК как с матрицы. Этот про­цесс называется транскрипцией (лат. Transcriptio — «переписывание»).

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка. На этом этапе происхо­дит «списывание» генетической информации путем создания иРНК.

Образовавшаяся иРНК выходит из ядра в цитоплазму через поры в ядер­ной оболочке и вступает в контакт с многочисленными рибосомами.

Рибосома — уникальный «сборочный аппарат». Рибосома скользит по иРНК как по матрице и в строгом соответствии с последовательностью распо­ложения ее нуклеотидов выстраивает определенные аминокислоты в длин­ную полимерную цепь белка. Порядок аминокислот в этой цепи соответствует генетической информации, скопированной («списанной») с определенного участка ДНК. «Считывание» информации с иРНК и создание при этом поли­мерной цепи белка называется трансляцией (лат. Translatio — «передача»). В процессе трансляции информация о строении будущего белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах иРНК, переводится с нуклеотидного кода в последовательность аминокислот в синтезируемых белках. Транс­ляция («считывание») происходит в цитоплазме клетки.

«Считывание» (трансляция) генетической информации с иРНК и создание (сборка) полимерной цепи на рибосомах — второй этап биосинтеза белка.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК (тРНК), которые, находясь в цитоплазме в свободном состоянии и в большом ко­личестве, обеспечивают создание полимерной молекулы белка (рис. 15).

Для каждой аминокислоты требуется своя тРНК, комплементарная опре­деленному участку иРНК. Такой участок всегда представлен триплетом — соче­танием трех нуклеотидов, называемым кодоном. В свою очередь, и каждая аминокислота, входящая в белок, тоже закодирована определенным сочетани­ем трех нуклеотидов (антикодон), по которым они и находят друг друга.

Например, рибосома, «прочитав» последовательность триплета нуклеотидов иРНК: урацил—урацил—урацил, присоединяет к синтезируемому белку аминокислоту фенилаланин, доставленную тРНК с такой последовательностью нук­лео­ти­дов: аденин—­аденин—аденин, затем другие три нуклеотида определяют следующую присо­единя­емую амино­кислоту и так далее — до завершения сборки каждой молекулы белка. Многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами. В то же вре­мя, известны три триплета, которые не кодируют ни одной аминокислоты. Эти трипле­ты прерывают синтез белковой цепочки. Изменение последо­вательности нуклеотидов (мутация) может привести к изменению аминокислот в белке. Такой белок приобре­тает новые свойства и может оказывать значительное влияние на жизнедеятельность организма — как положительное, так и отрицательное.

Обычно вдоль одной молекулы иРНК движется сразу несколько рибосом, при этом одновременно синтезируется несколько молекул белка.

Срок жизни иРНК — от двух минут у бактерий до многих дней у высших организмов. В конце концов ферменты разрушают иРНК до отдельных нук­леотидов. Нуклеотиды затем используются для синтеза новых РНК. Расщеп­ляя и синтезируя иРНК, клетка строго регулирует синтез белков, их тип и количество.

Генетический триплетный код биосинтеза молекул белка был расшифрован в 1965 г. Из 4 типов нуклеотидов можно составить 64 триплетных сочетания. В построении бел­ков участвует всего 20 аминокислот. Но генов в ДНК хромосом очень много, поэто­му в клетке может синтезироваться много различных белков. Значительная их часть — ферменты.

Процесс биосинтеза молекул белков осуществляется только в живой клетке.

1. Охарактеризуйте функции различных видов РНК в биосинтезе.

2*. Какова роль цитоплазмы в биосинтезе белка?

3. Исправьте ошибку в утверждении.

• Транскрипция завершает процесс синтеза белка в клетке.