Пластичний обмін Біосинтез білків

Амінокислоти синтезуються живими організмами із азотовмісних сполук (азоту, аміаку, нітратів тощо). Синтез кожної амінокислоти – складний процес, який каталізується багатьма ферментами.

У 1961 році французькі біохіміки Жакоб і Моно відкрили існування іРНК і пояснили механізм біосинтезу білка: на основі структурного гена (ділянки ДНК, що несе інформацію про структуру певного білка) створюється іРНК, на основі іРНК створюється білок.

Біосинтез білкової молекули – складний багатоступінчастий процес, у якому виділяють 3 основні етапи.

І. Транскрипція – синтез іРНК на матриці ДНК за принципом комплементарності з участю фермента РНК-полімерази; відбувається в ядрі; включає такі стадії:

• ініціація транскрипції – до ДНК підходить фермент РНК-полімераза (приєднується до гена-промотора, який визначає матричний ланцюг ДНК); подвійна спіраль ДНК частково розкручується; РНК-полімераза переміщується до структурного гена і сполучає два перші нуклеотиди іРНК, що є комплементарними відповідним нуклеотидам ДНК;

• елонгація транскрипції – фермент просувається вздовж ланцюга ДНК, і відбувається нарощування комплементарного ланцюга іРНК; по ходу фермента подвійна спіраль ДНК поступово розкручується і знову закручується;

• термінація транскрипції – завершується синтез іРНК на матриці ДНК; синтезована іРНК (про-іРНК) виходить із ядра в цитоплазму і там «дозріває»: зайві ділянки «вирізаються» редуктазами (рестриктазами) (цей процес має назву сплайсинг), а потрібні – «зшиваються» лігазами.

ІІ. Трансляція – синтез поліпептидного ланцюга на матриці іРНК між субодиницями рибосоми з участю ферментів синтетаз; відбувається в цитоплазмі (на гранулярній ЕС); включає такі стадії:

• приєднання іРНК до рибосоми – іРНК проходить між субодиницями рибосоми – у функціональному центрі рибосоми одночасно вміщуються 2 триплети (згодом на одну іРНК, як правило, нанизується кілька рибосом – формується полісома);

• активація амінокислот і їх приєднання до тРНК – з участю фермента аміноацил-тРНК-синтетази і з використанням енергії АТФ амінокислоти приєднуються до відповідних тРНК – утворюються аміноацил-тРНК-комплекси (при цьому амінокислоти набувають енергії активації, необхідної для утворення пептидного зв’язку);

• ініціація трансляції – у функціональному центрі рибосоми до сигнального кодона іРНК (АУГ) за допомогою комплементарного антикодона (УАЦ) приєднується тРНК, яка несе метіонін; до наступного кодона також приєднується певна тРНК з амінокислотою; дві амінокислоти опиняються поруч, і між ними виникає пептидний зв'язок;

• елонгація трансляції – рибосома робить «крок» по іРНК в напрямку 5´-3´, посуваючись на три нуклеотиди; тРНК, яка приєдналась першою, від’єднується, а у функціональний центр рибосоми потрапляє новий аміноацил-тРНК-комплекс; пептидний зв'язок виникає між другою і третьою амінокислотами; рибосома «крокує» (1 «крок» – 1 триплет), і поліпептидний ланцюг нарощується (перші кілька амінокислотних ланок становлять так звану сигнальну послідовність);

• термінація трансляції – на шляху рибосоми опиняється один із нонсенс-кодонів – синтез припиняється.

ІІІ. Формування нативної структури білка – під час нарощення поліпептидного ланцюга починає формуватись просторова конфігурація молекули, а після завершення синтезу від неї від’єднується сигнальна послідовність, і вона набуває остаточної структури (в ЕС та комплексі Гольджі може відбуватись модифікація окремих амінокислотних радикалів).

95% ДНК не кодує ні білків, ні РНК. Функції цієї ДНК вивчені недостатньо. Відомо, що частина її бере участь у формуванні хромосом, а частина – формує спейсери («розділові знаки» між генами).

5% ДНК складають кодуючі ділянки (гени), які, в свою чергу, містять ділянки екзони (кодують білок) та інтрони (кодують непотрібні фрагменти іРНК, які «вирізаються» при «дозріванні»).

Механізм регуляції білкового синтезу було з’ясовано у 1961 році Жакобом і Моно та продемонстровано на прикладі моделі галактозного оперона кишкової палички.

До складу оперона у визначеній послідовності входять: ген-регулятор, ген-промотор (функції розглядались вище), ген-оператор, структурний ген (функції розглядались вище).

У моделі галактозного оперона структурний ген несе інформацію про синтез фермента β-галактозидази. Ген-регулятор кодує структуру білка-репресора (білок-репресор синтезується в неактивній формі). Якщо концентрація β-галактозидази сягає порогового рівня, то білок-репресор активізується і взаємодіє з геном-оператором. Ген-оператор блокує активність структурного гена (не відбувається транскрипція і, відповідно, трансляція – припиняється синтез β-галактозидази).

Біохімічні реакції, які відбуваються на основі «зчитування» інформації за принципом комплементарності нуклеотидів (реплікація РНК, транскрипція, трансляція), називаються реакціями матричного синтезу.