Биосинтез белка

Биосинтез белка - важнейший этап обмена веществ. Он представляет собой процесс реализации наследственной информации.о химической природе синтез белка –это матричная реакция, в которой роль матрицы выполняет молекула иРНК, в свою очередь копирующая участок молекулы ДНК

Процесс синтеза происходит в интерфазе клеточного цикла с затратой энергии при участии рибосом, молекул тРНК, а также ферментов. Будучи одним из самых сложных химических процессов в природе, данная реакция может рассматриваться и с позиций информатики. В ходе биосинтеза белка генетическая информация, которая содержится в ядре в виде последовательности нуклеотидов ДНК, сначала воспроизводится в последовательности нуклеотидов молекулы иРНК, а затем переводится в принципиально иную знаковую систему — последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи. Важно подчеркнуть, что при описании этих процессов такие термины, как «информация», «запись», «считывание» и т. п., используются не как образные выражения, а в соответствии со своим буквальным смыслом. Например, один и тот же текст может быть отпечатан на листе бумаги на русском языке кириллицей, написан от руки на пергаменте по-латыни или высечен на камне китайскими иероглифами. Во всех этих случаях внешний облик записи, ее размеры, так же как и материальная природа носителя, не отражаются на содержащей явней информации.

В процессе биосинтеза белка можно выделить два этапа. Первый представляет собой воспроизведение определенного, законченного по смыслу объема генетической информации в виде последовательности нуклеотидов РНК. Этот процесс называется транскрипцией и включает в себя матричный синтез РНК и ее последующее «созревание» Объем наследственной информации, соответствующий такой «единице транскрипции», называется геном. Близким аналогом процесса транскрипции можно считать выписку фрагмента текста из толстой книги на русском языке, выполненную тем же алфавитом, например, по-украински.

Второй этап (трансляция) представляет собой перевод предварительно выбранного и скопированного фрагмента наследственной информации в другую знаковую систему — последовательность аминокислотных остатков. Согласно рассмотренной выше аналогии этот процесс можно представить как перевод выписки из книги на иной язык (например, английский или китайский). Перевод информации с одного языка на другой требует наличия правил соответствия символов обоих языков. Эту роль в процессе трансляции выполняет генетический код, согласно которому каждая аминокислота обозначается в молекуле нуклеиновой кислоты последовательностью из трех следующих друг за другом нуклеотидов. Такая последовательность (триплет) нуклеотидов, обозначающих какую-либо аминокислоту, называется единицей генетического кода, или кодоном. Аналогом этого элемента в письменных языках является буква. Согласно правилам комбинаторики, из четырех элементов можно составить с учетом порядка расстановки 64 сочетания по три.

Аминокислот в составе белков содержится 20. Одна и та же аминокислота может обозначаться двумя, тремя или даже шестью кодонами (подобно тому, как в письменных языках один и тот же звук может обозначаться несколькими буквами), но при этом каждый кодон соответствует только одной-единственной аминокислоте. Существует также шесть «бессмысленных» кодонов, не несущих информации о какой-либо аминокислоте и выполняющих служебные функции.

Свойства генетического кода. Расшифровка генетического кода стала возможной после открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК. Первый расчет генетического кода был сделан американским ученым русского происхождения Г.А. Гамовым в 1960-х годов.

Триплетный генетический код является неперекрывающимся, т. е. каждый нуклеотид может входить в состав только одного кодона. Как уже говорилось, одна и та же аминокислота может обозначаться несколькими кодонами-синонимами. Это свойство называется вырожденностью генетического кода. Генетический код не имеет пробелов «запятых», т. е. кодоны ничем не отделены друг от друга. Считывание генетической информации происходит с определенной фиксированной точки в одном направлении.

Для того чтобы текст, записанный в любой знаковой системе, поддавался прочтению, в нем должны существовать, по крайней мере, два вида условных обозначений. Одно (заглавная буква, красная строка) символизирует начало считывания. В генетическом коде эту функцию выполняет особый, так называемый инициирующий кодон. У прокариот, например, это триплет АУГ, одновременно кодирующий аминокислоту метионин. Второе условное обозначение (точка) соответствует концу считывания. В генетическом коде эту роль выполняет комбинация «бессмысленных» триплетов, например, трижды повторенный УАА. Пробелы между словами, кавычки и другие знаки препинания, (сравнительно поздно появившиеся и в письменной речи), в генетическом коде отсутствуют.

Генетический код позволяет поместить в ограниченный объем хромосомного аппарата клеток практически неограниченный объем информации. Это достигается несколькими способами. В зависимости от заданного режима трансляции инициирующий кодон может выступать как условный знак начала считывания и как смысловой кодон (не случайно он не является «бессмысленным»; аналогичным образом в письменных языках начало считывания обозначает заглавная буква, а не беззвучный знак препинания). В соответствии с режимом трансляции полипептидная цепь может содержать различное число аминокислотных остатков в зависимости от места начала синтеза. Такие белковые молекулы могут иметь большие совпадающие участки полипептидных цепей, но разную вторичную структуру, определяющую их различные биологические свойства.

Многие пептидные соединения осуществляют свои биологические функции в составе различных структур, включающих по нескольку по цепей, иногда связанных c функциональными группами небелковой природы. Наконец, полипептидная цепь, транслированная как единое целое, может в дальнейшем подвергнуться фрагментации с образованием нескольких белковых молекул меньшей молекулярной массы. Это характерно, например, для целого ряда пептидных гормонов млекопитающих и человека. Подобные превращения способствуют многократному увеличению многообразия белковых соединений.

Синтез полипептидной цепи Порядок синтеза полипептидных цепей включает в себя четыре последовательные стадии. Первым этапом является инициация, или запуск механизмов синтеза. В начале этой стадии рибосома вступает во взаимодействие с молекулой иРНК (матричной) и присоединяется к ней, перекрывая участок, приблизительно соответствующий двум кодонам, обозначенным на рис. 38 как К11 и К22. На следующем этапе происходит взаимодействие рибосомы с молекулами тРНК, несущими соответствующие аминокислоты. При случайном соударении в результате теплового («броуновского» движения к рибосомам присоединяются только такие тРНК, «опознавательный» участок которых представляет собой триплет нуклеотидов, комплементарный триплету, перекрытому в настоящий момент рибосомой (антикодон). Таким образом, с рибосомой оказываются связанными две тРНК- несущие аминокислоты, соответствующие триплетам К1 и К2. В том случае, если тРНК несет «нужную» аминокислоту, но имеет другой антикодон, ее взаимодействие с рибосомой невозможно.

После присоединения тРНК к рибосоме происходит переброс аминокислоты с первой тРНК на вторую с образованием дипептида. После этого рибосома смещается по молекуле иРНК на один кодон вперед, в результате чего вторая тРНК с дипептидом занимает на рибосоме тот участок, который занимала первая. Та в свою очередь отсоединяется от рибосомы, а освободившееся место занимает тРНК с антикодоном, соответствующим вновь перекрытому триплету К3. Далее происходит переброс дипептида со второй тРНК на третью, сдвиг рибосомы вперед и так далее до тех пор, пока рибосома не встретит комбинацию «бессмысленных» кодонов, обозначающих конец синтеза, после чего она отделяется от иРНК. Окончательно достройка молекулы белка (например, объединение нескольких полипептидных цепей в одной четвертичной структуре) происходит на мембранах эндоплазматической сети. Весь цикл процессов, связанных с синтезом одной белковой молекулы, занимает в среднем 1-3 с. Одновременно на молекуле иРНК может располагаться несколько работающих рибосом, составляющих вместе полирибосому, или полисому.

У прокариот процессы транскрипции и трансляции идут параллельно со сдвигом во времени. Когда один конец молекулы иРНК еще продолжает реплицироваться на матричной ДНК, другой уже может принимать участие в процессе трансляции. У эукариот молекула иРНК перед поступлением на гранулярную эндоплазматическую сеть подвергается ряду химических превращений. Важно подчеркнуть, что рибосомный аппарат клетки не обладает способностью анализировать считываемую наследственную информацию. Поэтому при нарушении структуры генетического аппарата клетки — самопроизвольно (мутационный процесс) или в результате заражения клетки вирусной нуклеиновой кислотой (см. § 16) — в клетке могут синтезироваться видоизмененные белки, в том числе такие, присутствие которых может нанести клетке непоправимый ущерб.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чем заключается роль ДНК и РНК в процессе биосинтеза белка?

2. Перечислите основные свойства генетического кода.

3. Какой этап биосинтеза белка называют трансляцией?

4. Что такое полирибосома (полисома)?

5. Какие химические соединения принимают участие в процессе биосинтеза белка?

6. Почему биосинтез белка называют реализацией наследственной информации?

7. Используя знания по математике, объясните, почему из четырех разновидностей нуклеотидов можно составить 64 сочетания по три.

8. Используя знания по информатике, укажите черты сходства между генетического кода и языками программирования.