7.4. Етапи синтезу білка

Синтез білка представляє собою циклічний багатоступінчатий енергозалежний процес, в якому вільні амінокислоти полімеризуються в генетично детерміновану послідовність з утворенням поліпептидів. Система білкового синтезу, точніше, система трансляції, яка використовує генетичну інформацію, транскибіровану в мРНК, для синтезу поліпептидного ланцюга з зазначеною первинною структурою, включає близько 200 типів макромолекул — білків і нуклеїнових кислот. Серед них близько 100 макромолекул, що беруть участь в активуванні амінокислот і їх перенесенні на рибосоми (все тРНК, аміноацил-тРНК-синтетази), більше 60 макромолекул, що входять до складу 70S або 80S рибосом, і близько 10 макромолекул (званих білковими чинниками), що беруть безпосередню участь в системі трансляції. Не розбираючи детально природу інших важливих для синтезу чинників, розглянемо детально механізм індивідуальних шляхів синтезу білкової молекули в штучній синтезуючій системі. Перш за все, за допомогою ізотопного методу було з'ясовано, що синтез білка починається з N-кінця і завершується С-кінцем, тобто процес протікає у напрямі NH2 ( COOH.

Білковий синтез, або процес трансляції, може бути умовно роздільний на два етапи: активування амінокислот і власне процес трансляції.

Активування амінокислот

Необхідною умовою синтезу білка, який кінець кінцем зводиться до полімеризації амінокислот, є наявність в системі не вільних, а так званих активованих амінокислот, що мають в своєму розпорядженні свій внутрішній запас енергії. Активація вільних амінокислот здійснюється за допомогою специфічних ферментів аміноацил-тРНК-синтетаз в присутності АТФ. Цей процес протікає в дві стадії, причому обидві каталізують одними ферсентом. На першій стадії амінокислота реагує з АТФ і утворюється пірофосфат і проміжний продукт, який на другій стадії реагує з відповідною 3'- ОН-ТРНК, внаслідок чого утворюється аміноацил -тРНК (аа-тРНК) і звільняється АМФ. АМІНОАЦИЛ-ТРНК має в своєму розпорядженні необхідний запас енергії. Необхідно підкреслити, що амінокислота приєднується до кінцевого 3'- ОН-ГИДРОКСИЛУ (або 2'-ОН) АМФ, який разом з двома залишками ЦМФ утворює кінцевий триплет ЦЦА, що є однаковим для всіх транспортних РНК.

8. Взаємозв,язок обміну білків, жирів і вуглеводів.

Обмін речовин в організмі як один з основних проявів життєдіяльності – єдиний біологічний процес. Всі перетворення речовин і енергії, процеси синтезу і розкладання, анаболізму і катаболізму взаємозв'язані, взаємозумовлені і тонко координовані нейрогуморальними механізмами, що забезпечує існування організму як єдиної впорядкованої високоорганізованої системи.

Обмін основних класів органічних сполук – білків, вуглеводів і ліпідів – є єдиним метаболічним процесом, який підлягає основним діалектичним закономірностям взаємозалежності, взаємоузгодженості і взаємоперетворення. Тому неможливо уявити в живих системах ізольованого перетворення кожного з цих класів органічних сполук. У клітинах організму перетворення жирів, білків і вуглеводів, їх розщеплення і синтез здійснюються одночасно й узгоджено, внаслідок чого забезпечується сукупність метаболічних реакцій, які становлять гармонічний баланс організму, що нормально функціонує.

З біохімічної точки зору взаємозв'язок між перетворенням вуглеводів, білків і ліпідів виявляється в тому, що з вуглеводів їжі за певних умов можуть утворюватись ліпіди, а з білків – вуглеводи. Тому при нестачі вуглеводів потреба в білках зростає, а недостатнє надходження ліпідів може компенсуватись вуглеводами.

Взаємозв'язок між цими класами органічних сполук можна розглядати в двох аспектах – перетворення вуглеводів на ліпіди (ліпогенез за рахунок вуглеводів) і перетворення ліпідів на вуглеводи.

Синтез жирів із вуглеводів. Протікання процесу перетворення вуглеводів на ліпіди було доведено численними спостереженнями й експериментальними дослідженнями. У людей, які споживають велику кількість борошняних і кондитерських виробів, часто спостерігається ожиріння. З енергетичної точки зору процес перетворення вуглеводів на жири слід розглядати як депонування енергії, хоч синтез жиру теж супроводжується певними енергетичними затратами, які компенсуються під час окислення їх до кінцевих продуктів.

З біохімічної точки зору процес перетворення вуглеводів на жири можна досить легко обґрунтувати. Відомо, що молекула жиру побудована з гліцерину і вищих жирних кислот. Отже, основні процеси перетворення вуглеводів у ліпіди зводяться до утворення цих основних компонентів жиру.

Біосинтез вищих жирних кислот, необхідних для синтезу ліпідів, здійснюється за участю центрального метаболіту вуглеводного обміну – піровиноградної кислоти, в результаті окислювального декарбоксилування її і утворення активного ацетату – ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступає у реакцію конденсації, внаслідок чого утворюється ацетооцтова кислота, з якої далі синтезуються одноосновні високомолекулярні кетокислоти, які беруть участь в утворенні жирних кислот.

Отже, синтез жирних кислот із вуглеводів здійснюється через ацетил-КоА. Це припущення повністю підтверджено дослідженнями з застосуванням мічених атомів. Так, при введенні в організм оцтової кислоти, міченої атомами радіоактивного вуглецю (¹⁴С), їх було виявлено в ацетооцтовій кислоті і високомолекулярних жирних кислотах – складових компонентах жиру. Активна форма гліцерину і жирні кислоти (у вигляді ацил-КоА) використовуються для синтезу жиру.

Нижче наведено загальну схему перетворення вуглеводів на ліпіди.

Синтез вуглеводів із ліпідів. Питання про можливість синтезу вуглеводів із ліпідів довгий час було дискусійним, оскільки існувало дві протилежні точки зору. Однак на основі численних досліджень і експериментальних даних було доведено можливість синтезу вуглеводів із ліпідів, хоч цей процес не є обов'язковим для організму і частіше спостерігається за певних фізіологічних умов.

Важливим підтвердженням можливості синтезу вуглеводів із ліпідів послужили дані з вивчення проміжних продуктів обміну вуглеводів та ліпідів в організмах людини і тварин, а також ферментних систем, які каталізують ці реакції. Виявилось, що спільним проміжним продуктом обміну вуглеводів і ліпідів є ацетил-КоА, який утворюється під час β-окислення жирних кислот і окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти. Саме ацетил-КоА і є сполучною ланкою між обміном вуглеводів і ліпідів і становить молекулярну основу перетворення вуглеводів на ліпіди і ліпідів на вуглеводи.

Однак це не означає, що весь ацетил-КоА, що утворюється під час β-окислення жирних кислот, використовується для синтезу вуглеводів, а утворена при розщепленні вуглеводів ацетооцтова кислота перетворюється на жири.

Крім синтезу вуглеводів з ацетил-КоА незначна кількість їх може утворюватись із гліцерину – продукту розщеплення жирів шляхом окислення його в діоксіацетонмонофосфат і гліцеринальдегідмонофосфат. Разом з цим гліцеринальдегідмонофосфат здатний окислюватись до ацетил-КоА, який використовується для синтезу глікогену.

Між обміном цих класів органічних сполук існує тісний взаємозв'язок, який полягає в можливості їх взаємного перетворення в ході метаболічних процесів. При цьому важливим у біологічному відношенні є перетворення білків на вуглеводи і обмежене значення має перетворення вуглеводів на білки.

Синтез вуглеводів із білків. Найінтенсивніше вуглеводи синтезуються з тих амінокислот, які в процесі метаболізму перетворюються на піровиноградну кислоту. Такі амінокислоти дістали назву глюкогенних. Це аспарагінова і глутамінова кислоти, серин і валін, орнітин, цистеїн, гліцин, аланін, метіонін, гістидин та ін. Глюкогенні амінокислоти після переамінування і дезамінування перетворюються на кетокислоти – щавлевооцтову, α-кетоглутарову, піровиноградну. Серед них саме піровиноградна кислота є основним метаболітом, який забезпечує перетворення амінокислот на вуглеводи. Щавлевооцтова й α-кетоглутарова кислоти після декарбоксилювання також перетворюються на піровиноградну кислоту.

Перетворення піровиноградної кислоти у вуглеводи може здійснюватись через ацетил-КоА, який утворюється під час її окислювального декарбоксилювання або внаслідок протилежно напрямлених реакцій гліколізу.

Процес перетворення білків на вуглеводи за звичайних фізіологічних умов протікає незначною мірою, оскільки розщеплення амінокислот направлене переважно в бік утворення кінцевих продуктів.

Синтез білків із вуглеводів. З вуглеводів можна синтезувати амінокислоти, які входять до складу білків. Відомо, що вуглеводи є основним джерелом, з якого в організмі утворюються піровиноградна, щавлевооцтова та α-кетоглутарова кислоти. Дані кетокислоти внаслідок амінування перетворюються на відповідні амінокислоти: аланін, аспарагінову і глутамінову амінокислоти.

Утворення ліпідів із білків. Експериментально встановлено, що при значному вмісті білків у харчовому раціоні частина їх перетворюється на жири. Сполучною ланкою у цьому процесі є піровиноградна кислота, яка утворюється під час дезамінування і переамінування аланіну, серину та інших амінокислот.

Піровиноградна кислота внаслідок декарбоксилювання перетворюється на ацетил-КоА, який може використовуватись для синтезу вищих жирних кислот.

Піровиноградна й оцтова кислоти можуть утворюватись з аспарагінової і глутамінової амінокислот після їх дезамінування і декарбоксилювання. Амінокислоти, які в процесі перетворення утворюють метаболіти, можуть використовуватись для синтезу жирів і називаються кетогенними.

Деякі амінокислоти мають однакову здатність до перетворення в жири і вуглеводи, тобто вони є глюкогенними і кетогенними (ізолейцин, лізин, фенілаланін, тирозин).

З продуктів білкового обміну може синтезуватись також гліцерин. Так, аланін легко перетворюється в піровиноградну кислоту, яка під час зворотного гліколізу перетворюється в діоксіацетонмонофосфат – спільний метаболіт вуглеводного і жирового обміну, а далі легко перетворюється на гліцерин.

Утворення білків із ліпідів. Цей процес в організмах людини і тварин має обмежене значення. Однак частковий синтез замінних амінокислот із жирів може здійснюватись з α-кетокислот – піровиноградної, α-кетоглутарової, щавлевооцтової, тобто з тих амінокислот, які легко піддаються амінуванню і переамінуванню.

Центральне місце в перетворенні ліпідів у білки займає α-кетоглутарова кислота, оскільки вона легко піддається прямому амінуванню за участю аміаку і перетворенню в глутамінову. Оскільки з жирів утворюється незначна кількість кетокислот жири не можуть бути важливим джерелом синтезу білків.

Отже, процеси обміну білків, ліпідів і вуглеводів в організмі взаємозв'язані.