5. Биосинтез белка.

Биосинтез белка – это процесс реализации генетической информации. В клетках любого организма существует единая белок-синтезирующая система, в которую входят нуклеиновые кислоты ДНК, т-РНК, и-РНК. Для того чтобы белок синтезировался генетическая информация о последовательности нуклеотидов должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию

Транскрипция – это процесс матричного синтеза, заключающийся в переносе генетической информации с двухцепочечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. Транскрипция представляет собой ферментативный процесс, который у эукариот катализируется тремя типами РНК-полимераз: РНК-полимераза I – отвечает за синтез р-РНК; РНК-полимераза II - участвует в синтезе и-РНК; РНК-полимераза III - контролирует синтез т-РНК. Синтез самих РНК-полимерах контролируется хромосомными генами.

Транскрипция никогда не начинается и не заканчивается в любом месте ДНК-матрицы. На ДНК имеются специфические стартовые точки, которым молекулы фермента присоединяются, и специфические конечные участки, где они освобождаются. РНК-полимераза выбирает также цепь ДНК, которую она должна копировать.

Область, к которой присоединяется РНК-полимераза, называется промотором. У эукариот стартовой точкой является аденин, по обе стороны от которого располагаются пиримидины:

ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-А-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ.

Для того чтобы фермент узнавал стартовые точки, должна сохраняться двуцепочечная структура ДНК, так как на одиночной цепи РНК-полимераза может ошибиться в выборе стартовой точки и начать транскрипцию любого участка. После выбора стартовой точки на двойной спирали ДНК РНК-полимераза разъединяет её на отдельные участки, присоединяется к одной из них и использует её в качестве матрицы для транскрипции.

Транскрипция, как и любая реакция матричного синтеза, протекает в три стадии.

Инициация – распознавание РНК-полимеразой промотора и сборка первых 8 рибонуклеотидов.

Элонгация – дальнейший рост цепи за счет присоединения рибонуклеотидов.

Терминация – завершение процесса транскрипции и прекращение роста цепи РНК на специфическом участке ДНК – терминаторе. Он представлен группой последовательностей А-Т, в начале которой располагаются пары Г-Ц, образующие палиндром – участок ДНК, на котором в «+» и «-» цепях в разных направлениях читается одна и та же последовательность азотистых оснований:

5’ – ЦЦА ТГГ - 3’

3’ – ГГТ АЦЦ – 5’.

Достигнув палиндрома, РНК-полимераза прекращает работу.

И-РНК синтезируется в виде предшественника – гетероядерной РНК (гя-РНК), которая, как и ген, имеет интрон-экзонную структуру. Это означает, что гя-РНК разделена на информативные участки – экзоны и участки, не несущие наследственной информации – интроны. Последние располагаются между экзонами таким образом, что генетическая информация записывается прерывистой фразой. Чтобы стать функционально активной гя-РНК должна «созреть», т. е. пройти посттранскрипционный процессинг. При этом из нее последовательно удаляются интроны, затем «сшиваются» (сплайсинг) экзоны (рис. 3). Зрелая и-РНК составляет примерно 1/10 часть от первоначального транскрипта. Порядок расположения в ней триплетов и расстояния между ними совпадает с таковым аминокислот в полипептидной цепи. Далее в сопровождении белков-переносчиков зрелая и-РНК через поры в ядерной мембране поступает в цитоплазму для трансляции.

Трансляция – это процесс своеобразного перевода кодовой последовательности нуклеотидов в реальную первичную структуру полипептида. Центральная роль в нем принадлежит рибосомам – так называемым читающим машинам, которые у эукариот состоят из двух субъединиц – 40S и 60S (S –единица Сведберга; означает скорость седиментации, т. е. осаждения частиц в центрифуге), построенных из белка и РНК. Рибосомы выполняют две важные функции: обеспечивают точное считывание молекул и-РНК, увеличивают эффективность и скорость синтеза полипептида.

Трансляция является матричным синтезом, причем роль матрицы выполняет и-РНК. Процесс протекает по трем классическим стадиям, которым предшествует этап активации аминокислот, поскольку свободные аминокислоты рибосомой не используются.

Инициация – присоединение малой субъединицы к соответствующему центру на и-РНК, который включает в себя метиониновый кодон (старт-кодон) АУГ, поэтому синтез полипептида у экариот всегда начинается с метионина.

Элонгация – многократное повторение цикла ковалентного присоединения аминокислот к растущей цепи.

Терминация – прекращение роста полипептидной цепи стоп-кодонами: УАГ, УАА, УГА.

Биосинтез полипептидной цепи на рибосоме проходит ряд этапов и осуществляется следующим образом.

Этап 1. Активация аминокислот. Активацию аминокислот осуществляют ферменты аминоацил- тРНК-синтетазы. Эти ферменты специфичны по отношению к аминокислотам, т. е. для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза (рис. 4).

Механизм активации аминокислоты: фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат:

АМФ

Аминоацил-тРНК-синтетаза + АТФ + аминокислота = аминоацил-тРНК-синтетаза +

Аминокислота

+ пирофосфат.

В результате образуется тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АМФ – тройной комплекс.

Этап 2. Присоединение к активированной аминокислоте т-РНК. Присоединение активированной аминокислоты происходит за счет эфирной связи между карбоксильной группой аминокислоты и гидроксильной группой рибозы:

Аминоацил- АМФ

тРНК- + т-РНК = аминокислота – т-РНК + аминоацил-тРНК-синтетаза.

синтетаза аминокислота

Строгая специфичность в отношении выбора аминокислоты соответствующей молекулой т-РНК осуществляется за счет взаимодействия аминоацил-тРНК-синтетазы с аминокислотой, с одной стороны, и т-РНК - с другой. Это явление называется двойной специфичностью, т. е. фермент одновременно специфичен и в отношении т-РНК, и в отношении аминокислоты. Молекулы т-РНК, присоединяющие к себе различные аминокислоты, имеют различные последовательности оснований, благодаря чему синтетазы легко узнают их.

Этап 3. Синтез полипептидной цепи в рибосомной системе. Непосредственно синтез полипептидной цепи в рибосомной системе начинается с малой субъединицы с и-РНК. Затем к этому комплексу присоединяется амионацил-тРНК и далее – большая субъединица рибосомы, после чего весь рибосомный комплекс начинает перемещаться в направлении 3’-конца молекулы и-РНК. При этом аминоацильный участок рибосомы (рис. 5) находится впереди, а пептидильный – сзади. В процессе движения комплексы аминоацил-тРНК с антикодоном, комплементарным кодону и-РНК, кодирующему какую-нибудь аминокислоту, поступают в аминоацильный участок рибосомы. Здесь происходит образование пептидной связи между принесенной аминокислотой, входящей в комплекс аминоацил-тРНК, и свободным концом вновь синтезируемой цепи полипептида. После образования пептидной связи т-РНК перемещается в пептидильный участок рибосомы. Одновременно с этим рибосома целиком передвигается в направлении следующего кодона и-РНК, который кодирует местоположение следующей аминокислоты в полипептидной цепи. Молекула т-РНК, которая находится в пептидильном участке рибосомы, отщепляется от него и переходит в цитоплазму, где присоединяет новую аминокислоту. Одновременно к аминоацильному участку присоединяется следующий комплекс аминоацил-тРНК. Соединение аминокислот в полипептидную цепь осуществляется в месте выхода каналоподобной структуры в зазор между большой и малой субъединицами рибосомы так, что синтезируемый полипептид располагается в этой каналоподобной структуре. По завершении синтеза через пору в мембране эндоплазматической сети полипептид поступает в ее внутреннее пространство для формирования окончательной структуры и транспорта белка по месту назначения.

Важным моментом в процессе биосинтеза белка является идентификация – установление совпадения кодона и-РНК с антикодоном т-РНК. Идентификация происходит вследствие комплементарности трех нуклеотидов и-РНК трем нуклеотидам т-РНК, расположенным на выступающей части петли нити т-РНК. Идентификация триплетов т-РНК является необходимым условием биосинтеза полипептидной цепи.

Процесс синтеза белка – ферментативный процесс, представленный серией ферментативных реакций с участием АТФ, которая является источником энергии. Ферментативный механизм построения полипептидной цепи обеспечивает специфичность взаимодействия всех звеньев пути синтеза белка.