12.Биосинтез белка

Биосинтез белка является важнейшей составной частью обмена веществ и энергии в организме и представляет часть совокупности процессов ассимиляции. Его удобно рассмотреть в данном подразделе, так как процесс биосинтеза белков тесно связан с понятиями, разбираемыми при изучении нуклеиновых кислот. Синтез белков в организмах — матричный процесс, его иначе называют трансляцией. Данный процесс является экзотермическим, поэтому для его осуществления необходима энергия, которую организм получает при гидролизе АТФ до АДФ и фосфорной кислоты. Белки синтезируются в присутствии различных ферментов — синтетаз из смеси природных альфа-аминокислот (их 20-22) при участии иРНК и тРНК на полисомах. Полисома — комплекс рибосом, «нанизанных» на молекулу иРНК. Рибосома — органоид клетки, строение которого приспособлено для биосинтеза белка. Она состоит из двух частей — малой и большой субъединиц, между которыми находится канал, куда входит иРНК и подходит тРНК, несущая аминокислоту. Большая субъединица рибосомы также пронизана каналом, соединяющимся своим отверстием с отверстием в эндоплазматической сети, на которой расположена рибосома. В этом канале располагается синтезируемая полипептидная цепь, которая из канала поступает в гиалоплазму (жидкую часть цитоплазмы).

Информация о характере полипептидной цепи содержится в иРНК и кодируется с помощью кодонов. Кодон — триплет строго определенных остатков РНК-нуклеотидов (три последовательно соединенных остатка), соответствующих определенной аминокислоте.

Установлено, что из четырех нуклеотидов можно получить 64 сочетания триплетов, которые могут соответствовать определенной аминокислоте. Так как природных альфа-аминокислот 20 (или 22), то конкретной аминокислоте соответствует несколько кодонов. Минимальное число кодонов, соответствующих отдельной конкретной кислоте — два, а для некоторых аминокислот (вероятно, наиболее важных) характерно 4 или даже 6 кодонов. Так, фенилаланин в иРНК кодируется кодонами УУУ и УУЦ, аспарагиновая кислота — ААУ, ААЦ, ГАУ и ГАЦ; серин — АГУ и АГЦ; аланин ГЦЦ, ГЦУ и т. д.

Помимо кодонов, соответствующих определенной аминокислоте, существует три терминирующих кодона, определяющих начало синтеза и завершающих синтез полипептидной цепи. Кодоны содержатся в иРНК. Им соответствуют (по правилу комплементарности) антикодоны, содержащиеся на вершинах крестообразных форм молекул тРНК; антикодонов столько же, что и кодонов, т.е. 64, поэтому существует 64 разновидности молекул тРНК.

Процесс биосинтеза белков полипептидной цепи белковой молекулы, из которой впоследствии формируется нативная структура молекулы белка, можно представить в виде последовательных операций:

1. Возникает функциональный центр рибосомы (ФЦР), состоящий из информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК) и рибосомы; иРНК внедряется в малую субъединицу рибосомы вначале одним триплетом в аминокислотный активный центр (А-центр — центр узнавания аминокислоты).

2. В цитоплазме, окружающей рибосому, содержатся различные транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК), из которых тРНК, несущая антикодон начала синтеза молекулы белка, входит в ФЦР и за счет принципа комплементарности присоединяется к кодону иРНК, находящемуся у А-центра.

3. ИРНК перемещается во второй центр ФЦР — пептидный центр (П-центр) — его иначе называют «активный центр присоединения аминокислоты» к пептидной цепи (итак, в функциональном центре рибосомы содержится два активных центра — А-центр и П-центр, каждый из которых содержит по одному триплету, а, в целом два кодона, соответствующих определенной аминокислоте, или кодонам начала или окончания синтеза полипептидной цепи — в зависимости от этапа синтеза белковой молекулы). В конце «шага» 3 в рибосому внедрилась иРНК на два триплета, заняв оба активных центра, при этом в П-центре находится кодон начала синтеза молекулы белка, а в А-центре — кодон молекулы аминокислоты, начинающей пептидную цепь, к которому прикреплена антикодоном тРНК, несущая информацию о начале синтеза белковой молекулы.

4. Из цитоплазмы в ФЦР поступает тРНК, несущая аминокислоту, начинающую полипептидную цепь и своим антикодоном прикрепляется к кодону иРНК, находящемуся в А-центре.

5. Происходит перемещение участка иРНК из А-центра в П-центр, а кодон иРНК из П-центра выходит из ФЦР в цитоплазму. От этого кодона отделяется тРНК, несущая информацию о начале синтеза белка, и попадает в цитоплазму (в дальнейшем эта тРНК вновь используется для синтеза новой белковой молекулы, возможно, даже во вновь формируемой полисоме на иРНК, которую мы описываем).

6. Из цитоплазмы в ФЦР поступает тРНК, несущая аминокислоту, остаток которой является вторым от начала полипептидной цепи. Антикодон этой тРНК прикрепляется к кодону иРНК, находящемуся в А-центре.

7. Кодон иРНК, находящийся в П-центре, перемещается вместе с тРНК, которая перенесла аминокислоту, начинающую полипептидную цепь в цитоплазму, а «начинающая цепь аминокислота» остается в канале большой субъединицы рибосомы. Одновременно с этим процессом кодон иРНК, несущий вторую аминокислоту из А-центра, перемешается в П-центр и остаток второй аминокислоты соединяется с первой аминокислотой, образуя дипептид (А-центр при этом освобождается).

На следующих этапах процесс протекает аналогично процессу 7, при этом возможна остановка синтеза, а затем ее продолжение. В конечном счете происходит присоединение к полипептидной цепи остатка аминокислоты, завершающей полипептидную цепь, и в А-центре оказывается кодон завершения синтеза белковой молекулы, к которому поступает тРНК, несущая информацию о завершении синтеза молекулы. Далее этот комплекс поступает в П-центр, а затем вся иРНК (и ее последний триплет) поступают в цитоплазму. На этом синтез полипептидной цепи завершается, и начинается формирование остальных структур белковой молекулы (вторичной, третичной и четвертичной — если последняя структура характерна для данной молекулы белка).