3.3. Биосинтез белка
Как известно, ДНК содержит информацию о первичной структуре белка, то есть генетическую информацию. Информация, записанная в первичной структуре белка, представляет собой последовательность нуклеидов.
Генетическая программа в вирусах РНК – тип программы, которая заложена в самих молекулах РНК. Основная проблема генетического кода заключается в выявлении соответствия между последовательностью аминокислотных остатков в белковой цепи.
Белковая цепь собирается непосредственно на двойной спирали ДНК, причем каждая аминокислота располагается в выемке между четырьмя нуклеидами, так как уже указывалось, что белковый текст ДНК (или РНК) – четырехбуквенный. Число нуклеидов, кодирующих один аминокислотный остаток, не может быть менее трех.
Доказано, что каждая выемка на двойной спирали имеет ромбическую форму. Два нуклеотида, как правило, принадлежат одной цепи, а следующих два – другой. Один из нуклеотидов первой цепи образует пару с нуклеотидами второй цепи.
Таким образом, составной код дает 20 «букв». Каждая «буква», то есть ромб, будет состоять из четырех нуклеотидов. Сочетание четыре по четыре, то есть 44=256.
Кодовое отношение было найдено экспериментально в результате генетических исследований, проведенных Ф.Х. Криком в 1961 г. Было доказано, что код универсален для всех организмов, начиная вирусами и кончая человеком. Код не может возникнуть в результате случайных встреч аминокислот. Он должен «набираться» на некоторой матрице.
матрицами являются молекулы ДНК и РНК. Для «набора текста» необходим генетический код. Матричная, или информационная, РНК переносит генетическую информацию от хромосом, в которых она находится, к рибосомам, на которых и реализуется биосинтез. Для биосинтеза необходим исходный материал – аминокислоты, которые фигурируют в клетке в свободном виде. Рибосомы представляют собой нуклеопротеидные частицы, которые состоят из белков и рибосомных РНК (рРНК).
Рибосомы обеспечивают надлежащее взаимодействие мРНК с тРНК, несущими аминокислоты, и поликонденсацию аминокислот в полипептидную цепь.
Как уже отмечалось, существует четыре типа РНК. В данном случае, при биосинтезе, информация, содержащаяся в генах, то есть в ДНК, перейдет в мРНК, то есть в так называемую «центральную догму» [ДНК->РНК->белок].
Вдоль одной цепи мРНК перемещается не одна, а ряд рибосом, на каждой из которых растет своя белковая цепь.
Система мРНК-рибосомы похожа на нитку с бусами (рис. 3.2) и называется полисомой. Синтез белковой цепи в полисоме есть перевод (трансляция) нуклеотидного текста в аминокислотный, происходящий с помощью генетического кода, то есть кодоаминокислотного словаря.
Таким образом, белковая цепь синтезируется из аминокислот, и далее из белковой цепи собирается биологически функциональная молекула белка.
Все сложные этапы биосинтеза характеризуются единым принципом, лежащим в основе молекулярной биофизики. Это принцип молекулярного узнавания, которое реализуется посредством слабых взаимодействий. В биосинтезе белков участвуют четыре типа ранее упомянутых нуклеиновых кислот: ДНК, мРНК, рРНК и тРНК. «Узнают» друг друга нуклеотиды комплиментарных цепей ДНК, нуклеотиды ДНК и мРНК, колонны мРНК и аминокислоты тРНК.
Узнавание реализуется и при взаимодействии нуклеиновых кислот с ферментами и рибосомами. В настоящее время рекомбинантные ДНК получают путем размножения двух спиралей ДНК. Этим занимается вновь возникшая наука - генная инженерия.
Рис. 3.2. Общая схема биосинтеза белка
Разрезание двойной спирали проводится с помощью специальных ферментов - рестриктаз. Полученный результат анализируется с помощью электрофореза в полиакриламидном геле. Такими методами генной инженерии определяют последовательность нуклеидов в ДНК, то есть структуры генов.
В настоящее время проводится синтез полных структурных генов и их внедрение в плазмоды или фаги, с помощью которых и размножаются молекулы ДНК. С помощью ДНК–транскритов осуществляется выделение генов.
Таким образом, генная инженерия обязана своим возникновением обратной транскрипции, которая позволяет изучить геномы вирусов, расшифровать молекулярные дефекты, лежащие в основе наследственных болезней крови, изучить молекулярные механизмы, ответственные за трансформацию нормальных клеток в опухолевые.
Трансляция – это перевод полинуклеотидного текста ДНК и мРНК в аминокислотный, белковый текст. Этот перевод происходит в комплексах рибосом с полирибонуклеотидными цепями, то есть в полисомах.
Структура рибосом изучается с помощью электронной микроскопии. Они представляют собой округлые гранулы диаметром 15…20 нм. В них находится РНК. Рибосомные РНК составляют примерно 65% сухого веса рибосом, белки – 35%.
Трансляция начинается с инициализации, то есть с синтеза первой пептидной связи. Далее происходит последовательная поликонденсация аминокислот. На протяжении всей трансляции растущий полипептид удерживается на рибосоме. Присоединение каждого следующего аминоацила идет на С-конце полипептида. Этот аминоацил пристраивается путем замещения тРНК на комплекс «аминоацил-тРНК». Этот процесс повторяется многократно в каждой рибосоме. Доказано, что в целом биосинтез белка определяется скоростями транскрипции и трансляции.
Первые опыты расшифровки генетического кода и его смысла были проведены Н.У. Ниренбергом (1961 г.). Он вводил синтетические полирибонуклеотиды в бесклеточную систему, которая содержала рибосомы, набор тРНК, АТФ и все необходимые ферменты, но не содержала ДНК и мРНК (система из разрушенных клеток). Исследователь наблюдал, что аминокислоты включаются в полипептидную цепь. Это было доказано путем центрифугирования и отмывания рибосом и тРНК. К смеси данных двух очищенных фракций добавлялась система, генерирующая АТФ-источник энергии. В бесклеточную систему вводились синтетические полирибонуклеотиды и изучалось включение меченых 14С аминокислот во фракцию, нерастворимую в полипептиде.
Таким бразом, оказалось возможным «обмануть» биологическую систему. Вместо природной (мРНК) рибосомы взаимодействовали с синтетическими полирибонуклеотидами.
В последующих опытах Н.У. Ниренберг использовал не полинуклеотиды, а тринуклеотиды известного строения. В данном случае в системе образовывались комплексы «тринуклеотиды – (тРНК) – аминокислоты» (аминоацил).
Были изучены все тРНК, которые последовательно связывались с мечеными аминокислотами. Так, были исследованы все 64 триплета и установлено, с какими аминокислотами они связаны.
Окончательную расшифровку, подтвердившую эти результаты, провел Х.Г. Корана (1966 г.). Им синтезировалась двойная спираль ДНК. Обе цепи спирали содержали комплиментарные, повторяющиеся n раз, триплеты. Причем каждая из цепей служила матрицей для транскрипции – синтеза полирибонуклеотида с помощью РНК – полимеразы. Таким образом, Х.Г. Корана получил две цепи, имитирующие мРНК с известной последовательностью повторяющихся триплетов. Обе цепи вводились в бесконечную систему, и определялось включение аминокислоты в полипептидную фракцию по методу Н.У. Ниренберга.
Эти опыты позволили проверить шесть кодонов (триплетов) в одном многостадийном синтезе. Полученный генетический код является универсальным. Основные кодоны действуют аналогичным образом в различных организмах. Универсальность кода доказывается размножением фагов и вирусов в клетках. Расшифровка генетического кода – это крупнейшее достижение молекулярной биологии и биофизики.
Таким образом, доказано, что для биосинтеза белка, для "набора текста" служат молекулы ДНК и РНК, то есть необходим генетический код. Матричный информационный принцип биосинтеза белка является основным для молекулярной биологии и молекулярной биофизики. Матричная, или информационная, РНК приносит генетическую информацию и реализует биосинтез. Для биосинтеза необходим исходный материал. Им служит аминокислота. Аминокислоты фиксируются в клетке в свободном виде. Биосинтез белка происходит на рибосомах. Последовательность событий биосинтеза белка является очень сложным, но все этапы характеризуются одним принципом, который лежит в основе молекулярной биофизики - это молекулярное узнавание, которое реализуется слабым взаимодействием. В биосинтезе участвуют четыре типа нуклеиновых кислот – ДНК, мРНК, рРНК, тРНК, которые узнают друг друга. Таким образом, нуклеиновые кислоты являются ответственными за биосинтез белков. В этом и состоит их так называемая «законодательная функция».
В свою очередь, «исполнительной властью» обладают белки - непрерывные участники всех процессов жизнедеятельности. Белки – ферменты, катализирующие все химические, электрохимические, механические процессы в клетках и организмах. Важнейшей функцией белка является ферментативная. Специализированные ферменты служат катализаторами всех метаболических реакций. Белки являются регуляторами генетических функций нуклеиновых кислот. Движение клеток и организмов, выполнение ими механической работы (например, мышечной) производится особыми сократительными белками, которые служат рабочими веществами этих процессов. Сократительные белки выполняют ферментативную АТФ-физную функцию, реализуют превращения химической энергии в механическую работу. Другие мембранные белки отвечают за транспорт молекул и ионов через мембраны клеток, за генерацию и распространение нервного импульса. Таким образом, белки определяют все метаболические и биоэнергетические процессы. Гамма-глобулины высших организмов защищают их от чужеродных биополимеров, функционируя в качестве антител в иммуных процессах. Итак, можно сказать, что белки являются обязательными участниками записания - передачи, трансформации и рецепции химических сигналов - макромолекул, молекул и ионов - в живых системах. Молекулы белков - самые сложные молекулы, известные науке. Так, глобулины - апериодические кристаллы сложной структуры. Наряду с глобулярными, существуют фибриллярные белки, сократимые и опорные. Большую роль играет денатурация белков - это утрата ими биохимической функции при нагревании.
В основные задачи физики белка входят:
1) теоретические и экспериментальные исследования структуры белковых молекул;
2) исследования, связанные между первичной структурой белковой цепи и пространственной структурой нативной макромолекулы;
3) изучение физических механизмов, лежащих в основе различных функций белков, прежде всего ферментной активности.