5. Етапи біосинтезу білків

В еукаріотичних клітинах ядро, що містить генетичний матеріал, і цитоплазма, в якій на ЕПС знаходяться рибосоми, що синтезують білок, просторово розмежовані. Тому ДНК безпосередньо в синтезі білка участі не бере і не може бути матрицею для складання поліпептидного ланцюга. Точною копією інформації для синтезу білка в рибосомі є ІРНК, що синтезується на ДНК і копіює її структуру.

• Принцип комплементарності, який визначає будову подвійного лан­цюга ДНК, лежить в основі матричного біосинтезу білка. Реалізація генетичної інформації відбувається в чотири етапи.

а) Перший етап - транскрипція (переписування) - передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на попередник іРНК. Транскрипція проходить не на всій молекулі ДНК, а лише певна ділянка її - ген- є матрицею для відповідної іРНК.

• Спочатку фермент РНК-полімераза - розщеплює певний уча­сток молекули ДНК і вздовж одного з ланцюгів ДНК за принци­пом комплементарності починається синтез молекули про-іРНК. Молекула про-іРНК за допомогою спеціальних ферме­нтів перетворюється в активну форму іРНК (після видалення з неї ділянок, позбавлених генетичної інформації). Синтезована молекула іРНК переходить із ядра в цитоплазму, а ДНК відновлює свою структуру (див. схему на обкладинці).

• 3 молекули ДНК може бути отримано безліч точних копій у ви­гляді молекули ІРНК. Розміри молекули іРНК залежать від обся­гу інформації про розміри молекули білка, закодованої в ній.

б) Другий етап - активація амінокислот. Цей процес відбуваєть­ся у цитоплазмі: амінокислоти, що утворюються при розщеплен­ні білків, зв'язуються із специфічними ферментами і молекула­ми АТФ. Активовані амінокислоти з'єднуються з молекулами тРНК - кожній із 20 відомих амінокислот відповідає певна тРНК.

• У молекулі тРНК є дві важливі ділянки: до однієї з них при­кріплюється відповідна амінокислота, а інша містить триплет нуклеотидів (антикодон), що відповідає коду даної амінокис­лоти в молекулі іРНК. Активовані амінокислоти, сполучені з тРНК, надходять до рибосом, і починається третій етап біо­синтезу білка.

в) Третій етап - трансляція (передача) - процес безпосеред­нього синтезу поліпептидних ланцюгів, переклад послідовно­сті нуклеотидів у молекулі іРНК у послідовність амінокислот­них чішишків в молекулі білка.

• Сигнал про початок синтезу поліпептидного ланцюга дає ста­ртовий кодон іРНК - АУГ, коли до зв'язаної з іРНК рибосоми надходить комплементарна транспортна РНК. Внаслідок цього процесу виникає ініціативний комплекс, який складається з триплету іРНК, рибосоми та певної тРНК.

• Процес синтезу білка полягає у тому, що молекула іРНК руха­ється між двома субодиницями рибосом і до неї послідовно при­єднуються молекули тРНК з активованими амінокислотами.

• За принципом комплементарності кодони іРНК вступають у зв'язок з антикодонами тРНК. Рибосома "ковзає" зліва напра­во по іРНК і складає білкову молекулу. В рибосомі є особлива ділянка - функціональний центр, де відбувається трансля­ція. В ньому знаходяться одночасно два сусідніх триплети іРНК. В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впіз­нає кодон іРНК, а в іншій - амінокислота звільняється від тРНК.

• Рибосома переміщується по іРНК з триплета на триплет не плавно, а переривчасто, "кроками". Закінчивши трансляцію од­ного триплета, вона перескакує на сусідній триплет і на мить зупиняється. Швидкість сполучення амінокислот між собою становить 20-50 за секунду. Тому синтез поліпептидного лан­цюга із 150 амінокислот відбувається за 3-5 сек.

• Після проходження однієї рибосоми по іРНК, на її місце над­ходить друга і т.д. Групи із кількох рибосом у клітині можуть об'єднуватись в один комплекс - полірибосому. Тоді молеку­ла ІРНК проходить всю полірибосому і на ній, як на матриці, відбувається синтез однакових поліпептидних ланцюгів.

• При утворенні білкової молекули від карбоксильної групи од­нієї амінокислоти (-СООН) й аміногрупи сусідньої амінокисло­ти (-NH₂) відщеплюється молекула води, залишки амінокис­лот сполучаються, при цьому утворюється міцний ковалент­ний зв'язок, який називають пептидним (завдяки викорис­танню енергії АТФ).

• Послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка ви­значає його первинну структуру.

• Коли рибосома досягне одного із стоп-кодонів (УАА, УАГ, УГА) на молекулі іРНК, синтез білкової молекули завершується.

• Третій етап біосинтезу білка закінчується сходженням полі­пептидного ланцюга (первинна структура білка) із рибосоми.

г) Четвертий етап – дозрівання (формування) - утворення вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап здійснюється в цитоплазмі.

• Вторинна структура білка - повне або часткове закручування поліпептидного ланцюга у спіраль. Спіраль утримується за рахунок гідрогенних зв'язків між NH-групами одного витка спіралі і СО-групами - сусіднього витка спіралі.

• Третинна структура білка (клубок, або глобула) - закономір­не переплетення ділянок білкового ланцюга, що підтримується зав'язками трьох типів: іонними, гідрогенними й дисульфідними, а також гідрофобними взаємодіями.

• Кілька молекул білка, що перебувають у третинній структурі і взаємодіють між собою, можуть утворювати четвертинну структуру (білок гемоглобіну).

д) Кожна з реакцій біосинтезу білка на всіх етапах забезпечується специфічними ферментами.

є) В процесі біосинтезу білкової молекули витрачається велика кількість енергії АТФ - на приєднання одного амінокислотного залишку до синтезованого поліпептидного ланцюга витрачається енергія розщеплення однієї молекули АТФ.

БІОСИНТЕЗ ВУГЛЕВОДІВ, ЛІПІДІВ І НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

1. Біосинтез вуглеводів

а) Переважну більшість вуглеводів синтезують автотрофні організми, в яких синтез вуглеводів переважає над синтезом біл­ків. Вони утворюють вуглеводи (моносахариди - гексози) з вуглекислого газу і води, які є мономерами для по­будови вуглеводів полімерів - крохмалю, целюлози тощо.

б) В клітинах гетеротрофних організмів вуглеводи синтезуються в обмеженій кількості з інших органічних сполук - жирів і білків. Запасний вуглевод в організмі людини і тварин - глікоген, на­громаджується в печінці і м'язах.

в) Біосинтез моносахаридів відбувається двома шляхами:

• у автотрофних організмів шляхом відновлення С0₂ до глюкози;

• шляхом включення ряду реакцій, завдяки яким зі сполук не вуглеводної природи (піровиноградної та молочної кислот, глі­церину, деяких амінокислот) утворюється глюкоза.

г) Полісахариди в усіх живих організмах утворюються з моноса­харидів у результаті ферментативних реакцій.

2. Біосинтез ліпідів

а) Запасною формою ліпідів є жири. Понад 90% енергії, яка за­пасається в жирах, припадає на жирні кислоти. Жири утворюються з гліцерину і жирних кислот.

б) В організмі людини і тварин жири синтезуються в печінці, клі­тинах кишкового епітелію, підшкірній клітковині, легенях тощо.

в) Деякі тварини мають ферментативні системи, що забезпечу­ють утворення жирів із вуглеводів.

3. Біосинтез нуклеїнових кислот

а) Біосинтез ДНК

В основі біосинтезу ДНК лежить явище реплікації - здатності молекул ДНК до самоподвоєння, яке здійснюється перед кож­ним поділом клітини.

Реплікація починається з того, що подвійна спіраль ДНК тим­часово розплітається за участю ферментів, які роз'єднують і стабілізують розплетені ділянки.

• Кожний одинарний ланцюг є основою (матрицею) для син­тезу нового ланцюга дочірньої молекули. Матриця за принци­пом комплементарності (А до Т, Г до Ц) притягує до своїх нуклеотидних залишків і прикріплює гідрогенними зв'язками ві­льні нуклеотиди. Синтез другого ланцюга дочірньої молекули ДНК каталізує фермент ДНК-полімераза.

• В процесі біосинтезу ДНК одержуються дві молекули ДНК, у кожної із яких одна половина походить від материнської мо­лекули, а друга є наново синтезованою. В результаті репліка­ції обидві нові молекули ДНК являють собою точну копію вихі­дної молекули.

б) Біосинтез РНК

Значення всіх типів РНК визначається тим, що вони являють собою функціонально об'єднану систему, направлену на здій­снення синтезу в клітині специфічних для неї білків.

• Процес синтезу молекули РНК на матриці ДНК називають транскрипцією. Усі види РНК синтезуються відповідно до по­слідовності нуклеотидів у молекулі ДНК за принципом ком­плементарності з участю ферментів РНК-полімераз.

• Під час синтезу РНК фермент РНК-полімераза просувається вздовж певної ділянки ДНК, роз'єднує подвійну спіраль, і по­заду нього вздовж кожної нитки розкритої спіралі синтезуєть­ся РНК. Синтез ланцюга РНК припиняється на спеціальних ділянках молекули ДНК.

в) Принципові відмінності між транскрипцією РНК та реплікаці­єю ДНК:

• У ланцюзі РНК присутній нуклеотид урацил замість тиміну у ланцюзі ДНК.

• Матрицею для синтезу РНК є лише один із ланцюгів молеку­ли ДНК.

• Біосинтез РНК каталізує РНК-полімераза, яка використовує лише нуклеотиди, що містять рибозу.

• Реплікація ДНК відбувається лише між двома поділами клі­тин, тоді як РНК синтезується на будь-якому етапі клітинного поділу.