3.4. Синтез білка в клітині
Молекулярні механізми білкового синтезу в основному є спільними для всіх живих організмів. Зчитування інформації, записаної в послідовності нуклеотидів мРНК, та її переклад у амінокислотний текст розпочинається зі стартового кодона, де при ініціації трансляції відбувається остаточне збирання головного пристрою трансляції рибосоми-комплексу рРНК і білків. Вона сканує нуклеотидну послідовність мРНК, рухаючись уздовж неї кроками по три нуклеотиди від 5'-до 3'-кінця під час елонгації трансляції до стоп-кодона, де відбувається термінація процесу. Під час сканування рибосома працює як декодуючий пристрій, забезпечуючи впізнання кодонів комплементарними щодо них триплетами (антикодонами) у складі тРНК, і як каталізатор процесу синтезу пептидного зв'язку між амінокислотами. Певний антикодон відповідає амінокислоті певного типу, яку несе на собі тРНК. Отже, тРНК є ключовою ланкою реалізації генетичного коду: саме вони забезпечують доставку амінокислот до рибосоми в порядку, який відповідає послідовності кодонів.
Здатність до біосинтезу білка з особливою силою проявляється в період росту клітини. Синтез білка складається з декількох етапів (рис.3.3). ДНК створює РНК, а РНК створює білок.
Рис. 3.3. Загальна схема синтезу білка у клітині
І етап. Транскрипція. Молекули ДНК кожної клітини містять інформацію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає інформацію про структуру білків за участю специфічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплазму до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на матриці ДНК називається транскрипцією. При цьому матрицею для синтезу РНК служить тільки один ланцюг ДНК. Подвійна спіраль ДНК під дією ферментів розплітається на певній ділянці, і на одному з її ланцюгів синтезується іРНК за принципом комплементарності. Потім іРНК переміщується з ядра в цитоплазму. Цей процес відбувається, в основному, під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК-іРНК, тРНК, рРНК. Зчитування спадкової інформації з генів регулюється спеціальними білками. Зокрема, гістони не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами. Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього починається зчитування спадкової інформації. Негістонові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків.
Утворена таким чином молекула являє собою первинний транскрипт -попередник іРНК (або про-іРНК). Потім відбувається дозрівання іРНК. Молекулярні механізми, пов'язані з «дозріванням» різних типів РНК, називаються процесинг (рис.3.4). Вони здійснюються в ядрі перед виходом РНК із ядра в цитоплазму. Причому, утворення про-іРНК та процесинг однаково відбуваються як для іРНК, так і для тРНК. Значення процесингу полягає в тому, що еукаріотична клітина може додатково контролювати процеси утворення білків, регулювати свій метаболізм, структуру і функції.
Рис. 3.4. Процесинг іРНК і його місце в експресії гена (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.-С.- 98.)
Отже, про-іРНК являє собою довгу функціонально переривчасту молекулу, яка складається з екзонів та інтронів, що чергуються між собою. У процесі «дозрівання» іРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називається сплайсингом. Тому послідовність нуклеотидів у дозрілої іРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нуклеотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані. Сплайсинг-дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечується розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.
Існує і зворотня транскрипція-синтез ДНК на матриці молекули РНК (у ретровірусів) за допомогою фермента-ревертази. Ретровіруси являють собою родину вірусів, генетичний матеріал яких складає РНК.
ІІ етап. Активація амінокислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент. Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (аміноацил-тРНК). Процес розпізнавання амінокислот тРНК називають рекогніцією. Аміноацил-тРНК-комплекс надходить до місця синтезу білків, а вільний фермент може знову активувати наступну молекулу амінокислоти.
ІІІ етап. Трансляція. Трансляція-синтез відповідної амінокислотної послідовності в молекулі білка. Рибосоми є місцем синтезу білка (рис.3.5).
Рибосома «зчитує» інформацію, пересуваючись в одному напрямку з іРНК-зліва направо. До іРНК, що знаходиться між двома субодиницями рибосоми, послідовно приєднуються молекули тРНК зі своїми амінокислотами. У кожній тРНК є акцепторна ділянка, до якої приєднується відповідна амінокислота, і ділянка, що містить антикодон-послідовність із трьох нуклеотидів, суворо комплементарна кодонові іРНК, який відповідає певній амінокислоті. У рибосомі одночасно можуть знаходитися дві тРНК зі своїми амінокислотами.
Рис. 3.5. Трансляція
Між амінокислотами утворюється пептидний зв'язок-за рахунок енергії АТФ і за участі певних ферментів. У цитоплазму йде тРНК, що звільнилася, рибосома просувається молекулою іРНК на наступний кодон, і до неї підходить наступна тРНК з відповідною амінокислотною, утворюється пептидний зв'язок між наступними амінокислотами. Коли рибосома досягає стоп-кодона, вона розпадається на субчастки і синтез поліпептидного ланцюга (первинної структури білка) припиняється.
ІV етап. Формування просторової конфігурації поліпептиду. Відбувається утворення вторинної і третинної структур молекули білка. Етап відбувається в цитоплазмі. Міжпептидні водневі зв'язки формують вторинну структуру. Зв'язки між R-групами формують третинну структуру білка, синтезована молекула білка стає функціонально активною, проникає в порожнину ЕПС і транспортується по ній у певну ділянку клітини.
Білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку організмів, забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об’єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.