§ 29. Реализация наследственной информации — синтез белка на рибосомах

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных в цитоплазме. Носителем генетической информации является ДНК. Для передачи генетической ин­формации с ДНК, находящейся в ядре, к месту синтеза белка требу­ется посредник. Его роль выполня­ет информационная РНК (иРНК), которая на основе прин­ципа комплементарности синтези­руется на одной из цепей молеку­лы ДНК. Информационную РНК в научной литературе часто называют еще матричной РНК (мРНК).

Транскрипция. Переписывание наследственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией (от лат. транскрипцио —переписывание). Этот процесс происходит следующим образом. Определенный участок двуцепочечной ДНК раскручивается. Вдоль одной из цепочек (кодирующей) движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь иРНК (рис. ). Та­кая иРНК является комплементар­ной транскрибируемой цепи ДНК, а это значит, что порядок нуклеотидов в иРНК строго определен по­рядком нуклеотидов в ДНК. Так, комплементарным цитидиловому (Ц) нуклеотиду ДНК является гуаниловый (Г) нуклеотид РНК, и наоборот: тимидиловому (Т) — адениловый (А), адениловому — урациловый (У) (не тимидиловый, так как в состав иРНК вместо тимина входит урацил). Синтезируемая цепочка иРНК, пред­ставляет собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). В результате информация о последо­вательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Таким образом, одна и та же информация кодируется теперь уже другими знаками (нуклеотидами РНК). Транскрипция может происхо­дить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромо­сомах.

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимера­за начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана неверная информация. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор пока не дой­дет до определенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — термина­тора. Эта последовательность нуклеотидов указывает на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимо­действует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

На специальных генах синтези­руются и два других типа РНК — тРНК и рРНК.

Трансляция. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, ко­торый называют трансляцией. Трансляция (от греч. трансляцио — передача) — это пере­вод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последова­тельность аминокислот молекулы белка (рис.).

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор амино­кислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образу­ются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пи­щей, или синтезируются в самом организме.

Информационная РНК взаимодействует с малой субъединицей рибосомы тем концом, с которого начинается считывание информации. Считывание информации осуществляется в направлении от 5' к 3'-концу иРНК. Син­тез белка начинается со стартового кодона АУГ. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключени­ем специальных случаев) будут начинаться с метионина. После связывания иРНК с малой субъединицей, к ней присоединяется большая субъединица, которая прикрепляется к поверхности эндоплазматической сети. От стартового кодона молекула иРНК прерывисто, триплет за трип­летом, продвигается через рибосо­му, что сопровождается ростом по­липептидной цепочки.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осу­ществляется на рибосомах при по­мощи тРНК — главных участников синтеза белка. Благодаря опреде­ленному расположению комплемен­тарных нуклеотидов цепочка тРНК имеет форму, напоминающую лист клевера (рис. ). При этом тРНК имеет акцепторный конец, к кото­рому присоединяется активирован­ная энергией АТФ аминокислота.

В противоположной части моле­кулы тРНК располагается специфи­ческий триплет (антикодон), ответ­ственный за прикрепление по прин­ципу комплементарности к опреде­ленному триплету иРНК (кодон).

Молекула тРНК с присоединен­ной к ней активированной амино­кислотой своим антикодоном взаимодействует с кодоном иРНК. Затем в соответствии со следующим кодоном иРНК к ней прикрепляется вторая тРНК с ак­тивированной аминокислотой. В рибосоме оказываются две амино­кислоты, между которыми возни­кает пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокис­лоты, покидает рибосому. Далее к образованному дипептиду таким же образом пристраивается третья, чет­вертая и последующие аминокислоты, доставленные в рибосому своими тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается.

Все описанные реакции происходят за очень маленький промежуток времени. Подсчитано, что синтез крупной молекулы белка осуществляется приблизительно за 2 минуты.

Молекула иРНК может связы­ваться одновременно с нескольки­ми рибосомами. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5 — 6 до не­скольких десятков) называется полисомой. Образование полисом повышает эффективность функци­онирования иРНК, так как позволяет одно­временно осуществлять синтез нескольких идентичных по­липептидных цепей.

После завершения синтеза белка рибосома распадается на две субъединицы, а иРНК под действием ферментов расщепляется на отдельные нуклеотиды. Белковая цепочка в это время оказывается полностью изолированной внутри полости ЭПС, где происходит ее дальнейшее созревание (формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры, присоединение к белковой молекуле небелковых компонентов). Если синтез белка осуществлялся на рибосомах, связанных с цитоскелетом, то синтезированная белковая молекула транспортируется в нужную часть клетки, где принимает соответствующую конформацию и используется.

Таким образом, роль нуклеино­вых кислот в биосинтезе белка зак­лючается в преобразовании генети­ческой информации, представлен­ной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру моле­кулы иРНК, а затем в последова­тельность аминокислот в молекуле белка. Реакции синтеза иРНК (транскрипция) и белка (трансля­ция) осуществляются по матрицам (ДНК и иРНК соответственно), по­этому они получили названия ре­акций матричного синтеза.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

1. Что такое ген? 2. Как осуществляется биосинтез белка в клетке и какова роль нуклеиновых кислот в этом процессе? 3. Какой процесс называется транскрипцией? 4. Что такое трансляция? 5. Что такое терминирующие кодоны? 6. Сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке? 7. Почему синтез всех типов РНК и белко­вых молекул называется реакциями матрич­ного синтеза? 8. Требуют ли процессы синтеза белка затрат энергии? Или, на­оборот, в процессах синтеза белка происходит выделение энер­гии? 9. Исследования показали, что 34 % общего числа нуклеотидов данной иРНК приходится на гуанин, 18 % — на урацил, 28 % — на цитозин и 20 % — на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является указанная иРНК.