13.7. Биосинтез белка

Основные участники биосинтеза белка. Биосинтез белка пред­ставляет собой сложный процесс, происходящий во всех клетках, органах и тканях организма. Наибольшее количество белка синте­зируется в печени. Белоксинтезирующая система включает около 300 соединений, в том числе:

набор всех 20 аминокислот, из которых синтезируется белок; минимум 20 различных тРНК;

минимум 20 различных ферментов — аминоацил-тРНК-синтетаз, обладающих специфичностью к определенной аминокислоте;

рибосомы, АТФ и АТФ-генерирующую систему ферментов; ГТФ, ионы Mg⁺², иРНК, несущую информацию о синтезируемом белке;

белковые факторы, принимающие участие на различных этапах синтеза белка.

Рибосомы — рибонуклеопротеиды, состоящие из рибосомаль- ной РНК (50...65 %) и белка (35...50 %). Известно, что рибосомы животных клеток (эукариот) в 2 раза крупнее (80S) рибосом бакте­рий (прокариот) (70S). Рибосомы состоят из двух частиц: 60S и 40S (рибосомы животных клеток — 80S) и 50S и 30S (рибосомы бактерий — 70S). Число рибосом в одной клетке составляет при­близительно 100 000. В присутствии ионов Mg⁺² рибосомы распа­даются на две части (60S и 40S). Рибосома животных клеток со­держит три вида РНК 28S, 18S и 5S и свыше 70 различных белков.

Общую схему строения рибосом животных клеток можно пред­ставить в следующем виде:

РНК рибосом синтезируется на матрице ДНК в ядре. Рибосом- ные белки имеют цитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где формируются рибосомные субъединицы. После этого субъединицы переходят в цитоплазму и несколько рибосом (до 50...80 рибосом), вместе с информацион­ной РНК образуют полисомы, или полирибосомы — место синте­за белка (рис. 13.3).

Аминоацил-тРНК-синтетазы — это ферменты с молекулярной массой -100 000, обеспечивающие активирование аминокислот и связывание их с тРНК. Эти ферменты абсолютно специфичны, т. е. узнают только одну какую-либо аминокислоту и тРНК. Пола­гают, что этот фермент имеет три активных центра связывания: для аминокислоты, тРНК и АТФ. Число этих ферментов должно быть не менее 20 — для каждой аминокислоты отдельно.

Транспортные РНК — на их долю приходится 10... 15 % общего количества РНК. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК, а для некоторых аминокислот — по несколько тРНК, например для серина — пять, лизина и глицина — по четыре разных тРНК. Мо­лекулярная масса большинства тРНК колеблется в пределах 24 000...29 000, они содержат от 75 до 85 нуклеотидов. тРНК имеют сходную структуру с тремя участками связывания: на З'-гидро- ксильном конце у всех тРНК имеется триплет ЦЦА—ОН, к кото­рому через З'-ОН присоединяется специфическая аминокислота.

Следующий связывающий участок — антикодон из трех нуклеоти­дов. Антикодон комплементарен кодону иРНК. Например,

5 -Концевой нуклеотид во всех тРНК — это 1 МФ со свободной 5'-фосфатной группой (рис. 13.4).

Функция тРНК — специфическое связывание каждой тРНК со своей аминокислотой.

иРНК (информационная РНК) переносит информацию для синтеза белка от ДНК к рибосоме; служит матрицей, на которой происходит синтез белка, и РНК синтезируется на ДНК по прави­лу комплементарности, является копией участка днк

гена, цистрона). Размер молекулы зависит от размера белка. Молекула иРНК образуется в виде предшественника, затем происходит со­зревание, т. е. удаляются участки, не входящие в состав зрелой мо­лекулы (интронов) (рис. 13.5).

Участки экзонов сшиваются в процессе созревания иРНК. Полиадениловый хвост на З'-конце обеспечивает стабильность иРНК. иРНК комплементарна определенному участку молекулы ДНК, например:

Генетическии код. Генетическая информация закодирована в ДНК в виде последовательности нуклеотидов и эта последователь­ность переводится в нуклеотидную последовательность и РНК. Код является триплетным, т. е. информация для каждой амино­кислоты состоит из трех нуклеотидов. Например, для включения в белковую молекулу фенилаланина код содержит УУУ-триплет из молекул уридиловой кислоты (рис. 13.6). Генетический код явля­ется вырожденным, т. е. для кодирования одной аминокислоты имеется несколько кодонов; непрерывным, т. е. отсутствуют знаки, сигналы, обозначающие начало и конец кода (например, АЦЦЦТ- ГААЦ и т. д.); универсальным для всех живых систем от Escherichia coli до человека. Из возможных 64 кодонов 61 имеет смысл, т. е. кодируют определенную аминокислоту, а кодоны УАГ, УАА, УГА кодируют терминацию.

Этапы биосинтеза белка. В процесс биосинтеза белка (рис. 13.7) включается около 300 типов макромолекул — белков и нуклеино­вых кислот; из них около 100 участвуют в активировании амино­кислот и переносе их на рибосомы, свыше 60 находятся в составе рибосом, свыше 10 белковых факторов участвуют в процессах трансляции. Синтез идет в направлении от свободного аминного конца к свободному карбоксильному концу: NH₂ СООН.

Активированная аминокислота переносится к месту синтеза белка — к полирибосомному комплексу. Следующий этап биосин­теза белка — трансляция — происходит с участием рибосом и про­текает в три стадии: инициации, элонгации, терминации.

Инициация трансляции обеспечивается специальными белка­ми, их около 10. Начало синтеза обусловлено кодоном формил- метионина (фМет, начальный метионин). При этом антикодон

Рис. 13.7. Принципиальная схема биосинтеза белка (по А. С. Спирину)

Мет-тРНК УАЦ соединяется с кодоном АУГ иРНК, образуется инициирующий комплекс: к 405-субъединице рибосомы присоеди­няется Мет-тРНК, затем 608-субъединица рибосомы (рис. 13.8).

После образования инициирующего комплекса начинается элонгация, т. е. удлинение полипептидной цепи. В рибосоме обра-

зуется пептидная связь между аминокислотами за счет энергии ГТФ. После присоединения очередной аминокислоты рибосома сдвигается вдоль цепи иРНК на один кодон от 5'- к З'-концу для каждой аминокислоты.

Терминация трансляции осуществляется с участием трех белко­вых факторов. Терминирующий кодон обусловливает отделение иРНК от SOS-рибосомы, и она распадается на составные субъеди­ницы 60S и 40S, которые поступают в клеточный пул и использу­ются для образования новых инициирующих комплексов. Одна иРНК транслируется не одной рибосомой, а одновременно мно­гими рибосомами (полирибосомы, полисомы), что значительно ускоряет синтез белка.

Постсинтетическая модификация белков происходит в несколь­ко этапов: вначале удаляется сигнальный пептид (из 15...30 ами­нокислотных остатков), специфическая протеаза отщепляет на­чальный N-концевой метионин. Таким образом отщепляется часть молекулы у проферментов (пепсиноген, проинсулин и т.д.). Затем происходит химическая модификация ферментных бел­ков — ковалентное присоединение простетической группы к мо­лекуле белка, например присоединение пиридоксальсульфата к белковой части аминотрансфераз; гликозилирование — присоеди­нение олигосахаридных остатков в гликопротеинах; гидроксили- рование пролина, лизина; метилирование лизина и глутамата; ацетилирование N-концевых аминокислот; фосфорилирование серина, треонина, тирозина и т.д. Укладка белковой молекулы (образование вторичной, третичной и четвертичной структур) так­же происходит после синтеза — образования первичной структуры белковой молекулы.

Мультиферментный механизм синтеза белка. Описанный выше матричный механизм биосинтеза белков лежит в основе синтеза почти всех белков живых организмов. Но синтез ряда низкомоле­кулярных пептидов может происходить без нуклеиновых кислот и рибосом. В настоящее время доказано, что синтез природных ан- тибиотиков-пептидов грамицидина S и тироцидина происходит таким способом. Белки, экстрагированные из бактериальных кле­ток Bacillus brevis, обеспечивают точность сборки циклического пептида грамицидина S, состоящего из 10 аминокислотных остат­ков. Антибиотик тироцидин и 13-членный циклический пептид микобациллин синтезируются подобным образом.

Контрольные вопросы и задания

1. Где и при каких условиях происходит переваривание белков? 2. Опишите механизм всасывания аминокислот эпителиальными клетками стенки кишечни­ка. 3. Охарактеризуйте промежуточный обмен аминокислот, назовите виды дезаминирования и покажите химизм этих процессов; напишите схему реакций декарбоксилирования аминокислот. 4. Укажите способы обезвреживания аммиака в организме животных. 5. Опишите химизм биосинтеза мочевины в клетках печени животного. 6. В чем заключается процесс гниения белков, где он происходит? 7. Как обезвреживаются ядовитые продукты гниения белков? 8. Назовите этапы биосинтеза белков в клетке и его главных участников. 9. Что такое процессинг белковой молекулы? 10. В чем заключается особенность обмена белков у жвачных животных?