Пластичний обмін. Біосинтез білка

Енергія, накопичена унаслідок енергетичного обміну, використовується в процесі синтезу необхідних клітині речовин. Процес біосинтезу білка є універсальним для усіх живих організмів видом пластичного обміну.

Біосинтез білка може проходити у будь-якій клітині організму. Початковий етап білкового синтезу - утворення поліпептидного ланцюга з окремих амінокислот, розташованих чітко у певній послідовності. Порядок розташування амінокислот, тобто первинна структура білка, визначена послідовністю нуклеотидів у молекулі ДНК. Від первинної структури залежить просторове розташування білкової молекули - її вторинна і третинна структура.

До складу білка входить 20 амінокислот і 4 нуклеотида. Кожна з 20 амінокислот зашифрована послідовністю трьох нуклеотидів (триплетом), який називається кодоном. Всього таких варіантів (із 4 по 3) може бути 64, тобто значно більше, ніж амінокислот. Кожен триплет кодує одну амінокислоту, але кожна з амінокислот може визначатись більше ніж одним кодоном (від 2 до 6). Розшифровані триплети всіх амінокислот, які входять до складу білків. Наприклад, амінокислота цистеїн кодується триплетом А -Ц - А, валін - триплетом А - А - Ц. Записана таким чином у ланцюгу ДНК інформація про побудову білкової молекули представляє собою генетичний код. Генетичний код універсальний, єдиний для всіх живих організмів на Землі: у бактерій і людини, вівці і пшениці тому що, одні триплети кодують одні амінокислоти. Окрім кодонів, які визначають амінокислоти ДНК, є спеціальні триплети, які відповідають за запуск (ініціювання) і зупинку синтезу (термінуючи).

В одній молекулі ДНК може бути закодована послідовність амінокислот для багатьох білків. Відрізок молекули ДНК, який несе інформацію про молекулу ДНК, називається геном. Ген - сукупність триплетів, які кодують певний білок. Інформація про будову всіх білків, які можуть синтезувати даний вид рослин і тварин, міститься у наборі молекул ДНК кожної з його клітин. Ні ДНК, ні гени не беруть безпосередньої участі у процесі синтезу білкової молекули. До рибосом, де відбувається синтез білків, генетична інформація надходить через посередника - і РНК: ДНК → і РНК → білок.

Першим етапом реалізації інформації, записаної у ланках ДНК, є процес транскрипції або переписування. При цьому на ланцюгу ДНК, як на матриці, за принципом компліментарності синтезуються хімічно подібний полімер - РНК. Синтезований ланцюг і РНК за своєю нуклеотидною послідовністю точно копіює одну з двох ланок ДНК, причому тиміну в ДНК відповідає урацил в РНК. Інформаційна РНК - це копія не всієї молекули ДНК, а тільки частини її - одного гена або групи поряд розташованих генів, які несуть інформацію про структуру білків, які необхідні для виконання однієї функції. У останньому випадку на матриці однієї іРНК буде відбуватись зборка декількох окремих білків. Початок і кінець їх синтезу визначений спеціальними кодонами. З кожного гена може зніматись теоретично необмежене число копій - молекул і РНК. Ці молекули, які несуть одну однакову інформацію, що і гени, виходять у цитоплазму і слугують матрицею для синтезу білкових молекул, тобто переносять інформацію від місця де зберігаються, в місце де реалізуються, тобто в рибосоми.

Рибосоми представляють собою гідратовані структури, які легко насуваються на молекулу і РНК. Молекули білка синтезуються з участю ще однієї нуклеїнової кислоти - тРНК, яка виконує роль перенощика амінокислот. Для кожної амінокислоти потрібен свій перенощик. Молекули тРНК відносно невеликого розміру 70-90 нуклеотидів. Транспортна РНК має структуру, яка нагадує листок конюшини, верхівка якого представляє триплет нуклеотидів, який відповідає певній амінокислоті (антикодон), а на «черешку» листка є ділянка зв’язування з цією амінокислотою.

Інформаційна іРНК є посередником між ДНК ядра і рибосомами, де відбувається білковий синтез. Транспортні тРНК доставляють активовані амінокислоти до рибосом, де знаходиться певна ділянка іРНК. При цьому амінокислота знаходиться на її черешку і опиняється у активному центру рибосоми. Тут ферментативні системи рибосоми відщеплюють її від тРНК пересуваються на один триплет; молекула тРНК виштовхується з рибосоми і залишає свою амінокислоту. До вільного кодону іРНК комплементарна приєднується нова молекула тРНК і ставить свою амінокислоту точно до кінця білкового ланцюга, який збільшується, а вивільнена тРНК, переходить у цитоплазму за наступною групою амінокислот. За допомогою такого механізму крок за кроком збирається білок. Амінокислоти з’єднуються у ньому чітко до відповідного розташування кодуючих триплетів у ланки молекули іРНК. На одній молекулі іРНК може розміститися декілька рибосом (полісома) і їх кількість визначається довжиною іРНК. На кожній з рибосом такого комплексу одночасно синтезуються молекули однакових білків. Кожна ланка біосинтезу каталізується певними ферментами і забезпечується енергією за рахунок АТФ.

Синтез і розпад білків проходить дуже інтенсивно: у молодих рослинах вівса через 24 години структурні білки обмінюються на 33%, а через 3-5 днів повністю. Синтез однієї молекули білка продовжується всього 3-4 сек. Таким чином, у тваринних клітинах білки безперервно обновлюються. У клітинах функціонують не всі гени одночасно, а лише ті, які речовини необхідні на цей момент.

Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції і трансляції.

Транскрипція - (переписування) - біосинтез молекул РНК, відбувається у хромосомах на молекулі ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів на відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, тРНК, рРНК). Синтезуються 20 різновидностей тРНК, бо у біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот.

Трансляція - (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів, відбувається у рибосомах. Вона супроводжується наступними процесами:

Утворення функціонального центра рибосом - ФЦР, який складається з іРНК і двох субодиниць рибосом. В ФЦР завжди знаходяться два триплети (шість нуклеотидів) іРНК, утворюючих два активних центри: А - (амінокислотний) - центр впізнання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюга.

Транспорт амінокислот, приєднаних до тРНК, з цитоплазми в ФЦР. У активному центрі А відбувається зчитування антикодону тРНК з кодоном іРНК, у випадку комплементарності виникає зв’язок, який слугує сигналом для руху вздовж іРНК рибосоми на один триплет.

Унаслідок цього комплекс «кодон рРНК і тРНК з амінокислотою» переміщаються у активний центр П, де і відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюга (білкової молекули). Після чого тРНК покидає рибосому.

Пептидний ланцюг подовжується до тих пір, поки не закінчиться трансляція і рибосома не зіскочить з іРНК. На одній іРНК може знаходитись декілька рибосом (полісома). Поліпептидний ланцюг занурений у канал ендоплазматичної сітки і там набуває вторинної, третинної або четвертинної структури. Швидкість однієї молекули білка, складається з 200 - 300 амінокислот, збирається 1 - 2 хвилини. (рис. 25.2).

Рис. 25.2. Біосинтез білка.

Формула біосинтезу білка: ДНК (транскрипція) - РНК (трансляція) - білок: ДНК (транскрипція^РНК (трансляція^ білок

Розділові знаки, або стоп кодони - УАА, УАГ,УГА.

Кодон, який визначає місце початку синтезу - АУГ.

26.