Синтез білка.Матеріали для учнів 10 класу.

 

Синтез білка

Синтез білка (трансляція) є найскладнішим з біосинтетичних процесів: він вимагає дуже великої кількості ферментів та інших специфічних макромолекул, загальна кількість яких, мабуть, доходить до трьохсот. Частина з них до того ж об'єднані в складну тривимірну структуру рибосом. Але незважаючи на велику складність синтез протікає з надзвичайно високою швидкістю (десятки амінокислотних залишків в секунду). Процес може сповільнюватися і навіть зупинятися інгібіторами-антибіотиками.
У п'ятдесятих роках XX століття було встановлено, що синтез білка відбувається в рібонуклеопротеінових частинках, що називаються рибосомами. Діаметр рибосоми бактерії E. coli становить 18 нм, а їх загальна кількість - десятки тисяч в клітці. Рибосоми еукаріот декілька більше (21 нм). Сам процес протікає в п'ять етапів.
1.Актівація амінокислот. Кожна з 20 амінокислот білка з'єднується ковалентними зв'язками до певної т-РНК, використовуючи енергію АТФ. Реакція каталізу спеціалізованими ферментами, які вимагають присутності іонів магнію.
2.Ініціація білкової ланцюга. і-РНК, що містить інформацію про даному білку, зв'язується з малою часткою рибосоми і з ініціації амінокислотою, прикріпленою до відповідної т-РНК. т-РНК комплементарна з перебувають у складі І-РНК кодонів, що сигналізує про початок білкової ланцюга.
3.Елонгація. Поліпептидний ланцюг подовжується за рахунок послідовного приєднання амінокислот, кожна з яких доставляється до рибосоми і вбудовується в певне положення за допомогою відповідної т-РНК. В даний час генетичний код повністю розшифрований, тобто всім амінокислотам поставлені у відповідність триплети нуклеотидів. Елонгація здійснюється за допомогою білків цитозолю (так звані фактори елонгації).
4.Термінація. Після завершення синтезу ланцюга, про що сигналізує ще один спеціальний кодон і-РНК, поліпептид вивільняється з рибосоми.
5.Сворачіваніе і процесинг. Щоб взяти звичайну форму, білок повинен згорнутися, утворюючи при цьому певну просторову конфігурацію. До або після згортання поліпептид може зазнавати процесинг, що здійснюється ферментами і полягає у видаленні зайвих амінокислот, приєднання фосфатних, метильних і інших груп і т. П.

1
Генетичний код
Генетичний код має низку особливостей. По-перше, в коді відсутні «розділові знаки», тобто сигнали, що показують початок і кінець кодонів. По-друге, 3 нуклеотидних триплетів (УАГ, УАА, УГА) не відповідають ніякої амінокислоті, а позначають кінець поліпептидного ланцюга, а кодон АУГ сигналізує про початок ланцюга або (якщо він у середині послідовності) про амінокислоті метіоніні. Багато амінокислоти можуть кодуватися кількома різними кодонами. Всі кодони амінокислот однакові у всіх вивчених організмів: від вірусу до людини. Створюється враження, що всі організми на Землі походять від єдиного генетичного предка. Втім, останнім часом в мітохондріях клітин людини були виявлені кодони, що не збігаються з «нормальним» словником. Їх наявність являє собою загадку для вчених.
Синтез білка вимагає великих витрат енергії - 24,2 ккал / моль. Після закінчення синтезу білок за допомогою спеціального поліпептидного лідера доставляється до місця свого призначення.
Синтез білка контролюють гени-оператори. Сукупність робочих генів - операторів і структурних генів - називається оперон. Оперон не є самостійною системою, а «підкоряються» генам-регуляторам, відповідальним за початок або припинення роботи оперона. Свій контроль гени-регулятори здійснюють за допомогою спеціальної речовини, яке вони при необхідності синтезують. Ця речовина реагує з оператором і блокує його, що тягне за собою припинення роботи оперона. Якщо ж речовина реагує з невеликими молекулами - індукторами, це буде сигналом до відновлення роботи системи.
Модель оперонов була розроблена на мікроорганізмах, але вона відповідає і принципу роботи геному еукаріот. У останніх гени утворюють складні системи, звані супергеній, які можуть одночасно кодувати безліч ідентичних один одному молекул білка.

2
                      Синтез білка у прокаріот і еукаріот
Всі багатоклітинні організми розвиваються з однієї-єдиної клітини - зиготи. Процес диференціювання клітин, мабуть, пов'язаний з управлінням синтезом білка генами-регуляторами, але яким саме чином здійснюється це управління - поки залишається неясним.
Що таке біосинтез білків?
Розрізняють амінокислоти замінні та незамінні. Перші з них можуть синтезуватись в організмі людини і тварин, другі -надходять лише з їжею. Білки їжі перетравлюються в органах травної системи, а потім надходять до клітин, де і синтезуються певні білки. Для синтезу замінних амінокислот тварини і гриби використовують нітро-генвмісні сполуки. Рослини здатні синтезувати всі необхідні їм амінокислоти, використовуючи для цього сполуки нітрогену. Серед мікроорганізмів одні здатні синтезувати всі необхідні їм амінокислоти, а інші -лише деякі з них. Синтез кожної з 20 основних амінокислот - складний багатоступеневий процес, який каталізується багатьма ферментами.

Ви вже знаєте, що в живих організмах утворюється багато різноманітних білків. Інформація про структуру кожного з них має зберігатись у клітинах.


Схема біосинтезу білка

Як у клітині зберігається спадкова інформація про будову білків? Єдину для всіх живих організмів систему збереження спадкової інформації названо генетичним кодом. Це певна послідовність нуклеотидів у молекулах нуклеїнових кислот, яка визначає порядок введення амінокислотних залишків у поліпептидний ланцюг під час його синтезу.
Вчені виявили, що кожна амінокислота в по-ліпептидному ланцюзі кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів, так званим триплетом. Чотири різні нуклеотиди ДНК або РНК можуть утворювати 64 комбінації (4³ = 64), тобто 64 різні триплети.



Існує лише 20 основних амінокислот.
Тому одна амінокислота може кодуватись кількома різними триплетами (див. таблицю). Це має важливе біологічне значення, оскільки підвищує надійність генетичного коду, тобто випадкова заміна залишку однієї нітратної основи в певному триплеті на інший не завжди супроводжуватиметься змінами у первинній структурі білка.

Генетичний код




Примітка. За допомогою цієї таблиці можна визначити, яку саме амінокислоту кодує певний триплет. Перший нуклеотид у триплеті беруть із лівого вертикального стовпчика, другий - з верхнього горизонтального і третій - з правого вертикального. В місці перетину ліній знаходиться інформація про амінокислоту, яку слід визначити. Зазначимо, що в таблиці наведено триплети іРНК, а не ДНК.

Встановлено, що більшість основних амінокислот (18 із 20) кодуються кількома триплетами (від двох до шести) і тільки дві з них (триптофан і метіонін) -одним.
Ще однією властивістю генетичного коду є те, що кожний триплет кодує лише одну певну амінокислоту. Генетичний код є універсальним, тобто єдиним для всіх організмів: від бактерій до людини.

Як ви пам'ятаєте, ген - це певна послідовність нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. З'ясовано, що між генами існують ділянки (певні послідовності нуклеотидів), які не несуть спадкової інформації, а лише відокремлюють одні гени від інших. Вони виконують функції своєрідних «розділових знаків». У генетичному коді є також три триплети (УАА, УАГ, УГА), кожний з яких дає сигнал про припинення синтезу поліпептидного ланцюга, а триплет АУГ визначає початок цього процесу.

Механізм біосинтезу білків з'ясовано в 50-ті роки XX століття. В цьому процесі виділяють кілька етапів.



Як відбувається біосинтез білків?
Перший етап біосинтезу білків - транскрипція (від лат. транскриптіо - переписування) - пов'язаний з синтезом молекули іРНК. При цьому особливий фермент роз'єднує подвійну спіраль ДНК і на одному з її ланцюгів за принципом комплементарності синтезується молекула іРНК. Потім молекула іРНК з ядра надходить у цитоплазму клітини до рибосом.

Спочатку утворюється молекула-попередник іРНК (про-іРНК). Після цього за допомогою спеціальних ферментів з молекули про-іРНК видаляються ділянки, які не несуть генетичної інформації, і вона перетворюється на активну форму іРНК.


Етапи біосинтезу білка

На наступному етапі процесу біосинтезу білків, який названо трансляція (від лат. транслятіо — передача), послідовність нуклеотидів у молекулі ІРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується.

Розглянемо цей процес детальніше. Спочатку кожна з 20 амінокислот у цитоплазмі приєднується до певної молекули тРНК. У свою чергу, ІРНК зв'язується з рибосомою, а згодом - і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. Так виникає ініціативний комплекс, який складається з триплету ІРНК, рибосоми і певної молекули тРНК. Цей комплекс сигналізує про початок синтезу молекули білка.

На подальших етапах біосинтезу білків поліпептид -ний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв'язуються між собою за допомогою пептидних зв'язків.



Як визначається порядок надходження тРНК до рибосоми?
На верхівці кожної молекули тРНК розташований триплет нуклеотидів (так званий антикодон). Він має утворювати комплементарну пару з відповідним триплетом ІРНК (кодоном) (мал. 80).



Мал. 80. Механізм роботи рибосоми

Під час синтезу білкової молекули рибосома насувається на ниткоподібну молекулу ІРНК таким чином, що іРНК опиняється між двома її субодини-цями. Рибосома наче «ковзає» зліва направо по молекулі іРНК і збирає молекулу білка. Кожен крок рибосоми дорівнює одному триплету. Коли рибосома дещо просунеться вперед по молекулі іРНК, на її місце надходить друга, а згодом - третя, четверта тощо і біосинтез нових білкових молекул триває далі. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташовані на молекулі іРНК, зумовлена довжиною останньої.
Коли рибосома досягає одного з трьох триплетів (УАА, УАГ, УГА), що сигналізує про припинення синтезу поліпептидного ланцюга, вона разом із білковою молекулою залишає ІРНК. Згодом вона розпадається на субодиниці, які потрапляють на будь-яку іншу молекулу ІРНК. Синтезована молекула білка надходить у порожнину ендоплазматичної сітки, якою транспортується в певну ділянку клітини (мал. 81).



Мал. 81. Схема надходження в канал (1) ендоплазматичної сітки синтезованого білка (2)
На заключному етапі синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участю відповідних ферментів від нього відщеплюються зайві амінокислотні залишки, вводяться небілкові фосфатні, карбоксильні та інші групи, приєднуються вуглеводи, ліпіди тощо. Лише після цих процесів молекула білка стає функціонально активною.

Процеси синтезу білкових молекул потребують затрат енергії, яка вивільняється при розщепленні молекул АТФ.