Біосинтез білка. Матеріал для учнів 9 класу.

  

                                                      Біосинтез білків

Процеси переписування спадкової інформації з молекули ДНК на молекулу мРНК називають транскрипцією (від лат. транскриптіо -переписування).

Які процеси відбуваються під час біосинтезу білкових молекул? Пригадайте: замінні амінокислоти можуть синтезуватись в організмі людини і тварин, незамінні -надходять до них лише з їжею. Білки їжі перетравлюються в органах травної системи, ці процеси завершуються в клітинах. Саме в клітинах з амінокислот синтезуються білки, властиві даному організмові. Рослини та деякі мікроорганізми здатні самі синтезувати всі необхідні їм амінокислоти.

Механізм біосинтезу білків з’ясовано у 50-ті роки XX ст. Як і біосинтез нуклеїнових кислот, він відбувається за принципом матричних реакцій. Утворення кожної з 20 стандартних (основних) амінокислот — складний багатоступеневий процес, який каталізує багато ферментів.

Початковий етап біосинтезу білкової молекули пов’язаний із синтезом молекули мРНК на молекулі ДНК (див. мал. 106). Особливий фермент роз’єднує подвійну спіраль ДНК, і на одному з її ланцюгів за принципом комплементарності синтезується молекула мРНК. Цей фермент забезпечує приєднання комплементарних нуклеотидів до ланцюга РНК, що синтезується. При цьому напроти нуклеотидів з аденіном у складі матричного ланцюга ДНК в РНК включаються нуклеотиди з урацилом.

Цікаво знати

Під час транскрипції на гені синтезується попередник мРНК (про-мРНК) - молекула, яка містить ділянки, що відповідають як екзонам, так й інтронам білкового гена. Потім ін-трони вирізаються і кінці сусідніх ек-зонів зшиваються. Цей процес своєрідного «дозрівання» молекули мРНК називають сплайсингом (від англ. сплайс - склеювати кінці будь-чого) (мал. 109). Після завершення цього процесу утворюється зріла молекула мРНК без інтронів, яка з ядра надходить у цитоплазму клітини. Така молекула переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу білкової молекули -рибосоми. Там молекула мРНК виконує функцію матриці (звідки й походить її назва).

Наступні етапи біосинтезу білків мають назву трансляція (від лат. трансляцій - передача). Послідовність нуклеотидів у молекулі мРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Так розшифровується інформація, записана в послідовності нуклеотидів мРНК.

Отже, молекули мРНК синтезуються лише на одному з ланцюгів молекули ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів молекули мРНК комплементарна послідовності нуклеотитів ланцюга ДНК, на якому вона синтезована, і збігається за послідовністю нуклеотидів з іншим ланцюгом, який називають кодуючим, або змістовним:

Спочатку в цитоплазмі кожна з амінокислот, які мають увійти до складу молекули білка, за участі специфічного ферменту ковалентним зв’язком приєднується до певної молекули тРНК (мал. 110; пригадайте будову молекули тРНК). Перебіг цього процесу потребує енергії, що зберігається у вигляді макроергічних зв’язків молекули АТФ.

Трансляція розпочинається з ініціації: мРНК зв’язується з рибосомою, а згодом і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. При цьому молекула мРНК опиняється між двома субодиницями рибосоми. Пригадайте: до складу субодиниць рибосом входять молекули білків та рРНК. Структура молекули рРНК визначає будову та функціональну активність цієї органели. Разом з білками вона забезпечує певне просторове розташування молекул мРНК й тРНК під час біосинтезу білкової молекули.

Спочатку рибосома зв’язується зі стартовим кодоном АУГ у складі мРНК. Такий комплекс готовий до початку синтезу молекули білка. При цьому кодон (певний триплет у складі молекули мРНК) впізнається антикодоном - комплементарним триплетом у складі тРНК (знайдіть їх на мал. 110).

На наступних етапах біосинтезу білка поліпептидний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв’язуються між собою за допомогою особливих міцних ковалентних (пептидних) зв’язків. При цьому кожний наступний кодон мРНК упізнається анти-кодоном молекули тРНК, а рибосома каталізує приєднання амінокислоти, яку несе тРНК, до поліпептидного ланцюга. Далі рибосома здійснює один крок уздовж молекули мРНК (цей крок дорівнює одному триплету) для взаємодії з наступною тРНК.

Мал. 110. Взаємодія молекули тРНК (1) з молекулою мРНК (2). Антикодон (3) молекули тРНК взаємодіє з кодоном (4) молекули мРНК, 5 - амінокислота, яку транспортує молекула тРНК

Мал. 111. Етапи біосинтезу білків. І. Ініціація: мала субодиниця рибосоми сполучається з мРНК; тРНК з антикодоном УАЦ утворює комплементарну пару з кодоном АУГ молекули мРНК. Велика субодиниця рибосоми сполучається з малою, тРНК опиняється в одній з ділянок функціонального центру рибосоми (1). Інша ділянка залишається вільною. II. Синтез поліпептидного ланцюга. До другої ділянки функціонального центру рибосоми прямує ще одна молекула тРНК з антикодоном ЦАУ (2). Дві молекули тРНК одночасно перебувають у функціональному центрі рибосоми. Перша молекула тРНК залишає функціональний центр рибосоми; амінокислота, яку вона транспортувала, сполучається псптидним зв’язком з амінокислотою, яку транспортувала друга молекула тРНК. Рибосома просувається вперед і друга молекула тРНК опиняється у першій ділянці (4). До другої ділянки підходить третя молекула тРНК (3). Третій триплет приєднується до поліпептидного ланцюга (5). Рибосома залишається на одному з кодонів (УРА), який дає сигнал про припинення біосинтезу. III. Завершення синтезу білкової молекули. Синтезована молекула поліпептидного ланцюга (5) та молекула тРНК (3) звільняються. Велика та мала субодиниці рибосоми роз’єднуються

Основні операції трансляції забезпечує функціональний центр рибосоми. Його розміри відповідають довжині двох триплетів - у ньому водночас перебувають два сусідних кодони мРНК та дві молекули тРНК (мал. 111). В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впізнає кодон мРНК, а в іншій — амінокислота звільни-

ється від тРНК. Коли рибосома просувається вперед уздовж молекули мРНК, її місце займає друга, згодом -третя, четверта тощо, і біосинтез нових білкових молекул триває. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташовані на молекулі мРНК, визначається її довжиною, однак не перевищує 20. Комплекс рибосом, об’єднаних молекулою мРНК, називають полірибосомою (скорочено - полісомою). Таким чином, на одній полісо-мі водночас синтезується багато молекул певного білка (мал. 112).

Мал. 112. Структура та функції полірибосоми. І. Декілька рибосом (1), об’єднані молекулою мРНК (2), утворюють полірибосому (полісом у). II. Електронна мікрофотографія полірибосоми

Процес синтезу білкової молекули триває доти, доки рибосома не сягне стоп-кодону (пригадайте: таких стоп-кодонів існує три - УАА, УАГ, УГА). Тоді трансляція припиняється: вільна рибосома розпадається на субоди-ниці, які потрапляють на будь-яку іншу молекулу мРНК (див. мал. Ill, III). Синтезована молекула білка може надходити в цитоплазму або в порожнину ендоплазматичної сітки, якою транспортується в певну ділянку клітини.

Цікаво знати

Для підвищення надійності процесу завершення синтезу білкової молекули (термінації) стоп-кодони дублюються. Першим при цьому зазвичай є кодон УАА (основний термінуючий триплет), а за ним на дуже близькій відстані в тій само рамці зчитування розташований один із запасних термінуючих триплетів - УАГ або УГА.

На заключному етапі біосинтезу синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участі відповідних ферментів відщеплюються зайві амінокислотні залишки, до складу молекули можуть вводитись небілкові складові (фосфатні, карбоксильні та інші групи, вуглеводи, ліпіди тощо) — синтезована молекула білка змінюється для виконання певних функцій.

Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється під час розщеплення молекул АТФ.