Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном . Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.
Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК.
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
- Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).
- На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодон ов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
- Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией . Он происходит в рибосомах.
- На четвертом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка .
Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией . Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.
Г - Ц - А - А - Ц - Т – фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК- Ц - Г - У - У - Г - А – фрагмент молекулы информационной РНК.
Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Молекула т-РНК состоит из 70–80 нуклеотидов. Общий вид молекулы напоминает лист клевера.
На «верхушке» листа расположен антикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Процесс сборки молекулы белка идет в рибосомах и называется трансляцией . На одной молекуле и-РНК последовательно располагаются несколько рибосом. В функциональном центре каждой рибосомы способны поместиться два триплета и-РНК. Кодовый триплет нуклеотидов – молекулы т-РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов и-РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислота отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка . Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК.
В сложнейшем процессе биосинтеза белка реализуются функции многих веществ и органоидов клетки.
Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.
Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая реализуется, сохраняется, воспроизводится или совершенствуется в четырёх генетических процессах: синтезе РНК и белка, репарации ДНК, репликации ДНК и генетической рекомбинации. На долю белков приходится обычно больше половины сухой массы клетки, и синтез их играет главную роль в таких процессах как рост и дифференцировка клеток, поддержание их структуры и функции.
Зависит от совместного действия нескольких классов молекул РНК. Сначала в результате копирования ДНК, несущей информацию о синтезируемом белке, образуется молекула матричной РНК (мРНК). К каждой из 20 аминокислот, из которых строится белок, присоединяется молекула специфической транспортной РНК (тРНК), а к субъединицам рибосомы, на которой происходит синтез, присоединяются некоторые вспомогательные белковые факторы.
Началом синтеза белка в клетке считается момент, когда эти компоненты объединяются в цитоплазме, образуя функциональную рибосому. По мере того как мРНК шаг за шагом продвигается сквозь рибосому, её нуклеотидная последовательность переводится (транспортируется) в соответствующую последовательность аминокислот, в результате создаётся определённая белковая цепь.
Синтез РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. В результате транскрипции образуются молекулы мРНК, несущие информацию для синтеза белка в клетке, а также транспортные, рибосомные и другие виды молекул РНК, выполняющие структурные и каталитические функции. Синтез этих молекул РНК - копий нуклеотидных последовательностей участков молекулы ДНК - катализируется ферментами, которые называются РНК-полимеразами.
Связь РНК-полимеразы оказывается очень прочной, если РНК-полимераза присоединяется к специфической последовательности ДНК, к так называемому промотору, содержащему старт-сигнал для синтеза РНК, то есть к сайту, с которого этот синтез должен начаться. Реакции, которые из этого вытекают, характеризуются следующим: присоединившись к промотору, РНК-полимераза раскручивает свой участок двойной спирали, обнажая таким образом нуклеотиды на коротком отрезке каждой из двух цепей ДНК. Одна из этих двух разделённых цепей должна стать матрицей для комплементарного спаривания основной ДНК с основаниями поступающих мономеров – рибонуклеозидтрифосфатов. Полимераза соединяет между собой два первых поступающих мономера и тем самым кладёт начало синтезируемой цепи РНК. Затем РНК-полимераза, продвигаясь шаг за шагом вдоль ДНК, раскручивает перед собой спираль ДНК, обнажая всякий раз новый участок матрицы для комплементарного спаривания оснований. Добавляя к растущей цепи РНК по одному нуклеотиду, она постепенно наращивает цепь.
Процесс удлинения цепи РНК продолжается до тех пор, пока фермент не встретит на своём пути еще одну специфическую нуклеотидную последовательность в цепи ДНК, - а именно сигнал терминации транскрипции (стоп-сигнал). Достигнув этой точки, полимераза отделяется и от матричной ДНК, и от вновь синтезированной цепи РНК. Во время продвижения фермента вдоль матричной цепи в его активном центре образуется двойная спираль РНК-ДНК. Позади молекулы полимеразы, закончившей свою работу синтеза ДНК-РНК, немедленно восстанавливается спираль ДНК-РНК, а РНК вытесняется. Каждая завершенная цепь РНК отделяется от ДНК-матрицы в виде свободной одноцепочечной молекулы, в которой число нуклеотидов колеблется от 70 до 10000.
Транскрибируется, как правило, одна из цепей ДНК. Какая из двух цепей будет транскрибироваться, определяется промотором, нуклеотидная последовательность которого ориентирована таким образом, чтобы направить РНК-полимеразу на тот или иной путь.
Известно также, что в определении того, какие участки ДНК будут транскрибироваться РНК-полимеразой, важную роль играют особые белки , регулирующие активность генов. Именно от них в первую очередь и зависит, какие белки будет вырабатывать клетка. Далее, в клетках эукариот большинство РНК-транскриптов ДНК покинут клеточное ядро и перейдут в цитоплазму в виде мРНК, претерпевая существенные изменения - подвергаясь сплайсингу.
Во всех клетках имеется набор транспортных РНК (тРНК) - небольших молекул, размеры которых колеблются от 70 до 90 нуклеотидов. Эти РНК, присоединяясь одним своим концом к специфическому кодону мРНК, а другим присоединяя аминокислоту, кодируемую данным триплетом, позволяют аминокислотам выстраиваться в порядке, диктуемом нуклеотидной последовательностью мРНК.
Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белка. Транспортную РНК, переносящую глицин, обозначают как тРНК Gly и т.д. Для каждой из 20 аминокислот имеется один тип тРНК. Важно при этом, что каждая аминокислота ковалентно присоединяется к тРНК, содержащей правильный антикодон - трехнуклеотидную последовательность, комплементарную трехнуклеотидному кодону, определяющему эту аминокислоту в молекулу мРНК. Спаривание кодона с антикодоном позволяет каждой аминокислоте включиться в растущую белковую цепь в том порядке, который диктуется нуклеотидной последовательностью мРНК. Так что генетический код используется для перевода (трансляции) нуклеотидных последовательностей нуклеиновых кислот в аминокислотные последовательности белков.
нить мРНК окрашена красным цветом, рибосомы - синим, растущие полипептидные цепи - зелёным. (Фото Dr Elena Kiseleva).
Присоединяясь одним концом к аминокислоте, а другим спариваясь с кодоном, тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот. Функция тРНК зависит от трёхмерной структуры её молекулы. В каком именно месте будет присоединена к растущей полипептидной цепи данная аминокислота, зависит не от самой аминокислоты , а от присоединившей её молекулы тРНК. Молекула тРНК ковалентно присоединяется именно к той аминокислоте из всех двадцати аминокислот, которая является её настоящим партнером. Механизм этот связан с участием ферментов, называемых аминоацил-тРНК-синтазами, которые присоединяют аминокислоту к соответствующему набору молекул тРНК. Для каждой из аминокислот имеется своя особая синтетаза (всего таких синтетаз 20): одна присоединяет, например, глицин к тРНК Gly , другая - аланин к тРНК Ala и т.д. Таким образом, молекулы тРНК играют роль конечных адаптаторов, переводящих информацию, заключённую в нуклеотидной последовательности нуклеиновой кислоты, на язык белка.
Для осуществления реакций белкового синтеза требуется сложный каталитический стимул. Растущий конец полипептидной цепи должен определённым образом подстраиваться к молекуле мРНК для того, чтобы каждый последующий кодон мРНК точно соединился с антикодоном тРНК, не проскочив ни на один нуклеотид. В противном случае это приведет к сдвигу последовательности считывания.
Более половины массы рибосомы составляет РНК (рРНК), которая играет ключевую роль в каталитической активности рибосомы. В рибосоме имеются три различных участка, с которыми связывается РНК - один для мРНК и два для тРНК. Из двух последних один участок удерживает молекулу тРНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи, поэтому его называют пептидил-тРНК - связывающим участком, или Р-участком.
Второй участок служит для удержания только прибывшей молекулы тРНК, нагруженной аминокислотой. Его называют аминоацил-тРНК-связывающим участком, или А-участком. К обоим участкам молекула тРНК прочно прикрепляется лишь в том случае, если её антикодон спаривается с комплементарным ему кодоном мРНК. А- и Р-участки располагаются очень близко друг к другу - так, что две связанные с ними молекулы тРНК спариваются с двумя соседними кодонами в молекуле мРНК.
Процесс наращивания полипептидной цепи на рибосомах может рассматриваться как цикл, слагающийся из трёх отдельных этапов:
- Молекула аминоацил-тРНК связывается со свободным участком рибосомы, примыкающим к занятому Р-участку. Связывание осуществляется путём спаривания нуклеотидов антикодона с тремя нуклеотидами мРНК, находящимися в А-участке.
- На втором этапе происходит отделение карбоксильного конца полипептидной цепи в Р-участке от молекулы тРНК и образуется пептидная связь с аминокислотой, присоединённой молекулой тРНК в А-участке.
- Новая пептидил-тРНК переносится в Р-участок рибосомы, в то время как рибосома продвигается вдоль молекулы мРНК ровно на три нуклеотида.
Процесс транслокации, составляющий третий этап, включает в себя и возвращение свободной молекулы тРНК, отделившейся от полипептидной цепи в Р-участке во время второго этапа цитоплазматического пула тРНК. Поэтому после завершения третьего этапа незанятый А-участок может принять новую молекулу тРНК, нагруженную очередной аминокислотой, то есть цикл может начаться снова.
Весьма энергоёмкий процесс. Образование каждой новой пептидной связи сопровождается расположением четырёх высокоэнергетических фосфатных связей. Две из них расходуются, чтобы нагрузить аминокислотой молекулу тРНК, а две - на сам синтез в цикле реакций, протекающих на рибосоме. При завершении цикла пептидилтранфераза присоединяет к пептидил-тРНК не аминокислоту, а молекулу H 2 O, в силу чего карбоксильный конец растущей полипептидной цепи отделяется от молекулы тРНК - белковая цепь оказывается свободной и поступает в цитоплазму.
Таким образом, вновь сформированная после митотического деления клетка наделена видовой преемственностью наследственного материала, в результате перехода его в процессе деления в равном количестве в обе дочерние клетки. Дочерние клетки продолжают эволюционно закреплённый процесс видового метаболизма, приобретая свойства, характерные для клеточной популяции тканевой принадлежности. Поэтому в короткий промежуток вновь сформированные клетки проходят специализацию (дифференцировку) согласно их основной генетически закреплённой принадлежности. Ряд свойств становятся крайне общими для всех клеток, независимо от того, в какой тканевой системе им приходится выполнять свой жизненный цикл. Для выполнения своих функций клетки наделены рядом высокоспециализированных свойств.
Источники:
Цитофизиология / Луценко М.Т. // Новосибирск-Благовещенск, 2011.
Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Все многообразие свойств белков в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет.
Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНК и транспортной – тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание – урацил – комплементарно аденину.
Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.
Первый этап (транскрипция) происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене – участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому про-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. В ядре в про-мРНК специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. Этот процесс называют сплайсингом. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.
Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем - до 5600, 4850, 3800, 3400 и т. д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид.
Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.
Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – Ц-Ц-А. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.
Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30х30х20 нм, у эукариот – 40х40х20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет величину 70Sи состоит из двух субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64 % рибосомальной РНК и 36 % белка.
Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – А-У-Г-. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее – элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.
Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрее.
Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК. Она не зависит от строения рибосомы.
Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами - синтезом макромолекул: ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена - достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под генетическим контролем. Действие гена обеспечивает транскрипцию , или синтез РНК, и трансляцию , или синтез белка (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции: а - общая схема транскрипции. Стрелка показывает направление, в котором ДНК-матрица движется через молекулу РНК-полимеразы; б - два этапа: транскрипция и трансляция
Процесс синтеза белка начинается с транскрипции ДНК (как рассматривалось выше). Следующий процесс - трансляция мРНК.
Трансляция мРНК - это синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.
В этом процессе различают три стадии:
- 1. Активация свободных аминокислот - образование аминоациладе- нилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каждой аминокислоты. Эти ферменты - ами- ноацил-тРНК-синтетазы - участвуют и в следующей стадии.
- 2. Аминоацилирование тРНК - присоединение аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК- синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.
- 3. Собственно трансляция, или полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.
Таким образом, при трансляции последовательность расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.
Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУГ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл. 5.4.). Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (^-центре), располагающемся преимущественно на малой субъединице рибосомы.
Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодоном УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состоящему из малой субъединицы рибосомы (305), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (505). В результате образуется полностью собранная рибосома, включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидиль- ный центры.
Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, который может соединиться с антикодоном следующей ами- ноацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоациль- ный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). При этом выделяется молекула воды:
В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.
В результате процесса трансляции комплекс дипсптндил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр нс поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или УГА.
После поступления в аминоацильный центр рибосомы терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые затем диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов.
Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают постгрансляционные преобразования и в дальнейшем выполняют свои специфические функции. Первичная структура полипептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется природой боковых групп аминокислотных остатков (а-спираль, складчатый P-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространственной) структурой полипептида , отражающей способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.
Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина включает в себя две a-цепи и две P-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.
Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон-антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной роли рибосом в контроле комплементар- ности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.
Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
1.Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).
2.На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
3.Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
4.На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.
Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.
Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.
В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.
Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.
Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.
Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.
У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.
В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.