Этапы синтеза белка

Синтез белка (трансляция) является самым сложным из биосинтетических процессов: он требует очень большого количества ферментов и других специфических макромолекул, общее количество которых, видимо, доходит до трёхсот. Часть из них к тому же объединены в сложную трёхмерную структуру рибосом. Но, несмотря на большую сложность, синтез протекает с чрезвычайно высокой скоростью (десятки аминокислотных остатков в секунду). Процесс может замедляться и даже останавливаться ингибиторами-антибиотиками.

У всех живых организмов ДНК является первичным носителем генетической информации. Это значит, что в структуре молекулы ДНК в виде последовательности нуклеотидов записана вся программа, необходимая для жизнедеятельности клетки, ее реакции на различные внешние воздействия.

У прокариот (доядерных организмов) вся наследственная информация представлена на одной кольцевой молекуле ДНК, состоящей из нескольких миллионов пар нуклеотидов. Иногда часть информации содержится в нескольких небольших кольцевых ДНК — плазмидах.

У эукариот (имеющих клеточное ядро) ДНК в основном сосредоточена в хромосомах. В каждой хромосоме содержится одна двунитевая ДНК, размер которой достигает сотен миллионов пар нуклеотидов. Относительно маленькие молекулы ДНК содержатся в митохондриях. Они необходимы для синтеза митохондриальных РНК и митохондриальных белков. Двунитевая молекула построена по принципу комплементарности. Т. е. когда каждая из четырех НК предпочитает взаимодействовать (образовывать водородные связи) только с одной НК из трех возможных. Так аденин взаимодействует через О-Н связи только с тимином (АТ), а гуанин с цитозином (Г — Ц).

Синтез полипептидной цепи (ДНК, РНК или белка) в клетках складывается из трех основных этапов: инициации, элонгации и терминации.

Инициация — образование связи между мономерными звеньями создаваемой полимерной цепи. Далее мономер присоединяется к образовавшемуся димеру, тримеру, тетрамеру и т. д. — это уже элонгация.

Элонгация — соединение очередного мономера с растущей полимерной цепью. Этот процесс происходит в активном центре фермента полимеразы. Затем участок, полимера к которому присоединился мономер, выдвигается из зоны активного центра фермента — это процесс транслокации.

Терминация — окончание сборки полимера. Для этого на матрице имеется определенный участок — терминатор (по его информации невозможно подобрать необходимый мономер).

Все процессы, происходящие с участием ДНК можно разделить на два вида:

• 1) использование информации, записанной на ДНК, для синтеза молекул РНК, а затем клеточных белков
• 2) сохранение, размножение и изменение информационного содержания молекул ДНК

Каждая программа, записанная на ДНК может быть многократно считана.

Способность ДНК к точному самоудвоению при произвольной последовательности нуклеотидов в ее цепях заложен и в самом принципе построения ДНК в виде двунитевой структуры со взаимно комплементарными последовательностями. Это означает, что каждая из цепей содержит полную информацию о строении противоположной цепи. При расхождении двунитевой ДНК каждая из цепей может воспроизвести другую цепь — это процесс репликации. Он реализуется при участии ферментов ДНК-полимераз. Матричный синтез ДНК выполняет две основные функции: репликацию (удвоение) ДНК, т. е. синтез новых дочерних цепей, комплементарных исходным матриксным цепям, и репарацию (восстановление) ДНК, если одна из цепей имеет повреждения. Но не всегда репарация способна восстановить первоначальную структуру ДНК и процесс репликации происходит с поврежденной цепи ДНК. В этом случае происходит наследование повреждений — мутация.

ДНК-полимеразы катализируют перенос дезоксирибонуклеотидных фрагментов от АТФ, ГТФ, ЦДФ, ТДФ на гидроксигруппу растущей или подлежащей регенерации цепи ДНК. Т. е. ДНК-полимеразы относятся к классу трансфераз. Раскручивание двунитевой спирали ДНК для доступа к ней ДНК-полимераз осуществляется двумя ферментами: геликазой и ДНК-топоизомеразой.

Кроме репликации, репарации и мутации ДНК может подвергаться гомологичной рекомбинации. Две близкие по своей первичной структуре молекулы ДНК, расположенные рядом объединяются в четырехнитевую структуру. При этом соседние участки обмениваются фрагментами. Рекомбинация не создает новых генов, но в результате этого процесса возникают новые комбинации признаков, которые могут оказаться весьма существенными при естественном отборе.

ДНК программирует работу ферментов РНК-полимераз, которые катализируют синтез новых молекул РНК из нуклеотидов с последовательностью, комплементарной одной из цепей программирующей ДНК. Этот процесс называют транскрипцией (считывание). Конечным итогом является образование информационных, рибосомных и транспортных РНК. Образованная цепь РНК — первичный транскрипт это еще не готовая РНК и она подвергается дополнительной серии превращений — процессингу (отщеплению одного или нескольких нуклеотидов или наоборот присоединению, но уже без информации с ДНК). Синтез РНК начинается со вполне определенных участков ДНК и во вполне определенное время. Для этого на ДНК имеются участки к которым присоединяются РНК-полимеразы и регуляторные молекулы. Эти участки не подвергаются считыванию и называются нетранскрибируемыми.

Матричный биосинтез РНК (транскрипция) осуществляется при участии ферментов РНК-полимераз. Этот фермент катализирует такой же тип реакции как и ДНК-полимераза (перенос нуклеозид-трифосфата на цепь РНК), но только вместо субстрата ТДФ используется УТФ. Матрицей при транскрипции является двунитевая ДНК. Вблизи активного центра РНК-полимеразы двунитевая спираль раскручивается, и фермент составляет цепь РНК по считываемой информации с нити ДНК. РНК составляется по принципу комплементарности с тем отличием, что вместо тимина используется урацил и нуклеозиды, которые содержат не дезоксирибозу, а рибозу.

Инициация проходит на строго определенном участке матрицы ДНК, он называется промотор, и именно с ним происходит специфическое взаимодействие активного центра РНК-полимеразы. После чего начинается синтез цепи РНК. ДНК содержит много таких промоторов и при изменении условий РНК-полимереза может присоединяеться к к другому промотору. Так, при повышении температуры на 2,0−3,0 °С выше физиологического уровня РНК-полимераза присоединяется к промотору, с которого начинается считывание информации необходимой для синтеза специальных защитных белков — БТШ.

Вновь синтезированная РНК еще не готова к выполнению своей функции и подвергается ряду превращений — процессингу. В нем принимают участие многие ферменты. Так, часто цепь РНК необходимо разрезать на несколько более коротких или подровнять концы, удалив лишние нуклеотиды — это осуществляют РНК-азы. Процесс транскрипции является точкой приложения многих биологически активных веществ, например антибиотиков и токсинов. Биосинтез белка согласно информации на РНК называется трансляцией (передачей). Он происходит на сложных надмолекулярных структурах — рибосомах, которые построены из рибосомных РНК и белков. АК для сборки новых полипептидных цепей поступают к рибосомам при участии тРНК, каждая из которых связывает по одной АК. Сборка полипептидной цепи осуществляется по информации, содержащейся на мРНК. В цепи мРНК информация о каждой АК записана в виде комбинации из трех нуклеотидов (например, УУУ или УУЦфенилаланин, АУГ-метионин). Такие тринуклеотиды называются кодонами. На рибосомах происходит взаимодействие кодона мРНК с антикодоном тРНК. Антикодон тРНК — это тоже тринуклеотид, а сама тРНК имеет вид кленового листа (или креста). На малой субъединице рибосомы расположен участок, на котором взаимодействуют кодон мРНК с антикодоном тРНК — это декодирующий участок. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается со взаимодействия между двумя остатками тРНК один из которых несет на себе АК метионин (с нее обычно все и начинается). Отобраная АК переносится от одной тРНК на тРНТ с которой и начинается синтез белковой цепи. Участок рибосомы, на котором происходит этот перенос, содержит фермент пептидилтрансферазу. Он локализован на большой субъединице рибосомы. Молекула тРНК располагается одновременно на двух субъединицах. К начальной молекуле тРНК (с метионином) постепенно присоединяются различные АК посредством пептидной связи, пока на мРНК не встретится участок терминации. На этом синтез полипептида заканчивается.

Рибосомы, как и РНК-полимеразы, являются точками приложения действия ряда антибиотиков, так стрептомицин связывается с малой субъединицей рибосомы прокариот, хлорамфинекол — с большой вблизи активного центра пептидилтрансферазы. При этом тормозится синтез белка бактерий и не изменяется у животных.

Рис.3— Генетический код

Генетический код обладает рядом особенностей. Во-первых, в коде отсутствуют «знаки препинания», то есть сигналы, показывающие начало и конец кодонов. Во-вторых, 3 нуклеотидных триплета (УАГ, УАА, УГА) не соответствуют никакой аминокислоте, а обозначают конец полипептидной цепи, а кодон АУГ сигнализирует о начале цепи либо (если он в середине последовательности) об аминокислоте метионине. Многие аминокислоты могут кодироваться несколькими различными кодонами. Все кодоны аминокислот одинаковы у всех изученных организмов: от вируса до человека. Создаётся впечатление, что все организмы на Земле происходят от единого генетического предка. Впрочем, в последнее время в митохондриях клеток человека были обнаружены кодоны, не совпадающие с «нормальным» словарём. Их наличие представляет собой загадку для ученых.

Синтез белка требует больших затрат энергии — 24,2 ккал/моль. После окончания синтеза белок при помощи специального полипептидного лидера доставляется к месту своего назначения.

Синтез белка контролируют гены-операторы. Совокупность рабочих генов — операторов и структурных генов — называется оперон. Опероны не являются самостоятельной системой, а «подчиняются» генам-регуляторам, отвечающим за начало или прекращение работы оперона. Свой контроль гены-регуляторы осуществляют при помощи специального вещества, которое они при необходимости синтезируют. Это вещество реагирует с оператором и блокирует его, что влечёт за собой прекращение работы оперона. Если же вещество реагирует с небольшими молекулами — индукторами, это будет являться сигналом к возобновлению работы системы.

Рис. 4 — Синтез белка.

Модель оперонов была разработана на микроорганизмах, но она соответствует и принципу работы генома эукариот. У последних гены образуют сложные системы, называемые супергенами, которые могут одновременно кодировать множество идентичных друг другу молекул белка.

Все многоклеточные организмы развиваются из одной-единственной клетки — зиготы. Процесс дифференцировки клеток, видимо, связан с управлением синтезом белка генами-регуляторами, но каким конкретно образом осуществляется это управление — пока остаётся неясным.