Основне місце біосинтезу білка. Етапи біосинтезу білка

Синтез білка - дуже важливий процес. Саме він допомагає нашому організму рости і розвиватися. У ньому беруть участь багато структур клітини. Адже для початку необхідно зрозуміти, що саме ми збираємося синтезувати.

Який білок потрібно будувати в даний момент - за це відповідають ферменти. Вони отримують сигнали від клітини про необхідність того чи іншого білка, після чого починається його синтез.

Де проходить синтез білка

У будь-якій клітині основне місце біосинтезу білка - рибосома. Це велика макромолекула зі складною асиметричною структурою. Складається вона з РНК (РНК) і білків. Рибосоми можуть розташовуватися поодинці. Але найчастіше вони об`єднуються з ЕПС, що полегшує наступні сортування і транспорт білків. Якщо на ендоплазматичноїмережі сидять рибосоми, її називають шорсткою ЕПС. Коли трансляція відбувається інтенсивно, по одній матриці можуть рухатися відразу кілька рибосом. Вони йдуть один за одним і анітрохи не заважають іншим органеллам.

Що необхідно для синтезу білка

Для протікання процесу необхідно, щоб всі основні компоненти белоксинтезирующей системи були на місці:

1. Програма, яка задає порядок розташування амінокислотних залишків у ланцюзі, а саме мРНК, яка перенесе цю інформацію від ДНК до рибосом.
2. Амінокислотний матеріал, з якого буде будуватися нова молекула.
3. тРНК, яка доставить кожну амінокислоту в рибосому, візьме участь в розшифровці генетичного коду.
4. Аміноацил-тРНК-синтетаза.
5. Рибосоми - це основне місце біосинтезу білка.
6. Енергія.
7. Іони магнію.
8. Білкові фактори (для кожного етапу свій).

Тепер розглянемо кожен з них докладніше і дізнаємося, як створюються білки. Механізм біосинтезу дуже цікавий, всі компоненти діють надзвичайно злагоджено.

Програма синтезу, пошук матриці

Вся інформація про те, які саме білки може будувати наш організм, міститься в ДНК. Дезоксирибонуклеїнова кислота служить для зберігання генетичної інформації. Вона надійно запакована в хромосомах і розташовується в клітці в ядрі (якщо мова про еукаріотах) або плаває в цитоплазмі (у прокаріотів).

Після досліджень ДНК і визнання її генетичної ролі стало ясно, що вона не є безпосередньою матрицею для трансляції. Спостереження привели до припущень, що з синтезом білка пов`язана РНК. Вчені вирішили, що вона повинна бути посередником, переносити інформацію від ДНК до рибосом, служити матрицею.

У той же час були відкриті рибосоми, їх РНК становить переважну частину клітинної рибонуклеїнової кислоти. Щоб перевірити, чи є вона матрицею для синтезу білка, А. Н. Білозерський та А. С. Спірін в 1956-1957 рр. провели порівняльний аналіз складу нуклеїнових кислот у великої кількості мікроорганізмів.

Передбачалося, що якщо ідея про схему «ДНК-рРНК-білок» вірна, тоді склад тотальної РНК буде змінюватися так само, як ДНК. Але, незважаючи на величезні відмінності в дезоксирибонуклеїнової кислоти у різних видів, склад тотальної рибонуклеїнової кислоти був схожий у всіх розглянутих бактерій. Звідси вчені зробили висновок, що основна клітинна РНК (тобто рибосомальная) - це не прямий посередник між носієм генетичної інформації і білком.

Відкриття мРНК

Пізніше виявилося, що невелика фракція РНК повторює склад ДНК і може служити посередником. У 1956 році Е. Волкін і Ф. Астрачан вивчали процес синтезу РНК в бактеріях, які були заражені бактериофагом Т2. Після потрапляння його в клітку, вона переключалася на синтез фагових білків. При цьому основна частина РНК не змінювалася. Але в клітці починався синтез невеликої фракції метаболічно нестабільної РНК, послідовність нуклеотидів в якій була подібна складом фаговой ДНК.

У 1961 році ця невелика фракція рибонуклеїнової кислоти була вичленована із загальної маси РНК. Доказ її функції посередника були отримані з експериментів. Після інфікування клітин фагом Т4 утворювалася нова мРНК. Вона пов`язувала зі старими хазяйськими рибосомами (нових рибосом після зараження не виявляється), які починали синтезувати фагів білки. Ця «ДНК-подібна РНК» виявилася комплиментарна однієї з ланцюжків ДНК фага.

У 1961 році Ф. Жакоб і Ж. Моно висловили ідею, що ця РНК переносить інформацію від генів до рибосом і є матрицею для послідовної розстановки амінокислот в процесі синтезу білка.

Перенесенням інформації до місця синтезу білка займається мРНК. Процес зчитування інформації з ДНК і створення матричної РНК називається транскрипцією. Після неї РНК піддається ряду додаткових змін, це називається "процесинг". В ході нього з матричної рибонуклеїнової кислоти можуть бути вирізані певні ділянки. Далі мРНК йде в рибосоми.

Будівельний матеріал для білків: амінокислоти

Всього існує 20 амінокислот, деякі з них є незамінними, тобто організм їх не може синтезувати. Якщо якийсь кислоти в клітці недостатньо, це може привести до уповільнення трансляції або навіть повної зупинки процесу. Наявність кожної амінокислоти в достатній кількості - головна вимога для того, щоб правильно пройшов біосинтез білка.

Загальні відомості про амінокислотах вчені отримали ще в XIX столітті. Тоді ж, в 1820 році, були виділені перші дві амінокислоти - гліцин і лейцин.

Послідовність цих мономерів в білку (так звана первинна структура) повністю визначає його наступні рівні організації, а значить, і його фізичні та хімічні властивості.

Транспортування амінокислот: тРНК і аа-тРНК-синтетаза

Але амінокислоти не можуть самостійно вибудовуватися в білкову ланцюжок. Для того щоб їм потрапити в основне місце біосинтезу білка, необхідна транспортна РНК.

Кожна аа-тРНК-синтетаза дізнається тільки свою амінокислоту і тільки ту тРНК, до якої її треба прикріпити. Виходить, що в це сімейство ферментів входить 20 різновидів синтетаз. Залишилося сказати лише те, що амінокислоти прикріплюються до тРНК, точніше, до її гідроксильних акцепторному «хвоста». Кожній кислоті повинна відповідати своя транспортна РНК. За цим стежить аміноацил-тРНК-синтетаза. Вона не тільки зіставляє амінокислоти з правильним транспортом, вона також регулює реакцію утворення складноефірний зв`язку.

Після успішної реакції прикріплення тРНК слід до місця синтезу білка. На цьому закінчуються підготовчі процеси і починається трансляція. Розглянемо основні етапи біосинтезу білка:

• ініціація;
• елонгація;
• термінация.

Стадії синтезу: ініціація

Яким чином відбувається біосинтез білка і його регуляція? Вчені намагалися дізнатися це довгий час. Висувалися численні гіпотези, але чим сучасніше ставало обладнання, тим краще ми стали розуміти принципи трансляції.

Рибосома - основне місце біосинтезу білка - починає читати мРНК з тієї точки, з якої починається її частина, що кодує поліпептидний ланцюг. Ця точка розташовується на певному віддаленні від початку матричної РНК. Рибосома повинна дізнатися точку на мРНК, з якою починається зчитування, і з`єднатися з нею.

Ініціація - комплекс подій, які забезпечують початок трансляції. У ній беруть участь білки (фактори ініціації), инициаторного тРНК і спеціальний инициаторного кодон. На цьому етапі мала субодиниця рибосоми з`єднується з білками ініціації. Вони не дають їй зв`язатися з великою субодиницею. Зате дозволяють з`єднатися з инициаторной тРНК і ГТФ.

Потім цей комплекс «сідає» на мРНК, саме на ту ділянку, який впізнається одним з факторів ініціації. Помилки бути не може, і рибосома починає свій шлях по матричної РНК, читаючи її кодони.

Як тільки комплекс доходить до ініціюючого кодону (АУГ), субодиниця припиняє рух і за допомогою вже інших білкових факторів зв`язується з великою субодиницею рибосоми.

Стадії синтезу: елонгація

Прочитання мРНК припускає послідовний синтез поліпептидів ланцюга білка. Він іде шляхом додавання одного аміноксілотного залишку за одним до будується молекулі.

Кожен новий амінокислотний залишок додається до карбоксильної кінця пептиду, С-кінець є зростаючим.

Стадії синтезу: термінация

Коли рибосома доходить до терминирующего кодону матричної РНК, синтез поліпептидного ланцюжка припиняється. У його присутності органела не може прийняти будь-яку тРНК. Замість неї у справу вступають фактори термінації. Вони вивільняють готовий білок з зупинилася рибосоми.

Після термінації трансляції рибосома може або зійти з мРНК, або продовжити ковзати по ній, чи не транслюючи.

Зустріч рибосоми з новим ініціаторним кодоном (на цьому ж ланцюзі під час продовження руху або ж на новій мРНК) призведе до нової ініціації.

Після того як готова молекула залишає основне місце біосинтезу білка, вона маркується та відправляється у пункт призначення. Які функції вона буде виконувати, залежить від її структури.

Регулювання процесу

Залежно від своїх потреб клітина буде самостійно контролювати трансляцію. Регуляція біосинтезу білка - дуже важлива функція. Вона може здійснюватися різними способами.

Якщо клітина не потребує якомусь з`єднанні, вона припинить біосинтез РНК - біосинтез білка теж перестане відбуватися. Адже без матриці не почнеться весь процес. А старі мРНК швидко розпадаються.

Існує й інша регуляція біосинтезу білка: клітина створює ферменти, які заважають протіканню фази ініціації. Вони заважають трансляції, навіть якщо матриця для зчитування є в наявності.

Другий спосіб необхідний у тому випадку, коли синтез білків потрібно вимкнути прямо зараз. Перший спосіб передбачає продовження млявої трансляції ще якийсь час після припинення синтезу мРНК.

Клітина є дуже складною системою, в якій все тримається на балансі та чіткій роботі кожної молекули. Важливо знати принципи кожного процесу, що протікає в клітці. Так ми краще зможемо розуміти, що відбувається в тканинах і в організмі в цілому.