Кто открыл биосинтез белка. Основное место биосинтеза белка

Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка – нить ДНК может содержать информацию о многих белках. Ген – это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК.

Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательно протекающих событий:

Репликация ДНК (в ядре клетки) транскрипция информационная РНК (в цитоплазме с помощью рибосом) трансляция белок

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» расположен атикодон (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. 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.

Биосинтез белка происходит во всех органах, тканях и клетках. Наибольшее количество белка синтезируется в печени. Рибосомы осуществляют биосинтез белка. По химической природе рибосомы - нуклеопротеиды, состоящие из РНК (50-65%) и белков (35-50%). являются составными частями гранулярной где происходят биосинтез и перемещение синтезированных молекул белка.

Рибосомы в клетке находятся в виде скоплений от 3 до 100 единиц - полисом (полирибосом). Рибосомы обычно соединены между собой своеобразной нитью, видимой под электронным микроскопом - и-РНК.

Каждая рибосома способна синтезировать самостоятельно одину полипептидную цепь, группа - несколько таких цепей и молекул белка.

Этапы биосинтеза белка

Активация аминокислот. В гиалоплазму из межклеточной жидкости в результате диффузии, осмоса или активного переноса поступают аминокислоты. Каждый вид амино- и иминокислот взаимодействует с индивидуальным ферментом - аминоацилсинтетазой. Реакция активируется катионами магния, марганца, кобальта. Возникает активированная аминокислота.

Биосинтез белка (второй этап) - взаимодействие и соединение активированной аминокислоты с т-РНК. Активированные аминокислоты (аминоациладенилат) при помощи ферментов переносятся на т-РНК цитоплазмы. Процесс катализируется аминоацил-РНК-синтетазами. Остаток аминокислоты соединяется карбоксильной группой с гидроксильной второго атома Карбона рибозы нуклеотида т-РНК.

Биосинтез белка (третья стадия) - транспортировка комплекса активированной аминокислоты с т-РНК в рибосомы клетки. Аминокислота связана с т-РНК, переносится с гиалоплазмы на рибосому. Процесс катализируется специфическими ферментами, которых в организме не менее 20. Некоторые аминокислоты транспортируются несколькими т-РНК (например, валин и лейцин - тремя т-РНК). В этом процессе используется энергия ГТФ и АТФ. Четвертая стадия биосинтеза характеризируется связыванием аминоацил-т-РНК с комплексом и-РНК - рибосома. Аминоацил-т-РНК, подойдя к рибосоме, взаимодействует с и-РНК. Каждая т-РНК имеет участок, состоящий из трех нуклеотидов - антикодон. В и-РНК ему соответствует участок с тремя нуклеотидами - кодон. Каждому кодону соответствуют антикодон т-РНК и одна аминокислота. В ходе биосинтеза к рибосомам присоединяются в виде аминоацил-тРНК аминокислоты, которые в дальнейшем в порядке, определяемом размещением кодонов в и-РНК, формируются в полипептидную цепь.

Следующая стадия биосинтеза белка - это инициация полипептидной цепи. После того как две соседние аминоацил-т-РНК своими антикодонами присоединились к кодонам и-РНК, создаются условия для синтеза полипептидной цепи. Формируется пептидная связь. Эти процессы катализируются пептидсинтетазами, активируются катионами Mg и факторами инициации белковой природы F1, F2, F3. Источником химической энергии является гуанозинтрифосфатная кислота.

Терминация полипептидной цепи. Рибосома, на поверхности которой синтезировалась полипептидная цепь, достигает конца цепи и-РНК, в дальнейшем «соскакивает» из нее. К противоположному концу и-РНК на ее место присоединяется новая рибосома, которая осуществляет синтез очередной молекулы полипептида. Полипептидная цепь отсоединяется от рибосомы и выделяется в гиалоплазму. Эта реакция осуществляется с помощью специфического фактора освобождения (фактора R), который соединен с рибосомой и облегчает гидролиз эфирной связи между полипептидом и т-РНК.

В гиалоплазме из полипептидных цепей образуются простые и Формируются вторичная, третичная и во многих случаях - молекулы. Таким образом происходит биосинтез белка в клетке.

Биосинтез белка.

Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) – совокупность реакций биологического синтеза. Название этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступающих в клетку из вне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Биосинтез белков осуществляется во всех клетках про -и эукариот. Информация о первичной структуре (порядке аминокислот) белковой молекулы закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК - гене.

Ген- это участок молекулы ДНК, определяющий порядок аминокислот в молекуле белка. Следовательно, от порядка нуклеотидов в гене зависит порядок аминокислот в полипептиде, т.е. его первичная структура, от которой в свою очередь зависят все другие структуры, свойства и функции белковой молекулы.

Система записи генетической информации в ДНК (и - РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом. Т.е. единица генетического кода (кодон) - это триплет нуклеотидов в ДНК или РНК, кодирующий одну аминокислоту.

Всего генетический код включает 64 кодона, из них 61 кодирующий и 3 некодирующих (кодоны-терминаторы, свидетельствующие об окончании процесса трансляции).

Кодоны-терминаторы в и - РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.

Начало процесса трансляции определяет кодон-инициатор (АУГ, в ДНК - ТАЦ), кодирующий аминокислоту метионин. Этот кодон первым входит в рибосому. Впоследствии метионин, если он не предусмотрен в качестве первой аминокислоты данного белка, отщепляется.

Генетический код обладает характерными свойствами.

1. Универсальность - код одинаков для всех организмов. Один и тот же триплет (кодон) в любом организме кодирует одну и ту же аминокислоту.

2. Специфичность - каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

3. Вырожденность - большинство аминокислот могут кодироваться несколькими кодонами. Исключение составляют 2 аминокислоты - метионин и триптофан, имеющие лишь по одному варианту кодона.

4. Между генами имеются «знаки препинания» - три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза полипептидной цепи.

5. Внутри гена «знаков препинания» нет.

Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа – транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК.

Она (и - РНК) является посредником, передающим информацию от ДНК к месту сборки молекул белка в рибосоме. Синтез и - РНК (транскрипция) происходит следующим образом. Фермент (РНК - полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (кодирующей) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Синтезированная таким образом (матричный синтез) молекула и - РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются малые субъединицы рибосом.

Второй этап в биосинтезе белка - трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и - РНК в последовательность аминокислот в полипептиде. У прокариот, не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и - РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и - РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и - РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и - РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

В цитоплазме на один из концов и - РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида. По мере продвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и - РНК обеспечивается т - РНК.

Транспортные РНК (т - РНК) «приносят» аминокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т - РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме напоминает лист клевера. На ее верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), который соответствует определенной аминокислоте, а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения транспортной РНК: 1 - водородные связи; 2 - антикодон; 3 -место прикрепления аминокислоты.

Каждая т - РНК может переносить только свою аминокислоту. Т-РНК активируется специальными ферментами, присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК. Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются рядом в большой субъединице рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез) (рис. 2).

Рис. 2. Схема бисинтеза белка: 1 - и-РНК; 2 - субъединицы рибосомы; 3 - т-РНК с аминокислотами; 4 - т-РНК без аминокислот; 5 - полипептид; 6 - кодон и-РНК; 7- антикодон т-РНК.

Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь. Однако, нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полирибосомами. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1с бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.

ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.

Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.

Участок хромосомы, где расположен ген называют локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом — геном , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон .

Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации, выступают РНК, т.е. реализация генетической информации происходит следующим образом:

ДНК → РНК → белок

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором (участок ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция) и заканчивается терминатором (участок ДНК, содержащий сигнал окончания транскрипции). Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.

Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе трансляции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.

Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей. Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и не кодирующих (интронов ) участков. После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника пре-мРНК.

Он включает два основных события:

1. присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции;
2. сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз.

Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК:

• мРНК служит информационной матрицей;
• тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны;
• рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК;
• тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом называются полирибосомами (полисомами) . На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия четырех АТФ.

Генетический код

Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка. Определенному сочетанию нуклеотидов ДНК, а следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипептидной цепи белка. Это соответствие называют генетическим кодом . Одну аминокислоту определяют три нуклеотида, объединенных в триплет (кодон) . Поскольку существуют четыре типа нуклеотидов, объединяясь по три в триплет, они дают 4 3 = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них три являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 — кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.

Примечания:

1. Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном.
2. На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.
3. Азотистые основания вне скобок входят в состав мРНК, азотистые основания в скобках — в состав ДНК.

Свойства генетического кода :

1. код триплетен — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеиновой кислоты;
2. код универсален — все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код;
3. код однозначен (специфичен) — триплет соответствует одной единственной аминокислоте.
4. код избыточен — одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом;
5. код не перекрывается — один нуклеотид не может входить в состав сразу нескольких кодонов в цепи нуклеиновой кислоты;
6. код колинеарен — последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов вмРНК.

Этапы трансляции

Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация — сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет -тРНК, а затем с мРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
2. Элонгация — удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
3. Терминация — завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов мРНК, а так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мРНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза

К реакциям матричного синтеза относят:

• самоудвоение ДНК (репликация);
• образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
• биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. На реакциях матричного синтеза основана способность живых организмов к воспроизведению себе подобных.

Регуляция экспрессии генов

Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, т.е. дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют еще и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Зачем нам белки

Все мы знаем, как важны для живого организма белки, ведь именно из них построены ткани нашего тела. Подавляющая часть биохимических реакций в нем катализируется именно белками (ферментами). Эти сложные вещества входят в состав клеточных мембран (транспортные) и обеспечивают защиту всего организма от чужеродных агентов (иммуноглобулины).

С помощью них мы перевариваем пищу (пищеварительные ферменты) и двигаемся (белки мышечной ткани), они работают в кровеносной системе, обеспечивая свертывание крови, и являются продуктом эндокринной системы, регулируя все процессы в теле.

Как устроен белок и где он создается

Белковая молекула состоит из органических соединений — аминокислот. Каждая клетка тела должна "уметь" производить белок как для собственных нужд, так и для всего организма. Процесс этого "производства" и называется биосинтез белка. Где он проходит внутри живой клетки?Для того чтобы создавать белковые молекулы, каждая мельчайшая частичка тела имеет "белковосинтетические станции" — рибосомы. Это маленькие внутриклеточные органеллы, их единственной функцией является биосинтез белка. Они занимаются этим довольно эффективно: одна рибосома за одну секунду создает белковую цепочку из 20 аминокислот.

Этапы биосинтеза белка

Чтобы приступить к "сборке" белковой молекулы, как уже было упомянуто, рибосома должна получить информацию о том, как это делать, и аминокислоты, из которых она будет "сооружать" белок. Весь процесс начинается с "переписывания" информации о структуре будущей белковой молекулы с ДНК на информационную РНК (и-РНК). Последняя у эукариотической клетки подвергается процессингу — созреванию. Он заключается в формировании более короткой молекулы путем "вырезания" неинформативных участков. Следующий этап характерен тоже только для эукариотической "единицы живой материи" — перенос и-РНК из ядра в цитоплазму. Параллельно в последней транспортные РНК (т-РНК) посредством ферментов соединяются с соответствующей аминокислотой. Наконец, далее следует этап трансляции — вот это уже, собственно, биосинтез белка, происходящий на рибосоме. Завершающей стадией всего сложного процесса становится "созревание" белка. Он приобретает нужную вторичную и третичную структуру, к нему присоединяются небелковые составляющие (например, гем, молекулы металлов, липиды, нуклеотиды, витамины). "Готовая" белковая молекула используется клеткой или выделяется из нее.