Синтез белка - один из основных процессов метаболизма в клетке. Это - матричный синтез. Для синтеза белка необходимы ДНК, иРНК, тРНК, рРНК (рибосомы), аминокислоты, ферменты, ионы магния, энергия АТФ. Основная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК.

Информация об аминокислотной последовательности в молекуле белка закодирована в молекуле ДНК. Способ записи информации называют кодированием. Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК.

В состав РНК входят нуклеотиды 4 типов: А, Г, Ц, У. В состав белковых молекул входит 20 аминокислот. Каждая из 20 амино- кислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, называемых триплетом, или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4 3 =64).

Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетный:

2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6):

3. Код не перекрывающийся. Это значит, что последовательно расположенные кодоны являются последовательно расположенны- ми триплетами нуклеотидов:

4. Универсален для всех клеток (человека, животных, растений).

5. Специфичен. Один и тот же триплет не может соответствовать нескольким аминокислотам.

6. Синтез белка начинается со стартового (начального) кодона АУТ, который кодирует аминокислоту метионин.

7. Заканчивается синтез белка одним из трех стоп-кодонов, не кодирующих аминокислоты: УАТ, УАА, УТА.

Таблица генетического кода

Участок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного белка, называют геном. Ген непосредственного участия в синтезе белка не принимает. Посредником между геном и белком является информационная РНК (иРНК). ДНК играет роль матрицы для синтеза иРНК в ядре клетки. Молекула ДНК на участке гена раскручивается. С одной из ее цепей переписывается информация на иРНК в соответствии с принципом компле- ментарности между азотистыми основаниями нуклеиновых кислот. Этот процесс называют транскрипцией. Транскрипция происходит в ядре клетки при участии фермента РНК-полимеразы и с использованием энергии АТФ (рис. 37).

Рис. 37. Транскрипция.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме на рибосомах, где иРНК служит матрицей (рис. 38). Перевод последовательности триплетов нуклеотидов в молекуле иРНК в специфическую последовательность аминокислот называют трансляцией. Синтезированная иРНК выходит через поры в ядерной оболочке в цитоплазму клетки, объединяется с рибосомами, образуя полирибосомы (полисомы). Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. иРНК присоединяется к малой субъединице в присутствии ионов магния (рис. 39).

Рис. 38. Синтез белка.

Рис. 39. Основные структуры, участвующие в белковом синтезе.

В цитоплазме находятся транспортные РНК (тРНК). Каждая аминокислота имеет свою тРНК. У молекулы тРНК на одной из петель имеется триплет нуклеотидов (антикодон), который комплементарен триплету нуклеотидов на иРНК (кодону).

Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активируются (взаимодействуют с АТФ) и с помощью фермента аминоацил-тРНК- синтетазы присоединяются к тРНК. Первый (стартовый) кодон иРНК - АУГ - несет информацию об аминокислоте метионине (рис. 40). К этому кодону подходит молекула тРНК, содержащая комплементарный антикодон и несущая первую аминокислоту метионин. Это обеспечивает соединение большой и малой субъединиц рибосомы. Второй кодон иРНК присоединяет тРНК, содержащую антикодон, комплементарный этому кодону. тРНК содержит вторую аминокислоту. Между первой и второй аминокислотами образуется пептидная связь. Рибосома прерывисто, триплет за триплетом, перемещается по иРНК. Первая тРНК освобождается и выходит в цитоплазму, где может соединяться со своей аминокислотой.

По мере продвижения рибосомы по иРНК к полипептидной цепочке присоединяются аминокислоты, соответствующие триплетам иРНК и привезенные тРНК (рис. 41).

«Считывание» рибосомой информации, заключенной в иРНК, происходит до тех пор, пока не дойдет до одного из трех стоп-кодонов (УАА, УГА, УАГ). Полипептидная цепь

Рис. 40. Синтез белка.

А - связывание аминоацил - тРНК;

Б - образование пептидной связи между метионином и 2-ой аминокислотой;

В - перемещение рибосомы на один кодон.

выходит из рибосомы и приобретает структуру, свойственную данному белку.

Непосредственная функция отдельного гена состоит в кодировании структуры определенного белка-фермента, который ка- тализирует одну биохимическую реакцию, протекающую в определенных условиях среды.

Ген (участок ДНК) → иРНК → белок-фермент → биохимическая реакция → наследственный признак.

Рис. 41. Трансляция.

Вопросы для самоконтроля

1. Где в клетке происходит синтез белка?

2. Где записана информация о синтезе белка?

3. Какие свойства имеет генетический код?

4. С какого кодона начинается синтез белка?

5. Какими кодонами заканчивается синтез белка?

6. Что такое ген?

7. Как и где происходит транскрипция?

8. Как называют триплеты нуклеотидов в молекуле иРНК?

9. Что такое трансляция?

10. Каким образом к тРНК присоединяется аминокислота?

11. Как называют триплет нуклеотидов в молекуле тРНК? 12.Какая аминокислота обеспечивает соединение большой и

малой субъединиц рибосомы?

13. Как происходит образование полипептидной цепочки белка?

Ключевые слова темы «Синтез белка»

азотистые основания аланин

аминокислоты

антикодон

белок

биохимическая реакция

валин

ген

генетический код действие

ДНК

запись информация ионы магния

иРНК

кодирование

кодон

лейцин

матрица

метаболизм

метионин

наследственный признак нуклеиновые кислоты пептидная связь петля

полирибосома поры

последовательность посредник

принцип комплементарности рибосомы

рРНК

серин

синтез

сочетание

способ

структура

субъединица

транскрипция

трансляция

триплет

тРНК

участок

фенилаланин

ферменты

цепочка

цитоплазма

энергия АТФ

В каждой области науки есть своя «синяя птица»; кибернетики мечтают о «думающих» машинах, физики - об управляемых термоядерных реакциях, химики - о синтезе «живого вещества» - белка. Синтез белка долгие годы был темой фантастических романов, символом грядущего могущества химии. Это объясняется и той огромной ролью, какая принадлежит белку в мире живого, и теми трудностями, которые неизбежно вставали перед каждым смельчаком, отважившимся «сложить» из отдельных аминокислот замысловатую мозаику белка. И даже еще не самого белка, а только пептидов.

Разница между белками и пептидами не только терминологическая, хотя молекулярные цепи и тех и других состоят из аминокислотных остатков. На каком-то этапе количество переходит в качество: пептидная цепь - первичная структура - обретает способность сворачиваться в спирали и клубки, образуя вторичную и третичную структуры, характерные уже для живой материи. И тогда пептид становится белком. Четкой границы здесь не существует - на полимерной цепи нельзя поставить демаркационный знак: досель - пептид, отсель - белок. Но известно, например, что адранокортикотропный гормон, состоящий из 39 остатков аминокислот,- это полипептид, а гормон инсулин, состоящий из 51 остатка в виде двух цепей,- это уже белок. Простейший, но все же белок.

Способ соединения аминокислот в пептиды был открыт в начале прошлого века немецким химиком Эмилем Фишером. Но еще долго после этого химики не могли всерьез помышлять не только о синтезе белка или 39-членных пептидов, но даже значительно более коротких цепей.

Процесс синтеза белка

Для того, чтобы соединить между собой две аминокислоты, надо преодолеть немало трудностей. Каждая аминокислота, подобно двуликому Янусу, имеет два химических лица: карбоксильную кислотную группу на одном конце и аминную основную группу - на другом. Если от карбоксила одной аминокислоты отнять группу ОН, а от аминной группы другой - атом водорода, то образовавшиеся при этом два аминокислотных остатка могут соединиться друг с другом пептидной связью, и в результате возникнет простейший из пептидов - дипептид. И отщепится молекула воды. Повторяя эту операцию, можно наращивать длину пептида.

Однако эта, казалось бы, на первый взгляд несложная операция практически трудноосуществима: аминокислоты очень неохотно соединяются друг с другом. Приходится их активировать, химически, и «подогревать» один из концов цепи (чаще всего карбоксильный), и вести реакцию, строго соблюдая необходимые условия. Но это еще не все: вторая сложность состоит в том, что соединяться друг с другом могут не только остатки разных аминокислот, но и две молекулы одной кислоты. При этом строение синтезируемого пептида будет уже отличаться от желаемого. Больше того, каждая аминокислота может иметь не две, а несколько «ахиллесовых пят» - боковых химически активных групп, способных присоединять аминокислотные остатки.

Чтобы не дать реакции свернуть с заданного пути, необходимо закамуфлировать эти ложные мишени - «запечатать» на время осуществляемой реакции все реакционноспособные группы аминокислоты, кроме одной, присоединив к ним так называемые защитные группировки. Если этого не сделать, то цель будет расти не только с обоих концов, но и вбок, и аминокислоты уже не удастся соединить в заданной последовательности. А ведь именно в этом и заключается смысл всякого направленного синтеза.

Но, избавляясь таким образом от одной неприятности, химики столкнулись с другой: защитные группировки после окончания синтеза нужно удалить. Во времена Фишера в качестве «защиты» применялись группировки, которые отщеплялись гидролизом. Однако реакция гидролиза обычно оказывалась слишком сильным «потрясением» для полученного пептида: с трудом построенная его «конструкция» разваливалась как только с нее снимали «строительные леса» - защитные группировки. Лишь в 1932 году ученик Фишера М. Бергманн нашел выход из этого положения: он предложил защищать аминогруппу аминокислоты карбобензоксигруппой, которую можно было удалить без повреждения пептидной цепи.

Синтез белка из аминокислот

В течение последующих лет был предложен ряд так называемых мягких методов «сшивки» аминокислот друг с другом. Однако все они фактически были лишь вариациями на тему метода Фишера. Вариациями, в которых иногда даже трудно было уловить исходную мелодию. Но сам принцип оставался все тем же. И все теми же оставались трудности, связанные с защитой уязвимых групп. За преодоление этих трудностей приходилось расплачиваться увеличением числа стадий реакции: один элементарный акт - соединение двух аминокислот - распадался на четыре этапа. А каждая лишняя стадия - это неизбежные потери.

Если даже предположить, что каждая стадия идет с полезным выходом в 80% (а это хороший выход), то через четыре этапа эти 80% «растают» до 40%. И это при синтезе только дипептида! А если аминокислот будет 8? А если 51, как в инсулине? Прибавьте к этому сложности, связанные с существованием двух оптических «зеркальных» форм молекул аминокислот, из которых в реакции нужна только одна, приплюсуйте проблемы отделения образующихся пептидов от побочных продуктов, особенно в тех случаях, когда они одинаково растворимы. Что же получится в сумме: Дорога в никуда?

И все же эти трудности не останавливали химиков. Погоня за «синей птицей» продолжалась. В 1954 году были синтезированы первые биологически активные гормоны-полипептиды - вазопрессин и окситоцин. В них было по восемь аминокислот. В 1963 году был синтезирован 39-членный полипептид АКТГ - адренокортикотропный гормон. Наконец, химики США, Германии и Китая синтезировали первый белок - гормон инсулин.

Как же так, скажет читатель, трудная дорога, оказывается, привела не в никуда и не куда-нибудь, а к осуществлению мечты многих поколений химиков! Это же эпохальное событие! Верно, это - эпохальное событие. Но давайте оценим его трезво, отрешившись от сенсационности, восклицательных знаков и чрезмерных эмоций.

Никто не спорит: синтез инсулина - огромная победа химиков. Это колоссальный, титанический труд, достойный всякого восхищения. Но вместе с тем эго, по существу, и потолок старой химии полипептидов. Это победа на грани поражения.

Синтез белков и инсулин

В инсулине 51 аминокислота. Чтобы соединить их в нужной последовательности, химикам потребовалось провести 223 реакции. Когда спустя три года после начала первой из них была закончена последняя, выход продукта составлял меньше одной сотой процента. Три года, 223 стадии, сотая доля процента - согласитесь, победа носит чисто символический характер. Говорить о практическом применении этого метода очень трудно: слишком велики связанные с его реализацией расходы. А ведь в конечном счете речь идет о синтезе не драгоценных реликвий славы органической химии, а о выпуске жизненно важного лекарственного препарата, который необходим тысячам людей во всем мире. Так классический метод синтеза полипептидов исчерпал себя на первом же, самом простом белке. Значит, «синяя птица» вновь ускользнула из рук химиков?

Новый метод синтеза белка

Примерно за полтора года до того, как мир узнал о синтезе инсулина, в печати промелькнуло еще одно сообщение, которое вначале не привлекло особого внимания: американский ученый Р. Мэрифилд предложил новый метод синтеза пептидов. Поскольку сам автор поначалу не дал методу должной оценки, и в нем было много недоработок, выглядел он в первом приближении даже хуже существовавших. Однако уже в начале 1964 года, когда Мэрифилду удалось с помощью своего метода осуществить полный синтез 9-членного гормона с полезным выходом в 70%, ученые изумились: 70% после всех этапов - это 9% полезного выхода на каждой стадии синтеза.

Основная идея нового метода заключается в том, что растущие цепочки пептидов, которые раньше были брошены на произвол хаотического движения в растворе, теперь привязывались одним концом к твердому носителю - их как бы заставляли стать на якорь в растворе. Мэрифилд брал твердую смолу и к ее активным группам «привязывал» за карбонильный конец первую из собираемых в пептид аминокислоту. Реакции шли внутри отдельных частичек смолы. В «лабиринтах» ее молекул сначала появлялись первые короткие ростки будущего пептида. Затем в сосуд вводили вторую аминокислоту, ее молекулы сшивались своими карбонильными концами со свободными аминными концами «привязанной» аминокислоты, и в частицах вырастал еще один «этаж» будущего «здания» пептида. Так, этап за этапом, постепенно наращивался весь пептидный полимер.

Новый метод имел несомненные преимущества: прежде всего в нем была решена проблема отделения ненужных продуктов после присоединения каждой очередной аминокислоты - эти продукты легко смывались, а пептид оставался пришитым к гранулам смолы. Одновременно исключалась проблема растворимости растущих пептидов - один из главных бичей старого метода; раньше они нередко выпадали в осадок, практически переставая участвовать в процессе роста. Пептиды, «снимаемые» после окончания синтеза с твердой подложки, получались почти все одинакового размера и строения, во всяком случае, разброс в структуре был меньше, чем при классическом методе. И соответственно больше полезный выход. Благодаря этому методу синтез пептидов - кропотливый, трудоемкий синтез - легко поддается автоматизации.

Мэрифилд соорудил несложный автомат, который сам по заданной программе проделывал все положенные операции - подачу реагентов, смешивание, слив, промывку, отмер дозы, добавление новой порции и так далее. Если по старому методу на присоединение одной аминокислоты приходилось травить 2-3 дня, то Мэрифилд на своем автомате соединял за день 5 аминокислот. Разница - в 15 раз.

В чем состоят трудности синтеза белков

Метод Мэрифилда, названный твердофазным, или гетерогенным, сразу же был принят на вооружение химиками всего мира. Однако уже через короткое время стало ясно: новый метод вместе с крупными достоинствами имеет и ряд серьезных недостатков.

По мере роста пептидных цепей может случиться так, что в какой-то из них окажется пропущенным, скажем, третий «этаж» - третья по счету аминокислота: ее молекула не дойдет до места соединения, застряв где-нибудь по дороге в структурных «дебрях» твердого полимера. И тогда, даже если все остальные аминокислоты, начиная с четвертой, выстроятся в должном порядке, это уже не спасет положения. Полученный полипептид по своему составу, а следовательно, и по своим свойствам не будет иметь ничего общего с получаемым веществом. Произойдет то же самое, что и при наборе телефонного номера; стоит пропустить одну цифру - и нам уже не поможет тот факт, что все остальные мы набрали правильно. Отделить же такие ложные цепи от «настоящих» практически невозможно, и препарат оказывается засоренным примесями. Кроме того, оказывается, что синтез нельзя вести на какой угодно смоле - ее нужно тщательно подбирать, так как свойства растущего пептида зависят в какой-то мере от свойств смолы. Поэтому ко всем этапам синтеза белка необходимо подходить максимально тщательно.

Синтез белка ДНК, видео

И под конец, предлагаем вашему вниманию образовательное видео о том, как происходит синтез белка в молекулах ДНК.

Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:

1. Транскрипция.

2. Трансляция.

Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.

Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.

Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.

Транскрипция

Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.

Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).

Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.

В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.

По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.

Трансляция

Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.

В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация.

На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.

Элонгация

— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.

Терминация

– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.

Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.

Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.

Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.

Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.

Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.

В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.

Синтез белка в клетке

Главным вопросом генетики является вопрос о синтезе белка. Обобщив данные по строению и синтезу ДНК и РНК, Крик в 1960г. предложил матричную теорию синтеза белков, основанную на 3–х положениях:

1. Комплементарность азотистых оснований ДНК и РНК.

2. Линейная последовательность расположения генов в молекуле ДНК.

3. Передача наследственной информации может происходить только с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую или на белок.

С белка на белок передача наследственной информации невозможна. Таким образом матрицей для синтеза белка могут быть только нуклеиновые кислоты.

Для синтеза белка необходимы:

1. ДНК (гены) на которых синтезируются молекулы.

2. РНК – (и-РНК) или (м-РНК), р-РНК, т-РНК

В процессе синтеза белка различают этапы: транскрипции и трансляции.

Транскрипция – перепись (переписывание) информации о нуклеиновом строении с ДНК на РНК (т-РНК, и РНК, р-РНК).

Считывание наследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотором. Промотор расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов.

На наружной цепи молекулы ДНК синтезируется и-РНК (промежуточная) служащая матрицей для синтеза белков и поэтому называется матричной. Она является точной копией последовательности нуклеотидов на цепи ДНК.

В ДНК имеются участки, которые не содержат генетической информации (интроны). Участки ДНК содержащие информацию называются экзонами.

В ядре имеются специальные ферменты, вырезающие интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке в общую нить, этот процесс называется «сплайсингом». В процессе сплайсинга образуется зрелая м-РНК, содержащая информацию, необходимую для синтеза белка. Зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через поры ядерной мембраны и поступает в каналы эндоплазматической сети (цитоплазму) и здесь соединяется с рибосомами.

Трансляция – последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК, переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.

Процесс трансляции включает 2 этапа: активирование аминокислот и непосредственно синтез белковой молекулы.

Одна молекула м-РНК соединяется с 5-6 рибосомами, образуя полисомы. Синтез белка происходит на молекуле м-РНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее. В этот период находящиеся в цитоплазме аминокислоты активируются специальными ферментами, выделяемыми ферментами, выделяемыми митохондриями причем каждая из них своим специфическим ферментом.

Почти моментально аминокислоты связываются с другим видом РНК – низкомолекулярной растворимой, выполняющий функции переносчика аминокислот к молекуле м-РНК и получившей название транспортной (т-РНК). т-РНК переносит аминокислоты к рибосомам на определенное место, где к этому времени оказывается молекула м-РНК. Затем аминокислоты соединяются между собой пептидными связями и образуется белковая молекула. К концу синтеза белка молекула постепенно сходит с м-РНК.

На одной молекуле м-РНК образуется 10-20 молекул белка, а в некоторых случаях и много больше.

Наиболее неясным в синтезе белков вопрос о том, как т-РНК находит соответствующий участок м-РНК, к которому должна быть присоединена приносимая ею аминокислота.

Последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, определяющая размещение аминокислот в синтезируемом белке – генетический код.

Поскольку одна и та же наследственная информация «записана» в нуклеиновых кислотах четырьмя знаками (азотистыми основаниями), а в белках – двадцатью (аминокислотами). Проблема генетического кода сводится к установлению соответствия между ними. Большую роль в расшифровке генетического кода сыграли генетики, физики, химики.

Для расшифровки генетического кода прежде всего необходимо было выяснить какое минимальное число нуклеотидов может определять (кодировать) образование одной аминокислоты. Если бы каждая из 20 аминокислот кодировалась одним основанием, то ДНК должна была бы иметь 20 различных оснований, фактически же их только 4. Очевидно, сочетание двух нуклеотидов также недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Оно может кодировать лишь 16 аминокислот 4 2 = 16.

Тогда было предложено, что код включает 3 нуклеотида 4 3 = 64 комбинации и следовательно, способно кодировать более чем достаточное число аминокислот для образования любых белков. Такое сочетание трех нуклеотидов называется триплетным кодом.

Код имеет следующие свойства:

1.Генетический код триплетный (каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами).

2.Вырожденность – одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, исключение составляет триптофан и метионин.

3.В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида одинаковы, а третий изменяется.

4.Неперекрывающийся – триплеты не перекрывают друг друга. Один триплет не может входить в состав другого, каждый из них самостоятельно кодирует свою аминокислоту. Поэтому в полипептидной цепи рядом могут находиться любые две аминокислоты и возможны какие угодно их сочетания, т.е. в последовательности оснований ABCDEFGHI, первые три основания кодируют 1 аминокислоту (ABC-1), (DEF-2) и т.д.

5.Универсален, т.е. у всех организмов для определенных аминокислот кодоны одинаковы (от ромашки до человека). Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на земле.

6.Коленеарность – совпадение расположения кодонов в и-РНК с порядком расположения аминокислот в синтезирующийся полипептидной цепи.

Кодон – триплет нуклеотидов, кодирующий 1 аминокислоту.

7.Бессмысленный – он не кодирует никакой аминокислоты. Синтез белка на этом месте прерывается.

В последние годы выяснилось, что в митохондриях нарушается универсальность генетического кода, четыре кодона в митохондриях изменили свой смысл, например, кодон УГА – отвечает триптофану вместо «СТОП» - прекращение синтеза белка. АУА – соответствует метионину – вместо «изолейцина».

Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал, и что он не сразу стал таким.

Пусть наследственной информации от гена к молекуле белка можно выразить схематически.

ДНК – РНК – белок

Изучение химического состава клеток показал, что различные ткани одного и того же организма содержат различный набор белковых молекул, хотя они имеют и одинаковое количество хромосом, и одинаковую генетическую наследственную информацию.

Отметим такое обстоятельство: несмотря на наличие в каждой клетке всех генов целого организма, в отдельной клетке работают очень немногие гены – от десятых долей до нескольких процентов от общего числа. Остальные же участки «молчат», они заблокированы специальными белками. Это и понятно, зачем, например, генам гемоглобина работать в нервной клетке? То как клетка диктует, каким генам молчать, а каким работать, следует предполагать, что в клетке имеется какой-то совершенный механизм, регулирующий активность генов определяющий, какие гены в данный момент должны быть активными и каким следует находиться в неактивном (репрессивном) состоянии. Такой механизм по данным французских ученых Ф. Жакобо и Ж. Моно получил название индукции и репрессии.

Индукция – возбуждение белкового синтеза.

Репрессия – подавление белкового синтеза.

Индукция обеспечивает работу тех генов, которые синтезируют белок или фермент, и который необходим на данном этапе жизнедеятельности клетки.

У животных важную роль в процессе регуляции генов играют гормоны клеточные мембраны; у растений – условия внешней среды и другие высокоспециализированные индукторы.

Пример: при добавлении гормона щитовидной железы в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек.

Для нормальной жизнедеятельности бактерии Е (Coli) необходим молочный сахар (лактоза). Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены находятся в репрессивном состоянии (т.е. они не функционируют). Внесенная в среду лактоза является индуктором, включающим в работу гены, отвечающих за синтез ферментов. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Таким образом, роль репрессора может выполнять вещество, которое синтезируется в клетке, и если его содержание превышает норму или оно израсходовано.

В синтезе белка или ферментов участвуют различные типы генов.

Все гены находятся в молекуле ДНК.

По своим функциям они не одинаковы:

- структурные – гены, влияющие на синтез какого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза или еще можно сказать структурные гены – это гены, которые несут информацию о последовательности аминокислот.

- акцепторные – гены не несут наследственной информации о строении белка, они регулируют работу структурных генов.

Перед группой структурных генов расположен общий для них ген – оператор, а перед ним – промотор . В целом эта функциональная группа называется опереном.

Вся группа генов одного оперона включается в процесс синтеза и выключается из него одновременно. Включение и выключение структурных генов составляет сущность всего процесса регуляции.

Функцию включения и выключения выполняет особый участок молекулы ДНК – ген оператор. Ген оператор является начальной точкой синтеза белка или как говорят «считывания» генетической информации. дальше в той же молекуле на некотором расстоянии расположен ген – регулятор, под контролем которого вырабатывается белок называемый репрессором.

Из всего сказанного видно, что синтез белка происходит очень сложно. Генетическая система клетки, используя механизмы репрессии и индукции, может принимать сигналы о необходимости начала и окончания синтеза того или иного фермента и осуществлять этот процесс с заданной скоростью.

Проблема регуляции действия генов у высших организмов имеет большое практическое значение в животноводстве и медицине. Установление факторов, регулирующих синтез белка, раскрыло бы широкие возможности управления онтогенезом, создания высокопродуктивных животных, а также устойчивых животных к наследственным заболеваниям.

Контрольные вопросы:

1.Назовите свойства генов.

2.Что такое ген?

3.Назовите каково биологическое значение ДНК, РНК.

4.Назовите этапы синтеза белка

5.Перечислите свойства генетического кода.

Жизнь является процессом существования белковых молекул. Именно так о ней выражаются многие ученые, которые убеждены, что белок является основой всего живого. Эти суждения абсолютно правильны, потому как у данных веществ в клетке наибольшее число основных функций. Все прочие органические соединения играют роль энергетических субстратов, а энергия снова нужна для синтеза белковых молекул.

Этапная характеристика биосинтеза белка

Структура белка закодирована в нуклеиновой или РНК) в виде кодонов. Это наследственная информация, которая воспроизводится каждый раз, когда клетке требуется новое белковое вещество. Началом биосинтеза является в ядро о необходимости синтезировать новый белок с уже заданными свойствами.

В ответ на это деспирализуется участок нуклеиновой кислоты, где закодирована его структура. Это место дублируется информационной РНК и передается на рибосомы. Они отвечают за построение полипептидной цепи на основании матрицы - информационной РНК. Коротко все этапы биосинтеза представлены следующим образом:

• транскрипция (этап удвоения участка ДНК с закодированной структурой белка);
• процессинг (этап образования информационной РНК);
• трансляция (синтез белков в клетке на основании информационной РНК);
• посттрансляционная модификация ("созревание" полипептида, формирование его объемной структуры).

Транскрипция нуклеиновой кислоты

Весь синтез белков в клетке осуществляют рибосомы, а информация о молекулах содержится в нуклеиновой или ДНК). Она располагается в генах: каждый ген - это определенный белок. В генах заложена информация об аминокислотной последовательности нового белка. В случае с ДНК изъятие генетического кода ведется таким образом:

• начинается освобождение участка нуклеиновой кислоты от гистонов, происходит деспирализация;
• ДНК-полимераза удваивает участок ДНК, в котором хранится ген белка;
• удвоенный участок представляет собой предшественника информационной РНК, который обрабатывается ферментами для удаления некодирующих вставок (на его основании ведется синтез иРНК).

На основании проинформационной РНК происходит синтез иРНК. Она уже является матрицей, после этого синтез белков в клетке происходит на рибосомах (в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме).

Рибосомальный синтез белка

Информационная РНК имеет два конца, которые оформляются как 3`- 5`. Считывание и синтез белков на рибосомах начинается с 5`конца и продолжается до интрона - участка, который не кодирует никакую из аминокислот. Это происходит следующим образом:

• информационная РНК "нанизывается" на рибосому, присоединяет первую аминокислоту;
• рибосома смещается по информационной РНК на один кодон;
• транспортная РНК предоставляет нужную (закодированную данным кодоном иРНК) альфа-аминокислоту;
• аминокислота присоединяется к стартовой аминокислоте с формированием дипептида;
• затем иРНК снова смещается на один кодон, подносится альфа-аминокислота и присоединяется к растущей цепочке пептида.

Как только рибосома достигает интрона (некодирующей вставки), информационная РНК просто продвигается далее. Затем, по мере продвижения информационной РНК, рибосома снова достигает экзона - участка, нуклеотидная последовательность которого соответствует определенной аминокислоте.

С этого места снова начинается присоединение мономеров белка к цепочке. Процесс продолжается до момента появления очередного интрона или до стоп-кодона. Последний прекращает синтез полипептидной цепочки, после чего считается завершенной и начинается этап постсинтетической (посттрансляционной) модификации молекулы.

Посттрансляционная модификация

После трансляции синтез белков происходит в цистернах гладкой Последняя содержит небольшое количество рибосом. В некоторых клетках они могут вообще отсутствовать в РЭС. Такие участки нужны для образования сначала вторичной, затем уже третичной или, если это запрограммировано, четвертичной структуры.

Весь синтез белков в клетке происходит с затратой огромного количества энергии АТФ. Потому все остальные биологические процессы нужны для поддержания белкового биосинтеза. Вдобавок некоторая часть энергии нужна для переноса белков в клетке активным транспортом.

Многие из белков переносятся из одной локации клетки в другую для модификации. В частности, посттрансляционный синтез белков происходит в комплексе Гольджи, где к полипептиду определенной структуры присоединяется углеводный или липидный домен.