Основные этапы биосинтеза белка в клетке.

Синтез белков является одним из наиболее важных и характерных свойств любой живой клетки.

Способность к синтезу белков передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Биосинтез белка - один из центральных процессов метаболизма клетки, который связан с потоком вещества, энергии и информации.

Для осуществления биосинтеза белка необходим ряд условий, среди которых выделим, главные:

1. место синтеза - рибосомы;

2. материал, из которого строятся белки, - аминокислоты;

3. информация - она содержится в участке ДНК - гене, а передаётся синтезируемому белку через РНК (ДНК-► РНК-► Белок);

4. необходимым условием является энергия (в виде АТФ), т.к. синтез белка -процесс эндотермический;

5. важную роль в процессе биосинтеза белка играют ферменты, которые позволяют ему идти быстрее, четко, в определённой последовательности (ферменты: РНК-полимераза. белок-синтетаза и др.).

Рассмотрим процесс синтеза белка на примере эукариотической клетки. Можно выделить 3 основных этапа в этом процессе:

1. Транскрипция.

2. Посттранскрипционные превращения.

3. Трансляция.

Остановимся на этих этапах более подробно.

Транскрипция - первый этап реализации генетической информации, передача (переписывание) её с ДНК-матрицы на образующуюся РНК. Осуществляется в ядре клетки на смысловой нити ДНК, находящейся в деспирилизованном состоянии. Транскрипция идет в 3 стадии: инициация, элонгация и терминация.

Инициация. Для инициации необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание молекулы ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК - это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминзция (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Особенностью транскрипции у эукариот является то , что информация переписывается с промотора, оператора, с экзонов и интронов структурного гена и в результате образуется про-м-РНК, которую называют незрелой м-РНК. Она в среднем в 5 раз длиннее зрелой м-РНК.

Вторым этапом биосинтеза белка, который также происходит в ядре клетки, являются посттранскрипционные изменения структуры про-мРНК. Всю совокупность реакций, в результате которых из незрелой про-мРНК формируется зрелая м-РНК, называют процессингом. Он включает удаление начальных участков про-мРНК (соответствующих промотору и оператору), удаление участков, переписанных с интронов, а также сплайсинг (сшивание) участков, переписанных с экзонов. Зрелая м-РНК, соединяясь в ядре со специфическими белками, образует информоферы. Предполагают, что они способствуют отделению м-РНК от ДНК-матрицы и транспортировке её к ядерной мембране. Вышедшая из ядра м-РНК образует информосомы, вступая в комплекс со специфическими белками, играющими роль в процессе трансляции. Информосомы могут долго существовать в цитоплазме, например, при созревании яйцеклетки.

Следующим этапом биосинтеза белка, который идёт в цитоплазме клетки, является трансляция.

Трансляция - это перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах м-РНК, в определённую последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.

В процессе трансляции активно участвуют м-РНК, рибосомы, т-РНК с различными аминокислотами, ферменты (аминоацил-тРНК-синтетазы, белок-синтетазы и др.), используется энергия АТФ.

Зрелые молекулы мРНК, попавшие в цитоплазму, прикрепляются к рибосомам, а затем протягиваются через них.

Функционирующие рибосомы состоят из 2-х субъединиц, большой и малой, построенных из р-РНК и различных белков, около 50% занимает вода. В каждцй момент внутри рибосомы находится небольшой участок м-РНК - обычно это 2 кодона или 2 триплета нуклеотидов.

Кодон - единица наследственной информации, состоящая их трёх расположенных в определённой последовательности нуклеотидов РНК и кодирующая одну аминокислоту. Т.к. имеется 4 типа нуклеотидов, то существует 64 различных триплетных кодона (4³ = 64).

Аминокислоты доставляются в рибосомы различными т-РНК, которых в клетке несколько десятков. Молекулы т-РНК имеют два активных центра. К одному из них с участием АТФ и с помощью ферментов происходит присоединение аминокислоты, при этом образуется комплекс аминоацил-тРНК, а аминокислоты при этом активируются. Процесс узнавания аминокислот транспортными РНК получил название рекогниции. Второй активный центр в аминоацил-тРНК называется антикодоном - это участок молекулы т-РНК. состоящий из трёх нуклеотидов и «узнающий» комплиментарный ему участок из трёх нуклеотидов (кодон) в молекуле м-РНК. Взаимодействие кодона м-РНК и антикодона т-РНК обеспечивает определенное расположение аминокислот в синтезирующейся на рибосомах полипептидной цепи. Рибосома движется относительно м-РНК только в одном направлении (от 5' -> 3') , перемещаясь на один триплет.

Синтез белковой молекулы происходит в большой субъединице, где против одного триплета расположен эминоацильный центр (служит для удержания только что прибывшей молекулы т-РНК с аминокислотой), а против другого - пептидильный центр (фиксируют молекулу т-РНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи). Образование пептидных связей между аминокислотами происходит в большой субъединице рибосомы, где работает фермент лептидилтрансферраза или белок-синтетаза.

Молекула м-РНК может работать сразу с несколькими рибосомами, все они синтезируют один и тот же белок.

Группа рибосом, одновременно находящихся на одной м-РНК, называется полирибосомой (полисомой).

Рибосома, как место синтеза, может участвовать в синтезе любого белка, характер же белка зависит от м-РНК. Каждая м-РНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы м-РНК около 2-х минут. Разрушая старые и образуя новые м-РНК, клетка может регулировать тип продуцируемых белков и их количество.

Трансляция включает следующие стадии :

1) инициация - начало синтеза;

2) элонгация - удлинение, наращивание полипептидной цепи;

3) терминация - окончание синтеза.

Синтез белка заканчивается, когда рибосома доходит до терминирующего кодона (бессмысленного). Это кодоны : УАГ, УАА, УГА, они не кодируют никаких аминокислот и являются знаками прекращения синтеза полипептидной цепи на м-РНК. По окончании синтеза белка, рибосома распадается на малую и большую субъединицы. Синтезированная белковая молекула по эндоплазматической сети поступает в ту часть клетки, где данный белок необходим.