Биосинтез белков

Белки — это сложные органические соединения, лежащие в основе жизнедеятельности любого живого организма. Роль белков в организме чрезвычайно разнообразна.

Каждый белок имеет своё уникальное строение и выполняет в организме строго определённую функцию.

Белки гормоны, например гормон роста – соматотропин, участвуют в управлении всеми жизненными процессами.

Мы способны двигаться благодаря сократительным белкам актину и миозину, содержащимся в мышцах. А вот белки ферменты обеспечивают протекание всех химических процессов дыхание, пищеварение, обмен веществ. Например, белок пепсин, содержащийся в желудочном соке, помогает переваривать пищу.

За зрительные способности отвечает особый светочувствительный белок родопсин, с помощью которого формируется изображение на сетчатке глаза.

Белок гемоглобин (белок эритроцитов) доставляет кислород ко всем клеткам и обеспечивает вывод углекислого газа из организма.

Белки иммуноглобулины (антитела) защищают организм при вторжении болезнетворных микроорганизмов, вирусов и бактерий.

Белок фибриноген отвечает за свёртываемость крови при царапинах, порезах и кровоточащих ранах.

Белки кератины являются главной составляющей частью волос, перьев, ногтей, роговых образований.

Сильнодействующие вещества ядов некоторых растений, змей и насекомых, а также токсины бактерий являются белками.

В организме человека белки образуются непрерывно из аминокислот, поступающих с пищей.

Выделяют две группы аминокислот:

Заменимые аминокислоты (аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, пролин, серин, тирозин, цистеин), которые синтезируются в организме человека.

И незаменимые аминокислоты (Валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин) в организме они не синтезируются и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Содержатся они в основном в продуктах животного происхождения.

Аминокилоты соединяются между собой благодаря пептидной связи. Так образуется молекула, которая представляет собой дипептид.

Поскольку на одном конце дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа, дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты.

Если таким образом собираются пептиды, содержащие до 10 остатков аминокислот, они называются олигопептидами.

Если больше 10-ти аминокислот– полипептидами. В организме человека пептидами являются многие гормоны.

Итак, мы сказали, что белки состоят из аминокислот, аминокислоты соединяются в цепочки, которые называются олигопептидами и полипептидами.

А вот белками называются полипептиды, содержащие от пятидесяти до нескольких тысяч аминокислот.

В состав белков могут входить не только аминокислоты. Если белок содержит компоненты неаминокислотной природы, то такой белок относят к сложным. Простые белки состоят только из аминокислот.

Каждая клеточка нашего организма содержит тысячи белков. В процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются. И для нормального хода всех реакций они должны синтезироваться вновь.

И сегодня на уроке мы рассмотрим процесс синтеза белков.

Многие функции белков определяются последовательностью аминокислот в их молекуле.

А информация о том какой должна быть эта последовательность храниться в ДНК. И если сказать более точно, то информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Вспомним что в состав нуклеотидов, из которых строятся ДНК входят: остаток фосфорной кислоты, углевод – дезоксирибоза, и азотистое основание.

У ДНК четыре разных азотистых основания. 

Аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц), тимин (Т), а уроцил (У) у РНК.

Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном.

А в одной хромосоме находиться информация о структуре многих сотен белков.

Генетический код

Три рядом расположенных нуклеотида (триплет) в ДНК кодируют какую-то аминокислоту в белке. А какую именно аминокислоту можно понять по расположению этих самых нуклеотидов.

На сегодняшний день уже известно какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков.

Однако изначально информация с ДНК переписывается на матричную РНК в виде триплетов – кодонов, которые мы видим в таблице.

Определённые кодоны соответствуют определённым аминокислотам.

Из таблицы видно, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов – кодонов.

Считается что такое свойство генетического кода повышает надёжность хранения и передачи генетической информации при делении клеток.

Например, аминокислоте аланину соответствует 4 кадона: ГЦУ ГЦЦ ГЦА и ГЦГ.

Посмотрите первые два азотистых основания у всех триплетов одинаковы, то есть если даже произойдёт случайная ошибка в третьем нуклеотиде, то все равно это будет кадон аланина.

Важное свойство генетического кода — это специфичность. То есть один триплет будет обозначать только одну аминокислоту.

Генетический код — это способ записи, а не содержание записи.

Перейдём непосредственно к синтезу белка.

Синтез белка осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза матричной РНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матричной РНК).

Транскрипция

ДНК-носитель всей генетической информации как известно содержится в ядре клетки.

Сначала фермент РНК-полимераза узнает на цепи ДНК ту последовательность нуклеотидов с которой начнёт считываться информация и синтезироваться матричная РНК.

Синтез матричной РНК начинается с того что к началу транскрибируемого участка прикрепляются транскрипционные факторы- белки, которые подготавливают место для связывание РНК-полимеразы с ДНК.  

Для начала транскрипции необходима энергия эту энергию приносит АТФ.

РНК-полимераза расплетает двуспиральную ДНК и синтезирует матричную РНК по ДНК.

И по мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди неё происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Тем самым РНК-полимераза по принципу комплементарности копирует одну из двух цепочек.

По принципу комплементарности аденин соединяется только с тимином двумя водородными связями. А гуанин соединяется только с цитозином тремя водородными связями. Таким образом, нуклеотиды образуют пары.

По тому же принципу синтезируется и матричная РНК: против цитозина молекулы ДНК становиться гуанин молекулы РНК, против тимина – аденин. Против гуанина цитозин. А против аденина молекулы ДНК – урацил РНК (вспомните, что в РНК в нуклиотиды вместо тимина включен урацил).

В конце транскрибируемого региона РНК-полимераза отсоединяется и матричная РНК высвобождается.

Её ещё называют информационное РНК так как она списывает информацию и выносит её из ядра в цитоплазму. И уже в цитоплазме – рибосомы, захватывают матричную РНК.

В цитоплазме начинается следующий процесс, его называют трансляцией.

Значит матричная РНК состоит из кодонов триплетов (в последствии 1 кодон будет кодировать 1 аминокислоту). А из аминокислот как вы знаете состоят белки.

В цитоплазме матричную РНК охватывают компоненты молекулярного комплекса для сборки белков называемые рибосомами.

Вы помните, что рибосома состоит из большой и малой субъединицы.

Но сперва к матричной РНК к (кодону АУГ, который сигнализирует о начале цепи) присоединяется малая субъединица рибосомы.

Когда присоединяется большая субъединица формируется пептидильный (или П-участок) и аминоацильный (или А-участок).

К рибосоме направляется поток стройматериала для производства белков – это молекулы аминокислот. Часть этих аминокислот заменимые, а часть незаменимые. О чём мы говорили с вами выше.

Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью так называемых транспортных РНК − (сокращённо их называют т-РНК). Которые имеют форму "клеверного листа". Одна т-РНК несёт 1 аминокислоту.

Транспортные РНК способны различать среди всего многообразия аминокислот только свои определённые аминокислоты, присоединять их к одному из концов и подтаскивать к рибосоме.

Транспортная РНК содержит в своём составе тройку нуклеотидов, которую называют антикодоном.

Данный антикадон взаимосоответствует, то есть комплементарен кодону в матричной РНК с которым он связывается. И соответствует той аминокислоте, которую он переносит.

Входящая в А участок вторая транспортная РНК взаимосоответствует, то есть комплементарна второму кодону. Аминокислота первой транспортной РНК переноситься на аминокислоту второй транспортной РНК.

Между аминокислотами формируется пептидная связь.

Первая транспортная РНК уходит, и рибосома продвигается дальше. А очередная т-РНК подносит необходимую аминокислоту, наращивающую растущую цепочку белка.  

Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать строящийся белок.

И когда в рибосоме оказывается тройка нуклеотидов «стоп-кодон УАГ, УАА, УГА», то трансляция белка прекращается. Эта тройка нуклеотидов не соответствует никакой аминокислоте. И ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикадонов к ним у т-РНК не бывает.

Аминокислоты, которые поднесли т-РНК формируются в полипептидную цепочку.

После завершения синтеза цепи, полипептид высвобождается из рибосомы. Чтобы принять обычную форму, белок должен свернуться, образуя при этом определённую пространственную конфигурацию.

Затем сформированный белок доставляется к месту своего назначения. Если посмотреть на синтез белка сверху то он будет выглядеть вот так.

Таким образом малая субъединица опознает подходящую РНК и место на ней, с которого нужно начать синтез белка. А большая субъединица, содержащая каталитический центр, присоединяется ко всей конструкции и ускоряет образование пептидной связи между растущей полипептидной цепочкой будущего белка и каждой последующей аминокислотой.

Транскрипция и трансляция в клетках происходит очень быстро. Например, на синтез крупной молекулы белка уходит примерно две минуты.

Так как белки в организме выполняют много функций они являются и гормонами, и ферментами, то их необходимо достаточно много.

Поэтому, как только рибосома продвигается вперед, за ней тут же на матричную РНК нанизывается следующая, которая будет синтезировать естественно тот же белок.

Когда данного белка для организма на данный момент будет достаточно, то рибосома находит другую матричную РНК которая содержит информацию о каком-то другом белке.