Матричные реакции биосинтеза. Пластический обмен ― биосинтез белка

Получаемые нами с пищей белки, жиры и углеводы в организме распадаются на более простые вещества, а затем из них уже строятся необходимые организму высокомолекулярные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды). Этот процесс называется ассимиляцией или пластическим обменом.

Однако самым важным процессом ассимиляции все же является синтез белков. Так как белки в организме выполняют достаточно много функций их роль чрезвычайно разнообразна.

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

Сегодня на уроке мы подробно рассмотрим процесс синтеза белка…

Под влиянием ферментов в двенадцатиперстной кишке завершается начавшееся в желудке расщепление белков до аминокислот.

Аминокислоты 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.

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.

В двенадцатиперстном кишечнике происходит окончательное расщепление белков до аминокислот. Затем аминокислоты в виде водных растворов всасываются в кровь капиллярами ворсинок тонкого кишечника. Кровеносные сосуды, отходящие от кишечника, поступают в воротную вену, которая собирает кровь от желудка, селезёнки, кишечника в печень. Здесь образуются не только собственные белки клеток печени, но и большое количество секретируемых белков, необходимых для нужд всего организма.

Функции белков зависят от их строения. От последовательности, аминокислот, которые составляют их основу.

После синтеза белки для того, чтобы осуществлять свои биологические функции, сворачиваются в одну или несколько особых пространственных конфигураций. Приобретают вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Однако изначально, когда белки только синтезировались, они имеют первичную структуру. Первичная структура белка представлена определённой последовательностью аминокислот, которые связаны между собой пептидной связью.

В какой последовательности должны располагаться аминокислоты?

Информация о первичной структуре белков закодирована в последовальности нуклеотидов в молекуле двухцепочечной ДНК. Эта информация называется генетической информацией. А участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном.

В состав нуклеотидов входят азотистые основания.  

У ДНК четыре разных азотистых основания: аденин (А), тимин (Т) гуанин (Г) и цитозин (Ц).

3 нуклеотида (триплет) кодируют 1 аминокислоту.

А какую именно аминокислоту можно понять по последовательности 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 информационную (матричную) РНК в виде триплетов — кодонов.

Определённые кодоны, как вы видите, соответствуют определённым аминокислотам.

Однако 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.

Первые два азотистых основания у всех триплетов одинаковы. Поэтому даже если произойдёт случайная ошибка в третьем нуклеотиде, то все равно это будет кодон аланина.

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

Итак, мы сказали, что в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК закодирована информация о первичной структуре белка.

Как же получить эту информацию?

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

Сначала генетическая информация с ДНК переносится на информационную (матричную) РНК, этот процесс называется транскрипцией.

Давайте вспомним как происходит этот перенос.

Списывание генетической информации осуществляет фермент РНК-полимераза. РНК полимераза узнает специфическую последовательность нуклеотидов, называемую промотером. Благодаря промотору синтез иРНК начинается с нужного участка цепи ДНК.

Перед промотером располагаются структурные гены, которые несут информацию о структуре иРНК.

РНК-полимераза производит цепочку иРНК с сайта инициации стартового кодона кодирующей области.

Процесс наращивания молекулы РНК нуклеотидами называется элонгацией.

Именно с промотора РНК-полимераза начинает расплетать двуспиральную ДНК и синтезировать информационную РНК.

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.

Вы помните, что по принципу комплементарности против Цитозина молекулы ДНК становиться Гуанин молекулы РНК, против Тимина — Аденин. Против гуанина.. цитозин. А против аденина молекулы ДНК — урацил РНК.

Так РНК-полимераза синтезирует иРНК до тех пор, пока она не встретит определённую последовательность нуклеотидов, которая называется терминатором. Терминатор является знаком препинания, он указывает на то, что синтез РНК следует прекратить.

Так формируется цепочка иРНК, которая представляет собой точную копию цепочки ДНК (только вместо тимина включён урацил).

Синтезированная информационная РНК выносит списанную генетическую информацию из ядра в цитоплазму. Где и будет происходит синтез белка.

С этого момента наступает следующий этап синтеза — его называют трансляцией.

Как мы уже говорили выше, белки, необходимые организму строятся из аминокислот, которые были либо синтезированы самим организмом, либо получены с пищей. Так вот эти аминокислоты попали в клетки с током крови. Теперь они находятся в цитоплазме.

Наступает трансляция ― перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Информационная РНК переместилась из ядра в цитоплазму. Здесь в цитоплазме её встречают рибосомы.

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

Сперва к информационной РНК к (кодону АУГ, который сигнализирует о начале цепи) присоединяется малая субъединица рибосомы.

Так как кодон АУГ кодирует аминокислоту метионин, то все белки начинаются с метионина. За исключением некоторых случаев.

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

Аминокислоты, которые плавают в цитоплазме, поступают в рибосому при помощи ещё одной специализированной РНК, её называют транспортной РНК или тРНК.

Эти небольшие молекулы способны сворачиваться таким образом, что образуют структуры, напоминающие по форме клеверный лист.

В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты.

Одна т-РНК несёт 1 аминокислоту. Однако тРНК может захватить не любую аминокислоту, а строго определённую.

На вершине "листа" каждой тРНК имеется последовательность трёх нуклеотидов, их называют антикодоном. Данный антикодон взаимосоответствует, то есть  комплементарен кодону в информационной РНК, с которым он связывается. И соответствует той аминокислоте, которую он переносит.

Так первая аминокислота поступает в П-участок рибосомы. 

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

Между аминокислотами формируется пептидная связь.

Первая транспортная РНК уходит, и рибосома продвигается дальше. А очередная тРНК 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 УАА, УАГ или УГА», то трансляция белка прекращается. Эта тройка нуклеотидов не соответствует никакой аминокислоте. И ни одна тРНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикадонов к ним у тРНК не бывает.

Аминокислоты, которые поднесли тРНК, 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. Это происходит в цистернах аппарата Гольджи. Белки созревают, а затем они доставляются к месту своего назначения.

Любой полипептид можно полностью задать словом, длина которого равна количеству аминокислотных остатков и в котором используется 20 букв, каждая из которых соответствует одной аминокислоте.

Этот простой, "буквенный" способ хранения и передачи информации задействован в живых организмах — вся информация о первичной структуре белков содержится в ДНК, а её главная функция как раз и состоит в хранении и передаче именно этой информации.

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

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

На одну и ту же иРНК может быть нанизана и третья и четвертая рибосома. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.

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

Таким образом, последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.