БИОХИМИЯ - Основные питательные вещества человека - 2016 год

1. БЕЛКИ

1.6. Обмен белков

1.6.3. Синтез белков

Большая часть аминокислот используется для синтеза белков. Наиболее быстрому обновлению подвергаются белки печени и слизистой оболочки кишечника (до 10 дней), а белки мышц (миозин), соединительной ткани (коллаген) и мозга (миелин) - наиболее медленному (до 180 дней). Период обновления гормонов измеряется часами или даже минутами (инсулин). Общая скорость синтеза белков у человека достигает 500 г в день, что в 5 раз превосходит потребление их с пищей. Это становится возможным за счет повторного использования продуктов распада белков и предшественников аминокислот в организме.

Аминокислотный состав белков каждого человека индивидуален. Белки отличаются друг от друга первичной структурой. Информация о структуре всех белков, свойственных каждому живому организму, содержится в структуре ДНК. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов (кодон, или триплет) в ДНК. Эта зависимость между азотистыми основаниями ДНК и аминокислотами белков называется генетическим кодом.

Синтез белков происходит при обязательном участии нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновых (ДНК) и рибонуклеиновых (РНК).

Первый этап синтеза белка - транскрипция (от англ. transcribe - переписывать) осуществляется в клеточном ядре с использованием ДНК как источника генетической информации.

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре определенного белка, называется ген.

На этом участке молекулы ДНК в ходе транскрипции по принципу комплементарности синтезируется информационная РНК (иРНК). Она представляет собой копию соответствующего гена. Следовательно, иРНК содержит информацию о строении белка, закодированного в данном гене. Образовавшаяся иРНК выходит из ядра и поступает в цитоплазму. Перенос из ядра через ядерную оболочку в цитоплазму осуществляется за счет образования комплекса иРНК со специальными белками, которые также защищают иРНК от повреждающего действия ферментов цитоплазмы.

Аналогичным образом на ДНК как на матрице происходит синтез рибосомных РНК (рРНК) и транспортных РНК (тРНК).

В ходе второго этапа синтеза белка - рекогниции (от англ. recognition - опознание), протекающего в цитоплазме, аминокислоты избирательно связываются со своими переносчиками - транспортными РНК (тРНК).

Все тРНК (их обнаружено около 60) построены сходным образом. Молекула каждой тРНК представляет собой короткую полинуклеотидную цепь, содержащую около 80 нуклеотидов и частично закрученную в двойную спираль, что приводит к возникновению пространственной конфигурации «клеверный лист» (рис. 9). На одном конце полинуклеотидной цепи у всех тРНК находится нуклеотид, содержащий аденин. К этому концу молекулы тРНК присоединяется аминокислота. Петля, противоположная месту присоединения аминокислоты, содержит антикодон, состоящий из трех азотистых оснований и предназначенный для последующего связывания с комплементарным кодоном иРНК. Одна из боковых петель молекулы тРНК обеспечивает присоединение тРНК к ферменту, участвующему в рекогниции, а другая, боковая, петля необходима для присоединения тРНК к рибосоме на следующем этапе синтеза белка.

Рис. 9. Строение транспортной РНК: а - последовательность нуклеиновых оснований и структура «клеверный лист»; б - пространственная структура

На этом этапе в качестве источника энергии используется молекула АТФ. В результате рекогниции образуется комплекс «аминокислота - тРНК (аминоацил - тРНК)»:

аминокислота + тРНК —» аминоацил - тРНК.

В составе этого комплекса аминокислота обладает повышенной химической активностью. В связи с этим второй этап синтеза белка часто называют активацией аминокислот.

Третий этап синтеза белка - трансляция (от англ. translation - перевод) происходит на рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух частей - большой и малой субчастиц. По химическому составу обе субчастицы представляют собою нуклеопротеиды, состоящие из рибосомных РНК и белков. Рибосомы способны легко распадаться на субчастицы (диссоциация), которые снова могут соединяться друг с другом, образуя рибосому (ассоциация).

Трансляция начинается с диссоциации рибосомы на субчастицы, которые сразу же присоединяются к информационной РНК, поступающей из ядра. При этом между субчастицами остается пространство (так называемый туннель), где располагается небольшой участок иРНК.

Затем к образовавшемуся комплексу «рибосома - иРНК» присоединяются тРНК, связанные с аминокислотами. Присоединение тРНК к этому комплексу происходит путем связывания одной из боковых петель тРНК с рибосомой, а антикодона тРНК - с комплементарным ему кодоном иРНК, находящимся в туннеле между субчастицами рибосомы. Одновременно к комплексу «рибосома - иРНК» могут присоединиться только две тРНК с аминокислотами.

Благодаря специфическому связыванию антикодонов тРНК с кодонами иРНК к участку молекулы иРНК, находящемуся в туннеле, присоединяются только молекулы тех тРНК, у которых антикодоны комплементарны кодонам иРНК. Эти тРНК доставляют в рибосомы строго определенные аминокислоты. Далее эти аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью, и образуется дипептид, который связан с одной из тРНК. После этого рибосома передвигается вдоль иРНК ровно на один кодон (это перемещение рибосомы называется транслокацией). Рост полипептидной цепи начинается с N - конца.

В результате транслокации свободная (без аминокислоты) тРНК отщепляется от рибосомы, а в зоне туннеля появляется новый кодон, к которому присоединяется по принципу комплементарности еще одна тРНК с аминокислотой, соответствующей этому кодону. Доставленная аминокислота связывается с ранее образовавшимся дипептидом, что приводит к удлинению пептидной цепи. Далее следуют новые транслокации, поступление на рибосому новых тРНК с аминокислотами и дальнейшее удлинение пептидной цепи.

Таким образом, порядок включения аминокислот в синтезируемый белок определяется последовательностью кодонов в иРНК.

Завершается синтез полипептидной цепи при поступлении в туннель особого кодона, который не кодирует аминокислоты и к которому не может присоединиться ни одна тРНК. Такие кодоны называются терминирующими кодонами или нонсенс-кодонами. Особенно велика их роль в синтезе белков, молекула которых состоит из нескольких полипептидов.

В итоге в ходе трех этапов синтезируются полипептиды, т. е. формируется первичная структура белка. Высшие (пространственные) структуры (вторичная, третичная, четвертичная) возникают самопроизвольно. Это связано с тем, что пространственные структуры фиксируются посредством химических связей между радикалами аминокислот. Поэтому в каждом белке эти связи образуются специфически в соответствии с генетически обусловленной последовательностью расположения радикалов в полипептидных цепях.

В некоторых случаях полипептидная цепь после завершения синтеза подвергается незначительной химической модификации, в результате в ней появляются некодируемые аминокислоты (не относящиеся к 20 обычным белковым аминокислотам). Например, при синтезе белка коллагена на рибосомах образуется его предшественник - проколлаген, содержащий в большом количестве аминокислоты лизин и пролин. Эти аминокислоты в ходе модификации окисляются и превращаются соответственно в оксилизин и оксипролин, при этом проколлаген переходит в коллаген.

Синтез белков - процесс энергоемкий. Для включения в молекулу синтезируемого белка только одной аминокислоты требуется не менее трех молекул АТФ.

В очень небольших количествах белки синтезируются еще и в митохондриях, в которых также находятся ДНК, иРНК, тРНК и рибосомы.

Синтез белков в организме ускоряется соматотропным гормоном (гормоном роста) и тестостероном (мужским половым гормоном). Тормозится синтез белков гормонами коры надпочечников - глюкокортикоидами. Регулирующее действие всех этих гормонов связано с их влиянием на скорость транскрипции.