Учебник Биология - ВУНМЦ 2000

Глава 3. КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

3.5. СИНТЕЗ БЕЛКА

3.5.2. ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА

Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 3 этапа (рис. 67, 68, 69):

I. Транскрипция.

II. Процессинг.

III. Трансляция.

Рис. 67. Схема последовательных этапов синтеза белков. А. Экспрессия прокариотического (бактериального) гена: любой синтезируемый белковый продукт колинеарен кодирующим этот белок областям ДНК. Б. Экспрессия эукариотического гена: гены дискретны, ядерная оболочка отделяет ДНК от цитоплазмы.

Рис. 68. Гены обусловливают свойства клеток. 1 - ДНК, находящаяся в ядре клетки, содержат гены (специфические последовательности оснований, которые кодируют белки), регуляторы (которые "включают" или "выключают" гены) и "излишки" ДНК с невыявлеными функциями. 2 - Транскрипция - это синтез молекулы РНК, при котором последовательность оснований одной цепи ДНК копируются в комплементарную последовательность оснований м-РНК; этот процесс катализируется ДНК - зависимой РНК-полимеразой, которая связывается с участком - промотором, и затем присоединяет нуклеотидтрифосфаты из нуклеоплазмы ядра, наращивая цепь м-РНК в направлении 5'-3'. При транскрипции гена образуется первичный транскрипт м-РНК, подвергающийся дальнейшему процессингу, при котором устраняются некодирующие последовательности оснований — интроны и добавляются некоторые сигнальные последовальности (кэпы - "шапочки") для создания зрелой матричной РНК. РНК содержит основание урацил (У) на месте тимина (Т), так что в м-РНК У противоположно А на комплементарной ДНК. 3 - При транскрипции образуются три различные РНК - транспортная РНК, рибосомная РНК и матричная РНК. 4 - Трансляция зрелой м-РНК состоит в том, что к кодонам (триплетам нуклеотидов) в м-РНК подбираются антикодоны на т-РНК и соответствующие аминокислоты в определенной последовательности собираются в полипептиды на интактной рибосоме. 5 - Рибосомная (рибосомальная) РНК объединяется с рибосомными белками для формирования малых и больших субъединиц рибосом. При наличии цитоплазматического фактора инициации и зрелой м-РНК субъединицы объединяются в рибосомы. 6 - Транспортная РНК выбирает аминокислоту из "пула" аминокислот, находящихся в цитоплазме, источником которых служит пища или процесс трансаминирования в печени.

Рис. 69. Синтез белка у эукариот (ДНК → РНК → белок). Благодаря ядерной оболочке активные рибосомы отделены от ядра, в результате транскрипты и-РНК проходят процессинг до выхода из ядра в цитоплазму, где происходит трансляция. Таким образом, между транскрипцией ДНК и трансляцией м-РНК осуществляется процессинг и транспорт м-РНК.

Структурными единицами наследственной информации являются гены - участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка.

I. Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - процесс синтеза молекулы и-РНК на молекуле ДНК, выступающей в роли матрицы. Молекула ДНК на участке гена раскручивается, и списывание информации происходит с одной из двух нитей молекулы ДНК, называемой кодогенной. Сборку молекулы и-РНК по принципу комплементарности осуществляет фермент - РНК-полимераза. Скорость сборки достигает 50 нуклеотидов в секунду. Списывание происходит только с части молекулы ДНК, называемой геном, и длина молекулы и-РНК в сотни раз короче, чем ДНК. Некоторые участки и-РНК не несут информацию о будущей молекуле белка. Их присутствие связано с особенностями строения генов и механизма транскрипции. Эти участки молекулы и-РНК, называемые интронами, необходимо удалить.

II. Процессинг - процесс созревания молекулы информационной РНК, сопровождающийся удалением интронов, участков, не несущих информацию о последовательности аминокислот в синтезируемом белке, и сращиванием (сплайсингом) остающихся фрагментов (экзонов, т.е. кодирующих последовательностей). Поэтому длина созревшей и направляющейся к рибосомам молекулы и-РНК оказывается короче первоначальной. Эту РНК называют матричной (м-РНК).

III. Трансляция (от лат. translatio - перевод) - синтез полипептидных цепей белков по матрице м-РНК на рибосомах.

Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных транспортных РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК, состоящие из 85-100 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что напоминают по форме лист клевера. В клетке присутствует около 40 молекул т-РНК. На вершине «листа» т-РНК имеется триплет, называемый антикодоном. Он комплементарен нуклеотидам кодона м-РНК. К основанию молекулы т-РНК присоединяется соответствующая аминокислота, та, которую кодирует триплет, комплементарный антикодону. Этот процесс осуществляется с помощью фермента - кодазы, с затратой энергии, получаемой при расщеплении молекулы АТФ.

Трансляция состоит из трех последовательных фаз - инициации, элонгации и терминации (рис. 70, 71, 72, 73, 74).

Рис. 70. Три главных участка связывания, в которых молекулы РНК присоединяются к рибосоме. Слева представлена ненагруженная рибосома, справа - нагруженная.

Рис. 71. Фаза инициации в синтезе белка. Здесь представлена последовательность событий, свойственная эукариотам, но очень сходный процесс протекает и у бактерий. Этапы 1 и 2 относятся к фазе элонгации.

Рис. 72. Фаза элонгации в синтезе белка, протекающая на рибосоме. Представленный здесь трехэтапный цикл многократно повторяется во время синтеза белковой цепи. На первом этапе молекула аминоацил-т-РНК присоединяется к А-участку рибосомы. Второй этап характеризуется образованием новой пептидной связи, на третьем этапе рибосома продвигается вдоль цепи м-РНК на расстояние, соответствующее трем нуклеотидам, высвобождая предыдущую молекулу т-РНК, т.е. устанавливается в таком положении, чтобы цикл мог повториться сначала.

Рис. 73. Последняя фаза синтеза белка (терминация). Присоединение фактора освобождения к стоп-кодону прекращает трансляцию, завершенный полипептид освобождается, а рибосома распадается на две отдельные субъединицы.

Рис. 74. Схема синтеза белка. Матричная РНК (м-РНК) имеет форму нити, а транспортная РНК (т-РНК) - форму клеверного листа; т-РНК присоединяет аминокислоту и подходит к очередному кодону на м- РНК, прикрепляется антикодоном и попадает на рибосому. На рибосоме происходит образование пептидной связи с аминокислотой на т-РНК, прикрепленной к соседнему кодону. Свободная т-РНК уходит после образования пептидной связи, а рибосома продвигается на один кодон по м—РНК. Процесс мгновенно повторяется.

1. Инициация. На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка.

Последовательно объединяются м-РНК, малая субъединица рибосомы, первая т-РНК со своей аминокислотой, специальные ферменты, называемые факторами инициации, и большая субъединица рибосомы.

2. Элонгация. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК - малой субъединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый код он АУТ, кодирующий аминокислоту метионин.

На рибосоме имеются два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке, называемым пептидильным, уже находится первая т-РНК. Это всегда одна и та же т-РНК, несущая аминокислоту метионин (I). С него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы — аминоацильный — поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону (II). 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 участка в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Этот этап требует затраты энергии. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму. Аминоацильный центр освобождается.

В него поступает новая т-РНК, связанная с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном (III). Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь, и третья т-РНК вместе с кодоном м—РНК вновь перемещается в пептидильный центр. Таким образом, в растущей белковой молекуле аминокислоты оказываются соединенными в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны в м-РНК.

Процесс элонгации, удлинения белковой цепи, продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это триплеты терминации: УАА, У ГА, УАГ. Ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.

3. Терминация - завершение синтеза белковой молекулы. В клетке не существует т-РНК с антикодонами, комплементарными триплетам терминации. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка.

Для увеличения производства белков по одной молекуле м-РНК перемещается сразу много рибосом. Такую структуру, объединенную одной матрицей (молекулой м-РНК), называют полирибосомой.