Синтез белка – очень важный процесс. Именно он помогает нашему организму расти и развиваться. В нем участвуют многие структуры клетки. Ведь для начала необходимо понять, что именно мы собираемся синтезировать.
Какой белок нужно строить в данный момент – за это отвечают ферменты. Они получают сигналы от клетки о необходимости того или иного белка, после чего начинается его синтез.
Где проходит синтез белка
В любой клетке основное место биосинтеза белка – рибосома. Это крупная макромолекула со сложной асимметричной структурой. Состоит она из РНК (рибонуклеиновые кислоты) и белков. Рибосомы могут располагаться поодиночке. Но чаще всего они объединяются с ЭПС, что облегчает последующие сортировку и транспорт белков.
Что необходимо для синтеза белка
Для протекания процесса необходимо, чтобы все основные компоненты белоксинтезирующей системы были на месте:
- Программа, которая задает порядок расположения аминокислотных остатков в цепи, а именно мРНК, которая перенесет эту информацию от ДНК к рибосомам.
- Аминокислотный материал, из которого будет строиться новая молекула.
- тРНК, которая доставит каждую аминокислоту в рибосому, примет участие в расшифровке генетического кода.
- Аминоацил-тРНК-синтетаза.
- Рибосомы – это основное место биосинтеза белка.
- Энергия.
- Ионы магния.
- Белковые факторы (для каждого этапа свой).
Теперь рассмотрим каждый из них подробнее и узнаем, как создаются белки. Механизм биосинтеза очень интересен, все компоненты действуют необычайно слаженно.
Программа синтеза, поиск матрицы
Вся информация о том, какие именно белки может строить наш организм, содержится в ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота служит для хранения генетической информации. Она надежно запакована в хромосомах и располагается в клетке в ядре (если речь об эукариотах) или плавает в цитоплазме (у прокариотов).
После исследований ДНК и признания ее генетической роли стало ясно, что она не является непосредственной матрицей для трансляции. Наблюдения привели к предположениям, что с синтезом белка связана РНК. Ученые решили, что она должна быть посредником, переносить информацию от ДНК к рибосомам, служить матрицей.
В то же время были открыты рибосомы, их РНК составляет подавляющую часть клеточной рибонуклеиновой кислоты. Чтобы проверить, является ли она матрицей для синтеза белка, А. Н. Белозерский и А. С. Спирин в 1956-1957 гг. провели сравнительный анализ состава нуклеиновых кислот у большого количества микроорганизмов.
Предполагалось, что если идея о схеме «ДНК-рРНК-белок» верна, тогда состав тотальной РНК будет изменяться так же, как ДНК. Но, несмотря на громадные различия в дезоксирибонуклеиновой кислоте у разных видов, состав тотальной рибонуклеиновой кислоты был похож у всех рассмотренных бактерий. Отсюда ученые сделали вывод, что основная клеточная РНК (то есть рибосомальная) - это не прямой посредник между носителем генетической информации и белком.
Открытие мРНК
Позже обнаружилось, что небольшая фракция РНК повторяет состав ДНК и может служить посредником. В 1956 году Э. Волкин и Ф. Астрачан изучали процесс синтеза РНК в бактериях, которые были заражены бактериофагом Т2. После попадания его в клетку, она переключалась на синтез фаговых белков. При этом основная часть РНК не изменялась. Но в клетке начинался синтез небольшой фракции метаболически нестабильной РНК, последовательность нуклеотидов в которой была подобна составу фаговой ДНК.
В 1961 году эта небольшая фракция рибонуклеиновой кислоты была вычленена из общей массы РНК. Доказательство ее функции посредника были получены из экспериментов. После инфицирования клеток фагом Т4 образовывалась новая мРНК. Она связывала со старыми хозяйскими рибосомами (новых рибосом после заражения не обнаруживается), которые начинали синтезировать фаговые белки. Эта «ДНК-подобная РНК» оказалась комплиментарна одной из цепочек ДНК фага.
В 1961 году Ф. Жакоб и Ж. Моно высказали идею, что эта РНК переносит информацию от генов к рибосомам и является матрицей для последовательной расстановки аминокислот в процессе синтеза белка.
Переносом информации к месту синтеза белка занимается мРНК. Процесс считывания информации с ДНК и создание матричной РНК называется транскрипцией. После нее РНК подвергается ряду дополнительных изменений, это называется "процессинг". В ходе него из матричной рибонуклеиновой кислоты могут быть вырезаны определенные участки. Далее мРНК идет в рибосомы.
Строительный материал для белков: аминокислоты
Всего существует 20 аминокислот, некоторые из них являются незаменимыми, то есть организм их не может синтезировать. Если какой-то кислоты в клетке недостаточно, это может привести к замедлению трансляции или даже полной остановке процесса. Наличие каждой аминокислоты в достаточном количестве – главное требование для того, чтобы правильно прошел биосинтез белка.
Общие сведения об аминокислотах ученые получили еще в XIX веке. Тогда же, в 1820 году, были выделены первые две аминокислоты – глицин и лейцин.
Последовательность этих мономеров в белке (так называемая первичная структура) полностью определяет его следующие уровни организации, а значит, и его физические и химические свойства.
Транспортировка аминокислот: тРНК и аа-тРНК-синтетаза
Но аминокислоты не могут самостоятельно выстраиваться в белковую цепочку. Для того чтобы им попасть в основное место биосинтеза белка, необходима транспортная РНК.
Каждая аа-тРНК-синтетаза узнает только свою аминокислоту и только ту тРНК, к которой ее надо прикрепить. Получается, что в это семейство ферментов входит 20 разновидностей синтетаз. Осталось сказать лишь то, что аминокислоты прикрепляются к тРНК, точнее, к ее гидроксильному акцепторному «хвосту». Каждой кислоте должна соответствовать своя транспортная РНК. За этим следит аминоацил-тРНК-синтетаза. Она не только сопоставляет аминокислоты с правильным транспортом, она также регулирует реакцию образования сложноэфирной связи.
После успешной реакции прикрепления тРНК следует к месту синтеза белка. На этом заканчиваются подготовительные процессы и начинается трансляция. Рассмотрим основные этапы биосинтеза белка:
- инициация;
- элонгация;
- терминация.
Стадии синтеза: инициация
Каким образом происходит биосинтез белка и его регуляция? Ученые пытались узнать это долгое время. Выдвигались многочисленные гипотезы, но чем современнее становилось оборудование, тем лучше мы стали понимать принципы трансляции.
Рибосома – основное место биосинтеза белка - начинает читать мРНК с той точки, с которой начинается ее часть, кодирующая полипептидную цепь. Эта точка располагается на определенном удалении от начала матричной РНК. Рибосома должна узнать точку на мРНК, с которой начинается считывание, и соединиться с ней.
Инициация – комплекс событий, которые обеспечивают начало трансляции. В ней участвуют белки (факторы инициации), инициаторная тРНК и специальный инициаторный кодон. На этом этапе малая субъединица рибосомы соединяется с белками инициации. Они не дают ей связаться с большой субъединицей. Зато позволяют соединиться с инициаторной тРНК и ГТФ.
Затем этот комплекс «садится» на мРНК, именно на тот участок, который узнается одним из факторов инициации. Ошибки быть не может, и рибосома начинает свой путь по матричной РНК, читая ее кодоны.
Как только комплекс доходит до инициирующего кодона (АУГ), субъединица прекращает движение и с помощью уже других белковых факторов связывается с большой субъединицей рибосомы.
Стадии синтеза: элонгация
Прочтение мРНК предполагает последовательный синтез полипептидой цепи белка. Он идет путем добавления одного аминоксилотного остатка за другим к строящейся молекуле.
Каждый новый аминокислотный остаток добавляется к карбоксильному концу пептида, С-конец является растущим.
Стадии синтеза: терминация
Когда рибосома доходит до терминирующего кодона матричной РНК, синтез полипептидной цепочки прекращается. В его присутствии органелла не может принять какую-либо тРНК. Вместо нее в дело вступают факторы терминации. Они высвобождают готовый белок из остановившейся рибосомы.
После терминации трансляции рибосома может либо сойти с мРНК, либо продолжить скользить по ней, не транслируя.
Встреча рибосомы с новым инициаторным кодоном (на этой же цепи во время продолжения движения или же на новой мРНК) приведет к новой инициации.
После того как готовая молекула покидает основное место биосинтеза белка, она маркируется и отправляется в пункт назначения. Какие функции она будет выполнять, зависит от ее структуры.
Регулирование процесса
В зависимости от своих потребностей клетка будет самостоятельно контролировать трансляцию. Регуляция биосинтеза белка – очень важная функция. Она может осуществляться разными способами.
Если клетка не нуждается в каком-то соединении, она прекратит биосинтез РНК – биосинтез белка тоже перестанет происходить. Ведь без матрицы не начнется весь процесс. А старые мРНК быстро распадаются.
Существует и другая регуляция биосинтеза белка: клетка создает ферменты, которые мешают протеканию фазы инициации. Они мешают трансляции, даже если матрица для считывания есть в наличии.
Второй способ необходим в том случае, когда синтез белков нужно выключить прямо сейчас. Первый способ предполагает продолжение вялотекущей трансляции еще некоторое время после прекращения синтеза мРНК.
Клетка является очень сложной системой, в которой все держится на балансе и четкой работе каждой молекулы. Важно знать принципы каждого процесса, протекающего в клетке. Так мы лучше сможем понимать происходящее в тканях и в организме в целом.
