Жизнь является процессом существования белковых молекул. Именно так о ней выражаются многие ученые, которые убеждены, что белок является основой всего живого. Эти суждения абсолютно правильны, потому как у данных веществ в клетке наибольшее число основных функций. Все прочие органические соединения играют роль энергетических субстратов, а энергия снова нужна для синтеза белковых молекул.
Способность организма синтезировать белок
Не все существующие организмы способны осуществлять синтез белков в клетке. Вирусы и некоторые виды бактерий не могут образовывать белки, а потому являются паразитами и получают нужные вещества от клетки-хозяина. Остальные организмы, включая прокариотические клетки, способны синтезировать белки. Все клетки человека, животных, растений, грибов, почти все бактерии и протисты живут за счет способности белкового биосинтеза. Это требуется для реализации структурообразующей, защитной, рецепторной, транспортной и прочих функций.
Этапная характеристика биосинтеза белка
Структура белка закодирована в нуклеиновой кислоте (ДНК или РНК) в виде кодонов. Это наследственная информация, которая воспроизводится каждый раз, когда клетке требуется новое белковое вещество. Началом биосинтеза является передача информации в ядро о необходимости синтезировать новый белок с уже заданными свойствами.
В ответ на это деспирализуется участок нуклеиновой кислоты, где закодирована его структура. Это место дублируется информационной РНК и передается на рибосомы. Они отвечают за построение полипептидной цепи на основании матрицы - информационной РНК. Коротко все этапы биосинтеза представлены следующим образом:
- транскрипция (этап удвоения участка ДНК с закодированной структурой белка);
- процессинг (этап образования информационной РНК);
- трансляция (синтез белков в клетке на основании информационной РНК);
- посттрансляционная модификация ("созревание" полипептида, формирование его объемной структуры).
Транскрипция нуклеиновой кислоты
Весь синтез белков в клетке осуществляют рибосомы, а информация о молекулах содержится в нуклеиновой кислоте (РНК или ДНК). Она располагается в генах: каждый ген - это определенный белок. В генах заложена информация об аминокислотной последовательности нового белка. В случае с ДНК изъятие генетического кода ведется таким образом:
- начинается освобождение участка нуклеиновой кислоты от гистонов, происходит деспирализация;
- ДНК-полимераза удваивает участок ДНК, в котором хранится ген белка;
- удвоенный участок представляет собой предшественника информационной РНК, который обрабатывается ферментами для удаления некодирующих вставок (на его основании ведется синтез иРНК).
На основании проинформационной РНК происходит синтез иРНК. Она уже является матрицей, после этого синтез белков в клетке происходит на рибосомах (в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме).
Рибосомальный синтез белка
Информационная РНК имеет два конца, которые оформляются как 3`- 5`. Считывание и синтез белков на рибосомах начинается с 5`конца и продолжается до интрона - участка, который не кодирует никакую из аминокислот. Это происходит следующим образом:
- информационная РНК "нанизывается" на рибосому, присоединяет первую аминокислоту;
- рибосома смещается по информационной РНК на один кодон;
- транспортная РНК предоставляет нужную (закодированную данным кодоном иРНК) альфа-аминокислоту;
- аминокислота присоединяется к стартовой аминокислоте с формированием дипептида;
- затем иРНК снова смещается на один кодон, подносится альфа-аминокислота и присоединяется к растущей цепочке пептида.
Как только рибосома достигает интрона (некодирующей вставки), информационная РНК просто продвигается далее. Затем, по мере продвижения информационной РНК, рибосома снова достигает экзона - участка, нуклеотидная последовательность которого соответствует определенной аминокислоте.
С этого места снова начинается присоединение мономеров белка к цепочке. Процесс продолжается до момента появления очередного интрона или до стоп-кодона. Последний прекращает синтез полипептидной цепочки, после чего первичная структура белка считается завершенной и начинается этап постсинтетической (посттрансляционной) модификации молекулы.
Посттрансляционная модификация
После трансляции синтез белков происходит в цистернах гладкой эндоплазматической сети. Последняя содержит небольшое количество рибосом. В некоторых клетках они могут вообще отсутствовать в РЭС. Такие участки нужны для образования сначала вторичной, затем уже третичной или, если это запрограммировано, четвертичной структуры.
Весь синтез белков в клетке происходит с затратой огромного количества энергии АТФ. Потому все остальные биологические процессы нужны для поддержания белкового биосинтеза. Вдобавок некоторая часть энергии нужна для переноса белков в клетке активным транспортом.
Многие из белков переносятся из одной локации клетки в другую для модификации. В частности, посттрансляционный синтез белков происходит в комплексе Гольджи, где к полипептиду определенной структуры присоединяется углеводный или липидный домен.
