Биосинтез белков в живой клетке

Се­год­ня мы дадим опре­де­ле­ние био­син­те­зу и рас­смот­рим ос­нов­ные этапы био­син­те­за белка. Каж­дая клет­ка син­те­зи­ру­ет необ­хо­ди­мые ей ве­ще­ства. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся био­син­те­зом. То есть, био­син­тез — это про­цесс со­зда­ния слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ в ходе био­хи­ми­че­ских ре­ак­ций, про­те­ка­ю­щих с по­мо­щью фер­мен­тов.

Био­син­тез все­гда идет с по­гло­ще­ни­ем энер­гии. На­при­мер, об­ра­зо­ва­ние по­ли­са­ха­ри­дов из мо­но­са­ха­ри­дов, об­ра­зо­ва­ние бел­ков из ами­но­кис­лот, об­ра­зо­ва­ние нук­ле­и­но­вых кис­лот из нук­лео­ти­дов. Все эти про­цес­сы идут с по­гло­ще­ни­ем энер­гии. Глав­ным по­став­щи­ком энер­гии слу­жит мо­ле­ку­ла АТФ (аде­но­з­ин­три­фос­фор­ная кис­ло­та). Она со­дер­жит мак­ро­энер­ге­ти­че­ские связи. При гид­ро­ли­зе вы­де­ля­ет­ся энер­гия, ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся для обес­пе­че­ния про­цес­сов био­син­те­за. В био­син­те­зе мо­ле­кул белка участ­ву­ют:

1​ ами­но­кис­ло­ты,

2​ фер­мен­ты,

3​ ри­бо­со­мы,

4​ мо­ле­ку­лы РНК (ри­бо­сом­ные, транс­порт­ные, ин­фор­ма­ци­он­ные).

Со­зда­ние по­ли­пеп­тид­ных цепей, или мо­ле­кул белка, про­ис­хо­дит на ри­бо­со­мах ци­то­плаз­мы. Био­син­тез за­ви­сит от участ­ка ДНК в опре­де­лен­ном месте хро­мо­со­мы (гене). Гены со­дер­жат ин­фор­ма­цию об оче­ред­но­сти ами­но­кис­лот во время син­те­за белка. Иначе го­во­ря, ко­ди­ру­ют его пер­вич­ную струк­ту­ру.

Ин­фор­ма­ция о каж­дой ами­но­кис­ло­те за­пи­са­на в ком­би­на­ции из трех нук­лео­ти­дов (три­пле­тов). То есть одну ами­но­кис­ло­ту ко­ди­ру­ют три нук­лео­ти­да. В этом со­сто­ит суть ге­не­ти­че­ско­го кода. Ге­не­ти­че­ский код уни­вер­са­лен. Он оди­на­ков для всех живых ор­га­низ­мов. Мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­но­сят­ся в ци­то­плаз­му клет­ки. Три­пле­ты ин­фор­ма­ци­он­ной РНК на­зы­ва­ют ко­до­на­ми. Схе­ма­тич­но про­цесс био­син­те­за можно пред­ста­вить сле­ду­ю­щим об­ра­зом: ДНК ---> Ин­фор­ма­ци­он­ная РНК ---> белок.

Дан­ные, по­лу­чен­ные с по­мо­щью раз­лич­ных экс­пе­ри­мен­тов, по­ка­за­ли, что био­син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов:

1​ тран­скрип­ция,

2​ транс­ля­ция.

Тран­скрип­ци­ей на­зы­ва­ют ме­ха­низм, с по­мо­щью ко­то­ро­го нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность ДНК пе­ре­пи­сы­ва­ет­ся в ком­пле­мен­тар­ную по­сле­до­ва­тель­ность в виде мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Или же про­цесс син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в ко­то­рой в ка­че­стве мат­ри­цы, ис­поль­зу­ет­ся одна из цепей мо­ле­ку­лы ДНК. То есть, тран­скрип­ция — это пе­ре­пи­сы­ва­ние ге­не­ти­че­ской ин­фор­ма­ции на ин­фор­ма­ци­он­ную РНК.

Как же осу­ществ­ля­ет­ся про­цесс тран­скрип­ции? Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путем син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Вто­рой этап био­син­те­за белка — транс­ля­ция. Во время транс­ля­ции нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­во­дят­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле по­ли­пеп­тид­ной цепи. Этот про­цесс идет в ци­то­плаз­ме на ри­бо­со­мах. Об­ра­зо­вав­ши­е­ся ин­фор­ма­ци­он­ные РНК вы­хо­дят из ядра через поры и от­прав­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам. Ри­бо­со­мы — уни­каль­ный сбо­роч­ный ап­па­рат. Ри­бо­со­ма сколь­зит по РНК и вы­стра­и­ва­ет из опре­де­лен­ных ами­но­кис­лот длин­ную по­ли­мер­ную цепь белка. Ами­но­кис­ло­ты до­став­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам с по­мо­щью транс­порт­ных РНК. Для каж­дой ами­но­кис­ло­ты тре­бу­ет­ся своя транс­порт­ная РНК, со­от­вет­ству­ю­щая опре­де­лен­но­му три­пле­ту ин­фор­ма­ци­он­ной РНК (ко­до­ну) в мо­ле­ку­ле транс­порт­ной РНК, ко­то­рая имеет форму три­лист­ни­ка. У нее есть уча­сток, к ко­то­рой при­со­еди­ня­ет­ся ами­но­кис­ло­та и дру­гой три­плет­ный ан­ти­ко­дон, ко­то­рый свя­зы­ва­ет­ся с ком­пле­мен­тар­ным ко­до­ном в мо­ле­ку­ле ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Таким об­ра­зом, це­поч­ка ин­фор­ма­ци­он­ной РНК обес­пе­чи­ва­ет опре­де­лен­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в це­поч­ке мо­ле­ку­лы белка. Бы­ва­ют слу­чаи, когда вдоль ин­фор­ма­ци­он­ной РНК дви­жет­ся несколь­ко ри­бо­сом и син­те­зи­ру­ет­ся несколь­ко бел­ков. Время жизни ин­фор­ма­ци­он­ной РНК ко­леб­лет­ся от 2 минут (как у неко­то­рых бак­те­рий) до несколь­ких дней (как, на­при­мер, у выс­ших мле­ко­пи­та­ю­щих). Затем ин­фор­ма­ци­он­ная РНК раз­ру­ша­ет­ся под дей­стви­ем фер­мен­тов, а нук­лео­ти­ды ис­поль­зу­ют­ся для син­те­за новой мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Таким об­ра­зом, клет­ка кон­тро­ли­ру­ет ко­ли­че­ство син­те­зи­ру­е­мых бел­ков и их тип.

Да­вай­те под­ве­дем итоги. Син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов: тран­скрип­ция (об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ци­он­ной РНК по мат­ри­це ДНК, про­те­ка­ет в ядре клет­ке) и транс­ля­ции (эта ста­дия про­хо­дит в ци­то­плаз­ме клет­ки на ри­бо­со­мах).