Биосинтез белков (полипептидов) является чрезвычайно сложным и удивительным процессом. Биосинтез белков активно протекает во всех органах и тканях, исключая эритроциты. Многие клетки синтезируют белки на «экспорт» (клетки печени, поджелудочной железы), и в этом случае они содержат очень большое число рибосом. В животной клетке число рибосом достигает 10 5 , диаметр рибосомы равен 20 нм.
Процесс синтеза белка происходит внутри клеток на поверхности рибосом, которые представляют собой комплексы из двух субъединиц с константой седиментации 60S и 40S, функционирующих как единое целое. В рибосоме белок составляет 30-35% и рибосомальная РНК - 65-70%. В рибосоме различают аминоацильный и пептидильный участки. Первый служит для фиксации поступающего на рибосому комплекса активной аминокислоты и тРНК, а второй фиксирует полипептидную цепь, связанную с другой тРНК. Субъединицы рибосом синтезируются в ядрышке ядра на матрице ДНК.
Сущность процесса синтеза белка представляет схема:
Белоксинтезирующая система включает рибосомы, нуклеиновые кислоты, набор из 20 аминокислот, различные ферменты, АТФ, ГТФ, ионы магния, около 200 различных некаталитических белковых факторов.
Молекула белка - длинная цепь аминокислотных остатков, насчитывающая в среднем от 100 до 500 аминокислот. Программа синтеза каждого белка хранится в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Молекула ДНК - полимер, мономерами которого служат нуклеотиды. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка.
В молекуле ДНК имеются четыре вида азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Последовательность из трех оснований (триплет) составляет кодон, которому соответствует одна определенная аминокислота.
Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - обязательные компоненты биосинтеза белков. ДНК отвечает за сохранение генетической информации, тогда как РНК определяет передачу этой информации и реализацию в виде молекул белка. Можно утверждать, что главная функция ДНК - это сохранение генотипа, а РНК - выражение этого генотипа.
В количественном плане в клетке преобладает рибосомаль- ная РНК (рРНК). рРНК имеет спирализованные участки, содержит модифицированные нуклеотиды (например, 2-метил- рибоза). рРНК составляет около 80% от общего количества РНК в клетке. Второй вид РНК в клетке представлен транспортной РНК (тРНК), которая, как и все другие виды РНК, синтезируется в ядре. На ее долю приходится 10-15% общего количества РНК в клетке. Выявлено свыше 60 различных тРНК. Поэтому для транспорта отдельных аминокислот существует несколько разных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке есть по крайней мере одна специфическая тРНК. Молекулы тРНК сравнительно мелкие. В их структуре 75-93 рибонук- леотидов.
Аминокислота присоединяется к свободной 3-ОН-группе концевого мононуклеотида тРНК, представленной всегда аде- ниловой кислотой. тРНК имеет и другой важный участок - антикодон, с помощью которого комплекс аминокислоты и тРНК узнает определенную последовательность из трех нуклеотидов в матричной РНК (кодон). Антикодон и кодон комплементарно соединяются посредством водородных связей.
Если носителем наследственной информации в клетке является ДНК, которая сосредоточена в ядре, но синтез белка происходит в цитоплазме, то, следовательно, должен быть определенный посредник, передающий эту информацию в цитоплазму клетки. Этим посредником оказалась информационная или матричная РНК (мРНК). На долю мРНК приходится 2% общего количества РНК клетки. Молекулы мРНК самые длинные (включают до 5 тыс. нуклеотидов). мРНК также содержит четыре вида азотистых оснований. Из них три (А, Г, Ц) такие же, как в ДНК, а четвертое - урацил.
Информация, закодированная в мРНК, необходима для синтеза молекулы белка, который происходит на рибосомах. Синтез мРНК в ядре клетки очень быстрый, что необходимо для активного биосинтеза белковых молекул. мРНК образуется на одной из нитей ДНК ядра. При этом двухспиральная структура ДНК раскручивается и при участии ДНК-зависимой РНК-по- лимеразы по принципу комплементарности происходит синтез мРНК:
Схема синтеза мРНК
Принцип комплементарности означает, что аденину на спирали ДНК соответствует урацил мРНК, тимину - аденин, а гуанину - цитозин. Следовательно, мРНК считывает информацию с ДНК.
Стадия ДНК -» РНК, таким образом, определяет синтез молекулы мРНК, в которой нуклеотидная последовательность комплементарна определенному участку (гену) ДНК. Этот процесс носит название транскрипции. Затем мРНК поступает на рибосому, объединяясь с ее субъединицами. Одна молекула мРНК фиксируется на множестве рибосом одновременно, образуя так называемые полисомы. Наличие полисом повышает эффективность и скорость использования мРНК.
Синтез полипептидной цепи определенного состава происходит на матрице мРНК. Процесс передачи информации с мРНК на белок получил название трансляции. Стадия «РНК -> белок » представляет процесс синтеза белка, направляемый мРНК. Таким образом, передача информации всегда идет в направлении ДНК -» РНК -» белок.
Процесс трансляции включает следующие этапы:
- 1) активация аминокислот и их фиксация на тРНК;
- 2) инициация синтеза полипептидной цепи;
- 3) элонгация синтезируемой полипептидной цепи;
- 4) терминация полипептидной цепи и ее освобождение;
- 5) посттрансляционная модификация полипептидной цепи.
- 1. Активация аминокислот требует фермента аминоацил- тРНК-синтетазы и затраты энергии в виде АТФ:
Этот же фермент участвует в фиксации предварительно активированной аминокислоты в положение 2 или 3 рибозы последнего нуклеотида тРНК:
В виде данного комплекса аминокислота транспортируется на рибосому, на которой происходит синтез белковой молекулы. Аминоацил-тРНК-синтетаза специфична, она способна узнавать как аминокислоту, так и тРНК. В клетке, таким образом, имеется не менее 20 различных синтетаз, в соответствии с числом а-аминокислот.
2. тРНК, связанная эфирной связью с определенной аминокислотой, поступает на рибосому и взаимодействует с мРНК по типу комплементарности между специфическим триплетом нуклеотидов мРНК, названным кодоном, и ей комплементарным специфическим триплетом нуклеотидов (антикодоном) тРНК, переносящей определенную аминокислоту. Таким образом, каждый кодон мРНК соответствует специфической фиксации одной аминокислоты в пептидной цепи посредством антикодона тРНК. Рибосома передвигается вдоль молекулы мРНК, считывая последовательно все кодоны, устанавливая таким образом порядок расположения всех аминокислот, доставляемых к месту синтеза.
Синтез молекулы белка идет по направлению от свободной аминогруппы к свободной карбоксильной группе аминокислоты. Обычно начальной аминокислотой в синтезе полипептид- ной цепи является метионин, для которой кодоном служит нуклеотидная последовательность АУГ мРНК.
Инициация синтеза полипептида начинается при фиксации двух антикодонов тРНК по соответствующим кодонам мРНК. Процесс требует наличия источника энергии, которым служит ГТФ, а также участия целого ряда белковых факторов инициации и пептидилтрансферазы.
При участии данного фермента скорость образования ковалентных связей достигает 1200 аминокислот/мин/рибосому.
Схема инициации синтеза полипептида
3. После образования дипептида «ненагруженная» тРНК покидает рибосому и способна доставлять новые молекулы аминокислот, а мРНК продвигается относительно рибосомы (полисомы) на три нуклеотида. В результате перемещения (транслокации) свободный кодон занимает положение для узнавания очередной молекулы тРНК. Следовательно, в стадии элонгации происходит последовательное присоединение по одной аминокислоте к полипептидной цепи в строгом соответствии с порядком кодонов молекулы мРНК.
Удлиняющаяся полипептидная цепь с одной молекулой тРНК фиксируется с большой субъединицей рибосомы. Присоединение каждой дополнительной аминокислоты к полипептидной цепи происходит за счет взаимосвязи аминогруппы присоединяющейся аминокислоты в комплексе с тРНК и карбоксильной группы пептида.
4. Терминация, или завершение синтеза полипептидной молекулы, вовлекает определенные кодоны терминации «без смысла» и белковые факторы терминации. Известны три кодона (УАГ, УГА, УАА), которые не кодируют, не связывают какую-либо аминокислоту, так как в клетке не существует антикодонов тРНК, комплементарных к ним. Теоретически лишь один кодон «без смысла», узнаваемый полисомой во время прохождения в направлении 5-3 мРНК, должен остановить синтез молекулы белка.
Наличие терминирующего кодона в любом участке мРНК означает окончание белкового синтеза. В результате полисома распадается, неиспользованная мРНК гидролизуется полинук- леотидфосфорилазой, а субъединицы рибосом готовятся к началу синтеза новой молекулы белка.
мРНК может неоднократно участвовать в процессе биосинтеза белка. Продолжительность функционирования молекулы мРНК неодинакова у различных организмов. Она может колебаться от нескольких минут до нескольких суток.
5. В ДНК закодирована лишь первичная структура белка. Поэтому синтезированные на рибосомах молекулы белков еще не имеют окончательно завершенного состояния. Они представляют первичные полипептиды, которые затем претерпевают многочисленные модификации (ассоциации мономеров с образованием олигомеров, присоединения коферментов, химические превращения), изменяющие структуру белков и, значит, их активность.
Вторичная и третичная структуры не кодированы, они определяются свойствами первичной структуры, а это значит, что та или иная форма белковой молекулы зависит от последовательности аминокислот и возможностей их взаимодействия между собой. Структурные модификации синтезируемых белков имеют место еще на уровне рибосом или после завершения синтеза в результате присоединения различных функциональных групп.
Рассмотренная схема передачи информации в виде
может в отдельных случаях изменяться. Так, у вирусов, не содержащих ДНК, информация заложена в РНК. При проникновении вируса в клетку эта информация передается на ДНК клетки, а последняя уже синтезирует мРНК, на матрице которой синтезируются вирусные белки. Такой процесс носит название обратной транскрипции, и схема передачи информации в этом случае будет следующей:
Пока сохраняется последовательность нуклеотидов ДНК и, следовательно, мРНК, характер вновь синтезируемого белка остается неизменным.
Необходимая генетическая информация для синтеза белка может быть представлена аналогично записи человеческого языка, которая состоит из последовательности букв, формирующих слова и предложения. В генетическом языке, однако, есть только четыре буквы - четыре основания (аденин, гуанин, урацил, цитозин).
Генетический код включает трехбуквенные слова. Четыре основания в данном случае (43) дают 64 варианта (слова), которых более чем достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Таким образом, 64 кодона и составляют генетический код (табл. 3).
Анализ генетического кода показывает, что для различных аминокислот имеется различное число кодонов. Например, метионин и триптофан имеют только один кодон, тогда как аргинин, лейцин, серин имеют по шесть кодонов. Наличие нескольких кодонов для одной аминокислоты отражает «вырожден- ность» кода. Следовательно, одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими по своему строению нуклеотидными триплетами. В то же время каждому триплету соответствует вполне определенная аминокислота в синтезируемой поли- пептидной цепи.
Т а б л и ц а 3
Генетический код
|
нуклеотид |
Второй нуклеотид |
нуклеотид |
|||
Генетический код универсален и одинаков у видов разного уровня развития (человек, животные, растения, микроорганизмы). Универсальность кода свидетельствует, что все живые организмы в прошлом имели единого предка.
Отдельные аминокислоты (оксипролин, оксилизин), например, не имеют кодона и образуются с помощью химических реакций уже после синтеза полипептидной цепи. Этот процесс получил название посттрансляционной модификации и очень важен для правильного функционирования каждого белка.
Бессмысленные кодоны (УАА, УАГ, УГА) не кодируют аминокислоты, однако реально служат сигналом окончания синтеза белковой молекулы.
Таким образом, мРНК является непосредственным переносчиком генетической информации из ядра на рибосому цитоплазмы. Одна рибосома занимает на мРНК участок длиной около 80 нуклеотидов и способна катализировать примерно 100 пептидных связей в минуту (Северин Е. С. и др., 2011).
Синтезированные белковые молекулы могут подвергаться структурным модификациям еще на уровне рибосом или после завершения синтеза в результате присоединения различных функциональных групп. В цитоплазме мРНК имеет сравнительно короткий период существования. Некоторое количество мРНК синтезируется и запасается в неактивной форме, будучи готовой для быстрого синтеза белка. Поскольку информация мРНК связана с линейной последовательностью нуклеотидов, целостность этой последовательности чрезвычайно важна. Любая потеря или изменение порядка нуклеотидов может видоизменить синтез белка. На сегодня установлен целый ряд ингибиторов репликации ДНК в клетках организма (антибиотики, химические яды, антивирусные препараты). Повреждения в последовательности пуриновых или пиримидиновых оснований в гене получили название мутации.
Замена лишь одного нуклеотида в кодоне (мутация) приводит к смене кодирования одной аминокислоты на другую. Например, мутация, связанная с заменой глутаминовой кислоты на валин в молекуле гемоглобина, приводит к синтезу гемоглобина, вызывающего серповидную анемию. Сегодня известно более 200 мутаций полипептидной цепи молекулы гемоглобина человека. Часто мутагенами являются вещества (нитроза- мины, например), изменяющие структуру азотистых оснований, что приводит к изменению характера комплементарности оснований. Ультрафиолетовое облучение вызывает конденсацию остатков тимина с образованием тиминовых димеров. К счастью, от вредного действия ультрафиолетовых лучей животные защищены слоем озона атмосферы.
Многие антибиотики, используемые в ветеринарной практике, ингибируют бактериальный синтез белка (линкомицин, эритромицин, хлорамфеникол) еще на стадии трансляции. При этом микробная клетка погибает или приостанавливает свое развитие. Такие антибиотики, как тетрациклины, не влияют на рибосомальный синтез в клетках высших животных. Пени- циллины не являются прямыми ингибиторами синтеза белка, однако их эффекты ингибирования бактерий связаны с блокированием синтеза гексапептидов клеточной стенки. Следует отметить, что синтез белка происходит не только на рибосомах, но и в митохондриях. Митохондрии имеют полный и независимый аппарат синтеза белка для своих нужд, хотя не все митохондриальные белки синтезируются в этих органеллах. РНК митохондрий составляют лишь 3% от всего количества РНК клетки. Рибосомы митохондрий меньше по размерам, чем цитоплазматические. Кодон УГА, как терминатор синтеза белка в цитоплазме, используется в митохондриях наряду с кодоном УГГ для кодирования аминокислоты.
Синтезированные на рибосомах белки еще не имеют окончательно завершенного состояния. Они представляют первичные полипептиды, которые затем претерпевают многочисленные модификации (ассоциации мономеров с образованием олигомеров, присоединения коферментов, химические превращения), модифицирующие структуру белка и, значит, его активность.
Оглавление: 1. Функции белка Функции белка Функции белка 2. Биосинтез белка Биосинтез белка Биосинтез белка 2.1. Первооткрыватели биосинтеза белка 2.1. Первооткрыватели биосинтеза белка Первооткрыватели биосинтеза белка Первооткрыватели биосинтеза белка 2.2. Транскрипция 2.2. Транскрипция Транскрипция 2.3. Трансляция 2.3. Трансляция Трансляция 3. Проверь себя Проверь себя Проверь себя
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА Реплика́ция ДНК это процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК- полимераза.
Первооткрыватели биосинтеза белка Франсуа Жакоб (р.1920) – французский микробиолог Жак Люсьен Моно () – французский биохимик и микробиолог
Транскрипция Первый этап биосинтеза белка транскрипция. Транскрипция это переписывание информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК. А Т Г Г А Ц Г А Ц Т В определенном участке ДНК под действием ферментов белки- гистоны отделяются, водородные связи рвутся, и двойная спираль ДНК раскручивается. Одна из цепочек становится матрицей для построения и-РНК. Участок ДНК в определенном месте начинает раскручиваться под действием ферментов. матрица ДНК
Затем на основе матрицы под действием фермента РНК- полимеразы из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности начинается сборка мРНК. А Т Г Г А Ц Г А Ц Т У А Ц Ц У Г Ц У Г А и-РНК Между азотистыми основаниями ДНК и РНК возникают водородные связи, а между нуклеотидами самой матричной РНК образуются сложно- эфирные связи. Водородная связь Сложно-эфирная связь
МРНК После сборки иРНК водородные связи между азотистыми основаниями ДНК и иРНК рвутся, и новообразованная иРНК через поры в ядре уходит в цитоплазму, где прикрепляется к рибосомам. А две цепочки ДНК вновь соединяются, восстанавливая двойную спираль, и опять связываются с белками-гистонами. МРНК присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. ЯДРО рибосомы цитоплазма Mg 2+
Трансляция Второй этап биосинтеза– трансляция. Трансляция– это перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка. В цитоплазме аминокислоты соединяются с тРНК. Это очень видоспецифичные реакции: определенный фермент способен узнавать и связывать с соответствующей тРНК только свою аминокислоту. и-РНК АГУ У Ц А У ЦА А Г У а/к а/к а/ к У У Г А Ц У У Г Ц
Далее тРНК движется к и-РНК и связывается комплементарно своим антикодоном с кодоном и-РНК. Затем второй кодон соединяется с комплексом второй аминоацил-тРНК, содержащей свой специфический антикодон. Антикодон– триплет нуклеотидов на верхушке тРНК. Кодон– триплет нуклеотидов на и-РНК. и-РНК АГУ У Ц А У Ц А А Г У а/ к а/к У У Г А Ц У У Г Ц Водородные связи между комплементарными нуклеотидами
После присоединения к мРНК двух тРНК под действием фермента происходит образование пептидной связи между аминокислотами; первая аминокислота перемещается на вторую тРНК, а освободившаяся первая тРНК уходит. После этого рибосома передвигается по нити для того, чтобы поставить на рабочее место следующий кодон. И-РНК АГУ У Ц А У Ц А А Г У а/к а/ к У У Г А Ц У У Г Ц Пептидная связь а/ к
Такое последовательное считывание рибосомой заключенного в и-РНК «текста» продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов (терминальных кодонов). Такими триплетами являются триплеты УАА, УАГ,УГА. Одна молекула мРНК может заключать в себе инструкции для синтеза нескольких полипептидных нитей. и-РНК на рибосомах белок Наконец, ферменты разрушают эту молекулу и-РНК, расщепляя ее до отдельных нуклеотидов.
3. Контрольный тест 1. Матрицей для синтеза молекулы м-РНК при транскрипции служит: а) вся молекула ДНКвся молекула ДНК б) полностью одна из цепей молекулы ДНКполностью одна из цепей молекулы ДНК в) участок одной из цепей ДНКучасток одной из цепей ДНК г) в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других– вся молекула ДНК.в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других– вся молекула ДНК. 2. Транскрипция происходит: а) в ядре в ядре б) на рибосомах на рибосомах в) в цитоплазме в цитоплазме г) на каналах гладкой ЭПСна каналах гладкой ЭПС 3. Последовательность нуклеотидов в антикодоне т-РНК строго комплементарна: а) триплету, кодирующему белоктриплету, кодирующему белок б) аминокислоте, с которой связана данная т-РНКаминокислоте, с которой связана данная т-РНК в) последовательности нуклеотидов гена последовательности нуклеотидов гена г) кодону м-РНК, осуществляющему трансляциюкодону м-РНК, осуществляющему трансляцию
4. Трансляция в клетке осуществляется: а) в ядре в ядре б) на рибосомах на рибосомах в) в цитоплазме в цитоплазме г) на каналах гладкой ЭПСна каналах гладкой ЭПС 5. При трансляции матрицей для сборки полипептидной цепи белка служат: а) обе цепочки ДНКобе цепочки ДНК б) одна из цепей молекулы ДНКодна из цепей молекулы ДНК в) молекула м-РНКмолекула м-РНК г) в одних случаях одна из цепей ДНК, в других– молекула м-РНКв одних случаях одна из цепей ДНК, в других– молекула м-РНК 6. При биосинтезе белка в клетке энергия АТФ: а) расходуется б) запасается в) не расходуется и не выделяется не расходуется и не выделяется г) на одних этапах синтеза расходуется, на других– выделяется на одних этапах синтеза расходуется, на других– выделяется 7. Исключите лишнее: рибосомы, т-РНК, м-РНК, аминокислоты, ДНК.рибосомы т-РНК м-РНКаминокислотыДНК
8. Участок молекулы т-РНК из трех нуклеотидов, комплементарно связывающийся с определенным участком м-РНК по принципу комплементарности называется… 9. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК следующая: АТТААЦГЦТАТ. Какова будет последовательность азотистых оснований в м-РНК? а) ТААТТГЦГАТАТААТТГЦГАТА б) ГЦЦГТТАТЦГЦГЦЦГТТАТЦГЦ в) УААУЦЦГУТУТУААУЦЦГУТУТ г) УААУУГЦГАУАУААУУГЦГАУА
Понимание механизма синтеза белка результат длительной и сложнейшей работы многих ученых. Это блестящее достижение сейчас является одним из основных положений биологической науки. Но все же еще многое из этого процесса осталось за гранью нашего знания. Заключение
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.
Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
- Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).
- На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
- Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
- На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.
Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.
Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.
В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.
Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.
Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.
Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.
У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами — большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин — 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.
В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.
Во всех живых клетках белки синтезируются рибосомами. Рибосома представляет собой крупную макромолекулу со сложной асимметричной четвертичной структурой, построенной из рибонуклеиновых кислот (рибосомных РНК) и белков. Для того чтобы синтезировать белок, рибосома должна быть снабжена:
1. Программой, задающей порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка.
2. Аминокислотным материалом, из которого надлежит строить белок.
3. Энергией.
Сама рибосома обладает каталитической (энзиматической) функцией, ответственной за образование пептидных связей и, соответственно, полимеризацию аминокислотных остатков в полипептидную цепь белка.
Программа, задающая порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, исходит от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), т. е.Из генома клетки.Отдельные участки двутяжевойДНК,называемые генами, являются матрицами длясинтеза на них однотяжевых цепей РНК. Синтезированные цепи РНК комплиментарны одной из цепей ДНК и, таким образом, точно воспроизводят дезоксирибонуклеотидную последовательность другой цепи ДНК в своей рибонуклеотидной последовательности. Процесс такого копирования гена, осуществляемый ферментом РНК-полимеразой, получил название транскрипции. РНК в течение синтеза и после него, особенно в эукариотических клетках, может подвергаться ряду дополнительных изменений, называемых процессингом, в ходе которых из нее могут быть вырезаны определенные куски нуклеотидной последовательности. Получающаяся РНК поступает далее в рибосомы в качестве программы, определяющую аминокислотную последовательность в синтезируемом белке. Она называется информационной или "мессенджер" РНК (мРНК). Таким образом, именно транскрипция генов и образование мРНК обеспечивают поток информации от ДНК к рибосомам.
Исходным материалом, из которого строится белок, являются аминокислоты. Однако свободные аминокислоты не используются рибосомой, Для того чтобы служить субстратом для рибосомы, аминокислота должна быть активирована с участием сопряженного расщепления АТФ и акцептирована (ковалентно присоединена) специальной молекулой РНК, называемой трансфернои или транспортной РНК (тРНК), с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетезы. Получающиеся аминоацил-тРНК поступают в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка. Кроме того, энергия химической связи между аминокислотным остатком и тРНК используется для реакции образования пептидной связи в рибосоме. Таким образом, активация аминокислот и образование аминоацил-тРНК обеспечивают поток, как материала, так и энергии для рибосомного синтеза белка.
Эти три потока (информации, материала и энергии) встречаются в рибосоме. Воспринимая их, рибосома осуществляет перевод, или трансляцию, генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности синтезируемой полипептидной цепи белка. Если представить это в молекулярных терминах, то рибосома последовательно сканирует цепь мРНК (движется вдоль нее) и тоже последовательно выбирает из среды аминоацил-тРНК, в результате чего специфичность аминоацильного остатка выбираемой рибосомой аминоацил-тРНК каждый раз детерминируется специфичностью комбинации нуклеотидов считываемого в данный момент рибосомой отрезка мРНК. Таким образом, возникает проблема генетического кода: какие комбинации нуклеотидов детерминируют, т. е. Кодируют каждую из 20 аминокислот, из которых строятся молекулы белков?
Движение рибосомы вдоль цепи мРНК (или, другими словами, Пропускание цепи мРНК сквозь рибосому) задает строгий временной порядок вхождения в рибосому разных аминоацил-тРНК в соответствии с порядком расположения кодирующих нуклеотидных комбинаций вдоль мРНК. Аминоацильный остаток выбранной аминоацил-тРНК каждый раз ковалентно присоединяется рибосомой к растущей полипептидной цепи. Деацилированная тРНК освобождается из рибосомы в раствор. Так последовательно, шаг за шагом, строится полипептидная цепь белка (см. схему 1).
Важнейшие функции организма - обмен веществ, рост, развитие, передача наследственности, движение и др. - осуществляются в результате множества химических реакций с участием белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. При этом в клетках непрерывно синтезируются разнообразные соединения: строительные белки, белки-ферменты, гормоны. В ходе обмена эти вещества изнашиваются и разрушаются, а вместо них образуются новые. Поскольку белки создают материальную основу жизни и ускоряют все реакции обмена веществ, жизнедеятельность клетки и организма в целом определяется способностью клеток синтезировать специфические белки. Их первичная структура предопределена генетическим кодом в молекулеДНК.
Молекулы белков состоят из десятков и сотен аминокислот (точнее, из аминокислотных остатков). Например, в молекуле гемоглобина их около 600, и они распределены в четыре полипептидные цепочки; в молекуле рибонуклеазы таких аминокислот 124 и т. д.
Главная роль в определении первичной структуры белка принадлежит молекулам ДНК. Разные ее участки кодируют синтез разных белков, следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе многих индивидуальных белков. Свойства белков зависят от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, и каждой аминокислоте соответствует определенный триплет. Экспериментально доказано, что, например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеину и т.д. Распределив молекулу ДНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупность триплетов составляет материальную основу генов, а каждый ген содержит информацию о структуре специфического белка (ген - это основная биологическая единица наследственности; в химическом отношении ген есть участок ДНК, включающий несколько сотен пар нуклеотидов).
Генетический код - исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них несет информацию о последовательности аминокислот в белковых молекулах. Свойства кода: триплетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полииептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон обусловливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для большинства аминокислот существует несколько кодонов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК. (В.Б. Захаров. Биология. Справочные материалы. М.,1997)
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником служит и РНК, на которую нуклеотидная последовательность переписывается, в точном соответствии с таковой на ДНК - по принципу комплементарности. Этот процесс получил название транскрипции и протекает как реакция матричного синтеза. Он характерен только для живых структур и лежит в основе важнейшего свойства живого - самовоспроизведения. Биосинтезу белка предшествует матричный синтез иРНК на нити ДНК. Возникшая при этом иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы, сюда же с помощью тРЙК доставляются аминокислоты.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Вначале аминокисдоты в цитоплазме активируются с помощью ферментов и присоединяются к тРНК (к участку, где расположен нуклеотид ЦЦА). На следующем этапе идет соединение аминокислот в таком порядке, в каком чередование нуклеотидов с ДНК передано на иРНК. Этот этап называется трансляцией. На нити иРНК размещается не одна рибосома, а группа их - такой комплекс называется полисома (Н.Е. Ковалев, Л.Д. Шевчук, О.И. Щуренко. Биология для подготовительных отделений медицинских институтов).
Схема Биосинтез белка
Синтез белка состоит из двух этапов - транскрипции и трансляции.
I. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.
II. Трансляция (передача) - синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:
1. Образование функционального центра рибосомы - ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.
2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс "кодон рРНК и тРНК с аминокислотой" перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего тРНК покидает рибосому.
3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматиче-ской сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) --> РНК (трансляция) --> белок.
Завершив один цикл, полисомы могут принять участие в синтезе новых молекул белка.
Отделившаяся от рибосомы молекула белка имеет вид нити, которая биологически неактивна. Биологически функциональной она становится после того, как молекула приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру, т. е. определенную пространственно специфическую конфигурацию. Вторичная и последующие структуры белковой молекулы предопределены в информации, заложенной в чередовании аминокислот, т. е. в первичной структуре белка. Иначе говоря, программа образования глобулы, ее уникальная конфигурация определяются первичной структурой молекулы, которая в свою очередь строится под контролем соответствующего гена.
Скорость синтеза белка обусловлена многими факторами: температурой среды, концентрацией водородных ионов, количеством конечного продукта синтеза, присутствием свободных аминокислот, ионов магния, состоянием рибосом и др.
