Біосинтез білків (поліпептидів) є надзвичайно складним та дивовижним процесом. Біосинтез білків активно протікає у всіх органах та тканинах, виключаючи еритроцити. Багато клітин синтезують білки на «експорт» (клітини печінки, підшлункової залози), і в цьому випадку вони містять дуже велике числорибосом. У тваринній клітині число рибосом досягає 10 5 діаметр рибосоми дорівнює 20 нм.
Процес синтезу білка відбувається всередині клітин на поверхні рибосом, які є комплексами з двох субодиниць з константою седиментації 60S і 40S, що функціонують як єдине ціле. У рибосомі білок становить 30-35% та рибосомальна РНК – 65-70%. У рибосомі розрізняють аміноацильні та пептидильні ділянки. Перший служить для фіксації комплексу активної амінокислоти і тРНК, що надходить на рибосому, а другий фіксує поліпептидний ланцюг, пов'язаний з іншою тРНК. Субодиниці рибосом синтезуються в ядерці ядра на матриці ДНК.
Сутність процесу синтезу білка представляє схема:
Білоксинтезуюча система включає рибосоми, нуклеїнові кислоти, набір з 20 амінокислот, різні ферменти, АТФ, ГТФ, іони магнію, близько 200 різних некаталітичних білкових факторів.
Молекула білка - довгий ланцюг амінокислотних залишків, що налічує в середньому від 100 до 500 амінокислот. Програма синтезу кожного білка зберігається у молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Молекула ДНК - полімер, мономерами якого є нуклеотиди. Послідовність азотистих основ у молекулі ДНК визначає послідовність амінокислот у молекулі білка.
У молекулі ДНК є чотири види азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) та тимін (Т). Послідовність із трьох підстав (триплет) становить кодон, якому відповідає одна певна амінокислота.
Нуклеїнові кислоти – ДНК та РНК – обов'язкові компоненти біосинтезу білків. ДНК відповідає за збереження генетичної інформації, тоді як РНК визначає передачу цієї інформації та реалізацію у вигляді молекул білка. Можна стверджувати, що головна функція ДНК – це збереження генотипу, а РНК – вираз цього генотипу.
У кількісному плані у клітині переважає рибосомальна РНК (рРНК). рРНК має спіралізовані ділянки, містить модифіковані нуклеотиди (наприклад, 2-метил-рибозу). рРНК становить близько 80% від загальної кількості РНК у клітині. Другий вид РНК у клітині представлений транспортною РНК (тРНК), яка, як та інші види РНК, синтезується в ядрі. На її частку припадає 10-15% загальної кількості РНК у клітині. Виявлено понад 60 різних тРНК. Тож транспорту окремих амінокислот існує кілька різних тРНК. Для кожної амінокислоти у клітині є принаймні одна специфічна тРНК. Молекули тРНК порівняно дрібні. У їх структурі 75-93 рибонуклеїдів.
Амінокислота приєднується до вільної 3-ОН-групи кінцевого мононуклеотиду тРНК, представленої завжди аденіловою кислотою. тРНК має й іншу важливу ділянку - антикодон, за допомогою якого комплекс амінокислоти та тРНК дізнається певну послідовність із трьох нуклеотидів у матричній РНК (кодон). Антикодон та кодон комплементарно з'єднуються за допомогою водневих зв'язків.
Якщо носієм спадкової інформації в клітині є ДНК, яка зосереджена в ядрі, але синтез білка відбувається в цитоплазмі, то, отже, має бути певний посередник, який передає цю інформацію цитоплазму клітини. Цим посередником виявилася інформаційна чи матрична РНК (мРНК). Перед мРНК припадає 2% загальної кількості РНК клітини. Молекули мРНК найдовші (включають до 5 тис. Нуклеотидів). мРНК також містить чотири види азотистих основ. З них три (А, Г, Ц) такі ж, як у ДНК, а четверте – урацил.
Інформація, закодована в мРНК, необхідна синтезу молекули білка, що відбувається на рибосомах. Синтез мРНК у ядрі клітини дуже швидкий, що необхідне активного біосинтезу білкових молекул. мРНК утворюється на одній із ниток ДНК ядра. При цьому двоспіральна структура ДНК розкручується і за участю ДНК-залежної РНК-полімерази за принципом комплементарності відбувається синтез мРНК:
Схема синтезу мРНК
Принцип комплементарності означає, що аденіну на спіралі ДНК відповідає урацил мРНК, тиміну – аденін, а гуаніну – цитозин. Отже, мРНК зчитує інформацію із ДНК.
Стадія ДНК - РНК, таким чином, визначає синтез молекули мРНК, в якій нуклеотидна послідовністькомплементарна певній ділянці (гену) ДНК. Цей процес зветься транскрипції. Потім мРНК надходить на рибосому, поєднуючись з її субодиницями. Одна молекула мРНК фіксується на множині рибосом одночасно, утворюючи так звані полісоми. Наявність полісом підвищує ефективність та швидкість використання мРНК.
Синтез поліпептидного ланцюга певного складу відбувається на матриці мРНК. Процес передачі з мРНК на білок отримав назву трансляції. Стадія «РНК -> білок» є процесом синтезу білка, що направляється мРНК. Таким чином, передача інформації завжди йде в напрямку ДНК - РНК - білок.
Процес трансляції включає такі етапи:
- 1) активація амінокислот та їх фіксація на тРНК;
- 2) ініціація синтезу поліпептидного ланцюга;
- 3) елонгація синтезованого поліпептидного ланцюга;
- 4) термінація поліпептидного ланцюга та його звільнення;
- 5) посттрансляційна модифікація поліпептидного ланцюга.
- 1. Активація амінокислот вимагає ферменту аміноацил-тРНК-синтетази та витрати енергії у вигляді АТФ:
Цей же фермент бере участь у фіксації попередньо активованої амінокислоти в положення 2 або 3 рибози останнього нуклеотиду тРНК:
У вигляді даного комплексу амінокислота транспортується рибосому, де відбувається синтез білкової молекули. Аміноацил-тРНК-синтетаза специфічна, вона здатна впізнавати як амінокислоту, і тРНК. У клітині, таким чином, є не менше 20 різних синтетаз відповідно до числа а-амінокислот.
2. тРНК, пов'язана ефірним зв'язком з певною амінокислотою, надходить на рибосому і взаємодіє з мРНК за типом комплементарності між специфічним триплетом нуклеотидів мРНК, названим кодоном, і їй комплементарним специфічним триплетом нуклеотидів (антикодоном) тР. Таким чином, кожен кодон мРНК відповідає специфічній фіксації однієї амінокислоти в пептидному ланцюзі за допомогою антикодону тРНК. Рибосома пересувається вздовж молекули мРНК, послідовно зчитуючи всі кодони, встановлюючи таким чином порядок розташування всіх амінокислот, що доставляють до місця синтезу.
Синтез молекули білка йде у напрямку від вільної аміногрупи до вільної карбоксильної групи амінокислоти. Зазвичай початковою амінокислотою в синтезі поліпептидного ланцюга є метіонін, для якого кодоном є нуклеотидна послідовність АУГ мРНК.
Ініціація синтезу поліпептиду починається при фіксації двох антикодонів тРНК за відповідними кодонами мРНК. Процес вимагає наявності джерела енергії, яким служить ГТФ, а також участі цілого ряду білкових факторів ініціації та пептиділтрансферази.
За участю даного ферменту швидкість освіти ковалентних зв'язківдосягає 1200 амінокислот/хв/рибосом.
Схема ініціації синтезу поліпептиду
3. Після утворення дипептиду «ненавантажена» тРНК залишає рибосому і здатна доставляти нові молекули амінокислот, а мРНК просувається щодо рибосоми (полісоми) на три нуклеотиди. В результаті переміщення (транслокації) вільний кодон займає положення для впізнавання чергової молекули тРНК. Отже, у стадії елонгації відбувається послідовне приєднання по одній амінокислоті до поліпептидного ланцюга у суворій відповідності до порядку кодонів молекули мРНК.
Поліпептидний ланцюг, що подовжується, з однією молекулою тРНК фіксується з великою субодиницею рибосоми. Приєднання кожної додаткової амінокислоти до поліпептидного ланцюга відбувається за рахунок взаємозв'язку аміногрупи амінокислоти, що приєднується в комплексі з тРНК і карбоксильної групи пептиду.
4. Термінація або завершення синтезу поліпептидної молекули залучає певні кодони термінації «без сенсу» та білкові фактори термінації. Відомі три кодони (УАГ, УГА, УАА), які не кодують, не пов'язують якусь амінокислоту, так як в клітині не існує антикодонів тРНК, комплементарних до них. Теоретично лише один кодон "без сенсу", відомий полісомою під час проходження в напрямку 5-3 мРНК, повинен зупинити синтез молекули білка.
Наявність термінуючого кодону в будь-якій ділянці мРНК означає закінчення синтезу білка. В результаті полісому розпадається, невикористана мРНК гідролізується полінукле- леотидфосфорілазою, а субодиниці рибосом готуються до початку синтезу нової молекули білка.
мРНК може неодноразово брати участь у процесі біосинтезу білка. Тривалість функціонування молекули мРНК неоднакова у різних організмів. Вона може коливатися від кількох хвилин до кількох діб.
5. У ДНК закодовано лише первинну структуру білка. Тому синтезовані на рибосомах молекули білків ще мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численних модифікацій (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що змінюють структуру білків і, отже, їх активність.
Вторинна та третинна структури не кодовані, вони визначаються властивостями первинної структури, а це означає, що та чи інша форма білкової молекули залежить від послідовності амінокислот та можливостей їх взаємодії між собою. Структурні модифікації білків, що синтезуються, мають місце ще на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп.
Розглянута схема передачі у вигляді
може в окремих випадках змінюватись. Так, у вірусів, які не містять ДНК, інформація закладена в РНК. При проникненні вірусу клітину ця інформація передається на ДНК клітини, а остання вже синтезує мРНК, на матриці якої синтезуються вірусні білки. Такий процес носить назву зворотної транскрипції, і схема передачі в цьому випадку буде наступною:
Поки зберігається послідовність нуклеотидів ДНК і, отже, мРНК, характер білка, що знову синтезується, залишається незмінним.
Необхідна генетична інформація для синтезу білка може бути представлена аналогічно до запису людської мови, яка складається з послідовності букв, що формують слова та речення. У генетичній мові, однак, є лише чотири літери - чотири основи (аденін, гуанін, урацил, цитозин).
Генетичний код включає трилітерні слова. Чотири підстави в даному випадку (43) дають 64 варіанти (слова), яких більш ніж достатньо, щоб кодувати 20 амінокислот. Таким чином, 64 кодони і складають генетичний код (табл. 3).
Аналіз генетичного коду показує, що з різних амінокислот є різне число кодонов. Наприклад, метіонін і триптофан мають лише один кодон, тоді як аргінін, лейцин, серин мають по шість кодонів. Наявність кількох кодонів для однієї амінокислоти відображає «виродженість» коду. Отже, та сама амінокислота може кодуватися кількома за своєю будовою нуклеотидними триплетами. У той же час кожному триплету відповідає цілком певна амінокислота в поліпептидному ланцюгу, що синтезується.
Таблиця 3
Генетичний код
|
нуклеотид |
Другий нуклеотид |
нуклеотид |
|||
Генетичний код універсальний і однаковий у видів різного рівня розвитку (людина, тварини, рослини, мікроорганізми). Універсальність коду свідчить, що всі живі організми минулого мали єдиного предка.
Окремі амінокислоти (оксипролін, оксилизин), наприклад, не мають кодону і утворюються за допомогою хімічних реакційвже після синтезу поліпептидного ланцюга. Цей процес отримав назву посттрансляційної модифікації та дуже важливий для правильного функціонування кожного білка.
Безглузді кодони (УАА, УАГ, УГА) не кодують амінокислоти, проте реально є сигналом закінчення синтезу білкової молекули.
Таким чином, мРНК є безпосереднім переносником генетичної інформації з ядра на рибосому цитоплазми. Одна рибосома займає на мРНК ділянку довжиною близько 80 нуклеотидів і здатна каталізувати приблизно 100 пептидних зв'язків за хвилину (Северін Е. С. та ін., 2011).
Синтезовані білкові молекулиможуть піддаватися структурним модифікаціям на рівні рибосом або після завершення синтезу в результаті приєднання різних функціональних груп. У цитоплазмі мРНК має порівняно короткий період. Деяка кількість мРНК синтезується та запасається у неактивній формі, будучи готовою для швидкого синтезу білка. Оскільки інформація мРНК пов'язана з лінійною послідовністю нуклеотидів, цілісність цієї послідовності є надзвичайно важливою. Будь-яка втрата або зміна порядку нуклеотидів може змінити синтез білка. На сьогодні встановлено цілу низку інгібіторів реплікації ДНК у клітинах організму (антибіотики, хімічні отрути, антивірусні препарати). Пошкодження в послідовності пуринових або піримідинових основ у гені отримали назву мутації.
Заміна лише одного нуклеотиду в кодоні (мутація) призводить до зміни кодування однієї амінокислоти на іншу. Наприклад, мутація, пов'язана із заміною глутамінової кислоти на валін у молекулі гемоглобіну, призводить до синтезу гемоглобіну, що викликає серпоподібну анемію. Сьогодні відомо понад 200 мутацій поліпептидного кола молекули гемоглобіну людини. Часто мутагенами є речовини (нітрозаміни, наприклад), що змінюють структуру азотистих основ, що призводить до зміни характеру комплементарності основ. Ультрафіолетове опромінення викликає конденсацію залишків тиміну з утворенням тімінових димерів. На щастя, від шкідливого впливу ультрафіолетових променів тварини захищені шаром озону атмосфери.
Багато антибіотиків, що використовуються у ветеринарній практиці, інгібують бактеріальний синтез білка (лінкоміцин, еритроміцин, хлорамфенікол) ще на стадії трансляції. При цьому мікробна клітина гине чи зупиняє свій розвиток. Такі антибіотики, як тетрацикліни, не впливають на рибосомальний синтез у клітинах вищих тварин. Пеніциліни не є прямими інгібіторами синтезу білка, проте їх ефекти пригнічення бактерій пов'язані з блокуванням синтезу гексапептидів клітинної стінки. Слід зазначити, що синтез білка відбувається не тільки на рибосомах, а й у мітохондріях. Мітохондрії мають повний та незалежний апарат синтезу білка для своїх потреб, хоча не всі мітохондріальні білки синтезуються в цих органелах. РНК мітохондрій становлять лише 3% від кількості РНК клітини. Рибосоми мітохондрій менші за розмірами, ніж цитоплазматичні. Кодон УГА як термінатор синтезу білка в цитоплазмі використовується в мітохондріях поряд з кодоном УГГ для кодування амінокислоти.
Синтезовані на рибосомах білки не мають остаточно завершеного стану. Вони представляють первинні поліпептиди, які потім зазнають численних модифікацій (асоціації мономерів з утворенням олігомерів, приєднання коферментів, хімічні перетворення), що модифікують структуру білка і, отже, його активність.
Зміст: 1. Функції білка Функції білка Функції білка 2. Біосинтез білка Біосинтез білка 2.1. Першовідкривачі біосинтезу білка 2.1. Першовідкривачі біосинтезу білка Першовідкривачі біосинтезу білка 2.2. Транскрипція 2.2. Транскрипція Транскрипція 2.3. Трансляція 2.3. Трансляція Трансляція 3. Перевір себе Перевір себе Перевір себе
БІОСИНТЕЗ БІЛКУ Реплікація ДНК є процесом синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти, який відбувається в процесі поділу клітини на матриці батьківської молекули ДНК. При цьому генетичний матеріал, зашифрований у ДНК, подвоюється та ділиться між дочірніми клітинами. Реплікацію ДНК здійснює фермент ДНК-полімеразу.
Першовідкривачі біосинтезу білка Франсуа Жакоб (р.1920) – французький мікробіолог Жак Люсьєн Моно () – французький біохімік та мікробіолог
Транскрипція Перший етап біосинтезу білка Транскрипція. Транскрипція це переписування інформації з послідовності ДНК нуклеотидів в послідовність нуклеотидів РНК. У певній ділянці ДНК під дією ферментів білки-гістони відокремлюються, водневі зв'язки рвуться, і подвійна спіраль ДНК розкручується. Один із ланцюжків стає матрицею для побудови і-РНК. Ділянка ДНК у певному місці починає розкручуватися під впливом ферментів. матриця ДНК
Потім на основі матриці під дією ферменту РНК-полімерази з вільних нуклеотидів за принципом комплементарності починається складання мРНК. Між азотистими основами ДНК і РНК виникають водневі зв'язки, а між нуклеотидами самої матричної РНК утворюються складно-ефірні зв'язки. Водневий зв'язок Складно-ефірний зв'язок
МРНК Після складання іРНК водневі зв'язки між азотистими основами ДНК та іРНК рвуться, і новостворена іРНК через пори в ядрі йде до цитоплазми, де прикріплюється до рибосом. А два ланцюжки ДНК знову з'єднуються, відновлюючи подвійну спіраль, і знову зв'язуються з білками-гістонами. МРНК приєднується до поверхні малої субодиниці у присутності іонів магнію. Ядро рибосоми цитоплазма Mg 2+
Трансляція Другий етап біосинтезу - трансляція. Трансляція – це переведення послідовності нуклеотидів у послідовність амінокислот білка. У цитоплазмі амінокислоти поєднуються з тРНК. Це дуже видоспецифічні реакції: певний фермент здатний впізнавати та пов'язувати з відповідною тРНК лише свою амінокислоту. і-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
Далі тРНК рухається до і-РНК і комплементарно зв'язується своїм антикодоном з кодоном і-РНК. Потім другий кодон з'єднується з комплексом другий аміноацил-тРНК, що містить свій специфічний антикодон. Антикодон - триплет нуклеотидів на верхівці тРНК. Кодон-триплет нуклеотидів на і-РНК. і-РНК АГУ У Ц А У Ц А А У а/к а/к У У Г А Ц У У Г Ц Водневі зв'язки між комплементарними нуклеотидами
Після приєднання до мРНК двох тРНК під дією ферменту відбувається утворення пептидного зв'язку між амінокислотами; перша амінокислота переміщається на другу тРНК, а перша, що звільнилася, тРНК йде. Після цього рибосома пересувається нитками для того, щоб поставити на робоче місценаступний кодон. І-РНК АГУ У Ц А У Ц А А У а/к а/к У У Г А Ц У У Г Ц Пептидна зв'язок а/ до
Таке послідовне зчитування рибосомою ув'язненого в і-РНК «тексту» триває до тих пір, поки процес не доходить до одного зі стоп-кодонів (термінальних кодонів). Такими триплетами є триплети УАА, УАГ, УГА. Одна молекула мРНК може містити інструкції для синтезу декількох поліпептидних ниток. і-РНК на рибосомах білок Нарешті ферменти руйнують цю молекулу і-РНК, розщеплюючи її до окремих нуклеотидів.
3. Контрольний тест 1. Матрицею для синтезу молекули м-РНК при транскрипції служить: а) вся молекула ДНКвся молекула ДНК б) повністю один з ланцюгів молекули ДНК повністю один з ланцюгів молекули ДНК з ланцюгів молекули ДНК, в інших - вся молекула ДНК. В одних випадках один з ланцюгів молекули ДНК, в інших - вся молекула ДНК. 2. Транскрипція відбувається: а) в ядрі в ядрі; б) на рибосомах; , що кодує білок б) амінокислоті, з якою пов'язана дана т-РНКамінокислоті, з якою пов'язана дана т-РНК в) послідовності нуклеотидів гена послідовності нуклеотидів гена г) кодону м-РНК, що здійснює трансляцію кодону м-РНК, що здійснює трансляцію
4. Трансляція в клітині здійснюється: а) в ядрі в ядрі б) на рибосомах на рибосомах в) в цитоплазмі в цитоплазмі г) на каналах гладкої ЕПСна каналах гладкої ЕПС 5. При трансляції матрицею для складання поліпептидного ланцюга білка служать: а) ДНКобе ланцюжка ДНК б) один з ланцюгів молекули ДНКодна з ланцюгів молекули ДНК в) молекула м-РНКмолекула м-РНК г) в одних випадках один з ланцюгів ДНК, в інших - молекула м-РНКв одних випадках один з ланцюгів ДНК, в інших - молекула м-РНК 6. При біосинтезі білка у клітині енергія АТФа) витрачається б) запасається в) не витрачається і не виділяється не витрачається і не виділяється г) на одних етапах синтезу витрачається, на інших - виділяється на одних етапах синтезу витрачається, на інших - виділяється 7. Виключіть зайве: рибосоми, т- РНК, м-РНК, амінокислоти, ДНК.рибосоми т-РНК м-РНКамінокислотиДНК
8. Ділянка молекули т-РНК із трьох нуклеотидів, що комплементарно зв'язується з певною ділянкою м-РНК за принципом комплементарності називається… 9. Послідовність азотистих основ у молекулі ДНК така: АТТААЦГЦТАТ. Якою буде послідовність азотистих основ у м-РНК? а) ТОВТТГЦГАТАТААТТГЦГАТА б) ГЦЦГТТАТЦГЦГЦЦГТТАТЦГЦ в) УААУЦЦГУТУТУААУЦЦГУТУТ г) УААУУГЦГАУАУАУУГЦГАУА
Розуміння механізму синтезу білка – результат тривалої та найскладнішої роботи багатьох учених. Це блискуче досягнення зараз є одним із основних положень біологічної науки. Але все ще багато з цього процесу залишилося за межею нашого знання. Висновок
Біосинтез білків йде у кожній живій клітині. Найбільш активний він у молодих клітинах, що ростуть, де синтезуються білки на побудову їх органоїдів, а також в секреторних клітинах, де синтезуються білки-ферменти і білки-гормони.
Основна роль визначенні структури білків належить ДНК. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру одного білка, називають геном. Молекула ДНК містить кілька сотень генів. У молекулі ДНК записаний код про послідовність амінокислот у білку у вигляді нуклеотидів, що безумовно поєднуються. Код ДНК удалося розшифрувати майже повністю. Сутність його полягає у наступному. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ланцюга ДНК з трьох нуклеотидів, що стоять поруч.
Наприклад, ділянка Т-Т-Твідповідає амінокислоті лізину, відрізок А-Ц-А- цистину, Ц-А-А - валіну н т. д. Різних амінокислот - 20, число можливих поєднань з 4 нуклеотидів по 3 дорівнює 64. Отже, триплетів з надлишком вистачає для кодування всіх амінокислот.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, що є ланцюгом синтетичних реакцій, що протікають за принципом матричного синтезу.
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, який передає інформацію з ДНК рибосоми. Таким посередником є іРНК. :
У біосинтезі білка визначають такі етапи, що йдуть у різних частинах клітини:
- Перший етап - синтез і-РНК відбувається у ядрі, у процесі якого інформація, що міститься в гені ДНК, листується на і-РНК. Цей процес називається транскрипцією (від латів. «Транскриптик» - переписування).
- З другого краю етапі відбувається з'єднання амінокислот з молекулами т-РНК, які послідовно складаються із трьох нуклеотидів - антикодонів, з допомогою яких визначається свій триплет-кодон.
- Третій етап - це процес безпосереднього синтезу поліпептидних зв'язків, що називається трансляцією. Він відбувається у рибосомах.
- На четвертому етапі відбувається утворення вторинної та третинної структури білка, тобто формування остаточної структури білка.
Таким чином, у процесі біосинтезу білка утворюються нові молекули білка відповідно до точної інформації, закладеної в ДНК. Цей процес забезпечує оновлення білків, процеси обміну речовин, зростання та розвиток клітин, тобто всі процеси життєдіяльності клітини.
Хромосоми (від грец. «хрому» – колір, «сома» – тіло) – дуже важливі структури ядра клітини. Відіграють головну роль процесі клітинного поділу, забезпечуючи передачу спадкової інформації від покоління до іншого. Вони є тонкими нитками ДНК, пов'язані з білками. Нитки називаються хроматидами, що складаються з ДНК, основних білків (гістонів) та кислих білків.
У клітині, що не ділиться, хромосоми заповнюють весь обсяг ядра і не видно під мікроскопом. Перед початком поділу відбувається спіралізація ДНК і кожна хромосома стає помітною під мікроскопом. Під час спіралізації хромосоми скорочуються у десятки тисяч разів. У такому стані хромосоми виглядають як дві однакові нитки (хроматиди), що лежать поруч, з'єднані загальною ділянкою - центромірою.
Для кожного організму характерна постійна кількість та структура хромосом. У соматичних клітинах хромосоми завжди парні, тобто у ядрі є дві однакові хромосоми, що становлять одну пару. Такі хромосоми називають гомологічними, а парні набори хромосом у соматичних клітинах називають диплоїдними.
Так, диплоїдний набір хромосом у людини складається з 46 хромосом, утворюючи 23 пари. Кожна пара складається із двох однакових (гомологічних) хромосом.
Особливості будови хромосом дозволяють виділити їх 7 груп, що позначаються латинськими літерами А, В, З, D, Е, F, G. Усі пари хромосом мають порядкові номери.
У чоловіків та жінок є 22 пари однакових хромосом. Їх називають аутосоми. Чоловік та жінка відрізняються однією парою хромосом, які називають статевими. Вони позначаються літерами - велика X (група С) і маленька Y (група С). У жіночому організмі 22 пари аутосом та одна пара (XX) статевих хромосом. У чоловіків - 22 пари аутосом н одна пара (XY) статевих хромосом.
На відміну від соматичних клітин, статеві клітини містять половинний набір хромосом, тобто містять одну хромосому кожної пари! Такий набір називають гаплоїдним. Гаплоїдний набір хромосом виникає у процесі дозрівання клітин.
У всіх живих клітинах білки синтезуються рибосомами . Рибосома є великою макромолекулою зі складною асиметричною четвертинною структурою, побудованою з рибо- нуклеїнових кислот(рибосомних РНК) та білків. Для того щоб синтезувати білок, рибосома має бути забезпечена:
1. Програмою, що задає порядок чергування амінокислотних залишків поліпептидної ланцюга білка.
2. Амінокислотним матеріалом, з якого слід будувати білок.
3. Енергією.
Сама рибосома має каталітичну (ензиматичну) функцію, відповідальну за утворення пептидних зв'язків і, відповідно, полімеризацію амінокислотних залишків у поліпептидний ланцюг білка.
Програма, що задає порядок чергування амінокислотних залишків в поліпептидному ланцюзі білка, виходить від дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), т. Е. З генома клітини. Синтезовані ланцюги РНК компліментарні одному з ланцюгів ДНК і, таким чином, точно відтворюють дезоксирибонуклеотидну послідовність іншого ланцюга ДНК у своїй рибонуклеотидній послідовності. Процес такого копіювання гена, здійснюваний ферментом РНК-полімеразою, отримав назву транскрипції. РНК протягом синтезу та після нього, особливо в еукаріотичних клітинах, може піддаватися ряду додаткових змін, званих процесингом, в ході яких з неї можуть бути вирізані певні шматки нуклеотидної послідовності. РНК, що виходить, надходить далі в рибосоми в якості програми, що визначає амінокислотну послідовність в синтезованому білку. Вона називається інформаційною або "месенджером" РНК (мРНК). Таким чином, саме транскрипція генів та утворення мРНК забезпечують потік інформації від ДНК до рибосом.
Початковим матеріалом, з якого будується білок, є амінокислоти. Однак вільні амінокислоти не використовуються рибосомою, Для того щоб служити субстратом для рибосоми, амінокислота повинна бути активована за участю сполученого розщеплення АТФ і акцептована (ковалентно приєднана) спеціальною молекулою РНК, званої трансферної або транспортної РНК (тРНК), за допомогою ферменту синтетези. Отримані аміноацил-тРНК надходять у рибосому як субстрат для синтезу білка. Крім того, енергія хімічного зв'язку між амінокислотним залишком та тРНК використовується для реакції утворення пептидного зв'язку в рибосомі. Таким чином, активація амінокислот та утворення аміноацил-тРНК забезпечують потік як матеріалу, так і енергії для рибосомного синтезу білка.
Ці три потоки (інформації, матеріалу та енергії) зустрічаються в рибосомі. Сприймаючи їх, рибосома здійснює переклад, або трансляцію, генетичної інформації з нуклеотидної мови послідовності мРНК на мову амінокислотної послідовності синтезованого поліпептидного ланцюга білка. Якщо уявити це в молекулярних термінах, то рибосома послідовно сканує ланцюг мРНК (рухається вздовж неї) і теж послідовно вибирає з середовища аміноацил-тРНК, в результаті чого специфічність аміноацильного залишку вибирається рибосомою аміноацил-тРНК щоразу детермінується специфічністю комбінації. відрізка мРНК. Отже, виникає проблема генетичного коду: які комбінації нуклеотидів детермінують, т. е. чи кодують кожну з 20 амінокислот, з яких будуються молекули білків?
Рух рибосоми вздовж ланцюга мРНК (або, іншими словами, пропускання ланцюга мРНК крізь рибосому) задає строгий тимчасовий порядок входження в рибосому різних аміноацил-тРНК відповідно до порядку розташування нуклеотидних комбінацій, що кодують, уздовж мРНК. Аміноацильний залишок обраного аміноацил-тРНК щоразу ковалентно приєднується рибосомою до зростаючого поліпептидного ланцюга. Деацильована тРНК звільняється з рибосоми у розчин. Так послідовно, крок за кроком, будується поліпептидний ланцюг білка (див. схему 1).
Найважливіші функції організму - обмін речовин, зростання, розвиток, передача спадковості, рух та ін - здійснюються в результаті безлічі хімічних реакцій за участю білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних речовин. При цьому в клітинах постійно синтезуються різноманітні сполуки: будівельні білки, білки-ферменти, гормони. У ході обміну ці речовини зношуються та руйнуються, а замість них утворюються нові. Оскільки білки створюють матеріальну основу життя та прискорюють усі реакції обміну речовин, життєдіяльність клітини та організму загалом визначається здатністю клітин синтезувати специфічні білки. Їхня первинна структура зумовлена генетичним кодом в молекуліДНК.
Молекули білків складаються з десятків та сотень амінокислот (точніше, з амінокислотних залишків). Наприклад, у молекулі гемоглобіну їх близько 600, і вони розподілені в чотири поліпептидні ланцюжки; в молекулі рибонуклеази таких амінокислот 124 і т.д.
Головна роль визначенні первинної структури білка належить молекулам ДНК.Різні її ділянки кодують синтез різних білків, отже одна молекула ДНК бере участь у синтезі багатьох індивідуальних білків. Властивості білків залежать від послідовності амінокислот поліпептидної ланцюга. У свою чергу чергування амінокислот визначається послідовністю нуклеотидів у ДНК, і кожній амінокислоті відповідає певний триплет. Експериментально доведено, що, наприклад, ділянка ДНК з триплет ААЦ відповідає амінокислоті лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеїну і т.д. Розподіливши молекулу ДНК на триплет, можна уявити, які амінокислоти і в якій послідовності будуть розташовуватися в молекулі білка. Сукупність триплетів становить матеріальну основу генів, а кожен ген містить інформацію про структуру специфічного білка (ген - це основна біологічна одиниця спадковості; у хімічному відношенні ген є ділянка ДНК, що включає кілька сотень пар нуклеотидів).
Генетичний код -історично склалася організація молекул ДНК і РНК, коли він послідовність нуклеотидів у яких несе інформацію про послідовності амінокислот в білкових молекулах. Властивості коду:триплетність (кодон), неперекриваемість (кодони слідують один за одним), специфічність (один кодон може визначати в поліієптидному ланцюгу тільки одну амінокислоту), універсальність (у всіх живих організмів один і той же кодон обумовлює включення в поліпептид одну і ту ж амінокислоту), надмірність (для більшості амінокислот існує кілька кодонів). Триплети, що не несуть інформації про амінокислоти, є стоп триплетами, що позначають місце початку синтезу та-РНК.(В.Б. Захаров. Біологія. Довідкові матеріали. М., 1997)
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, який передає інформацію з ДНК рибосоми. Таким посередником служить і РНК, на яку нуклеотидна послідовність переписується, у точній відповідності до такої на ДНК - за принципом комплементарності. Цей процес отримав назву транскрипціїта протікає як реакція матричного синтезу. Він характерний лише живих структур і є основою найважливішого властивості живого - самовідтворення. Біосинтезу білка передує матричний синтез іРНК на нитці ДНК. ІРНК, що виникла при цьому, виходить з ядра клітини в цитоплазму, де на неї нанизуються рибосоми, сюди ж за допомогою тРЙК доставляються амінокислоти.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, у якому беруть участь ДНК, іРНК, тРНК, рибосоми, АТФ та різноманітні ферменти. Спочатку амінокісдоти в цитоплазмі активуються за допомогою ферментів і приєднуються до тРНК (до ділянки, де розташований нуклеотид ЦЦА). На наступному етапі йде з'єднання амінокислот у такому порядку, в якому чергування нуклеотидів із ДНК передано на іРНК. Цей етап називається трансляцією.На нитці іРНК розміщується не одна рибосома, а їх група - такий комплекс називається полісома (Н.Є. Ковальов, Л.Д. Шевчук, О.І. Щуренко. Біологія для підготовчих відділень медичних інститутів).
Схема Біосинтез білка
Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції та трансляції.
I. Транскрипція (переписування) – біосинтез молекул РНК, що здійснюється в хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, рРНК, тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, оскільки у біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Потім іРНК і тРНК виходять у цитоплазму, рРНК вбудовується у субодиниці рибосом, які також виходять у цитоплазму.
ІІ. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, що здійснюється в рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:
1. Утворення функціонального центру рибосоми - ФЛР, що складається з іРНК та двох субодиниць рибосом. У ФЛР завжди знаходяться два триплети (шість нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активні центри: А (амінокислотний) - центр впізнавання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка.
2. Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, із цитоплазми до ФЛР. В активному центрі А здійснюється зчитування антикодону тРНК з кодоном іРНК, у разі комплементарності виникає зв'язок, який служить сигналом для просування (стрибок) вздовж іРНК рибосоми на один триплет. В результаті цього комплекс "кодон рРНК і тРНК з амінокислотою" переміщається в активний центр П, де відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка (білкової молекули). Після цього тРНК залишає рибосому.
3. Пептидна ланцюжок подовжується доти, доки не закінчиться трансляція і рибосома не зіскочить з іРНК. На одній іРНК може одночасно вміщатися кілька рибосом (полісома). Поліпептидний ланцюжок занурюється в канал ендоплазматичної мережі і там набуває вторинної, третинної або четвертинної структури. Швидкість збирання однієї молекули білка, що складається з 200-300 амінокислот, становить 1-2 хв. Формула біосинтезу білка: ДНК (транскрипція) -> РНК (трансляція) -> білок.
Завершивши один цикл, полісоми можуть брати участь у синтезі нових молекул білка.
Відокремилася від рибосоми молекула білка має вигляд нитки, що біологічно неактивна. Біологічно функціональною вона стає після того, як молекула набуває вторинної, третинної та четвертинної структури, тобто певну просторово специфічну конфігурацію. Вторинна і наступні структури білкової молекули зумовлені інформацією, закладеної у чергуванні амінокислот, т. е. у первинної структурі білка. Інакше висловлюючись, програма освіти глобули, її унікальна конфігурація визначаються первинною структуроюмолекули, що у свою чергу будується під контролем відповідного гена.
Швидкість синтезу білка обумовлена багатьма факторами: температурою середовища, концентрацією водневих іонів, кількістю кінцевого продукту синтезу, присутністю вільних амінокислот, іонів магнію, станом рибосом та ін.
