На долю белков приходится более половины сухой массы клетки, поэтому их синтез играет главную роль в поддержании клеточных структур и их функций, в росте и специализации клеток. Процесс биосинтеза белков у эукариот начинается в ядре, продолжается и заканчивается в цитоплазме. Он включает следующие этапы:
- транскрипция - перенос генетической информации с Д Η К намРНК;
- трансляция - преобразование триплетного нуклеотидного кода в аминокислотную последовательность.
Важным для нормального функционирования клетки также является вопрос регуляции экспрессии генов. Ответ на него позволит понять последовательность и механизм функционирования клетки как единого целого.
Биосинтез белка в цитоплазме
Биосинтез белка - сложный процесс синтеза и созревания белков, который регулируется большим количеством ферментов.
Как правило биосинтез белка заключается в синтезе полипептидных цепей из аминокислот, происходящем на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК (трансляция), и посттрансляционных модификациях полипептидных цепей. Он нуждается в энергии и участии ионов-активаторов. Мы рассмотрим лишь некоторые ключевые моменты. Процесс биосинтеза белка условно можно разделить на следующие этапы:
- Выход зрелой мРНК из ядра в цитоплазму.
- Активация аминокислот.
- Образование инициирующего комплекса с участием мРНК и рибосомы и инициация полипептидной цепи.
- Элонгация - построение полипептидной последовательности.
- Терминация - окончание синтеза полипептидной цепи в виде первичной структуры.
- Процессинг-образования вторичной и третичной структур белка.
Активация аминокислот - это присоединение карбоксильной группы аминокислоты к Зг-концу соответствующей тРНК. Аминокислота присоединяется к такой тРНК, антикодон которой комплементарен генетическому коду. Этот процесс проходит с использованием энергии.
Аминоацилсинтетазы
Эту реакцию катализирует группа ферментов - аминоацилсинтетазы. Для каждой аминокислоты есть свой фермент. Соединение, которое образуется, называют по названию соответствующей аминокислоты с окончанием -ил (-ил). Например, комплекс между аминокислотой метионином и метиониновой тРНК называют метионил-тРНК, комплекс между лизином и лизиновой тРНК - лизил-тРНК и т.д.
Инициирующий комплекс - это система, которая обеспечивает начало синтеза белка. У эукариот он образуется в цитоплазме или на поверхности шероховатого эндоплазматического ретикулума, путем соединения в единую систему мРНК, рибосомы и аминоацил-тРНК. У прокариот образование инициирующего комплекса проходит только в цитоплазме.
Инициирующий комплекс состоит из стартовой аминоацил-тРНК, рибосомы и зрелой мРНК. Первая (стартовая) аминоацил-тРНК, с которой начинается образование пептидной цепи, присоединяется к стартовому колонну мРНК. Как у прокариот, так и у эукариот стартовый кодон одинаков - AUG. Такой кодон соответствует аминокислоте метионина. Но метионин -тРНК - стартовая аминоацил-тРНК только у эукариот. У прокариот стартовой аминоацил-тРНК является особая формилметионил-тРНК. Она образована нестандартной аминокислотой - формил-метионином (рис. 1).
Рисунок 1. Стартовые аминоацил-тРНК. Метионил-тРНК (слева) и формилметионил-тРНК (справа). Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рибосомы - это клеточные структуры, образованные из двух субединиц (большой и малой). Они не имеют оболочек и состоят из рРНК и белка. Рибосомы прокариот и эукариот близкие по строению. Каждая из них имеет две специальные участки, которые называют P-участок и А-участок.
Формирование инициирующего комплекса
Рассмотрим формирование инициирующего комплекса на примере прокариотической клетки. Оно делится на ряд последовательных действий:
- Сначала формилмет-тРНК присоединяется к P-участку малой субъединицы рибосомы.
- Далее в P-участок малой субъединицы рибосомы присоединяется к инициирующей части мРНК, которая расположена на 5 х-конце, на расстоянии не менее 25 нуклеотидов от начала молекулы.
- Следующий, заключительный этап - присоединение большой субъединицы.
- После образования инициирующего комплекса начинается синтез полипептидной цепи, называется элонгации.
- Следующая аминоацил-тРНК определяется по принципу комплементарности между кодоном и антикодоном. Она присоединяется к А-участка рибосомы.
Под действием фермента пептидилтрансферазы между аминогруппой первой аминокислоты и карбоксильной группой второй аминокислоты образуется пептидная связь.
Важной особенностью пептидилтрансферазы является то, что этот фермент фиксирован на рибосоме. Он постоянно "прикреплен к месту работы". После правильного присоединения аминоацил-тРНК и образование пептидной связи между аминокислотами происходит транслокация.
Транслокация - это смещение инициирующего комплекса на три нуклеотида вдоль молекулы мРНК
Известно, что различные белки начинаются с разных аминокислот. Это вступает в противоречие с тем фактом, что начальной аминоацил-тРНК всегда формилметионинова или метиониновых. Решается эта проблема довольно просто - инициирующая аминоацил-тРНК (формилметионинова) не образует пептидной связи с последующей аминокислотой. То есть, первая транслокация рибосомы происходит не по правилам. Это, вроде бы, "холостой ход". Информация с мРНК считывается в направлении 5г - 3г, а полипептидная цепь растет в направлении N - С.
Окончание процесса биосинтеза называют терминации. Она происходит тогда, когда на МРН К встречается один из трех стоп-кодонов: UAA, UAG, UGA. Созревание полипептидной цепи называется процессингом. Он заключается в образовании третичной конформации молекулы. Во время процессинга возможные изъятия некоторых аминокислотных последовательностей. В сложных белках процессинг включает присоединение небелковых групп и тому подобное.
Процесс биосинтеза белка - один из самых сложных в клетке. Не все его нюансы на сегодня известны. Наиболее подробно исследован биосинтез белка прокариотических организма Е. coli. Но даже здесь есть еще некоторые невыясненные моменты. Мы рассмотрели биосинтез белка лишь схематично.
