Біологія. Повторне видання. 9 клас. Остапченко

§ 23. Біосинтез білків

Пригадайте, які амінокислоти належать до замінних, а які - до незамінних? Яка будова та функції різних типів молекул РНК? Що таке екзони та інтрони? Які функції рибосом та зернистої ендоплазматичної сітки?

Як ви пам’ятаєте, генетичний код у клітині реалізується шляхом біосинтезу білкових молекул. Важлива роль у цих процесах належить різним типам молекул РНК: мРНК, рРНК та тРНК. Організми здатні синтезувати нуклеотиди у результаті послідовних ферментативних реакцій. Попередниками нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот, є амінокислоти.

Біосинтез білкових молекул. Пригадаймо: замінні амінокислоти можуть синтезуватись в організмі людини і тварин, незамінні - надходять до них лише з їжею. Білки їжі перетравлюються в органах травної системи, ці процеси завершуються в клітинах. Саме в клітинах з амінокислот синтезуються білки, властиві цьому організмові. Рослини та деякі мікроорганізми здатні самі синтезувати всі необхідні їм амінокислоти.

Механізм біосинтезу білків з’ясовано у 50-ті роки XX ст. Як і біосинтез нуклеїнових кислот, він відбувається за принципом матричних реакцій. Утворення кожної з 20 стандартних амінокислот - складний багатоступеневий процес, який каталізує багато ферментів.

Початковий етап біосинтезу білкової молекули пов’язаний із синтезом молекули мРНК на молекулі ДНК (див. мал. 22.2).

Процеси переписування спадкової інформації з молекули ДНК на молекулу мРНК називають транскрипцією (від лат. транскриптіо — переписування).

Особливий фермент роз’єднує подвійну спіраль ДНК, і на одному з її ланцюгів за принципом комплементарності синтезується молекула мРНК. Фермент також забезпечує приєднання комплементарних нуклеотидів до ланцюга РНК, що синтезується. При цьому напроти нуклеотидів з аденіном у складі матричного ланцюга ДНК в РНК включаються нуклеотиди з урацилом.

Наступні етапи біосинтезу білків мають назву трансляція (від лат. трансляціо - передача). Послідовність нуклеотидів у молекулі мРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Так розшифровується інформація, записана у вигляді послідовності нуклеотидів мРНК.

Отже, молекула мРНК синтезується лише на одному з ланцюгів молекули ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів молекули мРНК комлементарна послідовності нуклеотидів ланцюга ДНК, на якому вона синтезована, і збігається з послідовністю нуклеотидів іншого її ланцюга, який називають кодуючим, або змістовним:

Спочатку в цитоплазмі кожна з амінокислот, які мають увійти до складу молекули білка, за участі специфічного ферменту ковалентним зв’язком приєднується до певної молекули тРНК (мал. 23.1).

Молекула тРНК приєднує певну амінокислоту (відповідно до антикодону) і транспортує її до місця синтезу білкової молекули. У транспорті комплексу молекула «тРНК - амінокислота» беруть участь мікротрубочки та мікронитки цитоплазми.

Мал. 23.1. Взаємодія молекули тРНК (1) з молекулою мРНК (2). Антикодон (3) молекули тРНК взаємодіє з кодоном (4) молекули мРНК, 5 - амінокислота, яку транспортує молекула тРНК

Цікаво знати

Під час транскрипції на певній послідовності нуклеотидів одного з ланцюгів молекули ДНК - гені - синтезується попередник мРНК (προ-мРНК) - молекула, яка містить ділянки, що відповідають як екзонам, так й інтронам. Потім інтрони за участі відповідних ферментів вирізаються і кінці сусідніх екзонів зшиваються. Цей процес своєрідного «дозрівання» молекули мРНК називають сплайсингом (від англ. сплайс - склеювати кінці будь-чого) (мал. 23.2). Після завершення цього процесу утворюється зріла молекула мРНК без інтронів, яка з ядра надходить у цитоплазму клітини. Така молекула переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу білкової молекули - рибосоми. Там молекула мРНК виконує функцію матриці (звідки походить її назва).

Мал. 23.2. Структура мРНК до (1) та після (2) процесу сплайсингу

Трансляція розпочинається з ініціацІї: мРНК зв’язується з рибосомою, а згодом - і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. При цьому молекула мРНК опиняється між двома субодиницями рибосоми. Структура молекули рРНК разом з білками забезпечує певне просторове розташування молекул мРНК і тРНК під час біосинтезу білкової молекули.

Спочатку рибосома зв’язується зі стартовим кодоном АУГ у складі молекули мРНК. Такий комплекс готовий до початку синтезу молекули білка. При цьому кодон (певний триплет у складі молекули мРНК) упізнається антикодоном - комплементарним триплетом у складі тРНК (знайдіть їх на мал. 23.1).

На наступних етапах біосинтезу білка поліпептидний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв’язуються між собою за допомогою особливих міцних ковалентних (пептидних) зв’язків. При цьому кожний наступний кодон мРНК упізнається антикодоном молекули тРНК, а рибосома каталізує приєднання амінокислоти, яку несе тРНК, до поліпептидного ланцюга. Далі рибосома здійснює один крок уздовж молекули мРНК (цей крок дорівнює одному триплету) для взаємодії з наступною тРНК.

Мал. 23.3. Етапи біосинтезу білкової молекули. І. Ініціація: мала субодиниця рибосоми сполучається з мРНК; тРНК з антикодоном УАЦ утворює комплементарну пару з кодоном АУГ молекули мРНК. Велика субодиниця рибосоми сполучається з малою, тРНК опиняється в одній з ділянок функціонального центру рибосоми (1). Інша ділянка залишається вільною. II. Синтез поліпептидного ланцюга. До другої ділянки функціонального центру рибосоми прямує ще одна молекула тРНК з антикодоном ЦАУ (2). Дві молекули тРНК одночасно перебувають у функціональному центрі рибосоми. Перша молекула тРНК залишає функціональний центр рибосоми; амінокислота, яку вона транспортувала, сполучається пептидним зв’язком з амінокислотою, яку транспортувала друга молекула тРНК. Рибосома просувається вперед і друга молекула тРНК опиняється у першій ділянці (4). До другої ділянки підходить третя молекула тРНК (3). Третій триплет приєднується до поліпептидного ланцюга (5). Рибосома залишається на одному з кодонів (УГА), який дає сигнал про припинення біосинтезу. III. Завершення синтезу білкової молекули. Синтезована молекула поліпептидного ланцюга (5) та молекула тРНК (3) звільняються. Велика та мала субодиниці рибосоми роз’єднуються

Основні операції трансляції забезпечує функціональний центр рибосоми. Його розміри відповідають довжині двох триплетів - у ньому водночас можуть перебувати два сусідніх кодони мРНК та дві молекули тРНК (мал. 23.3). В одній частині функціонального центру антикодон тРНК упізнає кодон мРНК, а в іншій - амінокислота звільняється від тРНК. Коли рибосома просувається вперед уздовж молекули мРНК, її місце займає друга, згодом - третя, четверта тощо, і біосинтез нових білкових молекул триває. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташовані на молекулі мРНК, визначається її довжиною, однак не перевищує 20. Комплекс рибосом, об’єднаних молекулою мРНК, називають полірибосомою (скорочено - полісомою). Таким чином, на одній полісом! водночас синтезується багато молекул певного білка (мал. 23.4).

Мал. 23.4. Структура та функції полірибосоми. І. Декілька рибосом (1), об’єднані молекулою мРНК (2), утворюють полірибосому (полісому). II. Електронна мікрофотографія полірибосоми

Завдяки об’єднанню окремих рибосом у полісоми за один і той самий проміжок часу синтезується більше молекул білків.

Процес синтезу білкової молекули триває доти, доки рибосома не сягне стоп-кодону (пригадаймо: таких стоп-кодонів існує три - УАА, УАГ, УГА). Тоді трансляція припиняється: вільна рибосома розпадається на субодиниці, які згодом об’єднаються навколо іншої молекули мРНК (див. мал. 23.3, III). Синтезована молекула білка може надходити в цитоплазму або в порожнину ендоплазматичної сітки, якою транспортується в певну ділянку клітини.

Цікаво знати

Для підвищення надійності процесу завершення синтезу білкової молекули (термінації) стоп-кодони дублюються. Першим при цьому зазвичай є кодон УАА (основний термінуючий триплет), а за ним на дуже близькій відстані розташований один із запасних термінуючих триплетів - УАГ або УГА.

На заключному етапі біосинтезу синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участі відповідних ферментів відщеплюються зайві амінокислотні залишки, до складу молекули можуть вводитись небілкові складові (ортофосфатні, карбоксильні та інші групи, вуглеводи, ліпіди тощо).

Лише набувши певної просторової структури, молекула білка стає функціонально активною.

Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється під час розщеплення молекул АТФ.

Ключові терміни та поняття: транскрипція, трансляція, функціональний центр рибосоми, полірибосома (полісома).

Перевірте здобуті знання

1. Які основні етапи процесу біосинтезу білкових молекул? 2. Яку роль відіграють рибосоми в процесі біосинтезу білків? 3. Як генетична інформація, закодована в молекулі ДНК, реалізується під час синтезу білкової молекули? 4. Яке біологічне значення того, що на молекулі мРНК одночасно перебуває не одна, а декілька рибосом?

Поміркуйте. Гени кодують структуру білкових молекул або молекул РНК. Як вони впливають на перебіг синтезу інших молекул: вуглеводів, ліпідів тощо?