Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА
Біосинтез білків та його етапи
ДНК бере участь у синтезі всіх білків, визначає їх будову та функції. Дослідження вказують, що сама ДНК безпосередньо не може бути матрицею для синтезу білків. В усіх клітинах, крім бактеріальних, майже вся ДНК міститься в хромосомах клітинного ядра. У той же час відомо, що синтез білка відбувається головним чином у цитоплазмі, де ДНК міститься в надзвичайно малих кількостях.
Отже, факт просторового розділення ДНК, яка міститься в ядрі, і білків, синтезованих у цитоплазмі, вказує на існування якоїсь проміжної матриці, що переносить генетичну інформацію з ядра до цитоплазми — місця синтезу білків. У клітинах бактерій, які не мають ядра, ДНК і РНК просторово не розділені, тому наявність проміжної матриці для перенесення генетичної інформації довести набагато складніше. Проте саме на бактеріях в експерименті Е. Волкіна та Л. Астрахана вперше було встановлено, що проміжною матрицею в процесі біосинтезу білка є РНК.
У цьому досліді ДНК фага дозволяли проникнути в клітини бактерій, а через певний час, коли синтез клітинної РНК припинявся, у середовище вводили ортофосфатну кислоту, мічену радіоактивним Фосфором 32Р. Виявилось, що РНК, яка утворюється у вихідній клітині, за складом основ була подібна до фагової ДНК, на якій вона, очевидно, і синтезувалася. ДНК фага мала комплементарність основ: А = Т і Г = Ц, а новоутворена РНК у клітинах бактерій була подібна до неї за складом основ і виявила таку ж комплементарність: А - У і Г = Ц.
Переконливі докази того, що безпосередньо на ДНК білок не синтезується і проміжною матрицею в цьому процесі, без сумніву, є РНК, були одержані в дослідах з використанням радіоавтографії. Точними дослідами встановлена пряма залежність між вмістом у клітинах РНК і кількістю синтезованого ними білка. Клітини, багаті РНК, синтезують більше білка, ніж клітини, які мають понижений її вміст.
Сукупність фактів і спостережень дала змогу сформулювати основний генетичний постулат матричної теорії спадковості, який схематично виражається так:
Реплікація — процес самоподвоєння ДНК, у якому роль матриці відіграє сама молекула ДНК. Загнута стрілка означає, що під час реплікації молекули ДНК розмножуються шляхом самокопіювання.
Транскрипція — перенесення (переписування) інформації про нуклеотидну будову ДНК на РНК. Стрілка вказує, що РНК утворюється на ДНК-матрицях.
Трансляція — процес, у якому матрицею для біосинтезу білка слугує РНК. Вона визначає послідовність амінокислот в усіх білках. Стрілка вказує, що відбувається трансляція або переведення інформації про нуклеотидну будову РНК на амінокислотну будову білка. Значить, ДНК, входячи до складу ядра клітини, завдяки властивості само подвоєння, зберігає свою постійну кількість під час поділу клітини, визначає структуру та регулює синтез утворених у клітині білків. Молекули ДНК не є безпосередніми матрицями в процесі синтезу білка. Спочатку відбувається перенесення генетичної інформації про нуклеотидну будову ДНК і РНК. Далі РНК сама стає матрицею й відповідно до інформації, одержаної від ДНК, визначає послідовність з’єднання амінокислот у білковій молекулі.
Тепер, коли ми в загальних рисах ознайомились з панівною в молекулярній генетиці теорією спадковості, розгляньмо, як відбувається транскрипція генетичної інформації. Вона здійснюється шляхом синтезу і-РНК на ДНК-матриці. Назву інформаційної ця РНК одержала тому, що, проникаючи через пори ядерної оболонки, несе до цитоплазми (місця синтезу білка) інформацію про послідовність чергування нуклеотидів у молекулі ДНК. Утворюється молекула і-РНК на одному з ланцюгів молекули ДНК-матриці під час її роздвоєння за участі спеціального фермента — РНК-полімерази. Спарювання нуклеотидів відбувається за принципом комплементарності: послідовність нуклеотидів у молекулі і-РНК визначається їх послідовністю в ланцюзі ДНК. При цьому гуанілова кислота з’єднується із цитидиловою, тимідилова — з аденіловою, а аденілова кислота ДНК не з тимідиловою, як це буває під час реплікації ДНК, а з уридиловою. Одна молекула і-РНК, як правило, несе інформацію про будову одного поліпептидного ланцюга. Тільки-но закінчується побудова на ДНК-матриці ланцюга і-РНК, вона відразу ж переходить у цитоплазму й прикріплюється там до однієї з рибосом. Слідом за цим починається синтез білка.
Будь-які відмінності в структурі білків змінюють їх властивості, тому одне з головних питань — з’ясувати, як генетична інформація, записана в хімічній структурі молекул ДНК, передається в процесі біосинтезу специфічних білків; яким чином вона перетворюється в усі ознаки та властивості, якими визначаються наступні покоління клітин і організмів. Проблема взаємовідношення білків і нуклеїнових кислот — центральна у вченні про спадковість.
Білки — біологічні полімери. Їх макромолекули складаються лише із 20 мономерів-амінокислот. Амінокислоти можуть входити в молекули білків у неоднакових кількостях, по-різному в них з’єднуватися і чергуватися. Таким чином, білки відрізняються один від одного у своїй первинній структурі тільки послідовністю розташування амінокислот. Двадцять амінокислот можуть утворити 1024 комбінацій. Оскільки будь-які відмінності в ознаках зводяться до відмінностей у білках, то зрозуміло, що така кількість білків створює практично нескінченну різноманітність ознак і властивостей організмів. Відмінність хоча б на одну амінокислоту достатня, щоб змінити властивість білка, а отже, й ознаку організму. Наприклад, заміна в білковій молекулі гемоглобіну, яка складається приблизно із 600 амінокислот, однієї електрично зарядженої глутамінової кислоти на електрично нейтральну амінокислоту, валін, призводить до важкого малокрів’я — серпоподібноклітинної анемії. Червоні кров’яні тільця (еритроцити) у таких хворих набувають форми півмісяця, втрачаючи електричний заряд, і не здатні приєднувати молекули кисню. Діти, хворі на серпоподібноклітинну анемію, помирають у ранньому віці. Хвороби, що виникають у результаті мутацій, які зачіпають молекулярну будову білків, називають молекулярними хворобами.
Яким чином молекулярна будова ДНК визначає біосинтез різних білків? ДНК — такий же полімер, як і білок. Ланцюг ДНК побудований з мономерів, що чергуються. Але якщо в білків їх — 20, то в ДНК — тільки 4. Нуклеотиди А, Г, Ц, Т різняться між собою тільки азотистими основами, тому відмінності між ДНК зводяться лише до послідовності розміщення нуклеотидів. Їх послідовність у молекулі ДНК визначає послідовність амінокислот у молекулі білка. Отже, форми та функції всіх організмів, їхні індивідуальні й видові відмінності визначаються комбінацією чотирьох азотистих основ у молекулах ДНК. Послідовність азотистих основ у ДНК називають генетичним кодом, або кодом спадковості.
Структура генетичного коду допускає порівняння азотистих основ, що входять у ДНК, з буквами алфавіту і визначенням «запис структури» білкових молекул шляхом поєднання чотирьох азотистих основ у молекулі ДНК. Тому кажуть, що спадкова інформація «записана» в молекулах ДНК. Оскільки одна й та ж спадкова інформація «записана» в нуклеїнових кислотах чотирма азотистими основами, а в білках — двадцятьма амінокислотами, проблема генетичного коду зводиться до встановлення відповідності між ними.
Робота над розшифруванням генетичного коду вимагала зусиль учених різних спеціальностей: генетиків, фізиків, хіміків, математиків. Особливу роль у вирішенні цієї проблеми зіграли дослідження фізика Г. Гамова й генетика Ф. Кріка — одного з авторів моделі просторової будови молекули ДНК.
Для розшифрування генетичного коду, насамперед, необхідно було встановити, яка мінімальна кількість нуклеотидів може визначати (кодувати) утворення однієї амінокислоти. Якби кожна із 20 амінокислот кодувалась однією основою, то ДНК повинна була б мати 20 різних основ, але їх є тільки 4. Очевидно, поєднання двох нуклеотидів також недостатньо для кодування 20 амінокислот. Воно може кодувати лише 16 амінокислот (42 = 16 поєднань). Поєднання ж 3 нуклеотидів дає 64 комбінації (43 = 64 поєднання) і, отже, може кодувати більшу, ніж достатньо, кількість амінокислот. Поєднання трьох нуклеотидів називають триплетним кодом. У триплетному коді амінокислоти кодуються трійками основ (наприклад, УУУ, ЦГЦ, АЦА тощо). Ділянку ланцюга РНК із трьох нуклеотидів, яка визначає стуктуру однієї амінокислоти, називають кодоном.
Для утвердження принципу генетичного коду необхідно було експериментально встановити, які конкретні триплети кодують кожну із 20 амінокислот. Початок вирішення цього складного завдання було покладено дослідами М. Ніренберга та Дж. Маттеї. У 1961 році на V Міжнародному біохімічному конгресі в Москві М. Ніренберг доповів про відкриття триплету, який кодує синтез амінокислоти фенілаланіну. Ніренберг і Маттеї використали у своїх дослідах найпростішу РНК — поліуридилову кислоту. Ця синтетична РНК складається тільки з уридилових нуклеотидів:
Поліуридилову кислоту додавали як матрицю у виділений із клітини розчин, що містив рибосоми. Осад, який після цього випав, виявився білком. Але це був незвичайний білок — поліфенілаланін. Хімічний аналіз показав що в поліпептидний ланцюг зв’язувались молекули тільки однієї амінокислоти — фенілаланіну. У розчині були всі 20 амінокислот, але поліуридилова РНК «обрала» тільки фенілаланін. Виходячи з цього, амінокислотний код — триплетний. Таким кодом для фенілаланіну, очевидно, є триплет із трьох уридилових кислот. Триплет УУУ був першим «знаком» генетичного коду, який вдалося розшифрувати. Згодом було проведено багато дослідів, коли в безклітинну систему вводили інші синтетичні РНК і робили аналіз одержаних результатів. Під час додавання поліцитидилової РНК синтезувалась амінокислота пролін. Її кодоном виявився триплет ЦЦЦ. Якщо брали поліуридилову кислоту й додавали поліаденіл (полі-А), то отримували білок, який складався, головним чином, з фенілаланіну, але до нього входив ще й ізолейцин. За співвідношенням полі-У та полі-А був встановлений код для ізолейцину — УУА. Так, послідовно комбінуючи в синтетичних РНК по три основи із чотирьох, у лабораторіях М. Ніренберга та С. Очоа в 1962 році був розшифрований склад нуклеотидних триплетів для всіх 20 амінокислот, що входять до складу білкових молекул.
Теорія триплетного коду була підтверджена багатьма біохімічними та прямими генетичними експериментами, що ґрунтувались на порівняльному аналізі мутацій. Коли були розшифровані триплети для всіх амінокислот, що входять у молекули білка, виявилося, що більшість з них кодується не одним, а двома, трьома, навіть чотирма різними триплетами. Наприклад, метіонін кодується одним триплетом (АУТ), лізин — двома (ААА і ААГ), ізолейцин — трьома (АУУ, АУЦ, АУА), серин — чотирма триплетами (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ). Тому говорять про виродженість коду і код називають виродженим. Під виродженістю коду розуміють можливість включення в білкову молекулу кількома різними триплетами однієї амінокислоти. Триплети не перекриваються. Один триплет не може входити до складу інших, кожний з них самостійно кодує свою амінокислоту. Тому в поліпептидному ланцюзі поряд можуть міститись будь-які дві амінокислоти й можливі які завгодно їх поєднання. Код не має «розділових знаків»: триплети нічим не розділені між собою. Списування коду відбувається лінійно, починаючи з якоїсь фіксованої в ланцюзі ДНК точки (початку гена), і відбувається тільки в одному напрямі. Стартовим сигналом початку синтезу білка слугує розташований на іРНК кодон АУГ, який кодує метіонін (мет) (іноді це й кодон для валіну — ГУЦ). У поліпептидному ланцюзі, що росте, першим амінокислотним залишком завжди буде або метіонін, або валін. Тоді виникає закономірне питання: яким чином клітина відрізняє стартовий сигнал від кодонів АУГ або ГУЦ, розташованих усередині молекули іРНК? Ця проблема вирішується за допомогою модифікованої форми метіоніну або валіну та спеціальної ініціюючої тРНК. Формілметіонін Цмет) є тією модифікованою формою метіоніну, з якої починається синтез білка. Він приєднується до молекул тРНК певного типу (тРНКf), які відрізняються від тРНКfмет, за допомогою яких метіонін включається всередину поліпептидного ланцюга. І т-РНК, і тРНКfмет пізнають кодон АУГ, але лише тРНКf здатна приєднатися до стартового кодону АУГ. Випадання або вставляння будь-якого нуклеотиду в молекулі ДНК змінює склад і послідовність чергування триплетів в усьому її ланцюзі. Ми знаємо, що кожна і-РНК синтезує один білок. Повинно бути «заборонено» списування зі зсувом на одну або дві основи. Бо тоді списування встановленого запису порушується. Неважко зауважити, що випадання або вставляння в триплеті будь-якого нуклеотиду спричиняє помилки в кодуванні, виникають «безглузді» триплети, склад їх змінюється так, що утворення запрограмованого білка стає неможливим.
На основі робіт багатьох учених у середині 1950-х років була висунута матрична теорія синтезу білка. За цією теорією, синтез білка — складний багатоступінчастий процес. У ньому беруть участь ДНК, різні види РНК і різноманітні ферменти. Кожний білок синтезується на своїй особливій матриці, для цього потрібна своя особлива іРНК. Одна молекула іРНК «переписує» послідовність нуклеотидів з відрізка ДНК, який дорівнює одному гену, і переносить цю інформацію на послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюзі одного білка. Інформаційна РНК, проникаючи з ядра в цитоплазму і прикріплюючись до рибосом, починає діяти як матриця для білків.
Процес синтезу білка складається із чотирьох послідовних етапів.
I етап — активування амінокислот, у результаті чого підвищується їх активність і вони легше взаємодіють одна з одною, з’єднуючись у поліпептидний ланцюг. У цитоплазмі завжди є набір амінокислот, необхідних для синтезу потрібних клітині білків, але перш ніж взяти участь у цьому процесі вони повинні бути активовані. Активування амінокислоти відбувається під час її взаємодії з АТФ. Виникає сполука, у якій весь запас енергії АТФ переходить на амінокислоту і вона стає більш активною. Зв’язування АТФ з амінокислотою каталізує фермент РНК-синтетаза.
II етап пов’язаний з перенесенням активованих амінокислот до рибосом. Цю функцію виконує транспортна РНК (тРНК). Молекула тРНК, порівняно з молекулою, іРНК невелика: вона містить лише 70-80 нуклеотидів. Її полінуклеотидний ланцюг приблизно посередині перегинається, і дві половини спірально закручуються між собою. На одному кінці молекули т-РНК повинні бути основи, комплементарні відповідній ділянці (кодону) в ланцюзі іРНК, а на другому кінці — здатні «впізнавати» певну амінокислоту.
Кінець, до якого приєднується амінокислота, у всіх тРНК має однакові нуклеотиди — ЦЦА. Для кожної амінокислоти існує своя особлива тРНК. Значить, повинно існувати не менше 20 різновидів тРНК. Кожна з молекул т-РНК приєднується до «своєї» активованої амінокислоти. Отже, тРНК виконує в процесі синтезу білка роль адаптера, тобто речовини, яка доставляє і приєднує активовані амінокислоти до відповідних триплетів іРНК-матриці.
III етап починається шикуванням амінокислот у послідовності, визначеній чергуванням нуклеотидів ДНК на іРНК-матриці і закінчується замиканням пептидних зв’язків у молекулі білка. Відбувається цей процес у рибосомах за участі ферменту пептидполімерази. Рибосоми побудовані з білка іРНК. Цю РНК називають рибосомною (рРНК). Функції рРНК ще остаточно не вивчені. Вважають, що неспарені основи р-РНК беруть участь у зв’язуванні тРНК та іРНК. Рибосоми, зв’язані між собою в групи або агрегати, називають полісомами. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що в полісомах рибосоми з’єднані між собою ниткою рибонуклеїнової кислоти завтовшки 0,001-0,0015 мкм. Кількість рибосом, що входять до полісоми, визначається довжиною молекулярного ланцюга іРНК. Прикріпившись на кінці нитки і-РНК, рибосома, до якої тРНК увесь час доставляють активовані амінокислоти, починає синтез поліпептидного ланцюга. Пересуваючись у певному напрямі, вона «зчитує» по 3 нуклеотиди і додає до поліпептидного ланцюга, що росте, по одній амінокислоті. Досягнувши протилежного кінця ланцюга іРНК, рибосома відділяється, і в розчин виходить нова синтезована молекула білка.
На полісомі одночасно синтезуються кілька поліпептидних ланцюгів одного й того ж білка. Різниця між ними полягає лише в кількості зібраних амінокислот. Збирання білкових молекул на полісомі нагадує роботу конвеєра. Молекулярна швидкість трансляції і транскрипції становить приблизно 1000 триплетів і-РНК за хвилину на одну рибосому, а загалом за 1 хв клітина Е. coli, наприклад, включає в білки приблизно 15 х 106 амінокислот. Деякі локуси транскрибуються протягом клітинного циклу понад 1000 разів.
IV етап. У цей час досі лінійна молекула поліпептидного ланцюга набуває об’ємної структури. Під впливом виникаючих водневих зв’язків поліпептидний ланцюг скручується в спіраль і білкова молекула набуває біологічно активної конфігурації.
Висновок. Провідна роль у синтезі білка належить ДНК. Залежно від розташування кодуючих триплетів вздовж її ланцюга на ній синтезується молекула іРНК, яка реалізує цю інформацію, розташовуючи (відповідно до будови) амінокислоти в синтезованій молекулі білка. Таким чином, спадкова інформація (всі ознаки і властивості організму) зберігається в молекулярній структурі ДНК, а реалізується в процесі біосинтезу білка.
