Біологія. Міні-довідник. ЗНО

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.

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-полімсрази. 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 одній з рибосом. Слідом за цим починається синтез білка.

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.

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.

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.

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.

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.