Биосинтез белка в клетке

Посредником в передаче генетической информации (по­рядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает информацион­ная РНК. Она синтезируется в ядре на одной из цепей ДНК (кодирующей) по принципу комплементарности после раз­рыва водородных связей между двумя цепочками (фермент РНК-полимераза), причем считывание информации идет в одном направлении: 5΄→ 3΄. Процесс переписывания инфор­мации с ДНК на и-РНК называется транскрипцией. Синтезированная таким образом и-РНК (матрич­ный синтез) выходит через поры ядра в цитоплазму и взаимодействует с малой субъединицей одной или нескольких ри­босом, что приводит к сборке рибосомы (объединению большой и малой субъеди­ниц). Рибосомы, объединенные одной молекулой и-РНК, называют полисомами. На каждой рибосоме полисомы синтези­руются одинаковые молекулы белка.

Следующий этап биосинтеза белка — трансляция — перевод последовательнос­ти нуклеотидов в молекуле и-РНК в по­следовательность аминокислот в поли­пептидной цепочке. Транспортные РНК (т-РНК) "приносят" аминокислоты в ри­босому. Молекула т-РНК по конфигура­ции похожа на лист клевера и имеет два активных центра. На одном конце моле­кулы расположен триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном; он соответствует определенной аминокисло­те. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, то число различных т-РНК значительно больше 20 (идентифицировано 60). Второй активный центр — проти­воположный антикодону участок, к которому прикрепляется аминокислота. На 5΄-конце этого центра молекулы т-РНК всегда находится гуанин, а на 3'-конце — триплет ЦЦА (рис. 3.15). Процесс узнавания т-РНК своей аминокислоты называется рекогницией. Каждая аминокислота присоединя­ется к одной из своих специфических т-РНК при участии осо­бой формы фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы и АТФ. В результате образуется комплекс аминокислоты с т-РНК — аминоацил-т-РНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотой достаточ­на для образования в дальнейшем пептидной связи. Амино­кислоты транспортируются в большую субъединицу рибосом. В каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона и-РНК: один — напротив аминоацильного центра, второй — напротив пептидильного центра.

Рис. 3.15. Схема струк­туры молекулы т-РНК:

1- водородные связи; 2- антикодон; 3- мес­то прикрепления ами­нокислоты

Если антикодон т-РНК и кодон и-РНК, находящийся напротив аминоацильного центра, являются комплементарными, то аминоацил-т-РНК присо­единяется к кодону и-РНК, рибосома продвигается на один триплет и первая аминоацил-т-РНК оказывается в пепти-дильном центре. В аминоацильный центр поступает вторая т-РНК со своей аминокислотой. Между первой и второй ами­нокислотами устанавливается пептидная связь. Рибосома опять продвигается на один триплет; т-РНК первой амино­кислоты отсоединяется от и-РНК и аминокислоты и уходит за следующей аминокислотой, а вторая т-РНК со своей амино­кислотой попадает в пептидильный центр. В это время в ами­ноацильный центр поступает третья т-РНК с аминокислотой, и цикл повторяется. Таким образом, полипептидная молеку­ла собирается в полном соответствии с информацией, запи­санной на и-РНК (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схема биосинтеза белка:

1- и-РНК; 2- субъединицы рибосомы; 3- т-РНК с аминокисло­тами,

4- колон и-РНК; 5- антикодонт-РНК; 6- т- РНК без ами­нокислот; 7- полипептид

В процессе трансляции выделяют три стадии: инициации, элонгации и терминации. Инициация (начало трансля­ции) заключается в связывании рибосомы с и-РНК, для чего в начале молекулы и-РНК имеется специальный инициирую­щий кодон (АУГ) и определенная последовательность нуклеотидов, которая отвечает за связь с рибосомой. Элонгация (непосредственная трансляция) включает реакции от образо­вания первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосо­ма перемещается от первого к последнему кодону на и-РНК. Терминация (конец трансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), которые пре­кращают синтез белка; происходит отделение рибосомы от и-РНК.

Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функ­цию выполняют ядерные белки (гистоны). Их молекулы заря­жены положительно и легко связываются с отрицательно за­ряженными фосфатами, влияя на транскрипцию определен­ных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетилирование, метилирование) ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновые белки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транс­крипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерные РНК, которые находятся в комплексе с белками и могут избирательно включать гены.

Усиливают синтез белка различные анаболические стеро­иды, инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот (инозин, оротат калия). Ингибиторами синтеза белка являются антибиотики (рифамицины, оливомицин), некото­рые противоопухолевые препараты (винбластин, винкристин, 5-фторурацил), модифицированные азотистые основа­ния и нуклеозиды.

Свойства генов

Гены характеризуются определенными свойствами: специфичностью, целостностью и дискретностью, стабиль­ностью и лабильностью, плейотропией, экспрессивностью и пенетрантностью.

Специфичность гена заключается в том, что каждый струк­турный ген обладает только ему присущим порядком распо­ложения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида, р-РНК или т-РНК.

Целостность гена состоит в том, что при программирова­нии синтеза полипептида он выступает как неделимая едини­ца (цистрон), изменение порядка или количества нуклеотидов в которой приводит к перестройке структуры молекулы полипептида. Ген как функциональная единица неделим.

Дискретность гена определяется наличием в нем субъеди­ниц (мутон, рекон). В настоящее время минимальной струк­турной субъединицей гена считают пару комплементарных нуклеотидов, а минимальной функциональной единицей — кодон.

Гены относительно стабильны и изменяются (мутируют) редко. Частота спонтанной мутации одного гена — примерно 10^-5 на одно поколение.

Способность гена изменяться (мутировать) называется лабильностью.

Гены, как правило, обладают свойством плейотропности (множественности) действия, т.е. один ген отвечает за прояв­ление нескольких признаков. Это, в частности, наблюдается при некоторых энзимопатиях, множественных врожденных пороках развития, например при синдроме Марфана.

Гены обладают также свойствами экспрессивности и пенетрантности (см. гл. 5).