Біосинтез білків

Транскрипція

Першим етапом біосинтезу є транскрипція. Транскрипція — це переписування послідовності нуклеотидів з певної ділянки од­ного ланцюга молекули ДНК. У результаті утворюється молекула ІРНК.

Молекули ДНК кожної клітини містять інформацію для син­тезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може перемі­щуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає ін­формацію про структуру білків за участю специфічних молекул ІРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплаз­му до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК та рРНК). Цей процес відбувається в основно­му під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК — інформаційна, транспортна і рибосомна.

Зчитування спадкової інформації з генів регулюється спеціаль-ними білками. Зокрема, гістони не тільки забезпечують структур­ну організацію хроматину, а й є репресорами, тому що перешко­джають зчитуванню генетичної інформації. Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього починається зчитування спадкової інформації. Негістоно-

ві білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків.

Основні етапи транскрипції

1. Ініціація. За сигналом з цитоплазми певна ділянка подвійної
спіралі ДНК розкручується і розділяється на два ланцюги. Це від-
бувається за допомогою ферменту ДНК-залежна РНК-полімераза,
що зв'язується з ДНК. Ферменти РНК-полімерази забезпечують
утворення РНК, що зростають у довжину в міру просування фер-
менту вздовж нитки ДНК.

РНК полімераза починає синтезувати новий ланцюг біля спе­ціального старт-сигналу ДНК, що називається промотором, і за­кінчує його біля стоп-сигналу (сигнал термінації), після чого по­лімераза та синтезований готовий ланцюг РНК відокремлюються один від одного. Ділянка ДНК між промотором і термінатором, яка транскрибується, називається одиницею транскрипції. Моле­кула РНК, яка при цьому утворюється, називається первинним транскриптом, або про-іРНК.

Швидкість полімеризації за температури 37 С становить май­же ЗО нуклеотидів за 1 с, тому синтез ланцюга РНК завдовжки 5000 нуклеотидів триває близько 3 хв.

Один з двох ланцюгів ДНК, на якому йде транскрипція, нази­вається кодувальним ланцюгом. Другий ланцюг ДНК називаєть­ся ланцюгом, що не кодує. У різних білках кодувати можуть як один, так і другий ланцюги ДНК.

2. Елонгація — процес нарощування полінуклеотидного лан-
цюга. Відповідні рибонуклеотиди приєднуються до матричного
ланцюга, згодом об'єднуються один з одним залишками фосфор-
ної кислоти, створюючи ланцюг РНК. Процес каталізується РНК-
полімеразою і потребує наявності йонів або Мп²*. Утворення
іРНК відбувається на основі принципу комплементарності лан-
цюгів ДНК і РНК та антипаралельно відносно матричного ланцю-
га ДНК.

Таким чином, сформований ланцюг РНК містить азотисті основи, комплементарні основам ланцюга ДНК, уздовж якого вони утворилися.

Різні типи РНК в еукаріотів — інформаційна РНК (іРНК), ри-босомальна РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК) — транскри­буються на різних ділянках (генах) молекул ДНК.

3. Термінація. РНК-полімераза рухається вздовж ланцю-
га ДНК і поступово переписує інформацію на РНК. Цей про-
цес завершується після того, як фермент досягне специфічної нуклеотидної послідовності, що сигналізує про завершення транскрипції (термінатори транскрипції — АТТ, АЦТ і АТЦ). Ділянка молекули ДНК, що містить промотор, послідовність, яка транскрибується, та термінатор — усе це називають транскриптоном.

Ланцюг про-іРНК відокремлюється від матричного ланцюга ДНК, зазнає процесингу і переноситься в цитоплазму крізь пори в ядерній оболонці. Вільна від іРНК ділянка молекули ДНК знову зв'язується водневими зв'язками з комплементарною ді­лянкою другого ланцюга. ДНК скручується в спіраль і набуває початкової форми. Окрема молекула ДНК може бути матрицею для синтезу багатьох копій різних молекул РНК, що утворюють­ся одна за другою.

Процесинг

Молекулярні механізми, йов'язані з "дозріванням" різних ти­пів РНК, називають процесингом. Вони здійснюються в ядрі пе­ред виходом РНК із ядра в цитоплазму.

Існувала думка, що іРНК комплементарна будові ДНК, яка с матрицею. З'ясувалося, що комплементарною ДНК є тільки молекула-попередниця інформаційної РНК (про-іРНК). Моле­кули про-іРНК набагато більші, ніж зрілі іРНК. Послідовність азотистих основ у молекулі про-іРНК, що утворилася, точно від­творює порядок чергування основ у ДНК. Під час "дозрівання" інформаційної РНК у бактерій відбувається тільки відщеплення кінців молекули, а в еукаріотів і деяких вірусів цей процес наба­гато складніший. Молекула про-іРНК містить у собі кілька інерт­них ділянок (інтронів), що не мають генів.

У процесі "дозрівання" іРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називають сплайсингом. Тому послідовність нуклео-тидів у дозрілої іРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплемен­тарні яким нуклеотиди в ДНК знаходяться один від одного на зна­чній відстані. Сплайсинг — дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до син­тезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечуєть­ся розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.

У процесингу беруть участь ферменти. Наприклад, за допо­могою ферментів-рестриктаз вирізаються інтронні ділянки, а ек-зонні ділянки, що залишаються, зшиваються за допомогою фер­ментів лігаз. Отже, молекули іРНК або тРНК, що утворюються, мають менші розміри, ніж їхні структурні гени. Наприклад, мо­лекули про-іРНК мають молекулярну масу 10⁷ дальтон, а після процесингу вона становить 2 х Ю⁶ дальтон. Наявність інтронів у генах еукаріотів є універсальним явищем. У великих генах їхній вміст коливається в межах 1—50. Можна припустити, що інтро-ни є запасом інформації, що зумовлює мінливість.

Значення процесингу полягає в тому, що еукаріотична кліти­на може додатково контролювати процеси утворення білків, регу­лювати свій метаболізм, структуру і функції.

Трансляція

Трансляція — другий етап синтезу білків. Процес трансляції умовно поділяється на три етапи: ініціацію, елонгацію і терміна-цію.

1. Ініціація розпочинається з активації амінокислот. Аміно­кислоти (АК) у цитозолі клітини вступають у реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Так форму­ється АК-АТФ-комплекс. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент.

Амінокислота + АТФ + фермент -> Амінокислота - АТФ-ферментативний комплекс + Р-Р.

Активована амінокислота приєднується до своєї специфіч­ної тРНК. Реакція каталізується тим самим ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається наванта­женою тРНК (аміноацил-тРНК). Процес розпізнавання амінокис­лот тРНК називають рекогніцією.

Аміноацил-тРНК-комплекс надходить до місця синтезу біл­ків, а вільний фермент може знову активувати наступну молеку­лу амінокислоти.

Активація рибосом і початок синтезу поліпептид ного лан­цюга. Ланцюг іРНК з'єднується з малою рибосомальною субоди-ницею за допомогою спеціального триплету. Це забезпечується шляхом утворення водневих зв'язків між комплементарними па­рами відповідних азотистих основ іРНК та рРНК рибосом. Аміно­кислота метіонін ініціює процес синтезу. Вона входить до складу тРНК, яка має УАЦ-антикодон, що зв'язується з АУГ-кодоном іРНК. Комплекс, що утворюється, називається комплексом ініці­ації. Згодом до малої субодиниці іРНК приєднується велика суб-одиниця, створюючи активну рибосому.

2. Елонгація (положення поліпептидного ланцюга). Друга, на­вантажена, наприклад, проліном, тРНК з'єднується з рибосомою на ділянці А. її антикодон зв'язується з комплементарним кодоном ланцюга ІРНК. На ділянці П метіонін звільняється від своєї тРНК і з'єднується пептидним зв'язком з проліном. Процес каталізує фер­мент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв'язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається, і -СООН група першої амінокислоти утворює пептидний зв'язок з вільною -гТН₂ групою другої амінокислоти. Таким чином, друга тРНК уже несе дипеп­тид. Перша тРНК, тепер вільна, відокремлюється від П-ділянки рибосоми і повертається в загальний фонд тРНК у цитоплазмі. Тут вона може знову зв'язуватися зі своєю амінокислотою.

тРНК-дипептидний комплекс разом з ІРНК переміщується в напрямку П-ділянки рибосоми. Цей процес називають транслокацією (від лат. translocation — переміщення).

Третя молекула тРНК зі специфічною їй амінокислотою, на­приклад аргініном, надходить до А-ділянки рибосоми і приєдну­ється своїм антикодоном до комплементарного кодону іРНК. Ди­пептид метіонін-пролін знову приєднує амінокислоту аргінін за допомогою ферменту пептидилтрансферази. Таким чином, дипеп­тид збільшується до трипептиду. Друга тРНК звільняється, зали­шає ланцюг іРНК, звільняючи П-ділянку. Транспортна РНК — трипептидний комплекс переноситься з А-ділянки на П-ділянку.

Весь процес, що включає надходження тРНК-амінокислотного комплексу, утворення пептидного зв'язку і транслокацію, багато­разово повторюється. У міру просування ІРНК щодо рибосоми всі її кодони переміщуються по А-ділянці один за одним, і пептидний ланцюг зростає. У процесі елонгації беруть участь спеціальні біл­кові фактори, що регулюють ці процеси.

Синтез пептидного ланцюга відбувається з досить великою швидкістю, що залежить від температури і факторів внутрішньо­го і зовнішнього середовища. У середньому в еукаріотів ця швид­кість становить близько 2 амінокислот за 1 с. У прокаріотів швид­кість вища — близько 15 амінокислот за 1 с.

Рибосома рухається щодо іРНК тільки в одному напрямку, переміщуючись на один триплет від 5'-кінця до З'-кінця іРНК. Синтез білкової молекули (об'єднання амінокислот) відбувається у великій субодиниці, де навпроти одного триплету розташова­ний аміноацильний центр (від'єднання АК від тРНК), а навпроти іншого — пептидильна ділянка (приєднання АК до пептиду, що зростає).

Амінокислоти зв'язуються в поліпептид у тій послідовності, що повідомляється за допомогою іРНК.

3. Термінація (закінчення синтезу та виявлення поліпептид-ного ланцюга). У кінці ланцюга іРНК знаходиться один із стоп-кодонів (УАА, УАГ, УГА). Вони не розпізнаються жодною тРНК. Фактор термінації (спеціальний білок) приєднується до цього ко-дону і блокує подовження поліпептидного ланцюга. Як наслідок, до останньої амінокислоти синтезованого білка приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. Зв'язок між останньою тРНК і поліпептидним ланцюгом розривається спеціальними ферментами — факторами вивільнення. Рибосома відокремлюється від ланцюга іРНК і розпадається на дві субоди­ниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрапляє в цито­плазму. Кожна молекула іРНК транскрибується декілька разів, а згодом руйнується. Середній час "життя" ІРНК становить при­близно 2 хв. Вибірково руйнуючи старі і створюючи нові іРНК, клітина може регулювати як якісний, так і кількісний склад біл­ків, а отже, рівень і спрямованість метаболізму.

Значення трансляції полягає в тому, що білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку, забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об'єднанню клітин у групи, що зумовлює утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричинюють пору­шення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.

Посттрансляційна модифікаціябілка як основадля функціо­нування. Вивільнений поліпептид — це прямолінійна молекула, що не має метаболічної активності. Синтезовані з амінокислот по-ліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ен­доплазматичну сітку або комплекс Гольджі, де завершується фор­мування білкової молекули. У процесі "дозрівання" вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту ек-зопептидази, а згодом утворювати вторинну і третинну структу­ри. Молекули можуть об'єднуватися з іншими поліпептидами для

утворення четвертинної структури складних білків. Синтезовані молекули об'єднуються з вуглеводними або ліпідними молекула­ми, вбудовуються в біомембрани або інші комплекси клітини.

Процес зміни початкової структури поліпептиду та формуван­ня нової називається посттрансляційною модифікацією. Унаслі­док цього білки набувають специфічних властивостей і функціо­нальної активності.