Биология биосинтез белка. Биосинтез белка: кратко и понятно

Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК.

После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.

Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах , внутриклеточных белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:

• матрица – матричная РНК,
• растущая цепь – полипептид,
• субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,
• источник энергии – ГТФ,
• рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы.

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

Инициация

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса:

• первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,
• второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.

После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.

События стадии инициации

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

Элонгация

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.

Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

1. Присоединение аминоацил-тРНК (еще второй) к кодону мРНК (еще второму), аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.
2. Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH 2 -группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.

1. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон (на рисунке) становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон (на рисунке). Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.

Последовательность событий стадии элонгации

Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к третьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид , занимающий А- центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции..

В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и начинается третий цикл элонгации:

Образование пептидной связи при встраивании четвертой аминокислоты в пептид.
Субъединицы рибосомы, большая часть транспортных РНК и матричная РНК не показаны.

Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь.

Терминация

Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны . При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют:

1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
2. Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.
3. Диссоциацию рибосомы.

Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.

Реакции стадии терминации

Полирибосомы

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное количество "белковых копий". Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы .

Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка – нить ДНК может содержать информацию о многих белках. Ген – это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК.

Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательно протекающих событий:

Репликация ДНК (в ядре клетки) транскрипция информационная РНК (в цитоплазме с помощью рибосом) трансляция белок

Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией . Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.

Г - Ц - А - А - Ц - Т – фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК
- Ц - Г - У - У - Г - А – фрагмент молекулы информационной РНК.

Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Молекула т-РНК состоит из 70–80 нуклеотидов. Общий вид молекулы напоминает лист клевера.

На «верхушке» расположен атикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Процесс сборки молекулы белка идет в рибосомах и называется трансляцией . На одной молекуле и-РНК последовательно располагаются несколько рибосом. В функциональном центре каждой рибосомы способны поместиться два триплета и-РНК. Кодовый триплет нуклеотидов – молекулы т-РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов и-РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка . Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК.

В сложнейшем процессе биосинтеза белка реализуются функции многих веществ и органоидов клетки.

Наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов.

Генетический код. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.

Характеристика генетического кода.

1. Код триплетен: каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3 нуклеотидов. Всего таких сочетаний - 64 кода. Из них 61 код смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кода - бессмысленные, стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.

2. Код однозначен - каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Код вырожден - каждая аминокислота имеет более чем один код. Например, у аминокислоты глицин - 4 кода: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ, чаще у аминокислот их 2-3.

4. Код универсален - все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.

5. Код непрерывен - между кодами нет промежутков.

6. Код неперекрываем - конечный нуклеотид одного кода не может служить началом другого.

Условия биосинтеза

Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК - переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы - органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.

Этапы

Транскрипция - процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.

Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.

После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.

Трансляция - процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.

Биосинтез белка состоит из ряда реакций.

1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы.

2. Образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.

3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК - аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.

Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15-20 с.

Под этапами биосинтеза белка могут понимать как 1) совокупность процессов транскрипции, трансляции и посттрансляционные модификации , так и 2) только этапы трансляции , так как именно в процессе трансляции происходит непосредственный синтез молекулы полипептида (будущего белка или его составной части).

В первом случае рассматриваются три этапа:

1. Транскрипция - синтез молекулы мРНК на участке ДНК
2. Трансляция - синтез белка (полипептидной цепочки) на рибосомах .
3. Приобретение белком своей функциональной третичной структуры (или четверичной).

Во втором случае, говоря об этапах биосинтеза белка, подробно рассматривают, как протекает трансляция, выделяя в ней ряд своих этапов. Остановимся на этом случае.

Трансляция - это процесс биосинтеза белка из аминокислот , который протекает на рибосомах при участии мРНК, тРНК, ферментов (факторов) и включает этапы активации аминокислот, инициацию трансляции, ее элонгацию и терминацию.

Активация аминокислот непосредственно не связана с биосинтезом белка. Аминокислоты плавают в цитоплазме, с помощью специальных ферментов специфичных для каждой кислоты переходят в активную форму и связываются со своими молекулами тРНК. В итоге образуются комплексы аминоацил-тРНК (аа-тРНК) – тРНК, несущие свои аминокислоты.

На этапе инициации трансляции происходит присоединение матричной РНК (мРНК) к малой субъединице рибосомы. Факторы инициации распознают начальный (5") конец мРНК по кэпу и специальным нуклеотидным последовательностям. При этом стартовый кодон (АУГ) оказывается в недостроенном P-участке рибосомы. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и активные участки достраиваются.

К кодону АУГ комплементарна тРНК с антикодоном УАЦ, которая переносит аминокислоту метионин. Именно эта тРНК и данная аминокислота (у эукариот) всегда начинают синтез полипептида.

На этапе элонгации происходит последовательное присоединение одной аминокислоты за другой, т. е. происходит биосинтез белка. После этапа инициации в P-участке рибосомы находится тРНК, связанная с метионином. В A-участок рибосомы заходит следующая тРНК. Ее антикодон комплементарен находящемуся здесь кодону мРНК (он следующий за стартовым), и несет эта тРНК соответствующую этому кодону аминокислоту.

Итак, в P-участке находится один комплекс аа-тРНК, в A-участке – другой. Рибосома располагает тРНК, их аминокислоты и факторы элонгации так, что между аминокислотами протекает химическая реакция, в результате которой образуется пептидная связь . Две аминокислоты оказываются связанными друг с другом.

Рибосома смещается по мРНК на один триплет вперед. При этом та тРНК, что была в P-участке покидает рибосому. Та тРНК, что была в A-участке, оказывается в P-участке. С этой тРНК остается соединенным синтезированный дипептид (состоит из двух аминокислот, первая из которых метионин). A-участок освобождается.

На следующем цикле элонгации в A-участок рибосомы заходит следующий комплекс аа-тРНК. (Антикодон этой тРНК комплементарен находящемуся здесь кодону мРНК. В зависимости от своего антикодона тРНК связывается только с определенной аминокислотой.)

Далее происходит реакция между дипептидом и третьей аминокислотой, образуется трипептид. Рибосома смещается, трипептид связанный с тРНК оказывается в P-участке. Рибосома готова для принятия четвертого комплекса аа-тРНК.

Этап элонгации биосинтеза белка (т. е. последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепочки) продолжается до тех пор, пока на мРНК не встретится один из трех стоп-кодонов. Это УАА, УАГ, УГА. Для них не существует своих тРНК, но зато есть специальные факторы терминации, при присоединении которых к рибосоме происходит высвобождение синтезированного полипептида, субъединицы рибосомы расходятся, мРНК также высвобождается. Все это происходит на этапе терминации .

Первый метионин, соответствующий стартовому кодону, вырезается из белка. Внутри полипептида могут находится метионины, их также кодировал кодон АУГ, но поскольку перед этими кодонами не было кэпа и определенных последовательностей нуклеотидов, они не воспринимались системой биосинтеза белка как стартовые.

Часто по одной мРНК «ползут» несколько рибосом (друг за другом), каждая из которых синтезирует свою полипептидную цепь (но идентичные по последовательности аминокислот в готовом продукте). Такую совокупность рибосом называют полирибосомой , или полисомой .

Итак, если под биосинтезом белка понимать только процесс трансляции, то он будет включать три основных этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

Белки играют очень важную роль в жизнедеятельности организмов, выполняют защитные, структурные, гормональные, энергетические функции. Обеспечивают рост мышечной и костной ткани. Белки информируют о строении клетки, о её функциях и биохимических свойствах, входят в состав ценных, полезных организму продуктов питания (яиц, молочных продуктов, рыбы, орехов, бобовых, ржи и пшеницы). Усвояемость такой пищи объясняется биологической ценностью. При равном показателе количества белка легче будет усваиваться тот продукт, чья ценность выше. Дефектные полимеры должны удаляться из организма и заменяться новыми. Этот процесс протекает при синтезе белков в клетках.

Какими бывают белки

Вещества, состоящие только из остатков аминокислот, называются простыми белками (протеинами). В случае необходимости используется их энергетическое свойство, поэтому людям, ведущим здоровый образ жизни, зачастую дополнительно нужен прием протеина. Сложные же белки, протеиды, имеют в своем составе простой белок и небелковую часть. Десять аминокислот в белке являются незаменимыми, это означает, что организм не может синтезировать их самостоятельно, они поступают из пищи, другой же десяток - заменимый, то есть их можно создать из других аминокислот. Так начинается жизненно необходимый для всех организмов процесс.

Основные этапы биосинтеза: откуда берутся белки

Новые молекулы берутся в результате биосинтеза - химической реакции соединения. Существует два основных этапа синтеза белков в клетке. Это транскрипция и трансляция. Транскрипция происходит в ядре. Это считывание с ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая несет информацию о будущем белке, на РНК (рибонуклеиновую кислоту), которая переносит эту информацию с ДНК в цитоплазму. Происходит это по причине того, что ДНК непосредственно в биосинтезе участия не принимает, она только несет сведения, не имея способности выходить в цитоплазму, где синтезируется белок, и выполняя только функцию носителя генетической информации. Транскрипция же позволяет считать данные с матрицы ДНК на РНК по принципу комплементарности.

Роль РНК и ДНК в процессе

Итак, запускает синтез белков в клетках цепочка ДНК, которая несет информацию о каком-либо конкретном белке и называется геном. Цепочка ДНК в процессе транскрипции расплетается, то есть её спираль начинает распадаться в линейную молекулу. С ДНК информация должна преобразоваться на РНК. Напротив тимина в данном процессе должен становиться аденин. Цитозин же имеет в качестве пары гуанин, точно так же, как ДНК. Напротив аденина РНК становится урацил, потому как в РНК такого нуклеотида, как тимин, не существует, он заменяется просто урациловым нуклеотидом. С гуанином соседствует цитозин. Напротив аденина становится урацил, а в паре с тимином располагается аденин. Эти молекулы РНК, которые становятся напротив, называются информационными РНК (иРНК). Они способны через поры выходить из ядра в цитоплазму и рибосомы, которые, собственно, и выполняют функцию синтеза белков в клетках.

О сложном простыми словами

Теперь же совершается сборка из аминокислотных последовательностей полипептидной цепочки белка. Транскрипцией можно назвать считывание информации о будущем белке с матрицы ДНК на РНК. Это можно определить как первый этап. После того как РНК выходит из ядра, она должна попасть к рибосомам, где происходит второй этап, который называется трансляцией.

Трансляция - это уже переход РНК, то есть перенос информации с нуклеотидов на молекулу белка, когда РНК говорит о том, какая последовательность аминокислот должна быть в веществе. В таком порядке информационная РНК попадает в цитоплазму к рибосомам, которые осуществляют синтез белков в клетке: А (аденин) - Г (гуанин) - У (урацил) - Ц (цитозин) - У (урацил) - А (аденин).

Зачем нужны рибосомы

Для того чтобы произошла трансляция и в результате образовался белок, нужны такие компоненты, как сама информационная РНК, транспортная РНК, а также рибосомы в качестве "фабрики", на которой производится белок. В данном случае функционируют две разновидности РНК: информационная, которая образовалась в ядре с ДНК, и транспортная. Молекула второй кислоты имеет вид клевера. Этот "клевер" присоединяет к себе аминокислоту и несет её к рибосомам. То есть он выполняет транспортировку органических соединений непосредственно к "фабрике" по их образованию.

Как работает рРНК

Также существуют рибосомальные РНК, которые входят в состав самой рибосомы и выполняют синтез белка в клетке. Получается, что рибосомы являются немембранными структурами, они не имеют оболочек, как, например, ядро или эндоплазматическая сеть, а состоят просто из белков и рибосомальных РНК. Что же происходит, когда последовательность из нуклеотидов, то есть информационная РНК, попадает к рибосомам?

Транспортная РНК, которая находится в цитоплазме, подтягивает к себе аминокислоты. Откуда же взялись аминокислоты в клетке? А образуются они вследствие расщепления белков, которые поступают внутрь с пищей. Эти соединения переносятся током крови к клеткам, где происходит продуцирование необходимых для организма белков.

Конечный этап синтеза белков в клетках

Аминокислоты плавают в цитоплазме так же, как и транспортные РНК, и когда происходит непосредственно сборка полипептидной цепи, эти транспортные РНК начинают с ними соединяться. Однако не во всякой последовательности и далеко не любая транспортная РНК может соединиться со всеми видами аминокислот. Существует определенный участок, к которому присоединяется необходимая аминокислота. Второй же участок транспортной РНК называется антикодоном. Этот элемент состоит из трех нуклеотидов, которые комплементарны последовательности нуклеотидов в информационной РНК. Для одной аминокислоты необходимо три нуклеотида. Например, какой-либо условный белок состоит для упрощения из всего лишь двух аминокислот. Очевидно, что в основном белки имеют очень длинную структуру, состоят из многих аминокислот. Цепь А - Г - У называется триплетом, или кодоном, к нему будет присоединяться транспортная РНК в виде клевера, на конце которого будет находиться определенная аминокислота. К следующему триплету Ц - У - А будет присоединяться еще одна тРНК, которая будет содержать совершенно другую аминокислоту, комплементарную данной последовательности. В таком порядке будет происходить дальнейшая сборка полипептидной цепочки.

Биологическое значение синтеза

Между двумя аминокислотами, находящимися на концах "клеверов" каждого триплета, образуется пептидная связь. На этом этапе транспортная РНК уходит в цитоплазму. К триплетам присоединяется затем следующая транспортная РНК с другой аминокислотой, которая образует с предыдущими двумя полипептидную цепь. Этот процесс повторяется до момента, когда набирается необходимая последовательность аминокислот. Таким образом происходит синтез белка в клетке, и образуются ферменты, гормоны, кровяные вещества и т. д. Не во всякой клетке образуется любой белок. Каждая клетка может образовать определенный белок. Например, в эритроцитах будет образовываться гемоглобин, а клетками поджелудочной железы будут синтезироваться гормоны и разнообразные ферменты, расщепляющие пищу, которая попадает в организм.

В мышцах же будет образовываться белок актин и миозин. Как видно, процесс синтеза белка в клетках многоэтапен и сложен, что говорит о его значимости и необходимости для всего живого.