З чого починається біосинтез білка у клітині. Біосинтез білків у живій клітці
Генетична інформація у всіх організмів зберігається у вигляді певної послідовності нуклеотидів ДНК (або РНК у РНК-вірусів). Прокаріоти містять генетичну інформацію як однієї молекули ДНК. У еукаріотичних клітинахГенетичний матеріал розподілений у декількох молекулах ДНК, організованих у хромосомах.
ДНК складається з ділянок, що кодують і некодують. Кодуючі ділянки кодують РНК. Некодуючі ділянки ДНК виконують структурнуфункцію, дозволяючи ділянкам генетичного матеріалу упаковуватися певним чином, або регуляторнуфункцію, беручи участь у включенні генів, що спрямовують синтез білка.
Кодуючими ділянками ДНК є гени. Ген- Ділянка молекули ДНК, що кодує синтез однієї мРНК (і відповідно поліпептиду), рРНК або тРНК.
Ділянку хромосоми, де розташований ген називають локусом. Сукупність генів клітинного ядра є генотип, сукупність генів гаплоїдного набору хромосом геном, сукупність генів позаядерних ДНК (мітохондрій, пластид, цитоплазми) плазмон.
Реалізація інформації, записаної в генах, через синтез білків називається експресією(Проявом) генів. Генетична інформація зберігається у вигляді певної послідовності нуклеотидів ДНК, а реалізується у вигляді послідовності амінокислот у білку. Посередниками, переносниками інформації виступають РНК, тобто. реалізація генетичної інформації відбувається так:
ДНК → РНК → білок
Етапи біосинтезу білка
Процес біосинтезу білка включає два етапи: транскрипцію та трансляцію.
Транскрипція(Від лат. transcriptio- Переписування) - синтез РНК з використанням ДНК як матриця. В результаті утворюються мРНК, тРНК та рРНК. Процес транскрипції вимагає великих витрат енергії як АТФ і здійснюється ферментом РНК-полимеразой.
Одночасно транскрибується не вся молекула ДНК, а лише її окремі відрізки. Такий відрізок ( транскриптон) починається промотором(Дільниця ДНК, куди приєднується РНК-полімераза і звідки починається транскрипція) і закінчується термінатором(Ділянка ДНК, що містить сигнал закінчення транскрипції). Транскриптон – це ген із погляду молекулярної біології.
Транскрипція, як і реплікація, ґрунтується на здатності азотистих основ нуклеотидів до комплементарного зв'язування. На час транскрипції подвійний ланцюг ДНК розривається, і синтез РНК здійснюється за одним ланцюгом ДНК.
У процесі трансляції послідовність нуклеотидів ДНК переписується на синтезується молекулу мРНК, яка виступає як матриця в процесі біосинтезу білка.
Гени прокаріотів складаються тільки з кодуючих нуклеотидних послідовностей. Гени еукаріот складаються з кодуючих, що чергуються ( екзонів) і не кодують ( інтронів) ділянок. Після транскрипції ділянки мРНК, що відповідають інтронам, видаляються під час сплайсингу, що є складовоюпроцесингу. Процесинг- Процес формування зрілої мРНК з її попередника пре-мРНК.
Він включає дві основні події:
- приєднання до кінців мРНК коротких послідовностей нуклеотидів, що позначають місце початку та місце кінця трансляції;
- сплайсинг- Видалення неінформативних послідовностей мРНК, що відповідають інтронам ДНК. В результаті сплайсингу молекулярна маса мРНК зменшується в 10 разів.
Трансляція(Від лат. translatio- Переклад) - синтез поліпептидного ланцюга з використанням мРНК в ролі матриці.
У трансляції беруть участь усі три типи РНК:
- мРНК є інформаційною матрицею;
- тРНК доставляють амінокислоти та дізнаються кодони;
- рРНК разом із білками утворюють рибосоми, які утримують мРНК;
- тРНК та білок та здійснюють синтез поліпептидного ланцюга.
мРНК транслюється не однією, а одночасно декількома (до 80) рибосомами. Такі групи рибосом називаються полірибосомами (полісомами). На включення однієї амінокислоти в поліпептидний ланцюг необхідна енергія чотирьох АТФ.
Генетичний код
Інформація про структуру білків записана в ДНК у вигляді послідовності нуклеотидів. У процесі транскрипції вона переписується на синтезується молекулу мРНК, яка виступає як матриця в процесі біосинтезу білка. Певному поєднанню нуклеотидів ДНК, а отже, і мРНК відповідає певна амінокислота в поліпептидному ланцюгу білка. Цю відповідність називають генетичним кодом. Одну амінокислоту визначають три нуклеотиди, об'єднаних у триплет (кодон). Оскільки існують чотири типи нуклеотидів, об'єднуючись по три в триплет, вони дають 4 3 = 64 варіанти триплетів (тоді як кодуються лише 20 амінокислот). З них три є «стоп-кодонами», які припиняють трансляцію, решта 61 — кодують. Різні амінокислоти кодуються різним числомтриплетів: від 1 до 6.
№ п/п | Амінокислота | скорочена назва |
---|---|---|
1 | Аланін | Ала |
2 | Аргінін | Арг |
3 | Аспарагін | Асн |
4 | Аспарагінова кислота | АСП |
5 | Валін | Вал |
6 | Гістідін | Гіс |
7 | Гліцин | Глі |
8 | Глутамін | ГЛН |
9 | Глутамінова кислота | Глу |
10 | Ізолейцин | Ілі |
11 | Лейцин | Лій |
12 | Лізін | Ліз |
13 | Метіонін | Міт |
14 | Пролін | Про |
15 | Серін | Сір |
16 | Тирозін | Тир |
17 | Треонін | Тре |
18 | Триптофан | Три |
19 | Фенілаланін | Фен |
20 | Цистеїн | Ціс |
Перша основа | Друга основа | Третя основа | |||
---|---|---|---|---|---|
У(А) | Ц(Г) | А(Т) | Г(Ц) | ||
У(А) | Фен | Сір | Тир | Ціс | У(А) |
Фен | Сір | Тир | Ціс | Ц(Г) | |
Лій | Сір | Стоп | Стоп | А(Т) | |
Лій | Сір | Стоп | Три | Г(Ц) | |
Ц(Г) | Лій | Про | Гіс | Арг | У(А) |
Лій | Про | Гіс | Арг | Ц(Г) | |
Лій | Про | ГЛН | Арг | А(Т) | |
Лій | Про | ГЛН | Арг | Г(Ц) | |
А(Т) | Ілі | Тре | Асн | Сір | У(А) |
Ілі | Тре | Асн | Сір | Ц(Г) | |
Ілі | Тре | Ліз | Арг | А(Т) | |
Міт | Тре | Ліз | Арг | Г(Ц) | |
Г(Ц) | Вал | Ала | АСП | Глі | У(А) |
Вал | Ала | АСП | Глі | Ц(Г) | |
Вал | Ала | Глу | Глі | А(Т) | |
Вал | Ала | Глу | Глі | Г(Ц) |
Примітки:
- Перша азотна підстава в триплеті знаходиться в лівому вертикальному ряду, друге - у верхньому горизонтальному, третє - у правому вертикальному.
- На перетині ліній трьох основ виявляється амінокислота, що шукається.
- Азотисті основи поза дужками входять до складу мРНК, азотисті основи в дужках - до складу ДНК.
Властивості генетичного коду:
- код триплетен- одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами (триплетом) у молекулі нуклеїнової кислоти;
- код універсальний- Усі живі організми від вірусів до людини використовують єдиний генетичний код;
- код однозначний (специфічний)- Триплет відповідає одній єдиній амінокислоті.
- код надмірний- одна амінокислота кодується більш ніж одним триплетом;
- код не перекривається- один нуклеотид не може входити до складу відразу кількох кодонів у ланцюзі нуклеїнової кислоти;
- код колінеарен- Послідовність амінокислот в синтезованої молекулі білка збігається з послідовністю триплетів вмРНК.
Етапи трансляції
Трансляція складається з трьох етапів: ініціації, елонгації та термінації.
- Ініціація- Складання комплексу, що бере участь у синтезі поліпептидного ланцюга. Мала субчастка рибосоми з'єднується з ініціаторною мет-тРНК, а потім з мРНК, після чого відбувається утворення цілої рибосоми, що складається з малої та великої субчастинок.
- Елонгація- Подовження поліпептидного ланцюга. Рибосома переміщається вздовж мРНК, що супроводжується багаторазовим повторенням циклу приєднання чергової амінокислоти до зростаючого поліпептидного ланцюга.
- Термінація- Завершення синтезу поліпептидної молекули. Рибосома досягає одного з трьох стоп-кодонів мРНК, а оскільки не існує тРНК з антикодонами, комплементарними стоп-кодон, синтез припиняється поліпептидного ланцюга. Вона вивільняється і відокремлюється від рибосоми. Рибосомні субчастинки дисоціюють, відокремлюються від мРНК і можуть взяти участь у синтезі наступного поліпептидного ланцюга.
Реакції матричного синтезу
До реакцій матричного синтезу відносять:
- самоподвоєння ДНК (реплікація);
- утворення мРНК, тРНК та рРНК на молекулі ДНК (транскрипція);
- біосинтез білка на мРНК (трансляція).
Всі ці реакції поєднує те, що молекула ДНК в одному випадку або молекула мРНК в іншому виступають у ролі матриці, де відбувається утворення однакових молекул. На реакціях матричного синтезу ґрунтується здатність живих організмів до відтворення собі подібних.
Регуляція експресії генів
Тіло багатоклітинного організму побудоване з різноманітних клітинних типів. Вони відрізняються структурою та функціями, тобто. диференційовані. Відмінності виявляються в тому, що крім білків, необхідних будь-якій клітині організму, клітини кожного типу синтезують ще й спеціалізовані білки: в епідермісі утворюється кератин, в еритроцитах – гемоглобін тощо. Клітинна диференціювання обумовлена зміною набору генів, що експресуються, і не супроводжується якими-небудь незворотними змінами в структурі самих послідовностей ДНК.
біосинтез білкавідбувається інакше. У біосинтезі білка активну участь беруть нуклеїнові кислоти - ДНК і РНК, а в якості необхідної енергії використовується енергія хімічних зв'язківвисокомолекулярних органічних з'єднань, що є в клітині, головним чином - АТФ.Послідовність нуклеотидів ДНК (т. е. генів), або генетичний код, являє собою систему запису інформації про послідовність розташування амінокислот в білках і фактично є шифром, що забезпечує біосинтез білка.
Генетична інформація відповідно до генетичного коду в якийсь момент переписується з ДНК, як з матриці, в нуклеотидну послідовність нитки інформаційноїРНК (іРНК). Вона і визначає потім послідовність складання амінокислот відповідної білкової молекули.
Важливо відзначити, що генетичний код є універсальнимвсім організмів , існуючих Землі. Ця властивість універсальності коду дозволяє зробити важливий світоглядний висновок про єдність походження всіх живих організмів - прокаріотів, еукаріотів і вірусів.
В даний час розшифровані триплети для всіх 20 амінокислот, що входять до 8 складів природних білків. Генетичний код був розшифрований у 60-ті роки. XX ст. Це здійснили вчені-біохіміки X. Корану, М. Ніренбергі Р. Холлі. За розшифровку генетичного коду та його ролі в синтезі білка названим вченим у 1968 році була присуджена Нобелівська премія.
У біосинтезі активну участь беруть багато структурні компонентиклітини: різні молекули РНК, рибосоми та молекули різних амінокислот, з яких будується полімерна молекула білка. Хоча план будови білка закодований в ДНК, сама вона участі в синтезі білкових молекул не приймає, а служить лише матрицеюдля синтезу інформаційної РНК (іРНК). Тому процес синтезу білка складається з двох етапів: створення іРНКі складання молекули білка за інформацією в цій молекулі іРНК.
Синтез білкових молекул відбувається безперервно. Він йде з великою швидкістю: за 1 хвилину утворюється від 50 до 60 тисяч пептидних зв'язків. Синтез однієї молекули зазвичай триває 3-4 сек. Тривалість життя білків у середньому становить близько двох діб, хоча окремі білки не руйнуються протягом декількох місяців. В результаті половина білків тіла людини (всього це близько 17 кг білка) оновлюється приблизно за 80 днів. Матеріал із сайту
p align="justify"> Процес біосинтезу на всіх його етапах йде за участю багатьох фермен-тів і з неодмінним споживанням великої кількості енергії.
Чітка послідовність процесів, що відбуваються, їх матрична організованість і розподіл функцій між усіма задіяними компонентами приводять до висновку, що біосинтез білка - це цілісна молекулярна система виконання складних реакцій, що забезпечує створення речовин, необхідних для життя.
Біосинтез білка – пластична частина обміну речовин клітини. Характеризується матричною основою збирання молекул білка. Синтез відбувається у рибосомах за безпосередньої участі іРНК, тРНК, рРНК та мономерів – амінокислот. На відміну від фотосинтезу, біосин-тез білка йде під суворим контролем генетичної інформації, списаної іРНК з генетичного коду ДНК. Процес біосинтезу білкової молекули обумовлений двома етапами: транскрипцією (списання) та трансляцією (передача).
© А.С. Спірін
БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ, СВІТ РНКІ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ
А.С. Спірін
Спірін Олександр Сергійович– академік, директор Інституту білка РАН, член Президії РАН.
Майже півстоліття тому, 1953 р., Д. Вотсон і Ф. Крик відкрили принцип структурної (молекулярної) організації генної речовини - дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Структура ДНК дала ключ до механізму точного відтворення – редуплікації – генної речовини. Так виникла нова наука – молекулярна біологія. Було сформульовано так звану центральну догму молекулярної біології: ДНК Ю РНК Ю білок. Сенс її полягає в тому, що генетична інформація, записана в ДНК, реалізується у вигляді білків, але не безпосередньо, а за допомогою спорідненого полімеру - рибонуклеїнову кислоту (РНК), і цей шлях від нуклеїнових кислотдо білків необоротний. Таким чином ДНК синтезується на ДНК, забезпечуючи власну редуплікацію, тобто відтворення вихідного генетичного матеріалу в поколіннях; РНК синтезується на ДНК, у результаті відбувається переписування, чи транскрипція, генетичної інформації у форму численних копій РНК; молекули РНК є матрицями для синтезу білків - генетична інформація транслюється у форму поліпептидних ланцюгів. У спеціальних випадках РНК може переписуватись у форму ДНК ("зворотна транскрипція"), а також копіюватися у вигляді РНК (реплікація), але білок ніколи не може бути матрицею для нуклеїнових кислот (докладніше див.).
Отже, саме ДНК визначає спадковість організмів, тобто набір білків, що відтворюється в поколіннях, і пов'язаних з ними ознак. Біосинтез білка є центральним процесом живої матерії, а нуклеїнові кислоти забезпечують його, з одного боку, програмою, що визначає весь набір і специфіку білків, що синтезуються, а з іншого - механізмом точного відтворення цієї програми в поколіннях. Отже, походження життя у її сучасній клітинній формі зводиться до виникнення механізму успадкованого біосинтезу білків.
БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ
Центральна догма молекулярної біології постулює лише шлях передачі генетичної інформації від нуклеїнових кислот до білків і, отже, до властивостей та ознак живого організму. Вивчення механізмів реалізації цього шляху протягом десятиліть, що послідували за формулюванням центральної догми, розкрило набагато різноманітніші функції РНК, ніж бути лише переносником інформації від генів (ДНК) до білків і служити матрицею для синтезу білків.
На рис. 1 представлена загальна схемабіосинтезу білка у клітині. РНК-посередник(messenger RNA, матрична РНК, мРНК), що кодує білки, про яку йшлося вище, - це лише один із трьох головних класів клітинних РНК. Основну їхню масу (близько 80%) становить інший клас РНК - рибосомні РНК,які утворюють структурний каркас та функціональні центри універсальних білок-синтезуючих частинок – рибосом. Саме рибосомні РНК відповідальні – як у структурному, так і у функціональному відношенні – за формування ультрамікроскопічних. молекулярних машин, Звані рибосомами. Рибосоми сприймають генетичну інформацію як молекул мРНК і, будучи запрограмовані останніми, роблять білки у точній відповідності з цією програмою.
Проте, щоб синтезувати білки, лише інформації чи програми недостатньо - потрібен ще й матеріал, з якого їх можна робити. Потік матеріалу для синтезу білків йде в рибосоми за допомогою третього класу клітинних РНК. РНК-переносників(Трансфер RNA, транспортні РНК, тРНК). Вони ковалентно пов'язують - акцептують - амінокислоти, які є будівельним матеріалом для білків, і у вигляді аміноацил-тРНК надходять у рибосоми. У рибосомах аміноацил-тРНК взаємодіють із кодонами - тринуклеотидними комбінаціями - мРНК, у результаті і відбувається декодування кодонів у процесі трансляції.
Рибонуклеїнові кислоти
Отже, маємо набір основних клітинних РНК, визначальних основний процес сучасної живої матерії - біосинтез білка. Це мРНК, рибосомні РНК та тРНК. РНК синтезуються на ДНК за допомогою ферментів - РНК-полімераз, що здійснюють транскрипцію - переписування певних ділянок (лінійних відрізків) двотяжової ДНК у форму однотяжової РНК. Ділянки ДНК, що кодують клітинні білки, переписуються у вигляді мРНК, тоді як для синтезу численних копій рибосомної РНК і тРНК є спеціальні ділянки клітинного геному, з яких йде інтенсивне переписування без подальшої трансляції білки.
Хімічна структура РНК.
Хімічно РНК дуже схожа на ДНК. Обидві речовини – це лінійні полімери нуклеотидів. Кожен мономер - нуклеотид - являє собою фосфорильований N-глікозид, побудований з залишку п'ятивуглецевого цукру - пентози, що несе фосфатну групу на гідроксильній групі п'ятого вуглецевого атома (складноефірний зв'язок) і азотисту основу при першому вуглецевому атомі (N-глікозину) Головне хімічне різницю між ДНК і РНК у тому, що цукровий залишок мономеру РНК - це рибоза, а мономеру ДНК - дезоксирибоза, що є похідним рибози, у якому відсутня гідроксильна група при другому вуглецевому атомі (рис. 2).
Рис. 2.Хімічні формули залишків одного з рибонуклеотидів - уридилової кислоти (U) та гомологічного йому дезоксирибонуклеотиду - тимідилової кислоти (dT) |
Азотистих основ і ДНК, і РНК чотири виду: два пуринових - аденін (А) і гуанін (G) -і два піримідинових - цитозин (С) і урацил (U) або його метильоване похідне тимін (Т). Урацил характерний для мономерів РНК, а тімін - для мономерів ДНК, і це друга відмінність РНК та ДНК. Мономери - рибонуклеотиди РНК або дезоксирибонуклеотиди ДНК - утворюють полімерний ланцюг за допомогою формування фосфодіефірних містків між цукровими залишками (між п'ятим та третім атомами вуглецю пентози). Таким чином, полімерний ланцюг нуклеїнової кислоти - ДНК або РНК - може бути представлений як лінійний цукро-фосфатний кістяк з азотистими основами як бічні групи. Макромолекулярна структура РНК. Принципова макроструктурна відмінність двох типів нуклеїнових кислот полягає в тому, що ДНК - це єдина подвійна спіраль, тобто макромолекула з двох пов'язаних комплементарно полімерних тяжів, спірально закручених навколо загальної осі (див. [ , ]), а РНК - однотяжовий полімер. У той же час взаємодії бічних груп - азотистих основ - один з одним, а також з фосфатами і гідроксилами цукрово-фосфатного кістяка призводять до того, що однотяжовий полімер РНК згортається на себе і скручується в компактну структуру, подібно до згортання поліпептидного ланцюга білка в компактну глобулу . Таким чином, унікальні нуклеотидні послідовності РНК можуть формувати унікальні просторові структури. |
Вперше специфічна просторова структура РНК була продемонстрована при розшифровці атомної структури однієї з тРНК у 1974 р. [ , ] (Рис. 3). Згортання полімерного ланцюга тРНК, що складається з 76 нуклеотидних мономерів, призводить до формування дуже компактного глобулярного ядра, з якого під прямим кутом стирчать два виступи. Вони є короткі подвійні спіралі на кшталт ДНК, але організовані з допомогою взаємодії ділянок однієї й тієї ж ланцюга РНК. Один із виступів є акцептором амінокислоти і бере участь у синтезі поліпептидного ланцюга білка на рибосомі, а інший призначений для комплементарної взаємодії з кодуючим триплетом (кодоном) мРНК у тій же рибосомі. Тільки така структура здатна специфічно взаємодіяти з білком-ферментом, що навішує амінокислоту на тРНК, і рибосомою в процесі трансляції, тобто специфічно "впізнаватись" ними.
Рис. 3.Атомна (ліворуч) та скелетна (праворуч) моделі фенілаланінової тРНК дріжджів
Вивчення ізольованих рибосомних РНК дало наступний разючий приклад формування компактних специфічних структур ще більш довгих лінійних полімерів цього типу. Рибосома складається з двох нерівних частин - великої та малої рибосомних субчастинок (субодиниць). Кожна субчастиця побудована з однієї високополімерної РНК та цілого ряду різноманітних рибосомних білків. Довжина ланцюгів рибосомних РНК дуже значна: так, РНК малої субчастинки бактеріальної рибосоми містить понад 1500 нуклеотидів, а РНК великої субчастинки - близько 3000 нуклеотидів. У ссавців, включаючи людину, ці РНК ще більше - близько 1900 нуклеотидів і понад 5000 нуклеотидів у малій та великій субчастинках відповідно.
Було показано, що ізольовані рибосомні РНК, відокремлені від своїх білкових партнерів і отримані в чистому вигляді, самі здатні спонтанно згортатися в компактні структури, за своїми розмірами та формою схожі на рибосомні субчастинки]. Форма великої та малої субчастиць різна, і відповідно відрізняється форма великої та малої рибосомних РНК (рис. 4). Таким чином, лінійні ланцюги рибосомної РНК самоорганізуються в специфічні просторові структури, що визначають розміри, форму і, мабуть, внутрішній устрій рибосомних субчастинок, а отже, і всієї рибосоми.
Мінорні РНК. У міру вивчення компонентів живої клітини та окремих фракцій тотальної клітинної РНК з'ясовувалося, що трьома головними видами РНК справа не обмежується. Виявилося, що у природі існує безліч інших видів РНК. Це насамперед так звані "малі РНК", які містять до 300 нуклеотидів, часто з невідомими функціями. Як правило, вони асоційовані з одним або декількома білками і представлені в клітці у вигляді рибонуклеопротеїдів - "малих РНП".
Малі РНК присутні у всіх відділах клітини, включаючи цитоплазму, ядро, ядерце, мітохондрії. Більша частинатих малих РНП, функції яких відомі, бере участь у механізмах посттранскрипційної обробки основних видів РНК (RNA processing) - перетворення попередників мРНК на зрілі мРНК (сплайсинг), редагування мРНК, біогенез тРНК, дозрівання рибосомних РНК. Один з найбільш багато представлених у клітинах видів малих РНП (SRP) відіграє ключову роль у транспорті білків, що синтезуються, через клітинну мембрану. Відомі види малих РНК, що виконують регуляторні функції у трансляції. Спеціальна мала РНК входить до складу найважливішого ферменту, відповідального за підтримку редуплікації ДНК у поколіннях клітин – теломерази. Слід сказати, що їх молекулярні розміри можна порівняти з розмірами клітинних глобулярних білків. Таким чином, поступово стає ясно, що функціонування живої клітини визначається не тільки різноманіттям білків, що синтезуються в ній, але і присутністю багатого набору різноманітних РНК, з яких малі РНК значною мірою імітують компактність і розміри білків.
Рибозими. Все активне життя побудована на обміні речовин - метаболізмі, і всі біохімічні реакції метаболізму відбуваються з належними для забезпечення життя швидкостями тільки завдяки високоефективним специфічним каталізаторам, створеним еволюцією. Упродовж багатьох десятиліть біохіміки були впевнені, що біологічний каталіз завжди і всюди здійснюється білками, які називаються ферментами, або ензимами.І ось у 1982-1983 pp. було показано, що в природі є види РНК, які, подібно до білків, мають високоспецифічну каталітичну активність [ , ]. Такі РНК-каталізатори було названо рибозимами.Уявлення про винятковість білків у каталізі хімічних реакційнастав кінець.
В даний час рибосому також прийнято розглядати як рибозим. Справді, всі наявні експериментальні дані свідчать, що синтез поліпептидної ланцюга білка в рибосомі каталізується рибосомної РНК, а чи не рибосомними білками. Ідентифіковано каталітичну ділянку великої рибосомної РНК, відповідальну за каталіз реакції транспептидації, за допомогою якої здійснюється нарощування поліпептидного ланцюга білка в процесі трансляції.
Що ж до реплікації вірусних ДНК, її механізм мало чим відрізняється від редуплікації генетичного матеріалу - ДНК - самої клітини. У випадку вірусних РНК реалізуються процеси, які пригнічені або зовсім відсутні в нормальних клітинах, де вся РНК синтезується тільки на ДНК як на матриці. При інфекції РНК-вірусами ситуація може бути двоякою. В одних випадках на вірусній РНК, як на матриці, синтезується ДНК ("зворотна транскрипція"), а вже на цій ДНК транскрибуються численні копії вірусної РНК. В інших, найцікавіших для нас випадках на вірусній РНК синтезується комплементарний ланцюг РНК, який і служить матрицею для синтезу – реплікації – нових копій вірусної РНК. Таким чином при інфекції РНК-вірусами реалізується принципова здатність РНК детермінувати відтворення своєї власної структури, як це має місце у ДНК.
Мультифункціональність РНК. Підсумовування та огляд знань про функції РНК дозволяють говорити про незвичайну функціональність цього полімеру в живій природі. Можна надати наступний перелік основних відомих функцій РНК.
Генетична реплікативна функція: структурна можливість копіювання (реплікації) лінійних послідовностей нуклеотидів через комплементарні послідовності. Функція реалізується при вірусних інфекціях та аналогічна головній функції ДНК у життєдіяльності клітинних організмів – редуплікації генетичного матеріалу.В цілому РНК постає перед нами настільки дивовижним полімером, що, здавалося б, ні часу еволюції Всесвіту, ні інтелекту Творця не мало б вистачити на його винахід. Як можна було бачити, РНК здатна виконувати функції обох принципово важливих життя полімерів - ДНК і білків. Не дивно, що перед наукою і постало питання: а чи не могло виникнення та самодостатнє існування світу РНК передувати появі життя в її сучасній ДНК-білковій формі?Кодуюча функція: програмування синтезу білка лінійними послідовностями нуклеотидів. Це та сама функція, що й у ДНК. І в ДНК, і в РНК одні і ті ж триплет нуклеотидів кодують 20 амінокислот білків, і послідовність триплет в ланцюзі нуклеїнової кислоти є програма для послідовної розстановки 20 видів амінокислот в поліпептидного ланцюга білка.
Структуротворча функція: формування унікальних тривимірних структур. Компактно згорнуті молекули малих РНК принципово подібні до тривимірних структур глобулярних білків, а більш довгі молекули РНК можуть утворювати і більші біологічні частинки або їх ядра.
Функція впізнавання: високоспецифічні просторові взаємодії з іншими макромолекулами (у тому числі білками та іншими РНК) та з малими лігандами. Ця функція, мабуть, основна у білків. Вона заснована на здатності полімеру згортатися унікальним чином та формувати специфічні тривимірні структури. Функція впізнавання є основою специфічного каталізу.
Каталітична функція: специфічний каталіз хімічних реакцій рибозимами. Ця функція аналогічна ензиматичної функції білків-ферментів.
ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ
Білково-коацерватна теорія Опаріна. Мабуть, першу наукову, добре продуману теорію походження життя абіогенним шляхом було запропоновано біохіміком А.І. Опарін ще в 20-х роках минулого століття [ , ]. Теорія базувалася на уявленні, що все починалося з білків, і на можливості в певних умовах спонтанного хімічного синтезу мономерів білків – амінокислот – та білковоподібних полімерів (поліпептидів) абіогенним шляхом. Публікація теорії стимулювала численні експерименти у ряді лабораторій світу, які показали реальність такого синтезу у штучних умовах. Теорія швидко стала загальноприйнятою та надзвичайно популярною.
Основним її постулатом було те, що спонтанно виникали в первинному "бульйоні" білковоподібні сполуки об'єднувалися" в коацерватні краплі - відокремлені колоїдні системи (золі), що плавають у більш розбавленому водному розчині. Це давало головну передумову виникнення організмів - відокремлення довкілля, її компартменталізацію Так як деякі білковоподібні сполуки коацерватних крапель могли мати каталітичну активність, то з'являлася можливість проходження біохімічних реакцій синтезу всередині крапель - виникала подоба асиміляції, а значить, зростання коацервату з подальшим його розпадом на частини - розмноженням. Коацерват, що асимілює, зростає і розмножується розподілом, розглядався як прообраз живої клітини (рис. 5).
Рис. 5.Схематичне уявлення про шляхи походження життя
згідно з білково-коацерватною теорією А.І. Опаріна
Все було добре продумано та науково обґрунтовано в теорії, крім однієї проблеми, на яку довго заплющували очі майже всі фахівці у галузі походження життя. Якщо спонтанно, шляхом випадкових безматричних синтезів у коацерваті виникали поодинокі вдалі конструкції білкових молекул (наприклад, ефективні каталізатори, що забезпечують перевагу даному коацервату в зростанні та розмноженні), то як вони могли копіюватися для поширення всередині коацервату, а тим більше для передачі коацерватам- Теорія виявилася нездатною запропонувати вирішення проблеми точного відтворення - всередині коацервату і в поколіннях - одиничних ефективних білкових структур, що випадково з'явилися.
Світ РНК як попередник сучасного життя. Накопичення знань про генетичний код, нуклеїнові кислоти і біосинтез білків призвело до утвердження принципово нової ідеї про ТОМ, що все починалося зовсім не з білків, а з РНК [-]. Нуклеїнові кислоти є єдиним типом біологічних полімерів, макромолекулярна структура яких завдяки принципу комплементарності при синтезі нових ланцюгів (докладніше див.) забезпечує можливість копіювання власної лінійної послідовності мономерних ланок, іншими словами, можливість відтворення (реплікації) полімеру, його мікроструктури. Тому тільки нуклеїнові кислоти, але не білки можуть бути генетичним матеріалом, тобто відтворюваними молекулами, що повторюють свою специфічну мікроструктуру в поколіннях.
З низки міркувань саме РНК, а чи не ДНК, могла бути первинний генетичний матеріал.
По перше,і в хімічному синтезі, і біохімічних реакціях рибонуклеотиди передують дезоксирибонуклеотидам; Дезоксирибонуклеотиди – продукти модифікації рибонуклеотидів (див. рис. 2).
По-друге,у найдавніших, універсальних процесах життєвого метаболізму широко представлені саме рибонуклеотиди, а не дезоксирибонуклеотиди, включаючи основні енергетичні носії типу рибонуклеозид-поліфосфатів (АТФ тощо).
По-третє,реплікація РНК може відбуватися без будь-якої участі ДНК, а механізм редуплікації ДНК навіть у сучасному живому світі вимагає обов'язкової участі РНК-затравки в ініціації синтезу ланцюга ДНК.
По-четверте,володіючи всіма тими ж матричними та генетичними функціями, що і ДНК, РНК здатна також до виконання низки функцій, властивих білкам, включаючи каталіз хімічних реакцій. Таким чином, є всі підстави розглядати ДНК як пізніше еволюційне придбання - як модифікацію РНК, спеціалізовану для виконання функції відтворення та зберігання унікальних копій генів у складі клітинного геному без безпосередньої участі у біосинтезі білків.
Після того, як були відкриті каталітично активні РНК, ідея первинності РНК у походження життя отримала сильний поштовх до розвитку, і була сформульована концепція самодостатнього світу РНК,що передував сучасному життю [ , ]. Можливу схему виникнення світу РНК представлено на рис. 6.
Абіогенний синтез рибонуклеотидів та їх ковалентне об'єднання в олігомери та полімери типу РНК могли відбуватися приблизно в тих самих умовах і в тій самій хімічній обстановці, що постулювалися для утворення амінокислот та поліпептидів. Нещодавно О.Б. Четверин зі співробітниками (Інститут білка РАН) експериментально показали, що принаймні деякі полірибонуклеотиди (РНК) у звичайній водному середовищі здатні до спонтанної рекомбінації, тобто обміну відрізками ланцюга шляхом трансестерифікації. Обмін коротких відрізків ланцюга на довгі повинен призводити до подовження полірибонуклеотидів (РНК), а сама подібна рекомбінація сприятиме структурному різноманіттю цих молекул. Серед них могли б виникати і каталітично активні молекули РНК.
Навіть вкрай рідкісна поява одиничних молекул РНК, які були здатні каталізувати полімеризацію рибонуклеотидів або з'єднання (сплайсинг) олігонуклеотидів на комплементарному ланцюзі як на матриці [ ], означало становлення механізму реплікації РНК. Реплікація самих РНК-каталізаторів (рибозимів) мала спричинити виникнення самореплицирующихся популяцій РНК. Продукуючи свої копії РНК розмножувалися. Неминучі помилки в копіюванні (мутації) і рекомбінації в популяціях, що самореплікуються, РНК створювали всі більша різноманітністьцього світу. Таким чином, передбачуваний древній світ РНК - це "самодостатній біологічний світ, у якому молекули РНК функціонували як генетичний матеріал, і як энзимоподобные каталізатори" .
Виникнення біосинтезу білка. Далі на основі світу РНК мало відбуватися становлення механізмів біосинтезу білка, поява різноманітних білків із успадкованою структурою та властивостями, компартменталізація систем біосинтезу білка та білкових наборів, можливо, у формі коацерватів та еволюція останніх у клітинні структури – живі клітини (див. рис. 6). ).
Проблема переходу від стародавнього світу РНК до сучасного білок-синтезуючого світу - найважча навіть для суто теоретичного рішення. Можливість абіогенного синтезу поліпептидів і білковоподібних речовин не допомагає у вирішенні проблеми, оскільки не проглядається ніякого конкретного шляху, як цей синтез міг би бути пов'язаний з РНК і підпасти під генетичний контроль. Генетично контрольований синтез поліпептидів і білків мав розвиватися незалежно від первинного абіогенного синтезу, своїм шляхом, з урахуванням вже існував світу РНК. У літературі запропоновано кілька гіпотез походження сучасного механізму біосинтезу білка у світі РНК, але, мабуть, жодна їх може розглядатися як детально продумана і бездоганна з погляду фізико-хімічних можливостей. Подаю свою версію процесу еволюції та спеціалізації РНК, що веде до виникнення апарату біосинтезу білка (мал. 7), але і вона не претендує на закінченість.
Запропонована гіпотетична схема містить два істотні моменти, які здаються важливими.
По перше,постулюється, що абіогенно синтезовані олігорибонуклеотиди активно рекомбінували за допомогою механізму спонтанної неензиматичної трансестерифікації, приводячи до утворення подовжених ланцюгів РНК і даючи початок їхньому різноманіттю. Саме цим шляхом у популяції олігонуклеотидів і полінуклеотидів могли з'явитися як каталітично активні види РНК (рибозими), так і інші види РНК зі спеціалізованими функціями (рис. 7). Більш того, неензиматична рекомбінація олігонуклеотидів, що комплементарно зв'язуються з полінуклеотидною матрицею, могла забезпечити зшивання (сплайсинг) фрагментів, комплементарних цій матриці, в єдиний ланцюг. Саме таким способом, а не каталізується полімеризацією мононуклеотидів, могло здійснюватися первинне копіювання (розмноження) РНК. Зрозуміло, якщо з'являлися рибозими, що мали полімеразну активність, то ефективність (точність, швидкість і продуктивність) копіювання на комплементарній. матриці мала значно зростати.
Рис. 7.Схема еволюції та спеціалізації молекул РНК
у процесі переходу від стародавнього світу РНК до сучасному світу
генетично детермінованого біосинтезу білків
ДругийВажливий момент у моїй версії у тому, що первинний апарат біосинтезу білка з'явився з урахуванням кількох видів спеціалізованих РНК до появи апарату ензиматичної (полімеразної) реплікації генетичного матеріалу - РНК і ДНК. Цей первинний апарат включав каталітично активну прорибосомну РНК, що мала пептидил-трансферазну активність; набір про-тРНК, що специфічно зв'язують амінокислоти або короткі пептиди; іншу прорібосомну РНК, здатну взаємодіяти одночасно з каталітичною прорібосомною РНК, про-мРНК та про-тРНК (див. рис. 7). Така система вже могла синтезувати поліпептидні ланцюги за рахунок каталізованої реакції транспептидації. Серед інших каталітично активних білків – первинних ферментів (ензимів) – з'явилися і білки, що каталізують полімеризацію нуклеотидів – реплікази, або НК-полімерази.
Втім, можливо, що гіпотеза про стародавньому світіРНК як попереднику сучасного живого світу так і не зможе отримати достатнього обґрунтування для подолання основної проблеми – науково правдоподібного опису механізму переходу від РНК та її реплікації до біосинтезу білка. Є приваблива та детально продумана альтернативна гіпотеза А.Д. Альтштейна (Інститут біології гена РАН), в якій постулюється, що реплікація генетичного матеріалу та його трансляція - синтез білка - виникали і еволюціонували одночасно і поєднано, починаючи з взаємодії абіогенно синтезованих олігонуклеотидів і аміноацил-нуклеотидилатів - змішаних ангідридів. Але це вже наступна казка... ( "І Шахразаду застиг ранок, і вона припинила дозволені промови".)
Література
1. Watson JD, Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740. 2. Watson JD, Crick F.H.C. Genetic implications of structure of deoxyribose nucleic acid // Nature 1953 V. 171. P. 964-967. 3. Спірін А.С.Сучасна біологія та біологічна безпека // Вісник РАН. 1997. № 7. 4. Spirin A.S.На макромолекулярній структурі природного високополімерного рібонуклеїчного хімічного розчину // Journal of Molecular Biology. 1960. V. 2. P. 436-446. 5. Kirn S.H., Suddath F.L., Quigley GJ. та ін.Три-dimensional tertiary structure of yeast phenylalanine transfer RNA // Science. 1974. V. 185. P. 435-40. 6. Robertas J.D., Ladner J.E., Finch J.T. та ін. Structure of yeast phenylalanine tRNA at 3 A resolution // Nature. 1974. V. 250. P. 546-551. 7. Vasiliev V.D., Serdyuk I.N., Gudkov A.T., SPIRin A.S. Self-organization of ribosomal RNA // Sturcture, Function and Genetics of Ribosomes / Eds. Hardesty B. and Kramer G. New York: Springer-Verlag, 1986. P. 129-142. 8. Baserga SJ., Steitz J.A.Різноманітний світ малих ribo-nucleoproteins // The RNA World / Eds. Gesteland R.F. і Atkins J.F. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, 1993. P. 359-381. 9. Kruger К., Grabowski PJ., Zaug AJ. та ін. Self-splicing RNA: Autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena// Cell. 1982. V. 31. P. 147-157. 10. Guerrier-Takada С., Gardiner К., Marsh Т. та ін. RNA moiety ribonucleases P is catalytic subunit of enzyme // Cell. 1983. V. 35. P. 849-857. 11. Опарін А.І.Походження життя. М: Московський робітник, 1924. 12. Опарін А.І.Виникнення життя Землі (3-тє вид.). М: Вид-во АН СРСР, 1957. 13. Woese С. Evolution of the genetic code // The Genetic Code. New York: Harper & Row, 1967. P. 179-195. 14. Crick F.H.C. origin of the genetic code // Journal of Molecular Biology. 1968. V. 38. P. 367-379. 15. Orgel L.E. Evolution of the genetic apparatus // Journal of Molecular Biology. 1968. V. 38. P. 381-393. 16. Gilbert W. The RNA world // Nature. 1986. V 319 P. 618. 17. Joyce G.F., Orgel L.E. Prospects for understanding origin of RNA world // The RNA World / Eds. Gesteland R.F. і Atkins J.F. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, 1993 P 1-25. 18. Chetverina H.V., Demidenko A.A., Ugarov V.I., Chetverin A.B.Спонтанні реорганізації в RNA sequences // FEBS Letters. 1999. V. 450. P. 89-94. 19. Bartel D.P., Szostak J.W. Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences // Science. 1993. V. 261. P. 1411-1418. 20. Ekland E.H., Bartel D.P. RNA-catalysed RNA polymerization використовуючи nucleoside triphosphates // Nature. 1996 V. 382. P. 373-376. 21. Orgel L.E. origin of life - Review of facts and speculations // Trends in Biochemical Sciences. 1998. V. 23. p. 491-495. 22. Альтштейн А.Д.Походження генетичної системи: гіпотеза прогенів // Молекулярна біологія. 1987. Т. 21. С. 309-322.
Біосинтез білка.
Пластичний обмін (асиміляція чи анаболізм) – сукупність реакцій біологічного синтезу. Назва цього виду обміну відбиває його сутність: з речовин, які у клітину з поза, утворюються речовини, подібні речовинам клітини.
Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну – біосинтез білків. Біосинтез білківздійснюється у всіх клітинах про -і еукаріотів. Інформація про первинну структуру (порядок амінокислот) білкової молекули закодована послідовністю нуклеотидів у ділянці молекули ДНК - гені.
Ген-це ділянка молекули ДНК, що визначає порядок амінокислот в молекулі білка. Отже, від нуклеотидів у гені залежить порядок амінокислот в поліпептиді, тобто. його первинна структура, від якої у свою чергу залежать всі інші структури, властивості та функції білкової молекули.
Система запису генетичної інформації в ДНК (і РНК) у вигляді певної послідовності нуклеотидів називається генетичним кодом. Тобто. одиниця генетичного коду (кодон) - це триплет нуклеотидів у ДНК або РНК, що кодує одну амінокислоту.
Усього генетичний код включає 64 кодони, з них 61 кодуючий і 3 некодуючі (кодони-термінатори, що свідчать про закінчення процесу трансляції).
Кодони-термінатори і - РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.
Початок процесу трансляції визначає кодон-ініціатор (АУГ, ДНК - ТАЦ), що кодує амінокислоту метіонін. Цей кодон першим входить у рибосому. Згодом метіонін, якщо він не передбачений як перша амінокислота даного білка, відщеплюється.
Генетичний код має характерні властивості.
1. Універсальність – код однаковий для всіх організмів. Один і той же триплет (кодон) в будь-якому організмі кодує ту саму амінокислоту.
2. Специфічність – кожен кодон шифрує лише одну амінокислоту.
3. Виродженість – більшість амінокислот можуть кодуватися кількома кодонами. Виняток становлять 2 амінокислоти - метіонін і триптофан, що мають лише за одним варіантом кодону.
4. Між генами є «розділові знаки» - три спеціальні триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких позначає припинення синтезу поліпептидного ланцюга.
5. Усередині гена «розділових знаків» немає.
Для того, щоб синтезувався білок, інформація про послідовність нуклеотидів у його первинній структурі має бути доставлена до рибосом. Цей процес включає два етапи – транскрипцію та трансляцію.
Транскрипція(переписування) інформації відбувається шляхом синтезу на одному з ланцюгів молекули ДНК одноланцюжкової молекули РНК, послідовність нуклеотидів якої точно відповідає послідовності нуклеотидів матриці – полінуклеотидного ланцюга ДНК.
Вона (і - РНК) є посередником, що передає інформацію від ДНК до місця збирання молекул білка в рибосомі. Синтез і РНК (транскрипція) відбувається наступним чином. Фермент (РНК - полімераза) розщеплює подвійний ланцюжок ДНК, і однією з її ланцюгів (кодирующей) за принципом комплементарності вибудовуються нуклеотиди РНК. Синтезована таким чином (матричний синтез) молекула і РНК виходить в цитоплазму, і на один її кінець нанизуються малі субодиниці рибосом.
Другий етап у біосинтезі білка - трансляція- це переклад послідовності нуклеотидів у молекулі та - РНК у послідовність амінокислот у поліпептиді. У прокаріотів, що не мають оформленого ядра, рибосоми можуть зв'язуватися з новоствореною молекулою і - РНК відразу ж після її відділення від ДНК або навіть до повного завершення її синтезу. У еукаріотів і - РНК спочатку має бути доставлена через ядерну оболонку в цитоплазму. Перенесення здійснюється спеціальними білками, які утворюють комплекс з молекулою і РНК. Крім функцій перенесення ці білки захищають і - РНК від дії, що пошкоджує цитоплазматичних ферментів.
У цитоплазмі однією з кінців і - РНК (а саме на той, з якого починається синтез молекули в ядрі) вступає рибосома і починається синтез поліпептиду. У міру просування молекулою РНК рибосома транслює триплет за триплетом, послідовно приєднуючи амінокислоти до зростаючого кінця поліпептидного ланцюга. Точна відповідність амінокислоти коду триплету і РНК забезпечується т РНК.
Транспортні РНК (т – РНК) «приносять» амінокислоти у велику субодиницю рибосоми. Молекула т – РНК має складну конфігурацію. На деяких ділянках її між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв'язки, і молекула формою нагадує лист конюшини. На її верхівці розташований триплет вільних нуклеотидів (антикодон), який відповідає певній амінокислоті, а основа є місцем прикріплення цієї амінокислоти (рис. 1).
Рис. 1. Схема будови транспортної РНК: 1 – водневі зв'язки; 2 – антикодон; 3-місце прикріплення амінокислоти.
Кожна т – РНК може переносити лише свою амінокислоту. Т-РНК активується спеціальними ферментами, приєднує свою амінокислоту і транспортує в рибосому. Усередині рибосоми в кожний момент знаходиться всього два кодони і-РНК. Якщо антикодон т-РНК є комплементарним кодону і-РНК, відбувається тимчасове приєднання т-РНК з амінокислотою до і-РНК. До другого кодону приєднується друга т-РНК, яка несе свою амінокислоту. Амінокислоти розташовуються поруч великої субодиниці рибосоми, і з допомогою ферментів з-поміж них встановлюється пептидна зв'язок. Одночасно руйнується зв'язок між першою амінокислотою та її т-РНК, і т-РНК йде з рибосоми за наступною амінокислотою. Рибосома переміщається однією триплет, і процес повторюється. Так поступово нарощується молекула поліпептиду, в якій амінокислоти розташовуються в суворій відповідності з порядком триплетів, що кодують їх (матричний синтез) (рис. 2).
Рис. 2. Схема бісинтезу білка: 1 – і-РНК; 2 - субодиниці рибосоми; 3 – т-РНК з амінокислотами; 4 – т-РНК без амінокислот; 5 – поліпептид; 6 - кодон та-РНК; 7-антикодон т-РНК.
Одна рибосома здатна синтезувати повний поліпептидний ланцюг. Проте, нерідко однією молекулою і-РНК рухається кілька рибосом. Такі комплекси називаються полірибосомами. Після завершення синтезу поліпептидний ланцюжок відокремлюється від матриці – молекули і-РНК, згортається в спіраль і набуває властивої їй (вторинної, третинної або четвертинної) структури. Рибосоми працюють дуже ефективно: протягом 1с бактеріальна рибосома утворює поліпептидний ланцюг із 20 амінокислот.
Найважливіші функції організму - обмін речовин, зростання, розвиток, передача спадковості, рух та ін - здійснюються внаслідок безлічі хімічних реакцій за участю білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно активних речовин. При цьому в клітинах постійно синтезуються різноманітні сполуки: будівельні білки, білки-ферменти, гормони. У ході обміну ці речовини зношуються та руйнуються, а замість них утворюються нові. Оскільки білки створюють матеріальну основу життя та прискорюють усі реакції обміну речовин, життєдіяльність клітини та організму загалом визначається здатністю клітин синтезувати специфічні білки. Їхня первинна структура зумовлена генетичним кодом в молекуліДНК.
Молекули білків складаються з десятків та сотень амінокислот (точніше, з амінокислотних залишків). Наприклад, у молекулі гемоглобіну їх близько 600, і вони розподілені в чотири поліпептидні ланцюжки; в молекулі рибонуклеази таких амінокислот 124 і т.д.
Головна роль визначенні первинної структури білка належить молекулам ДНК.Різні її ділянки кодують синтез різних білків, отже одна молекула ДНК бере участь у синтезі багатьох індивідуальних білків. Властивості білків залежать від послідовності амінокислот поліпептидної ланцюга. У свою чергу чергування амінокислот визначається послідовністю нуклеотидів у ДНК, і кожній амінокислоті відповідає певний триплет. Експериментально доведено, що, наприклад, ділянка ДНК з триплет ААЦ відповідає амінокислоті лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеїну і т.д. Розподіливши молекулу ДНК на триплет, можна уявити, які амінокислоти і в якій послідовності будуть розташовуватися в молекулі білка. Сукупність триплетів становить матеріальну основу генів, а кожен ген містить інформацію про структуру специфічного білка (ген - це основна біологічна одиниця спадковості; у хімічному відношенні ген є ділянка ДНК, що включає кілька сотень пар нуклеотидів).
Генетичний код -історично склалася організація молекул ДНК і РНК, коли він послідовність нуклеотидів у яких несе інформацію про послідовності амінокислот в білкових молекулах. Властивості коду:триплетність (кодон), неперекриваність (кодони слідують один за одним), специфічність (один кодон може визначати в поліієптидному ланцюгу тільки одну амінокислоту), універсальність (у всіх живих організмів один і той же кодон обумовлює включення в поліпептид одну і ту ж амінокислоту), надмірність (для більшості амінокислот існує кілька кодонів). Триплети, що не несуть інформації про амінокислоти, є стоп триплетами, що позначають місце початку синтезу та-РНК.(В.Б. Захаров. Біологія. Довідкові матеріали. М., 1997)
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається в цитоплазмі, існує посередник, який передає інформацію з ДНК рибосоми. Таким посередником служить і РНК, на яку нуклеотидна послідовність переписується, точно відповідно до такої на ДНК - за принципом комплементарності. Цей процес отримав назву транскрипціїта протікає як реакція матричного синтезу. Він характерний тільки для живих структур і лежить в основі найважливішої властивостіживого – самовідтворення. Біосинтезу білка передує матричний синтез іРНК на нитці ДНК. ІРНК, що виникла при цьому, виходить з ядра клітини в цитоплазму, де на неї нанизуються рибосоми, сюди ж за допомогою тРЙК доставляються амінокислоти.
Синтез білка - складний багатоступінчастий процес, у якому беруть участь ДНК, іРНК, тРНК, рибосоми, АТФ та різноманітні ферменти. Спочатку амінокісдоти в цитоплазмі активуються за допомогою ферментів і приєднуються до тРНК (до ділянки, де розташований нуклеотид ЦЦА). На наступному етапі йде з'єднання амінокислот у такому порядку, в якому чергування нуклеотидів із ДНК передано на іРНК. Цей етап називається трансляцією.На нитці іРНК розміщується не одна рибосома, а їх група - такий комплекс називається полісома (Н.Є. Ковальов, Л.Д. Шевчук, О.І. Щуренко. Біологія для підготовчих відділень медичних інститутів).
Схема Біосинтез білка
Синтез білка складається з двох етапів - транскрипції та трансляції.
I. Транскрипція (переписування) – біосинтез молекул РНК, що здійснюється в хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК (іРНК, рРНК, тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, оскільки у біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Потім іРНК і тРНК виходять у цитоплазму, рРНК вбудовується у субодиниці рибосом, які також виходять у цитоплазму.
ІІ. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, що здійснюється в рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:
1. Утворення функціонального центру рибосоми - ФЛР, що складається з іРНК та двох субодиниць рибосом. У ФЛР завжди знаходяться два триплети (шість нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активні центри: А (амінокислотний) - центр впізнавання амінокислоти і П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка.
2. Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, із цитоплазми до ФЛР. В активному центрі А здійснюється зчитування антикодону тРНК з кодоном іРНК, у разі комплементарності виникає зв'язок, який служить сигналом для просування (стрибок) вздовж іРНК рибосоми на один триплет. В результаті цього комплекс "кодон рРНК і тРНК з амінокислотою" переміщається в активний центр П, де відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка (білкової молекули). Після цього тРНК залишає рибосому.
3. Пептидна ланцюжок подовжується доти, доки не закінчиться трансляція і рибосома не зіскочить з іРНК. На одній іРНК може одночасно вміщатися кілька рибосом (полісома). Поліпептидний ланцюжок занурюється в канал ендоплазматичної мережі і там набуває вторинної, третинної або четвертинної структури. Швидкість збирання однієї молекули білка, що складається з 200-300 амінокислот, становить 1-2 хв. Формула біосинтезу білка: ДНК (транскрипція) -> РНК (трансляція) -> білок.
Завершивши один цикл, полісоми можуть брати участь у синтезі нових молекул білка.
Відокремилася від рибосоми молекула білка має вигляд нитки, що біологічно неактивна. Біологічно функціональною вона стає після того, як молекула набуває вторинної, третинної та четвертинної структури, тобто певну просторово специфічну конфігурацію. Вторинна і наступні структури білкової молекули зумовлені інформацією, закладеної у чергуванні амінокислот, т. е. у первинної структурі білка. Інакше висловлюючись, програма освіти глобули, її унікальна конфігурація визначаються первинної структурою молекули, що у своє чергу будується під контролем відповідного гена.
Швидкість синтезу білка обумовлена багатьма факторами: температурою середовища, концентрацією водневих іонів, кількістю кінцевого продукту синтезу, присутністю вільних амінокислот, іонів магнію, станом рибосом та ін.