Пластический обмен. Биосинтез белков

К основным процессам пластического обмена принадлежат биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, а также фотосинтез и хе­мосинтез.

В качестве примера познакомимся с механизмом биосинтеза белков в клетке. Как известно, молекула белка является полимером, в роли мономе­ров полимерной молекулы белка выступают аминокислоты. У высших жи­вотных и человека аминокислоты образуются в результате пищеварения, после чего кровь приносит их в клетки, где они используются для постро­ения новых белков, характерных для данного организма. Клетки растений не получают аминокислоты в готовом виде, они сами способны их синтезиро­вать, используя при этом азот, аммиак, нитраты. Белки выполняют в организме множество важнейших функций: они катализируют биохимические реакции, осуществляют все виды клеточных движений, создают различные компоненты клеточных органелл, иными словами, от них зависит вся жиз­недеятельность организма. В клетке содержатся несколько тысяч различ­ных белков, причем каждый вид клеток имеет специфические белки, при­сущие только данному виду клеток. Способность синтезировать только свои белки передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется в те­чение всей жизни. Белки синтезируются в клетке постоянно, приходя на смену «отработавшим свое» молекулам, структура и функции которых со временем нарушаются. Такие молекулы белков удаляются из клетки и за­меняются новыми полноценными молекулами.

Структура молекулы белка главным образом определяется последова­тельностью аминокислот в его полипептидной цепи. Основная роль в опре­делении этой последовательности аминокислот принадлежит ДНК, находя­щейся в ядре клетки. Каким же образом аминокислотная последователь­ность белка закодирована в структуре молекулы ДНК? Поскольку ДНК и полимерная молекула белка представляют собой линейные (неразветвленные) молекулы, естественно напрашивается мысль, что порядок нуклеотидов в ДНК определяет порядок аминокислот в молекуле белка. В состав ДНК входит четыре вида нуклеотидов — это значит, что «алфавит» генети­ческого кода состоит из четырех букв. Поскольку в состав белков входит 20 видов аминокислот, ясно, что каждая из них не может определяться только одной такой «буквой», ибо в этом случае 16 «лишних» аминокислот вообще не имели бы шансов попасть в белок. Не могут «слова» генетичес­кого кода состоять и из двух букв, потому что из четырех букв можно со­ставить не более 16-ти пар, что все еще очень мало. Число же различных сочетаний по три из четырех «букв» равно 64, а этого уже хватает с избыт­ком. Таким образом, каждая из двадцати видов аминокислот имеет свой код в виде трех рядом лежащих в цепочке ДНК нуклеотидов, которые называ­ются триплетом или кодоном. Генетическим кодом молекулы белка в целом является последовательность триплетов (кодонов) молекулы ДНК.

В настоящее время код ДНК полностью расшифрован. Для каждой аминокислоты точно установлен состав кодирующих ее троек нуклеотидов — кодон. В коде ДНК во многих случаях одна и та же аминокислота зако­дирована не одним кодоном, а несколькими — двумя, тремя, четырьмя и даже шестью. Предполагают, что такое свойство кода имеет значение для повышения надежности хранения и передачи наследственной информации. Поскольку молекулы ДНК по своим размерам во много раз превосходят размеры молекул белков, то следует отметить, что одна и та же молекула ДНК содержит в себе код не одной, а нескольких молекул белка. Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информация о структуре одной мо­лекулы белка, называется геном. Между генами находятся «знаки препинания» - участки, которые не несут генетическую информацию, а лишь от­деляют одни гены от других. Их называют спейсерами (от англ. спейс — пространство). В генетическом коде есть три кодона (УАА, УАГ, УГА), каж­дый из которых означает окончание синтеза молекулы белка. Это так назы­ваемые стоп-кодоны. Кодон УАГ определяет место начала синтеза очеред­ной молекулы белка.

Исследования по расшифровке генетического кода раскрыли его ос­новные свойства:

1. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, которая называется триплетом или кодоном.

2. У всех организмов одни и те же аминокислоты кодируются одними и теми же кодонами, т. е. код универсален.

3. Код является вырожденным: одна аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном.

4. Код не перекрывается: считываются кодоны один за другим. Напри­мер, с последовательности АУГГЦАЦГА считывание происходит только таким образом: АУГ/ГЦА/ЦГА. Считывания типа АУГ/УГГ/ГГЦ или АУГ/ ГГЦ/ЦАЦ не происходят.

Механизм биосинтеза белка был окончательно выяснен в 50-е годы XX столетия. Он состоит из нескольких этапов. Первый этап—транскрипция — это синтез и-РНК на одной из цепей молекулы ДНК, который осуществляется по принципу комплементар­ное™. Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, как бы перепи­сываетсяна и-РНК. Затем молекула и-РНК покидает ядро и направляется к месту синтеза белка, т. е. к рибосомам. Сюда же поступают и аминокис­лоты, из которых строится белок. В цитоплазме всегда имеется достаточ­ное их количество, т. к. кровь постоянно приносит аминокислоты в клетки из кишечника.

Транспорт аминокислот к месту синтеза белка осуществляется при по­мощи транспортных РНК (т-РНК). Т-РНК — относительно небольшие мо­лекулы, состоящие приблизительно из 30 нуклеотидов. Цепочка т-РНК в пространстве свернута в петлеобразную структуру, похожую по форме на лист клевера. На его верхушке расположен так называемый антикодон — триклет, комплементарный одному из кодонов и-РНК, который соответ­ствует определенной аминокислоте. Именно эту аминокислоту способна транспортировать данная т-РНК, присоединяя ее к себе в зоне акцепторно­го участка, расположенного у ножки «листа клевера». Так как в построении белков участвуют 20 видов аминокислот, значит в их транспортировке участву­ют 20 видов т-РНК, потому что каждый вид т-РНК способен присоединять и переносить только одну определенную аминокислоту.

Следующий этап биосинтеза белка называется трансляцией (от лат. транслятио — передача). Во время этого этапа информация о структуре бел­ка, записанная на и-РНК в виде последовательности кодонов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Процесс сборки белковой молекулы начинается с того, что рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца таким образом, что ее малая и большая субъединицы оказываются по обе стороны моле­кулы и-РНК. Рибосома передвигается по ней с кодона на кодон не плавно, а прерывисто, «шажками», делая при этом короткие остановки. Во время каждой из таких остановок в функциональном центре рибосомы (участке, где осуществляется трансляция) всегда одновременно находятся два сосед­них кодона информационной РНК.

Каждый раз, когда рибосома приостанавливает свое движение по и-РНК, в процесс биосинтеза белка включаются т-РНК. Непрерывным потоком, дви­гаясь друг за другом, они начинают перемещаться в рибосому, неся каждая свою аминокислоту. Задержится в рибосоме только та из них, антикодон ко­торой окажется комплементарным первому из двух кодонов и-РНК, находя­щихся в данный момент в функциональном центре рибосомы. На какой-то миг между ними возникает комплементарная связь, одновременно при помощи фермента от этой т-РНК отцепляется молекула аминокислоты. Освободив­шаяся от аминокислоты т-РНК опять-таки при помощи определенного фер­мента отсоединяется от молекулы и-РНК и покидает рибосому. В цитоплаз­ме она вновь способна присоединить к себе такую же аминокислоту. Тем временем рибосома, закончив трансляцию первого кодона и-РНК, передви­гается на очередной ее кодон и снова при помощи транспортных РНК про­должает подбирать нужную аминокислоту. Между аминокислотами возника­ют ковалентные связи, и полипептидная цепочка начинает расти звено за звеном (рис. 15). В зависимости от потребностей клетки рибосома, исполь­зуя одну и ту же молекулу информационной РНК, может построить сколько угодно одинаковых молекул белка, но, как правило, делает это она не одна. Одновременно по одной молекуле и-РНК могут двигаться, синтезируя оди­наковые молекулы белка, сразу несколько рибосом. В совокупности они представляют собой так называемую полирибосому.

Для синтеза белка необходимы ферменты и энергия, которая освобож­дается при расщеплении АТФ.

Когда рибосома достигает стоп-кодона, синтез молекулы белка закан­чивается, и рибосома, а вместе с ней и синтезированная молекула белка, покидают молекулу и-РНК. После этого рибосома попадает на любую дру­гую молекулу и-РНК, а молекула белка — на мембраны эндоплазматического ретикулума с тем, чтобы переместиться в ту часть клетки, где она в данный момент необходима.

ВОПРОСЫ.

1. Пронумеруйте последовательность событий пластического обмена:

А) выполнение синтезированными соединениями их биологических функций

Б) синтез «строительных блоков» из промежуточных соединений

В) синтез макромолекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров из «строительных блоков»

Г) синтез промежуточных соединений из низкомолекулярных веществ

2. Определите соответствие между молекулами и их функциями в синтезе белка:

1) универсальный переносчик энергии;

2) матрица для синтеза всех типов РНК;

3) часть рибосомы, которая принимает участие в синтезе белка, работает в цитоплазме;

4) «подвозит» к месту синтеза белка аминокислоту и определяет в какое место белковой цепочки ее нужно поставить, работает в цитоплазме;

5) матрица для синтеза белка, работает в цитоплазме вместе с рибосомой

А) РНК, Б) т-РНК, В) рРНК, Г) ДНК

А - _____, Б - ______, В - _______, Г - ______.

3. Обозначьте знаком «+» правильные ответы, знаком «-» - неправильные.

А. Трансляция – это процесс синтеза всех типов РНК, который происходит в ядре клетки на матрице – молекуле ДНК

Б. В процессе трансляции информация, которая содержится в иРНК, реализуется, синтезируется соответствующий белок

В. Синтез белка начинается на стадии элонгации

Г. Синтез белка начинается с образования инициирующего комплекса, который образуется в результате объединения иРНК с малой субъединицей рибосомы

4. Обозначьте знаком «+» все правильные ответы.

1) Синтез нуклеиновых кислот в ядре:

А. Трансляция Б. Транскрипция

В. Транслокация Г. Трансдукция

2) Трансляция протекает:

А. В ядре Б. В цитоплазме

В. С использованием рибосом Г. С затратой энергии

3) На вершине каждой молекулы тРНК расположен:

А. Кодон Б. Антикодон

В. Ген Г. Стоп-кодон

4) Локализация синтеза белков в клетке:

А. Гладкая эндоплазматическая сеть

Б. Шероховатая эндоплазматическая сеть

В. Ядро клетки

Г. Лизосомы

5. Рассмотрите рисунок, напишите название процесса и сделайте обозначения

______________________________________________________________________________________________________________

1 - _____________________________________________________

2 - _____________________________________________________

3 - _____________________________________________________

4 - _____________________________________________________

6. Пронумеруйте последовательность событий в процессе синтеза белка

А. Трансляция

Б. Превращение про- иРНК в зрелую иРНК

В. Образование пространственной структуры молекулы белка

Г. Транскрипция

Практическая работа № 4