Биосинтез белка в клетке

Все клетки любых организмов, как автотрофных так и гетеротрофных, способны осуществлять синтез белков — ведущее звено пластического обмена. В сложном и многоступенчатом процессе синтеза белка в живой клетке (т. е. биосинтеза) будет рассмотрен лишь один этап: образование полипептидной цепи из отдельных аминокислот, каждая из которых занимает совершенно определенное место в молекуле белка. Эти данные получены наукой сравнительно недавно. В самом обобщенном виде их можно наложить следующим образом. В ядре клетки молекулами ДНК «записан» (закодирован — от слова код) порядок аминокислот в белке. Информация об этом порядке от ядерной ДНК передается на синтезирующуюся информационную РНК. Этот процесс называется транскрипцией. Информационная РНК в цитоплазме вступает в соединение с рибосомами. К рибосомам же из цитоплазмы поступают и аминокислоты. Их доставляет туда транспортная РНК. Информационная и транспортная РНК вместе жестко определяют последовательность аминокислот при их синтезе ферментами рибосомы в белковую молекулу. Эта передача кода информации с РНК на аминокислоты белковой молекулы называется трансляцией. После окончания синтеза белковая молекула отрывается от рибосомы и уходит через эндоплазматическую сеть в глубь клетки.

Рассмотрим теперь перечисленные этапы биосинтеза белка несколько подробнее.

В каждой молекуле ДНК закодирована последовательность аминокислот для многих десятков и сотен различных белков. Способ кодирования следующий: последовательность аминокислот в белковой молекуле определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК. Но так как аминокислог, входящих в белки, 20, а нуклеотидов всего 4, то каждой аминокислоте соответствует не один нуклеотид, а определенное сочетание трех нуклеотидов, которое получило название триплета. Всего таких сочетаний (из 4 по 3) может быть 64, т. е. даже значительно больше, чем аминокислот.

Сейчас уже расшифрованы коды для всех аминокислот, входящих в состав белков. Так, аминокислота цистеин кодируется в молекуле ДНК таким сочетанием нуклеотидов (триплетом): А-Ц-А; аминокислота валин — триплетом Ц-А-А; аминокислота лейцин — триплетом А-А-Ц; аминокислота пролин — триплетом Г-Г-Г.

Приняты следующие сокращения: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Д — цитозин, У — урацил.

Поэтому если в какой-то части молекулы ДНК последовательность нуклеотидов будет: Ц-А-А-А-Ц-А-А-А-Ц-Г-Г-Г, то тем самым этой частью молекулы ДНК кодируется следующее соединение аминокислот в белковой молекуле: валин — цистеин — лейцин — пролин.

Поскольку длина молекулы ДНК намного превышает длину молекулы белка, то вдоль одной молекулы ДНК может быть закодирована последовательность аминокислот для многих молекул белков. Отрезок молекулы ДНК, несущий в себе информацию об одной молекуле белка, называется геном. Совокупность всех молекул ДНК клетки заключает в себе информацию о строении всех белков, которые в состоянии синтезировать данный вид животного или растения.

Транскрипция (переписывание) кода информации о синтезе белка с молекул ДНК на молекулы информационной РНК происходит в процессе их синтеза.

Информационная РНК синтезируется в ядре. Как и в случае репликации молекул ДНК, информационная РНК синтезируется из нуклеотидов по принципу комплементарности. Матрицей такого синтеза служит молекула ДНК. Надо только учесть, что в РНК вместо тиминового нуклеотида (Т) имеется урациловый (У). Поэтому при синтезе информационной РНК против А(ДНК) встанет У(РНК), против Т(ДНК) — А(РНЛ), против Г(ДНК) — Ц(рнк) и против Ц(днк) — Г(РНК) Поэтому приведенный уже выше код для последовательности четырех аминокислот будет «переведен» с языка ДНК на язык информационной РНК следующим образом:

валин — цистеин — лейцин — пролин последовательность аминокислот
Ц-А-А-А-Ц-А-А-А-Ц-Г-Г-Г код этой последовательности в одной цепочке ДНК
Г-У-У-У-Г-У-У-У-Г-Ц-Ц-Ц транскрипция этой последовательности на молекулу информационной РНК

Таким образом, одна и та же аминокислота (например, валин) в молекуле ДНК кодируется триплетом Ц-А-А, а после транскрипции на молекулы информационной РНК кодируется комплектарным триплетом Г-У-У. Это закономерно вытекает из способа синтеза молекул информационной РНК. Завершив синтез, эти молекулы из ядра выходят в цитоплазму и вступают в контакт с рибосомами.

Местом синтеза белка служат рибосомы. Каждая из них как бы нанизывается на молекулу информационной РНК и, продвигаясь вдоль нее, «читает» план сборки молекулы белка, триплет за триплетом. Превращение этого плана в реальные молекулы белка осуществляется с участием еще одной нуклеиновой кислоты — транспортной РНК.

biosintez-belka-v-kletke

Молекулы транспортной РНК достаточно мелки — это короткие одинарные цепочки нуклеотидов. Каждая молекула транспортной РНК специфична только для какой-то одной аминокислоты, только ее она может доставить из цитоплазмы к месту «сборки» белка. Специфичность молекул транспортной РНК достигается ее строением: один конец короткой цепочки несет на себе триплет, соответствующий коду данной аминокислоты (например, для валина — Ц-А-А), а другой конец может химически соединяться только с этой же самой кислотой. Именно в такой паре (например, валиновая транспортная РНК и сам валин) они и попадают на рибосому. Если же в этот момент рибосома находится на «валиновом» триплете информационной РНК (Г-У-У), то «валиновый» триплет свободного конца транспортной РНК (Ц-А-А) по принципу комплементарности тотчас присоединяется к информационной РНК. Так, место аминокислоты валин фиксируется как раз там, где оно было сначала закодировано в молекуле ДНК (триплетом Ц-А-А), потом — в молекуле информационной РНК (триплетом Г-У-У) и, наконец, доставлено транспортной РНК с триплетом Ц-А-А.

Таким образом, пока рибосома движется вдоль по молекуле информационной РНК, разные транспортные РНК со своими аминокислотами присоединяются к информационной РНК. Ферментные системы рибосом последовательно отщепляют аминокислоты от транспортных РНК и соединяют их между собой в цепочку белковой молекулы. Освободившиеся транспортные РНК снова переходят в цитоплазму за следующими порциями аминокислот. Так создается специфичность белковой молекулы на уровне ее первичной структуры. Вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются как первичной ее структурой, так и рядом других условий.

Следует иметь в виду, что каждое из описанных звеньев биосинтеза катализируется определенными ферментами и снабжается энергией за счет молекул АТФ.

Даже очень схематично описанный процесс биосинтеза удивляет своей упорядоченностью. А если к этому добавить, что в живой клетке синтез одной молекулы белка длится всего 3-4 с и что одновременно в разных участках клетки осуществляются синтезы самых разных белков и вместе с тем идет масса других биохимических процессов, то закономерен вопрос: каким же способом все это регулируется? Не все конкретные пути регуляции открыла еще наука. Но она открыла главный принцип регуляции в живой клетке — авторегуляцию. Предельно простым ее случаем будет следующий. Если какой-то белок синтезирован в клетке в достаточном количестве, то его дальнейшему синтезу препятствует сам факт присутствия этого белка в клетке. Пока он не выведен из клетки (или не израсходован каким-то иным путем), он химически действует на белки-ферменты, принимающие участие в его синтезе как тормоз. Ферменты временно перестают действовать. Синтез приостановлен. Но вот белок израсходован. Тем самым его тормозящее действие на ферменты исчезло. И синтез вновь возобновляется.

Легко понять, сколь длительным и многотрудным был путь эволюции живых организмов, прежде чем была достигнута столь совершенная авторегуляция.