Как осуществляется биосинтез белков в клетке и какова роль в этом процессе рибосом, ДНК и РНК

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где связывается с малой субъединицей рибосомы.

Рибосомы — это органоиды диаметром 17—25 нм, являющиеся местом синтеза белка из аминокислот. Они обнаружены в клетках всех организмов, в том числе прокариотических. В цитоплазме десятки тысяч рибосом располагаются свободно (одиночно или группами) или прикреплены к микротрабекулам, наружной поверхности мембраны ядра и эндоплазматического ретикулума. Они обнаружены также в митохондриях и хлоропластах. Каждая рибосома состоит из двух нуклеопротеидных субъединиц разной величины, формы и химического строения, удерживающихся вместе благодаря присутствию в них ионов магния.

С иРНК может связываться не одна рибосома, а последовательно около десятка, которые расположены одна за другой подобно жемчужинам на нитке, в виде так называемой полисомы. Образование полисом повышает эффективность функционирования тРНК за счет того, что одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей.

Трансляция — это процесс перевода кодовой последовательности нуклеотидов иРНК в первичную структуру белка. Первой стадией трансляции является связывание рибосомы со стратовым (инициирующим) кодоном (АУГ) вблизи 5’-конца иРНК. Отсюда молекула иРНК прерывисто, триплет за триплетом, продвигается через рибосомы, что сопровождается ростом полипептидной цепочки. Число аминокислот в таком белке равно числу триплетов иРНК.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при помощи транспортных РНК — важнейших участников синтеза белка. Каждая тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется активированная аминокислота. Активацию аминокислот осуществляют специфичные ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, т.е. для каждой аминокислоты существует свой фермент. Механизм активации заключается в том, что фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ называет активированной (богатой энергией) аминокислотой, способной спонтанно образовать пептидную связь в молекулах полипептидов. Этот процесс активации — необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

В противоположной части молекулы тРНК располагается специфический триплет (антикодон), ответственный за прикрепление по принципу комплементарности к определенному триплету иРНК (кодону); отсюда и название — антикодон. Таким образом, именно комплексы аминоацил-тРНК считывают информацию, закодированную в иРНК.

Комплекс аминоацил-тРНК за счет образования временных водородных связей с помощью антикодона присоединяется к кодону иРНК. За счет образования временных водородных связей к определенному триплету иРНК (кодону); отсюда и название — антикодон. Таким образом, именно комплексы аминоацил-тРНК считывают информацию, закодированную в иРНК.

Комплекс аминоацил-тРНК с помощью антикодона при соединяется к кодону иРНК.

После того, как иРНК вышла из ядра и прикрепилась к малой субъединице рибосомы, к и РНК присоединяется инициаторная тРНК. Ее антикодон взаимодействует со стартовым кодоном иРНК — АУГ. Далее к малой субъединице рибосомы присоединяется большая субъединица и формируется рабочая рибосома. На инициаторной тРНК находится аминокислота метионин. В рибосому транспортная РНК доставляет следующую активированную аминокислоту. Если антикодон этой тРНК комплементарен следующему за стартовым кодоном, то между кодоном и антикодоном образуются временные водородные связи, благодаря чему в рибосоме окажутся две рядом стоящие активированные аминокислоты, между которыми возникает пептидная связь. Вслед за этим иРНК продвигается на один триплет вперед; инициаторная тРНК вытесняется из рибосомы, а ее место в рибосоме занимает следующая за ней тРНК. На свободное место в рибосому доставляется следующая активированная аминокислота, и если антикодон доставившей ее тРНК соответствует кодону иРНК, то рядом в рибосоме сном окажутся две активированные аминокислоты. Это вновь вызовет образование пептидной связи между строящейся цепью белка и аминокислотным остатком и вслед за этим продвижение цепи иРНК на один триплет вперед и т. д. Таким путем осуществляется последовательно, триплет за триплетом, протягивание цепи иРНК через рибосому, в результате чего цепь иPНК «прочитывается» рибосомой целиком, от начала до конца. Одновременно и сопряженно с этим, происходит последовательное, аминокислота за аминокислотой, наращивание белковой цепочки. Соответственно в рибосому одна за другой поступают молекулы тРНК с аминокислотами и выходят молекулы тРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы тРНК вновь соединяются с соответствующими им аминокислотами, и несут их в рибосому.

Синтез белка продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих кодонов (стоп-кодонов): УАА, УАГ, УГА. Как только стоп-кодон достигает рибосомы, происходит освобождение синтезированного белка и диссоциация рибосом на отдельные субъединицы. На этом синтез белка прекращается. Дальнейшее созревание белковой молекулы происходит в цитоплазме либо в цистернах гранулярной эндоплазматической сети. Таким образом, последовательность кодонов иРНК определяет последовательность включения аминокислот в цепь белка.

Большое значение имеет участие в трансляции цепочки рибосом (полисом), что дает возможность молекуле иРНК последовательно присоединиться к ним и служить матрицей для синтеза нескольких одинаковых молекул белка. После завершения синтеза белка молекула иРНК под действием ферментов распадается на отдельные нуклеотиды, которые транспортируются в ядро.

Следовательно, роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка заключается, во-первых, в преобразовании генетической информации, представленной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру молекулы иРНК в ядре; во-вторых, в синтезе белков из аминокислот на основе иРНК в цитоплазме клетки. Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ. Вновь синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматического ретикулума, где происходит их дозревание. Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: в одну минуту образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей. Синтез одной молекулы белка длится около 3-4 с. В результате половина белков нашего тела (всего в нем около 17 кг белка) обновляется за 80 дней. За свою жизнь человек обновляет весь свой белок около 200 раз.