Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: рРНК, входящие в состав рибосом, и тРНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена) — и трансляция — синтез полипептидной цепи.
В биосинтезе белка активное участие принимают различные молекулы РНК, рибосомы и мономерные молекулы – разные аминокислоты, из которых строится полимерная молекула – протеин, или белок.
План строения белка закодирован в молекуле ДНК, но сама она в синтезе белковых молекул участия не принимает, а служит лишь матрицей для синтеза информационной (или матричной) РНК (иРНК, или мРНК). Поэтому процесс синтеза белка складывается из двух этапов: создания иРНК и сборки молекулы белка по информации, заключенной в молекуле иРНК.
Первый этап – создание иРНК, которая путем «списывания» копирует последовательности нуклеотидов с определенных участков ДНК. Данный этап получил название транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание).
Второй этап – этап непосредственного создания молекул белка – называют трансляцией (от лат. translatio – передача, перенесение).
Также следует обратить внимание на то, что появившийся таким путем первый транскрипт РНК еще не является готовой иРНК. Списанные копии несут в себе полную информацию, включая и интроны(участки не кодирующие ген), и экзоны(соответственно несущие генетическую информацию. Только после процесса созревания (сплайсинга, процессинга) первоначально списанныйтранскрипт РНК (преРНК) превратится в «зрелую» иРНК. Затем иРНК выходит из ядра в цитоплазму и, соединившись с рибосомой, начинает трансляцию – синтез белка из аминокислот с участием рибосом, ферментов, рРНК и тРНК.
Транскрипция у бактерий
Совсем иначе синтез иРНК осуществляется у прокариотических клеток (бактерий) и вирусов-бактериофагов. На кольцевой молекуле бактериальной ДНК (бакДНК) участки генетического материала, с которого осуществляется транскрипция одной иРНК, представлены нуклеотидными комплексами – оперонами (от лат. operor – работаю, действую). Оперон считают основной единицей генетического материала на уровне транскрипции у бактерий.
Структура оперона
Наиболее важным компонентом оперонной регуляции синтеза РНК являются ген-регулятор, кодирующий белок-репрессор (подавитель), и оператор, к которому имеет сродство репрессор. Оператор и тесно сцепленные с ним структурные гены (один, два или несколько), находящиеся под его контролем, образуют оперон. Ген-регулятор не входит в состав оперона, хотя и может быть сцеплен с ним.
Каждый оперон включает в себя особые регуляторные зоны: участок начала транскрипции – промотор – и находящийся рядом с ним оператор, сцепленный со структурными генами; терминатор, сигнализирующий о прекращении транскрипции, расположен в конце оперона.
Промотор представляет собой короткую последовательность нуклеотидов ДНК (несколько десятков), с которым связывается РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию ДНК. Присоединившись к промотору, РНК-полимераза разрывает водородные связи между цепями ДНК, раскручивает спираль. В итоге на этом участке образуются две раздельные цепи ДНК, на одной из которых идет транскрипция, обеспечивающая синтез иРНК. Присоединение к иРНК новых нуклеотидов идет только на 3'-конце, поэтому синтезируемая цепь иРНК удлиняется в направлении 5' → 3'. Удлинение иРНК совершается до тех пор, пока не дойдет до терминатора. Здесь транскрипция прекращается, РНК-полимераза отделяется от матрицы и от синтезированной цепи иРНК. По завершении списывания РНК-полимераза вновь готова начать процесс транскрипции. Напомним, что созревания молекул РНК у прокариотических клеток не происходит, поэтому синтезируется сразу иРНК.
Однако процесс списывания информации с ДНК происходит лишь в том случае, если оператор не связан с репрессором. Если эта связь имеется, РНК-полимераза не может двигаться вдоль оперона. Пока репрессор связан с оператором, транскрипция не происходит, она блокирована репрессором. Для разблокирования репрессора необходимо, чтобы к промотору был присоединен активатор – белок позитивного (положительного) контроля. С момента присоединения белка-активатора к промотору репрессор блокируется и РНК-полимераза начинает транскрипцию.
Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом. Особенностями строения гена эукариот являются: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими). Экзоны (Э) — участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) — участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции. Промотор (П) — участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.
Транскрипция у эукариот
Цепь иРНК синтезируется непосредственно на одной из цепей молекулы ДНК, которая в этом процессе служит матрицей. Синтезируемая цепь иРНК при этом точно копирует нуклеотидную последовательность матрицы по принципу комплементарности, с той лишь разницей, что тимину (Т) в ДНК соответствует урацил (У) в РНК. Весь процесс синтеза иРНК совершается с помощью особого фермента – РНК-полимеразы, передвигающегося вдоль цепи молекулы ДНК. Сама ДНК в этом процессе не изменяется и не расходуется, сохраняется в прежнем виде и потому сразу готова к новому списыванию с нее информации на иРНК.
На протяжении всей молекулы ДНК таких участков списывания информации может быть одновременно очень много. Многократным списыванием информации с каждого участка создается тот поток различных копий иРНК с ДНК, который обеспечивает программирование биосинтеза всех необходимых белков клетки.
Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.
РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться по этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).
В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5'-конца т.е. достраивание с образованием особой структуры, ответственной за последующее связывание молекулы мРНК с рибосомой, 2) полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».
Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.
Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).
Трансляция
Трансляция — синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.
Органоиды, обеспечивающие трансляцию, — рибосомы. Уэукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах — митохондриях и пластидах, в свободном виде в цитоплазме и на мембранах эндоплазматической сети. Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки. В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая — за биохимические, ферментативные.
В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три — в пептидильном и три — в аминоацильном участках.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК. Длина тРНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3'-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.
теоретически может быть 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне тРНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных тРНК.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5'-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониноваятРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониноваятРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониноваятРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.
Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут.
В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).
