Понятие и процессы биосинтеза белка
В 9 классе в рамках курсах биологии учащиеся начинают проходить тему биосинтез белка — важнейший процесс, лежащий в основе функционирования всех живых организмов. В 10 классе процесс биосинтеза белка рассматривается более подробно в рамках молекулярной биологии.
Молекулярная биология — наука о механизмах хранения, передачи и реализации генетической информации, строении и функциях сложных соединений (белков и нуклеиновых кислот), составляющих клетку.
Эти механизмы и молекулы были открыты сравнительно недавно: структуру ДНК впервые расшифровали в 1953 году, а многим знакомый по COVID-19 метод ПЦР (полимеразная цепная реакция) учёные разработали в 1983 году.
В настоящее время молекулярная биология — одна из самых быстро развивающихся наук. Стартапы в этой области ежегодно привлекают миллионы долларов инвестиций.
Что такое биосинтез белка
Биосинтез — это процесс создания сложных органических веществ в ходе биохимических реакций, протекающих с помощью биологических катализаторов (ферментов).
Проще говоря, каждая клетка синтезирует необходимые ей вещества. Этот процесс необходим для выживания, ведь без него клетка умрёт.
Один из важнейших процессов биосинтеза в клетке — биосинтез белков, который включает в себя особые реакции матричного синтеза — процесса синтеза белка по спирали ДНК.
Реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, а реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.
Биосинтез белка является одним из центральных процессов пластического обмена, совокупности процессов, направленных на построение и обновление клеток и тканей организма. Этот процесс особенно активен в период роста, заживления ран и после физических нагрузок, когда требуется усиленное восстановление тканей.
Схема биосинтеза белка
Всё начинается с гена — участка ДНК, состоящего из нуклеотидов. Это тот «рецепт», по которому будет «приготовлен» белок. Белок состоит из аминокислот, последовательность аминокислот в каждом белке строго определяется последовательностью нуклеотидов в гене — какое-то время даже действовало строгое правило: один ген — один белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом, одно из свойств которого — триплетность.
Триплетность — первое свойство генетического кода, когда одной аминокислоте соответствует триплет (кодон) из трёх нуклеотидов ДНК.
Понятие «ген» можно определить более строго — как последовательность нуклеотидов ДНК, по которой будет построена последовательность нуклеотидов информационной РНК (иРНК), а затем последовательность аминокислот в белке.
Здесь мы приближаемся к догме молекулярной биологии:
ДНК → иРНК → белок
По одной последовательности ДНК можно построить один или несколько вариантов иРНК, а значит, один или несколько разных белков. Гены определяют белки, а значит, и нас самих: например, цвет глаз и кожи, с какой скоростью будет выделяться слюна в ответ на приятный запах яблочного пирога из кухни и в какой момент мы будем засыпать и просыпаться.
Чаще всего проявление признаков регулирует и определяет группа генов, а также внешняя среда. Можно лишь условно сказать, что есть ген цвета глаз — на самом деле этих генов несколько. Это можно заметить, если внимательно присмотреться к радужке, — часто можно увидеть некоторую «смесь» цветов, а не чистый зелёный, голубой или карий.
Но бывают и случаи, когда изменение одного гена приводит к явному изменению работы организма. Например, гены свёртываемости крови находятся в половой хромосоме Х, и мутация в одном из этих генов вызывает гемофилию — нарушение свёртываемости крови. Это связано с тем, что свёртывание крови — сложный процесс, в котором задействовано несколько белков — факторов свёртывания, и поломка одного из них нарушает коагуляцию.
ДНК построена из четырёх видов нуклеотидов:
- аденина (А);
- тимина (Т);
- гуанина (Г);
- цитозина (Ц).
РНК также построена из четырёх видов нуклеотидов:
- аденина (А);
- урацила (У);
- гуанина (Г);
- цитозина (Ц).
Роль РНК в биосинтезе заключается в передаче генетической информации и обеспечении сборки белков. Процесс создания иРНК по матрице ДНК называется транскрипцией. Белки состоят из 20 видов аминокислот и создаются по матрице иРНК.
Процесс перевода триплетов гена в последовательность аминокислот называют трансляцией.
Для каждого триплета определена аминокислота, которая ему соответствует. Собственно, генетический код — совокупность правил, согласно которым в живых клетках последовательность триплетов (генов и иРНК) переводится в последовательность аминокислот (белков).
Этап трансляции протекает при участии специальных органелл — рибосом.
Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков.
Этапы биосинтеза белка
Последовательность биосинтеза белков содержит 2 последовательных этапа: транскрипция и трансляция.
| Этап | Где происходит | Результат |
| Транскрипция | Ядро клетки | Синтез молекулы иРНК |
| Трансляция | Цитоплазма клетки при участии рибосом | Синтез белка |
Транскрипция — первый этап биосинтеза белка
Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК по участку молекулы ДНК.
Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, из которых основную работу осуществляет ДНК-зависимая РНК-полимераза, или просто РНК-полимераза. Молекула ДНК является матрицей в транскрипции.
РНК-полимераза находит специальный участок гена — промотор — и начинает раскручивать двойную спираль ДНК — иРНК строится только по одной цепи ДНК. Фермент перемещается вдоль цепи ДНК и строит цепь иРНК в соответствии с принципом комплементарности. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть принцип комплементарности: А = Т, Г ≡ Ц.
Далее по мере движения фермента растёт цепь иРНК, а двойная цепь ДНК восстанавливается. Когда фермент достигает триплета, называемого стоп-кодоном, молекула иРНК отделяется от матрицы, то есть от молекулы ДНК.
Транскрипция — это первый этап биосинтеза белка. На этом этапе происходит перевод информации, закодированной в одном гене, с цепи ДНК в иРНК.
Копировать ген, хотя он уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам:
- синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму;
- иРНК компактнее, чем ДНК, несёт в себе информацию, закодированную одним геном, и может транспортироваться в цитоплазму;
- обычно далеко не все гены в клетках используются для производства белков. Например, есть клетки кожи, в которых производится много белка кератина, а есть специальные клетки поджелудочной железы, которые производят белковый гормон инсулин. При этом в каждой клетке тела есть гены кератина и инсулина, но далеко не в каждой клетке производятся белки по этим генам.
После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’-конец подвешивается 5’-кэп для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК, — это называется кэпированием.
На 3’-конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы, — это полиаденилирование. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков). После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.
Здесь речь идёт об эукариотических клетках. В прокариотических клетках процессинг иРНК не происходит за редкими исключениями.
Внутри наших клеток можно найти белки, которые называют факторами транскрипции. Эти белки контролируют экспрессию генов. Если появятся мутации, которые «сломают» факторы транскрипции, то организм либо просто не выживет, либо это приведёт к возникновению какого-либо синдрома, например синдрома Ретта, редких аутоиммунных заболеваний и других расстройств. Нарушение в работе белка p53 ведёт к развитию рака, а многие факторы транскрипции являются онкогенами или онкосупрессорами.
Транскрипция пошагово:
- РНК-полимераза «садится» на 3’-конец транскрибируемой цепи ДНК.
- Начинается элонгация — полимераза «скользит» по ДНК в сторону 5’-конца и строит цепь иРНК, комплементарную ДНК.
- Полимераза доходит до конца гена, «слетает» с ДНК и отпускает иРНК.
- После этого происходит процесс созревания РНК — процессинг.
Трансляция — второй этап биосинтеза белка
Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
Что же происходит в клетке? Трансляция представляет собой непосредственно процесс построения белковой молекулы из аминокислот по матрице иРНК. Трансляция происходит в цитоплазме клетки. В трансляции участвуют рибосомы, ферменты и три вида РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Главным поставщиком энергии при трансляции служит молекула АТФ — аденозинтрифосфорная кислота.
Ошибочно полагать, что лизосомы участвуют в биосинтезе белка. Лизосомы — это клеточные органеллы, содержащие растворимые ферменты. Они обеспечивают клетку необходимыми аминокислотами, расщепляя старые или повреждённые белки, что способствует эффективному биосинтезу новых белков. Таким образом, лизосомы играют лишь вспомогательную роль в процессе биосинтеза белка.
В ходе трансляции к триплетам иРНК подбираются соответствующие аминокислоты — этот процесс идёт в цитоплазме на рибосомах. Рибосома «скользит» по иРНК и выстраивает белок из аминокислот. Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК (тРНК). В рибосоме есть два сайта — P-сайт и A-сайт. В P-сайт рибосомы приходит первая тРНК с аминокислотой, в A-сайт — вторая. После образования пептидной связи между аминокислотами рибосома делает шаг на один триплет, и в освободившийся A-сайт приходит следующая тРНК. Когда рибосома достигает стоп-кодона, трансляция останавливается, рибосома разваливается на две субъединицы, образованный белок перемещается в эндоплазматическую сеть.
Транспортная РНК по своей форме напоминает трилистник, и для каждой аминокислоты существует своя тРНК. У тРНК есть несколько участков: тот, куда присоединяется аминокислота, и участок с триплетным антикодоном, который связывается с комплементарным кодоном (триплетом) в молекуле иРНК.
Время жизни иРНК колеблется от двух минут (как у некоторых бактерий) до нескольких дней (как, например, у высших млекопитающих). Затем иРНК разрушается под действием ферментов, а нуклеотиды используются для синтеза новой молекулы иРНК. Таким образом, клетка контролирует количество синтезируемых белков и их тип.
Трансляция пошагово:
- Рибосома узнаёт 5’-кэп, «садится» на иРНК.
- На Р-сайт рибосомы приходит первая тРНК с аминокислотой.
- На А-сайт рибосомы приходит вторая тРНК с аминокислотой.
- Аминокислоты образуют пептидную связь.
- Рибосома делает шаг длиной в один триплет.
- На освободившийся А-сайт приходит следующая тРНК.
- Аминокислоты образуют пептидную связь.
- Процессы 5–7 продолжаются, пока рибосома не встретит стоп-кодон.
- Рибосома разбирается, отпускает полипептидную цепь.
Роль цитоплазмы в биосинтезе белка
Цитоплазма играет ключевую роль в процессе биосинтеза белка, являясь местом, где происходит основная часть этого жизненно важного процесса.
- Среда для протекания биохимических реакций. Цитоплазма представляет собой коллоидный раствор, состоящий из воды, ионов, белков и других органических веществ. Благодаря своей гелеобразной структуре она обеспечивает подходящую среду для всех этапов биосинтеза белка: транскрипции и трансляции.
- Локализация рибосом. В цитоплазме находятся свободные рибосомы, а также полирибосомы (полисомы) — комплексы, состоящие из нескольких рибосом. Именно на рибосомах осуществляется трансляция — процесс сборки полипептидной цепи из аминокислот в соответствии с информацией, закодированной в иРНК.
- Транспорт аминокислот. В цитоплазме происходит связывание аминокислот с соответствующими молекулами транспортной РНК (тРНК). Эти комплексы аминокислота–тРНК направляются к рибосоме, где аминокислоты соединяются в определённой последовательности, образуя белок.
- Участие ферментов и вспомогательных белков. В цитоплазме содержатся ферменты и факторы трансляции, необходимые для инициации, элонгации и терминации трансляции. Эти компоненты обеспечивают точность и эффективность процесса синтеза белка.
- Обработка и транспорт белков. Некоторые белки после синтеза в цитоплазме подвергаются модификации с помощью специализированных ферментов. После этого они могут направляться к месту действия внутри клетки или экспортироваться наружу.
Признаки биосинтеза белка
Существует ряд признаков, позволяющий отличить биосинтез белка от других клеточных процессов и подтверждающий его центральную роль в жизнедеятельности клетки.
- Матричный характер. Наличие иРНК, промежуточной молекулы, переносящей генетический код из ядра к рибосомам в цитоплазме.
- Участие рибосом. Рибосомы считывают информацию с иРНК и синтезируют полипептидную цепь, используя транспортные РНК (тРНК) для доставки аминокислот.
- Энергозависимость. Процесс требует затрат АТФ для активации аминокислот и работы рибосом. Также углевод участвует в биосинтезе белка, обеспечивая клетки энергией, необходимой для всех этапов этого процесса.
- Участие специфических компонентов. Процесс биосинтеза белка требует наличия рибосом, двадцати видов аминокислот, соответствующих тРНК, специальных ферментов и других ресурсов, обеспечивающих оба этапа.
- Наличие этапа трансляции. Последовательное соединение аминокислот в соответствии с кодонами мРНК, формирующее первичную структуру белка.
- Уникальность. Каждый белок синтезируется строго по закодированной в ДНК информации, что обеспечивает оригинальность его структуры и функции.
Резюме
Биосинтез первичной структуры белка необходим для выживания — без него клетка умрёт. Процесс биосинтеза белков включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке, — это реакции матричного синтеза.
Синтез белка состоит из двух этапов: транскрипции (образование информационной РНК по матрице ДНК, протекает в ядре клетки) и трансляции (эта стадия проходит в цитоплазме клетки на рибосомах). Эти этапы сменяют друг друга и состоят из последовательных процессов.
- Митоз и мейоз: понятие, фазы, отличия
- Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты
- Как готовиться к олимпиадам по химии и биологии
- Как подготовиться к ОГЭ в разные сроки
- 10 олимпиад, где может блеснуть знаниями школьник
- Влюбиться в биофак — интервью с одиннадцатиклассницей Марией Журавлёвой
Ответим на ваши вопросы
Свяжемся с вами в течение 5 минут и проведём бесплатную консультацию по вопросам перехода на домашнее обучение
Позвоним с 8 до 21 в рабочие дни
