Что такое биосинтез белка в клетке

Иван Поликарпов,
преподаватель биологии в Домашней школе Фоксфорда

‍

Биосинтез белка изучает 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 же такое 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. Биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт.  

<<Форма демодоступа>>

Один из важнейших процессов биосинтеза в клетке — биосинтез белков, который включает в себя особые реакции матричного синтеза — процесса синтеза белка по спирали ДНК.

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 (первое свойство генетического кода): одной аминокислоте соответствует триплет (по-другому — 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.

Подписывайтесь на телеграм-канал Домашней школы Фоксфорда — здесь мы каждый день публикуем полезные посты о лайфхаках обучения, тайм-менеджменте, развитии и поддержке школьников, а ещё делимся бесплатными материалами и шпаргалками.

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).

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.

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. В этом процессе матрицей служит молекула ДНК.

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.

Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит перевод информации, закодированной в одном гене, с цепи ДНК в иРНК.

<<Форма семейного образования>>

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. Важно: 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:

1. РНК-полимераза «садится» на 3’-конец транскрибируемой цепи ДНК.
2. Начинается элонгация — полимераза «скользит» по ДНК в сторону 5’-конца и строит цепь иРНК, комплементарную ДНК.
3. Полимераза доходит до конца гена, «слетает» с ДНК и отпускает иРНК.
4. 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.

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:

1. Рибосома узнаёт 5’-кэп, «садится» на иРНК.
2. На Р-сайт рибосомы приходит первая тРНК с аминокислотой.
3. На А-сайт рибосомы приходит вторая тРНК с аминокислотой.
4. Аминокислоты образуют пептидную связь.
5. Рибосома делает шаг длиной в один триплет.
6. На освободившийся А-сайт приходит следующая тРНК.
7. Аминокислоты образуют пептидную связь.
8. Процессы 5–7 продолжаются, пока рибосома не встретит стоп-кодон.
9. Рибосома разбирается, отпускает полипептидную цепь.

Резюме

Биосинтез 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.