Для чего нужен синтез белка в клетке
Общая информация о биосинтезе белка: значение, код ДНК, процесс считывания и передачи информации
Общая информация о биосинтезе белка
Значение биосинтеза белка в клетке
Процесс биосинтез белка — наиболее значимая реакция пластического обмена. Способность синтезировать белок есть у всех клеток живых организмов: сложных и простых, грибов, растений и животных. Клетка содержит несколько тысяч различных белков. При этом, для каждого вида клеток характерны специфические белки.
Способность к синтезу собственных уникальных белков является наследственной и сохраняется на протяжении всей жизни организма. Биосинтез белков происходит наиболее интенсивно, когда клетки активно растут и развиваются.
Что такое биосинтез белка?
Процессом синтеза белка называется — процесс, состоящий из множества стадий, на которых происходит синтез белковой макромолекулы и последующее созревание (формирование) белка, и происходящий в живых организмах.
Фотосинтез связан с большими энергетическими затратами. Благодаря ему происходит обеспечение клеток так называемым строительным материалом, биологическими катализаторами (ферментами), регуляторами и средствами защиты организма.
Каково значение белков в клетке? Значение белков неоценимо. Для этого рассмотрим, что такое биосинтез подробнее.
Код ДНК
Определение места синтеза белковых макромолекул — наивысшее достижение молекулярной биологии. ДНК играет ключевую роль в определении структуры синтезируемого белка. Молекула ДНК содержит информацию о первичной структуре молекулы белка.
Геном — часть молекулы ДНК, содержащая информацию о первичной структуре одного белка.
Генетический код — единая для всех живых организмов система сохранения полной наследственной информации.
Если говорить о структуре, то она представляет собой определенную последовательность нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Эта последовательность задает последовательность введения аминокислотных остатков в полипептидную цепь в ходе ее синтеза.
Согласно исследованиям ученых, каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью, которая состоит из 3 нуклеотидов (это триплет нуклеотидов).
Всего выделяют 20 основных аминокислот. Каждая аминокислота имеет способность кодироваться несколькими разными триплетами.
Матрица — молекула ДНК, которая содержит информацию.
Процесс считывания и передачи информации
Расположение молекул ДНК — ядро клетки. Также они могут находиться в пластидах и митохондриях. В определенный момент происходит деспирализация молекулы ДНК и расхождение ее параллельных цепей.
В соответствии с принципом комплементарности, на этих цепях происходит синтез небольших молекул и-РНК (информационной РНК). Это транскрипция или считывание.
Молекула и-РНК, синтезированная таким образом, направляется к месту синтеза белка.
Трансляция — процесс переноса и-РНК из ядра к месту синтеза белка.
Механизм биосинтеза белка
Синтез белковых молекул осуществляется на мембранах ЭПС (эндоплазматическая сеть). Рибосома является органеллой, которая отвечает за синтез белка. Рибосомы, нанизываясь на молекулу и-РНК, формируют полисому. Молекула т-РНК (транспортная РНК), которая несет кислотный остаток, подходит к каждой рибосоме.
т-РНК отличается формой трилистика: верхушка — это триплет нуклеотидов или антикодон. Он формирует комплементарную пару с соответствующим триплетом и-РНК (кодоном).
Рибосома в процессе синтеза белка надвигается на нитевидную молекулу и-РНК, которая оказывается двумя ее субъединицами. Присоединение т-РНК к и-РНК происходит в определенном месте — в месте совпадения кодона и антикодона. Присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой цепи происходит при помощи полипептидных связей. Происходит отсоединение т-РНК, после чего она покидает рибосому.
Это продолжается до завершения синтеза нити аминокислотных остатков (белковой молекулы).
Заключительный этап — приобретение синтезированным белком пространственной структуры. Благодаря соответствующим ферментам от него отщепляются лишние аминокислотные остатки, происходит введение небелковых фосфатных, карбоксильных и других групп, присоединение углеводов, липидов и т. д. Белок «созревает». Как только все эти процессы заканчиваются, молекула белка становится полностью функционально активной.
Биосинтез белка кратко и понятно
Процесс синтеза в биологии, как и в любой другой отрасли — это образование сложных структур из менее сложных. При этом строение составных элементов может частично, или даже полностью сохраняться в неизменном виде, а может полностью изменяться. В первом случае синтез напоминает строительство конструкций из кубиков Лего, а во втором — образование сложных сплавов, солей и гидроксидов, свойства которых совершенно другие и ничем не напоминают исходные элементы.
Биосинтез — один из самых сложных видов таких преобразований исходных компонентов. Сюда входят процессы формирования ДНК из отдельных нуклеотидов, строительство белков из аминокислот, фотосинтез. Биосинтез может происходить (и происходит как естественным путем, в организме человека, животных и некоторых растений, так и искусственным — производство белковых питательных веществ.
Биосинтез белка
Это один из самых важных процессов в организме человека. Все характерные признаки и функции каждой клетки определяются белковой структурой. Сложность существования организма на клеточном уровне определяется тем, что длительность жизни белка непродолжительна. Без постоянного синтеза новых молекул клетки не смогут восстанавливаться и функционировать надлежащим образом. Синтезируются тысячи белковых структур, и это только в пределах одной клетки.
Рис.1. Структура ДНК
Исследования в области биосинтеза белков начались в 40-х годах прошлого столетия и дляться до сих пор. Самые важные открытия совершили Макс Бергманн, Джек Шульц, Торбьерн Касперссон, Раймонд Джиннер и другие ученые. В 50-х годах Ф.Крик установил правило синтеза, ставшее аксиомой — ДНК → РНК → белок. Свойства конкретного белка определяются последовательностью расположения аминокислот в молекулах. За правильное размещение структурных элементов отвечают гены — части ДНК, в которых зашифрована минимальная часть наследственной информации.
Этапы биосинтеза
Каждый белок синтезируется по одной схеме, состоящей из двух этапов, получивших название транскрипции и ретрансляции. В свободном переводе, это снятие информации с гена ДНК и передаче ее на строящиеся аминокислоты. Техника такой передачи достаточно сложная и энергоемкая, без притока внешней энергии она невозможна.
Рис 2. Схема биосинтеза
Транскрипция
На первом этапе транскрипции с цепочки ДНК снимается абсолютно точная копия, в результате которой получается идентичная с исходной цепочка РНК. Для такой информационной копии нужен катализатор, в роли которого выступают ферменты, и источник питания, в случае синтеза белка — это АТФ. Процесс синтеза происходит с высокой скоростью — в пределах одного организма за минуту осуществляется до 60 000 связей на уровне пептидов.
Рис 3. Сравнение ДНК и РНК.
Двойная цепочка ДНК расположена в ядре клетки в виде спирали. В начале транскрипции она разматывается и на одной из частей начинается синтез иРНК, так называемая информационная. Это одинарная цепь, точно повторяющая структуру ДНК. Поэтому реакции биосинтеза белка называют матричными. Вместо тимина, находящегося в нематричной цепочке ДНК, в иРНК используется урацил. В качестве катализатора «работает» РНК-полимераза.
Сложность возникает в том, что генов в молекуле ДНК очень много, а копировать нужно только один из них, причем, строго определенный. То есть, начинать снятие информации РНК должна не только в заданный момент, но и с заданного места. Для исключения ошибок в начале каждого фрагмента ДНК расположен специальный маркер, комбинация нуклеотидов под названием «промотор». Копирование с такого маркера начинается и на таком же, но с противоположной стороны, заканчивается. Конечный маркер получил название «терминатор».
Трансляция
Для построения нового белка в клетке должен быть набор необходимых аминокислот, которые вырабатываются в организме, или получаются при переваривании поступающей извне пищи. Это говорит о том, что для полноценной деятельности организма питание должно быть полным и сбалансированным, с достаточным количеством белка. Аминокислоты, в основном, поступают после расщепления пищевого белка.
Поступающие аминокислоты переносятся специальными транспортными РНК, которые реагируют на информацию в виде кодона, единицы генетического кода. На аминокислоте должен быть соответствующий тринуклелеотид — антикодон. На рибосоме закрепится только та аминокислота, код которой подходит. На каждый элемент цепочки уходит 0,2 с. Именно на такое время останавливается рибосома, движущаяся по цепочке иРНК.
Между аминокислотами, поступающими на рибосому на каждом последующем участке, формируются пептидные связи. Они возникают благодаря наличию в начале участка одной аминокислоты аминогруппы, а на соответствующем конце соседней — карбоксильной группы. Связь возникает прочная и неразрывная.
Белковая цепочка заканчивает формирование после контакта рибосомы к определенным маркером, обозначающим конец этого этапа синтеза. Цепочка аминокислот отрывается от иРНК и передвигается в цитоплазму, для формирования вторичных и третичных структур. Процесс синтеза происходит непрерывно, после перехода рибосомы на следующую позицию на ее место тут же заступает другая и копирует цепочку с иРНК. Выполнившая свою задачу рибосома переходит на другую РНК и формирует другой белок.