Біосинтез білків

У організмі людини синтезуються мільйони різних білків, що відрізняються послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою. Інформація про те, яким повинен бути білок, закладена в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу.

Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на рибосомах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтезу білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК. Процес біосинтезу РНК на матриці ДНК називають транскрипцією. Інформація передається за принципом комплементарності: у синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК (лише замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид). іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом.

В рибосомах на іРНК, як на матриці, відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК дістала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка закодована в певній послідовності нуклеотидів в її молекулі, на процес розміщення залишків амінокислот у білкових молекулах називається трансляцією.

ДНК іРНК білок

Схема біосинтезу білка в рибосомі

Для синтезу білків використовуються активовані форми амінокислот, зв’язані з відповідними тРНК. Останні переносять їх до місця біосинтезу білка – рибосом. Процес сполучення амінокислот із “своїми” тРНК називають рекогніцією (англ. recognice – пізнавати). Цей процес протікає за участю АТФ. Одна іРНК часто може бути зв’язана з декількома рибосомами, які утворюють полірибосому (полісому).

Процес транскрипції (біосинтезу білка) включає три основні етапи – ініціацію, елонгацію та термінацію.

Ініціація полягає в утворенні ініціюючого комплексу та формуванні функціонально активної рибосоми з використанням енергії ГТФ. ІРНК, яка містить інформацію про певний білок, зв’язується з малою субодиницею рибосоми та з ініціюючою амінокислотою, зв’язаною з відповідною тРНК. ТРНК комплементарна з триплетом, який знаходиться в складі іРНК і сигналізує про початок білкового ланцюга.

Елонгація (ріст) білкової молекули полягає в тому, що тРНК доставляють до рибосоми амінокислоти й забезпечують їх сполучення з відповідним кодоном іРНК. До функціонального центру рибосоми (ФЦР, тобто ділянки рибосоми, де власне відбувається процес біосинтезу білка) наближається тРНК, зв’язана з амінокислотою. Кодовий триплет тРНК зв’язується з відповідним триплетом іРНК. У цей час надходить нова молекула тРНК з амінокислотою, відповідно до наступного триплету іРНК. Нова тРНК зв’язується з наступним триплетом іРНК. Між попередньою амінокислотою та новою виникає пептидний зв’язок. Попередня амінокислота відщеплюється від своєї тРНК і на новій тРНК “повисає” дві молекули амінокислот. Попередня тРНК відразу від’єднується від іРНК. Рибосома пересувається до наступного триплету. Тепер до реакційного центру надходить третя молекула тРНК і приносить нову амінокислоту. Третя тРНК приєднується до третього триплету іРНК. Дипептид, що утворився до цього, з’єднується з третьою амінокислотою і від’єднується від другої тРНК. Таким чином до третьої амінокислоти приєднані три амінокислоти.

Ці процеси постійно повторюються. Поступово відбувається синтез білкової молекули і рибосома ніби “повзе” по іРНК. Джерелом енергії всіх процесів служать молекули ГТФ.

Термінація (закінчення синтезу) відбувається в той момент, коли рибосома підходить до того триплету іРНК, який сигналізує про закінчення поліпептидного ланцюга (УАА, УАГ, УГА). Після завершення синтезу ланцюга поліпептид звільнюється з рибосоми.

 

Ріст (елонгація) поліпептидного ланцюга: 1) “нова” тРНК доставляє амінокислоту до рибосоми; 2) “нова” амінокислота з’єднується з пептидним ланцюгом, що уже був синтезований; 3) пептидний ланцюг відщеплюється від “старої” тРНК; 4) рибосома робить “крок” вперед по іРНК

 

У цілому синтез білка, побудованого з 150-200 залишків амінокислот на рибосомах триває 1-3 хв. Цей процес потребує витрати 24,2 ккал/моль енергії. Утворені поліпептиди, самовільно скручуються, утворюючи вторинну та третинну конформацію. Багато білків синтезуються у вигляді молекул-попередників, які потребують змін (модифікації) для набуття біологічної активності. Модифікація може полягати у видаленні певних ділянок поліпептидного ланцюга, приєднанні простетичної групи, об’єднання протомерів у олігомерний білок тощо.