Біосинтез білків в клітинах являє собою послідовність реакцій матричного типу, в ході яких послідовна передача спадкової інформації з одного типу молекул на інший призводить до утворення поліпептидів з генетично обумовленою структурою.
Біосинтез білків є початковим етапом реалізації, або експресії генетичної інформації. До головних матричних процесів, що забезпечує біосинтез білків, відносяться транскрипція ДНК і трансляція мРНК. Транскрипція ДНК полягає в переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну, або інформаційну РНК). Трансляція мРНК полягає в перенесенні інформації з мРНК на поліпептид. Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна представити у вигляді схеми.
нетранскрібіруемая ланцюг ДНК
На схемі видно, що генетична інформація про структуру білка зберігається у вигляді послідовності триплетів ДНК. При цьому лише одна з ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції (такий ланцюг називається транскрибируемой). Друга ланцюг є комплементарної по відношенню до транскрибируемой і не бере участі в синтезі мРНК.
Молекула мРНК служить матрицею для синтезу поліпептиду на рибосомах. Триплети мРНК, що кодують певну амінокислоту, називаються кодони. В трансляції беруть участь молекули тРНК. Кожна молекула тРНК містить антикодон - розпізнає триплет, в якому послідовність нуклеотидів комплементарна по відношенню до певного кодону мРНК. Кожна молекула тРНК здатна переносити строго певну амінокислоту. З'єднання тРНК з амінокислотою називається аміноацил-тРНК.
Молекула тРНК по загальній конформації нагадує лист конюшини на черешку. «Вершина листа» несе антикодон. Існує 61 тип тРНК з різними антикодон. До «черешка листа» приєднується амінокислота (існує 20 амінокислот, що беруть участь в синтезі поліпептиду на рибосомах). Кожній молекулі тРНК з певним антикодоном відповідає строго певна амінокислота. У той же час, певною амінокислоті зазвичай відповідає кілька типів тРНК з різними антикодон. Амінокислота ковалентно приєднується до тРНК за допомогою ферментів - аміноацил-тРНК-синтетаз. Ця реакція називається аміноацилювання тРНК.
На рибосомах до певного кодону мРНК за допомогою специфічного білка приєднується антикодон відповідної молекули аміноацил-тРНК. Таке зв'язування мРНК і аміноацил-тРНК називається кодонзавісімим. На рибосомах амінокислоти з'єднуються між собою за допомогою пептидних зв'язків. а звільнилися молекули тРНК йдуть на пошуки вільних амінокислот.
1 етап. Транскрипція ДНК. На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежною РНК-полімерази добудовується комплементарна ланцюг мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрібіруемой ланцюга ДНК з тією різницею, що замість дезоксирибонуклеотидов в її склад входять рибонуклеотиди, до складу яких замість тиміну входить урацил.
2 етап. Процесинг (дозрівання) мРНК. Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворенням. У більшості випадків вихідна молекула мРНК розрізається на окремі фрагменти. Одні фрагменти - інтрони - розщеплюються до нуклеотидів, а інші - екзонів - зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називається сплайсинг.
Сплайсинг характерний для еукаріот і архей, але іноді зустрічається і у прокаріотів. Існує кілька видів сплайсингу. Сутність альтернативного сплайсингу полягає в тому, що одні й ті ж ділянки вихідної мРНК можуть бути і интронами, і екзонами. Тоді одному і тому ж ділянці ДНК відповідає кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька різних форм одного і того ж білка. Сутність транс-сплайсингу полягає в з'єднання екзонів, що кодуються різними генами (іноді навіть з різних хромосом), в одну зрілу молекулу мРНК.
3 етап. Трансляція мРНК. Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію (початок), елонгацію (продовження) і терминацию (закінчення).
Ініціація. Сутність ініціації полягає в утворенні пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.
Спочатку утворюється ініціює комплекс. до складу якого входять: мала субодиниця рибосоми, специфічні білки (фактори ініціації) і спеціальна инициаторного метіонінових тРНК з амінокислотою метіоніном - Мет-тРНК Мет. Ініціює комплекс дізнається початок мРНК, приєднується до неї і ковзає до точки ініціації (початку) біосинтезу білка: в більшості випадків це стартовий кодон АУГ. Між стартовим кодоном мРНК і антикодоном метіоніновим тРНК відбувається кодонзавісімое зв'язування з утворенням водневих зв'язків. Потім відбувається приєднання великої субодиниці рибосоми.
При об'єднанні субодиниць утворюється цілісна рибосома, яка несе два активних центру (сайту): А -ділянку (аміноацільний, який служить для приєднання аміноацил-тРНК) і Р -ділянку (пептидилтрансферазної, який служить для утворення пептидного зв'язку між амінокислотами).
Спочатку Мет-тРНК Мет знаходиться на А -участке, але потім переміщається на Р -ділянку. На звільнився А -ділянку надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, який комплементарний кодону мРНК, наступного за кодоном АУГ. У нашому прикладі це Гли-тРНК Гли з антикодоном ЦЦГ, який комплементарний кодону ГГц. В результаті кодонзавісімого зв'язування між кодоном мРНК і антикодоном аміноацил-тРНК утворюються водневі зв'язку. Таким чином, на рибосомі поруч опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Ковалентний зв'язок між першою амінокислотою (метіоніном) і її тРНК розривається.
Після утворення пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами рибосома зсувається на один триплет. В результаті відбувається транслокація (переміщення) инициаторной метіоніновим тРНК Мет за межі рибосоми. Воднева зв'язок між стартовим кодоном і антикодоном инициаторной тРНК розривається. В результаті вільна тРНК Мет отщепляется і йде на пошук своєї амінокислоти.
Друга тРНК разом з амінокислотою (в нашому прикладі Гли-тРНК Гли) в результаті транслокації виявляється на Р -участке, а А -ділянку звільняється.
Елонгація. Сутність елонгації полягає в приєднанні наступних амінокислот, тобто в нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзавісімого зв'язування мРНК і аміноацил-тРНК на А -участке, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючої поліпептидного ланцюгом і транслокації із звільненням А -участка.
На звільнився А -ділянку надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, відповідним наступного кодону мРНК (в нашому прикладі це Тир-тРНК Тир з антикодоном АУА, який комплементарний кодону УАУ).
На рибосомі поруч опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Зв'язок між попередньою амінокислотою і її тРНК (в нашому прикладі між гліцином і тРНК Гли) розривається.
Потім рибосома зміщується ще на один триплет, і в результаті транслокації тРНК, яка була на Р -участке (в нашому прикладі тРНК Гли), виявляється за межами рибосоми і відщеплюється від мРНК. А -ділянку звільняється, і робочий цикл рибосоми починається спочатку.
Терминация. Полягає в закінченні синтезу поліпептидного ланцюга.
Зрештою, рибосома досягає такого кодону мРНК, якому не відповідає жодна тРНК (і жодна амінокислота). Існує три таких нонсенс-кодони: УАА ( «охра»), УАГ ( «бурштин»), УГА ( «опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми переривається, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову розділяється на субодиниці.