Вищі рослини здатні синтезувати всі необхідні для білкового синтезу амінокислоти і можуть використовувати для цього відповідні a-кетокислот, а також аміак або нітрати в якості джерела азоту. Організм тварин і людини не синтезує всі необхідні амінокислоти. Чи не синтезуються тільки 10 з 20 необхідних, або незамінних амінокислот: валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан, лізин, аргінін, гістидин.
Незамінність цих амінокислот для зростання і розвитку організму тварин і людини пояснюється відсутністю відповідних a-кетокислот, з яких в процесі амінування вони могли б сінтезіроватся.
Біосинтез кожної незамінної амінокислоти має специфічні особливості; він набагато складніше, ніж біосинтез замінних амінокислот.
Оскільки синтез кожної з незамінних амінокислот має свою особливість, обмежимося лише деякими загальними положеннями. Так, три незамінних амінокислоти лізин, треонін і метіонін в рослинах і мікроорганізмах синтезуються з аспарагінової кислоти.
Ізолейцин утворюється у бактерій з незамінної амінокислоти треоніну. Багатостадійний синтез у рослин фенілаланіну здійснюється з еритроза-4-фосфату і фосфопірувата; на передостанніх стадіях здійснюється перенесення аміногрупи від глутамінової кислоти. Біосинтез гистидина - незамінної амінокислоти для дітей - повністю вивчений у бактерій і грибів. Завершальною стадією є реакція трансаминирования, роль донора аміногрупи виконує також глутамінова кислота. Шлях біосинтезу гистидина в вищих рослинах не вивчений. Синтезовані амінокислоти - замінні і незамінні використовуються для біосинтезу білка.
Виявлення механізму біосинтезу білка - одна з найбільш важливих і цікавих проблем сучасної біохімії. Приблизні підрахунки показують, що одна жива клітина містить кілька тисяч різних білків, організм же в цілому повинен синтезувати десятки тисяч індивідуальних білкових молекул.
Яким же чином в клітці утворюється така велика кількість різноманітних білків з невеликого набору амінокислот, причому саме в той час і в такій кількості, в якому потрібно? І як специфічні властивості білків передаються з покоління в покоління? Такі питання хвилюють вчених у всьому світі. Механізм складних життєвих процесів, що лежать в основі передачі спадковості, почали розшифровувати лише в останні 60 років.
Процес біосинтезу білків виявився універсальним для всіх живих істот на Землі - від найпростішої бактеріальної клітини до вищих рослин, тварин і людини. Синтез білка в клітині ґрунтується на двох фундаментальних принципах, характерних для живих систем, що відрізняють біологічні системи від неживої природи, - матричний принцип і принцип комплементарності.
Матричний принцип полягає в тому, що взаємодія відбувається не між молекулами, що знаходяться в системі в хаотичному русі, а між просторово організованими фіксованими молекулами і системами.
Одне з цих речовин обов'язково є полімер, тоді як інше може бути як полімером, так і мономером. Матричний синтез є основним у всіх тих випадках, коли необхідно забезпечити заздалегідь задану послідовність мономерів у знову синтезованому біополімерів.
Принцип матричного синтезу реалізується через принцип комплементарності. Саме компліментарність дозволяє матриці «вибрати необхідний мономер і встановити його в потрібному місці на матриці».
В результаті кропіткої роботи багатьох вчених була встановлена в основному роль нуклеїнових кислот в біосинтезі білків і показана матрична роль РНК в цьому процесі, що дозволило Ф. Крику виробити положення про передачу генетичної інформації в клітині.
Послідовність матричних биосинтезов білка включає три основних етапи.
1) Реплікацію ДНК - біосинтез копії ДНК з використанням в якості матриці вже існуючі молекули ДНК.
2) Транскрипцію - біосинтез РНК (будь-тРНК, мРНК, рРНК) на матриці ДНК. Нуклеотидная послідовність в молекулі РНК комплементарна якомусь ділянці (гену) молекули ДНК.
3) Трансляція - біосинтез поліпептидних ланцюгів білкових молекул, амінокислотна послідовність яких задається нуклеотидной послідовністю мРНК за участю тРНК і рРНК. В якості матриці використовується мРНК.
Синтез ДНК - реплікація
Людину завжди цікавило питання, яким чином відбувається передача спадкових ознак.
І ось на рубежі 19 і 20 століть генетичні та цитологічні дослідження привели до висновку, що відповідальними за передачу ознак у спадщину є хромосоми. При цьому виявилося, що певна ознака передається з певною ділянкою хромосоми - геном.
Усьому набору ознак організму (блакитні очі, темне волосся, прямий ніс і т.д.) відповідає набір генів всіх хромосом - генотип.
Оскільки хромосоми містять білок і ДНК, виникло питання, яке з речовин бере участь в передачі спадкових ознак. У 40-50-ті роки ХХ століття з'явилося багато експериментальних даних на те, що передача спадкової інформації здійснюється молекулами ДНК.
Яким же чином відбувається подвоєння, або як часто кажуть, реплікація молекул ДНК? Відповідь на це питання була отримана на підставі структурної моделі будови ДНК, розробленої Уотсоном і Криком в 1953 р Структура подвійної спіралі дозволяла представити наступний механізм реплікації ДНК.
При реплікації молекул ДНК в період клітинного ділення насамперед розриваються водневі зв'язки між ланцюгами, подвійна спіраль розкручується, ланцюги розходяться. Під дією відповідних ферментів до кожної з одиночних ланцюгів приєднуються нові нуклеотиди. Але так як поєднання нуклеотидів може бути тільки строго певним, то на кожній утворилася ланцюга будується друга комплементарна ланцюг, утворюючи нові молекули ДНК колишнього складу.
Процес подвоєння ДНК представлений на схемі:
Реакцію синтезу ДНК можна уявити такою схемою:
m (gАТФ + gТТФ) + n (gГТФ + gЦТФ)
Відзначимо найважливіші особливості реакції:
1. Субстратами служать трифосфати дезоксирибонуклеозид. В ході реакції від кожного з них отщепляется пірофосфатних залишок; при цьому виділяється енергія, яка витрачається на включення кожного мономера в молекулу ДНК.
2. Реакція йде в присутності готової ДНК, яка виконує роль матриці. Все знову синтезовані молекули ДНК мають первинну структуру, ідентичну первинну структуру ДНК-матриці.
3. Оскільки в молекулі ДНК нуклеотидні залишки утворюють пари А-Т; і Г-Ц, то в реакції витрачаються однакову кількість дАТФ і дТТФ і однакове кількості ДГТФ і дЦТФ.
Так як в молекулі ДНК записана генетична інформація (тобто які білки повинні синтезуватися в клітці), то процес подвоєння ДНК в материнській клітині і подальший розподіл копій порівну між дочірніми клітинами є ні що інше, як передача генетичної інформації від покоління до покоління. Такий спосіб реплікації отримав назву напівконсервативним. Реплікація відбувається за участю складного набору білків, що утворюють реплікативний комплекс. У нього, зокрема, входять білки, розкручують спіраль ДНК, в результаті чого утворюється репликативная вилка. Потім за участю ДНК-полімерази (реплікази) утворюються нові полінуклеотидні ланцюга. Синтез нових ланцюгів завжди йде в напрямку від 5 ¢ - кінця до 3 ¢ - кінця. Тому на одній з гілок репликативной вилки нова ланцюг нарощується безперервно у міру розкручування ДНК матриці. На іншій гілці по мірі розкручування ДНК утворюються короткі фрагменти нового ланцюга - фрагменти Окадзакі. Потім кінці цих фрагментів з'єднуються між собою в результаті дії ДНК-лігази (рис 2).
Малюнок 2 - Схема реплікації ДНК
В даній схемі наведені лише основні етапи реплікації; в дійсності етапів реплікації значно більше, в них беруть участь спеціальні білки. В даний час встановлено близько десятка білків репликативного комплексу. Таким чином, завдяки принципу комплементарності полінуклеотидних ланцюгів з однієї вихідної молекули ДНК утворюються дві абсолютно однакові, нові молекули ДНК. Здатність ДНК давати строго певні, подібні собі, нові молекули відіграють визначальну роль в явищах спадковості і в передачі генетичної інформації від покоління до покоління.
Іншими словами, інформація, записана в ДНК (в генотипі), забезпечує утворення фенотипічних ознак (забарвлення квітки, колір волосся, форма крил і т.д.) організму, трансформується в фенотип.
У 40-50-ті роки це уявлення про зв'язок між генотипом і фенотипом було експериментально підтверджено на багатьох ферментах та інших білках різних організмів; результати знайшли відображення в афористичній формулі один ген - один білок. ДНК зосереджена головним чином в ядрі, синтез же білка відбувається в іншому місці (в рибосомах). Роль проміжного переносника інформації від ДНК до місця синтезу білка виконують РНК. Їх роль в процесі біосинтезу білка різна.
Напрямок потоку інформації в клітині від генотипу до фенотипу представляють так:
ДНК ® РНК ® білки.
Інакше кажучи, ДНК служить матрицею для синтезу всіх РНК, а РНК - матрицею для синтезу білків. Це положення називають основним постулатом молекулярної біохімії.
Синтез РНК - транскрипція
Все це обумовлює значні труднощі у вивченні біосинтезу рибонуклеїнових кислот. Вважають, що синтез РНК може відбуватися декількома шляхами. Ми розглянемо один з них, так званий ДНК-залежний синтез РНК. З точки зору передачі спадкової інформації в процесі біосинтезу білків, найбільше значення має синтез молекул РНК на ділянці молекули ДНК як на матриці.
Вихідними речовинами, необхідними для біосинтезу, є рібонуклеозідтріфосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ); синтез каталізується ферментом РНК-полімерази, схожою за своєю дією з ДНК-полімеразою. Схема біосинтезу наступна:
Як відомо, ДНК являє собою подвійну спіраль. Але при матричному синтезі РНК на ділянці молекули ДНК «копіюється» тільки одна з двох її ланцюгів, яку називають значуща. Вона служить матрицею.
Всі синтезовані молекули РНК мають структуру, комплементарную матриці (тобто ділянки - гену однією з ланцюга ДНК).
Перш ніж почнеться утворення ланцюга РНК, фермент РНК-полімераза приєднується до матриці не в будь-якому її місці, а до певної ділянки - який називається промотором. На цій ділянці молекули ДНК є послідовності нуклеотидів, впізнавані РНК-полімерази.
Зв'язування РНК-полімерази з промотором призводить до локального (місцевого) розбіжності нуклеотидних ланцюгів, в цій ділянці ДНК одна з ланцюгів ДНК служить матрицею.
Нарощування молекули РНК відбувається в результаті переміщення РНК-полімерази уздовж ДНК шляхом приєднання чергового рибонуклеотиду, комплементарного тому дезоксірібонуклеотідов ДНК, який в даний момент знаходиться в області активного центру РНК-полімерази.
У молекулі ДНК закодовані не тільки ділянки, з яких починається синтез РНК, а й послідовності нуклеотидів, що сигналізують про припинення синтезу РНК. З цими ділянками, мабуть, зв'язуються певні білки, що зупиняють дію РНК-полімерази. Таким чином, виходять окремі молекули РНК, кожна з яких містить інформацію одного гена. Синтез РНК відбувається в напрямку від 5 ¢ - кінця до 3 ¢ - кінця.
У клітинах вищих організмів виявлено три типи ДНК-залежних РНК-полімерази. Вони каталізують синтез рибосомной, матричної і транспортної РНК.
Всі види РНК утворюються на ДНК-матриці у вигляді великих молекул попередників, які потім піддаються значним змінам -созреванію. При дозріванні, під дією ферментів, від них поступово отщепляются зайві нуклеотиди, а у тРНК відбувається метилювання і відновлення частини підстав.
Біосинтез білків, або трансляція, відрізняється від біосинтезу ДНК і РНК (реплікації ДНК і трансляції РНК) двома принциповими особливостями: між мРНК (матрицею) і пептидного ланцюгом білка, яка на цій матриці синтезується, немає комплементарного відповідності, тобто структура рибонуклеотидов (мономерів матриці) і амінокислот (мономерів білка) така, що виборчі взаємодії між ними, подібні утворення пар А ... Т або Г ... Ц, неможливі, немає відповідності між числом мономерів - нуклеотидів в матриці і в продукті реакції (в мРНК 4 різних нуклеотиду, в білку 20 різних амінокислот);
Тому механізм використання матриці при біосинтезі білка відрізняється від використання матриць при реплікації і транскрипції.
Спосіб запису інформації про первинну структуру білків в нуклеїнових кислотах отримав назву біологічного коду (його також називають генетичним, нуклеотидним, амінокислотним кодом).
Один з перших питань, яке виникає при з'ясуванні структури біологічного коду, - це питання про кодовому числі; тобто про кількість нуклеотидних залишків, що кодують включення в білок однієї амінокислоти. Очевидно, що кодове число не може бути рівним одиниці, так як в цьому випадку за допомогою чотирьох нуклеотидів можна було б закодувати тільки чотири амінокислоти. При кодовому числі 2 кількість різних нуклеотидних пар буде дорівнює числу перестановок з чотирьох елементів по 2, тобто дорівнює 4 2 = 16, що теж недостатньо для кодування всіх амінокислот. Число різних трійок нуклеотидів дорівнює 4 3 = 64. Це в три з гаком рази перевищує мінімальну кількість необхідне для кодування 20 амінокислот. Експериментально доведено, що в біологічному коді кодове число дорівнює трьом: трійку нуклеотидних залишків (триплет), що кодують включення однієї амінокислоти, називають кодоном.
З 64 кодонів (триплетів), (табл.1) 61 використовується для кодування амінокислот, а три - УАА, УAГ і УГA - позначають кінець матриці: на цих триплетах обривається подальше нарощування пептидного ланцюга - терминирующего кодони. Кожен триплет кодує тільки якусь одну амінокислоту. Це властивість коду називають специфічністю. З іншого боку, одна амінокислота може кодуватися двома або більшою кількістю (до шести) різних триплетів, тобто код вироджений. але перші два нуклеотиди для даної амінокислоти завжди однакові. Безперервність коду білкового синтезу полягає в тому, що всі вхідні в його склад кодони розташовуються в мРНК, що кодує біосинтез певного білка, в строгому порядку один біля одного, не будучи розділеними іншими моно- або олігонуклеотидних вставками. Неперекривающійся характер коду полягає в тому, що жоден з нуклеотидів одного кодону не є складовою частиною іншого (сусіднього) кодону.
До теперішнього часу біологічний код вивчений у всіх біологічних об'єктів (від вірусів і бактерій до вищих тварин). У всіх випадках він виявився однаковим. Ця універсальність коду свідчить про єдність походження всіх форм життя на Землі.
Таблиця 1 - Біологічний код
Генетичний код, що складається з 64 кодонів - підстав (кодонів) і відповідних їм амінокислот
3.4 Схема передачі генетичної інформації
від ДНК до білка
Припустимо, що на певній ділянці одного з спіралей молекули ДНК, на якій синтезується мРНК, ми маємо певну послідовність нуклеотидів. Синтезована на цій ділянці мРНК може мати лише строго певну, комплементарних ДНК послідовність нуклеотидів (враховуючи, що урацил РНК відповідає тимін ДНК). «Зчитуючи» нуклеотідний код мРНК справа наліво (від N-кінця поліпептиду до С-кінця), отримаємо певну послідовність амінокислот в даному поліпептиді, який може синтезуватися під генетичним контролем цієї ділянки молекули ДНК.
Перенесення інформації від ДНК до білка можна зобразити у вигляді схеми: