Реакції матричного синтезу.
У живих системах ми зустрічаємося з новим типом реакцій, на зразок подвоєння ДНК або реакції синтезу РНК. Такі реакції невідомі в неживій природі. Вони називаються реакціями матричного синтезу.
Терміном «матриця» в техніці позначають форму, вживану для відливання монет, медалей, типографського шрифту; затверділий метал в точності відтворює всі деталі форми, що служила для відливання. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються в точній відповідності з планом, закладеним в структурі вже існуючих молекул. Матричний принцип лежить в основі найважливіших реакцій синтезу нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна послідовність мономерних ланок у синтезованих полімерах. Мономери надходять в певне місце на молекули, службовці матрицею, де реакція протікає. Якби такі реакції відбувалися в результаті випадкового зіткнення молекул, вони протікали б нескінченно повільно. Синтез складних молекул на основі матричного принципу здійснюється швидко і точно.
Роль матриці в клітці грають макромолекули нуклеїнових кислот ДНК або РНК. Мономірні молекули, з яких синтезується полімер - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарності розташовуються і фіксуються на матриці в строго визначеному порядку. Потім відбувається з'єднання мономерних ланок у полімерну ланцюг, і готовий полімер сходить з матриці. Після цього матриця готова до збірки нової точно такий же полімерної молекули.
Реакції матричного типу - специфічна особливість живої клітини. Вони є основою фундаментального властивості всього живого - здатність до відтворення собі подібного.
Трансляція.
Інформація про структуру білка, записана в і-РНК у вигляді послідовності нуклеотидів, реалізується у вигляді послідовності амінокислот в синтезується молекулі білка. Цей процес називають трансляцією (лат. «Трансляція» - перенесення, переклад). Для того щоб зрозуміти, як в рибосомах відбувається трансляція, звернемося до малюнка 83. Рибосоми на малюнку зображені у вигляді яйцевидних тіл, нанизаних на і-РНК. Перша рибосома вступає на ниткоподібну молекулу і-РНК з лівого кінця і починає синтез білка. У міру складання білкової молекули рибосома повзе по і-РНК (на малюнку зверху вниз). Коли рибосома просунеться вперед, з того ж кінця на і-РНК входить друга рибосома, яка, як і перша, починає синтез і рухається слідом за першою рибосомою. Потім на і-РНК вступає третя рибосома, четверта і т. Д. Всі вони виконують одну й ту ж роботу: кожна синтезує один і той же білок, запрограмований на даній і-РНК. Чим далі просунулася рибосома по І-РНК, тим більший відрізок білкової молекули «зібраний». Коли рибосома досягає протилежного кінця і-РНК, синтез закінчено. Рибосома з утворився білком сходить з і-РНК. Потім вони розходяться: рибосома - на будь-яку і-РНК (так як вона здатна до синтезу будь-якого білка; характер білка залежить від матриці і-РНК), білкова молекула - в ендоплазматичну мережу і по ній переміщається в ту ділянку клітки, де потрібен даний вид білка. З лівого кінця і-РНК на неї вступають всі нові і нові рибосоми, і синтез білка йде безупинно. Число рибосом, що вміщаються одночасно на молекулі і-РНК, залежить від її довжини. Так, на молекулі і-РНК, яка програмує синтез білка гемоглобіну, поміщається до п'яти рибосом.
Механізм роботи рибосоми пояснює малюнок 84.
Розмір ділянки рибосоми, в якому відбувається трансляція, відповідає довжині 6 нуклеотидів, т. Е. Двом триплетів. Отже, коли рибосома ковзає по і-РНК, в функціональному центрі рибосоми (ФЦР) завжди одночасно перебувають 2 сусідніх триплета нуклеотидів.
Рибосома переміщується по і-РНК з триплетів на триплет, але не плавно, а переривчасто, «кроками». Закінчивши трансляцію одного триплетів, вона перескакує на сусідній триплет і на мить зупиняється. Операція трансляції займає не більше 1/5 - 1/6 с, і поліпептидний ланцюг подовжується на одну ланку. Далі йде «крок» на сусідній триплет, знову коротка зупинка, і так до кінця шляху по і-РНК.
На малюнку 84 зображено рибосома, що переміщається по і-РНК. Як видно, рибосома вже пройшла певний шлях по і-РНК, вона вже транслювала кілька кодонів, і в результаті синтезований невеликий поліпептид, який звисає з рибосоми. На малюнку 84.1 зображено момент, коли рибосома щойно закінчила трансляцію триплета ЦГУ. Зараз в ФЦР знаходяться два триплета і-РНК: ЦГУ і ГУЦ. ЦГУ - це триплет, трансляція якого закінчена; Не имеет значения Гуц - це триплет, трансляція якого починається. Не имеет значения Гуц поки вільний, а ЦГУ комплементарно пов'язаний з т-РНК, з якою звисає полипептидная ланцюжок.
На малюнку 84.2 показаний момент, коли в ГУЦ за правилом комплементарності приєднується кодовою кодонів т-РНК, що несе амінокислоту валін (вал). Доставлена амінокислота (вал) і верхній амінокислотний залишок поліпептидного ланцюга (арг) виявляються поруч. Між ними виникає пептидний зв'язок. Поліпептидний ланцюг подовжується на одну ланку.
На малюнку 84.3 полипептидная ланцюжок перекидається з правого нуклеотиду (ЦГУ) на лівий (Не имеет значения Гуц) і повисає на ньому.
На малюнку 84.4 рибосома стрибком переміщається на наступний триплет. Триплет ЦГУ з його т-РНК виявляється за межами ФЦР, т-РНК відривається від ЦГУ і виштовхується з рибосоми. Далі все стадії повторюються, і поліпептидний ланцюг росте ланка за ланкою. Так працює рибосома - цей дивовижний органоид клітини, який по праву називають «молекулярним автоматом» синтезу білка.
Зовсім недавно, на початку 50-х років, вперше білок був синтезований штучно. Це був інсулін, поліпептидний ланцюг якого складається всього з 51 амінокислотного залишку. Для його синтезу треба було провести близько 5000 операцій. У цій роботі брали участь 10 чоловік протягом трьох років. Як бачите, в лабораторних умовах синтез білка вимагає величезних зусиль, часу і коштів. У живій клітині синтез однієї молекули білка, що складається з 200 - 300 амінокислотних ланок, завершується дуже швидко - в 1 - 2 хв.
Роль ферментів у біосинтезі білка.
Синтез білка не йде без участі ферментів. Всі реакції білкового синтезу катализируются спеціальними ферментами. За участю ферментів відбувається синтез ДНК, і-РНК. Існують особливі ферменти, що забезпечують захоплення і з'єднання амінокислот з їх т-РНК. Нарешті, в рибосомі в процесі складання білка працює фермент, зчіплюючий амінокислоти між собою.
Енергетика біосинтезу білка.
Будь-який процес синтезу потребує затрати енергії. Біосинтез білка представляє ланцюг синтетичних реакцій; синтез і-РНК; з'єднання амінокислот з т-РНК; «Збірка» білка. Всі ці реакції вимагають енергетичних витрат. Енергія для синтезу білка звільняється при розщепленні АТФ.