Этапы биосинтеза белка. Процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме, называется трансляцией. Информационная РНК (иРНК) является посредником в передаче информации о первичной структуре белка, тРНК переносит закодированные аминокислоты к месту синтеза и обеспечивает последовательность их соединений. В рибосомах осуществляется сборка полипептидной цепи.
Рис. 21. Активирование и кодирование аминокислоты: 1 — тРНК; 2 — аминокислота
В рибосоме имеются три центра, с которыми связываются молекулы РНК: один центр для иPHК и два — для тРНК. Одна тРНК с аминокислотой удерживается в аминоацильном центре, а другая — в пептидном центре, где идет рост полипептидной цепи.
Первый этап — инициация. Синтезированная в процессе транскрипции иPHК выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка — рибосоме. За счет различных белковых факторов и энергии АТФ происходит соединение иPHК и двух субъединиц рибосом, которые до этого момента находились в диссоциированном состоянии. Прежде чем рибосома начнет синтез полипептидной цепи, к иРНК должна присоединиться особая молекула — инициаторная тРНК с аминокислотой. С нее всегда начинается синтез белка. По принципу комплементарности тРНК своим антикодоном соединяется с кодоном на иРНК и входит в рибосому. Этот кодон на иPHК называется старт-кодоном.
В результате взаимодействия всех компонентов образуется комплекс: рибосома — иРНК — тРНК-инициатор — аминокислота.
Вторая стадия — элонгация. Это стадия роста полипептидной цепи. Далее начинается сборка полипептидной цепи. Следующая тРНК с аминокислотой по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяется с иPHК и входит в рибосому. Первая тРНК закрепляется в пептидном центре, а вторая тРНК — с аминокислотой в аминоацильном центре. Аминокислоты сближаются друг с другом, между ними возникает пептидная связь, и образуется дипептид. При этом первая тРНК освобождается и, покидая рибосому, тянет за собой иPHК, которая продвигается на один триплет.
Вторая тРНК с дипептидом перемещается в пептидный центр, а в рибосому входит третья тРНК с аминокислотой (рис. 22). Весь процесс далее вновь и вновь повторяется. иРНК, последовательно продвигаясь через рибосому, каждый раз вносит новую тРНК с аминокислотой и выносит освободившуюся тРНК. Постепенно идет наращивание полипептидной цепи. Весь процесс обеспечивается деятельностью ферментов и энергией макроэргических соединений (АТФ и др.).
Рис. 22. Схема биосинтеза полипептидной цепи. Стрелкой показано направление движения иPHК
Последний этап — терминация. Как только в аминоацильный центр попадает стоп-кодон, синтез прекращается. Место тРНК занимает в этом случае специфический белок-фермент, который осуществляет гидролиз связи между последней тРНК и синтезированным белком. Рибосома снимается с иPHК и распадается на две субъединицы, последняя тРНК также освобождается и попадает вновь в цитоплазму. Синтезированная молекула белка поступает в ЭПС или цитоплазму, где претерпевает изменения и приобретает соответствующие структуры.
Процесс трансляции обычно осуществляется многократно. Одна иPHК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя поли рибосому.; или полисому, на которой идет одновременно синтез многих молекул одного белка (рис. 23).
Рис. 23. Полисома: 1 — иPHК; 2 — малая субъединица рибосомы; 3 — большая субъединица рибосомы; 4 — синтезируемая полипептидная цепь
Если синтез происходит на гранулярной эндоплазматической сети, то поли пептидная цепь поступает в канальца эндоплазматической сети. Здесь она приобретает свою окончательную структуру и превращается в молекулу белка. Далее белок поступает в аппарат Гольджи и выносится из клетки. Если синтез происходит на рибосомах в цитоплазме, то синтезированные молекулы остаются и используются клеткой.
Весь процесс синтеза одного белка длится от 20 до 500 с и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 20 с.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какое строение имеет молекула тРНК? Назовите ее ключевые участки.
2. За счет каких связей поддерживается конфигурация молекулы тРНК?
3. Сколько видов тРНК имеется в клетке? Чем они отличаются друг от друга? Почему их такое количество?
4. Назовите процесс синтеза полипептидной цепи. В каких органеллах клетки он происходит?
5. Используя таблицу кодов ДНК, определите аминокислотный состав фрагмента полипептидной цепи, если участок гена на ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность:
ГАТГАТЦАГГАТГЦЦТГТЦТГТТЦААГГГАЦТЦАТТ.
6. Каким образом синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка?
9. Матричный синтез ДНК
Репликация ДНК
Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называется репликацией или удвоением молекул ДНК.
Открытию механизма репликации предшествовали многочисленные эксперименты по синтезу ДНК. Модель молекулы ДНК, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, породила целую серию экспериментов по выяснению механизма ее репликации. Наиболее убедительные данные были представлены в 1958 г. учеными М. Мезелсоном и Ф. Сталем. В процессе эксперимента были выдвинуты три гипотезы.
1. Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза полностью новой молекулы ДНК, т. е. новая ДНК является полной копией исходной.
2. Полуконсервативная репликация. На каждой цепи исходной молекулы ДНК синтезируется вторая недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной и одной новой цепи ДНК.
3. Фрагментарная репликация. Молекула ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матрицы для достройки недостающих фрагментов новых молекул ДНК.
В качестве объекта эксперимента была использована кишечная палочка, которая содержит в клетке всего одну молекулу ДНК. Для выяснения правильной версии бактерии выращивались на питательной среде, содержащей радиоактивный изотоп азота 15N. Через несколько поколений ДНК всех бактерий содержали изотоп 15N (рис. 24).
Puc. 24. Гипотезы процесса репликации ДНК: 1. А — консервативная; Б — полуконсервативная; В — фрагментарная. II. Результат центрифугирования молекулы ДНК бактерий
Методом центрифугирования эти ДНК были выделены из клеток в виде отдельной фракции, что доказывало, что ДНК всех бактерий имеют одинаковый изотопный состав. Далее бактерии, содержащие в ДНК только изотоп 15N, были перенесены на питательную среду с обычным изотопом азота 14N. Центрифугирование ДНК нового поколения бактерий показало, что эти молекулы содержали азот 14N и 15N, но их невозможно было разделить по массе на фракции. Следовательно, оба изотопа находились в одной молекуле ДНК. Первая версия о консервативном способе репликации ДНК была отвергнута, так как отсутствовали отдельные фракции ДНК с 14N и ДНК с 15N.