На каком свойстве аминокислот основан синтез белков
Белковые соединения являются составляющими элементами всех тканей живого организма. Сегодня вы узнаете о синтезе белков из аминокислот. Реакции синтеза протеинов протекают во всех живых клетках и особенно активны они в молодых клеточных структурах. В них белковые соединения синтезируются в органоиды. Кроме этого в организме присутствуют секреторные клетки, производящие протеины-ферменты и протеины-гормоны.
Определяется необходимый тип белкового соединения в ДНК. В ДНК каждой клетки присутствует участок, в котором находится информация о структуре определенного белкового соединения. Эти участки носят название генов. Одна молекула ДНК содержит в себе записи о сотнях генов. Также необходимо заметить, что в ДНК содержится и код о последовательности участия аминокислот в синтезе белка.
На данный момент ученым удалость расшифровать практически весь код ДНК. Сейчас мы постараемся максимально подробно и понятно рассказать об этом. Начнем с того, что каждый амин имеет собственный участок в молекуле ДНК, который состоит из трех последовательно расположенных нуклеотидов.
Скажем, такой амин, как лизин имеет последовательность Т-Т-Т, а валин — Ц-А-Ц. Вам наверняка известно, что всего существует два десятка аминов. Так как возможны сочетания из четырех нуклеотидов по три, то общее число возможных комбинаций составляет 64. Таким образом, триплетов вполне достаточно для кодировки всех существующих аминов.
Как протекает синтез белка из аминокислот?
Сразу следует сказать, что процесс производства белковых соединений является сложным и многоступенчатым. Он представляет собой цепочку реакций, которые протекают по правилам матричного синтеза. Так как молекулы ДНК располагаются в ядрах клеток, а синтез белковых соединений происходит в клеточной цитоплазме, то должен быть посредник, который способен передавать информацию от ДНК к рибосомам. В роли такого посредника выступает и-РНК.
Говоря о синтезе белка из аминокислот, необходимо выделить четыре основных этапа, которые протекают в разных частях клеток.
- 1-й этап — в ядре синтезируется и-РНК и вся информация из ДНК полностью переписывается на вновь созданного посредника. Этот процесс перезаписи кода ученые называют транскрипцией.
- 2-й этап — амины вступают во взаимодействие с т-РНК, состоящих из 3-хантикодонов. Эти молекулы определяют триплет-кодон.
- 3-й этап — активируется процесс синтеза пептидных связей (трансляция), который протекает в рибосомах.
- 4-й этап — это заключительная фаза синтеза белковых соединений и именно в этот момент формируется окончательная структура протеина.
В результате получаются новые белковые соединения, которые полностью соответствуют коду, записанному в молекулах ДНК.
Очень важным элементом клетки являются хромосомы. Они принимают активное участие в процессах деления клеток и передают генетическую информацию от старого поколения клеточных структур новому. Хромосомы являются нитями ДНК, которые связаны между собой протеинами. Эти нити получили название хроматиды и состоят из гистона (основной протеин), ДНК, а также кислых белковых соединений.
В клетках, которые не делятся, хромосомы занимают весь объем их ядра. Перед активацией процесса деления клетки происходит спирализация ДНК и хромосомы в этот момент уменьшаются в размерах. Если посмотреть на них в это время в микроскоп, то внешне они будут напоминать нити, соединенные между собой центромерой.
Любой организм обладает постоянным числом хромосом, и их структура не изменяется. Заметим, что в соматических клеточных структурах хромосомы всегда парны или, говоря проще, они одинаковы и тем самым составляют пару. Эти парные хромосомы названы гомологичными, набор хромосом в соматических клетках носит название — диплоидный. Скажем, для человеческого организма характерным является диплоидный набор из 46 хромосом, которые в свою очередь составляют 23 пары. В каждой из таких пар содержится два одинаковых гомологичных хромосом.
Мужчина и женщина обладают 22 одинаковыми парами хромосом, а отличается только одна пара. Именно они и являются половыми, в то время как оставшиеся 22 пары носят название аутосомы. Половые хромосомы обозначаются буквами Х и Y. У женщин пара половых хромосом имеет вид — ХХ, а у мужчин соответственно — XY.
Половые клетки в отличие от соматических обладают лишь половиной хромосом или, говоря иначе, содержат по одной хромосоме в каждой паре. Этот набор носит название гаплоидный и развивается в процессе созревания клетки. Мы рассказали о синтезе белка из аминокислот весьма поверхностно.
Больше о синтезе белка смотрите в этом видео:
Биосинтез белка — это многостадийный процесс синтеза и созревания белков, протекающий в живых организмах. В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: синтез полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК (трансляция), и посттрансляционные модификации полипептидной цепи. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.
История изучения биосинтеза белка[править | править код]
В 1940-х годах белки рассматривались как ключевые вещества живых организмов, которые не только выполняют биохимические функции, но и участвуют наследственной передаче информации. Однако механизм синтеза белка в оставался тогда ещё чёрным ящиком. Одним из предполагаемых механизмов объяснялся концепцией обратного протеолиза, которая поддерживалась выдающимися биохимиками того времени Максом Бергманном и Джозефом Фрутоном. В 1940 году Торбьерн Касперссон и Джек Шульц разработали методы измерения поглощения нуклеиновых кислот в клетках под воздействием ультрафиолетового излучения, а также микроскопию клеток под воздействием ультрафиолета. Благодаря этой разработке они смогли определить, что образование белков связано с повышенным присутствием рибонуклеиновых кислот в определённых ядерных и цитоплазматических участках. Примерно в то же время Жан Браше и Раймонд Джинер и Хьюберт Шантренн пришли к аналогичным выводам на основе дифференциального окрашивания и расщепления тканей РНКазой in situ[1].
Между 1945 и 1950 годами был разработан метод меченых атомов (35S, 32P, 14C и 3H). Радиоактивные аминокислоты для тестирования животных и после включения метки в белки различных тканей. Первоначально использовали разные аминокислоты: цистеин и метионин, меченные серой, глицин, меченный углеродом, и лизин, меченный углеродом[1].
Последовательность процессов синтеза полипептидной цепи белковой молекулы[править | править код]
- Активация аминокислоты специфичным ферментом в присутствии АТФ с образованием аминоациладенилата
- Присоединение активированной аминокислоты к специфичной тРНК с высвобождением аденозинмонофосфата (АМФ)
- Связывание аминоацил-тРНК (тРНК, нагруженной аминокислотой) с рибосомами, включение аминокислоты в белок с высвобождением тРНК[2]
Энергетика биосинтеза белка[править | править код]
Образование белка в живых клетках тесно связано с внешними условиями и внутриклеточными потребностями. Центральной проблемой в клеточной физиологии является определение стоимости производства белка и молекулярных процессов, ограничивающих биосинтез. Это особенно важно для понимания взаимосвязей между ростом клеток, делением клеток и размером клеток. Наиболее энергозатратным процесом при синтезе белка обычно считается трансляция. Большая часть клеточного пула гуанозинтрифосфата используется для полимеризации аминокислот, тогда как значительно меньшие количество энергии используется на другие процессы, включая транскрипцию и сворачивание белков[3].
Примечания[править | править код]
- ↑ 1 2 Rheinberger H.‐J. A History of Protein Biosynthesis and Ribosome Research (англ.) // Protein Synthesis and Ribosome Structure: Translating the Genome. — 2004. — P. 1—51. — doi:10.1002/3527603433.ch1.
- ↑ О.-Я. Л. Бекиш. Медицинская биология. — Витебск: Ураджай, 2000. — С. 53.
- ↑ Kafri M. et all. The Cost of Protein Production (англ.) // Cell Reports. — 2016. — Vol. 14, no. 1. — P. 22—31. — ISSN 2211-1247. — doi:10.1016/j.celrep.2015.12.015.
Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их молекулах.
В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Эта информация получила название генетической, а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется ген.
Ген — это участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка.
Ген — это единица наследственной информации организма.
Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Биосинтез белка — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определённую последовательность аминокислот в белковых молекулах.
Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.
Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.
Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до (60) тыс. пептидных связей.
Транскрипция
Транскрипция — это процесс снятия информации с молекулы ДНК синтезируемой на ней молекулой иРНК (мРНК).
Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре.
В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается», а затем на одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.
Информационная (матричная) РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности.
Формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включён урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК».
Как и в любой другой биохимической реакции, в этом синтезе участвует фермент — РНК-полимераза.
Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определённого места ДНК. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнаёт» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.
Фермент продолжает синтезировать иРНК до тех пор, пока не дойдёт до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).
У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков.
У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.
Трансляция
Трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.
В цитоплазме клетки обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.
Обрати внимание!
Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК). Любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной тРНК.
На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно (0,2) секунды.
За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК (антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК), и следующая аминокислота включается в растущую цепочку.
Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной молекулы оказывается рядом с аминогруппой другой молекулы. В результате между ними образуется пептидная связь.
Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так постепенно формируется молекула полипептида (белка).
Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). После этого белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Так как клетке необходимо много молекул каждого белка, то как только рибосома, первой начавшая синтез белка на иРНК, продвинется вперёд, за ней на ту же иРНК нанизывается вторая рибосома. Затем на иРНК последовательно нанизываются следующие рибосомы.
Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, образуют полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых молекул белка.
Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.
Общая схема синтеза белка представлена на рисунке.
Пример:
последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК: ЦГА ТТА ЦАА.
На информационной РНК (иРНК) по принципу комплементарности будет синтезирована цепь ГЦУ ААУ ГУУ, в результате чего выстроится цепочка аминокислот: аланин — аспарагин — валин.
При замене нуклеотидов в одном из триплетов или их перестановке этот триплет будет кодировать другую аминокислоту, а следовательно, изменится и белок, кодируемый данным геном.
Изменения в составе нуклеотидов или их последовательности называются мутациями.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
https://distant-lessons.ru/molekula-rnk.html
https://900igr.net
https://tonpix.ru/biosintez_belka_translyaciya_47725/
Белки — это особые молекулярные соединения, лежащие в основе
жизнедеятельности любого живого организма. Роль белков в организме
чрезвычайно разнообразна. Каждый белок имеет свое уникальное строение и
выполняет в организме строго определенную функцию.
Белки гормоны участвуют в управлении всеми жизненными процессами — ростом, размножением и т.п.
Мы способны двигаться благодаря сократительным белкам актину и миозину,
содержащимся в мышцах.
Белки ферменты обеспечивают протекание всех химических процессов —
дыхание, пищеварение, обмен веществ и пр. Например, белок пепсин,
содержащийся в желудочном соке, помогает переваривать пищу.
За зрительные способности отвечает особый светочувствительный белок родопсин,
с помощью которого формируется изображение на сетчатке глаза.
Белок гемоглобин доставляет кислород ко всем клеткам и обеспечивает
вывод углекислого газа из организма. Гемоглобин — это белок эритроцитов,
красных кровяных клеток, переносящий молекулярный кислород от легких к тканям
организма.
Белки иммуноглобулины (антитела) защищают организм при вторжении
болезнетворных микроорганизмов, вирусов и бактерий.
Белок фибриноген отвечает за свертываемость крови при царапинах, порезах
и кровоточащих ранах.
Большая группа белков участвует в образовании различных структур организма.
Белок эластин входит в состав стенок кровеносных сосудов.
Кожа, сухожилия, связки, хрящи, кости содержат белки коллагены.
Белки кератины являются главной составляющей частью волос, перьев,
ногтей, роговых образований.
Сильнодействующие вещества ядов некоторых растений, змей и насекомых, а также
токсины бактерий являются белками.
Несмотря на то, что вышеперечисленные вещества выполняют в организме такие разные функции, все они называются белками. Почему?
Все дело в том, что абсолютно все белки, несмотря на свои различия, состоят из одного и того же «строительного материала» – особых химических веществ – аминокислот.
Внешне молекула белка напоминает ожерелье, состоящее из разноцветных бусин, где роль бусин выполняют молекулы аминокислот, соединенные в длинные полипептидные цепи.
Как правило, молекула белка состоит из 300–500 таких «бусинок». В природе существует порядка 170 аминокислот, но в состав
белков чаще всего входят только двадцать. Значит, молекула белка может состоять из 20 аминокислот или из «бусин» 20 разных цветов. Различные комбинации «бусин» дают разные варианты белковых молекул.
Для каждого белка характерна уникальная, свойственная только ему комбинация
аминокислот и их число. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена на
другое место, его потеря или замена приведет к значительному изменению свойств.
Многие аминокислоты синтезируются в организме. Их называют заменимыми. Некоторые аминокислоты,
необходимые для синтеза белков, не синтезируются в организме и должны поступать
извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин,
метионин и др.
Генетическая
информация и молекула ДНК
Процесс синтеза или построения белков происходит в организме по строго заданной программе, записанной на особых органических молекулах. Это молекула ДНК дезоксирибо-нуклеиновой кислоты. Она представляет собой две спирально закрученные нити. Ширина такой двойной спирали около 2-х нанометров, а длина в десятки тысяч раз больше.
Отрезок молекулы ДНК, содержащей сведения о последовательности аминокислот в одном белке, называется геном, поэтому ДНК называют носителем генетической информации. ДНК содержит сотни генов, поэтому ее часто сравнивают с хранилищем чертежей, по которым строятся все необходимые организму белки. Информация в ДНК хранится в зашифрованном виде, поэтому, чтобы понять, как синтезируются белки, надо сначала изучить язык или код, на котором записана генетическая информация.
Подобно любому языку на планете, генетический код имеет свой алфавит, т.е. набор букв, с помощью которых записывается любое понятие языка. В русском языке для этого используются 33 буквы, в английском —28 букв, в современном китайском — 5000 иероглифов, а в азбуке Морзе 2 символа — точка и тире.
В генетическом языке алфавит состоит всего из
4-х букв, роль которых выполняют особые органические соединения нуклеотиды. Все
нуклеотиды имеют схожее строение: азотистое основание, сахар и фосфатную группу. Отличие
заключается лишь в типах азотистых оснований, по именам которых и были названы
нуклеотиды: тимин(Т), цитозин(Ц), гуанин(Г) и аденин(А).
Каждый язык обладает определенными правилами записи предложений. Где-то слова пишутся слева направо, где-то справа налево, где-то сверху вниз и почти в каждом языке имеются знаки препинания.
Особенностью записи информации в ДНК является полное отсутствие каких-либо знаков препинания и пробелов между словами.
Абсолютно все слова генетического языка состоят из 3-х букв, поэтому они получили название триплетов. Каждая тройка нуклеотидов в молекуле ДНК однозначно кодирует одну единственную аминокислоту — мельчайший строительный блок белковой молекулы.
Например триплет ЦТА соответствует аминокислоте лейцин, триплет ААС кодирует аминокислоту аспарагин, ЦЦГ — пролин и т.д.
В настоящее время код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой аминокислоты точно установлены все кодирующие ее триплеты.
Таким образом цепочки нуклеотидов в молекуле ДНК представляют собой не что иное, как точные чертежи, по которым организм может строить белки с поразительной точностью.
Как указывалось выше, мельчайшие ошибки в структуре ДНК, как то выпадение или повреждение одного нуклеотида, могут привести к серьезным генетическим нарушениям и заболеваниям (например, болезнь Дауна).
Наличие двух спиралей в молекуле ДНК предназначено именно для защиты генетической информации от случайных повреждений. Если повреждается одна спираль, ее тут же можно восстановить, используя информацию, содержащуюся в соседней. Для этого спирали соединены между собой по принципу комплементарности. Комплементарность — это связь типа «ключ в замок». Подобно ключу, который подходит только для определенной скважины замка, нуклеотиды в ДНК образуют друг с другом такие же комплементарные пары.
В паре с аденином
может оказаться только тимин, а с гуанином только цитозин.
Как видим, если одна из цепочек ДНК имеет структуру ЦТГАЦА, то вторая
соответственно состоит из нуклеотидов ГАЦТГТ.
Итак, в молекуле ДНК содержится информация о структуре каждого белка в
организме. Цвет глаз, волос, шерсти, перьев, строение внутренних органов — все
это выражение определенных свойств белков и их сочетаний, а их структура
изначально закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК.
Генетическая информация используется не только для синтеза белков в организмах
живых существ, но также передается их потомкам. Вот почему особи одного вида во
многом похожи между собой, а генетическую информацию часто называют
наследственной.
Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.
Синтез
белка
Обладая информацией о строении каждого белка в организме, сама ДНК в процессе их синтеза не участвует. Она является лишь носителем генетической информации, расположенным в ядре клетки, а сами белки производятся в цитоплазме.
Генетическая информация попадает в цитоплазму при помощи особых молекул
рибонуклеиновой кислоты, называемых информационными РНК — иРНК.
Информационная РНК представляет собой как бы слепок с определенного участка
ДНК, его точную копию. Сначала информация о конкретном белке точно копируется с
ДНК на иРНК, подобно тому, как файл копируется с жесткого диска на дискету.
Этот процесс называется транскрипцией.
В процессе копирования специальный фермент полимераза, двигаясь вдоль молекулы ДНК, последовательно считывает ее нуклеотиды и строит на их основе цепочку иРНК. Итак, молекула иРНК с записанной на нее программой направляется в цитоплазму к рибосоме — своеобразной фабрике по производству белков. Таким образом иРНК играют роль неких матриц для синтеза того или иного белка.
К рибосоме также
направляется поток стройматериала для производства белков — молекулы
аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью
так называемых транспортных РНК — тРНК. Эти молекулы способны различать
среди всего многообразия аминокислот только свои определенные аминокислоты,
присоединять их к одному из концов и подтаскивать к рибосоме.
Для эффективного
распознавания аминокислот молекулы тРНК снабжены тройкой нуклеотидов,
кодирующих свою строго определенную аминокислоту. Такой триплет называется антикодоном.
Отыскав рибосому информация РНК взаимодействует с ней и заставляет ее работать
по записанной на молекуле программе.
По мере сборки
белковой молекулы рибосома ползет по иРНК, считывая информацию триплет за
триплетом. При этом к ней постоянно подходят транспортные РНК, которые
соприкасаются своим антикодоном с кодоном, т.е. тройкой нуклеотидов на иРНК и,
продвигаясь в рибосоме, проводят свою аминокислоту к строящейся цепочке
белковой молекулы.
Однако аминокислота, доставленная тРНК, только в том случае попадет в состав
строящейся молекулы белка, если антикодон на ее тРНК окажется комплементарным
кодону на соответствующем участке иРНК. Некомплементарные тРНК отталкиваются и
их аминокислоты не попадают в состав строящегося белка.
Свободная т-РНК затем выбрасывается из
рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты
и весь процесс повторяется снова.
Процесс синтеза белка на рибосомах называется трансляцией
(передачей).
Источник: nanonewsnet