Биосинтез белка в клетке

В 1902 г. немецкий химик Э. Фишер доказал, что белки - это сложные молекулы, состоящие из более простых. Но еще раньше было известно, что при нагревании белка с кислотой или щелочью он распадается на составляющие его аминокислоты. В самом слове «аминокислота» содержится понятие о двух типах химических веществ - кислоте и щелочи. В химическом отношении это противоположные соединения, их можно сравнить, как лед и пламя. Противоположность составляющих  элементов  помогает  аминокислотам объединяться в полимерную цепь отнятием молекулы воды. Короткая цепь называется пептидом, длинная - полипептидом.

Но даже самая длинная цепь аминокислот - это еще не белок. Для белка характерны очень специфические биологические свойства и определенная структура. Например, альбумины плазмы крови играют физиологически важную транспортную роль, пепсин и трипсин помогают переваривать пищу, миозин - один из главных компонентов сократительных волокон мышц. Различают четыре уровня структурной организации белков: первичный - линейная полипептидная цепь из аминокислот, вторичный - укладка полипептидной цепи в виде спирали или слоев, третичный - размещение полипептидной цепи в пространстве по эллипсовидной или вытянутой форме, четвертичный - организация нескольких полипептидных цепей с. третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Каждая последующая структура строится из предыдущей.

Вернемся к проблеме синтеза белка в клетке - этого очень сложного, многоступенчатого процесса. В середине 50-х годов XX век была выдвинута матричная теория синтеза белка. Согласно этой теории каждый белок синтезируется на своей особой матрице.

ДНК - носитель информации для образования молекулы белка с определенной последовательностью аминокислот - сама не принимает непосредственного участия в синтезе белка. Она служит матрицей для синтеза молекулы и-РНК, которая считывает последовательность нуклеотидов с отрезка ДНК, равного одному гену. Эта информация об очередности расположения аминокислот в белке поступает из ядра в цитоплазму.

В 40-е годы Б. В. Кедровский в СССР, Ж. Браше во Франции и Т. Касперсон в Швеции одновременно открыли неожиданный факт: синтез белка в клетке происходил не в ядре, где находилась основная масса ДНК, а в цитоплазме. Наиболее интенсивно белок синтезировался в участках цитоплазмы, где находилось больше всего РНК Тем не менее РНК не определяет структуру белка - она выполняет роль передаточного звена от ядра к цитоплазме. С ее помощью снимается чертеж с генов для строительства молекулы белка.

Информационная РНК несет на себе соответствующую запись генов о том, какие белки должны быть синтезированы. Она служит своеобразной матрицей, определяющей последовательность включения аминокислот, доставленных т-РНК в растущую цепь белка. Весь процесс синтеза состоит из ряда последовательных этапов.

Прежде всего происходит повышение активности аминокислот, находящихся в цитоплазме клетки. Это способствует лучшему взаимодействию их друг с другом во время соединения в цепи белка. В этом процессе участвует аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая передает аминокислоте запас энергии и тем самым вызывает ее активность. Кроме того, синтезируется особый фермент - аминоацил-РНК-синтетаза.

Следующий этап связан с транспортировкой активированных аминокислот к рибосомам. Такую функцию выполняет т-РНК, которая присоединяется к специфической аминокислоте и переносит ее к соответствующим триплетам и-РНК матрицы.

Последовательное соединение аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с программой и-РНК осуществляет специальная молекулярная машина - рибосома. Устройство рибосом почти одинаково у всех организмов. Они состоят из большой и малой субчастиц. Основу каждой из них образует РНК, окруженная белками.

Рибосомы - очень малые частицы (размером в миллионные доли сантиметра). Образование белковой цепи рибосомами при выпуске белка заданной конструкции осуществляется с высокой эффективностью и практически без брака. На синтез белковой молекулы средних размеров уходит около 30 с. В результате многолетней работы большого коллектива ученых под руководством А. С. Спирина была создана модель рибосомы, а затем вне клетки произведена ее сборка.

Одиночные рибосомы, оказывается, неактивны. Функционирующие рибосомы объединены в группы - полисомы. Под электронным микроскопом видно, что рибосомы соединены между собой нитью нуклеиновой кислоты толщиной 10-15 А. Среднее количество их в полисоме - от 5 до 40. Наиболее часто рибосомы встречаются там, где интенсивен синтез белка - в клетках меристемы, зародыша, в регенерирующих клетках и органах.

Информационная РНК подходит к рибосоме и прикрепляется к ее малой субчастице. Различные молекулы т-РНК приносят к рибосоме аминокислоты и располагают их соответственно последовательностям триплетов и-РНК. Рибосома движется вдоль молекулы и-РНК-синтезируется полипептидная цепочка. Молекула т-РНК присоединяется к малой субчастице рибосомы, и образуется водородная, связь с и-РНК. Свободный конец т-РНК с аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После этого и-РНК и присоединенная к ней т-РНК с аминокислотой передвигаются в большую субчастицу рибосомы. В освободившуюся малую субчастицу вступает вторая молекула т-РНК, несущая ту аминокислоту, которая соответствует очередному кодону. Вторая т-РНК переходит в большую субъединицу, ее аминокислота соединяется пептидной связью с аминокислотой второй т-РНК. Первая т-РНК оставляет рибосому и уходит в цитоплазму. Там она может быть снова активирована ферментом и способна перенести аминокислоту в рибосому.

В малую субъединицу рибосомы вступает третья т-РНК, и весь цикл повторяется. Все это продолжается до тех пор, пока закончится синтез всей полипептидной цепи, запрограммированной определенным отрезком ДНК. Сборка белковых молекул в полисоме напоминает работу конвейерной ленты.

Ученые установили, что молекула и-РНК обычно работает сразу в нескольких рибосомах. Содержащаяся в и-РНК генетическая информация используется повторно для одновременного синтеза нескольких одинаковых полипептидных цепей. За секунду в клетках высших организмов полипептидная цепь удлиняется в среднем на семь аминокислот и-РНК успевает продвинуться через рибосому на семь кодонов. У микробов процесс протекает в два-три раза быстрее.

На последнем этапе биосинтеза линейная молекула полипептидной цепи преобразуется в объемную структуру. Водородные связи вызывают скручивание по-липептидной цепи в спираль. Белковая молекула приобретает биологически  активную конфигурацию.

Так наследственная информация, записанная в молекулярной структуре ДНК, реализуется в процессе биосинтеза белка. Появившийся фермент определяет признаки и свойства организмов.