Биосинтез белка¶
Биосинтез белка — это процесс синтеза белковых молекул в живых клетках, осуществляемый на основе генетической информации, закодированной в нуклеиновых кислотах. Процесс представляет собой последовательное соединение аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с порядком триплетов нуклеотидов (кодонов) матричной РНК. Биосинтез белка является одним из ключевых этапов экспрессии генов и обеспечивает реализацию наследственной информации в фенотипе организма.
¶Общая характеристика
Биосинтез белка осуществляется на рибосомах — макромолекулярных комплексах, состоящих из рРНК и белков. Процесс требует затрат энергии в виде АТФ и ГТФ, а также участия транспортных РНК (тРНК), несущих аминокислоты. У эукариот биосинтез протекает в цитоплазме (на свободных рибосомах и рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума), а также в митохондриях и хлоропластах. У прокариот процесс идёт в цитоплазме, где рибосомы свободно перемещаются.
¶Основные этапы
¶Транскрипция
Первым этапом является транскрипция — синтез матричной РНК (мРНК) на матрице ДНК. Фермент РНК-полимераза считывает шаблонную цепь ДНК и синтезирует комплементарную РНК-цепь. У прокариот транскрипция и трансляция могут идти одновременно, так как нет ядерной оболочки. У эукариот мРНК подвергается посттранскрипционным модификациям: добавлению 5'-шапочки, поли-А хвоста, сплайсингу (удалению интронов и сшивке экзонов).
¶Трансляция
Трансляция — непосредственный синтез полипептидной цепи на рибосоме. Она включает три основных этапа:
- Инициация. Малая рибосомная субъединица связывается с мРНК в области старт-кодона (АУГ). К этой субъединице присоединяется инициаторная тРНК, несущая метионин (у прокариот — формилметионин). Затем присоединяется большая субъединица, формируя функциональную рибосому.
- Элонгация. Рибосома перемещается вдоль мРНК по 5'→3' направлению, считывая кодоны. Каждая тРНК с соответствующей аминокислотой доставляется в А-сайт рибосомы. Аминокислота переносится на растущую цепь с образованием пептидной связи под действием пептидилтрансферазной активности рРНК. Рибосома сдвигается на один кодон, тРНК из П-сайта высвобождается.
- Терминация. При достижении стоп-кодона (УАА, УАГ или УГА) в А-сайт вступает фактор терминации. Полипептидная цепь отщепляется от тРНК, рибосома диссоциирует на субъединицы.
¶Посттрансляционная модификация
После синтеза белок часто проходит дополнительные этапы: фолдинг (сворачивание в пространственную структуру), при участии шаперонов, протеолитическое отщепление сигнальных пептидов, гликозилирование, фосфорилирование и другие модификации. Некоторые белки собираются из нескольких полипептидных цепей.
¶Генетический код
Соответствие между последовательностью нуклеотидов в мРНК и аминокислотной последовательностью белка определяется генетическим кодом. Кодон состоит из трёх нуклеотидов; всего существует 64 кодона, из которых 61 кодирует аминокислоты, а три являются стоп-кодонами. Код вырожден (избыточен): большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном. Код универсален для большинства живых организмов, что подтверждает общее происхождение жизни.
¶Регуляция
Биосинтез белка регулируется на уровне транскрипции, трансляции и посттрансляционных модификаций. У прокариот ключевым механизмом является оперонная система (например, лактозный оперон у кишечной палочки), описанная Ф. Жакобом и Ж. Монодом. У эукариот регуляция осуществляется через факторы транскрипции, эпигенетические механизмы, миРНК, ингибирующие трансляцию или разрушающие мРНК.
¶Значение
Биосинтез белка лежит в основе всех жизненных процессов: роста, размножения, обмена веществ, иммунного ответа. Нарушения этого процесса (мутации в генах, дефекты тРНК или рибосом) приводят к заболеваниям — например, к анемиям, нейродегенеративным расстройствам, муковисцидозу. Многие антибиотики (стрептомицин, тетрациклин, хлорамфеникол) действуют, избирательно подавляя биосинтез белка в бактериальных рибосомах, не затрагивая эукариотические.
¶История
Ключевые открытия в области биосинтеза белка были сделаны в 1950–1960-х годах. Г. Татум и Дж. Ледерберг показали генетическую регуляцию бактериального метаболизма; М. Ниренберг и Х. Корана расшифровали генетический код; Ф. Крик сформулировал адаптерную гипотезу и правило чтения. Вклад в понимание механизма трансляции внесли также А. Спирин, М. Киршнер и другие учёные.
¶Источники
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки.
- Львов Н.П. Молекулярная биология.
- Синявская О.А., Гриценко В.Н. Биохимия.
- Watson J.D. Molecular Biology of the Gene.