Синтез белка в клетке¶

Синтез белка — это совокупность процессов, в ходе которых в живой клетке из аминокислот строится полипептидная цепь в соответствии с информацией, закодированной в нуклеиновых кислотах. Является центральным звеном реализации генетической информации и одним из фундаментальных процессов обмена веществ у всех организмов — от бактерий до человека. Основу синтеза составляет матричный принцип: последовательность нуклеотидов ДНК или РНК определяет последовательность аминокислот в белке.

¶Общая схема

В классическом виде путь от гена к белку описывают формулой «ДНК → РНК → белок», известной как центральная догма молекулярной биологии, сформулированная Фрэнсисом Криком в 1958 году. Процесс включает несколько этапов:

Репликация — удвоение ДНК перед делением клетки (непосредственно к синтезу белка не относится, но обеспечивает передачу информации).
Транскрипция — переписывание информации с ДНК на матричную РНК (мРНК).
Процессинг — созревание РНК (у эукариот).
Трансляция — сборка полипептида на рибосоме по матрице мРНК.
Посттрансляционная модификация — сворачивание и химические изменения готовой молекулы.

¶Транскрипция

Транскрипция происходит в ядре у эукариот и в цитоплазме у прокариот. Фермент РНК-полимераза расплетает участок двойной спирали ДНК и синтезирует комплементарную цепь РНК, используя одну из нитей ДНК как матрицу. Вместо тимина в РНК включается урацил.

У эукариот различают три типа РНК-полимераз: полимераза I синтезирует рибосомные РНК, полимераза II — матричные РНК и часть малых РНК, полимераза III — транспортные и другие малые РНК. Синтез начинается с промотора — особой последовательности, узнаваемой факторами транскрипции, и завершается на терминаторе.

Первичный транскрипт у эукариот проходит процессинг: удаляются некодирующие участки (интроны) — сплайсинг, к концам присоединяются защитные группы (кэп и полиадениловый хвост). Зрелая мРНК выходит из ядра в цитоплазму.

¶Генетический код

Соответствие между нуклеотидами и аминокислотами задаёт генетический код. Каждой аминокислоте соответствует триплет из трёх нуклеотидов — кодон. Свойства кода:

триплетность — три нуклеотида кодируют одну аминокислоту;
вырожденность — большинству аминокислот отвечает несколько кодонов;
однозначность — каждый кодон кодирует только одну аминокислоту;
универсальность — код практически одинаков у всех организмов;
неперекрываемость — кодоны читаются последовательно, без наложения.

Из 64 кодонов 61 кодирует аминокислоты, а три (UAA, UAG, UGA) служат стоп-сигналами. Кодон AUG одновременно является стартовым и кодирует метионин. Расшифровка кода была завершена к 1966 году, значительный вклад внесли работы Маршалла Ниренберга и Хара Гобинда Кораны.

¶Трансляция

Трансляция — собственно синтез белка — идёт на рибосомах. Ключевые участники процесса:

мРНК — матрица с последовательностью кодонов;
транспортные РНК (тРНК) — доставляют аминокислоты; каждая тРНК имеет антикодон, комплементарный кодону мРНК;
рибосомы — органеллы из рРНК и белков, состоящие из двух субъединиц;
ферменты и факторы — аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы инициации, элонгации и терминации;
энергия — АТФ и ГТФ.

Этапы трансляции:

Инициация — рибосома связывается с мРНК, находится стартовый кодон AUG, к нему подходит тРНК с метионином.
Элонгация — рибосома продвигается по мРНК; в её пептидильном центре образуется пептидная связь между аминокислотами, цепь удлиняется.
Терминация — на стоп-кодоне синтез прекращается, полипептид освобождается, рибосома распадается на субъединицы.

Скорость трансляции у бактерий достигает примерно 15–20 аминокислот в секунду. Несколько рибосом могут одновременно работать на одной мРНК, образуя полисому.

¶Посттрансляционная модификация

Готовая полипептидная цепь приобретает функциональную форму путём фолдинга — сворачивания в пространственную структуру, часто при участии шаперонов. Возможны химические модификации: фосфорилирование, гликозилирование, ацетилирование, образование дисульфидных связей. Некоторые белки синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются после отщепления фрагмента.

¶Регуляция

Синтез белка регулируется на всех уровнях: от доступности гена для транскрипции до стабильности мРНК и активности рибосом. У прокариот важную роль играют опероны — группы генов, работающих под общим контролем (например, лактозный оперон, описанный Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году). У эукариот действуют факторы транскрипции, эпигенетические механизмы, альтернативный сплайсинг и малые РНК.

¶Значение и применение

Синтез белка обеспечивает построение всех клеточных структур, работу ферментов, транспорта, иммунной защиты и передачи сигналов. Нарушения этого процесса лежат в основе многих наследственных и онкологических заболеваний.

Знание механизмов синтеза белка используется в биотехнологии: получение инсулина, гормона роста и вакцин с помощью генно-модифицированных бактерий и клеточных культур. Ряд антибиотиков (тетрациклины, макролиды, аминогликозиды) избирательно подавляет бактериальную трансляцию, не затрагивая белоксинтезирующий аппарат человека.

¶Методы изучения

Для исследования синтеза белка применяют электрофорез, хроматографию, масс-спектрометрию, меченые аминокислоты, а также методы молекулярной биологии — секвенирование и ПЦР. Современные технологии позволяют наблюдать работу отдельных рибосом в реальном времени.

Источники: учебники молекулярной биологии и биохимии, работы Ф. Крика, М. Ниренберга, Х. Г. Кораны, Ф. Жакоба и Ж. Моно, справочные материалы по генетическому коду.