Биосинтез белка в клетке

Что такое биосинтез белка в клетке

 

 

Белки — это неотъемлемая часть жизни на Земле как таковой, «кирпичик», без которых жизнь не была бы возможна. Это касается не только всей жизни во всём её разнообразии, но и отдельных живых организмов, как одноклеточных, так и многоклеточных, включая человека. Но белки в организме появляются не просто так. Белки синтезируются в клетках организма наравне с множеством других веществ.

 

 

Процесс синтеза белков в клетке называется биосинтезом. Этот процесс состоит из нескольких стадий и требует серьёзных затрат энергии. Но эти затраты окупаются, поскольку так создаётся то, без чего клетка в частности и организм в целом не смогут полноценно функционировать. Осуществляется биосинтез при помощи определённых ферментов в определённых клеточных органоидах (или органеллах), и процесс этот может происходить исключительно в живой клетке.

 

Биосинтез белка возможен при осуществлении ряда биохимических реакций, и одна из таковых называется матричным синтезом. Это — процесс формирования новых молекул биологических частиц, запрограммированный  на генетическом уровне у других молекул, уже существующих на момент начала процесса биосинтеза белка. И матричный синтез тоже возможен только в живых клетках.

 

 

Процесс биосинтеза белков в клетке

 

 

Процесс биосинтеза состоит из двух чётко выделяемых стадий, называемых транскрипцией и трансляцией (подробнее об этом чуть позже), плюсом к этому являются дополнительные модификации синтезированного белка. Также промежуточной стадией можно именовать сплайсинг — процесс, при котором определённые нуклеотидные последовательности молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК), участвующих в биосинтезе, удаляются из молекул, и в ходе процессинга (или созревания) РНК сохраняющиеся последовательности «зрелых» молекул соединяются.

 

 

Важно знать, что биосинтез белка в значительной степени зависит от внутриклеточных потребностей и внешних условий. Больше всего энергии тратится на трансляцию, то есть, на второй этап биосинтеза, для её осуществления нужно больше всего гуанозинтрифосфата из запасов этого нуклеотида в клетке, и энергия этого нуклеотида расходуется для создания полимеров аминокислот.

 

Для трансляции, что осуществляется раньше, нужно не так много энергии, равно как и для сворачивания (или фолдинга) белков. Фолдингом называется процесс, при котором полипептидные молекулы белка спонтанно, сами по себе сворачиваются в нативную (природную) третичную структуру. Между тем, и аденозинтрифосфат (АТФ) тоже необходим для осуществления биосинтеза.

 

Ещё интересен тот факт, что скорость биосинтеза белка у многоклеточных организмов очень большая. Так, у высших животных (и у людей в том числе) скорость процесса может составить до шестидесяти тысяч пептидных связей в минуту.

 

 

Признаки биосинтеза белка в клетке

 

 

Процесс биосинтеза сам по себе является достаточно сложной биохимической реакцией, и для этого есть ряд характерных признаков.

 

Во-первых, в клетке присутствуют ферменты, которые и позволяют проводить транскрипцию и трансляцию, и (по крайней мере, для человеческого организма) в первую очередь речь идёт о РНК-полимеразе, гистонацетилтрансферазе, гистондеацетилазе 1, АТФ-зависимой хеликазе CHD7 (или хромодомене хеликазы ДНК-связывающего белка 7) и группе ДНК-метилтрансфераз.

 

Во-вторых, для осуществления биосинтеза требуются все виды РНК, а именно: матричная (мРНК, она же информационная, или иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомные (рРНК) рибонуклеиновые кислоты. Наличие сразу всех видов РНК позволяет делать выводы о том, что в клетке осуществляется биосинтез, ибо РНК оказывает самую что ни на есть ключевую роль в процессе.

 

 

В-третьих, в клетке в ходе биосинтеза белка присутсвуют мономерные (низкомолекулярные) аминокислоты, которые при полимеризации образуют белковые полимерные макромолекулы. То есть, аминокислоты являются своеобразным строительным материалом, из которого и собираются белки. К тому же, расположение аминокислот оказывает прямое влияние на специфические свойства тех или иных белков.

 

 

Органоиды клетки, участвующие в биосинтезе белка

 

 

Отдельные части клетки, или органоиды, являются местом, где, собственно говоря, и происходит процесс биосинтеза белка, равно как и  объектами, за этот процесс отвечающими. Таковыми являются рибосомы и эндоплазматическая сеть. Рибосомы организуют биосинтез по генетически заданной матричной программе, и эта программа зашифрована в матричной РНК (мРНК).

 

Размер рибосом в прокариотических клетках может составлять около 15-20-ти нанометров, а в эукариотических — около 25-30-ти нм. Форма сферическая или эллипсоидная. По строению делятся на большую и малую субъединицы, и обе участвуют в биосинтезе: в малой субъединице считывается информация с мРНК, в большой происходит прикрепление нужной аминокислоты к производимой белковой цепочке.

 

Интересно, что в клетках эукариот рибосомы могут как свободно располагаться в цитоплазме, так и быть прикреплены к мембранам эндоплазматической сети. Есть случаи, когда за одной молекулой РНК закреплено более одной рибосом, тогда есть повод говорить о полирибосоме (или полисоме), одновременно занимающихся трансляцией. Рибосомы синтезируются внутри ядра, а именно — в ядрышке.

 

Это неотъемлемая часть ядер эукариотических клеток, которая по составу является комплексом из рибонуклеопротеидов с белками, окружающих участки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которых, в свою очередь, содержатся ядрышковые организаторы, или гены рибосомных РНК (рРНК).

 

В рибосомах, являющихся рибонуклеопротеидными комплексами, содержится не только рРНК, но и десятки белков — от 50 у прокариот до 80 у эукариот, а также низкомолекулярные компоненты наподобие ионов металлов (в первую очередь — магния), молекул воды, диаминов и полиаминов.

 

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), ещё называемая эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР), выглядит как разветвлённая сеть канальцев, трубочек, пузырей и полостей, каждая из которых окружена мембраной, которая при этом может менять свою форму и структуру. И в процессе биосинтеза этот органоид тоже принимает участие.

 

Дело в том, что производимые с помощью рибосом белки могут переноситься в ходе трансляции или после неё из внутриклеточной жидкости (цитозоля) через мембрану эндоплазматической сети, и там они подвергаются сплайсингу (удаление некоторых последовательностей) и фолдингу (сворачиванию) для придания нужной трёхмерной структуры. После этого белки возвращаются в цитозоль.

 

 

Последовательность биосинтеза белка в клетке

 

 

Биосинтез осуществляется приблизительно в такой последовательности. Сначала определённые ферменты в связке с АТФ активируют необходимые аминокислоты, и при этом образуется аминоациладенилат. Затем активированные аминокислоты прикрепляются к особой тРНК, при этом выделяется аденозинмонофосфат (или АМФ). После этого тРНК с необходимыми аминокислотами (такого рода тРНК именуется аминоацил-тРНК) связывается рибосомами, а те включают аминокислоты в синтезируемые белки, а тРНК высвобождается.

 

При этом в ходе биосинтеза генетическая информация переносится с ДНК на матричную (информационную) РНК (мРНК, или иРНК), потом эта мРНК вступает в контакт с рибосомами, после чего происходит взаимодействие с другим видом РНК — тРНК, и результатом этого становится создания пептидных связей между включённых в белковую макромолекулу аминокислотами.

 

 

Этапы биосинтеза белка в клетке

 

 

Главными этапами процесса биосинтеза белка являются транскрипция и трансляция. В ходе транскрипции внутри клеточного ядра происходит перенос генетической информации с молекул ДНК, при этом формируется специальная мРНК; формирование этой РНК происходит с учётом принципа комплементарности. Затем происходит трансляция, которая уже осуществляется на рибосомах в окружении цитозоля: генетическая информация считывается уже с молекулы иРНК, и осуществляется создание полипептидной аминокислотной последовательности.

 

 

Дополнительными этапами можно считать сплайсинг и сворачивание белков в пространстве эндоплазматической сети, хотя их можно включить в один из двух основных этапов, а также посттрансляционные модификации. Если объяснять просто, то синтезированный белок подвергается дополнительной ковалентной химической модификации, и в результате он обретает те или иные свойства и особенности. Учёным удалось выявить свыше 200 вариантов того, как белки могут быть модифицированы в конце биосинтеза.

 

Крайне мало белков не подвергается подобным модификациям, но есть случаи, когда белок может быть модифицирован неоднократно. В результате модификаций те или иные белки имеют разный срок существования внутри клетки, различные формы и сроки ферментативной активности, различия в том, как они взаимодействуют со сторонними белками. В некоторых случаях посттрансляционные модификации бывают уникальными. Также в отдельных случаях сбои в посттрансляционных модификациях провоцируют ряд заболеваний наподобие онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и муколипидоза.

 

 

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

 

 

Термин «транскрипция» происходит от латинского слова, означающего «переписывание». Этот термин используется в нескольких научных дисциплинах. Так, в лингвистике этим словом обозначают письменное отображение звуков и фонем конкретными символами и знаками. А в биологии транскрипция является начальным этапом биосинтеза белка. И название оправдывает себя, ибо при транскрипции матричная генетическая информация, по сути, переписывается с молекул ДНК на молекулы РНК. Катализатором для транскрипции становится фермент РНК-полимераза.

 

 

Если речь идёт о бактериях, то в их случае у транскрипции есть единица — оперон. Опероном называется определённая часть молекулы, в структурном плане включающая в себя промотор, транскрибируемую часть и терминатор. Промотором называется оператор, контактирующий с белком-репрессором, в транскрибируемой части содержатся белок-кодирующие участки, терминатор же прекращает процесс.

 

 

Та последовательность ДНК, та цепочка, которая послужила основой для формирования иРНК (или мРНК), и из которой нужно выстроить белковую макромолекулу, является матричной ДНК (другое название — кодирующая). При формировании молекулы РНК с матричной ДНК создаётся такая последовательность, которая окажется идентичной последовательности кодирующей части молекулы ДНК, и идентичность окажется возможной по принципу комплементарности (при учёте того, что азотистое основание тимин из ДНК заменяется урацилом в РНК).

 

 

Интересно, то транскрипция сама состоит из нескольких стадий.

 

 

Первой стадией является инициация, в ходе которой ДНК-зависимая РНК-полимераза связывается с промотором (при помощи факторов инициации транскрипции, который есть в эукариотических клетках), и так создаётся стабильный закрытый комплекс, который позволяет продолжать дальнейший процесс транскрипции. После закрытый комплекс становится открытым, когда цепочки в молекуле ДНК разделяются на расстоянии от точки старта транскрипции в тринадцать пар нуклеотидов, и там, где разделились спирали, формируется транскрипционный пузырь, при этом открыт доступ к некодирующей части молекулы ДНК.

 

Следом происходит выравнивание первой пары рибонуклеотида с той частью ДНК, что станет матричной, и соединение, и далее по мере присоединения рибонуклеотидов к цепочке ДНК молекула РНК удлиняется. При этом на первых десяти нуклеотидах нередко процесс обрывается ввиду нестабильности транскрипта, в итоге короткий результат процесса выбрасывается, и процесс начинается заново. Наконец, когда удаётся создать транскрипт длиннее десятка нуклеотидов, транскрипт стабилизируется, и стадия инициации постепенно завершается.

 

 

Вторая стадия транскрицпии именуется элонгацией. Эта стадия запускается, как только связи между ферментом РНК-полимеразой и промотором (а также и с факторами инициации транскрипции) разрываются. В ходе элонгации в молекуле ДНК расплетается около восемнадцати нуклеотидных пар, а приблизительно двенадцать нуклеотидов матричной цепочки ДНК формирует гибридную спираль в связке с концом цепочки молекулы РНК, которая растёт дальше.

 

Пока фермент движется по матричной части ДНК, впереди двойная спираль расплетается, а позади — восстанавливается. В это же время часть растущей цепочки молекулы РНК высвобождается из комплекса с матричным ДНК и ферментом. В ходе процесса осуществляется воздействие отдельных факторов элонгации, которые не дают процессу оборваться раньше времени. В конце растущий транскрипт высвобождается, а фермент открепляется от матричного ДНК.

 

 

Последняя стадия транскрипции называется терминацией. У бактерий терминация может осуществляться по двум путям. Молекула РНК может быть высвобождена и отсоединена от матричной ДНК при дестабилизации водородных связей между матрицей ДНК и синтезируемой мРНК под воздействием особого белка, а может отсоединиться при формировании молекулой РНК стебеля-петли, за которой ряд повторяющихся пар урацила, что прерывает процесс транскрипции и позволяет отсоединиться молекуле РНК от ДНК.

 

Что же касается эукариотических клеток, то механизм терминации транскрипции пока малоизучен, известно лишь, что в конце РНК разрезается, к концу добаляется несколько пар аденина, причём в таком количестве, что позволяет стабилизировать транскрипт.

 

 

Трансляция — второй этап биосинтеза белка

 

 

Второй и самый энергозатратный этап биосинтеза называется — трансляция. Само название, происходящее от латинского слова, означающего «перемещение», предусматривает перенос к рибосомам и обратно в цитоплазму матричной ДНК и готового белка соответственно. При трансляции уже и осуществляется синтез белка, в качестве материалов для создания молекулы служат аминокислоты, а в качестве своеобразного фундамента — матричная ДНК, ранее внедрённая в мРНК (иРНК) во время транскрипции.

 

 

Результатом становится и реализация ранее закодированной генетической информации. Вообще, синтез белка является главным процессом, происходящим в ходе жизнедеятельности клетки живого организма. Рибосомы во время трансляции должны узнавать трёхнуклеидные, или трёхбуквенные кодоны мРНК, затем сопоставлять им соответствующие антикодоны тРНК, которые переносят аминокислоты, и после присоединять доставленные аминокислоты к строящейся белковой цепочке. Во время движения вдоль молекулы мРНК рибосомы ориентируются на ту информацию, что заложена в мРНК, и согласно этой программе и осуществляют синтез белка.

 

 

Узнаванию аминокислот помогают специальные молекулы тРНК, молекулы-адаптеры, по своей форме напоминающие лист клевера. В таких адаптерах есть антикодон, который комплементарен кодону из мРНК, а ещё есть особый участок, к которому прикреплена та или иная аминокислота, что подходит под конкретный кодон. Скрепление тРНК и аминокислоты возможно в рамках энергозависимой реакции, запускаемой ферментами из группы аминоацил-тРНК-синтетаз, так и формируются ранее упомянутые молекулы аминоацил-тРНК. И, опять-таки, соединение аминокислот с тРНК возможно только по принципу комплементарности, и никак иначе.

 

 

Как и транскрипция, трансляция также делится на три стадии, которые также именуются инициацией, элонгацией и терминацией. В рамках инициации стартовый кодон AUG подвергается узнаванию, параллельно происходят присоединение тРНК и первого антикодона с аминокислотой, и начинается работа большой и малой субъединиц рибосом, начинается синтез.

 

Потом запускается элонгация, и запускается процесс узнавания последующих за стартовым кодонов комплементарными им молекулами аминоацил-тРНК. К концу строящейся полипептидной цепочки присоединяется аминокислота, доставленная молекулой тРНК, рибосома постепенно продвигается вдоль матричной ДНК и отсоединяет от неё молекулу тРНК, которая после этого подвергается аминоацилированию комплементарным ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой.

 

Затем присоединяется следующая комплементарная молекула аминоацил-тРНК, и процесс повторяется вновь, и рибосома движется вдоль матрицы, пока не распознает стоп-кодон UAG (как пример). После этого происходит терминация, когда узнавание стоп-кодона заставляет отсоединиться новую белковую макромолекулу и выйти в цитозоль. В отдельных случаях после этого принимавшая участие в синтезе белка рибосома распадается на субъединицы до следующей трансляции.

 

 

А готовый белок после этого (если требуется) может быть подвергнут сплайсингу, фолдингу и посттрансляционным модификациям.