Процесс биосинтеза белка и его значение в клетке и в биологии

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.

Видео

Реакции матричного синтеза

Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция.

Название реакцииматричного синтеза Характеристика процесса Основные компоненты
Репликация Синтез ДНК на матрице ДНК Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Транскрипция Синтез РНК на матрице ДНК Участок ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Трансляция Синтез полипептида на матрице РНК Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты
Обратная транскрипция Синтез ДНК на матрице РНК Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты

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. Э

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.

Биосинтез белков

Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: рРНК, входящие в состав рибосом, и тРНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена) — и трансляция — синтез полипептидной цепи.

Резюме

Теперь вы знаете, что биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт. Процесс биосинтеза белков включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке, — это реакции матричного синтеза. 

Син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов: тран­скрип­ции (об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ци­он­ной РНК по мат­ри­це ДНК, про­те­ка­ет в ядре клет­ки) и транс­ля­ции (эта ста­дия про­хо­дит в ци­то­плаз­ме клет­ки на ри­бо­со­мах). Эти этапы сменяют друг друга и состоят из последовательных процессов.

Теги

Adblock
detector