МЕХАНІЗМ БІОСИНТЕЗУ БІЛКІВ

Процес біосинтезу багатостадійний. Спочатку необхідно отримати доступ до інформації, захованої в подвійної спіралі ДНК. Для цього існують механізми розплітання ниток ДНК особливим ферментом РНК-полімерази і освіти копії необхідної інформації (рис. 115).

Освіта транскрипта за допомогою РНК-полімерази

Мал. 115. Освіта транскрипта за допомогою РНК-полімерази

Перший етап, етап транскрипції (перезапису), завершується утворенням матричної РНК (мРНК) і її виходом з ядра клітини, де знаходяться ланцюга ДНК, в цитоплазму. Так генетична інформація фізично переноситься в нове середовище.

У цитоплазмі клітини відбувається процес складання білка з розчинених в цитоплазмі амінокислот, цю стадію синтезу прийнято називати трансляцією. Між цими основними стадіями існує проміжний етап, на якому мРНК, що несе повну копію певної ділянки ДНК, піддається процесингу - така загальна назва різних модифікацій мРНК, в яких до її кінців можуть додаватися різні структури, з неї можна вирізувати нітроном і т. Д.

Перша стадія - розплітання ДНК і отримання мРНК-когші контролюється ферментом полимеразой. У неактивному стані ланцюга ДНК навернені на білок гистон і захищені від зовнішнього впливу (див. Рис. 112). Молекули РНК-полімерази витісняють гистон, і подвійний ланцюг розкручується, розходячись па відстань близько 10 їм в діаметрі (див. Рис. 115) Фермент здатний утворювати зв'язку не тільки з ланцюгами ДНК, викликаючи їх розбіжність, але і з окремими нуклеотидами. Він служить каталізатором приєднання нуклеотидів до кодонам мРНК. При цьому діє принцип комплементарное ™ і зростаюча ланцюг мРНК виявляється побудованої з антикодон (рис. 116).

Принцип комплементарного відповідності

Мал. 116. Принцип комплементарного відповідності

Близьке розташування антикодон призводить до з'єднання вільних «хвостів» залишків фосфорних кислот з атомами вуглецю сусідніх «платформ» (рибоза), і формується ланцюг мРНК.

Далеко від РНК-полімерази її стабілізуюча роль зменшується і ланцюг антикодон поступово відділяється від ланцюга ДНК. Образно кажучи, РНК полімераза виконує роль затиску, який утримує нуклеотиди в потрібному положенні на час, необхідний для перемикання хімічних зв'язків.

Слід зазначити, що в клітинах еукаріот (т. Е. Мають ядра) є три типи РНК-полімерази: одна з них виробляє мРНК, дві інші утворюють рібосомнис рРНК і транспортні тРНК. Через пори в оболонці ядра всі три типи РНК надходять в цитоплазму. Тут відбувається процесинг і матрична РНК перетворюється в необхідну для даної клітини повноцінну матричну мРНК. Основною ланкою процесингу є альтернативний сплайсинг - процес вирізання нітронів, т. Е. Не кодують ділянок ланцюгів РНК.

Роль альтернативного сплайсингу дуже важлива. Він дозволяє з однієї послідовності, мозаїки кодують і не кодують ділянок гена, отримати безліч варіантів білків, що відрізняються за складом, структурою та властивостями. Пояснимо ситуацію, представлену на рис. 117, де наведено два варіанти вирізання нітронів з приєднаними до них екзонами (кодують ділянками гена) [13].

Два варіанти сплайсингу

Мал. 117. Два варіанти сплайсингу

Якщо в послідовності, що кодує залишаться ділянки 1 і 2, то в результаті синтезу вийде один варіант білка. Якщо залишаться ділянки 1 і 3, то результат синтезу буде іншим. Процес сплайсингу дозволяє отримати з одного і того ж гена нс один білок (як вважалося раніше), а ціле сімейство білків подібних, але все ж відрізняються за «нюансам». У рекордному випадку можна отримати кілька тисяч варіантів (!).

Збільшення частки интронов в геномі організмів

Мал. 118. Збільшення частки интронов в геномі організмів

Таким чином, в окремих клітках із загальної бази даних утворюються різні, необхідні конкретної клітці білки. Зовсім недавно було встановлено, що в міру збільшення складності організмів збільшується і довжина нітронів в геномі організмів (рис. 118).

Загалом гені складних організмів сумарна довжина інтронів може перевершувати сумарну довжину екзонів в десятки і сотні разів. Більш того, якщо порівнювати між собою кодують послідовності (екзонів) в геномах миші і людини, то виявиться, що вони ідентичні на 99%. Чому ж ми так не схожі на мишей?

Може бути, тому, що у нас альтернативний сплайсинг йде або іншим шляхом, або більш множинний. Або і те й інше одночасно [13].

Після процесингу настає другий етап синтезу, в якому головною дійовою особою є рибосома. Рибосома складається з двох субчастиц - великої і малої. Вони мають різні молярні маси і тому розрізняються по швидкості осадження на центрифузі. Велику субчастиц позначають як 60S, малу - як 40S. Субчастіци знаходяться в цитоплазмі окремо і збираються разом на ланцюгу матричної РНК. Кожна з субчастиц складається з білкового каркаса і внутрішньої рРНК, в малій частці 40S рРНК має спіралізацію, у великій субчастиц рРНК має зигзагоподібну форму без вторинної структури.

На одного ланцюга мРНК, як правило, поруч збираються кілька рибосом, утворюючи комплекс полірібосоми. Кожна рибосома служить верстатом для збірки своєї ланцюга білка, так що при узгодженому пересуванні полірібосоми уздовж ланцюга мРНК відразу синтезується кілька однакових молекул даного виду білка.

У процесі складання поліпептидного ланцюга транспортні тРНК переносять до рибосоми кожна свою амінокислоту; для 20 амінокислот є 20 типів транспортних РНК (рис. 119).

Схема процесу складання поліпептидного ланцюга

Мал. 119. Схема процесу складання поліпептидного ланцюга

Ланцюги тРНК - найкоротші (близько 80 нуклеотидів), в центральній частині великої петлі вбудований кодон однієї з амінокислот, яка здатна з'єднуватися з вільним кінцем тРНК. За правилом комплементарное ™ кодон може підійти (як ключ до замка) тільки до свого антикодону, тому ланцюг білка будується в точній відповідності з розташуванням кодонів в ДНК.

Таким чином, біологічна інформація проходить послідовність: кодон - антикодон - і знову кодон. Енергія, необхідна для пересування рибосоми уздовж ланцюга мРНК, надходить в результаті гідролізу на великий субчастиц гуанозінтріфосфата ГТФ: ГТФ «втрачає» групу Р0 4 і перетворюється в гуанозиндифосфат ГДФ. Рибосома приєднується малої субчастіцсй до ланцюга матричної РНК, транспортна РНК доставляє чергову амінокислоту, яка спочатку закріплюється на великий субчастиц, а потім з'єднується зі зростаючою поліпептидного ціпи.

Процес зшивання в полімерну ланцюг (по крайней мерс в деяких випадках) відбувається за участю відповідних ферментів. Після цього тРНК звільняється і повертається в цитоплазму за черговим «вантажем».

Документальна фотографія, наведена на рис. 120, ілюструє початковий момент складання на матричної РНК комплексу полірібосоми і ланцюга білка, які на ньому синтезуються [14].

Синтез ланцюгів білка на комплексі полірібосоми

Мал. 120. Синтез ланцюгів білка на комплексі полірібосоми

Білки проходять додаткову обробку спочатку всередині ЕПР, потім в так званому апараті Гольджі. Після цього везикули з білком підходять до мембрани клітини і відбувається екзоцитоз - вихід синтезованого білка в міжклітинний простір або в кровотік без порушення герметичності самої клітини. Слід відзначити високу ефективність процесу синтезу білків, він відбувається з виходом продукту, відповідним підходу тисяч тРНК до рибосоми за одну секунду. При цьому «підбір ключа» кодону тРНК до антикодону мРНК забезпечується інтенсивним тепловим рухом всіх молекул.

При розгляді процесів в клітці мимоволі виникає асоціація з фабрикою або хімічним заводом. Є ділянка копіювальний, є виробництво кінцевого продукту для власних потреб і на експорт в інші клітини. Що станеться, якщо синтез білків на існуючих рибосомах раптом буде заблокований?

В експериментах збій в синтезі (його зупинка) проводився шляхом введення конкурента для ГТФ, який займає його місце на рибосомі, але не виділяє при цьому енергії, достатньої для зсуву рибосоми на наступний кодон. Виявляється, що на фабриці-клітці виробляються і белоксинтезірующие «верстати» -рібосоми. Це виробництво організовано в межах ядра клітини. Між ядром і цитоплазмою існують зустрічні потоки речовин.

Рибосомні білки, вироблені за вищеописаною «технології», надходять в ядро, де йде процес транскрипції генів рРНК у вигляді загальної довгому ланцюгу. В результаті процесингу (обробки) з довгого ланцюга виділяються короткі ділянки двох видів - рРНК 185 і рРНК 285. На ці рибосоми осідають надійшли рибосомні білки і утворюються 405 і 605 субчастіци рибосоми. Ці «напівфабрикати» виходять через пори ядра в цитоплазму (розміри цілої рибосоми великі для «прохідний»). У цитоплазмі розчинені вільні рибосоми, але вони також групуються на мембрані так званого ЕПР в полірібосоми. За макроскопічної аналогією це ціла станочная лінія, проходячи через яку (рух щодо, рибосоми «протягують» мРНК) матрична РНК, замість спіралі стружки, виробляє спіралі білків. При цьому через спеціальні пори білок відразу потрапляє всередину ЕПР.

При блокуванні процесу синтезу в клітині прискорюється транспорт поживних речовин (амінокислот, ліпідів, глюкози) з кров'яного русла і активується внутрішньоклітинний кругообіг речовин. В першу чергу прискорюється потік білків в ядро клітини, з ними надходять ферменти, що активують транскрипцію і процес створення субчастиц рибосом. Останні в більшій кількості надходять в цитоплазму, де збираються в резервний «верстатний парк», який замінює зіпсований. Таким шляхом відновлюється працездатність клітини і здійснюється експорт вироблюваних нею речовин в кров'яне русло.

У багатоклітинних організмах на будь-яке порушення гомеостазу клітина реагує інтегральним підвищенням потужності роботи всього білоксинтезуючого конвеєра і зв'язаних з ним збільшенням білкової маси, тобто зростанням. Це підвищує захисний і енергетичний потенціал клітин і дозволяє їм подолати шкідливу дію навантажувального фактора (або стресу), якщо його сила не виявиться надмірною (несумісною з життям клітини).

З цього випливають два висновки. По-перше, помірні навантаження на клітини (через навантаження, іноді через стреси всього організму) супроводжуються підвищеним енсрговидслснісм і зростанням окремих клітин, а з ними і організму в цілому. У цьому пояснення емпірично відомого факту підвищення фізичних можливостей людей, що займаються спортом або важкою роботою. По-друге, при частих і значних хімічних навантаженнях на клітини (будь то наслідки емоцій, або прийому алкоголю, або радіаційно-хімічних впливів) адаптаційний механізм «дає збої» і створює лише додаткові «машини трансляції», які здійснюють погано контрольований ріст клітин, що призводить до надлишкової маси організму, а за деякими даними - до зростання канцерогенних пухлин.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >