mozok.click » Біологія » Біосинтез білків
Інформація про новину
  • Переглядів: 3264
  • Автор: admin
  • Дата: 9-12-2017, 03:37
9-12-2017, 03:37

Біосинтез білків

Категорія: Біологія

Пригадайте будову білків. Які амінокислоти належать до замінних, а які - до незамінних? Яка будова ендоплазматичної сітки та рибосом? Яка будова нуклеїнових кислот? Які є типи молекул РНК? Що таке ген? Яка функція рибосом та зернистої ендоплазматичної сітки?

Як ви пам’ятаєте, генетичний код у клітині реалізується шляхом біосинтезу білкових молекул. Важлива роль у цих процесах належить різним типам молекул РНК: мРНК, рРНК та тРНК. Майже всі живі організми здатні синтезувати нуклеотиди у результаті послідовних ферментативних реакцій. Попередниками нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот, є амінокислоти.

Процеси переписування спадкової інформації з молекули ДНК на молекулу мРНК називають транскрипцією (від лат. транскриптіо -переписування).

Які процеси відбуваються під час біосинтезу білкових молекул? Пригадайте: замінні амінокислоти можуть синтезуватись в організмі людини і тварин, незамінні -надходять до них лише з їжею. Білки їжі перетравлюються в органах травної системи, ці процеси завершуються в клітинах. Саме в клітинах з амінокислот синтезуються білки, властиві даному організмові. Рослини та деякі мікроорганізми здатні самі синтезувати всі необхідні їм амінокислоти.

Механізм біосинтезу білків з’ясовано у 50-ті роки XX ст. Як і біосинтез нуклеїнових кислот, він відбувається за принципом матричних реакцій. Утворення кожної з 20 стандартних (основних) амінокислот — складний багатоступеневий процес, який каталізує багато ферментів.

Початковий етап біосинтезу білкової молекули пов’язаний із синтезом молекули мРНК на молекулі ДНК (див. мал. 106). Особливий фермент роз’єднує подвійну спіраль ДНК, і на одному з її ланцюгів за принципом комплементарності синтезується молекула мРНК. Цей фермент забезпечує приєднання комплементарних нуклеотидів до ланцюга РНК, що синтезується. При цьому напроти нуклеотидів з аденіном у складі матричного ланцюга ДНК в РНК включаються нуклеотиди з урацилом.



Цікаво знати

Під час транскрипції на гені синтезується попередник мРНК (про-мРНК) - молекула, яка містить ділянки, що відповідають як екзонам, так й інтронам білкового гена. Потім ін-трони вирізаються і кінці сусідніх ек-зонів зшиваються. Цей процес своєрідного «дозрівання» молекули мРНК називають сплайсингом (від англ. сплайс - склеювати кінці будь-чого) (мал. 109). Після завершення цього процесу утворюється зріла молекула мРНК без інтронів, яка з ядра надходить у цитоплазму клітини. Така молекула переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу білкової молекули -рибосоми. Там молекула мРНК виконує функцію матриці (звідки й походить її назва).

Наступні етапи біосинтезу білків мають назву трансляція (від лат. трансляцій - передача). Послідовність нуклеотидів у молекулі мРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Так розшифровується інформація, записана в послідовності нуклеотидів мРНК.

Отже, молекули мРНК синтезуються лише на одному з ланцюгів молекули ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів молекули мРНК комплементарна послідовності нуклеотитів ланцюга ДНК, на якому вона синтезована, і збігається за послідовністю нуклеотидів з іншим ланцюгом, який називають кодуючим, або змістовним:

Спочатку в цитоплазмі кожна з амінокислот, які мають увійти до складу молекули білка, за участі специфічного ферменту ковалентним зв’язком приєднується до певної молекули тРНК (мал. 110; пригадайте будову молекули тРНК). Перебіг цього процесу потребує енергії, що зберігається у вигляді макроергічних зв’язків молекули АТФ.

Трансляція розпочинається з ініціації: мРНК зв’язується з рибосомою, а згодом і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. При цьому молекула мРНК опиняється між двома субодиницями рибосоми. Пригадайте: до складу субодиниць рибосом входять молекули білків та рРНК. Структура молекули рРНК визначає будову та функціональну активність цієї органели. Разом з білками вона забезпечує певне просторове розташування молекул мРНК й тРНК під час біосинтезу білкової молекули.

Спочатку рибосома зв’язується зі стартовим кодоном АУГ у складі мРНК. Такий комплекс готовий до початку синтезу молекули білка. При цьому кодон (певний триплет у складі молекули мРНК) впізнається антикодоном - комплементарним триплетом у складі тРНК (знайдіть їх на мал. 110).


На наступних етапах біосинтезу білка поліпептидний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв’язуються між собою за допомогою особливих міцних ковалентних (пептидних) зв’язків. При цьому кожний наступний кодон мРНК упізнається анти-кодоном молекули тРНК, а рибосома каталізує приєднання амінокислоти, яку несе тРНК, до поліпептидного ланцюга. Далі рибосома здійснює один крок уздовж молекули мРНК (цей крок дорівнює одному триплету) для взаємодії з наступною тРНК.

Мал. 110. Взаємодія молекули тРНК (1) з молекулою мРНК (2). Антикодон (3) молекули тРНК взаємодіє з кодоном (4) молекули мРНК, 5 - амінокислота, яку транспортує молекула тРНК

Мал. 111. Етапи біосинтезу білків. І. Ініціація: мала субодиниця рибосоми сполучається з мРНК; тРНК з антикодоном УАЦ утворює комплементарну пару з кодоном АУГ молекули мРНК. Велика субодиниця рибосоми сполучається з малою, тРНК опиняється в одній з ділянок функціонального центру рибосоми (1). Інша ділянка залишається вільною. II. Синтез поліпептидного ланцюга. До другої ділянки функціонального центру рибосоми прямує ще одна молекула тРНК з антикодоном ЦАУ (2). Дві молекули тРНК одночасно перебувають у функціональному центрі рибосоми. Перша молекула тРНК залишає функціональний центр рибосоми; амінокислота, яку вона транспортувала, сполучається псптидним зв’язком з амінокислотою, яку транспортувала друга молекула тРНК. Рибосома просувається вперед і друга молекула тРНК опиняється у першій ділянці (4). До другої ділянки підходить третя молекула тРНК (3). Третій триплет приєднується до поліпептидного ланцюга (5). Рибосома залишається на одному з кодонів (УРА), який дає сигнал про припинення біосинтезу. III. Завершення синтезу білкової молекули. Синтезована молекула поліпептидного ланцюга (5) та молекула тРНК (3) звільняються. Велика та мала субодиниці рибосоми роз’єднуються

Основні операції трансляції забезпечує функціональний центр рибосоми. Його розміри відповідають довжині двох триплетів - у ньому водночас перебувають два сусідних кодони мРНК та дві молекули тРНК (мал. 111). В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впізнає кодон мРНК, а в іншій — амінокислота звільни-

ється від тРНК. Коли рибосома просувається вперед уздовж молекули мРНК, її місце займає друга, згодом -третя, четверта тощо, і біосинтез нових білкових молекул триває. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташовані на молекулі мРНК, визначається її довжиною, однак не перевищує 20. Комплекс рибосом, об’єднаних молекулою мРНК, називають полірибосомою (скорочено - полісомою). Таким чином, на одній полісо-мі водночас синтезується багато молекул певного білка (мал. 112).

Мал. 112. Структура та функції полірибосоми. І. Декілька рибосом (1), об’єднані молекулою мРНК (2), утворюють полірибосому (полісом у). II. Електронна мікрофотографія полірибосоми

Процес синтезу білкової молекули триває доти, доки рибосома не сягне стоп-кодону (пригадайте: таких стоп-кодонів існує три - УАА, УАГ, УГА). Тоді трансляція припиняється: вільна рибосома розпадається на субоди-ниці, які потрапляють на будь-яку іншу молекулу мРНК (див. мал. Ill, III). Синтезована молекула білка може надходити в цитоплазму або в порожнину ендоплазматичної сітки, якою транспортується в певну ділянку клітини.

Цікаво знати

Для підвищення надійності процесу завершення синтезу білкової молекули (термінації) стоп-кодони дублюються. Першим при цьому зазвичай є кодон УАА (основний термінуючий триплет), а за ним на дуже близькій відстані в тій само рамці зчитування розташований один із запасних термінуючих триплетів - УАГ або УГА.

На заключному етапі біосинтезу синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участі відповідних ферментів відщеплюються зайві амінокислотні залишки, до складу молекули можуть вводитись небілкові складові (фосфатні, карбоксильні та інші групи, вуглеводи, ліпіди тощо) — синтезована молекула білка змінюється для виконання певних функцій.

Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється під час розщеплення молекул АТФ.

Ключові терміни та поняття:

транскрипція, трансляція, кодуючий (змістовний) ланцюг ДНК, кодон, антикодон, функціональний центр рибосоми, полірибосома (полісома).

Перевірте здобуті знання

1. Яка роль молекул ДНК у біосинтезі білків? 2. Які основні етапи процесу біосинтезу білків? 3. Яку роль відіграють рибосоми в процесі біосинтезу білків? 4. Як генетична інформація, закодована в молекулі ДНК, реалізується під час синтезу білкової молекули?

5. Яке біологічне значення того, що на молекулі мРНК одночасно перебуває не одна, а декілька (до 20) рибосом?

Поміркуйте

Гени кодують структуру білкових молекул або молекул РНК. Як вони визначають перебіг синтезу інших молекул: вуглеводів, ліпідів тощо?

Коротко про головне

Біосинтез білків - один з типів процесів пластичного обміну. Синтез кожної з 20 стандартних амінокислот - складний багатоступеневий процес, який каталізується багатьма ферментами.

Перший етап біосинтезу білків -транскрипція: синтез молекули мРНК на молекулі ДНК. Далі відбуваються процеси трансляції: послідовність нуклео-тидів у молекулі мРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується.

Процеси синтезу припиняються тоді, коли рибосома досягне триплету, який сигналізує про припинення синтезу по-ліпептидного ланцюга. На заключному етапі синтезований білок набуває своєї природної просторової структури.

ПРАКТИЧНА РОБОТА 2

Розв’язування елементарних вправ з реплікації, транскрипції та трансляції Мета: навчитися розв’язувати елементарні вправи з молекулярної біології.

Вправа 1. Один з ланцюгів молекули ДНК складається з таких залишків нуклеотидів:

ТАЦ ГАА ЦГЦ АТГ ЦГА ТЦЦ

Визначте послідовність нуклеотидів у дочірньому ланцюзі цієї молекули, синтезованому у процесі реплікації.

Розв’язок: За принципом комплементарності встановлюємо послідовність нуклеотидів у дочірньому ланцюзі молекули ДНК, який був синтезований на материнському ланцюзі:

Материнський ланцюг: ТАЦ ГАА ЦГЦ АТГ ЦГА ТЦЦ

Дочірній ланцюг: АТГ ЦТТ ГЦГ ТАЦ ГЦТ АГГ

Вправа 2. До складу материнського ланцюга молекули ДНК входять нуклеотиди в такому співвідношенні: А - 22 %, Т - 33 %, Ц - 21 % та Г - 24 %. Встановіть відсотковий склад нуклеотидів дочірнього ланцюга молекули ДНК, який був синтезований на материнському ланцюзі в процесі реплікації. Який відсотковий склад нуклеотидів усієї такої молекули ДНК?

Розв’зок: За принципом комплементарності встановлюємо відсотковий склад нуклеотидів дочірнього ланцюга молекули ДНК:

Вправа 3. До складу дочірнього ланцюга молекули ДНК, який був синтезований на материнському ланцюзі у процесі реплікації, входить 32 % нуклеотидів з аденіном. Визначте кількість нуклеотидів з гуаніном.

Вправа 4. Материнський ланцюг молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: АТГ ЦЦГ ТАГ ГЦТ. Скільки водневих зв’язків виникає між ними та комплементарними нуклеоти-дами дочірнього ланцюга цієї молекули, синтезованого в процесі реплікації?

Вправа 5. Один з ланцюгів молекули ДНК становить собою таку послідовність нуклеотидів:

ТЦГ ГАА АЦГ ТАА ЦАГ ГТА ЦАТ ТАТ.

У який послідовності до функціонального центру рибосоми, яка пов’язана з молекулою мРНК, синтезованою на цьому ланцюзі, будуть підходити молекули тРНК, що транспортують амінокислоти?

Розв’язок. За принципом комплементарності встановлюємо послідовність молекули мРНК, яка була синтезована на зазначеній ділянці ланцюга ДНК:

АГЦ ЦУУ УГЦ АУУ ГУЦ ЦАУ ГУА АУА

Отже, послідовність молекул тРНК, які підходитимуть до функціонального центру рибосоми, буде такою: гРНК з антикодоном УЦГ, тРНК з антикодоном ГАА, тРНК з антикодоном АЦГ, тРНК з антикодоном УАА, тРНК з антикодоном ЦАГ, тРНК з антикодоном ГУЦ, тРНК з антикодоном ЦАУ, тРНК з антикодоном УАУ.

Вправа 6. Ділянка молекули ДНК має такий вигляд:

АТА ГТЦ ЦГА ГТА ТЦЦ

ТАТ ЦАГ ГЦТ ЦАТ АГГ

Який з двох ланцюгів цієї молекули ДНК кодує поліпептид, що складається з таких амінокислотних залишків: ізолейцин — валін - аргінін - валін - серин?

Розв’язок. Використовуючи таблицю «Генетичний код», встановлюємо послідовність залишків нуклеотидів молекули мРНК, яка слугувала матрицею для синтезу даного поліпептиду:

АУА - ГУЦ - ЦАГ - ГУА - УЦЦ

Далі визначаємо, який саме ланцюг молекули ДНК кодує дану молекулу мРНК. Це ланцюг, комплементарний тому, на якому вона була синтезована: АТА ГТЦ ЦГА ГТА ТЦЦ.


*Вправа 7. Ланцюг молекули ДНК до порушення складався з такої послідовності залишків нуклеотидів:

AAA ААТ ТГГ ЦАГ ТТГ.

Після змін він набув вигляду:

ААА ААТ ТГГ ЦАТ ТТГ.

1. Порівнявши структуру молекули ДНК до та після пошкодження, знайдіть змінений триплет.

2. Визначте будову поліпептидів, які кодував ланцюг ДНК до та після пошкодження.

Розв’язок. 1. У четвертому нуклеотиді відбулася заміна нуклеотиду з азотистою основою Г на нуклеотид з азотистою основою Т.

2. Для того щоб визначити, з якої послідовності амінокислотних залишків складався поліпептид, який кодувала дана ділянка молекули ДНК до порушення, визначаємо послідовність залишків нуклеотидів молекули мРНК, синтезованої на даному ланцюзі молекули ДНК:

УУУ УУА АЦЦ ГУЦ ААЦ

Використовуючи таблицю «Генетичний код», встановлюємо послідовність амінокислотних залишків у молекулі синтезованого поліпептиду: фенілаланін - лейцин - треонін - валін - треонін.

Після мутації послідовність залишків нуклеотидів у молекулі мРНК стане такою:

УУУ УУА АЦЦ ГУА ААЦ

Використовуючи таблицю «Генетичний код», встановлюємо послідовність амінокислотних залишків у молекулі поліпептиду, синтезованого після порушення: фенілаланін - лейцин - треонін - валін - треонін.

Порівнюючи амінокислотний склад поліпептидів, синтезованих до та після порушень, робимо висновок, що він не змінився. Це стало можливим тому, що генетичний код вироджений - 18 з 20 основних амінокислот кодуються декількома триплетами. Таким чином, заміна одного із залишків нуклеотидів у складі певного триплету не завжди приводить до заміни амінокислоти у складі молекули синтезованого поліпептиду.

Вправа 8. Скільки амінокислот кодує молекула мРНК, якщо вона синтезована на ділянці молекули ДНК, що складається з таких нуклеотидів: ААГТЦАГЦАЦТЦЦАААТТ?

Вправа 9. Якою послідовністю нуклеотидів молекули мРНК кодується ділянка молекули білка, якщо він має таку будову: СЕРИН - ГЛІЦИН - АСПАРАГІН - ЦИСТЕЇН - СЕРИН -ЛІЗИН - ВАЛІН АРГІНІН?

Вправа 10. Якою послідовністю нуклеотидів молекули ДНК кодується ділянка молекули білка, якщо він має таку будову: ЛІЗИН - ГЛІЦИН - ЦИСТЕЇН - ГЛУТАМІН - АСПАРАГІН -ТРЕОНІН?

Вправа 11. Яка послідовність амінокислот кодується такою послідовністю нуклеотидів ДНК: АГЦАТТЦЦАГТЦТГЦАТГ? Якою стане послідовність амінокислот, якщо через порушення із цієї молекули випаде перший нуклеотид?

Вправа 12. Яка послідовність амінокислот кодується такою послідовністю нуклеотидів мРНК: ГЦУГЦАУАААЦЦУГАЦАГЦУА? Якою стане послідовність амінокислот, якщо через порушення із цієї молекули випаде другий нуклеотид?

Вправа 13. Залишки нуклеотидів одного з ланцюгів молекули ДНК мають таку послідовність:

ТАЦ ГАЦ АЦГ ГЦГ ATT ТАЦ АГГ ЦГГ ТЦГ АЦТ.

Яку кількість молекул амінокислот вона кодує?

Вправа 14. Послідовність амінокислотних залишків молекули поліпептиду така: АСПАРАГІН ІЗОЛЕЙЦИН ПРОЛІН ТРЕОНІН ВАЛІН ЦИСТЕЇН. Враховуючи, що більшість основних амінокислот кодуються кількома триплетами, визначте можливі варіанти послідовності залишків нуклеотидів, які можуть кодувати цей поліпептид.

 

Це матеріал підручника Біологія 9 клас Остапченко, Балан

 






^