Біосинтез білків – сукупність процесів, які забезпечують утворення молекул білків з амінокислот на основі інформації, яка закодована на молекулі ДНК.

Біосинтез білка складається із трьох основних етапів.

І. ЕТАП БІОСИНТЕЗУ БІЛКА -ТРАНСКРИПЦІЯ (ПЕРЕПИСУВАННЯ)

ВІДБУВАЄТЬСЯ У ЯДРІ. У минулій темі про нуклеїнові кислоти ми зачепили тему транскрипції, коли говорили про види РНК, а точніше, про інформаційну РНК.

Оскільки інформація про структуру білкової молекули містить ДНК, яка із ядра не виходить, то є необхідність перенести цю інформацію із ядра до місця синтезу білка – на рибосоми ендоплазматичної сітки, що знаходиться у цитоплазмі, тобто поза ядром. Це процес забезпечується посередником, або іРНК. Це, немов, листоноша, що доставляє лист до адресата.

Спочатку, молекула ДНК в певному місці розкручується, (ця ділянка називається ГЕН). Розкручується спіраль ДНК завдяки ферменту, який називається ХЕЛІКАЗА. Допомагає утримувати ДНК у потрібному положення допомагає фермент ТОПОІЗОМЕРАЗА.

Один із ланцюгів ДНК має назву кодуючий, або змістовний. А протилежний та комплементарний йому називається матричний, антизмістовний або кодогенний. В тестаховий задачах частіше зустрічається термін-кодогенний.

Хоча інформація про структуру білка записана на кодуючому ланцюзі, переписування, і, фактично синтез іРНК відбувається на протилежному, матричному. Це повязано із правилом комплементарності. І якби переписування відбувалось безпосередньо із змістовного, то інформація була би оберненою.

Отже, іРНК це точна копія ділянки ДНК, де закодована певна інформація, це є ген, точна копія ділянки кодуючого або змістовного ланцюга. Але пам’ятаємо, що ТИМІН у ДНК міняє УРАЦИЛ у будь якій РНК.

НАПРАВЛЕНІСТЬ МОЛЕКУЛИ НУКЛЕЇНОВОЇ КИСЛОТИ

Направленність-це орієнтація одноланцюгової структури у молекулі нуклеїнової кислоти. Найменування атомів вуглецю в нуклеотидах (виходячи з нумерації атомів вуглецю в молекулі цукру пентози) дає початок двум кінцям – 5 ‘і 3’ (вимовляються як п’ять-штрих і три-штрих)

Синтез нуклеїнових кислот можливий in vivo тільки в напрямку від 5 ‘до 3′, так як ДНК-і РНК-полімерази приєднують нові залишки нуклеотидів тільки до 3’-гідроксильної групі (-OH) за допомогою фосфодіефірного зв’язку.

 

Після розкручування напроти матричного ланцюга “вишиковуються” нуклеотиди, які є матеріалом для майбутньої РНК-молекули. Але відбувається це відповідно правила комплементарності-напроти А у ДНК буде У в пре-іРНК, напроти Т у ДНК буде А у пре-іРНК, напрти Ц буде Г і навпаки. процес транскрипції забезпечується ферментом ДНК залежною РНК – полімеразою.

Слід зазначити, що іРНК потребує ще формування, так званого дозрівання. В тестах, підручниках ми можемо зустріти твердження, що іРНК синтезується на матриці ДНК. Це дійсно так, але правильніше зазначити, що на ДНК синтезується про-іРНК, тобто незріла молекула, яка повинна пройти ще певні етапи дозрівання, перед тим, як вийти із ядра. В спрощеній подачі матеріалу можна побачити картинку, що відображає ділянку ДНК на якій уже протранскрибувалась зріла іРНК. Але ми розглянемо процес дозрівання про-іРНК у зрілу іРНК.

ЯК ДОЗРІВАЄ про-іРНК у іРНК

ДНК окрім інформативних ділянок (ЕКЗОНИ) містить неінформативні (ІНТРОНИ). І під час транскрипціїї переписується все. Але, неінформативне слід видалити. В цьому полягає суть дозрівання. Відбувається це двома шляхами, але шляхи ці неоднакові у бактерій та багатоклітинних організмів.

СПЛАЙСИНГ ТА АЛЬТЕРНАТИВНИЙ СПЛАЙСИНГ

Сплайсинг — процес «вирізання» новосинтезованої матричної РНК (мРНК) під час процесингу РНК. При сплайсингу з попередника мРНК (пре-мРНК) вилучаються інтрони, а екзони з’єднуються разом. Через те, що в геномах прокаріотів інтрони дуже рідкі (знайдені тільки в генах тРНК і рРНК), сплайсинг зазвичай характерний для еукаріотів. В результаті сплайсингу пре-мРНК перетворюється на зрілу мРНК, яка, якщо кодує білок, слідує на наступні кроки біосинтезу білків — транспортується з ядра до цитоплазми і транслюється у білок.

У багатьох випадках, сплайсинг приводить до утворення кількох унікальних типів білків із одного гена, залежно від того, які інтрони вилучаються і які екзони з’єднуються, а також можуть вилучатися екзони в середині або в кінці молекули — це явище називається альтернативним сплайсингом.

Сплайсинг відбувається у декілька етапів, які включають у себе кепування-приєднання кепу (початок ), сплайсинг та поліаденілування: в кінці іРНК приєднується поліаденіловий хвіст АААААА….

Дозрівання іРНК називають процессінгом.

ІІ. ЕТАП БІОСИНТЕЗУ БІЛКА – ТРАНСЛЯЦІЯ

ДРУГИЙ ЕТАП ВІДБУВАЄТЬСЯ У ЦИТОПЛАЗМІ НА ШОРСТКІЙ ЕНДОПЛАЗМАТИЧНІЙ СІТЦІ, НА РИБОСОМАХ

ТРАНСЛЯЦІЯ – синтез поліпептидного ланцюга-взаємодія рибосоми з іРНК. Цей процес можна розділити на три етапи: ініціація, елонгація, термінація.

Ініціація.

Синтез білка в більшості випадків починається з AUG-кодону, що кодує метіонін. Цей кодон зазвичай називають стартовим або ініціатор ним, містить сульфур. Ініціація трансляції передбачає впізнавання рибосомою цього кодону і залучення ініциюючої аміноацил-тРНК. Для ініціації трансляції необхідно також наявність певних нуклеотидних послідовностей в районі стартового кодону (послідовність Шайна – Дальгарно у прокаріотів і послідовність Козак у еукаріот).

Елонгація.

• 1. Розпізнавання поточного кодону відповідної йому аміноацил-тРНК (комплементарна взаємодія кодону мРНК і антикодону тРНК ).
• 2. Приєднання амінокислоти, яку принесла тРНК, до кінця зростаючого поліпептидного ланцюга.
• 3. Просування рибосоми вздовж матриці, що супроводжується вивільненням молекули тРНК.
• 4. Аміноацилювання молекули тРНК, що звільнилася відповідної їй аміноацил-тРНК-синтетазою.
• 5. Приєднання наступної молекули аміноацил-тРНК, аналогічно стадії (2).
• 6. Рух рибосоми по молекулі мРНК до стоп-кодону (в даному випадку UAG).

Термінація.

Впізнавання рибосомою стоп-кодону (їх три) супроводжується від’єднанням новосинтезованого білка і в деяких випадках дисоціацією рибосоми.

Ланцюги ДНК! Кодуючий ланцюг, змістовний- ланцюг ДНК, послідовність основ якої (зважаючи, що Т замінюється У) ідентична іРНК (мРНК), яка утворилася в результаті транскрипції даної ділянки ДНК. Молекула іРНК транскрибується з іншогланцюга, яка називається матричною, або антизмістовною.

ІІІ ЕТАП БІОСИНТЕЗУ БІЛКА

На цьому етапі білок набуває природньої (нативної) структури завдяки відщепленню зайвих амінокислотних залишків, введення фосфатних, карбоксильних груп. На Апараті Гольджі білок набуває відповідної просторової конфігурації:вторинну, третинну або четвертинну.

ЗАДАЧІ НА БІОСИНТЕЗ БІЛКА

Слід знати, що:

• одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами
• три нуклеотиди називається кодон або триплет
• один нуклеотид має довжину 0,34 нм
• один нуклеотид важить 345 (якщо в задачі не дано іншу величину)
• при підрахунку ваги гену слід враховувати обидва ланцюги ДНК
• вага однієї амінокислоти 100

ПРИКЛАДИ ЗАДАЧ

ЗАДАЧА 1.

Відносна   молекулярна маса   білкової  молекули  становить 30 000, а відносна   молекулярна маса   однієї  амінокислоти  – 100. Визначте  масу  гена ,  що кодує цю білкову молекулу, якщо  відносна   молекулярна  маса  одного  нуклеотиду  становить 345.

Розв’язок.

По перше, нам слід визначити кількість амінокислот, які входять у склад даного білка:

1). 30 000 : 100=300 амінокислот; ми вагу білка ділимо на вагу однієї амінокислоти

По -друге, ми дізнаємося, скільки нуклеотидів закодувало 300 амінокислот

2). 300 х 3 = 900 нуклеотидів; кількість амінокислот множимо на три, тому що кожна закодована трьома нуклеотидами.

Але, 900 нуклеотидів входять лише у один ланцюг ДНК, що є половиною гена, а для маси ми враховуємо обидва, тому:

3). 900 х 2 = 1800 нуклеотидів у складі всього гену

Четверта дія, це кількість нуклеотидів помножити на вагу одного нуклеотиду:

4). 1800 х 345 = 621 000

Відповідь: маса гена 621 000

Білок складається із амінокислотних залишків, але часто зустрічаємо, що з амінокислот, слід сприймати це як однакові поняття.

ЗАДАЧА 2.

Інтрони-неінформативні ділянки ДНК, що переписуються на іРНК у ході транскрипції, але потім видаляються. Який відсоток інтронних нуклеотидів міститься на ДНК із 600 нуклеотидів, що стала матрицею для поліпептидного ланцюга із 80 амінокислот?

Розв’язок.

По-перше, ми повинні знайти кількість нуклеотидів, які закодували дані 80 амінокислот, а синтезуються вони лише з екзонної ділянки, значить, це буде кількість нуклеотидів у ділянці із екзонів.

1). 80 х 3 = 240 нуклеотидів

Друга наша дія – це визначити % екзонів, у нас для цього є потрібні дані.

Робимо пропорцію:

ВІДПОВІДЬ: інтрони становлять 60%

ЗАДАЧА 3.

Визначте кількість нуклеотидів у складі гена, що кодує білок, якщо молекулярна маса білка становить 5 100, а молекулярна маса амінокислоти 100. Візьміть до уваги, що ген, який кодує цей білок, містить 40% інтронів.

Розв’язок.

1) 5 100 : 100 = 51 амінокислота

2) 51 х 3=153 нуклеотиди у половині гена

3) 153 х 2 = 306 нуклеотидів у двох ланцюгах, але у екзонній ділянці, що становить 60%, тому що за умовами задачі інтрони – 40%

4) пропорція:

ВІДПОВІДЬ: у складі гена 510 нуклеотидів