Синтез белков в организме

1. Что такое белки?
2. Функции белков?
3. Из чего состоят белки?
4. Откуда берутся АМК в клетке?
5. Как попадают белки в организм?

Как пополняется запас белков в организме?
Как, происходит синтез большого количества молекул белка?
Вы узнаете:

Известно, что белки не могут создаваться путём редупликации, как это происходит с ДНК. Однако синтез большого числа одинаковых молекул возможен, так как молекулы ДНК являются носителями наследственной информации, то есть в них записана информация о всех белках клетки и организма в целом.

В белоксинтезирующую систему входит: система нуклеиновых кислот, состоящая из ДНК и РНК, рибосомы и ферменты. Вся информация, заключённая в молекулах ДНК, в начале переносится на иРНК, которая затем программирует синтез белков клетки.
ДНК матрица → иРНК матрица → Белок

Это положение молекулярной биологии было сформировано в начале 50-х годов 20века англ. учённым Ф.Криком.
Итак, давайте разберем, что означает данная формула. ДНК матрица → иРНК матрица → Белок

Молекула ДНК является матрицей, или основой (шаблоном) для синтеза большого количества иРНК (хотя при этом структура ДНК не меняется).
иРНК, в свою очередь является матрицей или основой для построения множества белковых молекул. (на рисунке красным цветом показано)

Участок молекулы ДНК несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов, поэтому информацию ДНК называют генетической. В геноме человека около 50 тысяч генов, которые находятся в 23 хромосомах.
Таким образом, ген – это единица наследственной информации.

Первый этап переноса генетической информации с ДНК в клетку заключается в том, что генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов ДНК переводится в последовательность нуклеотидов иРНК.

Этот процесс получил название транскрипции от лат. «transcriptio» - переписывание. Транскрипция, или биосинтез иРНК на исходной ДНК, осуществляется в ядре клетки ферментативным путём по принципу комплиментарности.

По длине иРНК в сотни тысячи раз короче ДНК, т.к. иРНК снимает копию не всей молекулы ДНК, а только одного гена или группы генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции.

Специальный фермент РНК-полимераза присоединяется к определённой последовательности нуклеотидов ДНК – гену промотору, который необходим для того, чтобы синтез иРНК был начат строго в начале гена.
Двигаясь по цепи ДНК вдоль необходимого гена, РНК-полимераза подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в цепочки в виде молекулы иРНК. В конце гена или группы генов фермент встречает сигнал (в виде определённой последовательности нуклеотидов), означающий конец СТОП переписывания. Готовая иРНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка.
На этом 1 этап биосинтеза белка – транскрипция заканчивается.

Транскрипцией можно назвать процесс, в результате которой информация с языка ДНК переводится на язык РНК, что фактически сводится к замене одной буквы алфавита ДНК на другую, свойственную РНК, вместо тимина – урацил. иРНК позволяет осуществляться очередной смене языков: на этот раз с языка РНК на язык аминокислотной последовательности белков.

От транскрипции мы переходим к другому процессу который получил название трансляции от лат слова «translatio» - перевод.
Правильный перенос информации от иРНК к полипептиду обеспечивается за счёт рибосом, которые являются центрами синтеза белка.
Какие особенности в строении рибосом?
Рибосомы – это немембранные органеллы клетки, состоящие из 2-х субъединиц

Природа создала универсальную организацию рибосом. Во всех живых организмах рибосомы в клетке построены по единому плану: они состоят из 2-х субъединиц – большой и малой.

Малая субъединица отвечает за генетические, декодирующие функции; большая – за биохимические, ферментативные.
В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр (ФЦР) с 2-мя участками – акцепторным и донорным. В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК

В процессе синтеза белка рибосома защищает иРНК и синтезируемый белок от разрушающего действия клеточных ферментов. Механизм защитного действия заключается а том, что нить иРНК проходит между большой и малой субъединицами рибосомы, а начальная часть вновь синтезируемого белка находится в каналоподобной структуре большой субъединицы.

Однако в ходе изучения механизмов биосинтеза белка было выяснено, что сама аминокислота в несколько раз меньше, чем кодирующий её триплет нуклеотидов.
Что же тогда осуществляет связь и корреляцию между аминокислотой и триплетом иРНК?
В клетке имеются специальные образования – это тРНК, которые транспортируют к месту синтеза белка.

Синтез полипептидной цепи белковой молекулы начинаются с активизации аминокислот, которую осуществляют специальные ферменты – кодазы.

Кодазы обладают очень высокой специфичностью как в отношении аминокислоты, так и в отношении тРНК. Каждой аминокислоте соответствует как минимум один фермент – кодаза, то есть их всего не менее двадцати. Кодаза, связывая аминокислоту и соответствующие тРНК, обеспечивает присоединение аминокислоты к акцепторному участку тРНК с затратой АТФ.

Функционирование рибосомной системы начинается с взаимодействия иРНК с субъединицей рибосомы, к донорному участку которой присоединяется инициаторная тРНК, всегда метиониновая.

Любая полипептидная цепь начинается с метионина, который в дальнейшем отщепляется. Синтез полипептида идёт от N-конца к С-концу, то есть полипептидная связь обращается между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.

Далее к образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы, после чего весь рибосомный комплекс начинает перемещаться вдоль иРНК. При этом акцепторный участок ФЦР находится впереди, а донорный участок – сзади.

К акцепторному участку поступает вторая тРНК, чей антикодон комплиментарен кодону иРНК, находящемуся в данном участке ФЦР. Между метионином и аминокислотой акцепторного участка образуется пептидная связь, после чего метиониновая тРНК отсоединяется, а растущую цепь белка акцептирует (присоединяет) 2-я тРНК. После образования пептидной связи тРНК перемещается в донорный участок ФЦР. Одновременно с этим рибосома целиком передвигается в направлении следующего кодона иРНК, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму.

В освободившийся акцепторный участок приходит новая тРНК, связанная с аминокислотой, которая шифруется очередным кодоном иРНК. Снова происходит образование пептидной связи, и белковая молекула удлиняется ещё на одно звено. Соединение аминокислот в полипептидную цепь осуществляется в месте выхода каналоподобной структуры и по завершении синтеза через пору в мембране ЭПС поступает в её внутреннее пространство для окончательного формирования и транспорта по месту назначения. Трансляция идёт до тех пор, пока в акцепторный участок не попадёт стоп-кодон, являющийся «знаком препинания» между генами. На этом элонгация, то есть рост полипептидной цепи, завершается.

Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому, которая в дальнейшем распадается на субчастицы. Процесс завершения синтеза белковой молекулы называется терминацией.

Для увеличения эффективности функционирования иРНК часто соединяется не с одной, а с несколькими рибосомами. Такой комплекс называется полисомой, на котором протекает одновременный синтез нескольких полипептидных цепей.
Таким образом, процесс синтеза белка представляет собой серию ферментативных реакций, идущих с затратой энергии АТФ.

С какой же скоростью осуществляется реакции синтеза белка?
Давайте решим задачу!
Какая скорость синтеза белка у высших организмов, если на сборку инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, затрачивается 7,3 сек?
Решение: 51:7,3=7 (аминокислот в 1 сек.)
Ответ: в 1сек. сливается 7 аминокислот.

Действительно, скорость передвижения рибосомы по иРНК составляет 5-6 триплетов в секунду, а на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, клетке требуется 1-2 минуты.
Инсулин является 1 белком, синтезированным искусственно. Но для этого потребовалось провести 5000 операций, над которым трудилось 10 человек в течение 3 лет.

белок
белок

Задача:
Сколько нуклеотидов содержат гены (обе цепи ДНК), в которых запрограммированы белки из I. 500 аминокислот; II. 250 аминокислот. III. 48 аминокислот.
Какое время понадобится для синтеза этих белков клетки, если скорость передвижения рибосомы по иРНК составляет 6 триплетов в сек.?

Решение:
для кодирования 500 аминокислот необходимо: 3*500*2 = 3000 нуклеотидов.
для кодирования 250 аминокислот необходимо: 3*250*2 = 1500 нуклеотидов.
для кодирования 48 аминокислот необходимо: 3*48*2 = 288 нуклеотидов.
иРНК содержит:
3000:2 = 1500 (нуклеотидов)
1500:2 = 750 (нуклеотидов)
288:2 = 144 (нуклеотидов)
На синтез белков затрачивается:
1500:6 = 250 сек.
750:6 =125 сек.
144:6 = 24 сек.

И так, на сегодняшнем уроке мы изучили очень важный процесс! Процесс биосинтеза белка в организме. Вы увидели, как очень сложно устроенные процессы, протекают в организме в считанные минуты. Биосинтез белка по праву занимают очень важную роль.