Розділ «Тема 17. ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ»

Загальні уявлення про пластичний обмін

Пластичний обмін (анаболізм) – сукупність реакцій синтезу складних органічних сполук із простих, які потребують затрат енергії і забезпечують ріст клітин, поновлення їхнього хімічного складу. Усі живі організми потребують певних речовин та енергії для утворення власних органічних сполук. Автотрофні організми здійснюють синтез власних органічних сполук із неорганічних речовин (води і С02), використовуючи енергію світла (фотоавтотрофи) або енергію окисно-відновних хімічних реакцій (хемоавтотрофи). Гетеротрофні організми здійснюють синтез власних органічних речовин, використовуючи готові поживні речовини як джерело простих органічних сполук та енергії. Пластичний обмін виконує пластичну функцію, тобто сукупність реакцій синтезу є необхідною для оновлення хімічного складу клітини, розвитку клітин та організму. У процесах пластичного обміну беруть участь майже всі компоненти клітини, але особливе значення мають хлоропласти (у рослин), рибосоми, ЕПС та ін. Дуже інтенсивно анаболізм відбувається в періоди росту: у тварин – у молодому віці, у рослин – протягом вегетаційного періоду. Основними процесами пластичного обміну є біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот, фотосинтез, хемосинтез.

Основні процеси пластичного обміну

Генетичний код і його властивості

Етапи біосинтезу білків

Біосинтез білків – сукупність процесів, які забезпечують утворення молекул білків з амінокислот на основі інформації, яка міститься в генах ДНК. Біосинтез білків, хоча й дуже подібний, дещо відрізняється у представників еукаріотів та прокаріотів (архебактерій та еубактерій). Біосинтез білків є складним багатоетапним процесом, у якому, зазвичай, виділяють транскрипцію, процесинг (включаючи сплайсинг), активацію амінокислот, трансляцію та посттрансляційну модифікацію білкових молекул.

I етап. Транскрипція – передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на ІРНК, яка відбувається в ядрі. Транскрипція відбувається під час інтерфази і каталізується ферментом ДНК-залежною РНК-лолімеразою. У процесі транскрипції утворюються РНК усіх типів – ІРНК, тРНК і рРНК. Процес синтезу ІРНК протікає в напрямку від 5'- до 3'- кінця, тобто ДНК-РНК-полімераза рухається по матричному ланцюжку ДНК з напрямком 3'-5'. Інша назва цих точок – ОН-кінець і P-кінець відповідно. Рівень транскрипції більшості генів чітко регулююється за допомогою факторів транскрипції (білки, що зв'язуються зі специфічними ділянками ДНК (промоторами) і є частиною системи, яка регулює передачу генетичної інформації від ДНК до РНК). Саме на цьому етапі відбувається більша частина регуляції експресії генів (процес, при якому спадкова інформація генів використовується для синтезу функціонального генетичного продукту, наприклад, молекули білка або РНК). Регулювання експресії генів забезпечує контроль клітині за кількістю та структурою біополімерів, що синтезуються, і є основою диференціації клітин, морфогенезу й адаптації організму до умов навколишнього середовища. Зазвичай процес транскрипції поділяється на три стадії: ініціацію, елонгацію і термінацію.

• Ініціація – початкова стадія транскрипції. Відбувається розплітання ДНК і зв'язування РНК-полімерази з геном-промотором, що є сигналом для початку транскрипції. Після чого утворюється фосфодиефірний зв'язок між двома першими нуклеотидами.

• Елонгація – стадія, під час якої нарощується ланцюг ІРНК, тобто відбувається послідовне приєднання рибонуклеотидів на основі принципу комплементарності.

• Термінація – стадія завершення зчитування генетичної інформації з ДНК на ІРНК при досягненні гена-термінатора, який є сигналом для завершення транскрипції. Результатом цих стадій є утворення незрілої ІРНК, яку називають попередником ІРНК (про-іРНК).

II етап. Процесинг зі сплайсингом – процес, що забезпечує дозрівання про- ІРНК (попередника ІРНК) після транскрипції, при якому "Вирізаються" інтрони (неінформативні ділянки) і "зшиваються" екзонн (інформативні ділянки). Інтрон – ділянка ДНК, яка є частиною гена і не містить інформації про послідовність амінокислот білка. Інтрони характерні для всіх типів РНК в клітинах еукаріотів і знайдені в невеликій кількості в рибосомальній РНК (рРНК) і транспортній РНК (тРНК) прокаріотичних клітин. Число і довжина інтронов дуже різні в різних видах і серед різних генів одного організму. У середньому на частку інтронів припадає приблизно 80% усієї про-іРНК. Екзон – інформативна ділянка ДНК в межах гена, яка переводиться у зрілу молекулу ІРНК в процесах транскрипції і сплайсингу. Екзони більшості генів еукаріотів і деяких генів прокаріотів розділені сегментами некодуючої ДНК (інтронами), які видаляються під час сплайсингу. Термін "екзон" ввів 1978 році американський біохімік В. Гільберт. У результаті сплайсингу про-іРНК перетворюється на зрілу ІРНК, яка транспортується з ядра до цитоплазми, де відбуватиметься трансляція.

III етап. Активація амінокислот – сукупність процесів, які відбуваються в цитоплазмі й забезпечують поєднання амінокислот з тРНК і АТФ. Вільні амінокислоти спочатку поєднуються з АТФ під контролем специфічних ферментів-синтетаз з утворенням активованих амінокислот. Для кожного виду амінокислоти існує свій особливий фермент. Далі активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК під контролем того самого ферменту, що називається рекогніцією. Утворюється аміноацил-тРНК. * IV

Загальна схема активації амінокислот

Амінокислота + АТФ → АМФ – Амінокислота + тРНК → Аміноацил- тРНК

Головну роль на цьому етапі біосинтезу відіграють транспортні РНК (тРНК), які приєднують для транспортування до рибосом 20 основних амінокислот. Тому виділяють стільки тРНК, скільки видів амінокислот. Оскільки багато амінокислот кодуються декількома триплетами, кількість різновидів тРНК зі своїми антикодонами більша за 20 (їх відомо близько 60). Молекули тРНК мають структуру, подібну до листочка конюшини. У молекулі тРНК є чотири важливі ділянки: 1) антикодон (триплет, який відповідає коду даної амінокислоти в молекулі ІРНК); 2) акцепторна ділянка (однакова у всіх тРНК (ЦЦА) і є місцем прикріплення відповідної амінокислоти); 3) ділянка, що кодує відповідну амінокислоту; 4) ділянка, що служить для регуляції орієнтації та руху аміноацил-тРНК до місця синтезу білка.

IV етап. Трансляція – сукупність процесів, які відбуваються на рибосомах і забезпечують утворення білка первинної структури. Відбувається у напрямку від 5' до 3' кінця ланцюга ІРНК. Трансляція відбувається в цитоплазмі, де знаходяться рибосоми клітини. Під час трансляції інформація, що міститься в іРНК, розшифровується та використовується для синтезу закодованої поліпептидної послідовності. Трансляція зазвичай здійснюється більш ніж однією рибосомою одночасно. Кілька рибосом і молекула ІРНК, по якій вони рухаються, називаються полісомою, або полірибосомою. Процес трансляції, як і процес транскрипції, можна поділити на три стадії: ініціацію, елонгацію та термінацію.

Ініціація – початок трансляції, який передбачає утворення певного комплексу чинників: розпізнавання стартового кодона (АУГ), зв'язування тРНК метіоніном (Мет*), збирання рибосоми з великої і малої субодиниць та утворення ініціативного комплексу (триплет іРНК, рибосоми та певної тРНК) (див. мал. (1).

Елонгація – подовження поліпептидного ланцюга з додаванням нових амінокислотних залишків до карбоксильного (С-) кінця ланцюжка, що наростає:

• розпізнавання кодона за допомогою антикодона відповідної йому аміноацил-тРНК (комплементарна взаємодія кодона ІРНК і антикодона тРНК збільшена) (2). Кодон – одиниця генетичного коду у вигляді триплету нуклеотидних залишків в ДНК або РНК, що кодують певну одну амінокислоту. Послідовність кодонів у гені визначає послідовність амінокислот у поліпептідному ланцюзі білкової молекули, що кодується цим геном. Антикодон – триплет тРНК, який забезпечує розпізнавання відповідних кодонів ІРНК;