2. Загальні відомості про біосинтез білків

а) Відмінність одного індивідуального білка від іншого визнача­ється його первинною структурою, тобто природою і послідов­ністю розміщення амінокислот у поліпептидному ланцюгу.

• Усі амінокислоти, що входять до складу білкових молекул, поділяються на замінні і незамінні.

б) Синтез білка - формування складної молекули білка з амінокислот-мономерів. Цей процес відбувається за схемою: ДНК -> РНК -> білок. На ДНК записана інформація про білки. ДНК зберігає і передає інформацію про структуру білка молекулі білка, що синтезується, через іРНК.

в) Рослини, використовуючи сполуки Нітрогену, здатні синтезу­вати всі необхідні їм амінокислоти - замінні, і незамінні. Таку ж здатність мають і частина мікроорганізмів.

г) В організмі людини і тварин можуть синтезуватись тільки за­мінні амінокислоти, а незамінні вони одержують лише з їжею. Білки їжі спочатку розщеплюються до амінокислот, які потім надходять до клітини, де і синтезуються певні білки.

• Тварини і гриби для синтезу замінних амінокислот також використовують нітрогенновмісні сполуки.

д) Синтез кожної з 20 основних амінокислот - це складний бага­тоступеневий процес, який каталізується багатьма фермен­тами і проходить з використанням енергії АТФ.

Структури та речовини, що беруть участь у біосинтезі білків:

а) ДНК - зберігає і передає інформацію про первинну структуру білка (а також про будову рРНК і тРНК). Безпосередньої участі у біосинтезі не приймає!

б) іРНК - копіює спадкову інформацію з ділянки молекули ДНК-гена і переносить її до місця збирання поліпептида.

в) тРНК - приєднує амінокислоти і переносить їх в рибосоми, утримує воєдино комплекс іРНК-поліпептид.

г) рРНК - структурна основа рибосоми (входить до складу рибосоми)

д) Рибосоми - органели, в яких проходить біосинтез білка (білко-синтезуючий апарат). Об'єднуються на іРНК в полірибосоми.

є) Ферменти - біокаталізатори, що приймають участь в синтезі ДНК, РНК, в утворенні первинної структури молекули білка.

є) Амінокислоти - мономери білка, їх 20.

ж) АТФ - енергоносій, енергія АТФ використовується в процесі побудови молекули білка.

з) Ендоплазматична сітка - на гранулярній ЕПС розміщені ри­босоми, проходить синтез молекул білка. В каналах ЕПС фо­рмується вторинна, третинна і четвертинна структура білка.

5. Етапи біосинтезу білків

В еукаріотичних клітинах ядро, що містить генетичний матеріал, і цитоплазма, в якій на ЕПС знаходяться рибосоми, що синтезують білок, просторово розмежовані. Тому ДНК безпосередньо в синтезі білка участі не бере і не може бути матрицею для складання поліпептидного ланцюга. Точною копією інформації для синтезу білка в рибосомі є ІРНК, що синтезується на ДНК і копіює її структуру.

• Принцип комплементарності, який визначає будову подвійного лан­цюга ДНК, лежить в основі матричного біосинтезу білка. Реалізація генетичної інформації відбувається в чотири етапи.

а) Перший етап - транскрипція (переписування) - передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на попередник іРНК. Транскрипція проходить не на всій молекулі ДНК, а лише певна ділянка її - ген- є матрицею для відповідної іРНК.

• Спочатку фермент РНК-полімераза - розщеплює певний уча­сток молекули ДНК і вздовж одного з ланцюгів ДНК за принци­пом комплементарності починається синтез молекули про-іРНК. Молекула про-іРНК за допомогою спеціальних ферме­нтів перетворюється в активну форму іРНК (після видалення з неї ділянок, позбавлених генетичної інформації). Синтезована молекула іРНК переходить із ядра в цитоплазму, а ДНК відновлює свою структуру (див. схему на обкладинці).

• 3 молекули ДНК може бути отримано безліч точних копій у ви­гляді молекули іРНК. Розміри молекули іРНК залежать від обся­гу інформації про розміри молекули білка, закодованої в ній.

б) Другий етап - активація амінокислот. Цей процес відбуваєть­ся у цитоплазмі: амінокислоти, що утворюються при розщеплен­ні білків, зв'язуються із специфічними ферментами і молекула­ми АТФ. Активовані амінокислоти з'єднуються з молекулами тРНК - кожній із 20 відомих амінокислот відповідає певна тРНК.

• У молекулі тРНК є дві важливі ділянки: до однієї з них при­кріплюється відповідна амінокислота, а інша містить триплет нуклеотидів (антикодон), що відповідає коду даної амінокис­лоти в молекулі іРНК. Активовані амінокислоти, сполучені з тРНК, надходять до рибосом, і починається третій етап біо­синтезу білка.

в) Третій етап - трансляція (передача) - процес безпосеред­нього синтезу поліпептидних ланцюгів, переклад послідовно­сті нуклеотидів у молекулі іРНК у послідовність амінокислот­них залишків в молекулі білка.

• Сигнал про початок синтезу поліпептидного ланцюга дає ста­ртовий кодон іРНК - АУГ, коли до зв'язаної з іРНК рибосоми надходить комплементарна транспортна РНК. Внаслідок цього процесу виникає ініціативний комплекс, який складається з триплету іРНК, рибосоми та певної тРНК.

• Процес синтезу білка полягає у тому, що молекула іРНК руха­ється між двома субодиницями рибосом і до неї послідовно при­єднуються молекули тРНК з активованими амінокислотами.

• За принципом комплементарності кодони іРНК вступають у зв'язок з антикодонами тРНК. Рибосома "ковзає" зліва напра­во по іРНК і складає білкову молекулу. В рибосомі є особлива ділянка - функціональний центр, де відбувається трансля­ція. В ньому знаходяться одночасно два сусідніх триплети іРНК. В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впіз­нає кодон іРНК, а в іншій - амінокислота звільняється від тРНК.

• Рибосома переміщується по іРНК з триплета на триплет не плавно, а переривчасто, "кроками". Закінчивши трансляцію од­ного триплета, вона перескакує на сусідній триплет і на мить зупиняється. Швидкість сполучення амінокислот між собою становить 20-50 за секунду. Тому синтез поліпептидного лан­цюга із 150 амінокислот відбувається за 3-5 сек.

• Після проходження однієї рибосоми по іРНК, на її місце над­ходить друга і т.д. Групи із кількох рибосом у клітині можуть об'єднуватись в один комплекс - полірибосому. Тоді молеку­ла ІРНК проходить всю полірибосому і на ній, як на матриці, відбувається синтез однакових поліпептидних ланцюгів.

• При утворенні білкової молекули від карбоксильної групи од­нієї амінокислоти (-СООН) й аміногрупи сусідньої амінокисло­ти (-NH₂) відщеплюється молекула води, залишки амінокис­лот сполучаються, при цьому утворюється міцний ковалент­ний зв'язок, який називають пептидним (завдяки викорис­танню енергії АТФ).

• Послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка ви­значає його первинну структуру.

• Коли рибосома досягне одного із стоп-кодонів (УАА, УАГ, УГА) на молекулі іРНК, синтез білкової молекули завершується.

• Третій етап біосинтезу білка закінчується сходженням полі­пептидного ланцюга (первинна структура білка) із рибосоми.

г) Четвертий етап – дозрівання (формування) - утворення вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап здійснюється в цитоплазмі.

• Вторинна структура білка - повне або часткове закручування поліпептидного ланцюга у спіраль. Спіраль утримується за рахунок гідрогенних зв'язків між NH-групами одного витка спіралі і СО-групами - сусіднього витка спіралі.

• Третинна структура білка (клубок, або глобула) - закономір­не переплетення ділянок білкового ланцюга, що підтримується зав'язками трьох типів: іонними, гідрогенними й дисульфідними, а також гідрофобними взаємодіями.

• Кілька молекул білка, що перебувають у третинній структурі і взаємодіють між собою, можуть утворювати четвертинну структуру (білок гемоглобіну).

д) Кожна з реакцій біосинтезу білка на всіх етапах забезпечується специфічними ферментами.

є) В процесі біосинтезу білкової молекули витрачається велика кількість енергії АТФ - на приєднання одного амінокислотного залишку до синтезованого поліпептидного ланцюга витрачається енергія розщеплення однієї молекули АТФ.

Етапи синтезу білка

Етап	Місце	Процеси
Транскрипція	Каріоплазма (ядерний сік)	Фермент РНК-полімерази розщеплює подвійний ланцюг ДНК і на одному з ланцюгів за принципом комплементарності синтезує молекулу і-РНК та переходить до цитоплазми.
Активація амінокислот	Цитоплазма	Приєднання амінокислот за допомогою ковалентного полярного зв’язку до певної т-РНК, яка транспортує амінокислоти до місця синтезу білка. (т-РНК - 20 різновидів)
Трансляція	Рибосоми	Під час синтезу білка рибосома насувається на ниткоподібну молекулу і-РНК таким чином, що і-РНК опиняється між двома субодиницями. У рибосомі є особлива ділянка-функціональний центр(ФЦР). Його розміри відповідають довжині двох триплетів, тому в ньому водночас перебувають два сусідні триплети і-РНК. В одній частині ФЦР антикодон т-РНК пізнає кодон і-РНК, а в іншій амінокислота звільняється від т-РНК. Коли рибосома досягає стоп-кодону, синтез білкової молекули завершується. (В трансляції виділяють три стадії: а)ініціація - рибосома сідає на і-РНК, з’єднується з ферментами; б)елонгація - процес від початку утворення першого пептидного зв’язку між амінокислотними залишками до утворення первинної структури білка; в)термінація - впізнання рибосомою стоп - кодону).
Дозрівання білка	Канали ЕПС	Тут крім процесу утворення відповідної структури білка - вторинної, третинної або четвертинної - в каналах ЕПС за участі ферментів відбувається відщеплення зайвих амінокислотних залишків, введення фосфатних, карбоксильних та інших груп тощо. Після цих процесів білок стає функціонально активним.

ТАБЛИЦЯ. СТАДІЇ ТРАНСЛЯЦІЇ.

У прокариот

Схема инициации трансляции у прокариот.

Порівняльна характеристика стадій транскрипції

	СТАДІЇ	ПОХОДЖЕННЯ НАЗВИ	ФЕРМЕНТИ	ПРОЦЕСИ
1	Ініціація	Лат. initialis – початковий	ДНК-залежна РНК-поліме- раза (5 субодиниць 2а, бета, бета1, сігма-фактор)	1)РНК-полімераза “знаходить” на ДНК діялнку промотора, утворює комплекс з нею і розплітає у цьому місці ДНК; 2)РНК-полімераза відщеплює сігма-фактор, рухається уздовж ДНК у напрямку її 5 – кінця і підходить до місця ініціації (початку) синтезу РНК
2	Елонгація	Лат. elongatio – видалення	ДНК-залежна РНК-поліме- раза (4 субодиниць 2 альфа, бета, бета1)	1)РНК-полімераза рухається уздовж ДНК і, розплітаючи її, дає змогу приєднатись тут нуклеозидтрифосфатам, комплементарним мінус-ланцюгу ДНК; 2)РНК-полімераза приєднує нуклеотиди, відщеплюючи від них пірофосфатні залишки (ланцюг РНК росте у напрямку 5—> 3)
3	Термінація	Лат. terminalis – кінцевий	Відсутні	1)досягнення РНК-полімеразою специфічної нуклеотидної послідовності ДНК (термінатора), а також спеціальний білок (р-фактор) зумовлюють припинення синтезу РНК; 2)у міру того, як транскрипція підходить до кінця, синтезована про-іРНК відокремлюється від ДНК

Порівняльна характеристика етапів і стадій трансляції

ЕТАПИ І СТАДІЇ	ВІДБУВАЮТЬСЯ	ФАКТОРИ	ПРОЦЕСИ
Рекогніція (лат. recognosco-оглядаю, розпізнаю)	У гіалоплазмі	20 типів ферментів аміноацил-тРНК- синтетаз (АРСази), АТФ, Мg+2	АРСази забезпечують розпізнавання ісполучення тРНК зі своєю амінокислотою, утворюючи комплекси аміноацил-тРНК (енергія АТФ використовується на утворення макроергічного зв’язку, Mg +2 відіграє роль кофактора)
Ініціація (лат. initialis – початковий) – початок синтезу білка	На рибосомах	Білкові фактори ініціації (F1, F2, F3), ГТФ	1) білкові фактори ініціації полегшують зв’язування ІРНК з малою субодиницею рибосом і ГТФ; 2) до комплекса фактори ініціації-мала субодиниця-іРНК-ГТФ приєднується велика субодиниця рибосом (гідроліз ГТФ дає енергію для змикання субодиниць); 3) аміноацил-тРНК зв’язується антикодоном з кодоном ІРНК
Елонгація (лат. elongatio – видалення) – продовження синтезу білка	На рибосомах	Білкові фактори елонгації, ГТФ	1) аміноацил-тРНК приєднується антикодоном до кодону ІРНК; 2) між амінокислотами виникає пептидний зв’язок (каталізують білки рибосом, витрачається енергія двох молеклу ГТФ) і утворюється дипептид; 3) зв’язок між першою амінокислотою і її тРНК руйнується і дипептид залишається зв’язаним тільки з другою тРНК; 4) рибосоми переміщуються на один триплет вперед у напрямку 5 —> 3 (використовується енергія однієї молекули ГТФ); Кроки 1-4 повторюються доки весь “текст” мРНК не буде “прочитаний”
Термінація (лат. terminalis – кінцевий) – закінчення синтезу білка	На рибосомах	Білкові фактори термінації	1) досягнення рибосомою стоп-кодону ІРНК зумовлює припинення біосинтезу білка; 2) білкові фактори термінації сприяють вивільненню синтезованого поліпептидного ланцюга; 3) після відділення ІРНК від рибосоми вона гідролізується рибонуклеазами

Порівняльна характеристика процесів реплікації й транскрипції

№	ВІДМІННІ ОЗНАКИ	РЕПЛІКАЦІЯ	ТРАНСКРИПЦІЯ
1	Походження назви	Лат. replicatio – повторення	Лат. transcriptio – переписування
2	Матриця	Плюс-ланцюг ДНК і мінус-ланцюг ДНК	Мінус-ланцюг ДНК
3	Головні ферменти	ДНК-полімерази, рибонуклеаза, ДНК-лігази	РНК-полімераза
4	Синтез затравок	Відбувається	Відсутній
5	У процесі біосинтезу використовуються	Рибонуклеозидтрифосфати і дезоксирибонуклеозидтрифосфати	Рибонуклеозидтрифосфати
6	Забезпечує	Копіювання молекул ДНК	Синтез інформаційної РНК (ІРНК)
7	Перенесення генетичної інформації	У межах одного класу нуклеїнових кислот (від ДНК до ДНК	Між різними класами нуклеїнових кислот (від ДНК до РНК)
8	Функції	Лежить в основі точної передачі генетичної інформації (наприклад, при розмноженні організмів)	Перший етап біосинтезу білка