Мал. 27.1. Процес транскрипції: за принципом комплементарності на одному з ланцюгів молекули ДНК (1) синтезується молекула іРНК (2). Синтез забезпечує фермент РНК-полімераза (3). Другий ланцюг ДНК (4) у цей час залишається неактивним

Ще одна властивість генетичного коду полягає в тому, що кожний триплет кодує лише одну певну амінокислоту. Крім того, генетичний код є універсальним, тобто єдиним для всіх організмів: від бактерій до людини.

З’ясовано також, що генетичний код не перекривається. Під час синтезу білкової молекули триплети іРНК зчитуються один за одним. При цьому сусідні триплети не перекриваються і між ними відсутній проміжок.

Пригадайте, ген - це певна послідовність нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. У генетичному коді є також три триплети (УАА, УАГ, УГА), кожний з яких сигналізує про припинення синтезу поліпептидного ланцюга, а триплет АУГ, як правило, визначає початок цього процесу (використовуючи таблицю 27.1, визначте амінокислоту, яку кодує цей триплет).

Механізм біосинтезу білків з’ясований у 50-ті роки XX ст. У цьому процесі виділяють кілька етапів.

• Етапи біосинтезу білків. Перший етап пов’язаний із синтезом молекули іРНК на молекулі ДНК однієї із хромосом. При цьому особливий фермент (РНК-полімераза) роз’єднує подвійну спіраль ДНК. Потім на одному з її ланцюгів за участі цього ферменту за принципом комплементарності синтезується молекула іРНК. Таким чином, молекула іРНК є точною копією цієї ділянки ДНК. Ці процеси називають транскрипцією (від лат. транскрипціє - переписування) (мал. 27.1). Потім молекула іРНК з ядра надходить у цитоплазму клітини.

На наступному етапі - трансляції (від лат. транслятіо - передача) - послідовність нуклеотидів у молекулі іРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Спочатку в цитоплазмі котрась із 20 амінокислот приєднується до відповідної молекули тРНК (мал. 27.2).

Мал. 27.2. Взаємодія молекули тРНК (1) з молекулою іРНК (2). Антикодон (3) молекули тРНК взаємодіє з кодоном (4) молекули іРНК; 5 - амінокислота, яку транспортує молекула тРНК

Мал. 27.3. Етапи біосинтезу білків: І - ініціація; II - елонгація; III - завершення синтезу білкової молекули

Цей процес називають активацією амінокислот. У свою чергу іРНК зв’язується з рибосомою, а згодом - і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. Такий комплекс готовий до початку синтезу молекули білка.

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.

Як ви пам’ятаєте, один з кінців молекули тРНК утворює петлю. Там розміщений триплет нуклеотидів, що визначає, яку саме амінокислоту вона транспортує (антикодон). Він має утворювати комплементарну пару з відповідним триплетом іРНК (кодоном). Амінокислотний залишок при цьому приєднаний до протилежної частини молекули тРНК (див. мал. 11.4).

Під час синтезу білкової молекули ниткоподібна молекула іРНК опиняється між двома субодиницями рибосоми (мал. 27.3). Зчитується генетична інформація та приєднуються амінокислотні залишки до молекули білка, що синтезується, в особливій ділянці рибосоми - функціональному центрі. Його розміри відповідають довжині двох триплетів, тому в ньому водночас перебувають два сусідні триплети іРНК. В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впізнає кодон іРНК, а в іншій - амінокислота звільняється від тРНК.

Уважно розгляньте малюнок 27.3. Спочатку відбувається процес так званої ініціації, коли мала субодиниця рибосоми сполучається з іРНК та її кодон (АУГ) взаємодіє з антикодоном тРНК (УАЦ). При цьому велика субодиниця рибосоми приєднується до малої (І). Зверніть увагу на функціональний центр рибосоми (1), в якому одночасно можуть перебувати дві молекули тРНК. Далі починається сам процес синтезу поліпептидного ланцюга - елонгація (II). До функціонального центру рибосоми підходить друга молекула тРНК (2). Її антикодон (ЦАУ) взаємодіє з кодоном іРНК (ГУА). Перша молекула тРНК залишає функціональний центр рибосоми. Два залишки амінокислот за допомогою пептидного зв’язку сполучаються у дипептид (4).

Рибосома робить крок, що дорівнює одному триплету. До ділянки функціонального центру рибосоми, яка звільнилася, надходить третя молекула тРНК (3). Відбувається ще один крок рибосоми. У цей час антикодон третьої молекули тРНК (УУУ) взаємодіє з кодоном AAA. Молекула білка, що синтезується, складається вже з трьох залишків амінокислот (5). Зверніть увагу: у другій ділянці функціонального центру рибосоми молекула тРНК відсутня. Це пов’язано з тим, що там перебуває триплет іРНК УГА, який дає сигнал про припинення синтезу білкової молекули. Завершується процес біосинтезу молекули білка (III), коли велика та мала субодиниці рибосом роз’єднуються та залишають молекулу іРНК. Водночас звільняються й молекули тРНК (3) та синтезована молекула білка (5). (Завдання. Користуючись таблицею 27.1, з’ясуйте, із залишків яких амінокислот складається синтезована молекула білка.)

Коли рибосома просувається вперед уздовж молекули іРНК, її місце заступає друга, згодом - третя, четверта тощо і біосинтез нових білкових молекул триває. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташовані на молекулі іРНК, визначається її довжиною. Комплекс рибосом, об’єднаних молекулою іРНК, називають полірибосомою, або скорочено - полісомою (мал. 27.4). Таким чином, на одній полісомі водночас відбувається синтез багатьох молекул певного білка.

На завершальному етапі синтезований білок набуває своєї природної конформації. У цей час за участі відповідних ферментів відщеплюються зайві амінокислотні залишки, до складу молекули можуть приєднуватися небілкові складові (ортофосфатні, карбоксильні та інші групи, вуглеводи, ліпіди тощо). Лише після цих процесів молекула білка стає функціонально активною.

Мал. 27.4. Структура та функції полірибосоми. І. Вигляд збоку. Зверніть увагу на розташування великої (1) та малої (2) субодиниць рибосоми, а також молекул іРНК (3) та білків, що синтезуються (4). II. Вигляд спереду. III. Декілька рибосом, об’єднані молекулою іРНК, утворюють полірибосому (полісому). IV. Електронна мікрофотографія полірибосоми

Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється при розщепленні молекул АТФ.

• Біосинтез нуклеїнових кислот. Майже всі живі організми здатні синтезувати нуклеотиди в результаті послідовних ферментативних реакцій. Попередниками нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот, є амінокислоти. Також під час розщеплення нуклеїнових кислот значна частина нітратних основ не розщеплюється, а використовується знову для синтезу нових нуклеотидів.

Різні види нуклеїнових кислот утворюються по-різному. Біосинтез ДНК ґрунтується на здатності молекул ДНК до самоподвоєння - реплікації, унаслідок чого дочірні молекули ДНК стають точною копією материнської.

Усі види РНК (іРНК, тРНК, рРНК) синтезуються за принципом комплементарності на молекулах ДНК. Ці реакції забезпечуються відповідними ферментами. Спочатку синтезуються попередники РНК, які згодом перетворюються на функціонально активні молекули.

• Особливості реакцій матричного синтезу. Як ви могли помітити, біологічним системам притаманний особливий тип біохімічних реакцій, коли молекула однієї сполуки слугує основою для синтезу молекули іншої. Так, молекула ДНК слугує основою для синтезу інших молекул ДНК, різних типів молекул РНК, молекула іРНК - білкових молекул. Такі процеси дістали назву реакцій матричного синтезу, бо нагадують промислові методи, коли за допомогою однієї форми-матриці або шаблону виготовляють багато деталей. Наприклад, за допомогою однієї матриці можна надрукувати багато купюр або відкарбувати багато монет. Так само і під час реакцій матричного синтезу нові молекули утворюються згідно з планом будови молекули-матриці: мономери молекули, що синтезується, розташовуються у точній відповідності до розміщення мономерів молекули-матриці. Таким чином, реакції матричного синтезу є основою однієї з головних властивостей біологічних систем - здатності до самовідтворення.

Ключові терміни та поняття. Генетичний код, транскрипція, трансляція.

Коротко про головне

• Основні процеси пластичного обміну - це біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот.
• Замінні амінокислоти здатні синтезувати організми людини і тварин, незамінні - надходять до них лише з їжею. Рослини та деякі мікроорганізми утворюють усі необхідні їм амінокислоти.
• Генетичний код - система запису генетичної інформації. Це певна послідовність нуклеотидів молекул нуклеїнових кислот. Вона визначає порядок розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі під час його синтезу. Властивості генетичного коду: він триплетний (один триплет кодує лише одну амінокислоту, але більшість амінокислот кодується декількома триплетами); у генетичному коді є триплети, які дають сигнали про початок чи завершення синтезу білкової молекули.
• Перший етап біосинтезу білків - це транскрипція: синтез молекули іРНК на молекулі ДНК в ядрі. Далі в цитоплазмі відбуваються процеси трансляції: послідовність нуклеотидів у молекулі іРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Спочатку молекула однієї з 20 амінокислот приєднується до певної молекули тРНК, далі іРНК зв’язується з рибосомою, а згодом - також із амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. На наступних етапах поліпептидний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв’язуються між собою за допомогою міцних хімічних (пептидних) зв’язків.
• Процеси синтезу припиняються, коли рибосома досягає триплету, який сигналізує про припинення синтезу поліпептидного ланцюга. На заключному етапі синтезований білок набуває своєї природної просторової структури.
• Біосинтез ДНК ґрунтується на здатності молекул ДНК до самоподвоєння, унаслідок чого дочірні молекули стають точною копією материнської. Усі види РНК (іРНК, тРНК, рРНК) синтезуються за принципом комплементарності на молекулах ДНК.

Запитання для самоконтролю

1. Яка роль ДНК у біосинтезі білків? 2. Що таке генетичний код і які його властивості? 3. Які основні етапи процесу біосинтезу білків? 4. Яку роль відіграють рибосоми в процесі біосинтезу білків? 5. Як генетична інформація, закодована в молекулі ДНК, реалізується під час синтезу білкової молекули? 6. Чому більшість амінокислот, які входять до складу білків, закодовані не одним, а декількома триплетами? 7. Чим відрізняються процеси біосинтезу ДНК і РНК? 8. Які реакції відносять до реакцій матричного синтезу?

Поміркуйте

1. Чому ДНК самоподвоюється лише під час інтерфази? 2. Яке біологічне значення того, що на молекулі іРНК одночасно перебуває не одна, а декілька (до 20) рибосом?