Биосинтез белков

Общие принципы биосинтеза белков

Биосинтез белков представляет собой центральный процесс метаболизма живой клетки, обеспечивающий образование полипептидных цепей из аминокислот в строгом соответствии с генетической информацией, закодированной в молекулах ДНК. Этот процесс является фундаментальным звеном реализации генетического кода и представляет собой ключевое соединение между генетикой и биохимией.

Биосинтез белка включает несколько последовательных этапов: транскрипцию, трансляцию и последующую посттрансляционную модификацию. Каждый из них строго контролируется ферментативными системами, требует затрат энергии в форме АТФ и ГТФ и протекает с высокой степенью точности и специфичности.

Транскрипция — синтез информационной РНК

Транскрипция — первый этап биосинтеза белков, при котором на матрице ДНК синтезируется одноцепочечная молекула информационной (матричной) РНК (иРНК). Процесс катализируется ферментом РНК-полимеразой, распознающей промоторные участки ДНК и инициирующей образование комплементарной копии гена.

Этапы транскрипции:

  1. Инициация. РНК-полимераза связывается с промотором гена, вызывая локальное расплетание двойной спирали ДНК. Начинается синтез короткого фрагмента РНК, комплементарного матричной цепи ДНК.
  2. Элонгация. Фермент движется вдоль ДНК, наращивая растущую цепь РНК в направлении 5’ → 3’. Энергия синтеза обеспечивается гидролизом пирофосфата, образующегося при присоединении каждого рибонуклеотида.
  3. Терминация. Достижение терминаторной последовательности вызывает отделение РНК-полимеразы и новосинтезированной иРНК от ДНК.

У эукариот синтезированная первичная РНК (пре-иРНК) подвергается процессингу: удаляются интроны (сплайсинг), модифицируются концы (5’-кэпирование и полиаденилирование 3’-конца). Результатом является зрелая иРНК, готовая к трансляции.

Трансляция — синтез полипептидной цепи

Трансляция — процесс, при котором последовательность нуклеотидов в иРНК переводится в последовательность аминокислот в полипептиде. Этот процесс осуществляется на рибосомах и требует участия транспортных РНК (тРНК), ферментов, ионов и энергетических субстратов.

Трансляция подразделяется на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

  1. Инициация. Процесс начинается с образования инициационного комплекса, включающего малую субъединицу рибосомы, иРНК и инициационную тРНК, несущую метионин (у прокариот — формилметионин). Комплекс связывается с старт-кодоном AUG. После присоединения большой субъединицы рибосомы формируется функциональная рибосома.

  2. Элонгация. На данном этапе происходит последовательное присоединение аминокислот к растущей полипептидной цепи. Каждая новая тРНК с аминокислотой распознаёт соответствующий кодон иРНК с помощью антикодона. Фермент пептидилтрансфераза катализирует образование пептидной связи между аминокислотами. Рибосома перемещается по иРНК на один кодон (транслокация), и процесс повторяется.

  3. Терминация. Когда рибосома достигает стоп-кодона (UAA, UAG или UGA), синтез белка прекращается. Белок-фактор терминации способствует отделению полипептида от тРНК, а рибосомные субъединицы диссоциируют.

Транспорт и участие тРНК

Транспортная РНК играет центральную роль в точной доставке аминокислот к рибосоме. Каждая тРНК имеет характерную клевероподобную структуру и несёт специфическую аминокислоту, присоединённую к её 3’-концу ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент обеспечивает строгое соответствие между антикодоном тРНК и её аминокислотой, что является основой точности трансляции.

Активация аминокислот включает два этапа:

  1. Образование аминоацил-аденилата (аминокислота + АТФ → аминокислотил-AMP + PPi).
  2. Перенос активированной аминокислоты на тРНК с образованием аминоацил-тРНК.

Каждая аминокислота имеет собственный фермент — аминоацил-тРНК-синтетазу, что исключает ошибочную загрузку.

Рибосомы и их функциональная организация

Рибосомы — рибонуклеопротеидные комплексы, состоящие из большой и малой субъединиц. У прокариот они обозначаются как 70S (30S + 50S), у эукариот — как 80S (40S + 60S). На рибосоме выделяют три функциональных центра:

  • A-сайт (аминокислотный) — место входа новой аминоацил-тРНК;
  • P-сайт (пептидильный) — место, где находится тРНК, несущая растущую полипептидную цепь;
  • E-сайт (экзит) — участок выхода освобождённой тРНК.

Перемещение рибосомы по иРНК происходит с затратой энергии ГТФ и при участии белковых факторов элонгации.

Посттрансляционные модификации

После завершения трансляции полипептидная цепь подвергается ряду химических изменений, необходимых для формирования биологически активной структуры. К основным типам посттрансляционных модификаций относятся:

  • отщепление стартового метионина или сигнальных пептидов;
  • образование дисульфидных мостиков;
  • фосфорилирование, метилирование, ацетилирование;
  • гликозилирование;
  • гидроксилирование отдельных остатков (например, пролина и лизина в коллагене).

Эти модификации определяют устойчивость, локализацию и функциональные свойства белка.

Регуляция биосинтеза белков

Процесс биосинтеза белков строго регулируется на нескольких уровнях:

  • Транскрипционный уровень — контроль активности генов посредством репрессоров и активаторов.
  • Посттранскрипционный уровень — регуляция стабильности иРНК и альтернативный сплайсинг.
  • Трансляционный уровень — участие белковых факторов и малых РНК в инициации и элонгации.
  • Посттрансляционный уровень — контроль сборки, модификации и деградации белков.

Регуляция обеспечивает адаптацию клетки к изменениям внешней и внутренней среды, экономию энергетических ресурсов и координацию метаболических процессов.

Энергетическое обеспечение синтеза

Биосинтез белков является энергоёмким процессом. Активация каждой аминокислоты требует 1 молекулы АТФ, а присоединение аминокислоты к растущей цепи сопровождается гидролизом 2 молекул ГТФ. В целом для синтеза одного пептида из 100 аминокислот необходимо более 400 высокоэнергетических связей. Энергия обеспечивает точность, направленность и завершённость процесса.

Значение биосинтеза белков

Биосинтез белков является ключевым процессом жизнедеятельности клетки, определяющим рост, развитие, дифференцировку и адаптацию организмов. Все ферменты, структурные белки, гормоны и рецепторы образуются в результате этого процесса. Нарушения в системе биосинтеза ведут к тяжёлым наследственным и метаболическим патологиям, что подчёркивает его центральную роль в биохимии живых систем.

Оглавление