Биосинтез белка

Основные этапы биосинтеза

Биосинтез белка представляет собой сложный многоступенчатый процесс, включающий транскрипцию ДНК в матричную РНК (мРНК), процессинг мРНК, транспорт мРНК в цитоплазму, трансляцию и посттрансляционные модификации. Процесс строго регулируется и обеспечивает точное соответствие аминокислотной последовательности белка информации, закодированной в гене.

Транскрипция

Транскрипция происходит в ядре и заключается в синтезе молекулы мРНК на матрице ДНК. Основные этапы транскрипции:

1. Инициация – фермент РНК-полимераза связывается с промотором гена, расплетает двойную спираль ДНК и начинает синтез мРНК.
2. Элонгация – последовательное присоединение рибонуклеотидов к растущей цепи мРНК по принципу комплементарности с матричной цепью ДНК (А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г).
3. Терминация – завершение синтеза мРНК при достижении сигнала терминации; мРНК отделяется от ДНК.

После транскрипции первичная мРНК подвергается процессингу: удаляются интроны, присоединяется 5’-шапка и поли-А хвост на 3’-конце. Эти модификации защищают мРНК от деградации и обеспечивают транспорт в цитоплазму.

Трансляция

Трансляция осуществляется рибосомами в цитоплазме и представляет собой синтез полипептидной цепи на основе последовательности нуклеотидов мРНК.

Ключевые компоненты трансляции:

• мРНК – матрица для синтеза белка, несущая кодоны, соответствующие аминокислотам.
• тРНК – адаптерные молекулы, несущие соответствующие аминокислоты и содержащие антикодон для распознавания кодонов мРНК.
• Рибосомы – много субъединицные комплексы, обеспечивающие точное сопоставление мРНК и тРНК и катализирующие образование пептидных связей.

Этапы трансляции:

1. Инициация – сборка комплекта рибосомы на стартовом кодоне AUG мРНК с участием факторов инициации и первой метиониновой тРНК.

2. Элонгация – последовательное присоединение аминокислот к растущей полипептидной цепи. Каждый цикл включает:

   • распознавание кодона тРНК,
   • формирование пептидной связи с предыдущей аминокислотой,
   • перемещение рибосомы по мРНК на один кодон.

3. Терминация – при достижении стоп-кодона (UAA, UAG, UGA) в пептидной цепи инициируется освобождение полипептида с участием факторов терминации.

Посттрансляционные модификации

После синтеза полипептидной цепи часто происходят модификации, необходимые для формирования функционального белка:

• Фолдинг – сворачивание в специфическую трёхмерную структуру, стабилизируемое водородными связями, гидрофобными взаимодействиями и дисульфидными мостиками.
• Гликозилирование – присоединение углеводных остатков, влияющее на стабильность и функцию белка.
• Фосфорилирование, ацетилирование, метилирование – регуляторные модификации, изменяющие активность и локализацию белка.
• Протеолитическое расщепление – удаление сигнальных пептидов или активация ферментов.

Регуляция биосинтеза белка

Биосинтез белка строго контролируется на нескольких уровнях:

• Транскрипционный контроль – активность промоторов, факторы транскрипции.
• Процессинг и транспорт мРНК – стабильность мРНК, транспорт в цитоплазму.
• Инициация трансляции – ключевая стадия, определяющая скорость синтеза белка.
• Деградация белка – система убиквитин-протеасома регулирует количество белка в клетке.

Энергетический аспект

Синтез белка является энергоёмким процессом:

• Активация аминокислот требует АТФ.
• Элонгация потребляет ГТФ для трансляционных факторов.
• Процесс сопровождается высокой точностью, что требует затрат энергии для проверки комплементарности и исправления ошибок.

Биологическое значение

Биосинтез белка обеспечивает синтез ферментов, структурных белков, сигнальных молекул, транспортных белков и антител. Нарушения этого процесса приводят к клеточной дисфункции, наследственным заболеваниям и нарушению метаболизма. Полное понимание механизма биосинтеза белка имеет фундаментальное значение для молекулярной биологии, медицины и биотехнологии.