Где и как синтезируется белок. Синтез белков в клетке - описание, функции процесса

С биохимической точки зрения синтез белка в мышцах – очень сложный процесс. Информацию о структуре всех необходимых организму белков содержит ДНК, находящаяся в ядре клеток. Функции белка зависят от последовательности аминокислот в их структуре. А эта последовательность кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК, в которой каждой аминокислоте соответствует группа из трех нуклеотидов – триплет. И каждый участок ДНК – геном – отвечает за синтез одного типа белка.

Белок строится рибосомами в цитоплазме. Необходимая информация о его структуре передается из ядра на рибосомы с помощью и-РНК (информационной РНК) – своеобразной «копии» нужного генома. Синтез и-РНК – это первый этап биосинтеза белков, называемый транскрипцией («переписыванием»).

Второй этап синтеза белков в клетках – трансляция («перевод» нуклеотидного кода ДНК в последовательность аминокислот). На этом этапе и-РНК прикрепляется к рибосоме, затем рибосома начинает от стартового кодона двигаться вдоль цепи и-РНК и присоединять на каждом кодоне (нуклеотидном триплете, кодирущем информацию об одной аминокислоте) и-РНК – аминокислоты, приносимые т-РНК (транспортными РНК). Т-РНК содержат молекулу определенной аминокислоты и антикодон, соответствующий определенному кодону и-РНК. Рибосома присоединяет аминокислоту к растущей белковой цепи, потом отсоединяет т-РНК и передвигается к следующему кодону. Так происходит до тех пор, пока рибосоме не встретится терминатор – стоп-кодон. После этого синтез белковой молекулы прекращается и она отсоединяется от рибосомы. Остается только транспортировать готовую белковую молекулу в растущую мышечную клетку.

Активация синтеза

Главный механизм, запускающий синтез белка в мышцах – это активация всем известного mTOR’а (mammalian target of rapamycin – т.е. «мишень рапамицина у млекопитающих»). «Мишенью» он называется потому, что mTOR отвечает за рост и размножение клеток, и эти процессы блокируются особыми ингибиторами (например, рапамицином), которые воздействуют именно на данный белок.

Для спортсмена важно, что в мышцах постоянно происходит синтез и разрушение белка, обеспечивающие обновление мышечной ткани. И если мы хотим, чтобы наши мышцы подросли, нам надо сделать так, чтобы на протяжении определенного периода синтез белка превосходил его разрушение. Для этого мы и рассматриваем процессы активации синтеза белка, ключевым элементом которых является mTOR.

Биохимически mTOR – это белок-фермент (относящийся к группе протеинкиназ), который стимулирует процесс трансляции, т.е. синтеза белка рибосомами на и-РНК (ее еще называют м-РНК – матричная РНК). В свою очередь, сам mTOR активизируется аминокислотами (лейцин, изолейцин и др.) и факторами роста (различные гормоны – соматотропин, инсулин и др.).

Мышечные нагрузки стимулируют mTOR опосредованно, через систему сигналов о разрушении мышц и усиление секреции факторов роста (например, механического фактора роста).

Белковый баланс

Итак, если наша задача — добиться положительного белкового баланса , т.е. превосходства синтеза белка над его разрушением, то нам следует снижать катаболизм (разрушение мышц) и стимулировать их рост. И у нас есть прекрасная возможность добиться в этом успеха — т.н. «белково-углеводное окно». Всем понятно, что в период вскоре от начала тренировки организм атлета испытывает острую нехватку питательных веществ, которая продолжается примерно полтора-два часа после окончания тренировки, пока организм не восполнит нехватку необходимых веществ из собственных ресурсов. Учитывая, что скорость всасывания и усвоения аминокислот в составе протеинового коктейля составляет час-полтора, то мы получаем пределы белково-углеводного окна, принятие аминокислот и углеводов в котором имеет высокую эффективность усвоения, - от 1,5 ч до тренировки до 1,5 ч после.

По мудрости Природы многие вещества (такие как ) обладают способностью не только стимулировать синтез белка, но и подавлять его разрушение (например, угнетают действие кортизола). Считается, что прием белка (лучше в виде

Роль белков в клетке и организме

Роль белка в жизни клетки и основные этапы его синтеза. Строение и функции рибосом. Роль рибосом в процессе синтеза белка.

Белки играют исключительно большую роль в процессах жизнедеятельности клетки и организма, им свойственны следующие функции.

Структурная. Входят в состав внутриклеточных структур‚ тканей и органов. Например, коллаген и эластин служат компонентами соединительной ткани: костей‚ сухожилий‚ хрящей; фиброин входит в состав шелка‚ паутины; кератин входит в состав эпидермиса и его производных (волосы‚ рога‚ перья). Образуют оболочки (капсиды) вирусов.

Ферментативная. Все химические реакции в клетке протекают при участии биологических катализаторов - ферментов (оксидоредуктазы, гидролазы, лигазы, трансферазы, изомеразы, и лиазы).

Регуляторная. Например, гормоны инсулин и глюкагон регулируют обмен глюкозы. Белки–гистоны участвуют в пространственной организации хроматина, и тем самым влияют на экспрессию генов.

Транспортная. Гемоглобин переносит кислород в крови позвоночных, гемоцианин в гемолимфе некоторых беспозвоночных, миоглобин - в мышцах. Сывороточный альбумин служит для транспорта жирных кислот‚ липидов и т. п. Мембранные транспортные белки обеспечивают активный транспорт веществ через клеточные мембраны (Na+, К+-АТФаза). Цитохромы осуществляют перенос электронов по электронтранспортным цепям митохондрий и хлоропластов.

Защитная. Например, антитела (иммуноглобулины) образуют комплексы с антигенами бактерий и с инородными белками. Интерфероны блокируют синтез вирусного белка в инфицированной клетке. Фибриноген и тромбин участвуют в процессах свертывания крови.

Сократительная (двигательная). Белки актин и миозин обеспечивают процессы мышечного сокращения и сокращения элементов цитоскелета.

Сигнальная (рецепторная). Белки клеточных мембран входят в состав рецепторов и поверхностных антигенов.

Запасающие белки. Казеин молока, альбумин куриного яйца, ферритин (запасает железо в селезенке).

Белки-токсины. Дифтерийный токсин.

Энергетическая функция. При распаде 1 г белка до конечных продуктов обмена (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) выделяется 17‚6 кДж или 4‚2 ккал энергии.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).

На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

На четвертом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Все многообразие свойств белков в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет.

Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНК и транспортной – тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание – урацил – комплементарно аденину.

Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.

Первый этап (транскрипция) происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене – участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому про-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. В ядре в про-мРНК специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. Этот процесс называют сплайсингом. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.

Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем - до 5600, 4850, 3800, 3400 и т. д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид.

Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – Ц-Ц-А. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.

Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30х30х20 нм, у эукариот – 40х40х20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет величину 70Sи состоит из двух субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64 % рибосомальной РНК и 36 % белка.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – А-У-Г-. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее – элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.

Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрее.

Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК. Она не зависит от строения рибосомы.

Для изучения процессов, протекающих в организме, нужно знать, что происходит на клеточном уровне. А там важнейшую роль играют белковые соединения. Необходимо изучить не только их функции, но и процесс создания. Поэтому важно объяснить кратко и понятно. 9 класс для этого подходит самым лучшим образом. Именно на этом этапе учащиеся владеют достаточным количеством знаний для понимания данной темы.

Белки - что это такое и для чего они нужны

Эти высокомолекулярные соединения играют огромную роль в жизни любого организма. Белки являются полимерами, то есть состоят из множества похожих «кусочков». Их количество может варьироваться от нескольких сотен до тысяч.

В клетке белки выполняют множество функций. Велика их роль и на более высоких уровнях организации: ткани и органы во многом зависят от правильной работы различных белков.

Например, все гормоны имеют белковое происхождение. А ведь именно эти вещества контролируют все процессы в организме.

Гемоглобин - тоже белок, он состоит из четырех цепей, которые в центре соединены атомом железа. Такая структура обеспечивает возможность переносить кислород эритроцитами.

Напомним, что все мембраны имеют в своем составе белки. Они необходимы для переноса веществ сквозь оболочку клеток.

Существует еще множество функций белковых молекул, которые они выполняют четко и беспрекословно. Эти удивительные соединения очень разнообразны не только по своим ролям в клетке, но и по строению.

Где происходит синтез

Рибосома является органеллой, в которой проходит основная часть процесса, называемого "биосинтез белка". 9 класс в разных школах отличается по программе изучения биологии, но многие учителя дают материал по органеллам заблаговременно, до изучения трансляции.

Поэтому учащимся будет нетрудно вспомнить пройденный материал и закрепить его. Следует знать, что на одной органелле одновременно может создаваться только одна полипептидная цепь. Этого мало, чтобы удовлетворить все потребности клетки. Поэтому рибосом очень много, и чаще всего они объединяются с эндоплазматической сетью.

Такая ЭПС называется шероховатой. Выгода такого «сотрудничества» очевидна: белок сразу после синтеза попадает в транспортный канал и может без задержек отправляться в место назначения.

Но если принимать во внимание самое начало, а именно считывание информации с ДНК, то можно сказать, что биосинтез белка в живой клетке начинается еще в ядре. Именно там синтезируется которая содержит генетический код.

Необходимые материалы - аминокислоты, место синтеза - рибосома

Кажется, что сложно объяснить, как протекает биосинтез белка, кратко и понятно, схема процесса и многочисленные рисунки просто необходимы. Они помогут донести всю информацию, а также учащимся удастся легче ее запомнить.

Прежде всего, для синтеза необходим «строительный материал» - аминокислоты. Некоторые из них вырабатываются организмом. Другие же можно получить только с пищей, они называются незаменимыми.

Общее число аминокислот - двадцать, но за счет огромного числа вариантов, в которых можно их располагать в длинной цепочке, молекулы белков очень разнообразны. Эти кислоты похожи между собой по структуре, но отличаются радикалами.

Именно свойства этих частей каждой аминокислоты определяют, в какую структуру «свернется» получившаяся цепочка, будет ли она образовывать четвертичную структуру с другими цепями, и какими свойствами будет обладать получившаяся макромолекула.

Процесс биосинтеза белка не может протекать просто в цитоплазме, для него нужна рибосома. состоит из двух субъединиц - большой и малой. В состоянии покоя они разобщены, но как только начинается синтез, они сразу соединяются и начинают работать.

Такие разные и важные рибонуклеиновые кислоты

Для того чтобы принести аминокислоту к рибосоме, нужна специальная РНК, называемая транспортной. Для сокращения ее обозначают т-РНК. Эта одноцепочечная молекула в виде клеверного листа способна прицепить одну аминокислоту к своему свободному концу и переправить ее к месту синтеза белка.

Еще одна РНК, участвующая в синтезе белка, называется матричной (информационной). Она несет в себе не менее важный компонент синтеза - код, в котором четко прописано, когда какую аминокислоту цеплять к образующейся цепочке белка.

Эта молекула имеет одноцепочечное строение, состоит из нуклеотидов, так же как и ДНК. Существуют некоторые отличия в первичной структуре этих нуклеиновых кислот, о которых вы можете прочитать в сравнительной статье о РНК и ДНК.

Информацию о составе белка м-РНК получает от главного хранителя генетического кода - ДНК. Процесс чтения и синтеза м-РНК называется транскрипцией.

Он происходит в ядре, откуда получившаяся м-РНК отправляется к рибосоме. Сама же ДНК из ядра не выходит, ее задача - только сохранить генетический код и передать его дочерней клетке во время деления.

Сводная таблица главных участников трансляции

Для того чтобы описать биосинтез белка кратко и понятно, таблица просто необходима. В нее мы запишем все компоненты и их роль в этом процессе, который называется трансляцией.

Сам же процесс создания белковой цепочки делится на три этапа. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно. После этого вы сможете легко объяснить всем желающим биосинтез белка кратко и понятно.

Инициация - начало процесса

Это начальная стадия трансляции, в которой малая субъединица рибосомы соединяется с самой первой т-РНК. Эта рибонуклеиновая кислота несет на себе аминокислоту - метионин. Трансляция всегда начинается именно с этой аминокислоты, так как стартовым кодоном является АУГ, который и кодирует этот первый мономер в белковой цепи.

Для того чтобы рибосома узнала стартовый кодон и не начала синтез с середины гена, где последовательность АУГ тоже может оказаться, вокруг начального кодона располагается специальная последовательность нуклеотидов. Именно по ним рибосома узнает то место, на которое должна сесть ее малая субъединица.

После образования комплекса с м-РНК, стадия инициации заканчивается. И начинается основной этап трансляции.

Элонгация - середина синтеза

На этом этапе происходит постепенное наращивание белковой цепочки. Продолжительность элонгации зависит от количества аминокислот в белке.

Первым делом к малой субъединице рибосомы присоединяется большая. И начальная т-РНК оказывается в ней целиком. Снаружи остается только метионин. Далее в большую субъединицу заходит вторая т-РНК, несущая другую аминокислоту.

Если второй кодон на м-РНК совпадает с антикодоном на верхушке «клеверного листа», вторая аминокислота присоединяется к первой с помощью пептидной связи.

После этого рибосома передвигается по м-РНК ровно на три нуклеотида (один кодон), первая т-РНК отсоединяет от себя метионин и отделяется от комплекса. На ее месте оказывается вторая т-РНК, на конце которой висит уже две аминокислоты.

Затем в большую субъединицу входит третья т-РНК и процесс повторяется. Он будет происходить до тех пор, пока рибосома не наткнется на кодон в м-РНК, который сигнализирует об окончании трансляции.

Терминация

Этот этап является последним, некоторым он может показаться весьма жестоким. Все молекулы и органеллы, которые так слаженно работали над созданием полипептидной цепочки, останавливаются, как только рибосома наезжает на терминальный кодон.

Он не кодирует ни одну аминокислоту, поэтому какая бы т-РНК ни зашла в большую субъединицу, все они будут отвергнуты из-за несоответствия. Тут в дело вступают факторы терминации, которые отделяют готовый белок от рибосомы.

Сама органелла может либо распасться на две субъединицы, либо продолжить свой путь по м-РНК в поисках нового стартового кодона. На одной м-РНК могут находиться сразу несколько рибосом. Каждая из них - на свой стадии трансляции.Только что созданный белок снабжается маркерами, с помощью которых всем будет понятно его место назначения. И по ЭПС он будет отправлен туда, где необходим.

Чтобы понять роль биосинтеза белка, необходимо изучить, какие функции он может выполнять. Это зависит от последовательности аминокислот в цепочке. Именно их свойства определяют вторичную, третичную, а иногда и четвертичную (если она существует) и его роль в клетке. Более подробно о функциях белковых молекул можно прочитать в статье по этой теме.

Как узнать больше о трансляции

В этой статье описан биосинтез белка в живой клетке. Конечно, если изучать предмет глубже, на объяснение процесса во всех подробностях уйдет немало страниц. Но вышеизложенного материала должно хватить для общего представления.Очень полезным для понимания могут оказаться видеоматериалы, в которых ученые смоделировали все этапы трансляции. Некоторые из них переведены на русский язык и могут послужить отличным пособием для учащихся или просто познавательным видео.

Для того чтобы разбираться в теме лучше, следует прочитать и другие статьи на близкие темы. Например, про или про функции белков.