10581 (Синтез білка)

СИНТЕЗ БІЛКА

Зміст

Введення

Функції білка

Умови і етапи біосинтезу білка

Трансляція і загальні вимоги до синтезу білка в безклітинній системі

Рибосоми

Аміноацил-тРНК-синтетази.

Транспортні РНК

Природа генетичної коди

Етапи синтезу білка

Активування амінокислот

Введення

За останні роки потреба в значних кількостях амінокислот неухильно зростає у зв'язку з широким використанням їх в біохімії, живленні, мікробіології і при дослідженні рослинних і тваринних тканин. Крім того, амінокислоти знайшли широке застосування як добавки до природних і перероблених продуктів харчування. У минулому потреба в більшості аминокислот могла бути задоволена шляхом їх виділення з кислотного, лужного і ензиматичного гідролізату білків або з інших природних джерел. Фактично ці методи і до теперішнього часу застосовують в промисловості при виробництві аргініну, аспарагіна, цистіну, глутамінової кислоти, гістидіну, оксипроліну, проліну і тирозину. Проте зараз ці методи не є кращим шляхом отримання більшості аминокислот, що входять до складу білків. В даний час існує цілий ряд зручних синтетичних методів, що дозволяють легко отримати аланін, аспарагінову кислоту, гліцин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланин, серин, треонін, триптофан і валін, а також багато інших амінокислот, причому як в лабораторному, так і в промисловому масштабах. Найбільш істотні з цих синтетичних методів будуть детально розглянуті в даному розділі.

Живий організм характеризується вищим ступенем впорядкованості складових його інгредієнтів і унікальною структурною організацією, що забезпечує як його фенотипічні ознаки, так і різноманіття біологічних функцій. У цій структурно-функциональном єдності організмів, що становить суть життя, білки (білкові тіла) грають найважливішу роль, що не замінюється іншими органічними сполуками.

Білки — високомолекулярні азотовмісні органічні речовини, молекули яких побудовані із залишків амінокислот. Назва протеїни (від греч. protos - перший, найважливіший), мабуть, точніше відображає першорядне біологічне значення цього класу речовин. Прийняті у вітчизняній літературі назви білки і білкові речовини пов'язані з виявленням в тканинах тварин і рослин речовин, що мають схожість з білком курячого яйця.

У наш час, коли абсолютно достовірно встановлено, що спадкова інформація зосереджена в молекулі ДНК кліток будь-яких живих організмів, не викликає сумніву, що тільки білки є тими молекулярними інструментами, за допомогою яких генетична інформація реалізується. Без білків, зокрема ферментів, ДНК не може реплицироваться, не може відтворювати себе, тобто позбавлена здатності передавати генетичну інформацію.

Жива природа характеризується поряд властивостей, що відрізняють її від неживої природи, і майже всі ці властивості пов'язані з білками. Перш за все для живих організмів характерні широка різноманітність білкових структур і їх висока впорядкованість; остання існує в часі і в просторі. Дивовижна здібність живих організмів до відтворення собі подібних також пов'язана з білками. Скоротність, рух - неодмінні атрибути живих систем - мають пряме відношення до білкових структур м'язового апарату. Нарешті, життя немислиме без обміну речовин, постійного оновлення складових частин живого організму, тобто без процесів анаболізму і катаболізму (цієї дивовижної єдності протилежностей живого), в основі яких лежить діяльність каталітично активних білків - ферментів.

Таким чином, білки (білкові речовини) складають основу і структури і функції живих організмів. По образному виразу одного з основоположників молекулярної біології Ф. Крику, білки важливі перш за все тому, що вони можуть виконувати найрізноманітніші функції, причому з незвичайною легкістю і витонченістю. Підраховано, що в природі зустрічається приблизно 1010 - 1012 різних білків, що забезпечують існування близько 106 видів живих організмів різної складності організації, починаючи від вірусів і кінчаючи людиною. З цієї величезної кількості природних білків відомі точна будова і структура нікчемно малій частині - не більше 2500. Кожен організм характеризується унікальним набором білків. Фенотипічні ознаки і різноманіття функцій обумовлені специфічністю об'єднання цих білків, у багатьох випадках у вигляді надмолекулярних і мультимолекулярних структур, що у свою чергу визначають ультраструктуру кліток і їх органели.

У клітці Е. соli міститься близько 3000 різних білків, а в організмі людини налічується понад 50000 різноманітних білків. Найдивовижніше, що всі природні білки складаються з великого числа порівняно простих структурних блоків, представлених мономірними молекулами - амінокислотами, зв'язаними один з одним в поліпептидні ланцюги. Природні білки побудовані з 20 різних амінокислот. Оскільки ці амінокислоти можуть об'єднуватися в самій різній послідовності, то вони можуть утворити величезну кількість різноманітних білків. Число ізомерів, яке можна отримати при всіляких перестановках вказаного числа амінокислот в поліпептиді обчислюється величезними величинами. Так, якщо з двох амінокислот можлива освіта тільки двох ізомерів, то вже з чотирьох амінокислот теоретично можливе утворення 24 ізомерів, а з 20 амінокислот - 2,4(1018 різноманітних білків.

Неважко передбачати, що при збільшенні числа амінокислотних залишків, що повторюються, в білковій молекулі число можливих ізомерів зростає до астрономічних величин. Ясно, що природа не може дозволити випадкових поєднань амінокислотних послідовностей, і для кожного виду характерний свій специфічний набір білків, визначуваний, як тепер відомо, спадковою інформацією, закодованою в молекулі ДНК живих організмів. Саме інформація, що міститься в лінійній послідовності нуклеотидів ДНК, визначає лінійну послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюзі лінійний поліпептидний ланцюг сам, що Утворився, тепер виявляється наділеною функціональною інформацією, відповідно до якої вона мимоволі перетвориться в певну стабільну тривимірну структуру. Таким чином, лабільний поліпептидний ланцюг складається, скручується в просторову структуру білкової молекули, причому не хаотично, а в строгій відповідності з інформацією, що міститься в амінокислотній послідовності.

Враховуючи найважливішу роль білків в живій природі, а також те, що білки складають майже половину сухої маси живого організму і наділені поряд унікальних функцій, а в пізнанні структури і функцій білків лежить вирішення багатьох важливих проблем біології і медицини.

Функції білка

Білки виконують безліч найрізноманітніших функцій, характерних для живих організмів. Тут же будуть перераховані головні і в деякому розумінні унікальні біологічні функції білків, не властиві або лише частково властиві іншим класам біополімерів.

Каталітична функція. Всі відомі в даний час біологічні каталізатори - ферменти - є білками. До 1988 р. було ідентифіковано більше 2100 ферментів. Ця функція білків є унікальною, такою, що визначає швидкість хімічних реакцій в біологічних системах.

Живильна (резервна) функція. Цю функцію виконують так звані резервні білки, живлення, що є джерелами, для розвитку плоду, наприклад білки яйця (овальбуміни). Основний білок молока (казеїн) також виконує головним чином живильну функцію. Ряд інших білків поза сумнівом використовується в організмі як джерело амінокислот, які у свою чергу є попередниками біологічно активних речовин, регулюючих процеси обміну речовин.

Транспортна функція. Дихальна функція крові, зокрема перенесення кисню, здійснюється молекулами гемоглобіну - білка еритроцитів. У транспорті ліпідів бере участь Альбумін сироватки крові. Ряд інших сироваткових білків утворює комплекси з жирами, міддю, залізом, тироксином, вітаміном А і іншими з'єднаннями, забезпечуючи їх доставку у відповідні органи-мішені.

Захисна функція. Основну функцію захисту в організмі виконує імунна система, яка забезпечує синтез специфічних захисних білків-антитіл у відповідь на надходження в організм бактерій, токсинів або вірусів. Висока специфічність взаємодії антитіл з антигенами (чужорідними речовинами) за типом білок-білок сприяє пізнаванню і нейтралізації біологічної дії антигенів. Захисна функція білків виявляється і в здібності ряду білків крові до згортання. Згортання білка плазми крові Фібриногену приводить до утворення згустку крові, що оберігає від втрати крові при пораненнях.

Скоротлива функція. У акті м'язового скорочення і розслаблення бере участь безліч білкових речовин. Проте головну роль в цих життєво важливих процесах грають актин і міозин - специфічні білки м'язової тканини. Скоротлива функція властива не тільки м'язовим білкам, але і білкам цитоскелета, що забезпечує якнайтонші процеси життєдіяльності кліток (розбіжність хромосом в процесі мітозу).

Структурна функція. Білки, що виконують структурні функції, займають по кількості перше місце серед інших білків тіла людини. Серед них найважливішу роль грає колаген в сполучній тканині, кератин у волоссі, нігтях, шкірі, еластин в судинній стінці і ін. Велике значення мають комплекси білків з вуглеводами у формуванні ряду секретів - мукоїдів, муцину і так далі В комплексі з ліпідами (зокрема, фосфоліпідами) білки беруть участь в утворенні біомембран кліток.

Гормональна функція. Обмін речовин в організмі регулюється різноманітними механізмами. У цій регуляції важливе місце займають гормони, що виробляються в залозах внутрішньої секреції. Ряд гормонів представлений білками або поліпептидами, наприклад гормони гіпофіза, підшлункової залози і ін.

Можна назвати ще деякі життєво важливі функції білків, зокрема здатність зберігати онкотичний тиск в клітках і крові, буферні властивості, що підтримують фізіологічне значення рН внутрішнього середовища, і ін.

Таким чином, з цього далеко не повного переліку основних функцій білків видно, що вказаним біополімерам належить виняткова і різностороння роль в живому організмі. Якщо спробувати вичленувати головну, вирішальну властивість, що забезпечує багатогранність біологічних функцій білків, то слід було б назвати здатність білків строго вибірково, специфічно з'єднуватися з широким довкола різноманітних речовин. Зокрема, ця висока специфічність білків забезпечує взаємодію ферментів з субстратами, антитіл з антигенами, транспортних білків крові з переносимими молекулами інших речовин і так далі У разі ферментів ця взаємодія заснована на принципі біоспецифічного пізнавання, ферменту, що завершується скріпленням, з відповідною молекулою, що сприяє протіканню хімічної реакції. Високою специфічністю дії наділені також білки, які складають молекулярну основу таких процесів, як диференціювання і ділення клітин, розвиток живих організмів, що забезпечує їх біологічну індивідуальність.

Умови і етапи біосинтезу білка

Трансляція і загальні вимоги до синтезу білка в безклітинній системі.

Пряме відношення до механізмів передачі спадкової інформації має процес трансляції, що означає переклад "чотирьохбуквеної мови нуклеїнових кислот на двадцатилітерну мову білків". Іншими словами, трансляція зводиться до синтезу білка в рибосомах; у цьому синтезі послідовність розташування нуклеотидів в мРНК визначає первинну структуру білка, тобто строго впорядковану послідовність розташування окремих амінокислот в молекулі білка, що синтезується.

При визначенні радіоактивності білків в різних субклітинних фракціях печінки, отриманих методом диференціального центрифугування через різні проміжки часу, було показано, що радіоактивна мітка в першу чергу з'являється у фракції мікросом і лише потім в інших субклітинних утвореннях. Після встановлення місця включення радіоактивної мітки було з'ясовано участь інших субклітинних фракцій і низькомолекулярних клітинних компонентів в синтезі білка. При інкубації мікросом печінки щурів з 14С-лизином включення радіоактивної мітки в білки рибосом спостерігалося за наявності в системі, крім фракції мікросом, ще деяких розчинних компонентів цитоплазми, джерела енергії у формі АТФ системи, а також ГТФ.

Подальші дослідження були направлені на пошук інших компонентів белоксинтезирующей системи.

Білоксинтезуюча система включає: набір всіх 20 амінокислот, що входять до складу білкових молекул; мінімум 20 різних тРНК, що володіють специфічністю до певного ферменту і амінокислоти; набір мінімум 20 різних ферментів - аміноацил-тРНК-синтетаз, що також володіють подвійною специфічністю до якої-небудь певної амінокислоти і одній тРНК; рибосоми (точніше за полісому: що складаються з 4-12 монорибосом з приєднаною до них матричною мРНК); АТФ і АТФ-ГЕНЕРІРУЮЩУЮ систему ферментів; ГТФ, що бере специфічну участь в ініціації і елонгації синтезу білка в рибосомах; іони Mg2+ в концентрації 0,005-0,008 М; мРНК як головний компонент системи, що несе інформацію про структуру білка, що синтезується в рибосомі; нарешті, білкові чинники, що беруть участь в синтезі на різному рівні трансляції.

Розглянемо детальніше структуру і функцію головних компонентів белоксинтезирующей системи.