Синтез белка

Передача генетической информации от ДНК к белку осуществляется через промежуточные процессы: транскрипцию – переписывание информации от ДНК в матричную РНК и трансляцию – биосинтез белка.

При этом в процессе участвует особый тип нуклеиновых кислот – рибонуклеиновая кислота (РНК), выполняющая роль посредника при переводе наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму. В отличие от ДНК, все типы РНК представлены одной полинуклеотидной цепью, моносахаридом является рибоза, а место пиримидинового основания тимина занимает урацил (У).

Процесс дешифровки генетической информации ДНК начинается с копирования нуклеотидных последовательностей фрагментов одной из ее цепей в виде нуклеотидных последовательностей РНК, в данном случае называемой матричной или информационной РНК (мРНК, иРНК). Процесс синтеза мРНК называется транскрипцией. Этот процесс специфичен и катализируется ферментом РНК-полимеразой. Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК (аденину ДНК в РНК комплементарен урацил), а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК (рис. 25).

Образовавшаяся мРНК переносится на рибосомы, содержащиеся в цитоплазме, и начинается процесс трансляции мРНК, т.е. перевод ее информации в структуру белка. В этом процессе большая роль принадлежит транспортным РНК (тРНК), поставляющим в рибосомы аминокислоты для синтеза белка. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК, которая соединяется с аминокислотой, используя для этого энергию АТФ. Процесс взаимодействия мРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Рибосомы представляют собой сложные комплексы рибосомных РНК (рРНК) и разнообразных белков. Кроме того, рРНК обеспечивают связывание рибосом с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК и взаимодействие рибосомы и тРНК. В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию (начало синтеза пептида), элонгацию (удлинение пептида) и терминацию (завершение синтеза пептидной цепи). Трансляция происходит со скоростью примерно 15 аминокислот в секунду.

Рис.25. Схема синтеза мРНК

В клетках прокариот транскрипция и синтез белка протекают почти одновременно: с одного конца рибосомы уже транслируются мРНК, а другой конец только синтезируется. У эукариот транскрипция и трансляция разделены во времени и пространстве: транскрипция осуществляется в ядре клетки, трансляция – в цитоплазме (рис. 26). Ген представляет собой специфическую нуклеотидную последовательность, транскрибируемую в РНК. Большинство транскрибируемых последовательностей ДНК составляют структурные гены, на которых синтезируется мРНК. Конечным продуктом структурного гена является белок. У прокариот структурный ген представляет собой непрерывный участок молекулы ДНК. В ядре клетки эукариот вновь синтезированные РНК-транскрипты подвергаются существенной переделке – процессингу.

Рис. 26. Схема синтеза белка у прокариот и эукариот

Необходимость его заключается в том, что большинство структурных генов состоит из экзонов – частей, содержащих информацию о структуре белка, и интронов – частей, не содержащих такую информацию. В результате в ядре сначала образуется транскрипт всей последовательности, а затем происходит вырезание интронов и объединение информативных отрезков в одну непрерывную последовательность – молекулу мРНК. Обычно длина экзонов составляет от 150 до 200 нуклеотидов, а длина интронов варьирует от 40 до 10000 нуклеотидов.

Передача информации от ДНК через мРНК на белки называется «центральной догмой» молекулярной биологии.