Регуляція білкового обміну

Тема № 12. Обмін білків

1. Перетравлювання білків

2. Всмоктування білків

3. Проміжний обмін:

4. Біосинтез білка;

5. Біосинтез пептидів;

6. Біосинтез окремих амінокислот;

7. Молекулярні механізми специфічності біосинтезу білків.

8. Генетичний код;

9. Особливості генетичного коду;

10. Генна інженерія і біосинтез білка;

11. Регуляція синтезу білка;

12. Перетворення амінокислот

13. Кінцевий обмін

14. Регуляція білкового обміну

15. Патологія білкового обміну

 

Обмін білків

 

Обмін білків – центральна ланка всіх біохімічних процесів, які лежать в основі існування живого організму. Інтенсивність обміну білків характеризується балансом азоту, оскільки основна маса азоту організму доводиться на білки. При цьому враховується азот їжі, азот організму і азот продуктів виділення. Баланс азоту може бути позитивним (відбувається надбавка у масі і затримка азоту в організмі), рівним нулю або спостерігатися азотна рівновага (з організму виводиться стільки ж азоту, скільки й поступає) і негативним (розпад білків не компенсується білками їжі). Це слід враховувати при складанні раціонів. Баланс азоту характеризується білковим мінімумом – найменшою кількістю білка в харчовому раціоні, яка необхідна для збереження в організмі азотної рівноваги.

Білки раціону ділять на повноцінні і неповноцінні. Повноцінний білковий раціон містить залишки незамінних амінокислот, які не можуть синтезуватися організмом людини і тварин: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан і фенілаланін. До умовно незамінних амінокислот відносять гістидин (частково синтезується мікрофлорою в харчовому каналі). Решта амінокислот – замінні і можуть синтезуватися в організмах: аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, серин. П'ять амінокислот вважають частково замінними – аргінін, гліцин, тирозин, цистин і цистеїн. Імінокислоти пролін і оксипролін можуть синтезуватися в організмі людини і тварин.

У різних харчових продуктах міститься неоднакова кількість білків, у %: боби гороху – 26; дріжджі – 16; боби сої – 35; зерно пшениці – 13; картопля 2,0 – 5; кукурудза – 9,5; капуста – 1,1 – 1,6; рис – 7,5; морква – 0,8 – 1; буряк – 1,6. Багаті повноцінними білками продукти тваринництва, у %: яловичина – 21,5; баранина – 19,8 – 25; сир – 20 – 36; яйця – 12,6; свинина – 16,5; молоко коров'яче – 3,5; риба – 19 – 20; масло коров'яче – 0,5.

Еталоном повноцінного білка є казеїн, що містить всі незамінні амінокислоти. При складанні раціонів слід враховувати амінокислотний склад білків.

 

Перетравлювання білків

 

У харчовому каналі білки піддаються розщепленню до амінокислот, які потім засвоюються організмом.

У ротовій порожнині їжа, що містить білки, механічно подрібнюється, змочується слиною і перетворюється на харчову грудку, яка по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – в передшлунок і сичуг, у птахів – в залозистий і м'язовий шлунки). У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати білки корму.

Пережовані харчові маси поступають у шлунок (у жуйних в сичуг), перемішуються і просочуються шлунковим соком.

Шлунковий сік – біологічна рідина, яка синтезується залозами слизової оболонки шлунку. Це безбарвна і злегка опалесціююча речовина r=1,002 – 1,010. У людини протягом доби утворюється близько 2 л, великої рогатої худоби – 30, коней – 20, свиней – 4, собак – до 3 л шлункового соку. Виділення шлункового соку в першій (складно-рефлекторній) фазі визначається видом, запахом і смаком їжі, у другій (нейрогуморальній) – її хімічним складом і механічним роздратуванням рецепторів слизової оболонки. До складу шлункового соку входить 99,5% води і 0,5% нерозчинного залишку. Він включає ферменти – пепсин, ренін, гастриксин, желатиназу, ліпазу; білки – сироваткові альбуміни і глобуліни, мукопротеїни слизу, фактор Касла; з мінеральних речовин – кислоти (в основному соляну) і солі.

Основний фермент шлункового соку – пепсин, а кислотою, яка створює умови для його каталітичної дії, є соляна. В утворенні пепсину беруть участь головні клітини залоз дна шлунку, в утворенні соляної кислоти – обкладочні. Джерелом хлорид-іонів є NaCl, джерелом іонів – H+-протони, що поступають із крові в цитоплазму обкладочних клітин внаслідок окисно-відновних реакцій. Так, гістохімічно встановлено, що обкладочні клітини містять СДГ, яка відщеплює при функціонуванні циклу три карбонових кислот (ЦТК) від янтарної кислоти протони і електрони. Протони проникають у шлунковий сік (рН~1) через мембрани судин стінки шлунку (рН~7) проти градієнта концентрації за рахунок різниці електрохімічного потенціалу. При „секреції” 1 г/екв H+ з плазми крові в шлунковий сік вільна енергія DG змінюється так:

 

 

Джерелом хімічної енергії в обкладочних клітинах є реакції ЦТК.

Соляна кислота створює необхідну кислотність для каталітичної дії ферментів. Так, у людини рН шлункового соку рівний 1,5 – 2, великої рогатої худоби – 2,17 – 3,14, коней – 1,2 – 3,1, свиней – 1,1 – 2,0, птахів – 3,8. Соляна кислота створює також умови для перетворення пепсиногена в пепсин, прискорює розщеплення білків на складові частини, їх денатурацію, набухання і розпушування, перешкоджає розвитку в шлунку гнильних і бродильних процесів, стимулює синтез гормонів кишечнику та ін.

У лабораторній практиці визначають загальну, вільну і зв'язану кислотність шлункового соку. Загальна кислотністьхарактеризує суму всіх кислотореагуючих речовин (зв'язаної і вільної соляної кислоти, органічних кислот, фосфорнокислих солей і ін.) і визначається числом мілілітрів 0,1 н, розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи малинового забарвлення індикатора (фенолфталеїна). Вільна кислотність характеризує вміст у шлунковому сокові вільної соляної кислоти. Її прийнято виражати числом мілілітрів 0,1 н. розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи оранжевого забарвлення індикатора (диметиламінобензола). Зв'язана кислотність характеризує кількість зв'язаних з білками кислот (в основному, соляної кислоти).

У шлунках дітей і молодих тварин синтезується проренін, який при значенні рН <5 перетворюється на ренін. Під його впливом казеїноген молока перетворюється на казеїн.

У шлунку відбувається гідролітичне розщеплення більшості білків. Так, нуклеопротеїди під впливом соляної кислоти і пепсину розпадаються на нуклеїнові кислоти і прості білки. Тут же відбувається розщеплення і інших протеїдів. Під впливом ферментів шлункового соку (пепсину, реніну й ін.) прості білки розщеплюються до складових частин. Так, під впливом пепсину розриваються пептидні зв'язки по краях білкових молекул. Найлегше розриваються пептидні зв'язки, утворені ароматичними і дикарбоновими кислотами. Пепсин легко розщеплює білки тваринного походження (казеїн, міоглобін, міоген, міозин) і деякі рослинні білки, побудовані в основному з моноамінодикарбонових кислот (гліадин і глутелін злаків). Пепсин розщеплює більшість білків, за винятком кератинів шерсті, фіброїнів шовку, муцинів слизу, овомукоїдів, деяких білків кісток і хрящів.

Частина білків розщеплюється іншими протеолітичними ферментами шлункового соку, наприклад, колаген – желатиназою, казеїн – реніном.

Під впливом складових частин шлункового соку, перш за все соляної кислоти і ферментів, білки в шлунку гідролізуються до простетичних груп, поліпептидів, олігопептидів, дипептидів і навіть амінокислот.

Шлункова секреція стимулюється гормоноїдами, які синтезуються ендокринними клітинами слизової оболонки харчового каналу: гастрином, ентерогастрином (в кишках), гістаміном (в шлунку та інших органах).

З шлунку кормові маси порціями поступають в дванадцятипалу кишку і решту відділів тонкої кишки, де завершується гідролітичне розщеплення білків. У ньому беруть участь протеолітичні ферменти секрету підшлункової залози і кишкового соку. Ці реакції протікають в нейтральному і слаболужному середовищі (рН = 7 – 8,7). У тонкій кишці гідрокарбонати секрету підшлункової залози і кишкового соку нейтралізують соляну кислоту:

 

HCl + NaНCO3 ® NaCl + H2СО3

 

Вугільна кислота під впливом ферменту карбоангідрази розщеплюється до CO2 і H2O. Наявність CO2 сприяє утворенню в химусі стійкої емульсії, що полегшує процеси травлення.

Близько 30% пептидних зв'язків білків розщеплюється ферментом підшлункової залози трипсином. Він виділяється у вигляді неактивного трипсиногена, але під впливом ферменту слизової оболонки кишок, ентерокінази, перетворюється на активний трипсин. Трипсин розщеплює пептидні зв'язки, утворені COOH-групами аргініну і лізину і NН2-группами інших амінокислот.

Майже 50% пептидних зв'язків розщеплюється іншим протеолітичним ферментом підшлункової залози – хімотрипсином. Він виділяється у вигляді неактивного хімотрипсиногена, який під впливом трипсину перетворюється на активний хімотрипсин. Фермент розщеплює пептидні зв'язки, утворені СООН-групами фенілаланіна, тирозина і триптофана і NН2-групами інших амінокислот.

Решта пептидних зв'язків розщеплюється пептидазами кишкового соку і соку підшлункової залози – карбоксипептидазами і амінопептидазами.

У складі соку підшлункової залози є колагеназа (розщеплює колаген) і еластаза (гідролізує еластин). Діяльність травних ферментів активується мікроелементами: Mn2+, Mg2+, Со2+ і ін. Заключний етап перетравлювання білків відображає схема:

 

 

Перетравлювання білків відбувається в порожнині кишок і на поверхні слизової оболонки (пристінне травлення). В порожнині кишок відбувається розщеплення білкових молекул, а на поверхні слизової оболонки (і між мікроворсинками) – їх „уламків”: поліпептидів, трипептидів і дипептидів.

Таким чином, під впливом травних соків білки розщеплюються до амінокислот і складових частин – простетичних груп.

Білки і їх похідні, які не розклалися в тонкій кишці у товстій кишці піддаються гнильним процесам. Гниття – багатоступінчастий процес, на різних етапах якого беруть участь різні мікроорганізми: анаеробні і аеробні бактерії роду Bacillus і Pseudomonas, інфузорії та ін. Під впливом бактерійних пептидгідролаз складні білки розщеплюються на протеїни і простетичні групи. Протеїни, у свою чергу, гідролізуються до поліпептидів, дипептидів і амінокислот. Амінокислоти піддаються складним біохімічним перетворенням: дезамінуванню, декарбоксилуванню, внутрішньомолекулярному розщепленню, окисленню, відновленню, метилюванню, деметилюванню і т.д. Виникає ряд отруйних продуктів, які всмоктуються через слизову оболонку кишок у кровоносну і лімфатичну системи і розносяться по всьому організму, отруюючи його органи, тканини і клітини. Частина цих речовин знешкоджується в печінці з утворенням продуктів кінцевого обміну, які виводяться з організму.

Так, у процесі гниття в товстій кишці амінокислоти піддаються декарбоксилуванню, що призводить до утворення отруйних амінів, наприклад трупних отрут – кадаверина і путресцина:

 

 

 

При дезамінуванні (відновному, внутрішньомолекулярному, гідролітичному, окислювальному) утворюється аміак, насичені і ненасичені карбонові кислоти, оксикислоти і кетокислоти:

 

 

Бактерійні декарбоксилази можуть викликати подальше розкладання карбонових кислот з утворенням вуглеводнів, альдегідів, спиртів та ін.:

 

 

Ці процеси протікають зв'язано і поетапно, що у результаті призводить до виникнення різних продуктів гниття. Так, при гнильному розкладанні циклічних амінокислот утворюються феноли:

 

 

При гнильному розкладанні триптофана утворюється скатол і індол:

 

 

При гнильному розкладанні цистину і цистеїну утворюються меркаптани, сірководень, метан, вуглекислий газ:

 

 

 

Процеси гниття білків інтенсивно розвиваються при вживанні недоброякісних харчів, порушенні режиму харчування, захворюваннях харчового каналу (атонії шлунку, запорах), інфекційних (паратифі, колібацильозі) і інвазивних (аскаридозі) хворобах. Це негативно позначається на стані здоров'я.

 

Всмоктування білків

 

Білки всмоктуються у вигляді амінокислот, низькомолекулярних пептидів (частково) і складових частин простетичних груп. У новонароджених всмоктується частина нерозщеплених білків молозива і молока. Місце всмоктування – мікроворсинки ворсинок епітелію слизової оболонки тонкої кишки. Основна маса продуктів всмоктується в кінці дванадцятипалої, на початку тонкої і клубової кишок. Амінокислоти проникають в клітину через субмікроскопічні канальці мікроворсинок і екзоплазматичну мембрану завдяки процесам дифузії, осмосу, за допомогою білкових переносників проти концентраційного і електрохімічного градієнтів. Перш за все, амінокислота з'єднується з переносником. Це полівалентний іон, який має чотири ділянки для скріплення з нейтральними, кислими і основними амінокислотами, а також з іоном Na+. Пройшовши мембрану, амінокислота відщеплюється від переносника і по ендоплазматичній сітці та пластинчатому комплексу поступово переміщується від апікального краю до базальної ділянки ентероцита (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Схема транспортування амінокислот через мембрану:

А – амінокислота; П – переносник; ПФ – активований переносник; Ф – фосфорна кислота.

 

Дослідження, проведені з різними ізольованими клітинами, тканинними препаратами, а також у дослідах in vivo, дозволили припустити, що в перенесенні амінокислот через біологічні мембрани перуть участь не менше п'яти специфічних систем. Кожна з них відповідає за перенесення лише певної групи амінокислот, близьких за будовою і властивостями.

Нещодавно одержано дані щодо активного перенесення амінокислот крізь клітинні мембрани в кишках, нирках і мозку. Механізм цього процесу дістав назву g- глутамілтрансферазного циклу. В ньому беруть участь: один мембранно-зв'язаний фермент і п'ять ферментів цитоплазми, а також глутатіон (g-глутамілцистеїнілгліцин), який міститься в усіх тканинах організму. Головну роль у g-глутамілтрансферазному циклі відіграє мембранно-зв'язаний фермент g-глутамілтрансфераза, яка каталізує реакцію:

 

 

g-Глутамілтрансфераза, перебуваючи в клітинній мембрані, здійснює транслокацію амінокислот з позаклітинного простору внаслідок реакції транспептидування залишку g-глутамінової кислоти з глутатіону на транспортовану амінокислоту і перенесення утвореної сполуки g-глутаміламінокислоти в клітину. Сюди ж надходить і цистеїнілгліцин. Слід зазначити, що донорами залишку g-глутамінової кислоти можуть бути й інші глутамілпептиди, а всі амінокислоти, крім проліну, можуть виступати у ролі акцепторів.

На наступному етапі g-глутаміламінокислота за участю ферменту g-глутамілциклотрансферази розщеплюється з утворенням вільної амінокислоти і 5-оксипроліну:

 

 

Інша сполука, яка утворюється на першому етапі реакції (цистеїнілгліцин), під впливом ферменту пептидази розщеплюється на цистеїн і гліцин.

У процесі здійснення зазначених вище трьох реакцій відбувається перенесення в клітину однієї молекули амінокислоти, при цьому використовується енергія пептидних зв'язків глутатіону.

Для продовження процесу в клітинах відбувається регенерація глутатіону з використанням енергії АТФ. Спочатку 5-оксипролін за участю ферменту 5-оксипролінази перетворюється на L-глутамінову кислоту:

 

 

Далі ця кислота взаємодіє з цистеїном з утворенням дипептиду g-глутамілцистеїну:

 

 

Реакцію каталізує g-глутамілцистеїнсинтетаза і, нарешті, g-глутамілцистеїн взаємодіє з гліцином, внаслідок чого утворюється глутатіон. Реакцію каталізує глутатіонсинтетаза:

 

 

Глутатіон, що утворився, може вступати в новий цикл і переносити в клітину наступну молекулу амінокислоти.

Ферменти g-глутамілтрансферазного циклу виявлено в ряді тканин, в яких проходить активний транспорт амінокислот. Ключовий фермент циклу – g-глутамілтрансфераза у високих концентраціях наявна в епітелії ворсинок тонкої кишки, нирках та інших органах.

Разом з цим слід наголосити, що g-глутамілтрансферазний цикл є, очевидно, лише одним з кількох механізмів, які забезпечують транспорт амінокислот у клітинах. Після всмоктування амінокислоти надходять у кров і по системі ворітної вени потрапляють у печінку.

Швидше всмоктуються аргінін, метіонін, лейцин; повільніше – фенілаланін, цистеїн, тирозин; дуже повільно – аланін, серин і глутамінова кислота.

У процесах всмоктування важливе місце належить натрієвому насосу (додавання до суміші амінокислот хлориду натрію прискорює всмоктування). Хімічну енергію, що витрачається при цьому, забезпечують мітохондрії.

Вважають, що в пересуванні амінокислоти по клітині бере участь білковий переносник. У базальній і латеральній ділянках клітини комплекс переносник + амінокислота розщеплюється. Амінокислота дифундує в міжклітинний простір і поступає в кровоносну або лімфатичну системи ворсинок, а іони Na+ повертаються до поверхні клітини і взаємодіють з новими порціями амінокислот. Ці процеси регулюються нервовою і гуморальною системами.

У товстій кишці білки не всмоктуються. Тут всмоктуються продукти їх гниття: фенол, крезол, індол, скатол та ін.

 

Проміжний обмін

 

Продукти всмоктування білків через систему ворітної вени поступають у печінку. Амінокислоти, що залишилися в крові після проходження через печінку, з печінкової вени потрапляють у велике коло кровообігу і розносяться до окремих органів, тканин і клітин. Деяка частина амінокислот з міжклітинної рідини поступає в лімфатичну систему – лімфатичні капіляри ворсинок, підепітеліальну і підслизову сітку судин тонкої кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену.

Основна маса амінокислот витрачається на біосинтез білків, частина – на біосинтез біологічно активних речовин (небілкових гормонів, пептидів, амінів та ін.), частина, дезамінуючись, використовується як енергетична сировина і матеріал для біосинтезу ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та ін.

Біосинтез білків. Проблема біосинтезу білка є однією з основних проблем біохімії. Вона має важливе теоретичне і практичне значення, тісно пов'язана з найактуальнішими питаннями сучасної біологічної науки: виясненням законів спадковості і мінливості, керуванням ростом і розвитком організмів, розкриттям причин виникнення і розробкою методів профілактики та лікування багатьох спадкових захворювань тощо.

Біосинтез білка протікає у всіх органах, тканинах і клітинах. Найбільша кількість білка синтезується в печінці. Синтез білка здійснюють рибосоми. За хімічною природою рибосоми – нуклеопротеїди, що складаються з РНК (50 – 65%) і білків (35 – 50%). У процесі біосинтезу білка рибосоми здійснюють функції:

1) специфічного скріплення і утримання компонентів білок-синтезуючої системи;

2) каталітичної підстанції (при утворенні пептидного зв'язку і гідролізі ГТФ);

3) транслокатора (при механічному переміщенні і- і тРНК).

Рибосоми утворюються самочинно із заздалегідь синтезованих РНК і білків. Вони є складовими частинами гранулярної ендоплазматичної сітки, яка є своєрідною транспортною системою клітини, де відбувається біосинтез і переміщення синтезованих молекул білка.

Рибосоми в клітині знаходяться у вигляді скупчень від 3 до 100 одиниць – полісом (полірибосом, ергосом). Рибосоми сполучені між собою своєрідною ниткою, видимою під електронним мікроскопом, – іРНК (рис. 2). Кожна рибосома здатна синтезувати самостійно один поліпептидний ланцюг, група – декілька таких ланцюгів і молекулу білка. Прикладом великої полірибосомної системи є полісоми м'язової тканини, які синтезують міозин. Полісома складається з 60 – 100 рибосом і здійснює біосинтез молекули білка, який складається з 1800 амінокислотних залишків.

 

 

Рис 2. Схема будови рибосоми:

1 – 30S субодиниця; 2 – 50S субодиниця; 3 – іРНК; 4 – аміноацил-тРНК-фермент

 

Відомо, що в організмах людини і тварин синтезуються мільйони різних білків. Вони відрізняються один від одного, насамперед, хімічною природою та послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою. Інформація про те, яким повинен бути білок, закладена в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу.

Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на рибосомах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтезу білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК.

В основі передачі інформації лежить принцип комплементарності. У синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид. Процес копіювання даної інформації з ДНК на іРНК називається транскрипцією.

Далі іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом. На рибосомах іРНК реалізує цю інформацію в процесі синтезу білка. Іншими словами, на іРНК як на матриці відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК отримала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка закодована в певній послідовності нуклеотидів в її молекулі, на процес розміщення залишків амінокислот у білкових молекулах називається трансляцією.

Отже, передачу інформації від ДНК на синтез білка можна подати схемою:

 

.

 

Для синтезу білків використовуються активовані форми амінокислот, які перебувають у зв'язаному стані з відповідними тРНК. Останні переносять їх до місця біосинтезу білка – рибосом. Процес сполучення амінокислот із „своїми” тРНК за участю ферменту аміноацил-тРНК – синтетази називають рекогніцією (від англ. recognice – пізнавати).

Згідно з сучасними уявленнями, біосинтез білків включає ряд складних біохімічних процесів, в яких беруть участь нуклеїнові кислоти, різні ферментні системи, іони металів тощо. Він поділяється на три основні стадії: транскрипцію, рекогніцію і трансляцію. Стадія транскрипції детально описана в темі „ обмін нуклеїнових кислот”, стадії рекогніції і трансляції описані нижче.

Рекогніція. Активація амінокислот відбувається у цитоплазмі за участю високоенергетичної сполуки – АТФ і ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз (аміноацил-синтетаз). Для кожної амінокислоти в клітині єспецифічні ферменти, які називаються кодазами.Для виявлення ними максимальної активності необхідні, іони магнію. Дещо меншу активуючу дію мають іони інших двовалентних металів, зокрема марганцю, кобальту і кальцію. Реакцію активації амінокислот схематично можна подати так:

 

 

Ця реакція відбувається на поверхні ферменту, що каталізує її, і утворений аміноациладенілат не переходить у розчин, а залишається в комплексі з ферментом. У молекулі аміноациладенілату залишок амінокислоти сполучається з залишком АМФ макроергічним зв'язком, який посилює реакційну здатність амінокислоти.

На наступному етапі комплекс аміноациладенілату з ферментом взаємодіє з тРНК, специфічною для кожної амінокислоти. При цьому аміноацильна група з аміноациладенілату переходить до тРНК з утворенням нового комплексу – аміноацил-тРНК і виділяються АМФ та фермент:

 

 

Залишок амінокислоти приєднується до третього атома вуглецю рибози кінцевого нуклеотиду тРНК, макроергічний зв'язок зберігається. Реакцію каталізує той самий фермент, що й реакцію активації амінокислоти – аміноацил-тРНК-синтетаза. У молекулі даного ферменту є дві специфічні ділянки, завдяки яким він здатний „впізнавати”, з однієї сторони, „свою” амінокислоту, а з другої – „свою” тРНК.

Деякі аміноацилсинтетази (наприклад, валінова, лейцинова, ізолейцинова) побудовані з одного поліпептидного ланцюга, інші – з двох, чотирьох і більшої кількості поліпептидних ланцюгів (наприклад, серинова аміноацилсинтетаза складається з двох субодиниць, метіонінова – з чотирьох). Молекулярна маса кожної субодиниці становить 45000. Виявлено аміноацилсинтетази, побудовані з двох і більшої кількості різних субодиниць. Наприклад, гліцинова аміноацилсинтетаза складається з чотирьох субодиниць, дві з яких мають молекулярну масу по 33000, а дві інші – по 80000.

Аміноацилсинтетази виявляють високу специфічність. Для кожної з 20 амінокислот, що входять до складу білків, є своя, і притому лише одна аміноацилсинтетаза. Водночас кожна з них „впізнає” всі тРНК, специфічні для однієї амінокислоти.

Трансляція. Трансляція включає три основні етапи – ініціацію, елонгацію і термінацію.

Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга – це утворення ініціюючого комплексу і формування функціонально активної рибосоми. Розміри рибосом характеризують константами седиментації (виражають одиницями Сведберга S). Чим більші розміри мають часточки, тим швидше вони осідають під час ультрацентрифугування і тим вища константа їх седиментації.

Для прокаріот характерні рибосоми, константа седиментації яких становить 70S, а молекулярна маса 3×106. В еукаріотів рибосоми дещо більші. Константа їх седиментації досягає 80S, а молекулярна маса 4,5×106.

Кожна рибосома складається з двох субодиниць – малої і великої. У прокаріот 70S рибосоми побудовані з малої (30S) і великої (50S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 16S-PHK і 21 молекулу білків з різною молекулярною масою. 16S-РНК виконує в субодиниці структурну роль, вона необхідна для контакту рибосом з іРНК. Для контакту з іРНК у цій самій субодиниці є зона, в якій розміщена спеціальна акцепторна ділянка (Аср-ділянка) для зв'язування тРНК, яка доставляє активовані амінокислоти.

50S субодиниця містить дві молекули PHK: 23S-РНК, 5S-РНК і 34 молекули різних білків. 23S-РНК виконує структурну роль, а 5S-РНК необхідна для взаємодії субодиниці з тРНК. Отже, iРНК сполучається як з малою, так і з великою субодиницею рибосоми.

На 50S субодиниці рибосоми є дві ділянки – пептидильна, або П-ділянка, і аміноацильна, або А-ділянка; П-ділянка призначена для розміщення поліпептидного ланцюга, що синтезується, а в А-ділянку поступають аміноацил-тРНК.

Рибосоми еукаріот 80S побудовані з малої (40S) і великої (60S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 18S-РНК і близько 30 молекул різних білків. До складу великої субодиниці входять молекули 28S-PHK i 5S-РНК, а також близько 50 молекул різних білків. На субодиницях рибосом еукаріот також є система зон і ділянок для контакту і зв'язування iРНК, тРНК та ряду інших компонентів, необхідних для синтезу білка.

За певних умов рибосоми можуть розщеплюватись на субодиниці, тобто дисоціювати, а потім знову сполучатися – асоціювати, що має велике значення в процесі синтезу білка.

Для ініціації синтезу білка крім рибосом і рибонуклеїнових кислот важливим є наявність формілметіоніл-тРНК (тРНКфмет), факторів ініціації (1F-1, 1F-2, 1F-3), ГТФ, іонів магнію тощо.

Формілметіонін утворюється після приєднання метіоніну до тРНК за участю 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти і специфічного ферменту – трансформілази. Така тРНК за будовою відрізняється від звичайної метіонінової тРНК. Обидві метіонін-тРНК (формілметіоніл-тРНК і метіоніл-тРНК) „впізнають” на іРНК триплет (кодон) АУГ. Однак даний триплет кодує формілметіонін лише тоді, коли він є початковим (ініціюючим), тобто коли з нього починається синтез поліпептидного ланцюга молекули білка. Якщо даний триплет розміщений не в тому місці іРНК, з якого починається синтез білкової молекули, а далі, всередині полінуклеотидного ланцюга іРНК, то він кодує звичайний метіонін.

Основна роль формільного залишку в метіоніні полягає в тому, що він, зв'язуючи аміногрупу, зумовлює взаємодію карбоксильної групи першої амінокислоти з аміногрупою наступної амінокислоти, тобто відбувається синтез поліпептидного ланцюга в напрямку NH2 ® СООН. Після закінчення синтезу поліпептидного ланцюга від нього може відщеплюватись формільна група або повністю формілметіонін.

Перед початком процесу ініціації рибосома розщеплюється на субодиниці. Ініціація розпочинається з утворення двох комплексів (рис. 3). Перший подвійний комплекс 1F-3-30S утворюється внаслідок взаємодії меншої субодиниці рибосоми 30S з фактором ініціації 1F-3 (І). Другий трикомпонентний 1F-2×ГТФ×тРНКфмет комплекс утворюється внаслідок взаємодії формілметіонін-тРНК з фактором ініціації 1F-2 і ГТФ (ІІ). Далі ці два комплекси сполучаються в один, який має склад 1F-3-30S-1F-2×ГТФ×тРНКфмет (ІІІ). На наступному етапі цей комплекс за участю фактора 1F-1 взаємодіє з іРНК, утворюючи ініціюючий комплекс (IV). Останній взаємодіє з 50S субодиницею рибосоми, що супроводжується вивільненням факторів ініціації і розщепленням ГТФ на ГДФ і H3PO4 (V). За цих умов утворюється функціонально активна 70S рибосома (30S×50S×PHK×тРНКфмет). Механізм ініціації синтезу поліпептидного ланцюга в еукаріот на 80S рибосомах в основному подібний до механізму цього процесу в прокаріот, проте має і специфічні особливості, зокрема число факторів ініціації в еукаріот значно більше, ніж у прокаріот, що, очевидно вказує на їх регулюючу дію.

 

 

Рис. 3. Схема ініціації білкового синтезу (утворення ініціюючого

комплексу і формування активної рибосоми)

 

Елонгація (ріст) поліпептидного ланцюга у момент закінчення ініціації формілметіонін-тРНК розміщена в П-ділянці рибосоми, а А-ділянка вільна і може приймати наступну аміноацил-тРНК.

Перший етап елонгації полягає в доставці аміноацил-тРНК до рибосоми і сполученні її з відповідним кодоном іРНК, розміщеним поряд з початковим (ініціюючим) кодоном АУГ. У цьому процесі беруть участь ГТФ і фактори елонгації EF–Tu, EF–Ts і EF–G (рис. 4). Спочатку перший фактор елонгації взаємодіє з ГТФ і аміноацил-тРНК з утворенням потрійного комплексу EF-Tu×ГТФ×аміноацил-тРНК. Далі цей комплекс доставляється в А-ділянку рибосоми, де й відбувається його дисоціація. Аміноацил-тРНК залишається зв'язаною з рибосомою, а ГТФ гідролізує до ГДФ і відщеплюється від рибосоми у вигляді ГДФ-EF-Tu. Під впливом другого фактора елонгації (EF–Ts) цей комплекс розкладається й обидва фактори знову включаються в доставку наступної молекули аміноацил-тРНК в А-ділянку рибосоми. Джерелом енергії служить нова молекула ГТФ.

 

 

Рис 4. Основні етапи росту пептидного ланцюга

 

На другому етапі елонгації формується пептидний зв'язок в А-ділянці, де розміщується доставлена відповідна аміноацил-тРНК. Сюди з П-ділянки переміщується формілметіонін-тРНК і утворюється перший пептидний зв'язок за рахунок етерифікованої карбоксильної групи формілметіонін-тРНК і аміногрупи, доставленої аміноацил-тРНК. При цьому утворюється пептидил-тРНК:

 

 

Процес утворення пептидного зв'язку каталізує фермент пептидил-трансфераза.

Вивільнена тРНК утримується в П-ділянці, а пептидил-тРНК в А-ділянці рибосоми.

На третьому етапі відбувається переміщення (транслокація) пептидил-тРНК з А-ділянки в П-ділянку. Цей процес проходить за рахунок енергії гідролізу другої молекули ГТФ. Реакцію каталізує білковий фактор EF-G, який часто називають рибосомо-залежною гуанозинтрифосфатазою.

Під час транслокації з П-ділянки видаляється вільна тРНК, а іРНК переміщується по рибосомі на довжину одного кодону. За цих умов А-ділянка вивільнюється і може приймати нову амінокислоту з тРНК.

Термінація (закінчення синтезу) поліпептидного ланцюга. Термінація поліпептиду розпочинається при появі певних сигналів, якими є триплети УАА, УАГ, УГА. Ці триплети часто називають беззмістовними, термінаторними або нонсенс-триплетами.

У процесі термінації беруть участь фактори RF1 і RF2, які каталізують відщеплення синтезованих поліпептидних ланцюгів від рибосоми. Фактор RF1 реагує на появу УАГ і УАА, фактор RF2 – на УАА і УГА.

В еукаріот термінація проходить за участю лише одного фактора – RF, для дії якого необхідна ГТФ.

Процес термінації відбувається в кілька етапів. Спочатку поліпептидний ланцюг з А-ділянки рибосоми, де утворюється останній пептидний зв'язок, переміщується в П-ділянку. Далі розривається складноефірний зв'язок між С-кінцевою амінокислотою та її тРНК і білок виходить із рибосоми. Комплекс рибосома×іРНК×тРНК розкладається, рибосома дисоціює на субодиниці. Вивільнені рибонуклеїнові кислоти, очевидно, можуть використовуватись у наступних циклах синтезу білка. Даний процес досить складний і повністю ще не вивчений.

Обчислено, що синтез типового білка, побудованого з ~150 – 200 залишків амінокислот на рибосомах, триває 1 – 3 xв. Отже, кожний цикл роботи рибосоми, що забезпечує подовження поліпептидного ланцюга білка на один залишок амінокислоти, триває частки секунди. З'ясування основних етапів синтезу білка є значним досягненням біології на молекулярному рівні. Уже експериментально встановлена генетична роль нуклеїнових кислот, розкрита суть генетичного коду, основаного на молекулярній структурі ДНК, і цим самим конкретизована природа мутацій – основа еволюції і мінливості живих організмів.

У гіалоплазмі з поліпептидних ланцюгів утворюються відповідні прості і складні білки. Формується вторинна, третинна і у ряді випадків четвертна структура білкової молекули.

Оновлення білків в організмі. Білки знаходяться в динамічному стані і піддаються постійним процесам синтезу і розпаду. У ході життєдіяльності білки поступово „зношуються” – руйнуються їх четвертна, третинна, вторинна і первинна структури. Інактивуются білкові функціональні групи і руйнуються зв'язки в білковій молекулі. Виникає необхідність в заміні „зношених білкових молекул” новими.

В залежності, від ступеня пошкодження білкової молекули походить її часткове або повне оновлення. В першому випадку під впливом спеціальних ферментів оновлюються невеликі ділянки поліпептидних ланцюгів або окремі амінокислотні залишки (транспептидація). В другому випадку відбувається повна заміна „зношеної молекули” білка новою. Пошкоджена молекула білка розпадається під впливом тканинних протеаз або катепсинів I, II, III і IV, що локалізуються в лізосомах. Молекула протеїду розпадається на простетичну групу і простий білок, які піддаються звичайним для цих речовин перетворенням.

Швидкість оновлення білків різних органів і тканин неоднакова. Білки організму людини в цілому оновлюються протягом 135 – 155 діб. Білки печінки, підшлункової залози, стінки кишок і плазми крові оновлюються протягом 10 діб, м'язів – 30, колаген – 300 діб. Синтез молекули білка в клітині протікає швидко – протягом 2 – 5 с. За 1 с в тілі людини руйнується близько 3 млн. еритроцитів, а один еритроцит містить близько 280 млн. молекул гемоглобіну. В організмі дорослої людини щодоби синтезується 90 – 100 г білка (1,3 г на 1 кг маси). Ступінь оновлення зменшується при старінні, хворобах і т.д.

Біосинтез пептидів. Частина ендо- і екзогенних амінокислот йде на синтез пептидів.

Глутатіон. Це трипептид, утворений із залишків глутамінової кислоти, цистеїна і гліцина.

Біосинтез протікає в дві стадії. Так, спочатку під впливом ферменту g-глутамілцистеїнсинтетази утворюється дипептид, потім за участю трипептидсинтетази – трипептид глутатіон:

 

L-Глутамінова кислота + L-цисцеїн + АТФ D g-Глутамілцистеїн + АДФ + Н3РО4;

g-Глутамілцистеїн + Гліцин + АТФ ® Глутатіон + АДФ + Н3РО4.

 

Глутатіон (G–SH) міститься у всіх тканинах і клітинах. Йому належить ведуча роль в окисно-відновних реакціях. Він є складовою частиною багатьох ферментів, захищає SH-групи білків від окислення (див. ферменти). Входить до складу тканинних катепсинів.

Карнозин і ансерин. Дипептиди м'язової тканини. Карнозин утворюється з гістидина і b-аланіна, ансерин – з 1-метил-гістидина і b-аланіна:

 

 

 

Пептиди синтезуються під впливом специфічних ферментів, за участю АТФ і Mg2+ іонів. Реакції протікають в дві стадії, наприклад синтез карнозина:

 

b-Аланін + АТФ + Фермент D Фермент-b-аланінаденілат + Пірофосфат;

Фермент-b-аланінаденілат + L-Гістидин D АМФ + Фермент + Карнозин

Біосинтез окремих амінокислот. Замінні амінокислоти синтезуються в тканинах організму. Незамінні амінокислоти поступають в організм у складі їжі і кормів. Умовно замінні амінокислоти синтезуються в тканинах обмежено (аргінін і гістидин) або за наявності попередників (тирозин і цистеїн). Деяка кількість амінокислот синтезується симбіотичною мікрофлорою в харчовому каналі. Синтез і обмін амінокислот – багатоступінчатий процес, що складається з ряду стадій і каталізується багатьма ферментними системами.

Матеріалом для синтезу амінокислот найчастіше є a-кето- і a-оксикислоти, які утворюються в тканинах при проміжному обміні вуглеводів, ліпідів і інших сполук. Джерелом азоту є аміак і амонійні солі, водню – НАД×H2 або НАДФ×H2.

Якщо джерелом амінокислоти є кетокислота, то вона може піддаватися відновному амінуванню, яке протікає в дві стадії: спочатку утворюється імінокислота, потім – амінокислота:

 

 

Так утворюється аланін з піровиноградної кислоти.

Щавелевооцтова кислота – джерело утворення аспарагінової і глутамінової кислот:

 

 

Частина глутамінової кислоти може синтезуватися з a-кетоглутарової кислоти під дією ферменту L-глутаматдегідрогенази:

 

 

Глутамінова кислота використовується тканинами як донор аміногрупи.

Окремі амінокислоти можуть утворюватися з інших амінокислот трансамінуванням під впливом ферментів амінофераз або трансаміназ:

 

 

Так утворюється гліцин з серина або треоніна; аланін – з глутамінової і аспарагінової кислот, триптофана або цистеїна; тирозин з фенілаланіна; цистеїн і цистин – з серина або метіоніна; глутамінова кислота – з проліна або аргініна та ін.

Молекулярні механізми специфічності біосинтезу білків. Генетичний код. Як зазначалось вище, синтез білка відбувається на рибосомах ферментативним шляхом відповідно до інформації, закладеної в структурі ДНК. Саме ДНК є матрицею, штампом, у якому запрограмовано відповідну первинну структуру білка, що синтезується. Відомо, що ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається на рибосомах, тому природно виникає питання, яким шляхом ДНК впливає на специфічність синтезу білка, як саме структура ДНК визначає порядок розташування залишків амінокислот у полінуклеотидному ланцюгу.

Встановлено, що зв'язуючою ланкою між ДНК ядра і рибосомами – місцем біосинтезу білка – є іРНК. Вона передає інформацію від ДНК до рибосом. Цей процес полягає в тому, що на ланцюгу ДНК ядра як на матриці проходить біосинтез іРНК. При цьому іРНК точно копіює послідовність розташування нуклеотидів одного з полінуклеотидних ланцюгів ДНК з тією лише відмінністю, що на місці тимінового нуклеотиду розташовується уридиловий нуклеотид.

Вважають, що на поверхні ДНК, згідно з законом комплементарності, може синтезуватися кілька молекул іРНК. Ділянка, на якій синтезується одна молекула PHK, називається структурним геном, або цистроном.

іРНК, отримавши інформацію від ДНК, у процесі біосинтезу переходить з ядра до рибосом, де бере безпосередню участь у формуванні первинної структури відповідного білка.

Виникає питання, як саме послідовність чотирьох різних нуклеотидів, що становлять структуру нуклеїнових кислот, визначає послідовність розташування 20 залишків амінокислот у білку. Як було розшифровано код білкового синтезу? На перший погляд можливість передачі невеликою кількістю умовних знаків інформації значної кількості можливих комбінацій залишків амінокислот у білкових молекулах може здатись сумнівною. Однак незаперечним є той факт, що всього 32 букви алфавіту передають всю красу і багатство нашої мови, і ці 32 букви можуть бути закодовані азбукою Морзе – комбінацією лише двох знаків – крапки і тире.

Використовуючи чотирьохбуквений алфавіт азотистих основ, можна скласти 4 однобуквених слова – сиглетний код, 16 двобуквених (4 ´ 4 = 16) – дуплетний код або 64 трибуквених слова (4 ´ 4 ´ 4 = 64) – триплетний код. Для 20 амінокислот шістнадцяти двобуквених слів мало, а 64 трибуквених достатньо. У 1954 р. було запропоновано кодове слово з трьох азотистих основ – триплетний код. Однак необхідно було вивчити, які нуклеотиди і в якому порядку у молекулі ДНК (іРНК) відповідають різним амінокислотам. Ці дослідження провели M. Шренберг іГ. Корана, за що були удостоєні Нобелівської премії.

Вчені добули синтетичний PHK-полімер – поліуридилову кислоту. При добавлянні її в систему, де проходив синтез білка, відбувався синтез поліфенілаланіну, а інші 19 амінокислот не включалися в полінуклеотидний ланцюг. Отже, було доведено, що три уридилових залишки (УУУ) кодують включення в поліпептидний ланцюг молекули білка амінокислоти фенілаланіну. Згодом було вияснено склад кодонів для інших амінокислот. Так, кодон ГГГ у структурі нуклеїнової кислоти забезпечує включення в поліпептидний ланцюг глутамінової кислоти, AAA – лізину, ЦЦЦ – проліну тощо (табл. 1).

 

Перший нуклео-тид Другий нуклеотид Третій нуклео-тид  
У Ц А Г  
У УУУ УУЦ Фен УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ Сер УАУ УАЦ Тир УГУ УГЦ Цис У Ц А Г  
УУА УУГ Лей УАА* УАГ* Терм УГА* УГГ* Терм Три  
Ц ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ Лей ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ Про ЦАУ ЦАЦ ЦАА ЦАГ Гіс ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ Арг У Ц А Г  
А АУУ АУЦ АУА Ілей АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ Тре ААУ ААЦ Асн АГУ АГЦ Сер У Ц А Г  
ААА ААГ Ліз АГА АГГ Арг  
АУГ – Мет  
Г ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ Вал ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ Ала ГАУ ГАЦ Асп ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ Глі У Ц А Г  
ГАА ГАГ Глу  

 

Таблиця 1. Генетичний код

 

Наведені в таблиці дані свідчать, що амінокислоти мають по кілька кодонів. Слід наголосити, що з 64 кодонів 61 визначає послідовність розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу, при цьому кодони ГУГ (валіновий), АУГ (метіоніновий) є також ініціюючими, стартовими кодонами. Три інших кодони – УАГ, УАА, УГА – називають беззмістовними, вони виконують функцію сигналів про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. В таблиці вони позначені зірками.

Аналізуючи таблицю генетичного коду, можна помітити, що перші два нуклеотиди в кодоні важливіші, ніж третій. Деякі дослідники вважають, що заміна третього нуклеотиду в значній частині кодонів не впливає на їх здатність кодувати відповідну амінокислоту. Наприклад, кодування аланіну здійснюється кодонами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ, які відрізняються між собою третім нуклеотидом.

У зв'язку з високою специфічністю перших двох нуклеотидів у кодоні, Ф. Крік у 1965 р. запропонував теорію неоднозначної відповідності, що в точному перекладі означає коливання. З неї випливає, що головне значення при „впізнаванні” кодона антикодоном на рибосомі мають перші два нуклеотиди. Вони повністю підпорядковані комплементарному принципу взаємодії азотистих основ. Третій нуклеотид кодона може вступати у взаємодію більш ніж з одним типом нуклеотидів антикодона. Це сприяє підвищенню стійкості генетичної інформації при пошкодженні ДНК.

Особливості генетичного коду. Насамперед, слід зазначити, що код, очевидно, є універсальним. Він однаковий для всіх організмів – бактерій, рослин і тварин. Правда, одні організми віддають перевагу одним триплетам, другі – іншим. Універсальність коду свідчить про те, що він з'явився на ранніх етапах розвитку живих систем і, очевидно, мало змінюється в ході еволюції.

Іншою характерною особливістю коду є його виродженість, оскільки два і більше триплетів можуть кодувати одну амінокислоту. Хоча код і вироджений, однак він не є неоднозначним. Жоден кодон, крім ініціюючих ГУГ і АГУ, не кодує більше ніж одну амінокислоту.

У більшості випадків виродженість коду зумовлює наявність декількох тРНК для однієї амінокислоти, які відрізняються між собою антикодонами.

Особливістю коду є те, що він не перекривається, тобто нуклеотиди, які входять до складу триплету, не беруть участі в формуванні наступних триплетів. Після зчитування інформації з одного триплету механізм зчитування переміщується відразу на всі три нуклеотиди.

Характерною особливістю коду є його неперервність. Кожний триплет, який кодує відповідну амінокислоту, перебуває поряд з іншим триплетом без проміжних розділяючих ділянок (факторів).

Досить важливою особливістю коду є його однонапрямленість. Кодони під час синтезу білка транслюються в одному напрямку, починаючи з першої нуклеотидної основи. Перша азотиста основа знаходиться біля 5'-нуклеотидного кінця, а остання – біля 3'-кінця, тобто зчитування інформації проходить у напрямку 5' ® 3'.

Слід зазначити також, що протягом останніх років з'явились дані, які свідчать про окремі відхилення від загальноприйнятих особливостей генетичного коду. Так, Б. Берел із співробітниками, вивчаючи нуклеотидну послідовність ДНК мітохондрій людини, встановили, що в цілому в них генетичний код подібний до встановленого раніше. Разом з тим виявлено, що чотири кодони змінили свій зміст. Кодон УГА відповідає триптофану, кодон АУА – метіоніну, а кодони – АГА і АГГ стали термінуючими. В мітохондріях дріжджів всі чотири лейцинових кодони, які починаються з ЦУ, перейшли до треоніну. Отже, у лейцину залишилось лише два кодони, а у треоніну їх стало шість. В одній клітині, зокрема організму людини, виявлено існування двох різних кодів. Ці дані, очевидно, є доказом того, що код зазнав певних, незначних еволюційних змін, і універсальність коду має свої нюанси.

Потребує певних корективів і особливість коду, що він не перекривається. В дослідах з вірусами і деякими бактеріями встановлено, що одна і та сама ділянка ДНК може кодувати кілька різних білків за принципом зміщення рамки зчитування. Так, якщо взяти будь-який код з певною послідовністю нуклеотидів, наприклад ТАГАТГЦГЦА, то при зчитуванні його з першої букви дістанемо триплети ТАГ, АТГ, ЦГЦ, а при зчитуванні з другої букви – зовсім інші триплети: АГА, ТГЦ, ГЦА і т. д. Разом з цим встановлено, що для окремих білків частина послідовностей нуклеотидів спільна. Наприклад, якщо для одного білка дана послідовність нуклеотидів закінчується, то для іншого вона може продовжуватися. Одержані дані свідчать про те, що транскрипція генетичного коду підпорядкована певним контрольним механізмам, які забезпечують вибір певного правильного коду.

Встановлено ряд нових фактів, які підтверджують, що в генах еукаріот є некодуючі ділянки. Іншими словами, гени вищих організмів не неперервні, а побудовані з окремих частин, розділених іншими послідовностями нуклеотидів. Проміжки між цими частинами бувають різними – від 10 до 20 000 пар нуклеотидів.

Генна інженерія і біосинтез білка. Генна інженерія відкриває нову еру в біології. Це пояснюється насамперед тим, що з'явилися нові можливості для проникнення в глибину біологічних явищ з метою повнішої характеристики форм існування живої матерії, ефективнішого вивчення структури і функцій генів на молекулярному рівні для розуміння тонких механізмів роботи генетичного апарата. Разом з цим генна інженерія забезпечує моделювання на молекулярному рівні мутацій і рекомбінацій – основних генетичних процесів, факторів еволюції.

Успішне проведення досліджень у галузі генної інженерії має крім теоретичного важливе практичне значення. Генна інженерія створює основи для пізнання способів та шляхів „конструювання” нових або направленої зміни існуючих організмів, сприяє позитивному розв'язуванню проблеми направленого біосинтезу важливих для організму сполук, зокрема білків. Суть цього процесу полягає в тому, що за допомогою певних методів (синтез на іРНК за участю ревертази, звичайний хімічний синтез) добувають ген, який визначає синтез відповідного білка. Далі такий ген вбудовується у відповідну систему, яка дає йому можливість швидко розмножуватися. Такою системою, яку часто називають вектором, служать плазміди – автономні структури, що несуть свою інформацію у вигляді невеликої циклічної молекули ДНК. Вони виявлені в клітинах бактерій разом з бактеріальною хромосомою. Крім плазмід можна використовувати також інші системи – віруси, фаги і т.д.

Плазміди, що містять вбудований ген (рекомбінантні ДНК), вводять у клітини бактерій, які завдяки цьому набувають здатності синтезувати нові для них речовини. Це основний принцип генної інженерії, мета якої – добування білків людини, тварин і рослин, які особливо необхідні в практичній діяльності, наприклад у медицині. До таких важливих білків належить, наприклад, гормон інсулін. Нестача інсуліну в організмі людини призводить до тяжкого і досить поширеного захворювання – діабету. Для його лікування використовують інсулін тваринного походження, добутий з підшлункової залози великої рогатої худоби або свиней.

Однак останнім часом з'ясовано, що для частини людей він не ефективний або ж викликає сильну алергію. Це пояснюється тим, що інсулін людського і тваринного організмів характеризується певною структурною відмінністю. Отже, виникла потреба у виробництві інсуліну людини. Добувати його синтетично економічно невигідно.

Генна інженерія дала рентабельніший шлях синтезу інсуліну. Добуто штами бактерій з рекомбінантними ДНК, які виробляють проінсулін людини, з якого далі легко добути інсулін.

Другим важливим здобутком генної інженерії є інтерферон – універсальний противірусний препарат. Основою його є білок, який виробляється клітинами організму для боротьби з вірусною інфекцією. Вивчення властивостей інтерферону показало, що він виявляє високу видову специфічність. Тому для лікування людей можна використовувати інтерферон лише людини.

Інтерферон добувають в основному із лейкоцитів донорської крові. Однак такий шлях добування інтерферону досить дорогий і, крім того, не здатний повністю забезпечити потребу в ньому. Тому інтенсивно ведуться роботи по розробці нових методів добування інтерферону, зокрема шляхом генної інженерії. В цьому плані програма добування штаму – продуцента інтерферону – успішно завершена, що дало змогу виробляти препарат у достатніх кількостях. Крім того, методом генної інженерії добуто ще один важливий білок – соматотропін. Це гормон росту людини, до складу якого входить 191 залишок амінокислот. Соматотропін застосовують для лікування карликовості, при переломах кісток, опіках та при інших захворюваннях.

Отже, генна інженерія відкриває нову технологію (біотехнологію) синтезу важливих для організмів людини і тварин речовин, зокрема білків. Це дає можливість значно знизити вартість і розширити асортимент виробництва гормонів, ферментів та інших білкових препаратів, які використовуються в медицині та сільському господарстві.

Регуляція синтезу білка. Необхідною умовою існування живих систем, забезпечення їх життєдіяльності є наявність узгодженої системи регулювання найважливіших процесів, які протікають в них. Це, насамперед, стосується синтезу білка, оскільки оптимальне співвідношення між кількістю і якістю різних білків відіграє важливу роль у забезпеченні ряду життєво важливих процесів як для одноклітинних, так і для багатоклітинних організмів. За участю білків-ферментів здійснюється регуляція обміну речовин, адаптація організмів до зміни умов зовнішнього і внутрішнього середовищ, процеси онтогенезу та диференціації клітин, органів і систем. Тому досить важливим є здійснення контролю за синтезом саме тих білків-ферментів, які необхідні клітині за даних умов залежно від функцій, які вона повинна виконувати. В зв'язку з цим у процесі тривалого еволюційного розвитку живих організмів, незалежно від ступеня їх організації, сформувався досить складний, узгоджений механізм регуляції синтезу білка, який забезпечує сталі якісний та кількісний склад білків, необхідний для виконання певних фізіологічних функцій.

З'ясування суті механізму регуляції синтезу білка є досить складною проблемою, яка ще не повністю розв'язана. Над вирішенням цієї проблеми протягом кількох десятиріч працювала велика група різних дослідників-генетиків, біохіміків, молекулярних біологів. Логічним розвитком даних досліджень стала концепція регуляції синтезу білка, розроблена в 1961 р. лауреатами Нобелівської премії французькими вченими Ф. Жакобо і Ж. Моно. Ґрунтується вона на спостереженнях за індукцією і репресією утворення ферментів у клітинах бактерій E. соlі.

Дослідженнями виявлено збільшення концентрації деяких ферментів бактерій при добавлянні в середовище субстратів, на які вони діють, і зниження концентрації ферментів при наявності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. Отже, між цими процесами встановлено тісний взаємозв'язок.

Концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно, сформульована в дослідах на прокаріотах, дістала широке визнання і вважається загальноприйнятою. Згідно з цією концепцією, регуляція синтезу білка здійснюється на рівні ДНК, молекула якої складається з певних функціональних ділянок – генів, згрупованих залежно від функцій, які вони виконують. Одна група таких функціональних ділянок названа структурними генами, або цистронами, вони містять інформацію про синтез певних поліпептидних ланцюгів білка, на них відбувається синтез молекул іРНК, яка далі надходить до рибосом, де виконує роль матриці в процесі синтезу білка. Початок синтезу іРНК – зчитування генетичної інформації – розпочинається з функціональної ділянки ДНК, яка має назву промотора і є точкою ініціації її синтезу.

Іншу групу функціональних ділянок ДНК становлять регуляторні гени, які регулюють активність структурних генів шляхом їх „включення” та „виключення”. Регуляторні гени представлені геном-оператором, що знаходиться безпосередньо біля групи структурних генів, і геном-регулятором, що знаходиться від них на деякій відстані.

Ген-оператор є ніби пусковим механізмом, який, залежно від умов, дозволяє або гальмує синтез іРНК на структурних генах ДНК. Вважають, що ген-оператор локалізований на крайньому відрізку цистронів і є, очевидно, вихідним пунктом дії ДНК-залежної РНК-полімерази.

Гени-оператори разом з групами структурних генів утворюють групи узгоджено діючих блоків – оперонів, кожен з яких відповідає за взаємозв'язаний синтез ряду специфічних білків, тобто оперон є одиницею транскрипції. Якщо ген-оператор не діє, то весь оперон стає бездіяльним – гальмується синтез іРНК, а отже, і білків, ферментів. Діяльність гена-оператора регулюється геном-регулятором. Оскільки ген-регулятор і структурні гени оперона розташовані на різних ділянках ДНК, то зв'язок між ними забезпечують речовини-посередники – білки-репресори, що утворюються в рибосомах на матриці специфічної мРHK, яка синтезується на гені-регуляторі.

Свою назву білок-репресор дістав завдяки тому, що його дія на ген-оператор гальмує (репресує) діяльність останнього, внаслідок чого припиняється функціонування всієї групи структурних генів. Білки-репресори виявляють спорідненість до гена-оператора і здатність до зворотного зв'язування з ним. Крім того, білок-репресор здатний до специфічного зв'язування з певними низькомолекулярними речовинами, так званими індукторами, або ефекторами.

За звичайних фізіологічних умов репресори можуть перебувати в активному або пасивному стані. Перехід з одного стану в інший регулюється продуктами внутрішньоклітинного обміну або речовинами, що надходять із зовнішнього середовища.

Залежно від стану білка-репресора розрізняють індуцибельну і репресибельну системи генної регуляції синтезу білка.

При індуцибельній системі регуляції білок-репресор, що утворюється на гені-регуляторі, перебуває в активному стані. Його вплив на ген-оператор призводить до блокування діяльності оперона і припинення синтезу іРНК і певних білків-ферментів. Синтез їх може відновлюватися лише тоді, коли в клітині з'являються продукти, для утилізації яких необхідні дані ферменти. Білок-репресор, сполучаючись з цими продуктами (індукторами), втрачає здатність контролювати ген-оператор, внаслідок чого відновлюється синтез іРНК.

Вважають, що індуктор, сполучаючись з білком-репресором, зумовлює зміну його третинної структури, внаслідок чого останній втрачає здатність до зв'язування з субстратом – геном-регулятором. Разом з тим оператор, який виходить з-під контролю гена-регулятора, набуває активності і приводить у дію блок структурних генів, на яких здійснюється синтез іРНК, необхідних для утворення певних ферментів. Оскільки дані ферменти спрямовані на утилізацію Індуктора, білок-репресор буде пасивним доти, поки під впливом ферментів не відбудеться повне розщеплення індуктора. Після цього білок-репресор вивільнюється, переходить в активний стан і блокує оперон, внаслідок чого синтез іРНК, що кодує первинну структуру даних ферментів, припиняється.

Крім індукції генів у клітинах відбувається їх репресія. Особливо часто цей процес спостерігається при процесах синтезу, коли концентрація багатьох ферментів значно знижується при збільше