Мембранні білки, пов'язані з ліпідами. Мембранні білки, пов'язані з ліпідами Патологія - Гіперхолестероломія

1. Основні етапи біосинтезу білків. Генетичний код

2. Регуляція експресії генів

1. Основні етапи біосинтезу білків. Генетичний код

Біосинтез білків у клітинах є послідовністю реакцій матричного типу, в ході яких послідовна передача спадкової інформації з одного типу молекул на інший призводить до утворення поліпептидів з генетично обумовленою структурою.

Біосинтез білків є початковим етапом реалізації, або експресії генетичної інформації. До головних матричних процесів, що забезпечують біосинтез білків, відносяться транскрипція ДНКі трансляція мРНК. Транскрипція ДНК полягає у переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну або інформаційну РНК). Трансляція мРНК полягає у перенесенні інформації з мРНК на поліпептид. Загальна характеристика реакцій матричного синтезу дано у розділі 3. Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна як схеми 1.

На схемі видно, що генетична інформація про структуру білка зберігається як послідовності триплетів ДНК. При цьому лише один з ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції (такий ланцюг називається транскрибується). Другий ланцюг є комплементарним по відношенню до транскрибується і не бере участі в синтезі мРНК.

Молекула мРНК є матрицею для синтезу поліпептиду на рибосомах. Триплети мРНК, що кодують певну амінокислоту, називаються кодони. У трансляції беруть участь молекули тРНК. Кожна молекула тРНК містить антикодон– триплет, що розпізнає, в якому послідовність нуклеотидів комплементарна по відношенню до певного кодону мРНК. Кожна молекула тРНК здатна переносити певну амінокислоту. З'єднання тРНК з амінокислотою називається аміноацил-тРНК.

Молекула тРНК за загальною конформацією нагадує конюшинний лист на черешку. "Вершина листа" несе антикодон. Існує 61 тип тРНК із різними антикодонами. До «черешку листа» приєднується амінокислота (існує 20 амінокислот, що у синтезі поліпептиду на рибосомах). Кожній молекулі тРНК з певним антикодоном відповідає певна амінокислота. У той же час певній амінокислоті зазвичай відповідає кілька типів тРНК з різними антикодонами. Амінокислота ковалентно приєднується до тРНК за допомогою ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз. Ця реакція називається аміноацилуванням тРНК.

p align="justify"> На рибосомах до певного кодону мРНК за допомогою специфічного білка приєднується антикодон відповідної молекули аміноацил-тРНК. Таке зв'язування мРНК та аміноацил-тРНК називається кодонзалежним. На рибосомах амінокислоти з'єднуються між собою за допомогою пептидних зв'язків, А молекули тРНК, що звільнилися, йдуть на пошуки вільних амінокислот.

Розглянемо докладніше основні етапи біосинтезу білків.

1 етап. Транскрипція ДНК . На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежної РНК-полімерази добудовується комплементарний ланцюг мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрибованого ланцюга ДНК з тією різницею, що замість дезоксирибонуклеотидів до її складу входять рибонуклеотиди, до складу яких замість тиміну входить урацил.

2 етап. Процесинг (дозрівання )мРНК . Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворенням. Найчастіше вихідна молекула мРНК розрізається деякі фрагменти. Одні фрагменти – інтрони- Розщеплюються до нуклеотидів, а інші - екзони- Зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називається сплайсинг.

Сплайсинг характерний для еукаріотів та архебактерій, але іноді зустрічається і у прокаріотів. Існує кілька видів сплайсингу. Сутність а льтернативного сплайсингуполягає в тому, що ті самі ділянки вихідної мРНК можуть бути і інтронами, і екзонами. Тоді одному й тому ділянки ДНК відповідає кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька різних форм одного і того ж білка. Сутність транс-сплайсингполягає в поєднанні екзонів, що кодуються різними генами (іноді навіть із різних хромосом), в одну зрілу молекулу мРНК.

3 етап. Трансляція мРНК . Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію(початок), елонгацію(продовження) та термінацію(Закінчення).

Ініціація. Сутність ініціації полягає у освіті пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.

Спочатку утворюється ініціювальний комплекс, До складу якого входять: мала субодиниця рибосоми, специфічні білки (фактори ініціації) та спеціальна ініціаторна метіонінова тРНК з амінокислотою метіоніном - Мет-тРНК Мет. Ініціюючий комплекс дізнається початок мРНК, приєднується до неї і ковзає до точки ініціації (початку) біосинтезу білка: здебільшого це стартовий кодонАУГ. Між стартовим кодоном мРНК та антикодоном метіонінової тРНК відбувається кодонзалежне зв'язування з утворенням водневих зв'язків. Потім відбувається приєднання великої субодиниці рибосоми.

При об'єднанні субодиниць утворюється цілісна рибосома, яка несе два активні центри (сайти): А -Ділянка (аміноацильний, який служить для приєднання аміноацил-тРНК) і Р -Ділянка (пептидилтрансферазний, який служить для утворення пептидного зв'язку між амінокислотами).

Спочатку Мет-тРНК Мет знаходиться на А -Дільниці, але потім переміщається на Р -Ділянка. На звільнений А -Ділянка надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, який комплементарний кодону мРНК, наступному за кодоном АУГ. У нашому прикладі це Глі-тРНК Глі з антикодон ЦЦГ, який комплементарний кодону ГГЦ. В результаті кодонзалежного зв'язування між кодоном мРНК та антикодоном аміноацил-тРНК утворюються водневі зв'язки. Таким чином, на рибосомі поряд виявляються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидна зв'язок. Ковалентний зв'язок між першою амінокислотою (метіоніном) та її тРНК розривається.

Після утворення пептидного зв'язку між першими першими амінокислотами рибосома зсувається на один триплет. В результаті відбувається транслокація (переміщення) ініціаторної метіонінової тРНК Мет за межі рибосоми. Водневий зв'язок між стартовим кодоном та антикодоном ініціаторної тРНК розривається. В результаті вільна тРНК Мет відщеплюється і йде на пошук своєї амінокислоти.

Друга тРНК разом з амінокислотою (у нашому прикладі Глі-тРНК Глі) в результаті транслокації виявляється на Р -Дільниці, а А -Ділянка звільняється.

Елонгація. Сутність елонгації полягає у приєднанні наступних амінокислот, тобто у нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзалежного зв'язування мРНК та аміноацил-тРНК на А -Дільниці, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючим поліпептидним ланцюгом і транслокації зі звільненням А -Дільниці.

На звільнений А -Ділянка надходить аміноацил-тРНК з антикодоном, відповідним наступному кодону мРНК (у нашому прикладі це Тір-тРНК Тир з антикодоном АУА, який комплементарний кодону УАУ).

На рибосомі поруч виявляються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Зв'язок між попередньою амінокислотою та її тРНК (у нашому прикладі між гліцином та тРНК Глі) розривається.

Потім рибосома зміщується ще на один триплет, і в результаті транслокації тРНК, яка була на Р -Дільниці (у нашому прикладі тРНК Глі), виявляється за межами рибосоми і відщеплюється від мРНК. А -Ділянка звільняється, і робочий цикл рибосоми починається спочатку.

Термінація. Сутність термінації полягає у закінченні синтезу поліпептидного ланцюга.

Зрештою, рибосома досягає такого кодону мРНК, якому відповідає жодна тРНК (і жодна амінокислота). Існує три такі нонсенс-кодони: УАА («охра»), УАГ («бурштин»), УГА («опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми припиняється, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову поділяється на субодиниці.

Модифікація білків.

Як правило, синтезований поліпептид піддається подальшим хімічним перетворенням. Вихідна молекула може розрізатися окремі фрагменти; потім одні фрагменти зшиваються, інші гідролізуються до амінокислот. Прості білки можуть з'єднуватися з різноманітними речовинами, утворюючи глікопротеїни, ліпопротеїни, металопротеїни, хромопротеїни та інші складні білки. Крім того, амінокислоти вже у складі поліпептиду можуть піддаватися хімічним перетворенням. Наприклад, амінокислота пролін, що входить до складу білка проколагену, окислюється до гідроксипроліну. В результаті з проколагенуутворюється колаген- Основний білковий компонент сполучної тканини.

Реакції модифікації білків є реакціями матричного типу. Такі біохімічні реакції називаються східчастими.

Енергетика біосинтезу білків. Біосинтез білків – дуже енергоємний процес. При аміноацилуванні тРНК витрачається енергія одного зв'язку молекули АТФ, при кодонзависимом зв'язуванні аміноацил-тРНК – енергія одного зв'язку молекули ГТФ, при переміщенні рибосоми на один триплет – енергія одного зв'язку ще однієї молекули ГТФ. У результаті приєднання амінокислоти до полипептидной ланцюга витрачається близько 90 кДж/моль. При гідролізі пептидного зв'язку вивільняється лише 2 кДж/моль. Таким чином, при біосинтезі більшість енергії безповоротно втрачається (розсіюється як тепла).

Як пояснити, стисло і зрозуміло, що таке біосинтез білка, і яке його значення?

Якщо вам цікава ця тема, і ви хотіли б підтягнути шкільні знання або повторити перепустки, то ця стаття створена для вас.

Що таке біосинтез білка

Спочатку варто ознайомитись із визначенням біосинтезу. Біосинтез називається синтез живими організмами природних органічних сполук.

Якщо бути простіше, це отримання різних речовин за допомогою мікроорганізмів.Цей процес займає важливу роль у всіх живих клітинах. Не забуваємо і про складний біохімічний склад.

Транскрипція та трансляція

Це два найголовніші кроки біосинтезу.

Транскрипціяз латинського означає «переписування» – як матриця застосовується ДНК, тому відбувається синтезування трьох видів РНК (матричної/інформаційної, транспортної, рибосомної рибонуклеїнових кислот). Реакція здійснюється за допомогою полімерази (РНК) та з використанням великої кількості аденозинтрифосфату.

Вироблять дві основні дії:

1. Позначення кінця та початку трансляції приєднанням іРНК.
2. Подія, що здійснюється завдяки сплайсингу, що у свою чергу видаляє неінформаційні послідовності РНК, тим самим відбувається зменшення маси матричної рибонуклеїнової кислоти в 10 разів.

Трансляціяз латинського означає «переклад» – використовується іРНК як матриця, синтезуються поліпептидні ланцюжки.

Трансляція включає три етапи, які можна було подати у вигляді таблиці:

1. Перший етап. Ініціація - формування комплексу, який бере участь у синтезі поліпептидного ланцюжка.
2. Другий етап. Елонгація - збільшення розмірів цього ланцюга.
3. Третій етап. Термінація - висновок вищезазначеного процесу.

Схема біосинтезу білка

За схемою видно, як відбувається процес.

Точкою стикування цієї схеми є рибосоми, у яких синтезується білок. У простій формі синтез здійснюється за схемою

ДНК> PHK> білок.

Першим починається етап транскрипції, в якому молекула змінюється в одноланцюжкову інформаційну рибонуклеїнову кислоту (іРНК). У ній міститься інформація про амінокислотну послідовність білка.

Наступною зупинкою іРНК буде рибосома, де відбувається сам синтез. Відбувається це шляхом трансляції, формування поліпептидного ланцюжка. Після цієї пересічної схеми отриманий білок транспортується в різні місця, виконуючи певні завдання.

Послідовність процесорів біосинтезу білка

Біосинтез білка – складний механізм, який включає два вище згадані етапи, а саме транскрипцію і трансляцію. Першим відбувається транскрибований етап (він поділяється на дві події).

Після йде трансляція, в якій беруть участь усі види РНК, кожна має свою функцію:

1. Інформаційна – роль матриці.
2. Транспортна – додавання амінокислот, визначення кодонів.
3. Рибосомна - утворення рибосом, які підтримують іРНК.
4. Транспортна – синтез поліпептидного ланцюга.

Які компоненти клітини беруть участь у біосинтезі білка

Як ми казали, біосинтез поділяють на дві стадії. У кожній стадії беруть участь свої компоненти. На першій стадії це дезоксирибонуклеїнова кислота, інформаційна та транспортна РНК, нуклеотиди.

У другій стадії беруть участь компоненти: іРНК, тРНК, рибосоми, нуклеотиди і пептиди.

Які особливості реакцій біосинтезу білка у клітині

До списку особливостей реакцій біосинтезу варто віднести:

1. Використання енергії АТФ для хімічних реакцій.
2. Є ферменти, завдання яких прискорювати реакції.
3. Реакція має матричний характер, оскільки білок синтезується іРНК.

Ознаки біосинтезу білка у клітині

Для такого складного процесу, звичайно, характерні різні ознаки:

1. Перший полягає в тому, що присутні ферменти, без яких сам процес був би неможливий
2. Задіяні всі три види РНК, з цього можна дійти невтішного висновку, що центральна роль належить РНК.
3. Освіта молекул виробляється мономерами, саме амінокислотами.
4. Варто позначити так само, що специфічність того чи іншого білка визначається розташуванням амінокислот.

Висновок

Багатоклітинний організм - апарат, що складається з різних клітинних типів, які диференційовані - відрізняються структурою та функціями. Крім білків, є клітини цих типів, які синтезують так само собі подібних, в цьому полягає відмінність.

Синтез білка

Найважливіші функції організму: обмін речовин, розвиток, зростання, рух здійснюються біохімічними реакціями за участю білків.
Тому в клітинах безперервно синтезуються білки: білки-ферменти, білки-гормони, скорочувальні білки, захисні білки.

Первинну структуру білка (порядок розташування амінокислот у білку) закодовано в молекулах ДНК. Кожен триплет (група із трьох сусідніх нуклеотидів) кодує на нитці ДНК одну певну амінокислоту з двадцяти.

Послідовність триплетів на нитці ДНК є генетичним кодом.

Знаючи послідовність триплетів на нитці ДНК, тобто генетичний код, можна встановити послідовність з'єднання амінокислот у білку.

Наразі розшифровані триплети для всіх двадцяти амінокислот.
Наприклад

Амінокислоту лізин кодує на нитці ДНК триплет ТТТ.

Амінокислоту триптофан кодує триплет АЦЦ і т.д.

В одній молекулі ДНК може бути закодовано декілька різних білків. Ділянку ДНК, де закодований білок, називають геном.

Ділянки ДНК відокремлюються одна від одної спеціальними триплетами, які є розділовими знаками. Вони означають початок та закінчення синтезу білка.

Оскільки ДНК, у якій зберігається генетична інформація про білку, не бере безпосередньої участі в синтезі білка, міститься в ядрі, а синтез білка відбувається в цитоплазмі на рибосомах, існує посередник-іРНК. іРНК зчитує генетичну інформацію про білок з ділянки ДНК і передає цю інформацію з нитки ДНК на рибосому. іРНК синтезується ділянці ДНК за принципом комплементарності.
Навпроти азотистої основи аденін (А) на нитці ДНК розташовується урацил.
(У) на нитці іРНК, напроти азотистої основи тимін (Т) на нитці ДНК розташовується аденін (А) на іРНК, навпроти азотистої основи гуанін (Г) на нитці ДНК розташовується цитазин (Ц).

Процес зчитування генетичної інформації іРНК про білку з ділянки ДНК називається транскрипцією. Цей процес протікає як матричний синтез, оскільки одна з ниток ДНК є матрицею.

Синтез білка відбувається на рибосомах. На нитках іРНК розташовується зазвичай група рибосом. Таку групу рибосом називають полісомою.

Рибосоми просуваються на нитки іРНК від триплету до триплету.
Кожен триплет на нитці іРНК кодує одну певну амінокислоту з двадцяти амінокислот.

Транспортні РНК приєднують певні амінокислоти (кожна тРНК приєднує одну певну амінокислоту) та приносить їх до рибосом.

При цьому антикодон кожної тРНК повинен бути комплементарний одному з триплетів (кодонів) на іРНК.
Наприклад

Антикодон АГЦ на тРНК має бути комплементарним кодону УГЦ на нитці іРНК. рРНК разом із білками –ферментами бере участь у поєднанні амінокислот друг з одним, у результаті на рибосомах синтезується певний білок.

Цей процес називається трансляцією.

Досягши кінцевої ділянки нитки иРНК, рибосоми відокремлюються від нитки РНК. Відсинтезована молекула білка має первинну структуру. Потім вона набуває вторинної, третинної та четвертинної структури.

У синтезі білка беруть участь велика кількість ферментів. На синтез білка витрачається енергія АТФ.

Білок потім надходить до каналів ендоплазматичної мережі, в якому транспортується до певних ділянок клітини.

Клітини еукаріотів мають розвинену систему внутрішніх структур, оточених мембранами, які називаються органелами

Кожна органела має унікальний склад (гліко)протеїнів і (гліко)ліпідів і виконує певний набір функцій

Кожна органела містить один або кілька компартментів, обмежених мембранами

Органели виконують свої функції автономно чи групах

При ендоцитозі та екзоцитозі білки (білки карго), що переносяться, транспортуються між компартментами через транспортні везикули, які утворюються відбрунькуванням від поверхні органели і потім зливаються з мембраною-мішенню акцепторного компартменту.

Транспортні везикули можуть вибірково включати матеріал, що переноситься, і виключати ті компоненти, які повинні залишатися в органелі, з якої везикули утворилися.

Селективне включення у везикули забезпечується сигналами, присутніми у первинній структурі білка або у вуглеводній структурі

Транспортні везикули містять білки, які направляють їх до місць призначення та зв'язування. Надалі везикули зливаються з акцепторною ділянкою мембрани.

Однією з характерних рис еукаріотичної клітиниє присутність у ній розвиненої системи внутрішніх структур, оточених мембранами, які називаються органелами. Для клітин еукаріотів характерна присутність мембран, що поділяють їх внутрішній вміст на функціонально-різні компартменти, тоді як всі клітини живих організмів мають зовнішню двошарову мембрану.

Одна з переваг компартменталізаціїполягає в тому, що клітина має можливість створювати необхідне оточення для виконання функцій, що потребують певного хімічного складу середовища.

На проілюстровано будову та різноманітність органел, що мають мембрану, які зазвичай присутні в еукаріотичній клітині (в даному випадку в типовій тваринній клітині). Кожна органела містить один чи кілька компартментів. Наприклад, ендоплазматичний ретикулум (ЕПР) є одним компартментом; навпаки, апарат Гольджі складається з кількох оточених мембранами компартментів, які мають певні біохімічні функції.

Для мітохондрії характерні два компартменту, матрикс та міжмембранний простір, що містять набір певних макромолекул.

Цитозоль може вважатися одним компартментом, обмеженим плазматичною мембраною і які знаходяться в контакті із зовнішньою частиною мембрани всіх внутрішньоклітинних органел. Цитоплазма складається з цитозолю та органел. Аналогічним чином, нуклеоплазма обмежена внутрішньою ядерною мембраною.

Кожна органела містить унікальний набір білків(як мембранних, і розчинних), ліпідів та інших молекул, необхідні виконання її функцій. Деякі ліпіди та білки ковалентно пов'язані з олігосахаридами. У міру росту та поділу клітин повинні синтезуватися їх нові компоненти, необхідні для росту, поділу та остаточного розподілу внутрішньоклітинного матеріалу між двома дочірніми клітинами. При диференціюванні та розвитку клітини, а також у відповідь на вплив таких зовнішніх факторів, як стрес, відбувається синтез компонентів органел.

Однак компонентине завжди утворюються у тій органелі, де вони функціонують. Зазвичай різні макромолекули утворюються у сайтах, спеціально призначених їх синтезу. Наприклад, більшість білків утворюються на рибосомах цитозолю, який є оптимальним середовищем для функціонування рибосом та синтезу білка.

Виникає таке питання: яким чином компоненти органелпотрапляють у місця їхнього функціонування? З початку 1970-х років. це питання було центральним у клітинній біології. Як випливає з малюнку нижче, існує принаймні вісім основних типів органел, кожна з яких складається з сотень або тисяч різних білків та ліпідів.

Всі ці молекули повинні транспортуватив органели, у яких виконують свої функції. Більшість утворюється в цитозолі, і тому виникає питання: як вони доставляються у відповідні органели або ж виходять з клітини, якщо належать до білків, що секретуються? У багатьох випадках відповіддю це питання служить наявність у молекулі білка спеціальних сигналів, зазвичай званих сигналами сортування чи сигналами адресування. Вони являють собою короткі послідовності амінокислот, присутні в первинній структурі білків, які повинні бути локалізовані не в цитозолі. Кожна адреса призначення білкової молекули пов'язана з одним або декількома різними видами сигналів.

Сигнали сортування дізнаються спеціальними системами клітиниу міру просування білка до місця призначення. Як показано на малюнку нижче, існує два основних транспортних механізми: екзоцитоз (або секреторний шлях) і ендоцитоз, при якому матеріал (карго) транспортується з клітини та клітини відповідно.

Для всіх новостворених білків, призначених для секреції з клітини, або для вступу до органели шляхом екзо- або ендоцитозу на мембрані ЕПР існує загальна точка входу. Сигналами до транслокації білка через мембрану ЕПР є сигнальні послідовності. У цьому розділі ми розглянемо сигнали сортування, які спрямовують білки до місць призначення.

Перебуваючи в ЕПРБілок не може транспортуватися через цитоплазму, і єдиним шляхом його потрапляння в інші органели, оточені мембранами, є везикулярний транспорт. Транспортні везикули в основному складаються з білків і ліпідів і, як то кажуть, «відгалужуються» від мембрани. Після того, як везикула відбрунькувалася, вона зливається з наступним компартментом, який знаходиться на її шляху. Компартмент, із якого виникла везикула, зазвичай називається донорський компартмент (або вихідний компартмент), а компартмент призначення (або цільової) зазвичай називається акцепторний компартмент.

Транспортні везикулипрямим або непрямим шляхом переносять білки з ЕПР до решти компартментів на шляху екзо-або ендоцитозу. При ендоцитозі везикули утворюються на плазматичній мембрані. Ці везикули транспортують укладений у яких матеріал ендосоми, у тому числі утворюються інші везикули, переносять матеріал інші компартменти. Таким чином, склад транспортних везикул різниться залежно від їхнього походження та компартменту призначення.

Везикулярний транспортстворює проблему для органел, із якими обмінюються везикули. Для нормального функціонування має підтримуватись певний внутрішній склад органел. Однак як цього можна досягти, якщо везикули весь час змінюють цей склад? Масштаб проблеми стає очевидним при розрахунку ефективності транспорту. На шляху ендоцитозу кількість мембранних білків та ліпідів, еквівалентна їхньому загальному вмісту в плазматичній мембрані, здатна транспортуватися через органели менш ніж за годину. Якщо порівняти з часом, необхідним для синтезу нової органели (зазвичай один день), така швидкість вражає.

Рішення цієї проблемипов'язане із селективністю транспортного процесу. При відгалужуванні у везикулу проходять тільки ті білки, які необхідно транспортувати. Резидентні білки органели до везикули не потрапляють. Везикула утримує ці білки і передає їх наступній везикулі, що знаходиться на шляху. Для підтримки гомеостазу між органелами, за своєю природою везикулярний транспорт завжди має бути двоспрямованим, тобто компоненти донорського компартменту не повинні безперервно переноситися до акцепторного компартменту.

В обміні речовин організму провідна роль належить білкам та нуклеїновим кислотам. Білкові речовини становлять основу всіх життєво важливих структур клітини, вони входять до складу цитоплазми. Білки мають надзвичайно високу реакційну здатність. Вони наділені каталітичними функціями, тобто є ферментами, тому білки визначають напрямок, швидкість та найтіснішу узгодженість, сполученість усіх реакцій обміну речовин.

Рис. 13 А. Схема синтезу білка в еукаріотній клітині.

Рис. 13 Б. Схема синтезу білка у прокаріотній клітині.

Провідна роль білків у явищах життя пов'язана з багатством та різноманітністю їх хімічних функцій, з винятковою здатністю до різних перетворень та взаємодій з іншими простими та складними речовинами, що входять до складу цитоплазми.

Нуклеїнові кислоти входять до складу найважливішого органу клітини - ядра, а також цитоплазми, рибосом, мітохондрій і т. д. Нуклеїнові кислоти відіграють важливу, першорядну роль у спадковості, мінливості організму, у синтезі білка.

Процес синтезу білка є складним багатоступеневим процесом. Здійснюємося він у спеціальних органелах - рибосомах. У клітині міститься велика кількість рибосом. Наприклад, у кишкової палички їх близько 20 000.

Як відбувається синтез білка в рибосомах?

Молекули білків по суті є поліпептидні ланцюжки, складені з окремих амінокислот. Але амінокислоти недостатньо активні, щоб поєднатися між собою самостійно. Тому, перш ніж з'єднатися один з одним та утворити молекулу білка, амінокислоти мають активуватися. Ця активація відбувається під впливом спеціальних ферментів. Причому кожна амінокислота має свій, специфічно налаштований її у фермент.

Джерелом енергії для цього (як і для багатьох процесів у клітині) є аденозинтрифосфат (АТФ).

Внаслідок активування амінокислота стає більш лабільною і під дією того ж ферменту зв'язується з т-РНК.

Важливим є те, що кожній амінокислоті відповідає суворо специфічна т-РНК. Вона знаходить свою амінокислоту і переносить її в рибосому. Тому така РНК отримала назву транспортної.

Отже, рибосому надходять різні активовані амінокислоти, з'єднані зі своїми т-РНК. Рибосома є як би конвеєр для складання ланцюжка білка з різних амінокислот, що надходять до нього (рис. 13 Аі Б).

Виникає питання: чого залежить порядок зв'язування між собою окремих амінокислот? Адже саме цей порядок і визначає, який білок буде синтезований у рибосомі, тому що від розташування амінокислот у білку залежить його специфіка. У клітині міститься понад 2000 різних за будовою та властивостями специфічних білків.

Виявляється, що одночасно з т-РНК, на якій «сидить» своя амінокислота, рибосому надходить «сигнал» від ДНК, яка міститься в ядрі. Відповідно до цього сигналу в рибосомі синтезується той чи інший білок, той чи інший фермент (оскільки ферменти є білками).

Напрямний вплив ДНК на синтез білка здійснюється не безпосередньо, а за допомогою особливого посередника тієї форми РНК, яка отримала назву матричної або інформаційної РНК (м-РНК або і-РНК).

Інформаційна РНК синтезується в ядрі під впливом ДНК, тому її відбиває склад ДНК. Молекула РНК є як би зліпок з форми ДНК.

Синтезована і-РНК надходить у рибосому і як би передає цій структурі план - в якому порядку повинні з'єднуватися один з одним активовані амінокислоти, що надійшли в рибосому, щоб синтезувався певний білок. Інакше генетична інформація, закодована в ДНК, передається на і-РНК і далі на білок.

Молекула інформаційної РНК надходить у рибосому і прошиває її. Той її відрізок, що знаходиться зараз на рибосомі, визначений до доном (триплет), взаємодіє абсолютно спеціально з відповідним до нього за будовою триплетом (антикодоном) на транспортній РНК, яка принесла в рибосому амінокислоту. Транспортна РНК зі своєю амінокислотою підходить до певного кодону іРНК і з'єднується з ним; до наступної, сусідній ділянці і-РНК приєднується інша т-РНК з іншою амінокислотою і так далі, до тих пір, поки не буде рахований весь ланцюжок і-РНК і поки не нанижуться всі амінокислоти у відповідному порядку, утворюючи молекулу білка. А т-РНК, яка доставила амінокислоту до певної ділянки поліпептидного ланцюга, звільняється від своєї амінокислоти і виходить із рибосоми. Потім знову в цитоплазмі до неї може приєднатися потрібна амінокислота і вона знову перенесе її в рибосому. У процесі синтезу білка бере участь одночасно одна, а кілька рибосом - полирибосомы.

Основні етапи передачі генетичної інформації: синтез на ДНК як на матриці і-РНК (транскрипція) та синтез у рибосомах поліпептидного ланцюга за програмою, що міститься в і-РНК (трансляція), універсальні для всіх живих істот. Однак тимчасові та просторові взаємини цих процесів різняться у прої еукаріотів.

У організмів, що мають справжнє ядро ​​(тварини, рослини), транскрипція і трансляція суворо розділені у просторі та часі: синтез різних РНК відбувається в ядрі, після чого молекули РНК повинні залишити межі ядра, пройшовши через ядерну мембрану (рис. 13 А). Потім у цитоплазмі РНК транспортуються до місця синтезу білка – рибосом. Лише після цього настає наступний етап – трансляція.

У бактерій, ядерна речовина яких не відокремлена від цитоплазми мембраною, транскрипція та трансляція йдуть одночасно (рис. 13 Б).

Сучасні схеми, що ілюструють роботу генів, побудовані виходячи з логічного аналізу експериментальних даних, отриманих з допомогою біохімічних і генетичних методів. Застосування тонких електронно-мікроскопічних методів дозволяє буквально побачити роботу спадкового апарату клітини. Останнім часом отримані електронно-мікроскопічні знімки, на яких видно, як на матриці бактеріальної ДНК, у тих ділянках, де до ДНК прикріплені молекули РНК-полімерази (ферменту, що каталізує транскрипцію ДНК в РНК) відбувається синтез молекул і-РНК. Нитки і-РНК, розташовані перпендикулярно до лінійної молекули ДНК, просуваються вздовж матриці та збільшуються у довжині. У міру подовження ниток РНК до них приєднуються рибосоми, які, просуваючись, у свою чергу, вздовж нитки РНК до ДНК, ведуть синтез білка.

З усього сказаного випливає, що місцем синтезу білків та всіх ферментів у клітині є рибосоми. Образно висловлюючись, це «фабрики» білка, як складальний цех, куди надходять усі матеріали, необхідні для збирання поліпептидного ланцюжка білка з амінокислот. Природа синтезованого білка залежить від будови і-РНК, від порядку розташування в ній нуклеоїдів, а будова і-РНК відображає будову ДНК, так що в кінцевому підсумку специфічна будова білка, тобто порядок розташування в ньому різних амінокислот, залежить від порядку розташування нуклеоїдів у ДНК, від будови ДНК.

Викладена теорія біосинтезу білка отримала назву матричної теорії. Матричною ця теорія називається тому, що нуклеїнові кислоти відіграють як би роль матриць, в яких записано всю інформацію щодо послідовності амінокислотних залишків у молекулі білка.

Створення матричної теорії біосинтезу білка та розшифрування амінокислотного коду є найбільшим науковим досягненням XX століття, найважливішим кроком на шляху до з'ясування молекулярного механізму спадковості.