Вступ

Біосинтез (або просто синтез) білків — процес, за допомогою якого клітини будують білки. Термін іноді використовується для посилання виключно на процес трансляції, але частіше означає багатокроковий процес, що включає біосинтез амінокислот, транскрипцію, процесинг (включаючи сплайсинг), трансляцію та посттрансляційну модифікацію білків. Біосинтез білків, хоча й дуже подібний, дещо відрізняється між представниками трьох доменів життя — еукаріотами, археями та бактеріями.

Під час транскрипції відбувається зчитування генетичної інформації, зашифрованої в молекулах ДНК, і запис цієї інформації в молекули мРНК. Під час ряду послідовних стадій процесингу з мРНК видаляються деякі фрагменти, непотрібні в подальших стадіях (сплайсинг), і відбувається редагування нуклеотидних послідовностей. Після транспортування зрілої молекули мРНК з ядра до рибосом відбувається власне синтез білкових молекул шляхом приєднання окремих амінокислотних залишків до поліпептидного ланцюжка, що росте. На останній стадії посттрансляційної модифікації відбуваються зміни новосинтезованого білка додаванням небілкових молекул до білка та ковалентними модифікаціями його амінокислот.

Процес біосинтезу білку включає ряд послідовно протікаючих подій в ядрі клітини. Це  реплікація ДНК (транскрипція) та переміщення інформаційної РНК (трансляція).

Синтез інформаційної РНК (і-РНК) відбувається в ядрі.

Транскрипція — процес переписування інформації, що міститься в генах ДНК на молекулу і-РНК, що синтезується.

Трансляція — процес зборки молекули білку, що йде в рибосомах.

Молекули і-РНК виходять з ядра клітини через пори оболонки ядра і спрямовуються в цитоплазму до рибосом. Сюди ж доставляються амінокислоти. Рибосома по ланцюжку і-РНК робить крок, рівний трьом нуклеотидам. Амінокислота відділяється від Т-РНК і стає в ланцюжок мономерів білку. Т-РНК, що звільнилася, йде убік і через деякий час може знову з’єднатися з певною кислотою, яку транспортуватиме до місця синтезу білку.

Таким чином, послідовність нуклеотидів в триплеті ДНК відповідає послідовності нуклеотидів в триплеті і-РНК. Діти, давайте розглянемо наступне відео, щоб краще зрозуміти описаний процес.

Висока швидкість реакцій біосинтезу білку в клітині. Узгодженість процесів в ядрі, цитоплазмі, рибосомах — доказ цілісності клітини. Схожість процесу біосинтезу білку в клітинах рослин, тваринних та ін. — доказ їх спорідненості, єдність органічного світу.

1. Поняття біосинтезу білка

Пластичний обмін (анаболізм, асимиляція) – сукупність біохімічних ферментативних процесів синтезу біоорганічних сполук:

— Поживні речовини (білки, ліпіди і вуглеводи), які поступають з їжею, не схожі на відповідні високомолекулярні сполуки даного організму.

— У процесі травлення ці сполуки розпадаються до мономерів, які використовуються в процесі біосинтезу специфічних високомолекулярних речовин.

Серед різних органічних сполук у живих організмів білкам належить провідна роль. Ці сполуки переважають у клітинах і кількісно. Так, у клітинах тварин вони становлять до 40-50% сухої речовини, а рослин — до 20-35%. До складу молекул білків входять атоми Карбону, Оксигену, Нітрогену, Гідрогену, Сульфуру, а також Фосфору, Феруму та ін.

Що собою становлять білки? Білки — це висо-комолекулярні біополімери, мономерами яких є залишки амінокислот (мал.8). Нескінченна різноманітність білкових молекул забезпечується різними комбінаціями залишків лише 20 амінокислот (кількість можливих варіантів у цьому випадку становить приблизно 2 • 1018). Кожен білок характеризується постійним складом амінокислотних залишків та їхньою певною послідовністю.

Усі амінокислоти мають спільну групу атомів. Вона складається з аміногрупи (-NH2), якій притаманні лужні властивості, та карбоксильної групи (—СООН) з кислотними властивостями. Ці групи, як і атом Гідрогену, зв’язані з одним і тим самим атомом Карбону. Групи атомів, за якими амінокислоти розрізняються між собою, називають радикалами, або R-групами.

Двадцять амінокислот, залишки яких входять до складу білків, називають основними.

Існують різні класифікації амінокислот. Зокрема, їх поділяють на замінні та незамінні. Замінні амінокислоти можуть синтезуватись в організмі людини і тварин з продуктів обміну речовин. Натомість незамінні амінокислоти в організмі людини і тварин не синтезуються. Вони надходять разом з їжею. їх синтезують рослини, гриби, бактерії.

Білки, які містять усі незамінні амінокислоти, називають повноцінними, на відміну від неповноцінних, до складу яких не входять ті чи інші незамінні амінокислоти. У таблиці наведено повні та скорочені назви амінокислот.

До основних процесів пластичного обміну належить біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот, а також фотосинтез і хемосинтез.

Організми розрізняються між собою специфічними білками. Білки складаються з амінокислот. Взаєморозташування амінокислот визначає специфічні властивості білка.

Біосинтез білків відбувається у цитоплазмі клітини на спеціальних органелах – рибосомах. Кожна рибосома має велику і малу субодиниці, які відіграють важливу роль на різних етапах біосинтезу білків. Найважливішу роль у процесі біосинтезу білка відіграють нуклеїнові кислоти – ДНК, РНК. На ДНК записана інформація про білки.

Ген – ділянка ДНК, яка містить інформацію про первинну структуру білка.

Тоді як у прокаріотів (бактерій та архей) синтез та процесинг мРНК відбувається в цитоплазмі, у еукаріотів від відбувається в клітинному ядрі, після чого зріла мРНК повинна транспортуватися до цитоплазми, де знаходяться рибосоми. Цей процес відбувається за допомогою приєднання до мРНК допоміжніх білків, експортинів, які проходять через ядерні пори та вивільняють мРНК в цитоплазмі.

Трансляція полягає в синтезі поліпептідного ланцюжка відповідно до інформації, закодованої в матричній РНК. Амінокислотна послідовність шифрується за допомогою транспортних РНК (тРНК), які утворюють з амінокислотами комплекси — аміноацил-тРНК. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК, що має відповідний антокодон, «відповідний» до кодону мРНК. Під час трансляції рибосома рухається уподовж мРНК, у міру цього нарощується поліпептидний ланцюжок. Енергією біосинотез білка забезпечується за рахунок АТФ.

Готова білкова молекула потім відщеплюється від рибосоми і транспортується в потрібне місце клітини. Тоді як цитоплазматичні білки рухаються за допомогою дифузії та молекулярних моторів, мембранні білки, білки органел та білки позначені для секреції синтезуються на мембранах клітини (у випадку еукаріотів на мембранах ендоплазматичного ретикулума), одразу проходять встроюються мембрану та направляються до відповідної органели або секретуються відповідно до сигнальнох послідовності у складі білка (яка зазвичай видаляється після цього за допомогою протеолітичних ферментів).

Для досягнення свого активного стану деякі білки вимагають додаткової посттрансляційної модифікації. Ці модифікації здатні значно розширити різноманітність можливих білків, надаючи їм нові властивості. Прикладами пост-трансляційних модифікацій служить приєднання різних функціональних груп, приєднання ліпідів і вуглеводнів, зміна стандартних амінокислот на нестандартні (наприклад, утворення цитруліну), структурні змін (наприклад, утворення дісульфідних містків між цистеїнами), видалення частини білка як на початку (сигнальна послідовність, старт-кодон), так і в окремих випадках в середині.

2. Основні етапи біосинтезу білка

Синтез білка є циклічний багатоступінчастий енергозалежний процес, в якому вільні амінокислоти полімеризується в генетично детерміновану послідовність з утворенням поліпептидів. Система білкового синтезу, точніше система трансляції, яка використовує генетичну інформацію, транскрибований в мРНК, для синтезу поліпептидного ланцюга з певною первинної структурою, включає близько 200 типів макромолекул — білків і нуклеїнових кислот. Серед них близько 100 макромолекул, що в активуванні амінокислот і їх перенесення на рибосоми, більше 60 макромолекул, що входять до складу 70S або 80S рибосом, і близько 10S макромолекул, які беруть безпосередню участь у системі трансляції. Не розбираючи природу інших важливих для синтезу факторів, розглянемо докладно механізм індивідуальних шляхів синтезу білкової молекули в штучної синтезуючої системі. Перш за все за допомогою ізотопного методу було з’ясовано, що синтез білка починається з N-кінця і завершується C-кінцем, тобто  процес протікає в напрямку: NH2 ® COOH.

Білковий синтез, або процес трансляції, може бути умовно розділений на 2 етапи: активування амінокислот і власне процес трансляції.

Другий етап матричного синтезу білка, власне трансляцію, що протікає в рибосоме, умовно ділять на три стадії: ініціації, елонгації і термінації.

Активування амінокислот

Необхідною умовою синтезу білка, який у кінцевому рахунку зводиться до полімеризації амінокислот, є наявність в системі не вільних, а так званих активованих амінокислот, які мають своїм внутрішнім запасом енергії. Активація вільних аминоксилот здійснюється за допомогою специфічних ферментів аміноацил-тРНК-синтетаз у присутності АТФ. Цей процес протікає в 2 стадії:

Обидві стадії катализируются одним і тим же ферментом. На першій стадії амінокислота реагує з АТФ і утворюється пірофосфат і проміжний продукт, який на другій стадії реагує з відповідною 3 ¢-ОН-тРНК, в результаті чого утворюється аміноацил-тРНК і звільняється АМФ. Аміноацил-тРНК в своєму розпорядженні необхідний запас енергії.

Амінокислота приєднується до кінцевого 3 ¢-ОН-гідроксилу АМФ, який разом з двома залишками ЦМФ утворює кінцевий триплет ЦЦА, що є однаковим для всіх транспортних РНК.

Біосинтез білка проходить у 4 етапи:

І етап. Транспірація – передача інформації про структуру білка з молекули ДНК на і-РНК. Цей процес здійснюється з участю спеціальних ферментів і відбувається так: подвійний ланцюг на певному відрізку роз’єднується і вздовж одного з ланцюгів ДНК починається синтез молекули і-РНК за принципом комплементарності. Певна ділянка ДНК (ген) є матрицею для відповідної і-РНК. і-РНК після транскрипції зазнають процесу сплайсінгу – з новоутвореної і-РНК вирізаються неінформаційні фрагменти – інтрони і зшиваються інформаційні ділянки – інтрони.

Екзони – послідовність нуклеотидів у генах, що кодують синтез білка (інформативна ділянка). Інтрони – послідовність нуклеотидів ДНК, що не кодують синтез білка (неінформативна ділянка). Спейсери – частина ДНК, що взагалі не несе генетичної інформації.

Синтезовані молекули і-РНК переходять із ядра в цитоплазму, а ДНК відновлює свою структуру.

ІІ етап. Активація амінокислот. Цей процес відбувається в цитоплазмі. Активовані молекули амінокислот з’єднуються з молекулами транспортних РНК, кожній з 20 амінокислот відповідає певна т-РНК. У молекулі т-РНК є дві важливі ділянки: до однієї з них прикріплюється відповідна амінокислота, а інша містить триплет нуклеотидів, який відповідає коду даної амінокислоти в молекулі і-РНК. Активовані амінокислоти, сполучені з т-РНК надходять до рибосом.

ІІІ етап. Трансляція – синтез поліпептидних ланцюгів. Відбувається так: молекула і-РНК рухається між двома субодиницями рибосом і до неї послідовно приєднуються молекули т-РНК з амінокислотами. При цьому за принципом комплементарності кодони і-РНК вступають у зв’язок з антикодонами т-РНК. Послідовність розташування амінокислот при цьому визначається порядком чергування триплетів у молекулі і-РНК. Амінокислоти утворюють пептидні зв’язки за рахунок енергії АТФ і в результаті з рибосоми сходить поліпептидний ланцюг.

ІV етап. Термінація – утворення вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап здійснюється в цитоплазмі шляхом скручування, згортання поліпептидного ланцюга.

Для синтезу білка необхідно:

1) енергія (у вигляді АТФ у мітохондріях).

2) відповідні ферменти.

3) інформація про структуру білка (у ДНК, а потім в і-РНК).

4) амінокислоти і відповідні їм т-РНК.

5) рибосоми.

Молекули білка синтезуються у клітині впродовж 1-2 с. Синтез білків у клітині відбувається в інтерфазі – період між її поділом.

3. Регуляція біосинтезу білка

Основною умовою існування будь-яких живих організмів є наявність тонкої, гнучкою, узгоджено діючої системи регулювання, в якій всі елементи тісно пов’язані один з одним. У білковому синтезі не тільки кількісний і якісний склад білків, але й час синтезу має пряме відношення до багатьох проявів життя. Зокрема, від цього залежить пристосування мікроорганізмів до умов навколишнього живильного середовища як біологічної необхідності або пристосування складного багатоклітинного організму до фізіологічних потреб при зміні внутрішніх і зовнішніх умов.

Клітини живих організмів у змозі синтезувати величезна кількість різноманітних білків. Проте вони ніколи не синтезують всі білки. Кількість і різноманітність білків, зокрема ферментів, визначаються ступенем їх участі у метаболізмі. Більш того, інтенсивність обміну регулюється швидкістю синтезу білка і паралельно контролюється аллостерчним шляхом. Таким чином, синтез білка регулюється зовнішніми і внутрішніми умовами, які диктують клітині синтез такої кількості білка і таких білків, які необхідні для виконання фізіологічних функцій. Все це свідчить про дуже складному, тонкому і доцільний механізм регуляції синтезу білка в клітині.

Загальну теорію регуляції синтезу білка розробили Ф. Жакоб і Ж. Моно. Сутність цієї теорії зводиться до «виключення» чи «включенню» генів як функціонуючих одиниць, до можливості або неможливості прояву їх здатності передавати закодовану в структурних генах ДНК генетичну інформацію для синтезу специфічних білків. Ця теорія, доведена в дослідах на бактеріях, отримала широке визнання, хоча в еукаріотичних клітинах механізм регуляції синтезу білка ймовірно більш складний. У бактерій доведена індукція ферментів (тобто синтез ферментів de novo) при додаванні в живильне середовище субстратів цих ферментів. Додавання кінцевих продуктів реакції, утворення яких каталізується цими ж ферментами, навпаки, викликає зменшення кількості синтезованих ферментів. Це останнє явище отримало назву репресії синтезу ферментів. Обидва явища — індукція і репресія — взаємопов’язані.

Відповідно до теорії Жакоба і Моно в біосинтезі білка у бактерій беруть участь принаймні три типи генів: структурні гени, ген-регулятор і ген-оператор. Структурні гени визначають первинну структуру синтезованого білка.  Саме ці гени в ланцюзі ДНК є основою біосинтезу мРНК, що потім надходить у рибосому і, як було зазначено вище, служить матрицею для біосинтезу білка.

Синтез мРНК на структурних генах молекули ДНК безпосередньо контролюється певною ділянкою, званим геном-оператором. Він служить як би пусковим механізмом для функціонування структурних генів. Ген-оператор локалізований на крайньому відрізку структурного гена або структурних генів, регульованих ним. «Зчитування» генетичного коду, тобто формування мРНК, починається спромотора-ділянки ДНК, що є точкою ініціації для синтезу мРНК, і далі поширюється послідовно уздовж оператора і структурних генів. Координований одним оператором одиночний ген або група структурних генів утворює оперон.

У свою чергу діяльність оперона перебуває під контролюючим впливом іншої ділянки ланцюга ДНК, названих гена-регулятора. Оскільки структурні гени і ген-регулятор знаходяться в різних ділянках ланцюга ДНК, зв’язок між ними, як припускають Ф. Жакоб і Ж. Моно, здійснюється за допомогою речовини-посередника, який опинився білком і названого репрессором. Освіта репрессора відбувається в рибосомах ядра на матриці специфічної мРНК, синтезованої на гені-регуляторі. Репрессор має спорідненість до гену-оператору і оборотно з’єднується з ним у комплекс. Утворення такого комплексу призводить до блокування синтезу мРНК і, отже, синтезу білка, тобто  функція гена-регулятора полягає, в тому, щоб через білок-репрессор припиняти діяльність структурних генів, які синтезують мРНК. Репрессор, крім того, має здатність суворо специфічно зв’язуватися з певними низькомолекулярними речовинами, званими індукторами, або ефекторами. Коли такий індуктор з’єднується з репрессором, останній втрачає здатність зв’язуватися з геном-оператором, який таким чином виходить з-під контролю гена-регулятора, і починається синтез мРНК.

Це типовий приклад негативної форми контролю, коли індуктор, з’єднуючись з білком-репрессором, викликає його третинної структури настільки, що репрессор втрачає здатність зв’язуватися з геном-оператором. Цей процес аналогічний взаєминам аллостеріческого центру ферменту з ефекторів, під впливом якого змінюється третинна структура ферменту і він втрачає здатність зв’язуватися зі своїм субстратом.

Механізм описаної регуляції синтезу білка і взаємини репрессора зі структурними генами були доведені в дослідах на Є. coli, на прикладі синтезу Р-галактозидази (лактази) — ферменту, гидролизующее молочній цукор на глюкозу і галактозу. Дикий штам Е. coli, звичайно зростаючий на глюкозі, не може рости, якщо замість глюкози в живильне середовище додати лактозу (нове джерело енергії та вуглецю) до тих пір, поки не будуть синтезовані відповідні ферменти (адаптивний синтез). При надходженні у клітину лактози (індуктора) молекули її зв’язуються з білком-репрессором і блокують зв’язок між репрессором і геном-оператором. До того ж ген-оператор і структурні гени починають знову функціонувати і синтезувати необхідну мРНК, яка «дає команду» рибосомам синтезувати р-галактозидазу. Одночасно ген-регулятор продовжує виробляти репрессор, але він блокується новими молекулами лактози, тому синтез ферменту триває. Як тільки молекули лактози будуть повністю розщеплені, репрессор звільняється і, вступивши в ДНК, пов’язує ген-оператор і блокує синтез мРНК, а отже, синтез Р-галактозидази в рибосомах.

Таким чином, біосинтез мРНК, що контролює синтез білка в рибосомах, залежить від функціонального стану репрессора. Якщо репрессор, який являє собою білок, побудований з 4 субодиниць з загальною молекулярною масою близько 150000 Так, знаходиться в активному стані, не пов’язаний з індуктором, то він блокує ген-оператор і синтез мРНК не відбувається. При надходженні метаболіту-індуктора в клітку його молекули пов’язують репрессор, перетворюючи його в неактивну форму (або, можливо, знижуючи його спорідненість до гену-оператора). Структурні гени виходять з-під забороняє контролю і починають синтезувати потрібну мРНК.

Вище було зазначено, що концентрація ряду ферментів в клітинах різко знижується при збільшенні концентрації віддалених кінцевих продуктів, що утворюються в ланцюзі послідовних ферментативних реакцій.  Такий ефект, який отримав назву репресії ферментів, часто спостерігається при реакціях біосинтезу. У цих випадках виявилося, що молекули репрессора, також утворюються в рибосомах ядра по «команді» гена-регулятора, є неактивними і самі по собі не мають здатність пригнічувати діяльність гена-оператора і, отже, всього оперона, але набувають таку здатність після утворення комплексу з кінцевим або одним з кінцевих продуктів биосинтетического процесу.

Кінцевий продукт виступає, таким чином, в якості корепрессора. Є дані, що показують, що в якості корепрессоров у синтезі ферментів обміну амінокислот виступає не вільна амінокислота як кінцевий продукт биосинтетической реакції, а комплекс її з тРНК — аа-тРНК.

У регуляції експресії структурних генів специфічне участь приймає особливий білок, який отримав назву катаболітний ген-активуючий білок (від англ, catabolite gene activation protein, скорочено позначається САР); цей білок взаємодіє з цАМФ, утворюючи комплекс, який сприяє прикріпленню РНК-полімерази до промоторної ділянці геному . У присутності комплексу САР-цАМФ фермент може почати транскрипцію оперона, включаючи структурні гени, тобто в клітинах є ще один, додатковий САР-цАМФ регулятор, діючий швидше за все в якості позитивного регулятора, оскільки його присутність необхідна для початку експресії гена. Таким чином, концепції Жакоба і Моно про механізм прояву активності генів визнана одним з блискучих досягнень молекулярної біології. Вона стала логічним розвитком численних досліджень, проведених генетиками і біохіміками в попередні десятиліття.

На закінчення слід коротенько розглянути питання про регулювання процесів диференціювання клітин вищих організмів. ДНК, яка присутня в усіх соматичних клітинах, найімовірніше, має однакову первинну структуру у даного організму і відповідно має інформацію для синтезу будь-яких або всіх білків тіла. Тим не менш клітини печінки, наприклад, синтезують сироваткові білки, а клітини молочної залози — білки молока. Немає сумніву в тому, що в диференційованих клітинах, очевидно, існує тонкий механізм контролю діяльності ДНК у різних тканинах, що забезпечує синтез різноманіття білків.

Механізми, що лежать в основі цієї регуляції, поки невідомі. Для пояснення їх є ряд гіпотез. Передбачається, що контроль здійснюється на рівні транскрипції за аналогією з індукцією ферментів у бактерій і що в цьому випадку в клітинах тварин повинні функціонувати аналогічні репрессора .. Оскільки з молекулою ДНК у зукаріот пов’язані гістони, вважається, що саме вони виконують роль репрессором. Однак прямі докази їх ролі в якості репрессором відсутні, як і точні дані про існування і природу будь-яких репрессором в клітинах еукаріотів. Висловлено припущення, що в ядрі синтезується гігантська молекула мРНК, що містить інформацію для синтезу широкого різноманітності білків, але в цитоплазму, як було показано вище, потрапляє лише невелика частина зрілої мРНК, а основна частина розпадається. Неясні, однак, біологічний сенс і призначення цього механізму виборчого розпаду і, відповідно, витрати величезної частини молекули мРНК.

Існує ще одне припущення, що на ДНК клітини синтезуються всі можливі мРНК, які надходять в цитоплазму, і процес трансляції регулюється шляхом специфічного та виборчого взаємодії з певними молекулами мРНК.

4. Інгібітори синтезу білка

Одним із шляхів з’ясування механізмів синтезу нуклеїнових кислот і білків в клітинах є використання таких лікарських препаратів, які могли б вибірково гальмувати ці процеси у бактерій, не впливаючи на організм людини. Деякі препарати дійсно мають такою дією, проте багато з них виявляються токсичними і для людини. В даний час у медичній практиці застосовуються багато антибіотиків, частина з яких буде розглянута нижче з метою з’ясування механізму їх дії на ключові хімічні реакції синтезу білка та нуклеїнових кислот.

Одним із потужних інгібіторів білкового синтезу є пуроміцін. У результаті структурної схожості з кінцевим залишком АМФ у аміноацил-тРНК він легко взаємодіє з А-ділянкою пептидил-тРНК з утворенням пептидил-пуро-міціна.

Оскільки пептидил-пуроміцін не несе на собі триплетів антикодоном, він тим самим гальмує елонгацію пептидного ланцюга, викликаючи обрив реакції. За допомогою пуромицина було доведено, наприклад, що гормональний ефект часом залежить від синтезу білка de novo. Зазначимо також, що пуроміцін гальмує синтез білка як у прокаріотів, так і у еукаріотів.

Білковий синтез гальмується актиноміцин D, які мають протипухлинну ефектом, який внаслідок високої токсичності застосовується рідко. Він робить гальмуючий вплив на синтез всіх типів клітинної РНК, особливо мРНК. Це властивість викликано гальмуючим впливом актиноміцину D на ДНК-залежну РНК-полімеразу, оскільки він зв’язується з залишками дезоксигуанозина ланцюга ДНК, вимикаючи матричну функцію останньої. Можна вважати, що актиноміцин D інгібує транскрипцію ДНК.

Іншим антибіотиком, також гальмує синтез клітинної РНК, є використовуваний при лікуванні туберкульозу рифаміцин. Цей препарат гальмує ДНК-залежну РНК-полімеразу шляхом зв’язування з ферментом. Найбільш чутлива до нього бактеріальна РНК-полімераза. На організм тварин цей антибіотик має незначний вплив. По механізму дії він різко відрізняється від актиноміцину t). Слід вказати на нещодавно відкрите противірусну дію рифаміцинів, зокрема, він успішно використовується при лікуванні трахоми, яка викликається ДНК-вірус. Мабуть, цей антибіотик знайде застосування в лікуванні пухлин, що викликаються вірусами.

З’ясовано механізми дії ряду інших антибіотиків, що застосовуються при лікуванні тифозних інфекцій. Так, хлорамфенікол інгібує вплив на пептиділтрансферазний реакцію (на стадії елонгації) синтезу білка в 70S рибосоме бактерій. На цей процес у 80S рибосоме він не діє. Протилежне гальмує дію на синтез білка в 80S (без ураження процесу в 70S рибосомі) надає циклогексимід, що є інгібітором транслокази.

Вельми цікавий молекулярний механізм дії дифтерійного токсину. Він виявився наділений здатністю каталізувати реакцію АДФ-рібозілірованія фактора елонгації (трансляційний фактор-2, TF-2). вимикаючи тим самим його з участі в синтезі білка. Резистентність багатьох тварин до дифтерійного токсину обумовлена ​​труднощами проникнення токсину через мембрану клітин.

Протитуберкульозні і антибактеріальні антибіотики, зокрема стрептоміцин і неоміцин, діють на белоксинтезирующий апарат чутливих до них-штамів бактерій. Висловлено припущення, що ці антибіотики викликають помилки в трансляції мРНК, що призводять до порушення відповідності між кодонами і включаються амінокислотами; наприклад, кодон УУУ замість фенілаланіну починає кодувати лейцин — в результаті утворюється аномальний білок, що призводить до загибелі бактерій.

Широко застосовуються в клініці тетрацикліни також виявилися інгібіторами синтезу білка в 70S рибосоме (менше гальмується синтез в 80S рибосомі). Вони легко проникають через клітинну мембрану. Вважається, що тетрацикліни гальмують зв’язування аміноацил-тРНК з аміноацільним центром у 50S субчастіц рибосоми. Можливо, що тетрацикліни хімічно зв’язуються з цим центром, вимикаючи тим самим одну з провідних стадій процесу трансляції.

Пеніциліни не є істинними інгібіторами синтезу білка, проте їхній антибактеріальний ефект пов’язаний з гальмуванням синтезу гексапептід, що входять до складу клітинної стінки. Механізм їх синтезу відрізняється від рибосомальному механізму синтезу білка. Еритроміцин і олеандоміцин гальмують активність транслокази в процесі трансляції, подібно циклогексимід, виключно в 80S рибосомах, тобто гальмують синтез білка в клітинах тварин.

Отримані на сьогодні дані за механізмом дії антибіотиків на синтез білка з урахуванням стадії і топографії процесу трансляції підсумовані в табл. 13.2 (за Харперу).

Слід ще раз підкреслити, що порушення чи випадання будь-якої ланки, що бере участь у синтезі білка, майже завжди призводить до розвитку патології, причому клінічні прояви хвороби будуть визначатися природою і функцією білка, синтез якого виявляється порушеним (структурний або функціональний білок). Іноді синтезуються так звані аномальні білки як результат дії мутагенних факторів і, відповідно, зміни генетичного коду (наприклад, гемоглобін при серповидно-клітинної анемії). Наслідки цих порушень можуть виражатися в розвитку найрізноманітніших синдромів або закінчуватися летально. Слід зазначити, що організм має в своєму розпорядженні потужними механізмами захисту: подібні зміни генетичного апарату швидко розпізнаються специфічними ферментами — рестріктазами, змінені послідовності вирізаються і знову заміщуються відповідними нуклеотидами за участю полімераз і лігази.

Висновки

В клітині виявлено приблизно тисяча ферментів. За допомогою такого потужного каталітичного апарату здійснюється складна і різноманітна хімічна діяльність. З величезного числа хімічних реакцій клітини виділяються два протилежні типи реакцій — синтез і розщеплення.

Взаємозв’язок пластичного і енергетичного обміну: пластичний обмін поставляє для енергетичного обміну органічні речовини і ферменти, а енергетичний обмін поставляє для пластичного — енергію, без якої не можуть йти реакції синтезу. Порушення одного з видів клітинного обміну веде до порушення усіх процесів життєдіяльності, до загибелі організму.

Для пластичного обміну потрібні первинні джерела вуглецю (початкова «цегла» для утворення органічних речовин) і первинні джерела високоорганізованої енергії та тепла.

Усі організми здатні синтезувати складні органічні речовини, використовуючи відносно прості органічні речовини з асиметричним атомом вуглецю. Організми, усі клітини яких потребують готових органічних речовин, називаються гетеротрофними (чи просто гетеротрофами). Проте існують організми, у яких хоч би частина клітин здатна асимілювати (тобто засвоювати) вуглекислий газ. Такі організми називаються автотрофними (чи просто автотрофами). До автотрофів часто відносять прокаріот, що асимілюючих найпростіші органічні: метан, поліетилен, фенол.

Синтез речовин, що йде в клітині, називають біологічним синтезом або скорочено біосинтезом. Усі реакції біосинтезу йдуть з поглинанням енергії.

Сукупність реакцій біосинтезу називають пластичним обміном або асиміляцією. Сенс цього процесу полягає в тому, що поступають в клітину із зовнішнього середовища харчові речовини, що різко відрізняються від речовини клітини, в результаті хімічних перетворень стають речовинами клітини.

Складні речовини розпадаються на простіші, високомолекулярні — на низькомолекулярні. Білки розпадаються на амінокислоти, крохмаль — на глюкозу. Ці речовини розщеплюються на ще більше низькомолекулярні з’єднання, і врешті-решт утворюється зовсім прості, бідні енергією речовини — СО2 і Н2О. Реакції розщеплювання у більшості випадків супроводжуються виділенням енергії. Біологічне значення цих реакцій полягає в забезпеченні клітини енергією. Будь-яка форма активності — рух, секреція, біосинтез та ін. — потребує витрати енергії.

Фотосинтез і біосинтез білків є нагальними прикладами пластичного обміну.

У біосинтезі білку дуже важливу роль відіграють ядро, рибосоми та ендоплазматична мережа.

В реакції біосинтезу приймають участь різноманітні ферменти , тому цей процес має ферментативний характер реакцій біосинтезу. Джерелом енергії для біосинтезу є молекули АТФ.

Матричний характер реакції синтезу білків і нуклеїнових кислот в клітині мають також матричний характер. Це пов`язано з послідовністю нуклеотидів в молекулі ДНК, що є матричною основою для розташування нуклеотидів в молекулі іРНК. В той же час послідовність нуклеотидів в молекулі іРНК є матричною основою для розташування амінокислот в молекулі білку в певному порядку.

Список використаної літератури

1. Дербеньова А. Загальна біологія для 10- 11 класів / П.А. Каліман (ред.). — Х. : Світ дитинства, 1998. — 261с.
2. Красильникова Т. Біологія: Наочний довідник. — К., 2006. — 112с.
3. Кучеренко М. Загальна біологія: Підручник для загальноосвіт. навч. закл. — 2. вид., доопр. — К. : Генеза, 2006. — 160с.
4. Мотузний В. Біологія: навч. посіб. для учнів 10-11 кл. загальноосвіт. навч. закл. / Олександр Васильович Костильов (ред.) — К. : Вища школа, 2007. — 751c.
5. Міхеєва Г. Біологія. — К. : Генеза, 2008. — 152с.