Белок синтезі

   Тұқым қуалау информациясы ДНҚ-да қалай жазылған? Бұл мәселені алғаш рет 1954 жылы көтерген физик Г. Гамов болатын. ДНҚ-ның құрылысы толық анықталғаннан кейін бір жылдан соң, белоктағы амин қышқылдарының орналасу тәртібі ДНҚ-ның бір тізбегіндегі төрт түрлі нуклеотидтердің белгілі тәртіппен тізбектелу жолы арқылы белгіленуі керек деген ой түйді. Г. Гамов клеткада ДНҚ-ның төрт әріпті (нуклеотидті) тілін жиырма әріпті (амин қышқылдары) белок тіліне аударатын "сөздік" болуы керек деп санады.

   Генетикалық кодтың құпиясы неде? ДНҚ-ның тізбегінде төрт түрлі  нуклеотидтермен жазылған нақты  бір белоктың аты сол белоктың  гені болып табылады. Ал енді  ДНҚ-дағы нуклеотидтік "әріп" қалай  құрылган? Генетиктердің, биохимиктердің, цитологтар мен басқа да мамандардың  күш салуы арқасында қазіргі  уақытта генетикалық кодтың негізгі  белгілері айқын болды.[1]

   Ф. Крик бастаған ғалымдар 50-60 жылдары  жүргізген зерттеулерінің нәтижесінде  әр амин қышқылына ДНҚ-дағы  үш негіз үйлесімі сәйкес келетінін (сол үш нуклеотид амин кышқылының  аты болып табылады) ашты. Оны кодон деп атады. Бір объектіні басқа объектілердің жәрдемімен бейнелеуді кибернетикада кодпен жазу деп атайды. Белок құрамына 20 түрлі амин қышқылы кіреді. Сондықтан нуклеотидтік құрылысы бір-біріне ұқсамайтын 64 кодон алуға болады (43 =64). Артық 44 кодонның не керегі бар? Біріншіден, амин қышқылдарының    әрқайсысына    бірнеше    кодон    сәйкес    келеді, екіншіден, үш кодон ешбір амин кышқылына сәйкес келмейді, олар мәнсіз (нонсенс) кодондар - УАА,  УАГ және УГА ДНҚ-дағы АТТ, А ТЦ жөне АЦТ сәйкес. ДНҚ-дағы гендер осындай мәнсіз кодондармен бітеді және соның нәтижесінде кодондармен жазылған белоктың "аты" тиянақты болып шығады. Амин қышқылдарының кодондық белгілері  тікелей ДНҚ-да  анықталған  жоқ.   Ол  үшін  геннің дәл көшірмесі болып табылатын и-РНҚ-ның қызметі пайдаланады. ДНҚ- дағы геннің нуклеотидтік құрамын сәйкес нуклеотидтермен (Г-ның орнына ол урацилді (У) қолданады) өз бойына жазып алған соң и-РНҚ сол хабармен белок жасайтын рибосомаға келеді. Рибосома и-РНҚ тізбегіндегі кодондарға қарап отырып сәйкес амин қышқылдарын бір-бірімен тізіп, жалғастыра береді. 1940-шы жылдарда американдық генетиктер - Дж. Бидл мен Э. Тейтум клеткада әр ферменттің пайда болуын және активтілігі белгілі бір генмен бақыланатынын эксперимент ретінде көрсетті. Олардың теориясы "бір ген - бір фермент" деген дәлелмен сипатталады. Бұл гендерді тануда бір адым ілгері аттау еді, ол кезде гендердің өзі белоктар деп саналған. 1961 жылы Пастер институтының кызметкерлері Ф. Жакоб пен Ж. Моно ДНҚ белоктар жинағын тікелей басқармайды деген ғылыми болжамды ұсынды. Сарапшы ролін РНҚ-ның ерекше молекуласы орындайды, оның структурасы ДНҚ молекуласының қос спиралін жазған кезде пайда болады, бұл жағдайда ДНҚ-ның жазылған тізбегінде РНҚ-нің тізбегі түзіледі, мұнда нуклеотидтердің орналасуы олардың ДНҚ тізбегінде орналасуына сәйкес келеді.     Нуклеотидтерді олардың органикалық қосылыстары аттарының бас әріптерімен белгілейік. ДНҚ-ның жазылған спиралінде нуклеотидтердің төменде келтірілген реті бойынша тиісті "жұппен" және нуклеотидтердің қосымша орналасуымен РНҚ тізбегі пайда болуға тиіс, атап айтқанда ДНҚ тізбектеріне РНҚ тізбегі жауап қайтарады.[1]

   Өзі түзіліп болғаннан кейін РНҚ тізбегі ДНҚ тізбегінен ажырайды және клетканың ферменттер жинақталатын жеріне ауысады. Генетикалық ақпарат химиялық тұрғыдан алғанда РНҚ молекуласы үшін ДНҚ мен "хабарласатын" болғандықтан, РНҚ "хатты", яғни белок молекуласын жинақтау жөніндегі ақпаратты и-РНҚ одан әрі жөнелтеді. Әрине, мұндай ұғым, әліде болса ғылыми болжам, экспериментті түрде дәлелдеуді талап еткен еді. Ол дәлелді 1961 жылы американдық биохимик М. Нирнберг эксперимент арқылы дәлелдеді. Ол арнайы тәсілдерді қолданып, бактериялардың (ішек таяқшасының) клеткаларын ыдыратты және белоктарды жинақтауға қабілеті келетін клеткасыз масса алды. Одан кейін Жакоб пен Моно шамалаған и-РНҚ-ны жасанды и-РНҚ-ға алмастыруды, оны соңғы химиктердің тілінде полиуридин қышқылы (қыскартып жазғанда поли-У) деп атады және әдеттегі табиғи и-РНҚ-ға (А, У, С, Г) кажетті нуклеотидтердің төрт типінің орнына тек қана біреуін - уридил қышқылын (У) қалдырды.[1]

   Поли-У РНҚ тізбегі мына күйде түзеді: ...У-У-У-У-У-У... Поли-У-ды  клеткасыз  массаға  еңгізу  елеулі   нәтиже  бере  қойған  жоқ: әртүрлі 20 амин қышқылдарынан белоктар құрамына бір ғана амин қышқылының - фенилаланиннің молекуласы. Одан тек қана белоктардың     макромолекулалары,     яғни     полифенилаланин     түзілді. "Нуклеотидтік үштіктерге" (триплеттерге) сәйкес поли-У-да триплеттер У-У-У тізбегін түзді. Бұлар фенилаланин молекулаларын белоктарға қосу үшін "кодон" болып табылады. Осы зерттеулер өткеннен кейін көп кешікпей Нирнберг фенилаланиннің түзілу үшін и-РНҚ-ны ауыстыруға тиісті тағы бір клеткалы РНҚ қажет екенін хабарлады. Әрбір амин қышқылы үшін клеткада осындай траиспорттық РНҚ-ның "тРНҚ" ерекше түрі болуға тиіс.[1]

   Генетикалық кодтың ашылуы және белоктың организмнен тыс синтезі ғылымдағы тірі табиғаттың бірлігі жөніндегі мәселені мүлде жаңаша қойды. Бұл жаңалық белокты қолдан синтездеу әдісін меңгеру және бұл арқылы тірі материяның мәнін неғұрлым терең танып білу жолындағы маңызды қадам болып табылады.[1]

   Белоктың құрылымы жөніндегі ДНҚ-дағы ақнараттың сырын ашу. Клеткадағы құрғақ массасының жартысынан көбінің үлесі белоктарға тиеді және клетканың құрылымын, қызметін, өсуін және дифференциациясын қолдау процестеріне осы белок синтезінің зор әсері тиеді. Белок синтезінің басы ДНҚ-ның көшірмесін информациялық РНҚ (и-РНҚ) арқылы алудан басталады дегенмен, оған қосымша дайындайтын бір қатар басқа кезеңдер қажет: әдеттегі 20 амин қышқылдарының әрқайсысына оларға тән тасымалдаушы РНҚ молекуласы, ал рибосомалардың суббірліктеріне - кейбір көмекші молекулалар жалғасуы тиіс. Белок синтезі барысында барлық осы компоненттер клетканың цитоплазмасында жиналып рибосомалық комплекс (жинақ) құрады. Мұнда болатын жалғыз и-РНҚ молекуласы бірте-бірте рибосоманың бойымен жылжи бастайды да оның нуклеотидтер бір ізділігі сәйкес амин қышқылдар бір ізділігіне аударылады (трансляцияланады), осының нәтижесінде белгілі белок тізбегі түзіледі.[1]

  2.2.3  Полипептидтік тізбекті қүрастыратын конвейер. Белоктардың синтезі біршама жинаушы конвейерді көзге елестетеді, онда рибосома үнемі и-РНҚ-ға сәйкес жылжи отырып белоктардың молекулаларын құрастыруға, шын құрылыс тетіктерін - аминоацил-тРНҚ молекулаларын жеткізеді. Рибосома өз алдына кішкене фабрика тәрізді, онда тығыз жиналған белоктар және тРНҚ бірнеше белсенді орта ұйымдастырады. Ол орталарда көптеген катализдік қызметтер атқарылады. Қосымша факторлардың әртүрлі топтары рибосоманың жұмысына белок синтезінің әрбір үш кезеңі: инициация, элонгация және терминацияға қатысады. Белок биосинтезі энергиямен GTP ның гидролизі арқылы қамтамасыз етіледі.

   Инициация - бұл кезеңде белоктың алғашқы екі амин қышқылдарының пептидтік байланысы түзілмей тұрғандағы жұмыстар жүреді. Инициация үшін рибосоманың  иРНҚ-мен  бірінші аминоацил-тРНҚ-мен бірге бастаушы комплекс құруы қажет. Бұл белок синтезіндегі баяу саты.

  Элонгация -бұл кезеңде барлық реакциялар - бірінші пептидтік байланыстың пайда болуынан бастап, ақырғы амин қышқылының белок молекуласына косылуына дейін өтеді.  Бұл  белок синтезінің ең жылдам сатысы, мұнда рибосома РНҚ-ның бірінші кодонынан бастап акырғы кодонына дейін баяу жүреді.

   Терминация -синтезделген полипептидтік тізбектің босауы; рибосоманың иРНҚ-дан бөлінуіне қажет дәйекті сатылардан тұратын кезең. Амин қышкылын полипептидтік тізбекке қосуға кажетті уақыттан салыстырғанда диссоциация баяу жүреді. Тек элонгацияның жылдамдығымен ғана салыстырып инициация және терминация баяу өтеді деп есептеуге болады. Белок синтезі өте жылдам процесс (алайда жылдамдық температураға көбірек тәуелді). Бактерияларда 37° С элонгация жылдамдығы құбылмалы: өсіп келе жатқан тізбекке / с ішінде 12-ден 17-ге дейін амин қышқылы қосылады. Элонгацияның нақты жылдамдығының мөлшері клетканың өсуіне байланысты. Көлемі 300 амин қышқылынан тұратын орташа белоктың синтезделуіне 20 с уақыт қажет. Белок синтезіне бір мезгілде бактериялық рибосоманың мөлшермен 80% қатысады. Демек, бос күйінде тек олардың азғантай-ақ мөлшері қалады. Эукариоттык клеткаларда белок синтезінің жылдамдығы төменірек. Мысалы, ретикулоциттерде 37° С элонгация жылдамдығы / с 2 амин қышқылын құрайды. Белок синтезінің сатыларын зерттеу тәжірибелері in vintro жүйесінде (клеткадан тыс) өткізілген, оған рибосома, аминоацил-т-РНҚ қосымша факторлар және энергия көзі қосылған. Бұл жүйелерде in vintro мен салыстырғанда белок синтезінің жылдамдығы бір қатар төмен болуы мүмкін.[1]

2.2.4 Белок синтезі - өте күрделі процесс. Белок синтезінің негізінде жатқан молекулалық процестер өте күрделі. Олардың көпшілігі жазылып суреттелгенмен толық мазмұнын, айталық транскрипция, репарация және ДНҚ-ның репликациясы тәрізді түсіндіру әзір мүмкін емес. Мысалы, белок синтезінде РНҚ молекулаларының кез келген бір класы емес, үш класы (иРНҚ, тРНҚ және рРНҚ) қатысады, бірақ неге бұлай болатыны айқын түсінікті емес. Сондықтан белок синтезінің егжей-тегжей негізінен, әліде белгілі бір теорияда жалпыланбаған жалаң факты ретінде қабылдауымыз керек.[1]

    Белок синтезінің процесінде басты агент ролін тРНҚ молекулалары атқарады. Оларға полимеризацияланбай тұрып, яғни полипептидтерге бірікпей тұрып, амин қышқылдары жалғасады. тРНҚ-ның молекуласына карбоксилдік ұшымен қосыла отырып, амин қышқылдары белсенді түрде энергияға бай түрге айнала ды, ол өз бетімен пептидтік байланыс түзе алады, сөйтіп полипептидтерді синтездеуге мүмкіндік туады. Бұл белсенділік процесі - белок синтезіне қажетті кезең, себебі бос амин қышқылдары полипептидтік тізбекке тікелей жалғаса алмайды. Өсіп келе жатқан полипептидтік тізбекке дәл сол амин қышқылы қосылуы керектігі амин қышқылына байланысты емес, оны тіркеп алған тРНҚ молекуласына тәуелді. Мұны бір ерекше әсем тәжірибенің көмегімен анықтауға мүмкін болды, онда ерекше тРНҚ-ға жалғанған амин қышқылын химиялық әдіспен басқа амин қышқылына (цистеинді аланинге) айналдырған. Кейін мұндай будан молекулалар клеткасыз жүйеде жұмыс істегенде, дұрыс емес амин қышқылы белок тізбегіне сол тРНҚ "қызмет" жасағанда үнемі қосылып отырған.[1]

   Кодты табысты шешу үшін қалыпты  жағдайда белсендірілген амин  қышқылы мен оған сәйкес тРНҚ  молекуласының әрекеттесу механизмнің  дәлдігіне байланысты. иРНҚ-ны сәтті шешу үшін кодондағы негіздермен тРНҚ молекуласындағы антикодондар дәл жұптасуы қажет.[4]

2.2.5 Белок синтезінің  реакциялары  рибосомада жүреді.  Белок синтезінің реакциялары жүру үшін күрделі катализдік ақпарат кажет. Өсіп    келе    жатқан    полипептидтік   тізбек    иРНҚ    молекуласына жақындасуы керек, ол иРНҚ-дағы келесі кодондар тРНҚ-ның молекуласымен қосылуы үшін қажет. Бұл дегеніміз, полипептидтің өсіп келе жатқан ұшы, әрбір жаңа амин қышқылы қосылған сайын, иРНҚ-ның тізбегінің бойымен дәл үш нуклеотидке жылжиды деген сөз. Белок синтезінің осы және басқа кезеңдері синтездің белок молекуласынан және РНҚ-дан құралған ірі мультиферменттік комплекс рибосомада жүретініне байланысты.

   Құрылымы және қызметі жағынан  эукариоттар мен прокариоттардың  рибосомалары өте ұқсас. Олардың  әрқайсысы - үлкен және кіші екі  суббірліктен тұрады. Эукариоттық  рибосомаларда, массасының жартысына  жуығы РНҚ-дан (рРНҚ) тұрады; кіші суббірлігі рибосомалық РНҚ-ның (рРНҚ) бір молекуласы мөлшермен 33 әртүрлі рибосомалық белоктармен, ал үлкені 40-тан аса әртүрлі рибосомалық белоктармен, рРНҚ-ның үш молекуласымен байланысқан. Прокариоттық рибосомалар кішірек, және компоненттерінің (құрамы) саны аз болады.

   Екі типтегі рибосомаларда да  өсіп келе жатқан полипептидтік  тізбекті және иРНҚ молекуласын  ұстап тұратын өзекшелер бар. Өзекшелердің біріншісінің ұзындығына 30 амин қышқылы, ал екіншісіне  РНҚ-ның 35 жуық нуклеотидтері сияды. Рибосома адымдап иРНҚ-ның тізбегімен жылжиды. Рибосомада тРНҚ молекуласын байланыстыратын екі әртүрлі учаске бар. Біреуі тРНҚ молекуласын, өсіп келе жатқан полипептидтік тізбек бойында, сондықтан оны пептидил-тРНҚ байланыстырушы учаскесі немесе Р-учаскесі деп атайды. Екіншісі амин қышқылымен жүктелген, жаңадан келген тРНҚ молекуласын ұстау үшін жұмыс жасайды; осы аминоацил-тРНҚ-ны байланыстырушы учаскесі немесе А-учаскесі деп атайды. Екі учаскеге де тРНҚ молекуласы қатты бекуі, тек оның антикодоны иРНҚ-дағы оған комплементарлы кодонмен жұптасқанда мүмкін болады. А- және Р учаскелері бір біріне өте жақын орналасқан, сондықтан олармен байланықан екі тРНҚ молекуласы иРНҚ молекуласында екі көршілес кодондармен жұптасады.[1]

    Рибосомада полипептидтік тізбектің  өсу (элонгация) процесін үш түрлі  жеке сатылардан тұратын цикл  ретінде қарауға болады. Бірінші  сатыда аминоацил-тРНҚ молекуласы  рибосоманың бос А-учаскесімен  байланысады, ол бос емес Р-учаскесіне  жанасқан; байланыс антикодонның  нуклеотидтерінің А-учаскесінде  орналасқан иРНҚ-ның үш нуклеотидімен  жұптасуы арқылы жүреді. Екінші  сатыда полипептидтік тізбектің  карбоксилдік ұшы Р-учаскесінде  тРНҚ-дан бөлініп, А-учаскесіндегі  тРНҚ молекуласына қосылған амин  қышқылымен пептидтік байланыс  пептидилтрансфераза ферментімен  катализденеді. Үшінші сатыда жаңа пептидил-тРНҚ рибосоманың Р-учаскесіне көшеді, ол кезде рибосома иРНҚ молекуласының бойымен дәл үш нуклеотидке жылжиды. Бұл кезең энергияны көп қажет етеді; оның козғаушы күші бір катар конформациялық өзгерістер, олар рибосомалық молекулалардың бірінде, онымен байланысты GTP молекуласының гидролизімен индукцияланады.

   Транслокация (орын ауыстыру) процесі - 3-сатыны құрайды, сондықтан 3-ші  саты біткесін бос тұрған А-учаскесі  кезекте амин қышқылы бар жаңа  тРНҚ молекуласын қабылдайды, яғни  цикл қайтадан басталады. Бактериялық  клеткада полипептидтік тізбектің  элонгациясының бір циклы, қалыпты  жағдайда 1/20 с, сондықтан көлемі 400 амин қышқылынан тұратын орташа белоктың синтезі мөлшермен 20 с жүреді.

   Клетканың көп бөлігінде барлық  биосинтетикалық процестермен салыстырғанда - белок синтезі ең энергияны  көп қажет ететін. Жаңа пептидтік  байланыстардың әрқайсысы түзілгенде  төрт жоғары энергетикалық фосфаттық  байланыстар ыдырайды. Олардың екеуі  тРНҚ-ға амин қышқылын жалғауға, ал екеуі - рибосомада өтетін екі  циклдегі реакцияларға жұмсалады; циклдың 1 сатысында аминоацил-тРНҚ-ны  байланыстыру және 3-сатыда рибосоманың  транслокациялануында пайдаланылады.[1]

3.Белоктардың биосинтезі және оны реттеу.

   Белоктардың  синтезделуі негізінен екі кезеңнен  тұрады:

1. Ядролық кезең немесе транскрипция. Мұнда ДНҚ қос тізбегінің біреуінің комплементарлы көшірмесі болып табылатын и-РНҚ синтезі жүреді. Осы жолмен синтезделген и-РНҚ әрі қарай синтезделетін белоктың негізі болып табылады.

2. Цитоплазмалық  кезең яғни трансляция. Цитоплазмада 4 әріптік генетикалық информацияның  триплеттік кодтың көмегімен 20 әріптік  амин қышқылдарынан тұратын белоктың  тізбегіне айналу процесі жүреді. Сонымен бірге онда белоктардың  үшінші, төртінші реттік құрылысының  кеңістікте орын алуы және  олардың клетка метаболизміне  тікелей қатынасуына мүмкіндік  туады. Осы айтылған әрбір кезеңге  қажет өзінің ферменттері, факторлары, индукторларымен тежеушілері болады. Клеткасыз жүйелер тіршілігін  зерттеу осы факторларды ашуға  мүмкіндік туғызды. Бұл қандай факторлар?