Ақуыз синтезі және оның табиғаттағы маңызы

  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?

1. Белоктардың синтезі рибосомада жүреді;

2. Белоктардың синтезі үшін қажет энергия АТФ және ГТФ арқылы қамтамасыз етіледі, айта кету керек, бір пептидтік байланыс түзілу үшін 4 макроэргтік қосылыс қажет;

3. 20-ға жуық амин қышқылдары;

4. 20-дан астам аминоацил -  т-РНҚ синтетаза ферменті;

5. 20-ға жуық т-РНҚ;

6.   Мg2+ ионы, конц 5-8 тМ қажет.

Сонымен барлығы 200-ге жуық макромолекулалар,  белоктық факторлар қажет:

Трансляция - цитоплазмада жүретін кезең. Бұл кезең кезінде тек қана 4 әріптік нуклеотидтік тілдің 20 әріптік аминқьшқылының тілге аударылуы ғана жүріп қоймайды, сонымен қатар амин қышқылдарының белоктық тізбектегі өз орнын табу мәселесі шешіледі. Трансляцияның өзі 5 кезеңнен тұрады.[2]

Трансляцияның І-ші кезеңі: амин қышқылдарының активтелуі. Бұл кезеңге қажетті заттар: 20 амин қышқылы, АТФ, Мg2+, 20т-РНҚ, 20 аминоацил -т-РНҚ - синтетаза ферменті. Бұл кезең жиырмадан астам аминоацил - т-РНҚ-синтетаза ферментінің қатысуымен өтеді. Бұлар айрықша талғамдылық көрсететін ферменттер, атап айтқанда осы ферменттің көмегімен амин қышқылы өзіне тән т-РНҚ таныса, т-РНҚ өзіне тән амин қышқылдарын таба алады. Сондықтан бұл ферментті "адаптор" деп те атайды. Аминоацил-т-РНҚ-синтетаза ферменттерінің осындай айрықша қасиет көрсетуіне т-РНҚ-ның құрылысының өзгешілігі жағдай жасайды. [2]

   Оның құрылысы үйеңкі жапырағына ұқсас келеді. Міне осындай құрылысы бар І20-ға жуық т-РНҚ белгілі. Сонымен қатар аминоацил-т-РНҚ-синтетаза ферментінің бір ерекшелігі, олар өздері жіберіп алған қателігін кезінде жөндеп отырады.

   Трансляцияның 2-ші кезеңі - полипептидтік тізбектің инициациясы. Бұл кезеңге қажетті компоненттер: и-РНҚ; белок синтезін бастаушы кодон /АУГ/. Бұл кодон барлық жағдайда метионинге немесе формилметионинге тән болады; N -формилметиониннің  т-РНҚ-сы; үлкен және кіші суббірліктер; ГТФ; Мg2+-иондары;   белок синтезін бастаушы белоктық факторлар, оларды Ғ1, Ғ2, Ғ3 деп белгілейді.

  Бұл кезеңде белок синтезінің ядролық кезеңінде түзілген, белгілі бір полипептидтің, амин қышқылдың құрамы туралы информациясы бар и-РНҚ рибосоманың кіші суббірлігімен қосылады. Сонан соң бұл и-РНҚ + кіші суббірлік комплексі белок синтезін бастаушы амин қышқылы метионинді тіркеген т-РНҚ мен қосылады. Енді бұл түзілген комплекс рибосоманың үлкен суббірлігімен қосылып, активті, белок синтезін жүргізуге дайын рибосоманы құрайды.[2]

   Осы активті рибосоманың түзілуіне Ғ1, Ғ2, Ғ3 белоктық факторлар да өз үлесін қосады. Рибосоманың кіші суббірлігі 21 белоктан және 1600 нуклеотид тізбегінен тұратын бір р-РНҚ-нан тұрса, үлкен суббірлік 34 белоктан және 3200 және 120 нуклеотидтік тізбектерден тұратын екі р-РНҚ-дан тұрады.