Роль белков в организме — функции, синтез

Белки — это особые молекулярные соединения, лежащие в основе жизнедеятельности любого живого организма. Роль белков в организме чрезвычайно разнообразна. Каждый белок имеет свое уникальное строение и выполняет в организме строго определенную функцию.

Белки гормоны участвуют в управлении всеми жизненными процессами — ростом, размножением и т.п.
Мы способны двигаться благодаря сократительным белкам актину и миозину, содержащимся в мышцах.
Белки ферменты обеспечивают протекание всех химических процессов — дыхание, пищеварение, обмен веществ и пр. Например, белок пепсин, содержащийся в желудочном соке, помогает переваривать пищу.
За зрительные способности отвечает особый светочувствительный белок родопсин, с помощью которого формируется изображение на сетчатке глаза. 
Белок гемоглобин доставляет кислород ко всем клеткам и обеспечивает вывод углекислого газа из организма. Гемоглобин — это белок эритроцитов, красных кровяных клеток, переносящий молекулярный кислород от легких к тканям организма.
Белки иммуноглобулины (антитела) защищают организм при вторжении болезнетворных микроорганизмов, вирусов и бактерий.
Белок фибриноген отвечает за свертываемость крови при царапинах, порезах и кровоточащих ранах.

Большая группа белков участвует в образовании различных структур организма.
Белок эластин входит в состав стенок кровеносных сосудов.
Кожа, сухожилия, связки, хрящи, кости содержат белки коллагены.
Белки кератины являются главной составляющей частью волос, перьев, ногтей, роговых образований.
Сильнодействующие вещества ядов некоторых растений, змей и насекомых, а также токсины бактерий являются белками.

Несмотря на то, что вышеперечисленные вещества выполняют в организме такие разные функции, все они называются белками. Почему?

Все белки, несмотря на свои различия, состоят из одного и того же «строительного материала» – особых химических веществ – аминокислот.Все дело в том, что абсолютно все белки, несмотря на свои различия, состоят из одного и того же «строительного материала» – особых химических веществ – аминокислот.

Внешне молекула белка напоминает ожерелье, состоящее из разноцветных бусин, где роль бусин выполняют молекулы аминокислот, соединенные в длинные полипептидные цепи.

Как правило, молекула белка состоит из 300–500 таких «бусинок». В природе существует порядка 170 аминокислот, но в состав белков чаще всего входят только двадцать. Значит, молекула белка может состоять из 20 аминокислот или из «бусин» 20 разных цветов. Различные комбинации «бусин» дают разные варианты белковых молекул.
Аминокислоты - это особые органические вещества, состоящие из карбоксильной группы COOH, аминогруппы NH2 и аминокислотного остатка R.
Для каждого белка характерна уникальная, свойственная только ему комбинация аминокислот и их число. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена на другое место, его потеря или замена приведет к значительному изменению свойств.

Многие аминокислоты синтезируются в организме. Их называют заменимыми. Некоторые аминокислоты, необходимые для синтеза белков, не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, метионин и др.


Генетическая информация и молекула ДНК 

 

Процесс синтеза белков происходит в организме по строго заданной программе, записанной на особых органических молекулах- ДНК.
Процесс синтеза или построения белков происходит в организме по строго заданной программе, записанной на особых органических молекулах. Это молекула ДНК дезоксирибо-нуклеиновой кислоты. Она представляет собой две спирально закрученные нити. Ширина такой двойной спирали около 2-х нанометров, а длина в десятки тысяч раз больше.

Отрезок молекулы ДНК, содержащей сведения о последовательности аминокислот в одном белке, называется геном, поэтому ДНК называют носителем генетической информации. ДНК содержит сотни генов, поэтому ее часто сравнивают с хранилищем чертежей, по которым строятся все необходимые организму белки. Информация в ДНК хранится в зашифрованном виде, поэтому, чтобы понять, как синтезируются белки, надо сначала изучить язык или код, на котором записана генетическая информация.

Подобно любому языку на планете, генетический код имеет свой алфавит, т.е. набор букв, с помощью которых записывается любое понятие языка. В русском языке для этого используются 33 буквы, в английском —28 букв, в современном китайском — 5000 иероглифов, а в азбуке Морзе 2 символа — точка и тире.

В генетическом языке алфавит состоит всего из 4-х букв, роль которых выполняют особые органические соединения нуклеотиды. Все нуклеотиды имеют схожее строение: азотистое основание, сахар и фосфатную группу. Отличие заключается лишь в типах азотистых оснований, по именам которых и были названы нуклеотиды: тимин(Т), цитозин(Ц), гуанин(Г) и аденин(А).

Каждый язык обладает определенными правилами записи предложений. Где-то слова пишутся слева направо, где-то справа налево, где-то сверху вниз и почти в каждом языке имеются знаки препинания.
Особенностью записи информации в ДНК является полное отсутствие каких-либо знаков препинания и пробелов между словами.

Абсолютно все слова генетического языка состоят из 3-х букв, поэтому они получили название триплетов. Каждая тройка нуклеотидов в молекуле ДНК однозначно кодирует одну единственную аминокислоту — мельчайший строительный блок белковой молекулы.
Например триплет ЦТА соответствует аминокислоте лейцин, триплет ААС кодирует аминокислоту аспарагин, ЦЦГ — пролин и т.д.

В настоящее время код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой аминокислоты точно установлены все кодирующие ее триплеты.

 
Таким образом цепочки нуклеотидов в молекуле ДНК представляют собой не что иное, как точные чертежи, по которым организм может строить белки с поразительной точностью.
Как указывалось выше, мельчайшие ошибки в структуре ДНК, как то выпадение или повреждение одного нуклеотида, могут привести к серьезным генетическим нарушениям и заболеваниям (например, болезнь Дауна).

Наличие двух спиралей в молекуле ДНК предназначено именно для защиты генетической информации от случайных повреждений. Если повреждается одна спираль, ее тут же можно восстановить, используя информацию, содержащуюся в соседней. Для этого спирали соединены между собой по принципу комплементарности. Комплементарность — это связь типа «ключ в замок». Подобно ключу, который подходит только для определенной скважины замка, нуклеотиды в ДНК образуют друг с другом такие же комплементарные пары.

Нуклеотиды в ДНК образуют друг с другом комплементарные пары
В паре с аденином может оказаться только тимин, а с гуанином только цитозин. Как видим, если одна из цепочек ДНК имеет структуру ЦТГАЦА, то вторая соответственно состоит из нуклеотидов ГАЦТГТ.

Итак, в молекуле ДНК содержится информация о структуре каждого белка в организме. Цвет глаз, волос, шерсти, перьев, строение внутренних органов — все это выражение определенных свойств белков и их сочетаний, а их структура изначально закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК.

Генетическая информация используется не только для синтеза белков в организмах живых существ, но также передается их потомкам. Вот почему особи одного вида во многом похожи между собой, а генетическую информацию часто называют наследственной.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

Синтез белка


Обладая информацией о строении каждого белка в организме, сама ДНК в процессе их синтеза не участвует. Она является лишь носителем генетической информации, расположенным в ядре клетки, а сами белки производятся в цитоплазме.

Генетическая информация попадает в  цитоплазму при помощи особых молекул рибонуклеиновой кислоты, называемых информационными РНК —  иРНК. Информационная РНК представляет собой как бы слепок с определенного участка ДНК, его точную копию. Сначала информация о конкретном белке точно копируется с ДНК на иРНК, подобно тому, как файл копируется с жесткого диска на дискету. Этот процесс называется транскрипцией.

В процессе копирования специальный фермент полимераза, двигаясь вдоль молекулы ДНК, последовательно считывает ее нуклеотиды и строит на их основе цепочку иРНК. Итак, молекула иРНК с записанной на нее программой направляется в цитоплазму к рибосоме — своеобразной фабрике по производству белков. Таким образом иРНК играют роль неких матриц для синтеза того или иного белка.

Аминокислоты попадают в рибосому с помощью  транспортных РНК - тРНК
К рибосоме также направляется поток стройматериала для производства белков — молекулы аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью так называемых транспортных РНК — тРНК. Эти молекулы способны различать среди всего многообразия аминокислот только свои определенные аминокислоты, присоединять их к одному из концов и подтаскивать к рибосоме.


Для эффективного распознавания аминокислот молекулы тРНК снабжены тройкой нуклеотидов, кодирующих свою строго определенную аминокислоту


Для эффективного распознавания аминокислот молекулы тРНК снабжены тройкой нуклеотидов, кодирующих свою строго определенную аминокислоту. Такой триплет называется антикодоном. Отыскав рибосому информация РНК взаимодействует с ней и заставляет ее работать по записанной на молекуле программе.




Аминокислота, доставленная тРНК, попадет в состав строящейся молекулы белка только, если антикодон на ее тРНК окажется комплементарным кодону на соответствующем участке иРНК

По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по иРНК, считывая информацию триплет за триплетом. При этом к ней постоянно подходят транспортные РНК, которые соприкасаются своим антикодоном с кодоном, т.е. тройкой нуклеотидов на иРНК и, продвигаясь в рибосоме, проводят свою аминокислоту к строящейся цепочке белковой молекулы.

Однако аминокислота, доставленная тРНК, только в том случае попадет в состав строящейся молекулы белка, если антикодон на ее тРНК окажется комплементарным кодону на соответствующем участке иРНК. Некомплементарные тРНК отталкиваются и их аминокислоты не попадают в состав строящегося белка.

Процесс синтеза белка на рибосомах называется трансляцией

Свободная т-РНК затем выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и весь процесс повторяется снова. Процесс синтеза белка на рибосомах называется трансляцией (передачей). 







Источник: nanonewsnet.ru