Синтез білків

🔬 Основи трансляції

Центральна догма

ДНК → мРНК → білок. Трансляція — останній крок: мРНК читається рибосомою, послідовність кодонів перетворюється у послідовність амінокислот. Кожен білок синтезується з генетичної інформації.

Рибосоми

Складні рибонуклеопротеїнові комплекси що каталізують синтез. У прокаріот: 70S (30S + 50S субодиниці), у еукаріот: 80S (40S + 60S). Містять рибосомальну РНК (рРНК) та білки. А-сайт (аміноацил), P-сайт (пептидил), E-сайт (exit).

мРНК (матрична РНК)

Несе генетичну інформацію з ядра до рибосом. Кожні три нуклеотиди (кодон) кодують одну амінокислоту. 5' UTR та 3' UTR (нетрансляційні регіони) регулюють процес. Кеп на 5' кінці, poly-A хвіст на 3'.

тРНК (транспортна РНК)

Адаптерні молекули: зв'язуються з амінокислотою та розпізнають кодон мРНК. Антикодон комплементарний кодону. Аміноацил-тРНК-синтетаза приєднує правильну амінокислоту до тРНК. ~20 різних тРНК для 20 стандартних амінокислот.

📝 Генетичний код

Кодони та амінокислоти

64 можливих кодонів (4³): 61 кодують амінокислоти, 3 stop-кодони (UAA, UAG, UGA). Start-кодон: AUG (метіонін). Код вироджений: багато амінокислот кодуються кількома кодонами. Універсальний для більшості організмів (винятки: мітохондрії, деякі мікроорганізми).

Виродженість

Багато амінокислот мають кілька кодонів: лейцин, серин — по 6; аргінін — 6; ізолейцин — 3. Переваги: захист від мутацій (третій нуклеотид часто може змінюватися без зміни амінокислоти — wobble base pairing).

Wobble hypothesis

Третій нуклеотид кодону може утворювати неточні пари з антикодоном тРНК. Дозволяє одній тРНК розпізнавати кілька кодонів. Зменшує потребу в багатьох тРНК.

⚙️ Етапи трансляції

Ініціація

Початок синтезу. У прокаріот: Shine-Dalgarno послідовність, рибосома зв'язується з мРНК, формування ініціаційного комплексу з ініціаторною тРНК (fMet-тРНК), розпізнавання start-кодону AUG. У еукаріот: кеп-залежна ініціація, більше факторів ініціації (eIFs).

Елонгація

Додавання амінокислот. Крок 1: аміноацил-тРНК входить до A-сайту, розпізнає кодон. Крок 2: пептидилтрансфераза каталізує утворення пептидного зв'язку між амінокислотою у P-сайті та новою у A-сайті. Крок 3: транслокація — рибосома рухається на один кодон, тРНК переміщуються (P→E, A→P). Повторюється до stop-кодону.

Термінація

Зупинка при досягненні stop-кодону (UAA, UAG, UGA). Release factors розпізнають stop-кодони, каталізують гідроліз пептидил-тРНК зв'язку, звільняють білок. Рибосома дисоціює, мРНК звільняється.

🔧 Механізм рибосоми

А-сайт (Aminoacyl)

Сайт зв'язування для аміноацил-тРНК з наступною амінокислотою. Кодон мРНК читається тут. Після утворення пептидного зв'язку, тРНК переміщується до P-сайту.

P-сайт (Peptidyl)

Містить пептидил-тРНК з растучим поліпептидом. Під час елонгації тут утворюється пептидний зв'язок. Після транслокації порожній переміщується до E-сайту.

E-сайт (Exit)

Деакільована тРНК виходить звідси. Після віддачі амінокислоти, тРНК звільняється для рециклування.

Пептидилтрансфераза

Рибозим (рибосомальна РНК) що каталізує утворення пептидного зв'язку. Не потребує білкового ферменту — рРНК сама каталізує. Важливе відкриття про роль РНК.

🎯 Регуляція синтезу білків

Контроль експресії генів

Регуляція транскрипції впливає на кількість мРНК, отже на синтез білків. Але також є посттранскрипційна регуляція: стабільність мРНК, ефективність трансляції (мікроРНК, RNA interference), доступність рибосом.

мікроРНК та RNAi

Малі РНК що зв'язуються з мРНК, блоку好ть трансляцію або сприяють деградації. Потужна регуляція на рівні трансляції. Важливо для розвитку, різних процесів.

Умови клітини

Наявність амінокислот, енергії (ATP, GTP), умови стресу впливають на швидкість синтезу. Starvation може уповільнити, деякі умови можуть зупинити.

Полірибосоми (полісоми)

Кілька рибосом одночасно транслюють одну мРНК. Підвищує продуктивність. Рибосоми розподілені вздовж мРНК на різних стадіях синтезу.

🔬 Посттрансляційні модифікації

Фолдинг

Поліпептид згортається до тривимірної структури. Може відбуватися спонтанно або потребувати шаперонів. Функція залежить від правильної структури.

Протеолітичне розщеплення

Відрізання сигнальних пептидів, активація проензимів (наприклад, трипсиноген → трипсин), обробка проінсуліну → інсулін. Протеази різної специфічності.

Глікозиляція

Додавання вуглеводних груп до аспарагіну (N-зв'язана) або серіну/треоніну (O-зв'язана). Важливо для функції, стабільності, локалізації. Багато секреторних та мембранних білків глікозильовані.

Фосфорилювання

Додавання фосфатних груп кіназами. Регулює активність, локалізацію, взаємодії. Критично для сигналізації, контролю клітинного циклу.

Інші модифікації

Ацетилювання, метилювання, убіквітинування (для деградації), дисульфідні мости, ізопрениляція. Багато типів модифікацій регулюють функції білків.

⚠️ Помилки та якість

Помилки інкорпорації

Неправильна амінокислота може бути додана через помилки тРНК або аміноацил-тРНК-синтетаз. Частота: ~10⁻⁴ на амінокислоту. Proofreading механізми зменшують помилки.

Ribosome quality control

Механізми що виявляють проблеми (stalled рибосоми, неправильні структури), деградують неправильні білки. Важливо для клітинного здоров'я.

Nonsense-mediated decay

мРНК з передчасними stop-кодонами (через помилки або альтернативний сплайсинг) деградуються. Захист від синтезу неповних білків.

🧬 Спеціальні випадки

Секреторні білки

Синтезуються з сигнальним пептидом, спрямовуються до ER (ендоплазматичний ретикулум), сигнальний пептид відрізається, глікозиляція, транспорт до місця призначення.

Мембранні білки

Інтегруються у мембрану під час синтезу (co-translational insertion). Спеціальні сигнали, translocon complexes. Складніший процес за цитоплазматичні білки.

Мітохондріальні та хлоропластні білки

Деякі синтезуються всередині органел своїми рибосомами (бактеріального походження). Інші синтезуються в цитоплазмі та імпортуються.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Michaelis-Menten Kinetics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.