Οι γενετικές πληροφορίες σχετικά με τη δομή μιας πρωτεΐνης αποθηκεύονται ως αλληλουχία τριπλών DNA. Σε αυτή την περίπτωση, μόνο μία από τις αλυσίδες DNA χρησιμεύει ως πρότυπο για μεταγραφή.
Η βιοσύνθεση πρωτεΐνης στα κύτταρα είναι μια αλληλουχία αντιδράσεων τύπου μήτρας, κατά την οποία η διαδοχική μεταφορά κληρονομικών πληροφοριών από έναν τύπο μορίου σε άλλο οδηγεί στο σχηματισμό πολυπεπτιδίων με γενετικά καθορισμένη δομή.
Η πρωτεϊνική βιοσύνθεση είναι το αρχικό στάδιο υλοποίησης ή έκφρασης της γενετικής πληροφορίας. Οι κύριες διαδικασίες μήτρας που διασφαλίζουν τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών περιλαμβάνουν τη μεταγραφή DNA και τη μετάφραση mRNA. ΜεταγραφήΤο DNA περιλαμβάνει την αντιγραφή πληροφοριών από το DNA σε mRNA (αγγελιοφόρος ή αγγελιοφόρος RNA). ΑναμετάδοσηΤο mRNA περιλαμβάνει τη μεταφορά πληροφοριών από το mRNA σε ένα πολυπεπτίδιο.
Η αντιγραφή του mRNA ξεκινά με τη σύνδεση της RNA πολυμεράσης σε ένα κομμάτι DNA που ονομάζεται προαγωγέας. Ωστόσο, δεδομένων των πληροφοριών σχετικά με τη δυνατότητα εναλλακτικού ματίσματος, μπορεί να υπάρξουν περιπτώσεις όπου γονίδια, ακόμη και αυτά που βρίσκονται κοντά, θα μεταγραφούν από διαφορετικές αλυσίδες. Έτσι, και οι δύο κλώνοι του DNA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεταγραφή. Κατά τη μεταγραφή συμπληρωματικών κλώνων DNA, χρησιμοποιούνται διαφορετικές πολυμεράσες RNA και η κατεύθυνση της κίνησής τους κατά μήκος της αλυσίδας καθορίζεται από την αλληλουχία προαγωγέα.
Δεδομένου ότι οι κλώνοι του DNA είναι ανεστραμμένοι μεταξύ τους και η σύνθεση του mRNA, καθώς και η σύνθεση του DNA, συμβαίνει μόνο προς την κατεύθυνση από το 5ο προς το 3ο άκρο, τότε οι μεταγραφές στο DNA προχωρούν σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Ένας κλώνος DNA που περιέχει τις ίδιες αλληλουχίες με το mRNA ονομάζεται κωδικοποίησηκαι την αλυσίδα που εξασφαλίζει τη σύνθεση του mRNA (με βάση το συμπληρωματικό ζευγάρωμα) – αντικωδικοποίηση. Το κύκλωμα αντικωδικοποίησης ονομάζεται επίσης μεταγραφή.
Εκτός από το mRNA, άλλα προϊόντα μεταγραφής DNA παράγονται επίσης στο κύτταρο. Αυτά περιλαμβάνουν μόρια rRNA και tRNA, τα οποία εμπλέκονται επίσης στη σύνθεση πολυπεπτιδίων. Όλα αυτά τα RNA ονομάζονται πυρηνικά RNA.
Αν λάβουμε υπόψη το ποσοστό αυτών των τριών τύπων RNA σε ένα κύτταρο, τότε το ώριμο mRNA αντιπροσωπεύει περίπου το 5% της συνολικής περιεκτικότητας σε RNA, το tRNA αντιστοιχεί περίπου στο 10% και η πλειοψηφία, έως και το 85%, είναι το rRNA.
Όλα τα RNA μεταγράφονται από το DNA από τριφωσφορικά ριβονουκλεοτίδια, απελευθερώνοντας πυροφωσφορικό με τη συμμετοχή RNA πολυμερασών. Τα προκαρυωτικά έχουν μόνο έναν τύπο RNA πολυμεράσης, η οποία παρέχει τη σύνθεση mRNA, rRNA και tRNA.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα υπάρχουν τρεις τύποι RNA πολυμερασών (I, II, III). Κάθε μία από αυτές τις RNA πολυμεράσες, όταν συνδέεται με έναν προαγωγέα στο DNA, εξασφαλίζει τη μεταγραφή διαφορετικών αλληλουχιών DNA. Η RNA πολυμεράση Ι συνθέτει μεγάλα rRNA (τα κύρια μόρια RNA μεγάλων και μικρών ριβοσωμικών υπομονάδων). Η RNA πολυμεράση II συνθέτει όλα τα mRNA και μερικά μικρά rRNA, η RNA πολυμεράση III συνθέτει tRNA και RNA ριβοσωμικών υπομονάδων 5s.
Η σύνδεση των RNA πολυμερασών στον προαγωγέα απαιτεί ειδικές πρωτεΐνες που δρουν ως παράγοντες έναρξης μεταγραφής (TF I, TF II, TF III για τις αντίστοιχες πολυμεράσες).
Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις θέσεις, τα κύρια στάδια της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών είναι τα ακόλουθα:
Στάδιο 1. Μεταγραφή DNA. Στον μεταγραμμένο κλώνο DNA, ολοκληρώνεται ένας συμπληρωματικός κλώνος mRNA χρησιμοποιώντας RNA πολυμεράση που εξαρτάται από το DNA. Το μόριο mRNA είναι ακριβές αντίγραφο της μη μεταγραφόμενης αλυσίδας DNA με τη διαφορά ότι αντί για δεοξυριβονουκλεοτίδια περιέχει ριβονουκλεοτίδια, τα οποία περιέχουν ουρακίλη αντί για θυμίνη.
Στάδιο 2. Επεξεργασία (ωρίμανση) mRNA. Το συντιθέμενο μόριο mRNA (πρωτογενές αντίγραφο) υφίσταται επιπλέον μετασχηματισμούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το αρχικό μόριο mRNA κόβεται σε μεμονωμένα θραύσματα. Μερικά θραύσματα - εσώνια - διασπώνται σε νουκλεοτίδια, ενώ άλλα - εξόνια - συρράπτονται μεταξύ τους σε ώριμο mRNA. Όλα τα στάδια της επεξεργασίας του mRNA συμβαίνουν σε σωματίδια RNP (συμπλέγματα ριβονουκλεοπρωτεϊνών).
Καθώς συντίθεται το pro-mRNA, σχηματίζει αμέσως σύμπλοκα με πυρηνικές πρωτεΐνες - πληροφοριακές σφαίρες και σχηματίζει πυρηνικά και κυτταροπλασματικά σύμπλοκα (mRNA συν πληροφοριακές σφαίρες) - πληροφοροσώματα. Έτσι, το mRNA δεν είναι ποτέ απαλλαγμένο από πρωτεΐνες. Σε όλη τη διαδρομή του μέχρι να ολοκληρωθεί η μετάφραση, το mRNA προστατεύεται από νουκλεάσες. Επιπλέον, οι πρωτεΐνες του δίνουν την απαραίτητη διαμόρφωση.
Στάδιο 3. μετάφραση mRNA. Το μόριο mRNA που λαμβάνεται κατά τη μεταγραφή χρησιμεύει ως πρότυπο για τη σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου στα ριβοσώματα. Οι τριάδες mRNA που κωδικοποιούν ένα συγκεκριμένο αμινοξύ ονομάζονται κωδικόνια. Τα μόρια tRNA συμμετέχουν στη μετάφραση. Κάθε μόριο tRNA περιέχει αντικωδικόνιο– μια τριπλέτα αναγνώρισης στην οποία η αλληλουχία νουκλεοτιδίων είναι συμπληρωματική προς ένα συγκεκριμένο κωδικόνιο mRNA. Κάθε μόριο tRNA είναι ικανό να φέρει ένα αυστηρά καθορισμένο αμινοξύ.
Η γενική διαμόρφωση του μορίου tRNA μοιάζει με φύλλο τριφυλλιού σε μίσχο. Η «κορυφή του φύλλου» φέρει το αντικωδικόνιο. Υπάρχουν 61 τύποι tRNA με διαφορετικά αντικωδικόνια. Ένα αμινοξύ συνδέεται με τον «μίσχο του φύλλου» (υπάρχουν 20 αμινοξέα που εμπλέκονται στη σύνθεση του πολυπεπτιδίου στα ριβοσώματα). Κάθε μόριο tRNA με συγκεκριμένο αντικωδικόνιο αντιστοιχεί σε ένα αυστηρά καθορισμένο αμινοξύ. Ταυτόχρονα, ένα συγκεκριμένο αμινοξύ αντιστοιχεί συνήθως σε διάφορους τύπους tRNA με διαφορετικά αντικωδικόνια. Το αμινοξύ συνδέεται ομοιοπολικά με το tRNA χρησιμοποιώντας ένζυμα - αμινοακυλο-tRNA συνθετάσες. Αυτή η αντίδραση ονομάζεται αμινοακυλίωση tRNA. Ο συνδυασμός του tRNA με ένα αμινοξύ ονομάζεται αμινοακυλο-tRNA.
Η μετάφραση (όπως όλες οι διεργασίες μήτρας) περιλαμβάνει τρία στάδια: έναρξη (αρχή), επιμήκυνση (συνέχεια) και τερματισμός (τέλος).
Την έναρξη.Η ουσία της έναρξης είναι ο σχηματισμός ενός πεπτιδικού δεσμού μεταξύ των δύο πρώτων αμινοξέων του πολυπεπτιδίου.
Αρχικά, σχηματίζεται ένα σύμπλεγμα έναρξης, το οποίο περιλαμβάνει: μια μικρή ριβοσωμική υπομονάδα, ειδικές πρωτεΐνες (παράγοντες έναρξης) και ένα ειδικό tRNA έναρξης μεθειονίνης με το αμινοξύ μεθειονίνη - Met-tRNAMet. Το σύμπλεγμα έναρξης αναγνωρίζει την έναρξη του mRNA, προσκολλάται σε αυτό και γλιστρά μέχρι το σημείο έναρξης (αρχής) της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών: στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό είναι το κωδικόνιο έναρξης ΑΥΓ. Μεταξύ του κωδικονίου έναρξης του mRNA και του αντικωδικονίου του tRNA της μεθειονίνης, λαμβάνει χώρα δέσμευση που εξαρτάται από το κωδικόνιο με το σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Τότε προσκολλάται η μεγάλη υπομονάδα του ριβοσώματος.
Όταν οι υπομονάδες συνδυάζονται, σχηματίζεται ένα πλήρες ριβόσωμα, το οποίο φέρει δύο ενεργά κέντρα (θέσεις): τη θέση Α (αμινοακύλιο, που χρησιμεύει για τη σύνδεση του αμινοακυλ-tRNA) και τη θέση Ρ (πεπτιδυλ τρανσφεράση, η οποία χρησιμεύει για να σχηματίσει έναν πεπτιδικό δεσμό μεταξύ αμινοξέα). Αρχικά, το Met-tRNAMet βρίσκεται στη θέση Α, αλλά στη συνέχεια μετακινείται στη θέση P. Η απελευθερωμένη θέση Α λαμβάνει το αμινοακυλο-tRNA με ένα αντικωδικόνιο, το οποίο είναι συμπληρωματικό του κωδικονίου mRNA που ακολουθεί το κωδικόνιο AUG. Για παράδειγμα, αυτό είναι το Gly-tRNAGly με το αντικωδικόνιο CCG, το οποίο είναι συμπληρωματικό του κωδικονίου HGC. Ως αποτέλεσμα της δέσμευσης που εξαρτάται από το κωδικόνιο, σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ του κωδικονίου mRNA και του αντικωδικονίου αμινοακυλ-tRNA. Έτσι, δύο αμινοξέα εμφανίζονται κοντά στο ριβόσωμα, μεταξύ των οποίων σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός. Ο ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ του πρώτου αμινοξέος (μεθειονίνη) και του tRNA του σπάει.
Μετά το σχηματισμό ενός πεπτιδικού δεσμού μεταξύ των δύο πρώτων αμινοξέων, το ριβόσωμα μετατοπίζεται κατά μία τριάδα. Ως αποτέλεσμα, η μετατόπιση (κίνηση) του εναρκτήρα μεθειονίνης tRNAMet λαμβάνει χώρα έξω από το ριβόσωμα. Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ του κωδικονίου έναρξης και του αντικωδικονίου του αρχικού tRNA έχει σπάσει. Ως αποτέλεσμα, το ελεύθερο tRNAMet αποκόπτεται και αναζητά το αμινοξύ του.
Σε αυτή την περίπτωση, το δεύτερο tRNA μαζί με το αμινοξύ (Gly-tRNAGly) ως αποτέλεσμα της μετατόπισης καταλήγουν στη θέση P και η θέση Α απελευθερώνεται.
Επιμήκυνση.Η ουσία της επιμήκυνσης είναι η προσθήκη επακόλουθων αμινοξέων, δηλαδή η επέκταση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Ο κύκλος εργασίας του ριβοσώματος κατά την επιμήκυνση αποτελείται από τρία στάδια: δέσμευση εξαρτώμενης από κωδικόνιο του mRNA και αμινοακυλο-tRNA στη θέση Α, σχηματισμός πεπτιδικού δεσμού μεταξύ του αμινοξέος και της αναπτυσσόμενης πολυπεπτιδικής αλυσίδας και μετατόπιση με την απελευθέρωση του Μία ιστοσελίδα.
Η εκκενωμένη θέση Α λαμβάνει ένα αμινοακυλο-tRNA με ένα αντικωδικόνιο που αντιστοιχεί στο επόμενο κωδικόνιο του mRNA (για παράδειγμα, αυτό είναι το Tyr-tRNATir με το αντικωδικόνιο AUA, το οποίο είναι συμπληρωματικό του κωδικονίου UAU).
Στο ριβόσωμα υπάρχουν δύο αμινοξέα κοντά, μεταξύ των οποίων σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός. Η σύνδεση μεταξύ του προηγούμενου αμινοξέος και του tRNA του (στο παράδειγμά μας μεταξύ γλυκίνης και tRNAGly) έχει σπάσει.
Στη συνέχεια, το ριβόσωμα μετατοπίζεται από μια άλλη τριάδα και ως αποτέλεσμα της μετατόπισης, το tRNA που βρισκόταν στη θέση P (στο παράδειγμά μας, tRNAGly) καταλήγει έξω από το ριβόσωμα και αποσπάται από το mRNA. Η θέση Α απελευθερώνεται και ο κύκλος εργασίας του ριβοσώματος ξεκινά ξανά από την αρχή.
Λήξη.Συνίσταται στην ολοκλήρωση της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Τελικά, το ριβόσωμα φτάνει σε ένα κωδικόνιο mRNA που δεν ταιριάζει με κανένα tRNA (ή αμινοξύ). Υπάρχουν τρία τέτοια ν κωδικόνια onsense: UAA («ώχρα»), UAG («κεχριμπαρένιο»), UGA («οπάλ»).Σε αυτά τα κωδικόνια mRNA, ο κύκλος εργασίας του ριβοσώματος διακόπτεται και η ανάπτυξη του πολυπεπτιδίου σταματά. Το ριβόσωμα, υπό την επίδραση ορισμένων πρωτεϊνών, χωρίζεται και πάλι σε υπομονάδες.
Ενέργεια βιοσύνθεσης πρωτεϊνών.Η βιοσύνθεση πρωτεϊνών είναι μια πολύ ενεργοβόρα διαδικασία. Κατά την αμινοακυλίωση του tRNA, ξοδεύεται η ενέργεια ενός δεσμού ενός μορίου ATP, κατά τη διάρκεια της εξαρτώμενης από κωδικόνιο δέσμευσης του αμινοακυλ-tRNA - η ενέργεια ενός δεσμού ενός μορίου GTP, όταν μετακινείται το ριβόσωμα κατά μία τριάδα - η ενέργεια ενός δεσμού ενός άλλου μορίου GTP. Ως αποτέλεσμα, δαπανώνται περίπου 90 kJ/mol για τη σύνδεση ενός αμινοξέος σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Όταν ο πεπτιδικός δεσμός υδρολύεται, απελευθερώνονται μόνο 2 kJ/mol. Έτσι, κατά τη διάρκεια της βιοσύνθεσης, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας χάνεται ανεπανόρθωτα (διαχέεται ως θερμότητα).
1. Ποιες λειτουργίες επιτελούν οι πρωτεΐνες σε ένα κύτταρο;
Απάντηση. Οι πρωτεΐνες παίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες ζωής των κυττάρων και των οργανισμών και χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες λειτουργίες.
1. Δομικό. Αποτελούν μέρος των ενδοκυτταρικών δομών, ιστών και οργάνων. Για παράδειγμα, το κολλαγόνο και η ελαστίνη χρησιμεύουν ως συστατικά του συνδετικού ιστού: οστά, τένοντες, χόνδροι. Το ινώδες είναι μέρος του μεταξιού, των ιστών αράχνης. Η κερατίνη είναι μέρος της επιδερμίδας και των παραγώγων της (τρίχες, κέρατα, φτερά). Σχηματίζουν κελύφη (καψίδια) ιών.
2. Ενζυματικό. Όλες οι χημικές αντιδράσεις στο κύτταρο συμβαίνουν με τη συμμετοχή βιολογικών καταλυτών - ενζύμων (οξειδοαναγωγάσες, υδρολάσες, λιγάσες, τρανσφεράσες, ισομεράσες και λυάσες).
3. Ρυθμιστικό. Για παράδειγμα, οι ορμόνες ινσουλίνη και γλυκαγόνη ρυθμίζουν το μεταβολισμό της γλυκόζης. Οι πρωτεΐνες ιστόνης εμπλέκονται στη χωρική οργάνωση της χρωματίνης και ως εκ τούτου επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων.
4. Μεταφορές. Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει οξυγόνο στο αίμα των σπονδυλωτών, η αιμοκυανίνη στην αιμολέμφο ορισμένων ασπόνδυλων και η μυοσφαιρίνη στους μύες. Η λευκωματίνη ορού χρησιμεύει για τη μεταφορά λιπαρών οξέων, λιπιδίων κ.λπ. Οι πρωτεΐνες μεταφοράς μεμβράνης εξασφαλίζουν την ενεργό μεταφορά ουσιών μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Τα κυτοχρώματα μεταφέρουν ηλεκτρόνια κατά μήκος των αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών.
5. Προστατευτικό. Για παράδειγμα, τα αντισώματα (ανοσοσφαιρίνες) σχηματίζουν σύμπλοκα με βακτηριακά αντιγόνα και με ξένες πρωτεΐνες. Οι ιντερφερόνες εμποδίζουν τη σύνθεση πρωτεϊνών του ιού σε ένα μολυσμένο κύτταρο. Το ινωδογόνο και η θρομβίνη εμπλέκονται στις διαδικασίες πήξης του αίματος.
6. Συσταλτικό (μοτέρ). Οι πρωτεΐνες ακτίνη και μυοσίνη παρέχουν τις διαδικασίες μυϊκής συστολής και συστολής των κυτταροσκελετικών στοιχείων.
7. Σήμα (δέκτης). Οι πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης αποτελούν μέρος των υποδοχέων και των επιφανειακών αντιγόνων.
Αποθηκευτικές πρωτεΐνες. Καζεΐνη γάλακτος, αλβουμίνη αυγού κοτόπουλου, φερριτίνη (αποθηκεύει σίδηρο στη σπλήνα).
8. Πρωτεΐνες τοξίνης. Τοξίνη διφθερίτιδας.
9. Ενεργειακή συνάρτηση. Όταν 1 g πρωτεΐνης διασπάται στα τελικά μεταβολικά προϊόντα (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2), απελευθερώνονται 17,6 kJ ή 4,2 kcal ενέργειας.
2. Από τι αποτελούνται οι πρωτεΐνες;
Απάντηση. Οι πρωτεΐνες είναι υψηλού μοριακού χαρακτήρα οργανικές ουσίες που αποτελούνται από αμινοξέα συνδεδεμένα σε μια αλυσίδα με έναν πεπτιδικό δεσμό. Στους ζωντανούς οργανισμούς, η σύνθεση αμινοξέων των πρωτεϊνών καθορίζεται από τον γενετικό κώδικα, στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται 20 τυπικά αμινοξέα κατά τη σύνθεση. Οι πολλοί συνδυασμοί τους δημιουργούν πρωτεϊνικά μόρια με μεγάλη ποικιλία ιδιοτήτων.
Ερωτήσεις μετά την §26
1. Τι είναι ένα γονίδιο;
Απάντηση. Ένα γονίδιο είναι ένας υλικός φορέας κληρονομικών πληροφοριών, το σύνολο των οποίων οι γονείς μεταδίδουν στους απογόνους τους κατά την αναπαραγωγή. Επί του παρόντος, στη μοριακή βιολογία έχει διαπιστωθεί ότι τα γονίδια είναι τμήματα του DNA που φέρουν κάποιο είδος ολοκληρωμένης πληροφορίας - σχετικά με τη δομή ενός μορίου πρωτεΐνης ή ενός μορίου RNA. Αυτά και άλλα λειτουργικά μόρια καθορίζουν την ανάπτυξη και τη λειτουργία του σώματος.
2. Ποια διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή;
Απάντηση. Ο φορέας της γενετικής πληροφορίας είναι το DNA, που βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου. Η ίδια η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματα. Από τον πυρήνα μέχρι το κυτταρόπλασμα, οι πληροφορίες για τη δομή της πρωτεΐνης έρχονται με τη μορφή αγγελιοφόρου RNA (mRNA). Προκειμένου να συντεθεί το mRNA, ένα τμήμα δίκλωνου DNA ξετυλίγεται και στη συνέχεια συντίθεται ένα μόριο mRNA σε έναν από τους κλώνους του DNA σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας. Αυτό συμβαίνει ως εξής: έναντι, για παράδειγμα, το G ενός μορίου DNA γίνεται C ενός μορίου RNA, έναντι του Α ενός μορίου DNA - το Υ ενός μορίου RNA (θυμηθείτε ότι αντί για θυμίνη, το RNA φέρει ουρακίλη ή Υ), έναντι Τ μορίου DNA - Α μορίου RNA και έναντι μορίων C DNA - μορίων RNA. Έτσι, σχηματίζεται μια αλυσίδα mRNA, η οποία είναι ακριβές αντίγραφο της δεύτερης (μη-πρότυπο) αλυσίδας DNA (περιλαμβάνεται μόνο ουρακίλη αντί για θυμίνη). Έτσι μεταφράζονται πληροφορίες σχετικά με την αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη από τη «γλώσσα του DNA» στη «γλώσσα του RNA». Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή.
3. Πού και πώς γίνεται η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών;
Απάντηση. Η διαδικασία της πρωτεϊνικής σύνθεσης συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα, η οποία ονομάζεται επίσης μετάφραση. Η μετάφραση είναι η μετάφραση της αλληλουχίας νουκλεοτιδίων ενός μορίου mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων ενός μορίου πρωτεΐνης. Το ριβόσωμα αλληλεπιδρά με το άκρο του mRNA από το οποίο θα πρέπει να ξεκινήσει η πρωτεϊνοσύνθεση. Σε αυτή την περίπτωση, η αρχή της μελλοντικής πρωτεΐνης υποδεικνύεται από την τριπλή AUG, η οποία είναι σημάδι έναρξης της μετάφρασης. Δεδομένου ότι αυτό το κωδικόνιο κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη, όλες οι πρωτεΐνες (εκτός από ειδικές περιπτώσεις) ξεκινούν με μεθειονίνη. Μετά τη δέσμευση, το ριβόσωμα αρχίζει να κινείται κατά μήκος του mRNA, σταματώντας σε κάθε τμήμα του, το οποίο περιλαμβάνει δύο κωδικόνια (δηλαδή 3 + 3 = 6 νουκλεοτίδια). Ο χρόνος καθυστέρησης είναι μόνο 0,2 δευτ. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το μόριο tRNA, του οποίου το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό με το κωδικόνιο που βρίσκεται στο ριβόσωμα, καταφέρνει να το αναγνωρίσει. Το αμινοξύ που συσχετίστηκε με αυτό το tRNA διαχωρίζεται από τον «μίσχο» και ενώνεται με την αναπτυσσόμενη πρωτεϊνική αλυσίδα για να σχηματίσει έναν πεπτιδικό δεσμό. Την ίδια στιγμή, το επόμενο tRNA πλησιάζει το ριβόσωμα, το αντικωδικόνιο του οποίου είναι συμπληρωματικό της επόμενης τριάδας στο mRNA και το επόμενο αμινοξύ που φέρνει αυτό το tRNA περιλαμβάνεται στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα. Μετά από αυτό, το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του mRNA, σταματά στα επόμενα νουκλεοτίδια και όλα επαναλαμβάνονται από την αρχή.
4. Τι είναι το κωδικόνιο λήξης;
Απάντηση. Τα κωδικόνια διακοπής (UAA, UAG ή UGA) δεν κωδικοποιούν τα αμινοξέα, υποδεικνύουν μόνο ότι πρέπει να ολοκληρωθεί η πρωτεϊνική σύνθεση. Η πρωτεϊνική αλυσίδα αποσπάται από το ριβόσωμα, εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα και σχηματίζει τις δευτεροταγείς, τριτοταγείς και τεταρτοταγείς δομές που είναι εγγενείς σε αυτήν την πρωτεΐνη
5. Πόσοι τύποι tRNA συμμετέχουν στη σύνθεση πρωτεϊνών στο κύτταρο;
Απάντηση. Όχι λιγότερο από 20 (αριθμός αμινοξέων), όχι περισσότερο από 61 (αριθμός νοηματικών κωδικονίων). Συνήθως υπάρχουν περίπου 43 tRNA σε προκαρυώτες. Στον άνθρωπο, περίπου 50 διαφορετικά tRNA εξασφαλίζουν την ενσωμάτωση αμινοξέων στην πρωτεΐνη.
6. Από τι αποτελείται ένα πολυσωμάτιο;
Απάντηση. Ένα κύτταρο δεν χρειάζεται ένα, αλλά πολλά μόρια από κάθε πρωτεΐνη. Επομένως, μόλις το ριβόσωμα, το οποίο ήταν το πρώτο που ξεκίνησε την πρωτεϊνοσύνθεση σε ένα μόριο mRNA, κινηθεί προς τα εμπρός, ένα δεύτερο ριβόσωμα τοποθετείται αμέσως σε αυτό το mRNA, το οποίο αρχίζει να συνθέτει την ίδια πρωτεΐνη. Το ίδιο mRNA μπορεί να συνδεθεί με ένα τρίτο και ένα τέταρτο ριβόσωμα κ.λπ. Όλα τα ριβοσώματα που συνθέτουν πρωτεΐνη σε ένα μόριο mRNA ονομάζονται πολυσώματα.
7. Οι διαδικασίες πρωτεϊνοσύνθεσης απαιτούν ενέργεια; Ή, αντίθετα, η απελευθέρωση ενέργειας συμβαίνει στις διαδικασίες της πρωτεϊνοσύνθεσης;
Απάντηση. Όπως κάθε συνθετική διαδικασία, η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια ενδόθερμη αντίδραση και, ως εκ τούτου, απαιτεί ενέργεια. Η βιοσύνθεση πρωτεϊνών αντιπροσωπεύει μια αλυσίδα συνθετικών αντιδράσεων: 1) σύνθεση mRNA. 2) σύνδεση αμινοξέων με tRNA. 3) «σύνολο πρωτεΐνης». Όλες αυτές οι αντιδράσεις απαιτούν υψηλό ενεργειακό κόστος - έως 24,2 kcal/mol. Η ενέργεια για τη σύνθεση πρωτεϊνών παρέχεται από την αντίδραση διάσπασης του ΑΤΡ.
1. Γενετικός κώδικας
2. Στάδια βιοσύνθεσης πρωτεϊνών
3. Ρύθμιση πρωτεϊνοσύνθεσης
Μεταγραφή μεταγραφής
DNA → RNA → Πρωτεΐνες → Ρύθμιση μεταβολισμού
Μεταγραφή- αυτή είναι η σύνθεση ενός μορίου RNA ή αυτή είναι η διαδικασία επανεγγραφής των νουκλεοτιδίων ενός γονιδίου από το DNA σε RNA, συμβαίνει πάντα στο στάδιο ενός μορίου δίκλωνου DNA, ενώ το πρότυπο είναι μονόκλωνος, που ονομάζεται αντι -κωδικοποίηση.
Βασικά χαρακτηριστικά της διαδικασίας μεταγραφής
1. RNA - ένα αντίγραφο περιέχει ολόκληρη την ποσότητα πληροφοριών ενός συγκεκριμένου τμήματος του DNA.
2. Το RNA διατηρεί την ικανότητα να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων (καθώς η ουρακίλη που υπάρχει στο RNA ζεύγη με αδενίνη αντί για θυμίνη)
3. Η μεταγραφή διαφέρει από την αντιγραφή, κατά την οποία το αντίγραφο RNA, μετά την ολοκλήρωση της σύνθεσής του, απελευθερώνεται από το πρότυπο DNA, μετά το οποίο αποκαθίσταται η αρχική διπλή έλικα του DNA.
4. Τα μόρια RNA που συνθέτουν έχουν μονόκλωνη δομή, είναι μικρότερη από το DNA και αντιστοιχεί στο μήκος ενός τμήματος DNA που επαρκεί για να κωδικοποιήσει μία ή περισσότερες πρωτεΐνες.
Χαρακτηριστικά αυτής της διαδικασίας
1. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα - πριν μετατραπεί σε mRNA και εισέλθει στο κυτταρόπλασμα, το RNA υφίσταται χημικές αλλαγές.
2. Χιλιάδες αντίγραφα συντίθενται σε κάθε mRNA στο κυτταρόπλασμα. Η ταχύτητα αυτής της διαδικασίας είναι πολύ υψηλή.
Γενετικός κώδικας
Ο γενετικός κώδικας είναι η αλληλουχία αμινοξέων των πρωτεϊνών. Αποκρυπτογραφήθηκε το 1961 από τους επιστήμονες Mirenburp και Mattei. Εγκατέστησαν:
Η κωδικοποίηση των αμινοξέων πραγματοποιείται από τριπλέτες νουκλεοτιδίων (κωδικόνια) Από 4 αζωτούχες βάσεις μπορούν να γίνουν 64 διαφορετικοί συνδυασμοί, οι οποίοι είναι αρκετοί για να κωδικοποιήσουν 20 αμινοξέα.
Ένα κωδικόνιο είναι μια αλληλουχία τριών νουκλεοτιδίων που κωδικοποιεί ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.
Είναι απαραίτητο να θυμάστε ότι:
Η ακρίβεια της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας επιτυγχάνεται μέσω της συμπληρωματικής αναγνώρισης των αζωτούχων βάσεων των δύο συστατικών:
- αντικωδικόνιο μεταφοράς κωδικονίων αγγελιαφόρου RNA RNA
Η αλληλουχία των αμινοξέων σε οποιαδήποτε πρωτεΐνη εξαρτάται από την αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων στο DNA που περιέχεται στο κύτταρο όπου συντίθεται η πρωτεΐνη. Οι πληροφορίες που είναι ενσωματωμένες στο DNA διαβάζονται στη διαδικασία μεταγραφής του αγγελιοφόρου RNA (m-RNA) και μεταφέρονται στο σύστημα σύνθεσης πρωτεϊνών στα ριβοσώματα. Ο επιστήμονας Κρικ απέδειξε τη θεωρία του τριπλού κωδικονίου, η οποία εξηγεί τη μέθοδο μετάφρασης της γλώσσας των τεσσάρων γραμμάτων των νουκλεϊκών οξέων στη γλώσσα των 20 γραμμάτων των μορίων πρωτεΐνης.
Αλληλεπίδραση κωδικονίου-αντικοδονίου- αυτή είναι μια μέθοδος αναγνώρισης από μια τριπλέτα (που είναι m-RNA) μιας συμπληρωματικής τριάδας (που είναι ένα αντικωδικόνιο) που είναι μέρος του αντίστοιχου t-RNA.
Ζεύγος κωδικονίων και αντικωδικονίων με αντιπαράλληλο τρόπο (θεωρίες ταλάντευσης Crick):
1. Οι δύο πρώτες βάσεις του κωδικονίου σχηματίζουν ισχυρά ζεύγη με τις αντίστοιχες αζωτούχες βάσεις του αντικωδικονίου.
2. Οι αζωτούχες βάσεις των κωδικονίων που βρίσκονται στην τρίτη θέση σχηματίζουν ασθενείς δεσμούς υδρογόνου με το αντικωδικόνιο.
3. Συμπέρασμα του Crick: οι βάσεις των περισσότερων κωδικονίων που βρίσκονται στην τρίτη θέση έχουν έναν ορισμένο βαθμό ελευθερίας όταν σχηματίζουν ένα ζεύγος με την αντίστοιχη αζωτούχα βάση του αντικωδικονίου - αυτές είναι αιωρούμενες βάσεις.
4. Αυτή η αλληλεπίδραση του κωδικονίου με το αντικωδικόνιο είναι που εξασφαλίζει την ένταξη του αμινοξέος στα αντίστοιχα τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας της συντιθέμενης πρωτεΐνης.
Στάδια βιοσύνθεσης πρωτεϊνών
Στάδιο 1 – στάδιο ενεργοποίησης αμινοξέων
Συστατικά:
1. 20 αμινοξέα
2. 20 ένζυμα αμινοακυλο-t-RNA συνθετάσες
3. 20 ή περισσότερα t-RNA, καθώς και ιόντα ATP και Mg²+
Σε αυτό το στάδιο, λαμβάνει χώρα η εξαρτώμενη από το ΑΤΡ μετατροπή των αμινοξέων σε αμινοακυλο-tRNA.
Στάδιο 1 - ο αδενυλικός αμινοακυλεστέρας σχηματίζεται από ένα αμινοξύ και ΑΤΡ - αυτή είναι μια ενεργοποιημένη ένωση (ανυδρίτης) στην οποία η καρβοξυλική ομάδα του αμινοξέος συνδέεται με τη φωσφορική ομάδα του αδενικού οξέος.
Στάδιο 2 – η ομάδα αμινοξέων του αδενυλικού αμινοακυλεστέρα μεταφέρεται στο αντίστοιχο μόριο tRNA. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται αμινοακυλο-tRNA - αυτή είναι μια ενεργοποιημένη ένωση που εμπλέκεται στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών. Αυτή η διαδικασία ενεργοποιείται από τις συνθετάσες αμινοτσυλ-tRNA.
Σε όλες τις περιπτώσεις, στο βήμα 2, το ενεργοποιημένο αμινοξύ προστίθεται σε ένα υπόλειμμα αδενυλικού οξέος, ή αδενυλονουκλεοτίδιο, στην τριπλέτα CCA στο τρίτο άκρο του μορίου tRNA (3'-TRNA).
Τα μόρια tRNA μεταφράζουν τις πληροφορίες που περιέχονται στο mRNA σε γλώσσα πρωτεΐνης.
Έτσι, ο γενετικός κώδικας αποκρυπτογραφείται με τη βοήθεια δύο προσαρμογών: του t-RNA και της συνθετάσης αμινοκύλ-t-RNA, ως αποτέλεσμα των οποίων κάθε αμινοξύ μπορεί να πάρει τη θέση που καθορίζεται από την τριπλή νουκλεοτιδική αλληλουχία στο mRNA, δηλ. το κωδικόνιό του.
Τα ριβοσώματα απαιτούνται για περαιτέρω σύνθεση. Η σύνθεση των πρωτεϊνών που συνθέτουν τη ριβοσωμική δομή λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα, η αυτοσυναρμολόγηση συμβαίνει στον πυρήνα λόγω της αλληλεπίδρασης των μορίων πρωτεΐνης και του ριβοσωμικού RNA με τη συμμετοχή ιόντων Mg2+.
Το rRNA δρα ως ικρίωμα για τη διατεταγμένη διάταξη των ριβοσωματικών πολυπεπτιδίων.
Τα υποσωματίδια στο ριβόσωμα βρίσκονται ασύμμετρα, έχουν ακανόνιστο σχήμα και συνδέονται μεταξύ τους έτσι ώστε μεταξύ τους να παραμένει μια αυλάκωση από την οποία διέρχεται το μόριο mRNA κατά τη σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, καθώς και μια δεύτερη αύλακα που συγκρατεί την αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα.
Στάδιο 2 – Έναρξη της πολυπεπτιδικής αλυσίδας
Συστατικά:
1. mRNA, τριφωσφορική γουανοσίνη (GTP), ιόντα Mg2+
2. Ν-φορμυλομεθειονυλο-tRNA
3. Κωδώνιο έναρξης στο mRNA
4. Ριβοσωμικές υπομονάδες (30S, 50S)
5. Παράγοντες έναρξης (IF 1;2;3)
Στο E. coli και σε άλλα προκαρυωτικά, το Ν-τερματικό αμινοξύ κατά τη συναρμολόγηση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας είναι πάντα ένα υπόλειμμα Ν-φορμυλομεθιανυλίου.
Στάδια σχηματισμού του συμπλέγματος έναρξης
Α) Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της υπομονάδας 30S (υποσωματίδιο) και του παράγοντα έναρξης, σχηματίζεται μια δομή στην οποία η πρωτεΐνη εμποδίζει τη συσχέτισή της με το υποσωματίδιο 50S.
Β) Η προσκόλληση στην υπομονάδα 30S του mRNA επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα σήμα έναρξης, το οποίο είναι μια αλληλουχία πλούσια σε βάση πουρίνης με κέντρο 10 νουκλεοτίδια από το 5' άκρο του κωδικονίου έναρξης του mRNA.
Γ) Το πρώτο κωδικόνιο που θα μεταφραστεί βρίσκεται 25 νουκλεοτίδια από το 5' άκρο.
Δ) Το σήμα έναρξης, που αντιπροσωπεύεται από μια μικρή τομή του mRNA, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με τη συμπληρωματική αλληλουχία νουκλεοτιδίων που βρίσκεται στο 3ο άκρο της υπομονάδας 30S, συμβάλλει στη στερέωση του mRNA στη θέση που απαιτείται για την έναρξη.
Ε) Αυτή η αλληλεπίδραση διασφαλίζει τη σωστή θέση του κωδικονίου έναρξης στην υπομονάδα 30S.
Α) Το t-RNA, ο δεύτερος παράγοντας έναρξης και η τριφωσφορική γουανοσίνη (GTP) που είχαν προηγουμένως δεσμευτεί στο Ν-φορμυλομεθειονύλιο προστίθενται στο σύμπλοκο που αποτελείται από την υπομονάδα 30S, τον παράγοντα έναρξης και το mRNA.
Β) Η εμφάνιση ενός λειτουργικά ενεργού ριβοσώματος 70S ως αποτέλεσμα της προσάρτησης μιας ριβοσωματικής υπομονάδας 50S σε μια προηγουμένως σχηματισμένη σύνθετη δομή.
Στάδιο 3 – προετοιμασία του συγκροτήματος έναρξης για τη συνέχιση της διαδικασίας μετάφρασης.
Στάδιο 3 – Επιμήκυνση
Σε αυτό το στάδιο, λαμβάνει χώρα η σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Συστατικά:
1. Σύμπλεγμα έναρξης – 70S ριβόσωμα.
2. Κιτ αμινοακυλ-tRNA
3. Παράγοντας επιμήκυνσης, τριφωσφορική κυανοσίνη (GTP)
4. Πεπτιδυλοτρανσφεράση, ιόντα Mg2+
Η επιμήκυνση είναι μια κυκλική διαδικασία.
Στάδια επιμήκυνσης
Στάδιο 1 – σχηματισμός αμινοακυλο-tRNA, το οποίο είναι μια συμπληρωματική αλληλεπίδραση κωδικονίου-αντικοδονίου, καθώς και μια ειδική σύνδεση μεταξύ τμημάτων των μορίων tRNA και rRNA.
Στάδιο 2 - προετοιμασία για την είσοδο υπολειμμάτων αμινοξέων στην αντίδραση σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού.
Το στάδιο 3 (μετατόπιση) είναι η κίνηση του ριβοσώματος κατά μήκος του mRNA κατά ένα κωδικόνιο. Ο σχηματισμός ενός μονοπεπτιδικού δεσμού απαιτεί την ενέργεια υδρόλυσης 2 μορίων GTP.
Α) Το ελεύθερο tRNA διαχωρίζεται και πηγαίνει στο κυτταρόπλασμα.
Β) Στη συνέχεια, η θέση αμινοακυλίου προετοιμάζεται και πάλι για τη δέσμευση του επόμενου αμινοακυλ-tRNA, του αντικωδικονίου που είναι συμπληρωματικό με το επόμενο κωδικόνιο του mRNA - ξεκινά ένας νέος κύκλος επιμήκυνσης.
Στάδιο 4 – Τερματισμός.
Συστατικά:
Παράγοντες απελευθέρωσης πολυπεπτιδίου mRNA κωδικονίου διακοπής ATP
1) Η ανάπτυξη της πολυπεπτιδικής αλυσίδας συνεχίζεται έως ότου ένα από τα 3 κωδικόνια τερματισμού (UAA, UGA, UAG) εισέλθει στο ριβόσωμα. Σε αυτή την περίπτωση, δεν λαμβάνει χώρα αλληλεπίδραση κωδικονίου-αντικοδονίου.
2) Ο παράγοντας που είναι υπεύθυνος για τον τερματισμό συνδέεται με το κωδικόνιο τερματισμού, ως αποτέλεσμα του οποίου σταματά η περαιτέρω ανάπτυξη της πρωτεϊνικής αλυσίδας.
3) Η συντιθέμενη πρωτεΐνη, mRNA και tRNA προσδιορίζονται από το ριβόσωμα.
4) Το RNA αποσυντίθεται σε ελεύθερα ριβονουκλεΐδια και το tRNA και τα ριβοσώματα, αποσυντίθενται σε δύο υπομονάδες, συμμετέχουν σε νέους κύκλους μετάφρασης.
Στάδιο 5 – Επεξεργασία
Συστατικά:
1. Ειδικά ένζυμα
2. Συμπαράγοντες
Οι προκύπτουσες πολυπεπτιδικές αλυσίδες σχηματίζουν πιο πολύπλοκες πρωτεΐνες ή ελέγχουν τις μεταβολικές διεργασίες ως ένζυμα.
Αρκετά ή περισσότερα (έως 100) ριβοσώματα λειτουργούν σε ένα μόριο mRNA. Σχηματίζουν ένα πολυσωμάτιο και κάθε ριβόσωμα χτίζει τη δική του πολυπεπτιδική αλυσίδα (πολσώματα 5-6 ριβοσωμάτων συμμετέχουν στη βιοσύνθεση της αιμοσφαιρίνης).
Διαφορές στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών
1. Στα προκαρυωτικά, η μεταγραφή και η μετάφραση είναι αλληλένδετες και η πρωτεϊνοσύνθεση ξεκινά αμέσως στο μόριο mRNA που συνεχίζει να συντίθεται.
2. Στους ευκαρυώτες το mRNA αρχικά συντίθεται στο DNA, μετά ωριμάζει και μόνο το ώριμο συμμετέχει στη μετάφραση.
Ρύθμιση της πρωτεϊνοσύνθεσης
Στη διαδικασία της εξέλιξης, δημιουργήθηκε ένας μηχανισμός για τη ρύθμιση της δράσης των γονιδίων. Το γονιδίωμα κάθε κυττάρου έχει αποκτήσει τον χαρακτήρα ενός συμπλέγματος που αποτελείται από:
- Δομικά γονίδια που κωδικοποιούν τη σύνθεση πρωτεϊνικών μορίων (t-RNA και mRNA). και Ρυθμιστικά γονίδια, τα οποία διασφαλίζουν την τάξη στη δράση των δομικών γονιδίων.
Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης (έκφραση)πραγματοποιούνται σε διάφορα επίπεδα:
Γενετική – προκαλείται από μια αλλαγή στον αριθμό και τη θέση των γονιδίων που ελέγχουν ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Μεταγραφικό – υπεύθυνο για το ποια και πότε γονίδια θα ενεργοποιηθούν για την παραγωγή mRNA. Translational – διασφαλίζει την επιλογή των mRNA που μεταφράζονται σε ριβοσώματα. Λειτουργικό – σχετίζεται με τη ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότητας.
Οι πιο σημαντικές λειτουργίες του σώματος - μεταβολισμός, ανάπτυξη, ανάπτυξη, μετάδοση κληρονομικότητας, κίνηση κ.λπ. - πραγματοποιούνται ως αποτέλεσμα πολλών χημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα και άλλες βιολογικά δραστικές ουσίες. Ταυτόχρονα, διάφορες ενώσεις συντίθενται συνεχώς στα κύτταρα: δομικές πρωτεΐνες, πρωτεΐνες ενζύμων, ορμόνες. Κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού, αυτές οι ουσίες φθείρονται και καταστρέφονται και στη θέση τους σχηματίζονται νέες. Δεδομένου ότι οι πρωτεΐνες δημιουργούν την υλική βάση της ζωής και επιταχύνουν όλες τις μεταβολικές αντιδράσεις, η ζωτική δραστηριότητα του κυττάρου και του οργανισμού στο σύνολό του καθορίζεται από την ικανότητα των κυττάρων να συνθέτουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες. Η πρωταρχική τους δομή είναι προκαθορισμένη από τον γενετικό κώδικα στο μόριο του DNA.
Τα μόρια πρωτεΐνης αποτελούνται από δεκάδες και εκατοντάδες αμινοξέα (ακριβέστερα, υπολείμματα αμινοξέων). Για παράδειγμα, υπάρχουν περίπου 600 από αυτά σε ένα μόριο αιμοσφαιρίνης και κατανέμονται σε τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες. στο μόριο της ριβονουκλεάσης υπάρχουν 124 τέτοια αμινοξέα κ.λπ.
Ο κύριος ρόλος στον προσδιορισμό της πρωτογενούς δομής μιας πρωτεΐνης ανήκει στα μόρια DNA.Τα διαφορετικά τμήματα του κωδικοποιούν τη σύνθεση διαφορετικών πρωτεϊνών, επομένως, ένα μόριο DNA εμπλέκεται στη σύνθεση πολλών μεμονωμένων πρωτεϊνών. Οι ιδιότητες των πρωτεϊνών εξαρτώνται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Με τη σειρά του, η εναλλαγή των αμινοξέων καθορίζεται από την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο DNA και κάθε αμινοξύ αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη τριάδα. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι, για παράδειγμα, ένα τμήμα DNA με τριπλέτα AAC αντιστοιχεί στο αμινοξύ λευκίνη, μια τριπλέτα ACC σε τρυπτοφάνη, μια τριπλέτα ACA σε κυστεΐνη κ.λπ. Διαιρώντας το μόριο DNA σε τρίδυμα, μπορείτε να φανταστείτε ποια αμινοξέα και σε ποια αλληλουχία θα βρίσκονται στο μόριο της πρωτεΐνης. Ένα σύνολο τριδύμων αποτελεί την υλική βάση των γονιδίων και κάθε γονίδιο περιέχει πληροφορίες για τη δομή μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης (ένα γονίδιο είναι η βασική βιολογική μονάδα κληρονομικότητας· χημικά, ένα γονίδιο είναι ένα τμήμα του DNA που περιλαμβάνει αρκετές εκατοντάδες ζεύγη νουκλεοτιδίων) .
Γενετικός κώδικας -η ιστορικά καθιερωμένη οργάνωση των μορίων DNA και RNA, στην οποία η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε αυτά μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με την αλληλουχία των αμινοξέων στα μόρια πρωτεΐνης. Ιδιότητες κώδικα:τριπλή (κωδόνιο), μη επικαλυπτόμενη (τα κωδικόνια διαδέχονται το ένα το άλλο), ειδικότητα (ένα κωδικόνιο μπορεί να καθορίσει μόνο ένα αμινοξύ σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα), καθολικότητα (σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς το ίδιο κωδικόνιο καθορίζει τη συμπερίληψη του ίδιου αμινοξέος στο πολυπεπτίδιο), πλεονασμός (για τα περισσότερα αμινοξέα υπάρχουν πολλά κωδικόνια). Τα τρίδυμα που δεν φέρουν πληροφορίες για τα αμινοξέα είναι τρίδυμα stop, υποδεικνύοντας το σημείο έναρξης της σύνθεσης i-RNA.(V.B. Zakharov. Βιολογία. Υλικά αναφοράς. M., 1997)
Δεδομένου ότι το DNA βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου και η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα, υπάρχει ένας ενδιάμεσος που μεταφέρει πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα. Το RNA χρησιμεύει ως ένα τέτοιο ενδιάμεσο, πάνω στο οποίο ξαναγράφεται η αλληλουχία νουκλεοτιδίων, ακριβώς σύμφωνα με αυτή στο DNA - σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφέςκαι προχωρά ως αντίδραση σύνθεσης μήτρας. Είναι χαρακτηριστικό μόνο των ζωντανών δομών και βρίσκεται κάτω από την πιο σημαντική ιδιότητα των ζωντανών όντων - την αυτοαναπαραγωγή. Η βιοσύνθεση πρωτεϊνών προηγείται από σύνθεση εκμαγείου του mRNA σε κλώνο DNA. Το mRNA που προκύπτει αφήνει τον πυρήνα του κυττάρου στο κυτταρόπλασμα, όπου τα ριβοσώματα είναι στριμωγμένα πάνω του και τα αμινοξέα παρέχονται εδώ με τη βοήθεια του tRNA.
Η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων που περιλαμβάνει DNA, mRNA, tRNA, ριβοσώματα, ATP και διάφορα ένζυμα. Πρώτον, τα αμινοξέα στο κυτταρόπλασμα ενεργοποιούνται από ένζυμα και συνδέονται με το tRNA (στη θέση όπου βρίσκεται το νουκλεοτίδιο CCA). Στο επόμενο στάδιο, τα αμινοξέα συνδυάζονται με τη σειρά με την οποία η εναλλαγή των νουκλεοτιδίων από το DNA μεταφέρεται στο mRNA. Αυτό το στάδιο ονομάζεται αναμετάδοση.Σε έναν κλώνο mRNA δεν υπάρχει ένα ριβόσωμα, αλλά μια ομάδα από αυτά - ένα τέτοιο σύμπλεγμα ονομάζεται πολυσώμα (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. Βιολογία για προπαρασκευαστικά τμήματα ιατρικών ιδρυμάτων).
Σχέδιο Βιοσύνθεση πρωτεϊνών
Η πρωτεϊνοσύνθεση αποτελείται από δύο στάδια - μεταγραφή και μετάφραση.
I. Μεταγραφή (επαναγραφή) - βιοσύνθεση μορίων RNA, που πραγματοποιείται σε χρωμοσώματα σε μόρια DNA σύμφωνα με την αρχή της σύνθεσης εκμαγείου. Με τη βοήθεια ενζύμων συντίθενται όλοι οι τύποι RNA (mRNA, rRNA, tRNA) στις αντίστοιχες τομές του μορίου DNA (γονίδια). Συντίθενται 20 ποικιλίες tRNA, αφού 20 αμινοξέα συμμετέχουν στη βιοσύνθεση των πρωτεϊνών. Στη συνέχεια, το mRNA και το tRNA απελευθερώνονται στο κυτταρόπλασμα, το rRNA ενσωματώνεται σε ριβοσωμικές υπομονάδες, οι οποίες εξέρχονται επίσης στο κυτταρόπλασμα.
II. Η μετάφραση (μεταφορά) είναι η σύνθεση πολυπεπτιδικών αλυσίδων πρωτεϊνών, που πραγματοποιείται σε ριβοσώματα. Συνοδεύεται από τις ακόλουθες εκδηλώσεις:
1. Σχηματισμός του λειτουργικού κέντρου του ριβοσώματος - FCR, που αποτελείται από mRNA και δύο ριβοσωμικές υπομονάδες. Στο FCR υπάρχουν πάντα δύο τριπλέτες (έξι νουκλεοτίδια) mRNA, που σχηματίζουν δύο ενεργά κέντρα: Α (αμινοξύ) - το κέντρο για την αναγνώριση του αμινοξέος και Ρ (πεπτίδιο) - το κέντρο για τη σύνδεση του αμινοξέος στην πεπτιδική αλυσίδα .
2. Μεταφορά αμινοξέων συνδεδεμένων με tRNA από το κυτταρόπλασμα στο FCR. Στο ενεργό κέντρο Α, το αντικωδικόνιο του tRNA διαβάζεται με το κωδικόνιο του mRNA, στην περίπτωση της συμπληρωματικότητας, σχηματίζεται ένας δεσμός, ο οποίος χρησιμεύει ως σήμα για προώθηση (άλμα) κατά μήκος του ριβοσωμικού mRNA κατά μία τριάδα. Ως αποτέλεσμα αυτού, το σύμπλοκο "κωδόνιο rRNA και tRNA με αμινοξύ" μετακινείται στο ενεργό κέντρο του P, όπου το αμινοξύ προστίθεται στην πεπτιδική αλυσίδα (μόριο πρωτεΐνης). Στη συνέχεια, το tRNA φεύγει από το ριβόσωμα.
3. Η πεπτιδική αλυσίδα επιμηκύνεται μέχρι να τελειώσει η μετάφραση και το ριβόσωμα να πηδήξει από το mRNA. Ένα mRNA μπορεί να περιέχει πολλά ριβοσώματα ταυτόχρονα (πολυσώμα). Η πολυπεπτιδική αλυσίδα βυθίζεται στο κανάλι του ενδοπλασματικού δικτύου και εκεί αποκτά δευτεροταγή, τριτοταγή ή τεταρτοταγή δομή. Η ταχύτητα συναρμολόγησης ενός μορίου πρωτεΐνης, που αποτελείται από 200-300 αμινοξέα, είναι 1-2 λεπτά. Τύπος βιοσύνθεσης πρωτεϊνών: DNA (μεταγραφή) --> RNA (μετάφραση) --> πρωτεΐνη.
Έχοντας ολοκληρώσει έναν κύκλο, τα πολυσώματα μπορούν να συμμετέχουν στη σύνθεση νέων πρωτεϊνικών μορίων.
Το μόριο πρωτεΐνης που διαχωρίζεται από το ριβόσωμα έχει τη μορφή ενός νήματος που είναι βιολογικά ανενεργό. Γίνεται βιολογικά λειτουργικό αφού το μόριο αποκτήσει δευτεροταγή, τριτοταγή και τεταρτοταγή δομή, δηλαδή μια συγκεκριμένη χωρικά συγκεκριμένη διαμόρφωση. Οι δευτερεύουσες και οι επόμενες δομές του μορίου πρωτεΐνης είναι προκαθορισμένες στις πληροφορίες που περιέχονται στην εναλλαγή των αμινοξέων, δηλαδή στην πρωτογενή δομή της πρωτεΐνης. Με άλλα λόγια, το πρόγραμμα για το σχηματισμό ενός σφαιριδίου, η μοναδική του διαμόρφωση, καθορίζονται από την πρωτογενή δομή του μορίου, το οποίο με τη σειρά του χτίζεται υπό τον έλεγχο του αντίστοιχου γονιδίου.
Ο ρυθμός της πρωτεϊνικής σύνθεσης καθορίζεται από πολλούς παράγοντες: τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου, την ποσότητα του τελικού προϊόντος της σύνθεσης, την παρουσία ελεύθερων αμινοξέων, ιόντων μαγνησίου, την κατάσταση των ριβοσωμάτων κ.λπ.
Βιοσύνθεση πρωτεϊνών και γενετικός κώδικας
Ορισμός 1
Βιοσύνθεση πρωτεϊνών– ενζυματική διαδικασία πρωτεϊνοσύνθεσης σε κύτταρο. Περιλαμβάνει τρία δομικά στοιχεία του κυττάρου - πυρήνα, κυτταρόπλασμα, ριβοσώματα.
Στον πυρήνα του κυττάρου, τα μόρια DNA αποθηκεύουν πληροφορίες για όλες τις πρωτεΐνες που συντίθενται σε αυτόν, κρυπτογραφημένες χρησιμοποιώντας έναν κωδικό τεσσάρων γραμμάτων.
Ορισμός 2
Γενετικός κώδικαςείναι η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο DNA, η οποία καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων σε ένα μόριο πρωτεΐνης.
Οι ιδιότητες του γενετικού κώδικα είναι οι εξής:
Ο γενετικός κώδικας είναι τριπλός, δηλαδή κάθε αμινοξύ έχει τη δική του τριπλή κωδική ( κωδικόνιο), που αποτελείται από τρία γειτονικά νουκλεοτίδια.
Παράδειγμα 1
Το αμινοξύ κυστεΐνη κωδικοποιείται από την τριπλέτα A-C-A, η βαλίνη - από την τριπλέτα C-A-A.
Ο κώδικας δεν επικαλύπτεται, δηλαδή το νουκλεοτίδιο δεν μπορεί να είναι μέρος δύο γειτονικών τριδύμων.
Ο κώδικας είναι εκφυλισμένος, δηλαδή, ένα αμινοξύ μπορεί να κωδικοποιηθεί από πολλές τριάδες.
Παράδειγμα 2
Το αμινοξύ τυροσίνη κωδικοποιείται από δύο τριάδες.
Ο κωδικός δεν έχει κόμματα (διαχωριστικά σημάδια), οι πληροφορίες διαβάζονται σε τριάδες νουκλεοτιδίων.
Ορισμός 3
Γονίδιο – ένα τμήμα ενός μορίου DNA που χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων και καθορίζει τη σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Ο κώδικας είναι παγκόσμιος, δηλαδή ο ίδιος για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς - από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους. Όλοι οι οργανισμοί έχουν τα ίδια 20 αμινοξέα, τα οποία κωδικοποιούνται από τις ίδιες τριπλέτες.
Στάδια βιοσύνθεσης πρωτεϊνών: μεταγραφή και μετάφραση
Η δομή οποιουδήποτε μορίου πρωτεΐνης κωδικοποιείται στο DNA, το οποίο δεν εμπλέκεται άμεσα στη σύνθεσή του. Χρησιμεύει μόνο ως πρότυπο για τη σύνθεση RNA.
Η διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών συμβαίνει σε ριβοσώματα, τα οποία βρίσκονται κυρίως στο κυτταρόπλασμα. Αυτό σημαίνει ότι για να μεταφερθεί η γενετική πληροφορία από το DNA στο σημείο της πρωτεϊνοσύνθεσης χρειάζεται ένας ενδιάμεσος. Αυτή η λειτουργία εκτελείται από το mRNA.
Ορισμός 4
Η διαδικασία σύνθεσης ενός μορίου mRNA σε έναν κλώνο ενός μορίου DNA που βασίζεται στην αρχή της συμπληρωματικότητας ονομάζεται μεταγραφή, ή ξαναγράφοντας.
Η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στον πυρήνα του κυττάρου.
Η διαδικασία μεταγραφής πραγματοποιείται ταυτόχρονα όχι σε ολόκληρο το μόριο DNA, αλλά μόνο σε ένα μικρό τμήμα του, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Σε αυτήν την περίπτωση, μέρος της διπλής έλικας του DNA ξετυλίγεται και ένα μικρό τμήμα μιας από τις αλυσίδες εκτίθεται - τώρα θα χρησιμεύσει ως πρότυπο για τη σύνθεση mRNA.
Στη συνέχεια, το ένζυμο RNA πολυμεράση κινείται κατά μήκος αυτής της αλυσίδας, συνδέοντας νουκλεοτίδια σε μια αλυσίδα mRNA, η οποία επιμηκύνεται.
Σημείωση 2
Η μεταγραφή μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα σε πολλά γονίδια στο ίδιο χρωμόσωμα και σε γονίδια σε διαφορετικά χρωμοσώματα.
Το mRNA που προκύπτει περιέχει μια νουκλεοτιδική αλληλουχία που είναι ένα ακριβές αντίγραφο της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας στο εκμαγείο.
Σημείωση 3
Εάν το μόριο DNA περιέχει την αζωτούχα βάση κυτοσίνη, τότε το mRNA περιέχει γουανίνη και αντίστροφα. Το συμπληρωματικό ζεύγος στο DNA είναι αδενίνη - θυμίνη και το RNA περιέχει ουρακίλη αντί για θυμίνη.
Δύο άλλοι τύποι RNA συντίθενται επίσης σε ειδικά γονίδια - tRNA και rRNA.
Η αρχή και το τέλος της σύνθεσης όλων των τύπων RNA στο εκμαγείο DNA καθορίζονται αυστηρά από ειδικές τριπλέτες που ελέγχουν την έναρξη (έναρξη) και τη διακοπή (τερματικό) της σύνθεσης. Λειτουργούν ως «διαχωριστικά σημάδια» μεταξύ των γονιδίων.
Ο συνδυασμός του tRNA με αμινοξέα συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα. Το μόριο tRNA έχει σχήμα φύλλου τριφυλλιού, με α αντικωδικόνιο– μια τριάδα νουκλεοτιδίων που κωδικοποιεί το αμινοξύ που μεταφέρει αυτό το tRNA.
Υπάρχουν τόσα είδη αμινοξέων όσα και τα tRNA.
Σημείωση 4
Δεδομένου ότι πολλά αμινοξέα μπορούν να κωδικοποιηθούν από πολλές τριπλέτες, ο αριθμός των tRNA είναι μεγαλύτερος από 20 (περίπου 60 tRNA είναι γνωστά).
Η σύνδεση του tRNA με τα αμινοξέα γίνεται με τη συμμετοχή ενζύμων. Τα μόρια tRNA μεταφέρουν αμινοξέα στα ριβοσώματα.
Ορισμός 5
Αναμετάδοσηείναι μια διαδικασία με την οποία πληροφορίες σχετικά με τη δομή μιας πρωτεΐνης, που καταγράφεται στο mRNA ως αλληλουχία νουκλεοτιδίων, υλοποιούνται ως αλληλουχία αμινοξέων στο μόριο πρωτεΐνης που συντίθεται.
Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στα ριβοσώματα.
Πρώτον, το mRNA προσκολλάται στο ριβόσωμα. Το πρώτο ριβόσωμα, το οποίο συνθέτει πρωτεΐνες, είναι «στριμωγμένο» στο mRNA. Καθώς το ριβόσωμα κινείται προς το άκρο του mRNA που έχει γίνει ελεύθερο, ένα νέο ριβόσωμα «κολλιέται». Ένα mRNA μπορεί να περιέχει ταυτόχρονα περισσότερα από 80 ριβοσώματα που συνθέτουν την ίδια πρωτεΐνη. Μια τέτοια ομάδα ριβοσωμάτων που συνδέονται με ένα mRNA ονομάζεται πολυριβόσωμα, ή πολυσωμα. Ο τύπος της πρωτεΐνης που συντίθεται δεν καθορίζεται από το ριβόσωμα, αλλά από τις πληροφορίες που καταγράφονται στο mRNA. Το ίδιο ριβόσωμα είναι ικανό να συνθέτει διαφορετικές πρωτεΐνες. Μετά την ολοκλήρωση της πρωτεϊνικής σύνθεσης, το ριβόσωμα διαχωρίζεται από το mRNA και η πρωτεΐνη εισέρχεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο.
Κάθε ριβόσωμα αποτελείται από δύο υπομονάδες - μικρή και μεγάλη. Το μόριο mRNA προσκολλάται στη μικρή υπομονάδα. Στη θέση επαφής μεταξύ του ριβοσώματος και του iRNA υπάρχουν 6 νουκλεοτίδια (2 τρίδυμα). Ένα από αυτά προσεγγίζεται συνεχώς από το κυτταρόπλασμα από tRNA με διαφορετικά αμινοξέα και έρχεται σε επαφή με το αντικωδικόνιο του κωδικονίου mRNA. Εάν οι τριπλέτες κωδικονίου και αντικωδικονίου αποδειχθούν συμπληρωματικές, εμφανίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός μεταξύ του αμινοξέος του ήδη συντιθέμενου μέρους της πρωτεΐνης και του αμινοξέος που παρέχεται από το tRNA. Ο συνδυασμός αμινοξέων σε ένα μόριο πρωτεΐνης πραγματοποιείται με τη συμμετοχή του ενζύμου συνθετάση. Το μόριο tRNA εγκαταλείπει το αμινοξύ και μετακινείται στο κυτταρόπλασμα, και το ριβόσωμα κινεί μία τριάδα νουκλεοτιδίων. Έτσι συντίθεται διαδοχικά η πολυπεπτιδική αλυσίδα. Όλα αυτά συνεχίζονται μέχρι το ριβόσωμα να φτάσει σε ένα από τα τρία κωδικόνια τερματισμού: UAA, UAG ή UGA. Μετά από αυτό, η πρωτεϊνοσύνθεση σταματά.
Σημείωση 5
Έτσι, η αλληλουχία των κωδικονίων mRNA καθορίζει την αλληλουχία συμπερίληψης των αμινοξέων στην πρωτεϊνική αλυσίδα. Οι συντιθέμενες πρωτεΐνες εισέρχονται στα κανάλια του ενδοπλασματικού δικτύου. Ένα μόριο πρωτεΐνης σε ένα κύτταρο συντίθεται σε 1 - 2 λεπτά.
- Σε επαφή με 0
- Google+ 0
- Εντάξει 0
- Facebook 0
