Η ζωή είναι η διαδικασία ύπαρξης μορίων πρωτεΐνης. Έτσι το εκφράζουν πολλοί επιστήμονες, οι οποίοι είναι πεπεισμένοι ότι η πρωτεΐνη είναι η βάση όλων των ζωντανών όντων. Αυτές οι κρίσεις είναι απολύτως σωστές, γιατί αυτές οι ουσίες στο κύτταρο έχουν τον μεγαλύτερο αριθμό βασικών λειτουργιών. Ολοι οι άλλοι ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣπαίζουν το ρόλο των ενεργειακών υποστρωμάτων και χρειάζεται και πάλι ενέργεια για τη σύνθεση πρωτεϊνικών μορίων.
Χαρακτηρισμός σταδίου της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών
Η δομή μιας πρωτεΐνης κωδικοποιείται σε νουκλεϊκό ή RNA) με τη μορφή κωδικονίων. Πρόκειται για κληρονομικές πληροφορίες που αναπαράγονται κάθε φορά που ένα κύτταρο χρειάζεται μια νέα πρωτεϊνική ουσία. Η αρχή της βιοσύνθεσης βρίσκεται στον πυρήνα σχετικά με την ανάγκη σύνθεσης μιας νέας πρωτεΐνης με ήδη δεδομένες ιδιότητες.
Σε απόκριση σε αυτό, μια περιοχή νουκλεϊκού οξέος απελευθερώνεται, όπου η δομή του κωδικοποιείται. Αυτό το μέρος αντιγράφεται από το αγγελιοφόρο RNA και μεταφέρεται στα ριβοσώματα. Είναι υπεύθυνοι για την κατασκευή του πολυ πεπτιδική αλυσίδαμε βάση τη μήτρα - αγγελιοφόρο RNA. Συνοπτικά, όλα τα στάδια της βιοσύνθεσης παρουσιάζονται ως εξής:
- μεταγραφή (το στάδιο του διπλασιασμού ενός κομματιού DNA με μια κωδικοποιημένη πρωτεϊνική δομή).
- επεξεργασία (στάδιο σχηματισμού πληροφοριών RNA).
- μετάφραση (σύνθεση πρωτεϊνών σε ένα κύτταρο με βάση το αγγελιοφόρο RNA).
- μετα-μεταφραστική τροποποίηση ("ωρίμανση" του πολυπεπτιδίου, σχηματισμός της χύδην δομής του).
Μεταγραφή νουκλεϊκού οξέος
Όλη η πρωτεϊνοσύνθεση σε ένα κύτταρο πραγματοποιείται από ριβοσώματα και οι πληροφορίες για τα μόρια περιέχονται στο νουκλεϊκό ή στο DNA). Εντοπίζεται στα γονίδια: κάθε γονίδιο είναι μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Τα γονίδια περιέχουν πληροφορίες για την αλληλουχία αμινοξέων μιας νέας πρωτεΐνης. Στην περίπτωση του DNA, η αφαίρεση γενετικός κώδικαςδιεξάγεται με αυτόν τον τρόπο:
- αρχίζει η απελευθέρωση της θέσης του νουκλεϊκού οξέος από τις ιστόνες, εμφανίζεται η απελευθέρωση.
- Η DNA πολυμεράση διπλασιάζει το τμήμα του DNA που αποθηκεύει το γονίδιο για την πρωτεΐνη.
- το διπλασιασμένο τμήμα είναι ένας πρόδρομος του αγγελιοφόρου RNA, το οποίο υποβάλλεται σε επεξεργασία από ένζυμα για την αφαίρεση μη κωδικοποιητικών ενθέτων (με βάση του, συντίθεται το mRNA).
Με βάση το αγγελιοφόρο RNA, συντίθεται το mRNA. Είναι ήδη μια μήτρα, μετά την οποία η πρωτεϊνική σύνθεση στο κύτταρο λαμβάνει χώρα στα ριβοσώματα (στο τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο).
Ριβοσωμική πρωτεϊνική σύνθεση
Το αγγελιοφόρο RNA έχει δύο άκρα, τα οποία είναι διατεταγμένα ως 3`-5`. Η ανάγνωση και η σύνθεση των πρωτεϊνών στα ριβοσώματα ξεκινά στο 5'άκρο και συνεχίζει μέχρι το εσώνιο, μια περιοχή που δεν κωδικοποιεί κανένα από τα αμινοξέα. Συμβαίνει έτσι:
- Το αγγελιαφόρο RNA είναι "στριμωγμένο" στο ριβόσωμα, συνδέει το πρώτο αμινοξύ.
- το ριβόσωμα μετατοπίζεται κατά μήκος του αγγελιοφόρου RNA κατά ένα κωδικόνιο.
- Το RNA μεταφοράς παρέχει το επιθυμητό (που κωδικοποιείται από το δεδομένο κωδικόνιο mRNA) άλφα-αμινοξύ.
- το αμινοξύ ενώνεται με το αρχικό αμινοξύ για να σχηματίσει ένα διπεπτίδιο.
- τότε το mRNA μετατοπίζεται και πάλι κατά ένα κωδικόνιο, ένα άλφα-αμινοξύ ανασύρεται και συνδέεται με την αναπτυσσόμενη πεπτιδική αλυσίδα.
Μόλις το ριβόσωμα φτάσει στο εσώνιο (μη κωδικοποιητικό ένθετο), το αγγελιαφόρο RNA απλώς προχωρά. Στη συνέχεια, καθώς το αγγελιαφόρο RNA προχωρά, το ριβόσωμα φθάνει ξανά στο εξόνιο - τη θέση της οποίας η αλληλουχία νουκλεοτιδίων αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.
Από αυτό το σημείο ξεκινά και πάλι η προσθήκη πρωτεϊνικών μονομερών στην αλυσίδα. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να εμφανιστεί το επόμενο εσώνιο ή μέχρι το κωδικόνιο λήξης. Η τελευταία σταματά τη σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, μετά την οποία θεωρείται ολοκληρωμένη και ξεκινά το στάδιο της μετασυνθετικής (μετα-μεταφραστικής) τροποποίησης του μορίου.
Μετα-μεταφραστική τροποποίηση
Μετά τη μετάφραση, η πρωτεϊνοσύνθεση γίνεται σε λείες δεξαμενές, οι οποίες περιέχουν μικρό αριθμό ριβοσωμάτων. Σε ορισμένα κύτταρα, μπορεί να απουσιάζουν εντελώς στις ΑΠΕ. Τέτοιες περιοχές χρειάζονται για να σχηματίσουν πρώτα μια δευτερεύουσα, μετά μια τριτογενή ή, εάν προγραμματιστεί, μια τεταρτοταγή δομή.
Όλη η πρωτεϊνοσύνθεση σε ένα κύτταρο γίνεται με κόστος τεράστιο ποσότην ενέργεια του ATP. Επομένως, απαιτούνται όλες οι άλλες βιολογικές διεργασίες για τη διατήρηση της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών. Επιπλέον, μέρος της ενέργειας απαιτείται για τη μεταφορά πρωτεϊνών στο κύτταρο με ενεργό μεταφορά.
Πολλές από τις πρωτεΐνες μεταφέρονται από μια θέση στο κύτταρο σε άλλη για τροποποίηση. Συγκεκριμένα, η μετα-μεταφραστική πρωτεϊνική σύνθεση λαμβάνει χώρα στο σύμπλεγμα Golgi, όπου μια περιοχή υδατάνθρακα ή λιπιδίου συνδέεται με ένα πολυπεπτίδιο συγκεκριμένης δομής.
Βιοσύνθεση πρωτεϊνών και γενετικός κώδικας
Ορισμός 1
Βιοσύνθεση πρωτεϊνών- την ενζυματική διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης στο κύτταρο. Περιλαμβάνει τρεις δομικά στοιχείακύτταρα - πυρήνας, 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 κώδικας- Αυτή είναι η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο μόριο του DNA, η οποία καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στο μόριο της 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 και η βαλίνη από την τριπλέτα C-A-A.
Ο κώδικας δεν επικαλύπτεται, δηλαδή ένα νουκλεοτίδιο δεν μπορεί να είναι μέρος δύο γειτονικών τριδύλων.
Ο κώδικας είναι εκφυλισμένος, δηλαδή, ένα αμινοξύ μπορεί να κωδικοποιηθεί από πολλές τρίδυμες.
Παράδειγμα 2
Το αμινοξύ τυροσίνη κωδικοποιείται από δύο τριάδες.
Ο κωδικός δεν έχει κόμματα (διαχωριστικούς χαρακτήρες), οι πληροφορίες διαβάζονται σε τριάδες νουκλεοτιδίων.
Ορισμός 3
Γονίδιο - ένα τμήμα ενός μορίου DNA, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη 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 που κωδικοποιούνται από τα ίδια τρίδυμα.
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. Έτσι, για τη μεταφορά στο σημείο της πρωτεϊνοσύνθεσης γενετικές πληροφορίεςΤο DNA χρειάζεται μεσολαβητή. 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 πραγματοποιείται στον πυρήνα του κυττάρου.
Η διαδικασία μεταγραφής πραγματοποιείται ταυτόχρονα όχι σε ολόκληρο το μόριο DNA, αλλά μόνο στο μικρό τμήμα του, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Σε αυτή την περίπτωση, το ξετύλιγμα του εξαρτήματος διπλή έλικαΤο DNA και ένα μικρό τμήμα μιας από τις αλυσίδες εκτίθενται - τώρα θα λειτουργεί ως πρότυπο για τη σύνθεση mRNA.
Στη συνέχεια, το ένζυμο πολυμεράσης RNA κινείται κατά μήκος αυτής της αλυσίδας, συνδέοντας τα νουκλεοτίδια σε μια αλυσίδα mRNA, η οποία επιμηκύνεται.
Παρατήρηση 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.
Παρατήρηση 3
Εάν το μόριο DNA έχει την αζωτούχα βάση κυτοσίνη, τότε το mRNA έχει γουανίνη και αντίστροφα. Το συμπληρωματικό ζεύγος στο DNA είναι αδενίνη-θυμίνη, ενώ το RNA περιέχει ουρακίλη αντί για θυμίνη.
Δύο άλλοι τύποι RNA, το tRNA και το rRNA, συντίθενται επίσης σε ειδικά γονίδια.
Η έναρξη και το τέλος της σύνθεσης όλων των τύπων RNA στο πρότυπο DNA καθορίζονται αυστηρά από ειδικές τριπλέτες που ελέγχουν την έναρξη (έναρξη) και τη διακοπή (τελική) σύνθεση. Εκτελούν τις λειτουργίες των «διαχωριστικών σημαδιών» μεταξύ των γονιδίων.
Ο συνδυασμός του tRNA με αμινοξέα συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα. Το μόριο tRNA έχει σχήμα φύλλου τριφυλλιού, στην κορυφή του βρίσκεται αντικωδικόνιο- μια τριάδα νουκλεοτιδίων που κωδικοποιεί το αμινοξύ που μεταφέρει αυτό το tRNA.
Πόσοι τύποι αμινοξέων, τόσα πολλά tRNA υπάρχουν.
Παρατήρηση 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
Αναμετάδοση- αυτή είναι η διαδικασία με την οποία οι πληροφορίες σχετικά με τη δομή μιας πρωτεΐνης, που καταγράφονται στο mRNA με τη μορφή μιας ακολουθίας νουκλεοτιδίων, πραγματοποιούνται με τη μορφή μιας αλληλουχίας αμινοξέων στο μόριο πρωτεΐνης που συντίθεται.
Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε ριβοσώματα.
Πρώτον, το mRNA προσκολλάται στο ριβόσωμα. Το πρώτο ριβόσωμα είναι «στριμωγμένο» στο mRNA, το οποίο συνθέτει την πρωτεΐνη. Καθώς το ριβόσωμα κινείται προς το άκρο του mRNA που έχει απελευθερωθεί, ένα νέο ριβόσωμα «κολλάται». Περισσότερα από 80 ριβοσώματα μπορούν να βρίσκονται σε ένα mRNA ταυτόχρονα, τα οποία συνθέτουν την ίδια πρωτεΐνη. Αυτή η ομάδα ριβοσωμάτων που είναι συνδεδεμένα με ένα μόνο 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, μια μικρή και μια μεγάλη. Το μόριο mRNA συνδέεται με τη μικρή υπομονάδα. Υπάρχουν 6 νουκλεοτίδια (2 τριπλέτες) στο σημείο επαφής μεταξύ του ριβοσώματος και του iRN. Ένα από αυτά προσεγγίζεται συνεχώς από το κυτταρόπλασμα από tRNA με διαφορετικά αμινοξέα και αγγίζεται από το αντικωδικόνιο του κωδικονίου mRNA. Εάν οι τριπλέτες του κωδικονίου και του αντικωδικονίου είναι συμπληρωματικές, δημιουργείται ένας πεπτιδικός δεσμός μεταξύ του αμινοξέος του ήδη συντιθέμενου μέρους της πρωτεΐνης και του αμινοξέος που παρέχεται από το tRNA. Η σύνδεση των αμινοξέων σε ένα μόριο πρωτεΐνης πραγματοποιείται με τη συμμετοχή του ενζύμου συνθετάσης. Το μόριο tRNA δωρίζει ένα αμινοξύ και εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα, ενώ το ριβόσωμα κινεί μία τριάδα νουκλεοτιδίων. Έτσι συντίθεται διαδοχικά μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Όλα αυτά συνεχίζονται έως ότου το ριβόσωμα φτάσει σε ένα από τα τρία κωδικόνια τερματισμού: UAA, UAG ή UGA. Μετά από αυτό, η πρωτεϊνοσύνθεση σταματά.
Παρατήρηση 5
Έτσι, η αλληλουχία των κωδικονίων mRNA καθορίζει την αλληλουχία στην οποία περιλαμβάνονται τα αμινοξέα στην πρωτεϊνική αλυσίδα. Οι συντιθέμενες πρωτεΐνες εισέρχονται στα κανάλια του ενδοπλασματικού δικτύου. Ένα μόριο πρωτεΐνης σε ένα κύτταρο συντίθεται σε 1-2 λεπτά.
τις εγγενείς πρωτεΐνες του.Κάθε κύτταρο περιέχει χιλιάδες πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων μόνο εκείνων που είναι εγγενείς αυτό το είδοςκύτταρα. Δεδομένου ότι όλες οι πρωτεΐνες καταστρέφονται αργά ή γρήγορα στη διάρκεια της ζωής, το κύτταρο πρέπει να συνθέτει συνεχώς πρωτεΐνες για να αποκαταστήσει μεμβράνες, οργανίδια κλπ. Επιπλέον, πολλά κύτταρα «κατασκευάζουν» πρωτεΐνες για τις ανάγκες ολόκληρου του οργανισμού, για παράδειγμα κύτταρα των ενδοκρινών αδένων που εκκρίνουν πρωτεϊνικές ορμόνες στο αίμα. Σε τέτοια κύτταρα, η πρωτεϊνοσύνθεση είναι ιδιαίτερα εντατική.
Η πρωτεϊνοσύνθεση απαιτεί πολλή ενέργεια.
Η πηγή αυτής της ενέργειας, όπως για όλες τις κυτταρικές διεργασίες, είναι ATP. Η ποικιλομορφία των πρωτεϊνικών λειτουργιών καθορίζεται από την κύρια δομή τους, δηλ. την αλληλουχία των αμινοξέων στο μόριό τους. Με τη σειρά του, κληρονομικό πληροφορίεςπερίπου η πρωταρχική δομή της πρωτεΐνης βρίσκεται στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο μόριο του DNA. Το τμήμα του DNA που περιέχει πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή δομή μιας μεμονωμένης πρωτεΐνης ονομάζεται γονίδιο. Ένα χρωμόσωμα περιέχει πληροφορίες για τη δομή πολλών εκατοντάδων πρωτεϊνών.
Γενετικός κώδικας.
Κάθε αμινοξύ σε μια πρωτεΐνη DNAαντιστοιχεί σε μια αλληλουχία τριών νουκλεοτιδίων που βρίσκονται το ένα μετά το άλλο - μια τριάδα. Μέχρι σήμερα, έχει συνταχθεί ένας χάρτης του γενετικού κώδικα, δηλαδή είναι γνωστό ποιοι τριπλοί συνδυασμοί νουκλεοτιδίων DNA αντιστοιχούν σε ένα ή άλλο από τα 20 αμινοξέα που συνθέτουν τις πρωτεΐνες (Εικ. 33). Όπως γνωρίζετε, τέσσερις αζωτούχες βάσεις μπορούν να συμπεριληφθούν στο DNA: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), θυμίνη (Τ) και κυτοσίνη (C). Ο αριθμός των συνδυασμών από 4 έως 3 είναι: 43 = 64, δηλαδή μπορούν να κωδικοποιηθούν 64 διαφορετικά αμινοξέα, ενώ κωδικοποιούνται μόνο 20 αμινοξέα. Αποδείχθηκε ότι πολλά αμινοξέα αντιστοιχούν όχι σε μία, αλλά σε πολλές διαφορετικές τριπλέτες - κωδικόνια.
Υποτίθεται ότι αυτή η ιδιότητα του γενετικού κώδικα αυξάνει την αξιοπιστία αποθήκευσης και μετάδοσης γενετικής πληροφορίας κατά τη διαίρεση των κυττάρων. Για παράδειγμα, 4 κωδικόνια αντιστοιχούν στο αμινοξύ αλανίνη: CGA, CHG, CHT, CHC και αποδεικνύεται ότι ένα τυχαίο σφάλμα στο τρίτο νουκλεοτίδιο δεν μπορεί να επηρεάσει τη δομή της πρωτεΐνης - θα εξακολουθεί να είναι ένα κωδικόνιο αλανίνης.
Δεδομένου ότι το μόριο DNA περιέχει εκατοντάδες γονίδια, περιλαμβάνει απαραίτητα τρίδυμα, τα οποία είναι «σημεία στίξης» και υποδεικνύουν την αρχή και το τέλος ενός συγκεκριμένου γονιδίου.
Μια πολύ σημαντική ιδιότητα του γενετικού κώδικα είναι η ειδικότητα, δηλαδή μια τριάδα υποδηλώνει πάντα μόνο ένα αμινοξύ. Ο γενετικός κώδικας είναι καθολικός για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους.
Μεταγραφή. Ο φορέας όλων των γενετικών πληροφοριών είναι το DNA που βρίσκεται στα κύτταρα. Η ίδια η πρωτεϊνοσύνθεση συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, στα ριβοσώματα. Από τον πυρήνα μέχρι το κυτταρόπλασμα, οι πληροφορίες για τη δομή της πρωτεΐνης έρχονται με τη μορφή αγγελιαφόρου RNA (i-RNA). Για να συντεθεί το i-RNA, ένα τμήμα DNA «ξετυλίγεται», αποσπείρεται και στη συνέχεια, σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας, τα μόρια RNA συντίθενται σε μία από τις αλυσίδες DNA με τη βοήθεια ενζύμων (Εικ. 34). Αυτό συμβαίνει ως εξής: ενάντια, για παράδειγμα, η γουανίνη του μορίου DNA γίνεται κυτοσίνη του μορίου RNA, έναντι της αδενίνης του μορίου DNA - ουρακίλη RNA (θυμηθείτε ότι η ουρακίλη περιλαμβάνεται στα νουκλεοτίδια αντί της θυμίνης στο RNA), έναντι της θυμίνης του DNA - RNA αδενίνης και έναντι της κυτοσίνης του DNA - RNA γουανίνης. Έτσι, σχηματίζεται μια αλυσίδα i-RNA, η οποία είναι ακριβές αντίγραφο της δεύτερης αλυσίδας DNA (μόνο η θυμίνη αντικαθίσταται από ουρακίλη). Έτσι, πληροφορίες σχετικά με τη νουκλεοτιδική αλληλουχία οποιουδήποτε γονιδίου DNA «ξαναγράφονται» στην νουκλεοτιδική αλληλουχία του i-RNA. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή. Στους προκαρυώτες, τα συντιθέμενα μόρια mRNA μπορούν να αλληλεπιδράσουν αμέσως με τα ριβοσώματα και αρχίζει η πρωτεϊνοσύνθεση. Στους ευκαρυώτες, το mRNA αλληλεπιδρά στον πυρήνα με ειδικές πρωτεΐνες και μεταφέρεται μέσω της πυρηνικής μεμβράνης στο κυτταρόπλασμα.
Το κυτταρόπλασμα πρέπει να περιέχει ένα σύνολο αμινοξέων που είναι απαραίτητα για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Αυτά τα αμινοξέα σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της διάσπασης των πρωτεϊνών των τροφίμων. Επιπλέον, ένα ή άλλο αμινοξύ μπορεί να φτάσει στη θέση της άμεσης πρωτεϊνικής σύνθεσης, δηλαδή στο ριβόσωμα, μόνο με την προσκόλληση σε ένα ειδικό RNA μεταφοράς (t-RNA).
RNA μεταφοράς.
Για τη μεταφορά κάθε τύπου αμινοξέος στο ριβόσωμα, χρειάζεται ξεχωριστός τύπος tRNA. Δεδομένου ότι υπάρχουν περίπου 20 αμινοξέα στις πρωτεΐνες, υπάρχουν εξίσου πολλοί τύποι tRNA. Η δομή όλων των tRNA είναι παρόμοια (Εικ. 35). Τα μόριά τους σχηματίζουν περίεργες δομές που μοιάζουν σε σχήμα φύλλου τριφυλλιού. Οι τύποι tRNA διαφέρουν αναγκαστικά στην τριάδα των νουκλεοτιδίων που βρίσκονται «στην κορυφή». Αυτή η τριάδα, που ονομάζεται αντικωδικόνιο, αντιστοιχεί στον γενετικό της κώδικα στο αμινοξύ που πρόκειται να μεταφέρει αυτό το tRNA. Ένα ειδικό ένζυμο προσκολλά στον «μίσχο του φύλλου» το αμινοξύ που κωδικοποιείται από την τριάδα συμπληρωματική προς το αντικωδικόνιο.
Αναμετάδοση.
Στο κυτταρόπλασμα, εμφανίζεται το τελευταίο στάδιο της πρωτεϊνικής σύνθεσης - μετάφραση. Στο τέλος του i-RNA, από το οποίο πρέπει να ξεκινήσει η πρωτεϊνοσύνθεση, ένα ριβόσωμα είναι κορδόνι (Εικ. 36). Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του μορίου i-RNA κατά διαστήματα, «πηδά», παραμένοντας σε κάθε τρίδυμο για περίπου 0,2 δευτερόλεπτα. Σε αυτή τη στιγμή, ένα t-RNA στα πολλά είναι σε θέση να «αναγνωρίσει» με το αντικωδικόνιό του την τριπλέτα στην οποία βρίσκεται το ριβόσωμα. Και αν το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό σε αυτήν την τριπλέτα mRNA, το αμινοξύ αποσπάται από τον «μίσχο του φύλλου» και συνδέεται με έναν πεπτιδικό δεσμό στην αναπτυσσόμενη πρωτεϊνική αλυσίδα (Εικ. 37). Αυτή τη στιγμή, το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του i-RNA στην επόμενη τριάδα, κωδικοποιώντας το επόμενο αμινοξύ της συντιθέμενης πρωτεΐνης και το επόμενο t-RNA "φέρνει" το απαραίτητο αμινοξύ, το οποίο δημιουργεί την αναπτυσσόμενη πρωτεϊνική αλυσίδα. Αυτή η λειτουργία επαναλαμβάνεται όσες φορές είναι ο αριθμός των αμινοξέων που πρέπει να περιέχει η πρωτεΐνη υπό κατασκευή. Όταν το ριβόσωμα περιέχει μία από τις τριπλέτες, που είναι ένα «σήμα διακοπής» μεταξύ των γονιδίων, τότε ούτε ένα t-RNA δεν μπορεί να ενώσει μια τέτοια τριάδα, αφού το t-RNA δεν έχει αντικωδικόνια για αυτά. Σε αυτό το σημείο τελειώνει η πρωτεϊνοσύνθεση. Όλες οι περιγραφόμενες αντιδράσεις συμβαίνουν σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Υπολογίζεται ότι η σύνθεση ενός αρκετά μεγάλου μορίου πρωτεΐνης διαρκεί μόνο περίπου δύο λεπτά.
Το κύτταρο δεν χρειάζεται ένα, αλλά πολλά μόρια από κάθε πρωτεΐνη. Ως εκ τούτου, μόλις το ριβόσωμα, το οποίο ήταν το πρώτο που ξεκίνησε την πρωτεϊνοσύνθεση στο mRNA, κινηθεί προς τα εμπρός, ένα δεύτερο ριβόσωμα, που συνθέτει την ίδια πρωτεΐνη, τοποθετείται στο ίδιο mRNA. Στη συνέχεια, το τρίτο και το τέταρτο ριβοσώματα είναι διαδοχικά στριμωγμένα στο i-RNA, κ.λπ. Όλα τα ριβοσώματα που συνθέτουν την ίδια πρωτεΐνη που κωδικοποιείται σε αυτό το i-RNA ονομάζονται πολυσώματα.
Όταν ολοκληρωθεί η πρωτεϊνική σύνθεση, το ριβόσωμα μπορεί να βρει άλλο mRNA και να αρχίσει να συνθέτει την πρωτεΐνη της οποίας η δομή κωδικοποιείται στο νέο mRNA.
Έτσι, μετάφραση είναι η μετάφραση της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας ενός μορίου i-RNA στην αλληλουχία αμινοξέων της συντιθέμενης πρωτεΐνης.
Υπολογίζεται ότι όλες οι πρωτεΐνες ενός σώματος θηλαστικού μπορούν να κωδικοποιηθούν μόνο από το δύο τοις εκατό του DNA που περιέχεται στα κύτταρά του. Σε τι χρησιμεύει το άλλο 98% του DNA; Αποδεικνύεται ότι κάθε γονίδιο είναι πολύ πιο περίπλοκο από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως και περιέχει όχι μόνο το τμήμα στο οποίο κωδικοποιείται η δομή μιας πρωτεΐνης, αλλά και ειδικές ενότητες που μπορούν να «ενεργοποιήσουν» ή να «απενεργοποιήσουν» το έργο κάθε γονιδίου . Γι' αυτό όλα τα κύτταρα, για παράδειγμα ανθρώπινο σώμα, έχοντας το ίδιο σύνολο χρωμοσωμάτων, είναι σε θέση να συνθέσουν διαφορετικές πρωτεΐνες: σε ορισμένα κύτταρα, η πρωτεϊνοσύνθεση συμβαίνει με τη βοήθεια ορισμένων γονιδίων, ενώ σε άλλα εμπλέκονται εντελώς διαφορετικά γονίδια. Έτσι, σε κάθε κύτταρο πραγματοποιείται μόνο ένα μέρος της γενετικής πληροφορίας που περιέχεται στα γονίδιά του.
Η πρωτεϊνοσύνθεση απαιτεί τη συμμετοχή μεγάλου αριθμού ενζύμων. Και για κάθε μεμονωμένη αντίδραση πρωτεϊνοσύνθεσης απαιτούνται εξειδικευμένα ένζυμα.
Γονίδιο. Γενετικός κώδικας. Τρίδυμα. Κωδόνιο. Μεταγραφή. Αντικωδικόνιο. Αναμετάδοση. Πολύσωμα.
1. Τι είναι η μεταγραφή;
2. Τι είναι η εκπομπή;
3. Πού γίνεται η μεταγραφή και η μετάφραση;
4. Τι είναι το πολυσωμάτιο;
5. Γιατί μόνο ένα μέρος των γονιδίων «δουλεύει» σε διαφορετικά κύτταρα ενός οργανισμού;
6. Μπορεί να υπάρχει κύτταρο που να μην είναι ικανό για ανεξάρτητη σύνθεση ουσιών.
Kamensky A. A., Kriksunov E. V., Pasechnik V. V. Βιολογία Βαθμός 9
Υποβλήθηκε από αναγνώστες από τον ιστότοπο
Η διαδικασία της πρωτεϊνικής σύνθεσης σε ένα κύτταρο ονομάζεται βιοσύνθεση.Αποτελείται από δύο κύρια στάδια - μεταγραφή και μετάφραση (Εικ. 4.5). Πρώτο στάδιο - μεταγραφή γενετικών πληροφοριών- η διαδικασία σύνθεσης του μονόκλωνου mRNA K συμπληρωματικού σε μια λογική αλυσίδα DNA, δηλαδή η μεταφορά γενετικών πληροφοριών σχετικά με τη νουκλεοτιδική δομή του DNA στο mRNA. Μέσω των οπών της πυρηνικής μεμβράνης, το mRNA εισέρχεται στα κανάλια του ενδοπλασματικού δικτύου και εδώ συνδυάζεται με ριβοσώματα. Η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στο μόριο mRNA και τα ριβοσώματα κινούνται κατά μήκος του και το αφήνουν μέχρι το τέλος της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας (Εικ. 4.6).
Το Σχήμα 4.6 δείχνει μόνο δύο τριπλέτες: το συμπληρωματικό αντικωδικόνιο, που αντιστοιχεί στη στήλη mRNA, και το τριπλό CCA, στο οποίο συνδέονται τα αμινοξέα (LA).
Τα αμινοξέα που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ενεργοποιούνται από ένζυμα, μετά από τα οποία συνδέονται με έναν άλλο τύπο RNA - μεταφορά. Θα παραμορφώσει τα αμινοξέα στα ριβοσώματα. Διάφορα tRNA παραδίδουν αμινοξέα στο ριβόσωμα και τα διατάσσουν σύμφωνα με την αλληλουχία των τριπλών mRNA. Τρία διαδοχικά νουκλεοτίδια που κωδικοποιούσαν ένα συγκεκριμένο αμινοξύ ονομάζονταν κωδικόνιο (mRNA) και μια άθραυστη τριάδα ονομάστηκε αντικωδώνιο (tRNA). Τα κωδικόνια δεν διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Παρέχοντας ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, το tRNA αλληλεπιδρά με το mRNA (κωδικόνιο-αντικωδόνιο). και το αμινοξύ ενώνει το αναπτυσσόμενο δάπεδο και την πεπτιδική αλυσίδα. Είναι προφανές ότι η σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου, δηλαδή η διάταξη των αμινοξέων σε αυτό, καθορίζεται από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων mRNA.
Το δεύτερο στάδιο της βιοσύνθεσης - αναμετάδοση- μετάφραση της γενετικής πληροφορίας από το mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στην τριάδα, κωδικοποιείται ένα ορισμένο αμινοξύ. Έχει διαπιστωθεί ότι ο γενετικός κώδικας είναι τριπλός, δηλαδή κάθε αμινοξύ κωδικοποιείται από έναν συνδυασμό τριών νουκλεοτιδίων. Εάν ο κωδικός είναι τριπλός, τότε 64 κωδικόνια (4v3) μπορούν να κατασκευαστούν από τέσσερις αζωτούχες βάσεις. Αυτό είναι περισσότερο από αρκετό για να κωδικοποιήσει 20 αμινοξέα. Μια νέα ιδιότητα του γενετικού κώδικα αποκαλύφθηκε - ο πλεονασμός του, δηλαδή ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούν όχι ένα, αλλά μεγαλύτερο αριθμό τριδύμων. Από τα 64 κωδικόνια, τα τρία αναγνωρίζονται ως κωδικόνια λήξης· προκαλούν τον τερματισμό (τερματισμό) ή τη διακοπή της γενετικής μετάφρασης (Πίνακας 4.2).
Ο γενετικός κώδικας δεν επικαλύπτεται. Εάν τα κωδικόνια επικαλύπτονταν, τότε μια αλλαγή σε ένα ζεύγος βάσεων θα είχε ως αποτέλεσμα μια αλλαγή σε δύο αμινοξέα στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, και αυτό δεν συμβαίνει. Επιπλέον, είναι καθολικό - το ίδιο για τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών των ζωντανών όντων. Η καθολικότητα του κώδικα μαρτυρεί την ενότητα της ζωής στη Γη. Έτσι, ο γενετικός κώδικας είναι ένα σύστημα καταγραφής κληρονομικών πληροφοριών σε νουκλεϊκά οξέα με τη μορφή μιας ακολουθίας νουκλεοτιδίων.
Στη συνέχεια, ο τρόπος για την υλοποίηση της γενετικής πληροφορίας στο κύτταρο συμπληρώθηκε από την αντίστροφη μεταγραφή (σύνθεση DNA σε ένα πρότυπο RNA) - αντιγραφή DNA και RNA (Εικ. 4.7).
Ένα γονίδιο είναι ένα τμήμα του DNA. που κωδικοποιεί την πρωτογενή δομή ενός πολυπεπτιδίου ή νουκλεϊκού οξέος. Πολλά διαφορετικά γονίδια εμπλέκονται στον έλεγχο της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας: δομικά γονίδια, γονίδιο ρυθμιστή και γονίδιο χειριστή. Ο μηχανισμός ρύθμισης του γενετικού κώδικα ανακαλύφθηκε από τους Γάλλους επιστήμονες F. Jacob και J. Monod το 1961 σε βακτήρια E. coli και ονομάστηκε μηχανισμός επαγωγής-καταστολής. Τα δομικά γονίδια κωδικοποιούν την αλληλουχία αμινοξέων στα πολυπεπτίδια. Συνήθως, για τα δομικά γονίδια, υπάρχει ένα κοινό ρυθμιστικό σύστημα που αποτελείται από ένα γονίδιο ρυθμιστή και ένα γονίδιο χειριστή. Το γονίδιο ρυθμιστή καθορίζει τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης καταστολέα, η οποία, όταν συνδυάζεται με έναν χειριστή, «επιτρέπει» ή «απαγορεύει» την ανάγνωση πληροφοριών από τα αντίστοιχα δομικά γονίδια. Το γονίδιο χειριστή και τα δομικά γονίδια που το ακολουθούσαν ονομάστηκαν οπερόνιο - μονάδα ανάγνωσης γενετικών πληροφοριών, μονάδα μεταγραφής (Εικ. 4.8).
Για παράδειγμα, για την κανονική ζωή του E. coli, η ζάχαρη γάλακτος - λακτόζη είναι απαραίτητη. Έχει μια περιοχή λακτόζης (lac-operon), στην οποία βρίσκονται τρία δομικά γονίδια για τη διάσπαση της λακτόζης. Εάν η λακτόζη δεν εισέλθει στο κύτταρο, τότε η πρωτεΐνη καταστολέα που παράγεται από το ρυθμιστικό γονίδιο συνδέεται με τον χειριστή και ως εκ τούτου «απαγορεύει» τη μεταγραφή (σύνθεση mRNA) από ολόκληρο το οπερόνιο. Εάν η λακτόζη εισέλθει στο κύτταρο, τότε η λειτουργία της πρωτεΐνης καταστολέα μπλοκάρεται, αρχίζει η μεταγραφή, η μετάφραση, η σύνθεση ενζυμικών πρωτεϊνών και η απόψυξη της λακτόζης. Μετά τη διάσπαση όλης της λακτόζης, η δραστηριότητα της πρωτεΐνης καταστολέα αποκαθίσταται και η μεταγραφή καταστέλλεται.
Έτσι, τα γονίδια μπορούν να είναι ενεργοποιημένα και απενεργοποιημένα. Η ρύθμισή τους επηρεάζεται από μεταβολικά προϊόντα, ορμόνες. Το γονίδιο λειτουργεί στο σύστημα DNA-RNA-πρωτεΐνης, το οποίο επηρεάζεται από την αλληλεπίδραση γονιδίων και περιβαλλοντικών παραγόντων.
Ο ρόλος των πρωτεϊνών στο κύτταρο και στο σώμα
Ο ρόλος της πρωτεΐνης στη ζωή των κυττάρων και τα κύρια στάδια της σύνθεσής της. Η δομή και οι λειτουργίες των ριβοσωμάτων. Ο ρόλος των ριβοσωμάτων στη σύνθεση πρωτεϊνών.
Οι σκίουροι παίζουν αποκλειστικά μεγάλο ρόλοστις διαδικασίες ζωής του κυττάρου και του οργανισμού, χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες λειτουργίες.
Κατασκευαστικός.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 ιστού αράχνης. Η κερατίνη είναι μέρος της επιδερμίδας και των παραγώγων της (μαλλιά, κέρατα, φτερά). Σχηματίζουν κελύφη (καψίδια) ιών.
Ενζυματική.Ολα χημικές αντιδράσειςστο κύτταρο προχωρούν με τη συμμετοχή βιολογικών καταλυτών - ενζύμων (οξειδοαναγωγάση, υδρολάση, λιγάση, τρανσφεράση, ισομεράση, και λυάση).
Ρυθμιστική.Για παράδειγμα, οι ορμόνες ινσουλίνη και γλυκαγόνη ρυθμίζουν το μεταβολισμό της γλυκόζης. Οι πρωτεΐνες ιστόνης εμπλέκονται στη χωρική οργάνωση της χρωματίνης και έτσι επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων.
Μεταφορά.Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει οξυγόνο στο αίμα των σπονδυλωτών, η αιμοκυανίνη στην αιμολέμφο ορισμένων ασπόνδυλων, η μυοσφαιρίνη στους μύες. Η αλβουμίνη ορού χρησιμεύει για τη μεταφορά λιπαρών οξέων, λιπιδίων κ.λπ. Οι πρωτεΐνες μεταφοράς μεμβράνης παρέχουν ενεργή μεταφορά ουσιών μέσω των κυτταρικών μεμβρανών (Na +, K + -ATPase). Τα κυτοχρώματα πραγματοποιούν τη μεταφορά ηλεκτρονίων κατά μήκος των αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών.
Προστατευτικός.Για παράδειγμα, τα αντισώματα (ανοσοσφαιρίνες) σχηματίζουν σύμπλοκα με βακτηριακά αντιγόνα και με ξένες πρωτεΐνες. Οι ιντερφερόνες εμποδίζουν τη σύνθεση της ιικής πρωτεΐνης σε ένα μολυσμένο κύτταρο. Το ινωδογόνο και η θρομβίνη εμπλέκονται στις διαδικασίες πήξης του αίματος.
Συσταλτικό (μοτέρ).Οι πρωτεΐνες ακτίνη και μυοσίνη παρέχουν τις διαδικασίες μυϊκής συστολής και συστολής των κυτταροσκελετικών στοιχείων.
Σήμα (δέκτης).Οι πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης αποτελούν μέρος των υποδοχέων και των επιφανειακών αντιγόνων.
πρωτεΐνες αποθήκευσης. Καζεΐνη γάλακτος, αλβουμίνη αυγό κότας, φερριτίνη (αποθηκεύει σίδηρο στη σπλήνα).
Πρωτεϊνικές τοξίνες. τοξίνη διφθερίτιδας.
Ενεργειακή λειτουργία.Με τη διάσπαση 1 g πρωτεΐνης στα τελικά μεταβολικά προϊόντα (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2), απελευθερώνονται 17,6 kJ ή 4,2 kcal ενέργειας.
Η βιοσύνθεση πρωτεϊνών λαμβάνει χώρα σε κάθε ζωντανό κύτταρο. Είναι πιο δραστικό σε νεαρά αναπτυσσόμενα κύτταρα, όπου συντίθενται πρωτεΐνες για την κατασκευή των οργανιδίων τους, καθώς και σε εκκριτικά κύτταρα, όπου συντίθενται πρωτεΐνες ενζύμων και ορμονικές πρωτεΐνες.
Κύριος ρόλοςστον προσδιορισμό της δομής των πρωτεϊνών ανήκει στο DNA. Ένα κομμάτι DNA που περιέχει πληροφορίες για τη δομή μιας μεμονωμένης πρωτεΐνης ονομάζεται γονίδιο. Ένα μόριο DNA περιέχει αρκετές εκατοντάδες γονίδια. Ένα μόριο DNA περιέχει έναν κώδικα για την αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη με τη μορφή οριστικά συνδυασμένων νουκλεοτιδίων.
πρωτεϊνοσύνθεση -μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων που αντιπροσωπεύει μια αλυσίδα συνθετικών αντιδράσεων που προχωρούν σύμφωνα με την αρχή της σύνθεσης μήτρας.
Στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών καθορίζονται τα ακόλουθα βήματα, τα οποία πηγαίνουν στο διαφορετικά μέρηκύτταρα:
Πρώτο στάδιο -Η σύνθεση i-RNA λαμβάνει χώρα στον πυρήνα, κατά την οποία οι πληροφορίες που περιέχονται στο γονίδιο του DNA ξαναγράφονται σε i-RNA. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή (από το λατινικό "μεταγραφή" - επανεγγραφή).
Στο δεύτερο στάδιουπάρχει σύνδεση αμινοξέων με μόρια t-RNA, τα οποία αποτελούνται διαδοχικά από τρία νουκλεοτίδια - αντικωδικόνια, με τη βοήθεια των οποίων προσδιορίζεται το τριπλό κωδικόνιό του.
Τρίτο στάδιο -Αυτή είναι η διαδικασία άμεσης σύνθεσης πολυπεπτιδικών δεσμών, που ονομάζεται μετάφραση. Εμφανίζεται στα ριβοσώματα.
Στο τέταρτο στάδιοο σχηματισμός της δευτερογενούς και τριτοταγούς δομής της πρωτεΐνης, δηλαδή ο σχηματισμός της τελικής δομής της πρωτεΐνης.
Έτσι, στη διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, σχηματίζονται νέα μόρια πρωτεΐνης σύμφωνα με τις ακριβείς πληροφορίες που είναι ενσωματωμένες στο DNA. Αυτή η διαδικασία εξασφαλίζει την ανανέωση των πρωτεϊνών, τις μεταβολικές διεργασίες, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των κυττάρων, δηλαδή όλες τις διαδικασίες της ζωτικής δραστηριότητας των κυττάρων.
