Brève description de la façon dont la synthèse des protéines se produit dans une cellule. Biosynthèse des protéines : concise et compréhensible
Le rôle des protéines dans la cellule et le corps
Le rôle de la protéine dans la vie cellulaire et les principales étapes de sa synthèse. La structure et les fonctions des ribosomes. Le rôle des ribosomes dans la synthèse des protéines.
Les protéines jouent un rôle extrêmement important dans les processus vitaux de la cellule et du corps, elles se caractérisent par les fonctions suivantes.
De construction. Ils font partie des structures intracellulaires, des tissus et des organes. Par exemple, le collagène et l'élastine servent de composants du tissu conjonctif : os, tendons, cartilage ; la fibroïne fait partie de la soie‚ des toiles d'araignée ; la kératine fait partie de l'épiderme et de ses dérivés (poils, cornes, plumes). Ils forment des coquilles (capsides) de virus.
Enzymatique. Toutes les réactions chimiques dans la cellule se déroulent avec la participation de catalyseurs biologiques - enzymes (oxydoréductase, hydrolase, ligase, transférase, isomérase et lyase).
Réglementaire. Par exemple, les hormones insuline et glucagon régulent le métabolisme du glucose. Les protéines histones sont impliquées dans l'organisation spatiale de la chromatine et affectent ainsi l'expression des gènes.
Transport. L'hémoglobine transporte l'oxygène dans le sang des vertébrés, l'hémocyanine dans l'hémolymphe de certains invertébrés, la myoglobine dans les muscles. L'albumine sérique sert au transport des acides gras, des lipides, etc. Les protéines de transport membranaire assurent le transport actif de substances à travers les membranes cellulaires (Na +, K + -ATPase). Les cytochromes effectuent le transfert d'électrons le long des chaînes de transport d'électrons des mitochondries et des chloroplastes.
Protecteur. Par exemple, les anticorps (immunoglobulines) forment des complexes avec des antigènes bactériens et avec des protéines étrangères. Les interférons bloquent la synthèse de la protéine virale dans une cellule infectée. Le fibrinogène et la thrombine sont impliqués dans les processus de coagulation du sang.
Contractile (moteur). Les protéines actine et myosine assurent les processus de contraction musculaire et de contraction des éléments du cytosquelette.
Signal (récepteur). Les protéines de la membrane cellulaire font partie des récepteurs et des antigènes de surface.
protéines de stockage. Caséine de lait, albumine d'œuf, ferritine (stocke le fer dans la rate).
Toxines protéiques. toxine diphtérique.
Fonction énergétique. Avec la décomposition de 1 g de protéines en produits métaboliques finaux (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2), 17,6 kJ ou 4,2 kcal d'énergie sont libérés.
La biosynthèse des protéines a lieu dans chaque cellule vivante. Il est le plus actif dans les jeunes cellules en croissance, où les protéines sont synthétisées pour la construction de leurs organites, ainsi que dans les cellules sécrétoires, où les protéines enzymatiques et les protéines hormonales sont synthétisées.
Le rôle principal dans la détermination de la structure des protéines appartient à l'ADN. Un morceau d'ADN contenant des informations sur la structure d'une seule protéine est appelé un gène. Une molécule d'ADN contient plusieurs centaines de gènes. Une molécule d'ADN contient un code pour la séquence d'acides aminés dans une protéine sous la forme de nucléotides définitivement combinés.
Synthèse des protéines - un procédé complexe à plusieurs étapes représentant une chaîne de réactions de synthèse procédant selon le principe de la synthèse matricielle.
Dans la biosynthèse des protéines, les étapes suivantes sont déterminées, qui se déroulent dans différentes parties de la cellule :
Première étape - La synthèse de l'i-ARN se produit dans le noyau, au cours de laquelle l'information contenue dans le gène de l'ADN est réécrite en i-ARN. Ce processus est appelé transcription (du latin "transcript" - réécriture).
A la deuxième étape il existe une connexion d'acides aminés avec des molécules d'ARN-t, qui consistent séquentiellement en trois nucléotides - anticodons, à l'aide desquels son codon triplet est déterminé.
Troisième étape - c'est le processus de synthèse directe des liaisons polypeptidiques, appelé traduction. Il se produit dans les ribosomes.
A la quatrième étape la formation de la structure secondaire et tertiaire de la protéine, c'est-à-dire la formation de la structure finale de la protéine.
Ainsi, dans le processus de biosynthèse des protéines, de nouvelles molécules de protéines sont formées conformément aux informations exactes intégrées dans l'ADN. Ce processus assure le renouvellement des protéines, les processus métaboliques, la croissance et le développement des cellules, c'est-à-dire l'ensemble des processus de l'activité vitale cellulaire.
Pour étudier les processus qui se produisent dans le corps, vous devez savoir ce qui se passe au niveau cellulaire. Où les protéines jouent un rôle important. Il est nécessaire d'étudier non seulement leurs fonctions, mais également le processus de création. Il est donc important d'expliquer brièvement et clairement. La 9e année est la meilleure solution pour cela. C'est à ce stade que les élèves ont suffisamment de connaissances pour comprendre ce sujet.
Les protéines - qu'est-ce que c'est et à quoi servent-elles
Ces composés macromoléculaires jouent un rôle énorme dans la vie de tout organisme. Les protéines sont des polymères, c'est-à-dire qu'elles sont constituées de nombreux «morceaux» similaires. Leur nombre peut varier de quelques centaines à des milliers.
Les protéines remplissent de nombreuses fonctions dans la cellule. Leur rôle est également important à des niveaux d'organisation plus élevés : les tissus et les organes dépendent largement du bon fonctionnement de diverses protéines.
Par exemple, toutes les hormones sont d'origine protéique. Mais ce sont ces substances qui contrôlent tous les processus du corps.
L'hémoglobine est aussi une protéine, elle se compose de quatre chaînes, qui sont reliées au centre par un atome de fer. Cette structure offre la capacité de transporter l'oxygène par les érythrocytes.
Rappelons que toutes les membranes contiennent des protéines. Ils sont nécessaires au transport des substances à travers la membrane cellulaire.
Il existe de nombreuses autres fonctions des molécules de protéines qu'elles remplissent clairement et sans aucun doute. Ces composés étonnants sont très divers non seulement dans leurs rôles dans la cellule, mais aussi dans leur structure.
Où se fait la synthèse
Le ribosome est l'organite dans lequel se déroule l'essentiel du processus appelé "biosynthèse des protéines". La 9e année dans différentes écoles diffère dans le programme d'études de la biologie, mais de nombreux enseignants donnent du matériel sur les organites à l'avance, avant d'étudier la traduction.
Par conséquent, il ne sera pas difficile pour les étudiants de se souvenir de la matière couverte et de la consolider. Vous devez savoir qu'une seule chaîne polypeptidique peut être créée sur un organite à la fois. Ce n'est pas suffisant pour satisfaire tous les besoins de la cellule. Par conséquent, il existe de nombreux ribosomes et, le plus souvent, ils sont associés au réticulum endoplasmique.
Un tel EPS est appelé rugueux. L'intérêt d'une telle « collaboration » est évident : immédiatement après la synthèse, la protéine entre dans le canal de transport et peut être envoyée à destination sans délai.
Mais si l'on prend en compte le tout début, à savoir la lecture des informations de l'ADN, alors on peut dire que la biosynthèse des protéines dans une cellule vivante commence dans le noyau. C'est là que le code génétique est synthétisé.
Les matériaux nécessaires sont les acides aminés, le lieu de synthèse est le ribosome
Il semble qu'il soit difficile d'expliquer comment se déroule la biosynthèse des protéines, brièvement et clairement, le schéma du processus et de nombreux dessins sont simplement nécessaires. Ils aideront à transmettre toutes les informations, ainsi que les étudiants pourront s'en souvenir plus facilement.
Tout d'abord, pour la synthèse, vous avez besoin d'un "matériau de construction" - les acides aminés. Certains d'entre eux sont produits par le corps. D'autres ne peuvent être obtenus qu'à partir de la nourriture, ils sont dits indispensables.
Le nombre total d'acides aminés est de vingt, mais en raison du grand nombre d'options dans lesquelles ils peuvent être disposés en une longue chaîne, les molécules de protéines sont très diverses. Ces acides ont une structure similaire, mais diffèrent par leurs radicaux.
Ce sont les propriétés de ces parties de chaque acide aminé qui déterminent quelle structure la chaîne résultante « pliera », si elle formera une structure quaternaire avec d'autres chaînes et quelles propriétés la macromolécule résultante aura.
Le processus de biosynthèse des protéines ne peut pas se dérouler simplement dans le cytoplasme, il a besoin d'un ribosome. se compose de deux sous-unités - grande et petite. Au repos, ils sont séparés, mais dès que la synthèse commence, ils se connectent immédiatement et commencent à travailler.
Ces acides ribonucléiques différents et importants
Afin d'apporter un acide aminé au ribosome, vous avez besoin d'un ARN spécial appelé transport. Il est abrégé en ARNt. Cette molécule de trèfle simple brin est capable de fixer un seul acide aminé à son extrémité libre et de le transporter vers le site de synthèse des protéines.
Un autre ARN impliqué dans la synthèse des protéines est appelé matrice (information). Il porte un composant tout aussi important de la synthèse - un code qui indique clairement quand quel acide aminé enchaîner à la chaîne protéique résultante.
Cette molécule a une structure simple brin, constituée de nucléotides, ainsi que d'ADN. Il existe certaines différences dans la structure primaire de ces acides nucléiques, que vous pouvez lire dans l'article comparatif sur l'ARN et l'ADN.
Les informations sur la composition de la protéine ARNm reçoivent du principal gardien du code génétique - l'ADN. Le processus de lecture et de synthèse de l'ARNm est appelé transcription.
Il se produit dans le noyau, d'où l'ARNm résultant est envoyé au ribosome. L'ADN lui-même ne quitte pas le noyau, sa tâche est uniquement de conserver le code génétique et de le transférer à la cellule fille lors de la division.
Tableau récapitulatif des principaux participants de l'émission
Afin de décrire la biosynthèse des protéines de manière concise et claire, un tableau est simplement nécessaire. Nous y écrirons tous les composants et leur rôle dans ce processus, appelé traduction.
Le processus même de création d'une chaîne protéique est divisé en trois étapes. Examinons chacun d'eux plus en détail. Après cela, vous pouvez facilement expliquer la biosynthèse des protéines à tous ceux qui le souhaitent d'une manière courte et compréhensible.
Initiation - le début du processus
C'est l'étape initiale de la traduction, dans laquelle la petite sous-unité du ribosome fusionne avec le tout premier ARNt. Cet acide ribonucléique porte l'acide aminé méthionine. La traduction commence toujours par cet acide aminé, puisque le codon de départ est AUG, qui code pour ce premier monomère de la chaîne protéique.
Pour que le ribosome reconnaisse le codon d'initiation et ne démarre pas la synthèse à partir du milieu du gène, où la séquence AUG peut également apparaître, une séquence nucléotidique spéciale est située autour du codon d'initiation. C'est à partir d'eux que le ribosome reconnaît l'endroit où devrait s'asseoir sa petite sous-unité.
Après la formation du complexe avec l'ARNm, l'étape d'initiation se termine. Et l'étape principale de la traduction commence.
Allongement - le milieu de la synthèse
À ce stade, une accumulation progressive de la chaîne protéique se produit. La durée de l'élongation dépend du nombre d'acides aminés dans la protéine.
Tout d'abord, la grande sous-unité du ribosome est attachée à la petite sous-unité. Et l'ARN-t initial s'y trouve entièrement. A l'extérieur, il ne reste que la méthionine. Ensuite, un deuxième t-ARN portant un autre acide aminé pénètre dans la grande sous-unité.
Si le deuxième codon sur l'ARNm correspond à l'anticodon au sommet de la feuille de trèfle, le deuxième acide aminé est attaché au premier via une liaison peptidique.
Après cela, le ribosome se déplace le long de l'ARNm sur exactement trois nucléotides (un codon), le premier ARN-t détache la méthionine de lui-même et se sépare du complexe. À sa place se trouve un deuxième ARN-t, à la fin duquel se trouvent déjà deux acides aminés.
Ensuite, un troisième ARNt pénètre dans la grande sous-unité et le processus se répète. Il continuera jusqu'à ce que le ribosome rencontre un codon dans l'ARNm qui signale la fin de la traduction.
Résiliation
Cette étape est la dernière, elle peut sembler très cruelle à certains. Toutes les molécules et organites qui ont travaillé si harmonieusement pour créer une chaîne polypeptidique s'arrêtent dès que le ribosome atteint un codon terminal.
Il ne code pour aucun acide aminé, donc tout ARNt entrant dans la grande sous-unité sera tous rejeté en raison d'une incompatibilité. C'est là qu'interviennent les facteurs de terminaison qui séparent la protéine finie du ribosome.
L'organite lui-même peut soit se diviser en deux sous-unités, soit continuer le long de l'ARNm à la recherche d'un nouveau codon de départ. Un ARNm peut avoir plusieurs ribosomes à la fois. Chacun d'eux est à son propre stade de traduction.La protéine nouvellement créée est dotée de marqueurs, à l'aide desquels sa destination sera claire pour tout le monde. Et par EPS, il sera envoyé là où il est nécessaire.
Pour comprendre le rôle de la biosynthèse des protéines, il est nécessaire d'étudier les fonctions qu'elle peut remplir. Cela dépend de la séquence des acides aminés dans la chaîne. Ce sont leurs propriétés qui déterminent le secondaire, le tertiaire et parfois le quaternaire (s'il existe) et son rôle dans la cellule. Vous pouvez en savoir plus sur les fonctions des molécules de protéines dans un article sur ce sujet.
Comment en savoir plus sur la diffusion
Cet article décrit la biosynthèse des protéines dans une cellule vivante. Bien sûr, si vous étudiez le sujet plus en profondeur, il faudra de nombreuses pages pour expliquer le processus dans tous les détails. Mais le matériel ci-dessus devrait être suffisant pour avoir une idée générale. Les supports vidéo dans lesquels les scientifiques ont simulé toutes les étapes de la traduction peuvent être très utiles pour la compréhension. Certains d'entre eux ont été traduits en russe et peuvent servir d'excellent guide pour les étudiants ou simplement de vidéo éducative.
Afin de mieux comprendre le sujet, vous devriez lire d'autres articles sur des sujets connexes. Par exemple, sur ou sur les fonctions des protéines.
Le processus de biosynthèse des protéines est extrêmement important pour la cellule. Les protéines étant des substances complexes qui jouent un rôle majeur dans les tissus, elles sont indispensables. Pour cette raison, toute une chaîne de processus de biosynthèse des protéines est réalisée dans la cellule, qui se déroule dans plusieurs organites. Cela garantit la reproduction cellulaire et la possibilité d'existence.
L'essence du processus de biosynthèse des protéines
Le seul endroit pour la synthèse des protéines est rugueux.Voici la majeure partie des ribosomes responsables de la formation de la chaîne polypeptidique. Cependant, avant le début de l'étape de traduction (le processus de synthèse des protéines), l'activation du gène, qui stocke des informations sur la structure de la protéine, est nécessaire. Après cela, la copie de cette section d'ADN (ou d'ARN, si la biosynthèse bactérienne est envisagée) est nécessaire.
Après avoir copié l'ADN, le processus de création d'ARN messager est nécessaire. Sur cette base, la synthèse de la chaîne protéique sera effectuée. De plus, toutes les étapes qui se produisent avec l'implication des acides nucléiques doivent se produire dans Cependant, ce n'est pas l'endroit où se produit la synthèse des protéines. où se déroule la préparation de la biosynthèse.
Biosynthèse des protéines ribosomiques
Le lieu principal où se produit la synthèse des protéines est l'organite cellulaire, qui se compose de deux sous-unités. Il existe un grand nombre de ces structures dans la cellule, et elles sont principalement situées sur les membranes du réticulum endoplasmique rugueux. La biosynthèse elle-même se déroule comme suit : l'ARN messager formé dans le noyau de la cellule sort par les pores nucléaires dans le cytoplasme et rencontre le ribosome. Ensuite, l'ARNm est poussé dans l'espace entre les sous-unités du ribosome, après quoi le premier acide aminé est fixé.
Les acides aminés sont fournis au site où se produit la synthèse des protéines à l'aide d'une telle molécule peut apporter un acide aminé à la fois. Ils se rejoignent à leur tour, en fonction de la séquence de codons de l'ARN messager. De plus, la synthèse peut s'arrêter pendant un certain temps.
En se déplaçant le long de l'ARNm, le ribosome peut pénétrer dans des régions (introns) qui ne codent pas pour les acides aminés. À ces endroits, le ribosome se déplace simplement le long de l'ARNm, mais aucun acide aminé n'est ajouté à la chaîne. Dès que le ribosome atteint l'exon, c'est-à-dire le site qui code pour l'acide, il se rattache au polypeptide.
Modification post-synthétique des protéines
Une fois que le ribosome a atteint le codon d'arrêt de l'ARN messager, le processus de synthèse directe est terminé. Cependant, la molécule résultante a une structure primaire et ne peut pas encore remplir les fonctions qui lui sont réservées. Pour fonctionner pleinement, une molécule doit être organisée selon une certaine structure : secondaire, tertiaire ou encore plus complexe - quaternaire.
Organisation structurale d'une protéine
La structure secondaire est la première étape de l'organisation structurelle. Pour y parvenir, la chaîne polypeptidique primaire doit s'enrouler (former des hélices alpha) ou se replier (créer des couches bêta). Ensuite, afin de prendre encore moins de place sur la longueur, la molécule est encore plus contractée et enroulée en boule grâce aux liaisons hydrogène, covalentes et ioniques, ainsi qu'aux interactions interatomiques. Ainsi, on obtient un globulaire
Structure protéique quaternaire
La structure quaternaire est la plus complexe de toutes. Il se compose de plusieurs sections à structure globulaire, reliées par des filaments fibrillaires du polypeptide. De plus, la structure tertiaire et quaternaire peut contenir un résidu glucidique ou lipidique, ce qui élargit le spectre des fonctions protéiques. En particulier, les glycoprotéines, protéines et glucides, sont des immunoglobulines et exercent une fonction protectrice. De plus, les glycoprotéines sont situées sur les membranes cellulaires et fonctionnent comme des récepteurs. Cependant, la molécule n'est pas modifiée là où se produit la synthèse des protéines, mais dans le réticulum endoplasmique lisse. Ici, il y a la possibilité d'un attachement des lipides, des métaux et des glucides aux domaines protéiques.
Tout d'abord, établissez la séquence des étapes de la biosynthèse des protéines, en commençant par la transcription. L'ensemble des processus intervenant lors de la synthèse des molécules protéiques peut être combiné en 2 étapes :
Transcription.
Diffuser.
Les unités structurelles de l'information héréditaire sont des gènes - des sections de la molécule d'ADN qui codent la synthèse d'une protéine particulière. En termes d'organisation chimique, le matériel d'hérédité et de variabilité des procaryotes et des eucaryotes n'est pas fondamentalement différent. Le matériel génétique qu'ils contiennent est présenté dans la molécule d'ADN, le principe d'enregistrement des informations héréditaires et du code génétique est également courant. Les mêmes acides aminés chez les procaryotes et les eucaryotes sont cryptés par les mêmes codons.
Le génome des cellules procaryotes modernes se caractérise par une taille relativement petite, l'ADN d'Escherichia coli a la forme d'un anneau, d'environ 1 mm de long. Il contient 4 x 10 6 paires de bases, formant environ 4000 gènes. En 1961, F. Jacob et J. Monod ont découvert l'organisation cistronique, ou continue, des gènes procaryotes, qui sont entièrement constitués de séquences nucléotidiques codantes, et ils sont entièrement réalisés lors de la synthèse des protéines. Le matériel héréditaire de la molécule d'ADN des procaryotes est situé directement dans le cytoplasme de la cellule, où se trouvent également l'ARNt et les enzymes nécessaires à l'expression des gènes.L'expression est l'activité fonctionnelle des gènes, ou expression des gènes. Par conséquent, l'ARNm synthétisé avec l'ADN est capable d'agir immédiatement comme matrice dans le processus de traduction de la synthèse des protéines.
Le génome eucaryote contient beaucoup plus de matériel héréditaire. Chez l'homme, la longueur totale de l'ADN dans l'ensemble diploïde de chromosomes est d'environ 174 cm, contient 3 x 10 9 paires de bases et comprend jusqu'à 100 000 gènes. En 1977, une discontinuité a été découverte dans la structure de la plupart des gènes eucaryotes, appelée gène "mosaïque". Il a des séquences de nucléotides codantes exonique et intron parcelles. Seules les informations sur les exons sont utilisées pour la synthèse des protéines. Le nombre d'introns varie selon les gènes. Il a été établi que le gène de l'ovalbumine de poulet comprend 7 introns et le gène du procollagène de mammifère - 50. Les fonctions de l'ADN silencieux - introns n'ont pas été complètement élucidées. On suppose qu'ils assurent : 1) l'organisation structurale de la chromatine ; 2) certains d'entre eux sont manifestement impliqués dans la régulation de l'expression des gènes ; 3) les introns peuvent être considérés comme une réserve d'informations pour la variabilité ; 4) ils peuvent jouer un rôle protecteur en assumant l'action des mutagènes.
Transcription
Le processus de réécriture des informations dans le noyau cellulaire d'une partie d'une molécule d'ADN à une molécule d'ARNm (ARNm) est appelé transcription(lat. Transcriptio - réécriture). Le produit primaire du gène, l'ARNm, est synthétisé. C'est la première étape de la synthèse des protéines. Sur la section d'ADN correspondante, l'enzyme ARN polymérase reconnaît le signe du début de la transcription - Aperçu Le point de départ est considéré comme le premier nucléotide d'ADN, qui est inclus par l'enzyme dans le transcrit d'ARN. En règle générale, les régions codantes commencent par le codon AUG, parfois GUG est utilisé chez les bactéries. Lorsque l'ARN polymérase se lie au promoteur, la double hélice d'ADN est détordue localement et l'un des brins est copié selon le principe de complémentarité. L'ARNm est synthétisé, sa vitesse d'assemblage atteint 50 nucléotides par seconde. Au fur et à mesure que l'ARN polymérase se déplace, la chaîne d'ARNm se développe et lorsque l'enzyme atteint la fin du site de copie - terminateur, l'ARNm s'éloigne de la matrice. La double hélice d'ADN derrière l'enzyme est réparée.
La transcription des procaryotes a lieu dans le cytoplasme. En raison du fait que l'ADN est entièrement constitué de séquences de nucléotides codantes, l'ARNm synthétisé agit immédiatement comme matrice pour la traduction (voir ci-dessus).
La transcription de l'ARNm chez les eucaryotes se produit dans le noyau. Cela commence par la synthèse de grandes molécules - précurseurs (pro-ARNm), appelés ARN immatures ou nucléaires.Le produit primaire du gène - pro-ARNm est une copie exacte de la région d'ADN transcrite, comprend des exons et des introns. Le processus de formation de molécules d'ARN matures à partir de précurseurs est appelé En traitement. La maturation de l'ARNm se produit par épissage sont des boutures par des enzymes restreindre introns et connexion de sites avec des séquences d'exons transcrites par des enzymes ligases. (Fig.) L'ARNm mature est beaucoup plus court que les molécules précurseurs de pro-ARNm, la taille des introns qu'ils contiennent varie de 100 à 1000 nucléotides ou plus. Les introns représentent environ 80 % de tous les ARNm immatures.
Il a maintenant été démontré qu'il est possible épissage alternatif, dans lequel les séquences nucléotidiques peuvent être supprimées d'un transcrit primaire dans ses différentes régions et plusieurs ARNm matures seront formés. Ce type d'épissage est caractéristique du système génique des immunoglobulines chez les mammifères, qui permet de former différents types d'anticorps à partir d'un seul transcrit d'ARNm.
À la fin du traitement, l'ARNm mature est sélectionné avant de quitter le noyau. Il a été établi que seulement 5% des ARNm matures pénètrent dans le cytoplasme et que le reste est clivé dans le noyau.
Diffuser
Traduction (lat. Translatio - transfert, transfert) - traduction des informations contenues dans la séquence nucléotidique de la molécule d'ARNm dans la séquence d'acides aminés de la chaîne polypeptidique (Fig. 10). C'est la deuxième étape de la synthèse des protéines. Le transfert d'ARNm mature à travers les pores de l'enveloppe nucléaire produit des protéines spéciales qui forment un complexe avec la molécule d'ARN. En plus du transport de l'ARNm, ces protéines protègent l'ARNm des effets néfastes des enzymes cytoplasmiques. Dans le processus de traduction, les ARNt jouent un rôle central, ils assurent la correspondance exacte de l'acide aminé avec le code du triplet d'ARNm. Le processus de traduction-décodage se produit dans les ribosomes et s'effectue dans la direction de 5 à 3. Le complexe d'ARNm et de ribosomes est appelé polysome.
La traduction peut être divisée en trois phases : initiation, élongation et terminaison.
Initiation.
A ce stade, l'ensemble du complexe impliqué dans la synthèse de la molécule protéique est assemblé. Il existe une union de deux sous-unités de ribosomes sur un certain site d'ARNm, le premier aminoacyl - ARNt y est attaché, ce qui définit le cadre de lecture des informations. Toute molécule d'ARNm contient un site complémentaire de l'ARNr de la petite sous-unité du ribosome et spécifiquement contrôlé par celui-ci. A côté se trouve le codon d'initiation AUG, qui code pour l'acide aminé méthionine.
Élongation
- il comprend toutes les réactions depuis le moment de la formation de la première liaison peptidique jusqu'à la fixation du dernier acide aminé. Le ribosome a deux sites pour la liaison de deux molécules d'ARNt. Le premier t-ARN avec l'acide aminé méthionine est situé dans une section, le peptidyle (P), et la synthèse de toute molécule protéique commence à partir de là. La deuxième molécule d'ARN-t pénètre dans le deuxième site du ribosome - aminoacyl (A) et se fixe à son codon. Une liaison peptidique se forme entre la méthionine et le deuxième acide aminé. Le deuxième ARNt se déplace avec son codon d'ARNm vers le centre peptidyle. Le mouvement de l'ARNt avec la chaîne polypeptidique du centre aminoacyle au centre peptidyle s'accompagne de l'avancement du ribosome le long de l'ARNm d'un pas correspondant à un codon. L'ARNt qui a délivré la méthionine retourne dans le cytoplasme et le centre amnoacyle est libéré. Il reçoit un nouvel ARN-t avec un acide aminé crypté par le codon suivant. Une liaison peptidique se forme entre les troisième et deuxième acides aminés, et le troisième ARNt, avec le codon de l'ARNm, se déplace vers le centre peptidyle.Le processus d'allongement, l'allongement de la chaîne protéique. Il continue jusqu'à ce que l'un des trois codons qui ne codent pas pour les acides aminés pénètre dans le ribosome. Il s'agit d'un codon terminateur et il n'y a pas d'ARNt correspondant, donc aucun des ARNt ne peut prendre place dans le centre aminoacyle.
Résiliation
- achèvement de la synthèse polypeptidique. Elle est associée à la reconnaissance par une protéine ribosomique spécifique d'un des codons de terminaison (UAA, UAG, UGA) lors de son entrée dans le centre aminoacyle. Un facteur de terminaison spécial est attaché au ribosome, ce qui favorise la séparation des sous-unités du ribosome et la libération de la molécule de protéine synthétisée. L'eau est attachée au dernier acide aminé du peptide et son extrémité carboxyle est séparée de l'ARNt.
L'assemblage de la chaîne peptidique s'effectue à grande vitesse. Chez les bactéries à une température de 37°C, elle se traduit par l'ajout de 12 à 17 acides aminés par seconde au polypeptide. Dans les cellules eucaryotes, deux acides aminés sont ajoutés à un polypeptide en une seconde.
La chaîne polypeptidique synthétisée entre alors dans le complexe de Golgi, où la construction de la molécule protéique s'achève (deuxième, troisième, quatrième structures apparaissent successivement). Ici, il y a une complexation des molécules de protéines avec des graisses et des glucides.
L'ensemble du processus de biosynthèse des protéines est présenté sous la forme d'un schéma : ADN ® pro ARNm ® ARNm ® chaîne polypeptidique ® protéine ® complexation des protéines et leur transformation en molécules fonctionnellement actives.
Les étapes de la mise en œuvre de l'information héréditaire se déroulent également de manière similaire: d'abord, elle est transcrite dans la séquence nucléotidique de l'ARNm, puis traduite dans la séquence d'acides aminés du polypeptide sur les ribosomes avec la participation de l'ARNt.
La transcription des eucaryotes est réalisée sous l'action de trois ARN polymérases nucléaires. L'ARN polymérase 1 est située dans le nucléole et est responsable de la transcription des gènes de l'ARNr. L'ARN polymérase 2 se trouve dans la sève nucléaire et est responsable de la synthèse du précurseur de l'ARNm. L'ARN polymérase 3 est une petite fraction de la sève nucléaire qui synthétise de petits ARNr et ARNt. Les ARN polymérases reconnaissent spécifiquement la séquence nucléotidique du promoteur de transcription. L'ARNm eucaryote est d'abord synthétisé en tant que précurseur (pro-ARNm), les informations des exons et des introns y sont écrites. L'ARNm synthétisé est plus grand que nécessaire pour la traduction et est moins stable.
Au cours du processus de maturation de la molécule d'ARNm, les introns sont découpés à l'aide d'enzymes de restriction et les exons sont cousus à l'aide d'enzymes ligases. La maturation de l'ARNm s'appelle le traitement et la jonction des exons s'appelle l'épissage. Ainsi, l'ARNm mature ne contient que des exons et est beaucoup plus court que son prédécesseur, le pro-ARNm. La taille des introns varie de 100 à 10 000 nucléotides ou plus. Les intons représentent environ 80% de tous les ARNm immatures. À l'heure actuelle, la possibilité d'un épissage alternatif a été prouvée, dans laquelle des séquences nucléotidiques peuvent être supprimées d'un transcrit primaire dans ses différentes régions et plusieurs ARNm matures seront formés. Ce type d'épissage est caractéristique du système génique des immunoglobulines chez les mammifères, qui permet de former différents types d'anticorps à partir d'un seul transcrit d'ARNm. À la fin du traitement, l'ARNm mature est sélectionné avant d'être libéré dans le cytoplasme à partir du noyau. Il a été établi que seulement 5% de l'ARNm mature entre et le reste est clivé dans le noyau. La transformation des transcriptons primaires des gènes eucaryotes, associée à leur organisation exon-intron, et en lien avec le passage des ARNm matures du noyau au cytoplasme, détermine les caractéristiques de la réalisation de l'information génétique des eucaryotes. Par conséquent, le gène de la mosaïque eucaryote n'est pas un gène de cistronome, car la totalité de la séquence d'ADN n'est pas utilisée pour la synthèse des protéines.
La question principale de la génétique est la question de la synthèse des protéines. Résumant les données sur la structure et la synthèse de l'ADN et de l'ARN, Crick en 1960. a proposé une théorie matricielle de la synthèse des protéines basée sur 3 dispositions :
1. Complémentarité des bases azotées de l'ADN et de l'ARN.
2. La séquence linéaire de l'emplacement des gènes dans une molécule d'ADN.
3. Le transfert d'informations héréditaires ne peut se produire que d'un acide nucléique à un acide nucléique ou à une protéine.
De protéine à protéine, le transfert d'informations héréditaires est impossible. Ainsi, seuls les acides nucléiques peuvent être une matrice pour la synthèse des protéines.
La synthèse des protéines nécessite :
1. ADN (gènes) sur lequel les molécules sont synthétisées.
2. ARN - (i-ARN) ou (m-ARN), r-ARN, t-ARN
Dans le processus de synthèse des protéines, les étapes sont distinguées : transcription et traduction.
Transcription- recensement (réécriture) des informations sur la structure nucléique de l'ADN à l'ARN (t-ARN, et ARN, r-ARN).
La lecture des informations héréditaires commence par une certaine section de l'ADN, appelée promoteur. Le promoteur est situé avant le gène et comprend environ 80 nucléotides.
Sur la chaîne externe de la molécule d'ADN, l'i-ARN (intermédiaire) est synthétisé, qui sert de matrice pour la synthèse des protéines et est donc appelé matrice. C'est une copie exacte de la séquence de nucléotides sur la chaîne d'ADN.
Certaines régions de l'ADN ne contiennent pas d'informations génétiques (introns). Les sections d'ADN qui contiennent des informations sont appelées exons.
Il y a des enzymes spéciales dans le noyau qui coupent les introns, et les fragments d'exon sont «épissés» ensemble dans un ordre strict dans un fil commun, ce processus est appelé «épissage». Lors de l'épissage, un ARNm mature est formé, qui contient les informations nécessaires à la synthèse des protéines. L'ARNm mature (ARN matriciel) traverse les pores de la membrane nucléaire et pénètre dans les canaux du réticulum endoplasmique (cytoplasme) et se combine ici avec les ribosomes.
Diffuser- la séquence de nucléotides dans l'i-ARN est traduite en une séquence strictement ordonnée d'acides aminés dans la molécule de protéine synthétisée.
Le processus de traduction comprend 2 étapes : l'activation des acides aminés et la synthèse directe d'une molécule protéique.
Une molécule d'ARNm se lie à 5-6 ribosomes pour former des polysomes. La synthèse des protéines se produit sur la molécule d'ARNm, avec des ribosomes se déplaçant le long de celle-ci. Pendant cette période, les acides aminés du cytoplasme sont activés par des enzymes spéciales sécrétées par des enzymes sécrétées par les mitochondries, chacune avec sa propre enzyme spécifique.
Presque instantanément, les acides aminés se lient à un autre type d'ARN - un ARN soluble de faible poids moléculaire qui agit comme un transporteur d'acides aminés pour la molécule d'ARNm et est appelé transport (ARN-t). L'ARNt transporte les acides aminés vers les ribosomes jusqu'à un certain endroit, où se trouve alors la molécule d'ARNm. Les acides aminés sont ensuite reliés entre eux par des liaisons peptidiques pour former une molécule protéique. À la fin de la synthèse des protéines, la molécule se détache progressivement de l'ARNm.
Sur une molécule d'ARNm, 10 à 20 molécules de protéines sont formées, et dans certains cas beaucoup plus.
La question la plus obscure dans la synthèse des protéines est de savoir comment l'ARNt trouve le site d'ARNm approprié auquel l'acide aminé qu'il apporte doit être attaché.
La séquence d'arrangement des bases azotées dans l'ADN, qui détermine l'arrangement des acides aminés dans la protéine synthétisée, est le code génétique.
Car une même information héréditaire est "enregistrée" dans les acides nucléiques par quatre caractères (bases azotées), et dans les protéines par vingt (acides aminés). Le problème du code génétique se réduit à établir une correspondance entre eux. Les généticiens, les physiciens et les chimistes ont joué un rôle important dans le déchiffrement du code génétique.
Pour déchiffrer le code génétique, il fallait tout d'abord savoir quel est le nombre minimum de nucléotides pouvant déterminer (coder) la formation d'un acide aminé. Si chacun des 20 acides aminés était codé par une base, alors l'ADN devrait avoir 20 bases différentes, mais en fait il n'y en a que 4. Évidemment, la combinaison de deux nucléotides ne suffit pas non plus pour coder 20 acides aminés. Il ne peut coder que pour 16 acides aminés 4 2 = 16.
Ensuite, il a été proposé que le code comprenne 3 nucléotides 4 3 = 64 combinaisons et, par conséquent, soit capable de coder plus qu'assez d'acides aminés pour former n'importe quelle protéine. Cette combinaison de trois nucléotides s'appelle un code triplet.
Le code a les propriétés suivantes :
1. Le code génétique est triplet(chaque acide aminé est codé par trois nucléotides).
2. Dégénérescence- un acide aminé peut être codé par plusieurs triplets, à l'exception du tryptophane et de la méthionine.
3. Dans les codons d'un acide aminé, les deux premiers nucléotides sont identiques et le troisième change.
4.Non-chevauchement– les triplets ne se chevauchent pas. Un triplet ne peut pas faire partie d'un autre, chacun d'eux code indépendamment son propre acide aminé. Par conséquent, deux acides aminés quelconques peuvent être proches dans la chaîne polypeptidique et toute combinaison d'entre eux est possible, c'est-à-dire dans la séquence de bases ABCDEFGHI, les trois premières bases codent pour 1 acide aminé (ABC-1), (DEF-2), etc.
5.Universel, celles. dans tous les organismes, les codons de certains acides aminés sont les mêmes (de la camomille à l'homme). L'universalité du code témoigne de l'unité de la vie sur terre.
6. Agenouillé- la coïncidence de l'arrangement des codons dans l'ARNm avec l'ordre des acides aminés dans la chaîne polypeptidique synthétisée.
Un codon est un triplet de nucléotides qui code pour 1 acide aminé.
7. Inutile Il ne code pour aucun acide aminé. La synthèse des protéines à ce site est interrompue.
Ces dernières années, il est devenu clair que l'universalité du code génétique est violée dans les mitochondries, quatre codons dans les mitochondries ont changé de sens, par exemple, le codon UGA - répond au tryptophane au lieu de "STOP" - l'arrêt de la synthèse des protéines . AUA - correspond à la méthionine - au lieu de "isoleucine".
La découverte de nouveaux codons dans les mitochondries peut servir de preuve que le code a évolué et qu'il ne l'est pas devenu immédiatement.
Laissez les informations héréditaires d'un gène à une molécule de protéine peuvent être exprimées schématiquement.
ADN - ARN - protéine
L'étude de la composition chimique des cellules a montré que différents tissus d'un même organisme contiennent un ensemble différent de molécules de protéines, bien qu'ils aient le même nombre de chromosomes et la même information génétique héréditaire.
Nous notons la circonstance suivante: malgré la présence dans chaque cellule de tous les gènes de l'organisme entier, très peu de gènes fonctionnent dans une seule cellule - des dixièmes à plusieurs pour cent du nombre total. Les autres zones sont "silencieuses", elles sont bloquées par des protéines spéciales. C'est compréhensible, pourquoi, par exemple, les gènes de l'hémoglobine fonctionnent dans une cellule nerveuse ? Tout comme la cellule dicte quels gènes doivent être silencieux et lesquels doivent fonctionner, il faut supposer que la cellule possède une sorte de mécanisme parfait qui régule l'activité des gènes, qui détermine quels gènes doivent être actifs à un moment donné et lesquels doivent être dans un état inactif (répressif). Un tel mécanisme, selon les scientifiques français F. Jacobo et J. Monod, s'appelait induction et répression.
Induction- stimulation de la synthèse des protéines.
Répression- inhibition de la synthèse des protéines.
L'induction assure le travail des gènes qui synthétisent une protéine ou une enzyme, et qui sont nécessaires à ce stade de la vie de la cellule.
Chez les animaux, les hormones de la membrane cellulaire jouent un rôle important dans le processus de régulation des gènes ; dans les usines, les conditions environnementales et d'autres inducteurs hautement spécialisés.
Exemple : lorsque l'hormone thyroïdienne est ajoutée au milieu, une transformation rapide des têtards en grenouilles se produit.
Le sucre du lait (lactose) est nécessaire au fonctionnement normal de la bactérie E (Coli). Si l'environnement dans lequel se trouvent les bactéries ne contient pas de lactose, ces gènes sont dans un état répressif (c'est-à-dire qu'ils ne fonctionnent pas). Le lactose introduit dans le milieu est un inducteur, notamment des gènes responsables de la synthèse des enzymes. Après élimination du lactose du milieu, la synthèse de ces enzymes s'arrête. Ainsi, le rôle de répresseur peut être joué par une substance qui est synthétisée dans la cellule, et si son contenu dépasse la norme ou s'il est épuisé.
Différents types de gènes sont impliqués dans la synthèse des protéines ou des enzymes.
Tous les gènes sont dans la molécule d'ADN.
Leurs fonctions ne sont pas les mêmes :
- structurel - les gènes qui affectent la synthèse d'une enzyme ou d'une protéine sont situés dans la molécule d'ADN séquentiellement les uns après les autres dans l'ordre de leur influence sur le déroulement de la réaction de synthèse, ou vous pouvez également dire des gènes structurels - ce sont des gènes qui portent des informations sur le séquence d'acides aminés.
- accepteur- les gènes ne portent pas d'informations héréditaires sur la structure de la protéine, ils régulent le travail des gènes de structure.
Avant qu'un groupe de gènes structurels soit un gène commun pour eux - opérateur, et devant lui promoteur. En général, ce groupe fonctionnel est appelé à plumes.
L'ensemble du groupe de gènes d'un opéron est inclus dans le processus de synthèse et en est désactivé simultanément. Activer et désactiver les gènes structurels est l'essence même de tout le processus de régulation.
La fonction d'activation et de désactivation est assurée par une section spéciale de la molécule d'ADN - opérateur de gène. L'opérateur du gène est le point de départ de la synthèse des protéines ou, comme on dit, de la "lecture" de l'information génétique. plus loin dans la même molécule à une certaine distance se trouve un gène - un régulateur, sous le contrôle duquel une protéine appelée répresseur est produite.
De tout ce qui précède, on peut voir que la synthèse des protéines est très difficile. Le système génétique cellulaire, utilisant les mécanismes de répression et d'induction, peut recevoir des signaux sur la nécessité de démarrer et de terminer la synthèse d'une enzyme particulière et d'effectuer ce processus à une vitesse donnée.
Le problème de la régulation de l'action des gènes dans les organismes supérieurs est d'une grande importance pratique en élevage et en médecine animale. L'établissement des facteurs régulant la synthèse des protéines ouvrirait de larges possibilités de contrôle de l'ontogenèse, créant des animaux hautement productifs, ainsi que des animaux résistants aux maladies héréditaires.
Questions de contrôle :
1. Nommez les propriétés des gènes.
2. Qu'est-ce qu'un gène ?
3. Quelle est la signification biologique de l'ADN, de l'ARN.
4. Nommez les étapes de la synthèse des protéines
5. Énumérez les propriétés du code génétique.