Deskripsi singkat tentang bagaimana sintesis protein terjadi dalam sel. Biosintesis protein: ringkas dan dapat dimengerti
Peran protein dalam sel dan tubuh
Peran protein dalam kehidupan sel dan tahapan utama sintesisnya. Struktur dan fungsi ribosom. Peran ribosom dalam sintesis protein.
Protein memainkan peran yang sangat penting dalam proses kehidupan sel dan tubuh, mereka dicirikan oleh fungsi-fungsi berikut.
Struktural. Mereka adalah bagian dari struktur intraseluler, jaringan dan organ. Misalnya, kolagen dan elastin berfungsi sebagai komponen jaringan ikat: tulang, tendon, tulang rawan; fibroin adalah bagian dari sutra, sarang laba-laba; keratin adalah bagian dari epidermis dan turunannya (rambut, tanduk, bulu). Mereka membentuk cangkang (kapsid) virus.
enzimatik. Semua reaksi kimia dalam sel berlangsung dengan partisipasi katalis biologis - enzim (oksidoreduktase, hidrolase, ligase, transferase, isomerase, dan liase).
Regulasi. Misalnya, hormon insulin dan glukagon mengatur metabolisme glukosa. Protein histon terlibat dalam organisasi spasial kromatin, dan dengan demikian memengaruhi ekspresi gen.
Mengangkut. Hemoglobin membawa oksigen dalam darah vertebrata, hemocyanin dalam hemolymph beberapa invertebrata, mioglobin dalam otot. Serum albumin berfungsi untuk mengangkut asam lemak, lipid, dll. Protein transpor membran memberikan transpor aktif zat melalui membran sel (Na +, K + -ATPase). Sitokrom melakukan transfer elektron di sepanjang rantai transpor elektron mitokondria dan kloroplas.
Protektif. Misalnya, antibodi (imunoglobulin) membentuk kompleks dengan antigen bakteri dan protein asing. Interferon memblokir sintesis protein virus dalam sel yang terinfeksi. Fibrinogen dan trombin terlibat dalam proses pembekuan darah.
Kontraktil (motorik). Protein aktin dan miosin menyediakan proses kontraksi otot dan kontraksi elemen sitoskeletal.
Sinyal (reseptor). Protein membran sel adalah bagian dari reseptor dan antigen permukaan.
protein penyimpanan. Kasein susu, albumin telur, feritin (menyimpan zat besi di limpa).
Toksin protein. toksin difteri.
Fungsi energi. Dengan penguraian 1 g protein menjadi produk metabolisme akhir (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2), 17,6 kJ atau 4,2 kkal energi dilepaskan.
Biosintesis protein terjadi di setiap sel hidup. Ini paling aktif dalam sel muda yang sedang tumbuh, di mana protein disintesis untuk pembangunan organel mereka, serta di sel sekretori, di mana protein enzim dan protein hormon disintesis.
Pemeran utama dalam menentukan struktur protein milik DNA. Sepotong DNA yang mengandung informasi tentang struktur protein tunggal disebut gen. Molekul DNA mengandung beberapa ratus gen. Molekul DNA mengandung kode untuk urutan asam amino dalam protein dalam bentuk nukleotida gabungan yang pasti.
Sintesis protein - proses multitahap kompleks yang mewakili rantai reaksi sintetik yang berjalan sesuai dengan prinsip sintesis matriks.
Dalam biosintesis protein, tahapan berikut ditentukan, yang terjadi di berbagai bagian sel:
Tahap pertama - Sintesis i-RNA terjadi di dalam nukleus, di mana informasi yang terkandung dalam gen DNA ditulis ulang menjadi i-RNA. Proses ini disebut transkripsi (dari bahasa Latin "transkrip" - penulisan ulang).
Pada tahap kedua ada hubungan asam amino dengan molekul t-RNA, yang secara berurutan terdiri dari tiga nukleotida - antikodon, dengan bantuan kodon tripletnya ditentukan.
Tahap ketiga - ini adalah proses sintesis langsung ikatan polipeptida, yang disebut translasi. Itu terjadi di ribosom.
Pada tahap keempat pembentukan struktur protein sekunder dan tersier, yaitu pembentukan struktur akhir protein.
Dengan demikian, dalam proses biosintesis protein, molekul protein baru terbentuk sesuai dengan informasi pasti yang tertanam dalam DNA. Proses ini memastikan pembaruan protein, proses metabolisme, pertumbuhan dan perkembangan sel, yaitu semua proses aktivitas vital sel.
Untuk mempelajari proses yang terjadi di dalam tubuh, Anda perlu mengetahui apa yang terjadi di tingkat sel. Dimana protein memegang peranan penting. Penting untuk mempelajari tidak hanya fungsinya, tetapi juga proses penciptaannya. Oleh karena itu, penting untuk menjelaskan secara singkat dan jelas. Kelas 9 paling cocok untuk ini. Pada tahap inilah siswa memiliki pengetahuan yang cukup untuk memahami topik ini.
Protein - untuk apa dan untuk apa
Senyawa makromolekul ini memainkan peran besar dalam kehidupan organisme apa pun. Protein adalah polimer, yaitu terdiri dari banyak "bagian" yang serupa. Jumlah mereka dapat bervariasi dari beberapa ratus hingga ribuan.
Protein melakukan banyak fungsi dalam sel. Peran mereka juga bagus pada tingkat organisasi yang lebih tinggi: jaringan dan organ sangat bergantung pada berfungsinya berbagai protein dengan benar.
Misalnya, semua hormon berasal dari protein. Tetapi zat inilah yang mengontrol semua proses dalam tubuh.
Hemoglobin juga merupakan protein, terdiri dari empat rantai, yang dihubungkan di tengah oleh atom besi. Struktur ini memberikan kemampuan untuk membawa oksigen oleh eritrosit.
Ingatlah bahwa semua membran mengandung protein. Mereka diperlukan untuk pengangkutan zat melalui membran sel.
Masih banyak lagi fungsi molekul protein yang mereka lakukan dengan jelas dan tanpa ragu. Senyawa luar biasa ini sangat beragam tidak hanya dalam perannya di dalam sel, tetapi juga dalam strukturnya.
Di mana sintesis berlangsung
Ribosom adalah organel di mana bagian utama dari proses yang disebut "biosintesis protein" berlangsung. Kelas 9 di sekolah yang berbeda memiliki kurikulum yang berbeda untuk belajar biologi, tetapi banyak guru memberikan materi tentang organel terlebih dahulu, sebelum mempelajari terjemahan.
Oleh karena itu, tidak akan sulit bagi siswa untuk mengingat materi yang dibahas dan memantapkannya. Anda harus menyadari bahwa hanya satu rantai polipeptida yang dapat dibuat pada satu organel dalam satu waktu. Ini tidak cukup untuk memenuhi semua kebutuhan sel. Oleh karena itu, ada banyak ribosom, dan paling sering digabungkan dengan retikulum endoplasma.
EPS seperti itu disebut kasar. Manfaat dari “kolaborasi” tersebut jelas: segera setelah sintesis, protein memasuki saluran transportasi dan dapat dikirim ke tujuannya tanpa penundaan.
Tetapi jika kita memperhitungkan permulaannya, yaitu pembacaan informasi dari DNA, maka dapat dikatakan bahwa biosintesis protein dalam sel hidup dimulai di dalam nukleus. Di sanalah kode genetik disintesis.
Bahan yang diperlukan adalah asam amino, tempat sintesisnya adalah ribosom
Tampaknya sulit untuk menjelaskan bagaimana proses biosintesis protein, secara singkat dan jelas, diagram proses dan banyak gambar hanya diperlukan. Mereka akan membantu menyampaikan semua informasi, serta siswa akan lebih mudah mengingatnya.
Pertama-tama, untuk sintesis Anda membutuhkan "bahan bangunan" - asam amino. Beberapa di antaranya diproduksi oleh tubuh. Lainnya hanya bisa didapat dari makanan, mereka disebut sangat diperlukan.
Jumlah total asam amino adalah dua puluh, tetapi karena banyaknya pilihan di mana mereka dapat diatur dalam rantai panjang, molekul protein sangat beragam. Asam-asam ini memiliki struktur yang mirip, tetapi berbeda dalam radikal.
Sifat-sifat bagian dari setiap asam amino inilah yang menentukan struktur mana yang akan "dilipat" oleh rantai yang dihasilkan, apakah itu akan membentuk struktur kuaterner dengan rantai lain, dan sifat apa yang akan dimiliki oleh makromolekul yang dihasilkan.
Proses biosintesis protein tidak dapat berlangsung hanya di dalam sitoplasma, melainkan membutuhkan ribosom. terdiri dari dua subunit - besar dan kecil. Saat istirahat, mereka dipisahkan, tetapi begitu sintesis dimulai, mereka segera terhubung dan mulai bekerja.
Asam ribonukleat yang berbeda dan penting
Untuk membawa asam amino ke ribosom, Anda memerlukan RNA khusus yang disebut transportasi. Ini disingkat sebagai tRNA. Molekul daun semanggi beruntai tunggal ini mampu mengikat asam amino tunggal ke ujung bebasnya dan membawanya ke tempat sintesis protein.
RNA lain yang terlibat dalam sintesis protein disebut matriks (informasi). Ini membawa komponen sintesis yang sama pentingnya - kode yang dengan jelas menyatakan kapan asam amino mana yang akan dirantai ke rantai protein yang dihasilkan.
Molekul ini memiliki struktur beruntai tunggal, terdiri dari nukleotida, serta DNA. Ada beberapa perbedaan dalam struktur primer asam nukleat ini, yang dapat Anda baca di artikel perbandingan RNA dan DNA.
Informasi tentang komposisi mRNA protein diterima dari penjaga utama kode genetik - DNA. Proses membaca dan mensintesis mRNA disebut transkripsi.
Itu terjadi di nukleus, dari mana mRNA yang dihasilkan dikirim ke ribosom. DNA itu sendiri tidak meninggalkan nukleus, tugasnya hanya melestarikan kode genetik dan mentransfernya ke sel anak selama pembelahan.
Tabel ringkasan peserta utama siaran
Untuk menggambarkan biosintesis protein secara ringkas dan jelas, sebuah tabel hanya diperlukan. Di dalamnya, kami akan menuliskan semua komponen dan perannya dalam proses ini, yang disebut terjemahan.
Proses pembuatan rantai protein itu sendiri dibagi menjadi tiga tahap. Mari kita lihat masing-masing lebih detail. Setelah itu, Anda dapat dengan mudah menjelaskan biosintesis protein kepada semua orang yang menginginkannya dengan cara yang singkat dan mudah dipahami.
Inisiasi - awal dari proses
Ini adalah tahap awal translasi, di mana subunit kecil ribosom menyatu dengan tRNA pertama. Asam ribonukleat ini membawa asam amino metionin. Terjemahan selalu dimulai dengan asam amino ini, karena kodon awal adalah AUG, yang mengkodekan monomer pertama ini dalam rantai protein.
Agar ribosom mengenali kodon awal dan tidak memulai sintesis dari tengah gen, di mana urutan AUG juga dapat muncul, urutan nukleotida khusus terletak di sekitar kodon awal. Dari merekalah ribosom mengenali tempat di mana subunit kecilnya harus duduk.
Setelah pembentukan kompleks dengan mRNA, langkah inisiasi berakhir. Dan tahap utama penerjemahan dimulai.
Pemanjangan - tengah sintesis
Pada tahap ini, terjadi penumpukan rantai protein secara bertahap. Durasi perpanjangan tergantung pada jumlah asam amino dalam protein.
Pertama-tama, subunit besar ribosom melekat pada subunit kecil. Dan t-RNA awal seluruhnya ada di dalamnya. Di luar, hanya metionin yang tersisa. Selanjutnya, t-RNA kedua yang membawa asam amino lain memasuki subunit besar.
Jika kodon kedua pada mRNA cocok dengan antikodon di bagian atas daun semanggi, asam amino kedua melekat pada yang pertama melalui ikatan peptida.
Setelah itu, ribosom bergerak di sepanjang m-RNA untuk tepat tiga nukleotida (satu kodon), t-RNA pertama melepaskan metionin dari dirinya sendiri dan terpisah dari kompleks. Sebagai gantinya adalah t-RNA kedua, yang ujungnya sudah ada dua asam amino.
Kemudian tRNA ketiga memasuki subunit besar dan prosesnya berulang. Ini akan berlanjut sampai ribosom mengenai kodon di mRNA yang menandakan akhir terjemahan.
Penghentian
Tahap ini adalah yang terakhir, mungkin terlihat sangat kejam bagi sebagian orang. Semua molekul dan organel yang telah bekerja secara harmonis untuk membuat rantai polipeptida berhenti begitu ribosom menyentuh kodon terminal.
Itu tidak mengkode asam amino apa pun, jadi tRNA apa pun yang masuk ke subunit besar semuanya akan ditolak karena ketidakcocokan. Di sinilah faktor terminasi berperan, yang memisahkan protein jadi dari ribosom.
Organel itu sendiri dapat dipecah menjadi dua subunit atau melanjutkan mRNA untuk mencari kodon awal yang baru. Satu mRNA dapat memiliki beberapa ribosom sekaligus. Masing-masing berada pada tahap terjemahannya sendiri.Protein yang baru dibuat dilengkapi dengan penanda, dengan bantuan yang tujuannya akan jelas bagi semua orang. Dan dengan EPS akan dikirim ke tempat yang dibutuhkan.
Untuk memahami peran biosintesis protein, perlu dipelajari fungsi apa yang dapat dilakukannya. Itu tergantung pada urutan asam amino dalam rantai. Sifat-sifatnya yang menentukan sekunder, tersier, dan terkadang kuaterner (jika ada) dan perannya dalam sel. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang fungsi molekul protein dalam artikel tentang topik ini.
Cara mempelajari lebih lanjut tentang penyiaran
Artikel ini menjelaskan biosintesis protein dalam sel hidup. Tentu saja, jika Anda mempelajari subjek lebih dalam, akan membutuhkan banyak halaman untuk menjelaskan prosesnya secara mendetail. Tapi materi di atas sudah cukup untuk ide umum... Materi video yang di dalamnya para ilmuwan telah mensimulasikan semua tahapan penerjemahan bisa sangat berguna untuk dipahami. Beberapa dari mereka telah diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia dan dapat berfungsi sebagai panduan yang sangat baik untuk siswa atau hanya sebagai video pendidikan.
Untuk memahami topik dengan lebih baik, Anda harus membaca artikel lain tentang topik terkait. Misalnya tentang atau tentang fungsi protein.
Proses biosintesis protein sangat penting bagi sel. Karena protein adalah zat kompleks yang memainkan peran utama dalam jaringan, maka protein sangat diperlukan. Karena alasan ini, seluruh rangkaian proses biosintesis protein diwujudkan dalam sel, yang berlangsung di beberapa organel. Ini menjamin reproduksi sel dan kemungkinan keberadaan.
Inti dari proses biosintesis protein
Satu-satunya tempat untuk sintesis protein adalah kasar, inilah sebagian besar ribosom yang bertanggung jawab untuk pembentukan rantai polipeptida. Namun, sebelum tahap translasi (proses sintesis protein) dimulai, diperlukan aktivasi gen yang menyimpan informasi tentang struktur protein. Setelah itu, penyalinan bagian DNA ini (atau RNA, jika biosintesis bakteri dipertimbangkan) diperlukan.
Setelah menyalin DNA, proses pembuatan messenger RNA diperlukan. Berdasarkan itu, sintesis rantai protein akan dilakukan. Selain itu, semua langkah yang terjadi dengan keterlibatan asam nukleat harus terjadi di Namun, ini bukan tempat terjadinya sintesis protein. di mana persiapan untuk biosintesis berlangsung.
Biosintesis protein ribosom
Tempat utama terjadinya sintesis protein adalah organel sel, yang terdiri dari dua subunit. Ada sejumlah besar struktur seperti itu di dalam sel, dan sebagian besar terletak di membran retikulum endoplasma kasar. Biosintesis itu sendiri terjadi sebagai berikut: messenger RNA yang terbentuk di inti sel keluar melalui pori-pori nuklir ke dalam sitoplasma dan bertemu dengan ribosom. Kemudian mRNA didorong ke celah antara subunit ribosom, setelah itu asam amino pertama diperbaiki.
Asam amino dipasok ke tempat di mana sintesis protein terjadi dengan bantuan satu molekul tersebut dapat membawa satu asam amino pada satu waktu. Mereka bergabung pada gilirannya, tergantung pada urutan kodon dari messenger RNA. Juga, sintesis dapat berhenti untuk sementara waktu.
Saat bergerak di sepanjang mRNA, ribosom dapat memasuki daerah (intron) yang tidak mengkode asam amino. Di tempat-tempat ini, ribosom hanya bergerak di sepanjang mRNA, tetapi tidak ada asam amino yang ditambahkan ke rantai. Segera setelah ribosom mencapai ekson, yaitu situs yang mengkode asam, kemudian melekat kembali ke polipeptida.
Modifikasi pascasintetik protein
Setelah ribosom mencapai kodon stop messenger RNA, proses sintesis langsung selesai. Namun, molekul yang dihasilkan memiliki struktur primer dan belum dapat menjalankan fungsi yang disediakan untuknya. Agar berfungsi penuh, sebuah molekul harus diatur ke dalam struktur tertentu: sekunder, tersier, atau bahkan lebih kompleks - kuaterner.
Organisasi struktural protein
Struktur sekunder adalah tahap pertama dari organisasi struktural. Untuk mencapainya, rantai polipeptida primer harus melilit (membentuk heliks alfa) atau melipat (membuat lapisan beta). Kemudian, untuk mengambil lebih sedikit ruang di sepanjang panjangnya, molekul tersebut bahkan lebih berkontraksi dan melingkar menjadi bola karena ikatan hidrogen, kovalen dan ionik, serta interaksi interatomik. Jadi, kita mendapatkan bola
Struktur protein kuarter
Struktur kuaterner adalah yang paling kompleks dari semuanya. Ini terdiri dari beberapa bagian dengan struktur bulat, dihubungkan oleh filamen fibrilar dari polipeptida. Selain itu, struktur tersier dan kuaterner dapat mengandung residu karbohidrat atau lipid, yang memperluas spektrum fungsi protein. Secara khusus, glikoprotein, protein dan karbohidrat, adalah imunoglobulin dan melakukan fungsi perlindungan. Juga, glikoprotein terletak di membran sel dan bekerja sebagai reseptor. Namun, molekul tersebut dimodifikasi bukan di tempat sintesis protein terjadi, tetapi di retikulum endoplasma halus. Di sini ada kemungkinan perlekatan lipid, logam, dan karbohidrat ke domain protein.
Pertama, tentukan urutan langkah-langkah dalam biosintesis protein, dimulai dengan transkripsi. Seluruh urutan proses yang terjadi selama sintesis molekul protein dapat digabungkan menjadi 2 tahap:
Transkripsi.
Siaran.
Unit struktural dari informasi herediter adalah gen - bagian dari molekul DNA yang menyandikan sintesis protein tertentu. Dalam hal organisasi kimiawi, materi hereditas dan variabilitas pro dan eukariota pada dasarnya tidak berbeda. Materi genetik di dalamnya disajikan dalam molekul DNA, prinsip pencatatan informasi herediter dan kode genetik juga umum. Asam amino yang sama dalam pro dan eukariota dienkripsi oleh kodon yang sama.
Genom sel prokariotik modern dicirikan oleh ukurannya yang relatif kecil, DNA Escherichia coli berbentuk cincin dengan panjang sekitar 1 mm. Ini berisi 4 x 10 6 pasangan basa, membentuk sekitar 4000 gen. Pada tahun 1961, F. Jacob dan J. Monod menemukan cistronic, atau organisasi berkelanjutan dari gen prokariotik, yang seluruhnya terdiri dari urutan nukleotida pengkode, dan seluruhnya diwujudkan selama sintesis protein. Bahan herediter dari molekul DNA prokariota terletak langsung di sitoplasma sel, di mana tRNA dan enzim yang diperlukan untuk ekspresi gen juga berada Ekspresi adalah aktivitas fungsional gen, atau ekspresi gen. Oleh karena itu, mRNA yang disintesis dengan DNA dapat segera bertindak sebagai template dalam proses translasi sintesis protein.
Genom eukariotik mengandung lebih banyak materi herediter. Pada manusia, panjang total DNA dalam kumpulan kromosom diploid adalah sekitar 174 cm, mengandung 3 x 10 9 pasangan basa dan mencakup hingga 100.000 gen. Pada tahun 1977, diskontinuitas ditemukan pada struktur sebagian besar gen eukariotik, yang disebut gen "mosaik". Ini memiliki pengkodean urutan nukleotida eksonik Dan intron plot. Hanya informasi ekson yang digunakan untuk sintesis protein. Jumlah intron bervariasi dalam gen yang berbeda. Telah ditetapkan bahwa gen ovalbumin ayam mencakup 7 intron, dan gen prokolagen mamalia - 50. Fungsi DNA diam - intron belum sepenuhnya dijelaskan. Diasumsikan bahwa mereka menyediakan: 1) organisasi struktural kromatin; 2) beberapa di antaranya jelas terlibat dalam pengaturan ekspresi gen; 3) intron dapat dianggap sebagai penyimpan informasi untuk variabilitas; 4) mereka dapat memainkan peran protektif, melakukan aksi mutagen.
Transkripsi
Proses penulisan ulang informasi dalam inti sel dari sebagian molekul DNA menjadi molekul mRNA (mRNA) disebut transkripsi(lat. Transkripsi - menulis ulang). Produk utama gen, mRNA, disintesis. Ini adalah langkah pertama dalam sintesis protein. Pada bagian DNA yang sesuai, enzim RNA polimerase mengenali tanda dimulainya transkripsi - pratinjau Titik awal dianggap sebagai nukleotida DNA pertama, yang dimasukkan oleh enzim dalam transkrip RNA. Biasanya, daerah pengkodean dimulai dengan kodon AUG, terkadang GUG digunakan pada bakteri. Ketika RNA polimerase berikatan dengan promotor, heliks ganda DNA dilepaskan secara lokal dan salah satu untaian disalin sesuai dengan prinsip saling melengkapi. mRNA disintesis, kecepatan perakitannya mencapai 50 nukleotida per detik. Saat RNA polimerase bergerak, rantai mRNA tumbuh, dan ketika enzim mencapai ujung situs penyalinan - terminator, mRNA menjauh dari template. Heliks ganda DNA di belakang enzim diperbaiki.
Transkripsi prokariota terjadi di sitoplasma. Karena fakta bahwa DNA seluruhnya terdiri dari pengkodean urutan nukleotida, mRNA yang disintesis segera bertindak sebagai templat untuk terjemahan (lihat di atas).
Transkripsi mRNA pada eukariota terjadi di nukleus. Ini dimulai dengan sintesis molekul besar - prekursor (pro-mRNA), yang disebut belum matang, atau RNA nuklir Produk utama gen - pro-mRNA adalah salinan persis dari wilayah DNA yang ditranskripsi, termasuk ekson dan intron. Proses pembentukan molekul RNA matang dari prekursor disebut pengolahan. pematangan mRNA terjadi dengan penyambungan adalah stek oleh enzim restriksi intron dan koneksi situs dengan urutan ekson yang ditranskripsi oleh enzim ligase. (Gbr.) MRNA dewasa jauh lebih pendek daripada molekul prekursor pro-mRNA, ukuran intron di dalamnya bervariasi dari 100 hingga 1000 nukleotida atau lebih. Intron menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang.
Sekarang telah terbukti bahwa itu mungkin penyambungan alternatif, di mana urutan nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di daerah yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini merupakan karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan pembentukan berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal.
Setelah selesai diproses, mRNA matang dipilih sebelum meninggalkan nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% mRNA matang yang memasuki sitoplasma, dan sisanya dibelah dalam nukleus.
Siaran
Terjemahan (lat. Translatio - transfer, transfer) - terjemahan informasi yang terkandung dalam urutan nukleotida molekul mRNA ke dalam urutan asam amino dari rantai polipeptida (Gbr. 10). Ini adalah tahap kedua dari sintesis protein. Transfer mRNA matang melalui pori-pori amplop nuklir menghasilkan protein khusus yang membentuk kompleks dengan molekul RNA. Selain transpor mRNA, protein ini melindungi mRNA dari efek merusak enzim sitoplasma. Dalam proses translasi, tRNA memainkan peran sentral; mereka memastikan korespondensi yang tepat dari asam amino dengan kode triplet mRNA. Proses translasi-dekode terjadi pada ribosom dan dilakukan dalam arah dari 5 ke 3. Kompleks mRNA dan ribosom disebut polisom.
Translasi dapat dibagi menjadi tiga fase: inisiasi, elongasi, dan terminasi.
Inisiasi.
Pada tahap ini, seluruh kompleks yang terlibat dalam sintesis molekul protein dirakit. Ada penyatuan dua subunit ribosom di situs mRNA tertentu, aminoasil pertama - tRNA melekat padanya, dan ini mengatur kerangka untuk membaca informasi. Molekul mRNA apa pun mengandung situs yang melengkapi rRNA dari subunit kecil ribosom dan secara khusus dikendalikan olehnya. Di sebelahnya adalah kodon awal AUG, yang mengkodekan asam amino metionin.
Pemanjangan
- itu mencakup semua reaksi dari saat pembentukan ikatan peptida pertama hingga pengikatan asam amino terakhir. Ribosom memiliki dua situs untuk pengikatan dua molekul tRNA. T-RNA pertama dengan asam amino metionin terletak di satu bagian, peptidil (P), dan sintesis molekul protein apa pun dimulai darinya. Molekul t-RNA kedua memasuki situs kedua ribosom - aminoasil (A) dan menempel pada kodonnya. Ikatan peptida terbentuk antara metionin dan asam amino kedua. TRNA kedua bergerak bersama dengan kodon mRNA ke pusat peptidil. Pergerakan tRNA dengan rantai polipeptida dari pusat aminoasil ke pusat peptidil disertai dengan kemajuan ribosom sepanjang mRNA dengan langkah yang sesuai dengan satu kodon. TRNA yang mengantarkan metionin kembali ke sitoplasma, dan pusat amnoasil dilepaskan. Ia menerima t-RNA baru dengan asam amino yang dienkripsi oleh kodon berikutnya. Ikatan peptida terbentuk antara asam amino ketiga dan kedua, dan tRNA ketiga, bersama dengan kodon mRNA, bergerak ke pusat peptidil Proses pemanjangan, pemanjangan rantai protein. Ini berlanjut sampai salah satu dari tiga kodon yang tidak mengkode asam amino memasuki ribosom. Ini adalah kodon terminator dan tidak ada tRNA yang sesuai untuknya, jadi tidak ada tRNA yang dapat mengambil tempat di pusat aminoasil.
Penghentian
- penyelesaian sintesis polipeptida. Ini terkait dengan pengenalan oleh protein ribosom spesifik dari salah satu kodon terminasi (UAA, UAG, UGA) ketika memasuki pusat aminoasil. Faktor terminasi khusus melekat pada ribosom, yang mempromosikan pemisahan subunit ribosom dan pelepasan molekul protein yang disintesis. Air melekat pada asam amino terakhir dari peptida dan ujung karboksilnya dipisahkan dari tRNA.
Perakitan rantai peptida dilakukan dengan kecepatan tinggi. Pada bakteri pada suhu 37°C, diekspresikan dalam penambahan 12 sampai 17 asam amino per detik ke polipeptida. Dalam sel eukariotik, dua asam amino ditambahkan ke polipeptida dalam satu detik.
Rantai polipeptida yang disintesis kemudian memasuki kompleks Golgi, di mana konstruksi molekul protein selesai (struktur kedua, ketiga, keempat muncul berturut-turut). Di sini terjadi kompleksasi molekul protein dengan lemak dan karbohidrat.
Seluruh proses biosintesis protein disajikan dalam bentuk skema: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® rantai polipeptida ® protein ® kompleks protein dan transformasinya menjadi molekul aktif fungsional.
Tahapan implementasi informasi herediter juga berlangsung dengan cara yang serupa: pertama, ditranskripsi menjadi urutan nukleotida mRNA, dan kemudian diterjemahkan ke dalam urutan asam amino polipeptida pada ribosom dengan partisipasi tRNA.
Transkripsi eukariota dilakukan di bawah aksi tiga polimerase RNA nuklir. RNA polimerase 1 terletak di nukleolus dan bertanggung jawab untuk transkripsi gen rRNA. RNA polimerase 2 ditemukan dalam getah nuklir dan bertanggung jawab untuk sintesis prekursor mRNA. RNA polimerase 3 adalah fraksi kecil dalam getah nuklir yang mensintesis rRNA dan tRNA kecil. RNA polimerase secara khusus mengenali urutan nukleotida promotor transkripsi. MRNA eukariotik pertama kali disintesis sebagai prekursor (pro-mRNA), informasi dari ekson dan intron dihapuskan ke dalamnya. MRNA yang disintesis lebih besar dari yang diperlukan untuk translasi dan kurang stabil.
Dalam proses pematangan molekul mRNA, intron dipotong dengan bantuan enzim restriksi, dan ekson dijahit bersama dengan bantuan enzim ligase. Pematangan mRNA disebut pemrosesan, dan penggabungan ekson disebut splicing. Dengan demikian, mRNA dewasa hanya berisi ekson dan jauh lebih pendek dari pendahulunya, pro-mRNA. Ukuran intron bervariasi dari 100 hingga 10.000 nukleotida atau lebih. Inton menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang. Saat ini, kemungkinan splicing alternatif telah terbukti, di mana sekuens nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di wilayahnya yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini merupakan karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan pembentukan berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal. Setelah selesai diproses, mRNA matang dipilih sebelum dilepaskan ke sitoplasma dari nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% dari mRNA matang yang masuk, dan sisanya dibelah dalam nukleus. Transformasi transkripton utama gen eukariotik, terkait dengan organisasi ekson-intronnya, dan sehubungan dengan transisi mRNA dewasa dari nukleus ke sitoplasma, menentukan ciri-ciri realisasi informasi genetik eukariota. Oleh karena itu, gen mosaik eukariotik bukanlah gen cistronom, karena tidak semua sekuens DNA digunakan untuk sintesis protein.
Pertanyaan utama genetika adalah pertanyaan tentang sintesis protein. Merangkum data tentang struktur dan sintesis DNA dan RNA, Crick pada tahun 1960. mengusulkan teori matriks sintesis protein berdasarkan 3 ketentuan:
1. Komplementaritas basa nitrogen DNA dan RNA.
2. Urutan linier dari lokasi gen dalam molekul DNA.
3. Pengalihan informasi herediter hanya dapat terjadi dari asam nukleat ke asam nukleat atau ke protein.
Dari protein ke protein, transfer informasi herediter tidak mungkin dilakukan. Dengan demikian, hanya asam nukleat yang dapat menjadi template untuk sintesis protein.
Sintesis protein membutuhkan:
1. DNA (gen) tempat molekul disintesis.
2. RNA - (i-RNA) atau (m-RNA), r-RNA, t-RNA
Dalam proses sintesis protein, tahapan dibedakan: transkripsi dan translasi.
Transkripsi- sensus (penulisan ulang) informasi tentang struktur nukleat dari DNA ke RNA (t-RNA, dan RNA, r-RNA).
Pembacaan informasi herediter dimulai dengan bagian DNA tertentu, yang disebut promotor. Promotor terletak sebelum gen dan mencakup sekitar 80 nukleotida.
Pada rantai luar molekul DNA, i-RNA (perantara) disintesis, yang berfungsi sebagai matriks untuk sintesis protein dan oleh karena itu disebut matriks. Ini adalah salinan persis dari urutan nukleotida pada rantai DNA.
Ada bagian dalam DNA yang tidak mengandung informasi genetik (intron). Bagian DNA yang mengandung informasi disebut ekson.
Ada enzim khusus dalam nukleus yang memotong intron, dan fragmen ekson "disambung" menjadi satu dalam urutan yang ketat menjadi benang merah, proses ini disebut "penyambungan". Selama penyambungan, mRNA matang terbentuk, yang berisi informasi yang diperlukan untuk sintesis protein. MRNA dewasa (matriks RNA) melewati pori-pori membran nuklir dan memasuki saluran retikulum endoplasma (sitoplasma) dan di sini bergabung dengan ribosom.
Siaran- urutan nukleotida dalam i-RNA diterjemahkan menjadi urutan asam amino yang teratur dalam molekul protein yang disintesis.
Proses translasi meliputi 2 tahap: aktivasi asam amino dan sintesis langsung molekul protein.
Satu molekul mRNA berikatan dengan 5-6 ribosom untuk membentuk polisom. Sintesis protein terjadi pada molekul mRNA, dengan ribosom bergerak di sepanjang itu. Selama periode ini, asam amino dalam sitoplasma diaktifkan oleh enzim khusus yang disekresikan oleh enzim yang disekresikan oleh mitokondria, masing-masing dengan enzim spesifiknya sendiri.
Hampir seketika, asam amino berikatan dengan jenis RNA lain - RNA larut dengan berat molekul rendah yang bertindak sebagai pembawa asam amino ke molekul mRNA dan disebut transportasi (t-RNA). tRNA membawa asam amino ke ribosom ke tempat tertentu, di mana saat ini molekul mRNA berada. Asam amino kemudian bergabung bersama oleh ikatan peptida untuk membentuk molekul protein. Pada akhir sintesis protein, molekul secara bertahap terlepas dari mRNA.
Pada satu molekul mRNA, 10-20 molekul protein terbentuk, dan dalam beberapa kasus lebih banyak lagi.
Pertanyaan yang paling kabur dalam sintesis protein adalah bagaimana tRNA menemukan situs mRNA yang sesuai yang harus dilampirkan oleh asam amino yang dibawanya.
Urutan susunan basa nitrogen dalam DNA, yang menentukan susunan asam amino dalam protein yang disintesis, adalah kode genetik.
Karena informasi herediter yang sama "direkam" dalam asam nukleat dengan empat karakter (basa nitrogen), dan dalam protein dengan dua puluh (asam amino). Masalah kode genetik direduksi menjadi membangun korespondensi di antara mereka. Ahli genetika, fisikawan, dan ahli kimia memainkan peran penting dalam menguraikan kode genetik.
Untuk menguraikan kode genetik, pertama-tama perlu diketahui berapa jumlah minimum nukleotida yang dapat menentukan (mengkodekan) pembentukan satu asam amino. Jika masing-masing dari 20 asam amino dikodekan oleh satu basa, maka DNA harus memiliki 20 basa yang berbeda, tetapi kenyataannya hanya ada 4. Jelas, kombinasi dua nukleotida juga tidak cukup untuk mengkode 20 asam amino. Itu hanya dapat mengkode 16 asam amino 4 2 = 16.
Kemudian diusulkan bahwa kode tersebut mencakup 3 nukleotida 4 3 = 64 kombinasi dan, oleh karena itu, mampu mengkodekan lebih dari cukup asam amino untuk membentuk protein apa pun. Kombinasi tiga nukleotida ini disebut kode triplet.
Kode memiliki properti berikut:
1. Kode genetiknya adalah triplet(setiap asam amino dikodekan oleh tiga nukleotida).
2. Degenerasi- satu asam amino dapat dikodekan oleh beberapa kembar tiga, kecuali triptofan dan metionin.
3. Dalam kodon untuk satu asam amino, dua nukleotida pertama adalah sama, dan yang ketiga berubah.
4. Tidak tumpang tindih- kembar tiga tidak saling tumpang tindih. Satu triplet tidak dapat menjadi bagian dari yang lain, masing-masing secara independen mengkodekan asam aminonya sendiri. Oleh karena itu, dua asam amino apa pun dapat berada di dekatnya dalam rantai polipeptida dan kombinasi keduanya dimungkinkan, mis. dalam urutan basa ABCDEFGHI, tiga basa pertama mengkode 1 asam amino (ABC-1), (DEF-2), dll.
5.Universal, itu. di semua organisme, kodon untuk asam amino tertentu adalah sama (dari kamomil hingga manusia). Universalitas kode bersaksi tentang kesatuan kehidupan di bumi.
6. Berlutut- kebetulan susunan kodon dalam mRNA dengan urutan asam amino dalam rantai polipeptida yang disintesis.
Kodon adalah triplet nukleotida yang mengkode 1 asam amino.
7. Tidak ada gunanya Itu tidak mengkode asam amino apa pun. Sintesis protein di situs ini terganggu.
Dalam beberapa tahun terakhir, menjadi jelas bahwa universalitas kode genetik dilanggar dalam mitokondria, empat kodon dalam mitokondria telah mengubah artinya, misalnya kodon UGA - jawaban untuk triptofan alih-alih "BERHENTI" - penghentian sintesis protein . AUA - sesuai dengan metionin - bukan "isoleusin".
Penemuan kodon baru dalam mitokondria dapat berfungsi sebagai bukti bahwa kode berevolusi dan tidak segera menjadi demikian.
Biarkan informasi herediter dari gen ke molekul protein dapat diekspresikan secara skematis.
DNA - RNA - protein
Studi tentang komposisi kimiawi sel menunjukkan bahwa jaringan berbeda dari organisme yang sama mengandung kumpulan molekul protein yang berbeda, meskipun mereka memiliki jumlah kromosom yang sama dan informasi herediter genetik yang sama.
Kami mencatat keadaan berikut: meskipun terdapat di setiap sel semua gen dari seluruh organisme, sangat sedikit gen yang bekerja dalam satu sel - dari sepersepuluh hingga beberapa persen dari jumlah total. Area lainnya "diam", mereka diblokir oleh protein khusus. Ini bisa dimaklumi, mengapa, misalnya, gen hemoglobin bekerja di sel saraf? Sama seperti sel yang menentukan gen mana yang diam dan mana yang bekerja, harus diasumsikan bahwa sel memiliki semacam mekanisme sempurna yang mengatur aktivitas gen, yang menentukan gen mana yang harus aktif pada saat tertentu dan mana yang harus diaktifkan. dalam keadaan tidak aktif (represif). Mekanisme seperti itu, menurut ilmuwan Prancis F. Jacobo dan J. Monod, disebut induksi dan represi.
Induksi- stimulasi sintesis protein.
Represi- penghambatan sintesis protein.
Induksi memastikan kerja gen-gen yang mensintesis protein atau enzim, dan yang diperlukan pada tahap kehidupan sel ini.
Pada hewan, hormon membran sel berperan penting dalam proses regulasi gen; pada tanaman, kondisi lingkungan dan induktor yang sangat terspesialisasi lainnya.
Contoh: ketika hormon tiroid ditambahkan ke media, terjadi transformasi cepat berudu menjadi katak.
Gula susu (laktosa) diperlukan untuk fungsi normal bakteri E (Coli). Jika lingkungan tempat bakteri berada tidak mengandung laktosa, gen ini berada dalam keadaan represif (yaitu tidak berfungsi). Laktosa yang dimasukkan ke dalam media adalah induktor, termasuk gen yang bertanggung jawab untuk sintesis enzim. Setelah penghilangan laktosa dari media, sintesis enzim ini berhenti. Dengan demikian, peran represor dapat dimainkan oleh zat yang disintesis di dalam sel, dan jika kandungannya melebihi norma atau habis.
Berbagai jenis gen terlibat dalam sintesis protein atau enzim.
Semua gen berada dalam molekul DNA.
Fungsi mereka tidak sama:
- struktural - gen yang memengaruhi sintesis enzim atau protein terletak di molekul DNA secara berurutan satu demi satu dalam urutan pengaruhnya terhadap jalannya reaksi sintesis, atau Anda juga dapat mengatakan gen struktural - ini adalah gen yang membawa informasi tentang urutan asam amino.
- akseptor- gen tidak membawa informasi herediter tentang struktur protein, mereka mengatur kerja gen struktural.
Sebelum sekelompok gen struktural adalah gen yang sama untuk mereka - operator, dan di depannya promotor. Secara umum, kelompok fungsional ini disebut berbulu.
Seluruh kelompok gen dari satu operon termasuk dalam proses sintesis dan dimatikan secara bersamaan. Menghidupkan dan mematikan gen struktural adalah inti dari keseluruhan proses regulasi.
Fungsi menghidupkan dan mematikan dilakukan oleh bagian khusus dari molekul DNA - operator gen. Operator gen adalah titik awal sintesis protein atau, seperti yang mereka katakan, "membaca" informasi genetik. lebih jauh dalam molekul yang sama pada jarak tertentu adalah gen - regulator, di bawah kendali yang diproduksi protein yang disebut represor.
Dari semua hal di atas, terlihat bahwa sintesis protein sangat sulit. Sistem genetik sel, dengan menggunakan mekanisme represi dan induksi, dapat menerima sinyal tentang perlunya memulai dan mengakhiri sintesis enzim tertentu dan melakukan proses ini pada kecepatan tertentu.
Masalah mengatur aksi gen dalam organisme yang lebih tinggi sangat penting secara praktis dalam peternakan dan pengobatan. Pembentukan faktor-faktor yang mengatur sintesis protein akan membuka kemungkinan besar untuk mengendalikan ontogeni, menciptakan hewan yang sangat produktif, serta hewan yang tahan terhadap penyakit keturunan.
pertanyaan kontrol:
1. Sebutkan sifat-sifat gen.
2. Apa itu gen?
3. Apa signifikansi biologis dari DNA, RNA.
4. Sebutkan tahapan sintesis protein
5. Sebutkan sifat-sifat kode genetik.