Īss apraksts par to, kā šūnā notiek olbaltumvielu sintēze. Olbaltumvielu biosintēze: kodolīga un saprotama
Olbaltumvielu loma šūnā un organismā
Olbaltumvielu loma šūnu dzīvē un tās sintēzes galvenie posmi. Ribosomu uzbūve un funkcijas. Ribosomu loma olbaltumvielu sintēzē.
Olbaltumvielām ir ārkārtīgi liela nozīme šūnas un organisma dzīvības procesos, tiem raksturīgas šādas funkcijas.
Strukturāls. Tie ir daļa no intracelulārām struktūrām, audiem un orgāniem. Piemēram, kolagēns un elastīns kalpo kā saistaudu sastāvdaļas: kauli, cīpslas, skrimšļi; fibroīns ir daļa no zīda‚ zirnekļu tīkliem; keratīns ir daļa no epidermas un tās atvasinājumiem (matiem, ragiem, spalvām). Tie veido vīrusu čaulas (kapsīdus).
Enzīmu. Visas ķīmiskās reakcijas šūnā notiek, piedaloties bioloģiskajiem katalizatoriem - enzīmiem (oksidoreduktāzei, hidrolāzei, ligāzei, transferāzei, izomerāzei un liāzei).
Regulējošais. Piemēram, hormoni insulīns un glikagons regulē glikozes metabolismu. Histona proteīni ir iesaistīti hromatīna telpiskajā organizācijā un tādējādi ietekmē gēnu ekspresiju.
Transports. Hemoglobīns nes skābekli mugurkaulnieku asinīs, hemocianīnu dažu bezmugurkaulnieku hemolimfā, mioglobīnu muskuļos. Seruma albumīns kalpo taukskābju, lipīdu uc transportēšanai. Membrānas transporta proteīni nodrošina aktīvu vielu transportēšanu caur šūnu membrānām (Na +, K + -ATPāze). Citohromi veic elektronu pārnesi pa mitohondriju un hloroplastu elektronu transportēšanas ķēdēm.
Aizsargājošs. Piemēram, antivielas (imūnglobulīni) veido kompleksus ar baktēriju antigēniem un svešiem proteīniem. Interferoni bloķē vīrusa proteīna sintēzi inficētā šūnā. Fibrinogēns un trombīns ir iesaistīti asinsreces procesos.
Kontrakcijas (motors). Olbaltumvielas aktīns un miozīns nodrošina muskuļu kontrakcijas un citoskeleta elementu kontrakcijas procesus.
Signāls (receptors).Šūnu membrānas proteīni ir daļa no receptoriem un virsmas antigēniem.
uzglabāšanas proteīni. Piena kazeīns, olu albumīns, feritīns (uzglabā dzelzi liesā).
Olbaltumvielu toksīni. difterijas toksīns.
Enerģijas funkcija. Sadalot 1 g proteīna līdz vielmaiņas galaproduktiem (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2), atbrīvojas 17,6 kJ jeb 4,2 kcal enerģijas.
Olbaltumvielu biosintēze notiek katrā dzīvā šūnā. Tas ir visaktīvākais jaunās augošās šūnās, kur tiek sintezēti proteīni to organellu uzbūvei, kā arī sekrēcijas šūnās, kur tiek sintezēti fermentu proteīni un hormonu proteīni.
Galvenā loma proteīnu struktūras noteikšanā pieder DNS. DNS gabalu, kas satur informāciju par atsevišķa proteīna struktūru, sauc par gēnu. DNS molekula satur vairākus simtus gēnu. DNS molekula satur kodu aminoskābju secībai proteīnā noteikti kombinētu nukleotīdu veidā.
Olbaltumvielu sintēze - sarežģīts daudzpakāpju process, kas atspoguļo sintētisko reakciju ķēdi, kas norit pēc matricas sintēzes principa.
Olbaltumvielu biosintēzē tiek noteikti šādi posmi, kas notiek dažādās šūnas daļās:
Pirmais solis - Kodolā notiek i-RNS sintēze, kuras laikā DNS gēnā esošā informācija tiek pārrakstīta i-RNS. Šo procesu sauc par transkripciju (no latīņu valodas "transkripts" - pārrakstīšana).
Otrajā posmā notiek aminoskābju saistība ar t-RNS molekulām, kuras secīgi sastāv no trim nukleotīdiem - antikodoniem, ar kuru palīdzību tiek noteikts tā tripleta kodons.
Trešais posms - tas ir polipeptīdu saišu tiešas sintēzes process, ko sauc par translāciju. Tas notiek ribosomās.
Ceturtajā posmā proteīna sekundārās un terciārās struktūras veidošanās, tas ir, proteīna galīgās struktūras veidošanās.
Tādējādi proteīnu biosintēzes procesā veidojas jaunas proteīna molekulas atbilstoši precīzai informācijai, kas iestrādāta DNS. Šis process nodrošina olbaltumvielu atjaunošanos, vielmaiņas procesus, šūnu augšanu un attīstību, tas ir, visus šūnu vitālās aktivitātes procesus.
Lai pētītu organismā notiekošos procesus, jāzina, kas notiek šūnu līmenī. Kur olbaltumvielām ir svarīga loma. Ir nepieciešams izpētīt ne tikai to funkcijas, bet arī radīšanas procesu. Tāpēc ir svarīgi paskaidrot īsi un skaidri. Šim nolūkam vislabāk atbilst 9. klase. Tieši šajā posmā skolēniem ir pietiekami daudz zināšanu, lai izprastu šo tēmu.
Olbaltumvielas - kas tas ir un kam tie paredzēti
Šiem makromolekulāriem savienojumiem ir milzīga loma jebkura organisma dzīvē. Olbaltumvielas ir polimēri, tas ir, tie sastāv no daudziem līdzīgiem “gabaliem”. To skaits var svārstīties no dažiem simtiem līdz tūkstošiem.
Olbaltumvielas šūnā veic daudzas funkcijas. Viņu loma ir liela arī augstākos organizācijas līmeņos: audi un orgāni lielā mērā ir atkarīgi no dažādu proteīnu pareizas darbības.
Piemēram, visi hormoni ir olbaltumvielu izcelsmes. Bet tieši šīs vielas kontrolē visus procesus organismā.
Hemoglobīns arī ir proteīns, tas sastāv no četrām ķēdēm, kuras centrā savieno dzelzs atoms. Šī struktūra nodrošina spēju pārvadāt skābekli ar eritrocītiem.
Atcerieties, ka visas membrānas satur olbaltumvielas. Tie ir nepieciešami vielu transportēšanai caur šūnu membrānu.
Ir daudz vairāk olbaltumvielu molekulu funkciju, kuras tās veic skaidri un neapšaubāmi. Šie apbrīnojamie savienojumi ir ļoti dažādi ne tikai pēc to lomas šūnā, bet arī pēc struktūras.
Kur notiek sintēze
Ribosoma ir organelle, kurā notiek galvenā procesa daļa, ko sauc par "olbaltumvielu biosintēzi". 9. klase dažādās skolās atšķiras pēc bioloģijas studiju programmas, taču daudzi skolotāji jau iepriekš, pirms tulkošanas apguves, sniedz materiālus par organellām.
Tāpēc skolēniem nebūs grūti atcerēties aplūkoto materiālu un to nostiprināt. Jums jāapzinās, ka vienā organellā vienlaikus var izveidot tikai vienu polipeptīdu ķēdi. Ar to nepietiek, lai apmierinātu visas šūnas vajadzības. Tāpēc ribosomu ir ļoti daudz, un visbiežāk tās tiek kombinētas ar endoplazmas tīklu.
Šādu EPS sauc par raupju. Šādas “sadarbības” ieguvums ir acīmredzams: tūlīt pēc sintēzes proteīns nonāk transporta kanālā un bez kavēšanās var tikt nosūtīts uz galamērķi.
Bet, ja ņemam vērā pašu sākumu, proti, informācijas nolasīšanu no DNS, tad varam teikt, ka olbaltumvielu biosintēze dzīvā šūnā sākas kodolā. Tieši tur tiek sintezēts ģenētiskais kods.
Nepieciešamie materiāli ir aminoskābes, sintēzes vieta ir ribosoma
Šķiet, ka ir grūti izskaidrot, kā notiek olbaltumvielu biosintēze, īsi un skaidri, procesa diagramma un daudzi zīmējumi ir vienkārši nepieciešami. Tie palīdzēs nodot visu informāciju, kā arī skolēni to varēs vieglāk atcerēties.
Pirmkārt, sintēzei nepieciešams "būvmateriāls" - aminoskābes. Dažus no tiem ražo ķermenis. Citus var iegūt tikai no pārtikas, tos sauc par neaizstājamiem.
Kopējais aminoskābju skaits ir divdesmit, taču, ņemot vērā milzīgo iespēju skaitu, kurās tās var sakārtot garā ķēdē, olbaltumvielu molekulas ir ļoti dažādas. Šīs skābes ir līdzīgas pēc struktūras, bet atšķiras pēc radikāļiem.
Tieši katras aminoskābes šo daļu īpašības nosaka, kādu struktūru iegūtā ķēde “salocīsies”, vai tā veidos ceturtdaļstruktūru ar citām ķēdēm un kādas īpašības būs iegūtajai makromolekulai.
Olbaltumvielu biosintēzes process nevar noritēt vienkārši citoplazmā, tam ir nepieciešama ribosoma. sastāv no divām apakšvienībām - lielas un mazas. Atpūtas stāvoklī tie tiek atdalīti, bet, tiklīdz sākas sintēze, tie nekavējoties savienojas un sāk darboties.
Tik dažādas un svarīgas ribonukleīnskābes
Lai nogādātu aminoskābi ribosomā, jums ir nepieciešama īpaša RNS, ko sauc par transportu. Tas ir saīsināts kā tRNS. Šī vienpavediena āboliņa lapu molekula spēj pievienot vienu aminoskābi tās brīvajam galam un pārnest to uz olbaltumvielu sintēzes vietu.
Vēl vienu proteīnu sintēzē iesaistīto RNS sauc par matricu (informāciju). Tam ir tikpat svarīga sintēzes sastāvdaļa – kods, kas skaidri norāda, kad kuru aminoskābi pieķēdēt iegūtajai proteīna ķēdei.
Šai molekulai ir vienpavedienu struktūra, tā sastāv no nukleotīdiem, kā arī DNS. Šo nukleīnskābju primārajā struktūrā ir dažas atšķirības, par kurām varat lasīt salīdzinošajā rakstā par RNS un DNS.
Informāciju par proteīna mRNS sastāvu saņem no galvenā ģenētiskā koda glabātāja - DNS. MRNS lasīšanas un sintezēšanas procesu sauc par transkripciju.
Tas notiek kodolā, no kurienes iegūtā mRNS tiek nosūtīta uz ribosomu. Pati DNS neiziet no kodola, tās uzdevums ir tikai saglabāt ģenētisko kodu un nodot to meitas šūnai dalīšanās laikā.
Raidījuma galveno dalībnieku kopsavilkuma tabula
Lai kodolīgi un skaidri aprakstītu olbaltumvielu biosintēzi, tabula ir vienkārši nepieciešama. Tajā mēs pierakstīsim visas sastāvdaļas un to lomu šajā procesā, ko sauc par tulkošanu.
Pats olbaltumvielu ķēdes izveides process ir sadalīts trīs posmos. Apskatīsim katru no tiem sīkāk. Pēc tam īsi un saprotami var viegli izskaidrot proteīnu biosintēzi ikvienam, kas to vēlas.
Iniciācija – procesa sākums
Šis ir sākotnējais translācijas posms, kurā mazā ribosomas apakšvienība saplūst ar pašu pirmo tRNS. Šī ribonukleīnskābe nes aminoskābi metionīnu. Tulkošana vienmēr sākas ar šo aminoskābi, jo sākuma kodons ir AUG, kas kodē šo pirmo monomēru proteīna ķēdē.
Lai ribosoma atpazītu starta kodonu un nesāktu sintēzi no gēna vidus, kur var parādīties arī AUG secība, ap starta kodonu atrodas īpaša nukleotīdu secība. Tieši no tiem ribosoma atpazīst vietu, kur vajadzētu atrasties tās mazajai apakšvienībai.
Pēc kompleksa veidošanās ar mRNS iniciācijas posms beidzas. Un sākas tulkošanas galvenais posms.
Pagarinājums - sintēzes vidus
Šajā posmā notiek pakāpeniska olbaltumvielu ķēdes uzkrāšanās. Pagarinājuma ilgums ir atkarīgs no aminoskābju skaita olbaltumvielās.
Pirmkārt, ribosomas lielā apakšvienība ir pievienota mazajai apakšvienībai. Un sākotnējā t-RNS tajā ir pilnībā. Ārpusē paliek tikai metionīns. Pēc tam lielajā apakšvienībā nonāk otrā t-RNS, kas satur citu aminoskābi.
Ja mRNS otrais kodons sakrīt ar antikodonu āboliņa lapas augšdaļā, otrā aminoskābe tiek pievienota pirmajai, izmantojot peptīdu saiti.
Pēc tam ribosoma pārvietojas pa m-RNS tieši trīs nukleotīdus (vienu kodonu), pirmā t-RNS atdala no sevis metionīnu un atdalās no kompleksa. Tās vietā ir otrā t-RNS, kuras galā jau ir divas aminoskābes.
Tad lielajā apakšvienībā nonāk trešā tRNS un process atkārtojas. Tas turpināsies, līdz ribosoma nonāks mRNS kodonā, kas signalizē par translācijas beigām.
Izbeigšana
Šis posms ir pēdējais, kādam tas var šķist ļoti nežēlīgs. Visas molekulas un organoīdi, kas ir strādājuši tik harmoniski, lai izveidotu polipeptīdu ķēdi, apstājas, tiklīdz ribosoma sasniedz termināla kodonu.
Tas nekodē nevienu aminoskābi, tāpēc jebkura tRNS, kas nonāk lielajā apakšvienībā, tiks noraidīta neatbilstības dēļ. Šeit tiek izmantoti beigu faktori, kas atdala gatavo proteīnu no ribosomas.
Pati organelle var sadalīties divās apakšvienībās vai turpināties pa mRNS, meklējot jaunu sākuma kodonu. Vienai mRNS var būt vairākas ribosomas vienlaikus. Katrs no tiem ir savā tulkošanas stadijā.Jaunizveidotais proteīns tiek nodrošināts ar marķieriem, ar kuru palīdzību tā galamērķis būs skaidrs ikvienam. Un ar EPS tas tiks nosūtīts tur, kur tas ir nepieciešams.
Lai saprastu olbaltumvielu biosintēzes lomu, ir jāizpēta, kādas funkcijas tā var veikt. Tas ir atkarīgs no aminoskābju secības ķēdē. Tieši to īpašības nosaka sekundāro, terciāro un dažreiz ceturkšņa (ja tāda pastāv) un tā lomu šūnā. Vairāk par olbaltumvielu molekulu funkcijām varat lasīt rakstā par šo tēmu.
Kā uzzināt vairāk par apraidi
Šajā rakstā ir aprakstīta olbaltumvielu biosintēze dzīvā šūnā. Protams, ja jūs izpētīsit šo tēmu dziļāk, būs vajadzīgas daudzas lappuses, lai detalizēti izskaidrotu procesu. Bet vispārējai idejai ar augstākminēto materiālu vajadzētu pietikt.Sapratnei ļoti noderēs videomateriāli, kuros zinātnieki ir simulējuši visus tulkošanas posmus. Daži no tiem ir tulkoti krievu valodā un var kalpot kā lielisks ceļvedis studentiem vai vienkārši izglītojošs video.
Lai labāk izprastu tēmu, jums vajadzētu izlasīt citus rakstus par saistītām tēmām. Piemēram, par vai par olbaltumvielu funkcijām.
Olbaltumvielu biosintēzes process šūnai ir ārkārtīgi svarīgs. Tā kā olbaltumvielas ir sarežģītas vielas, kurām ir liela nozīme audos, tās ir neaizstājamas. Šā iemesla dēļ šūnā tiek realizēta vesela olbaltumvielu biosintēzes procesu ķēde, kas notiek vairākās organellās. Tas garantē šūnu reprodukciju un pastāvēšanas iespēju.
Olbaltumvielu biosintēzes procesa būtība
Vienīgā vieta proteīnu sintēzei ir raupja.Šeit ir lielākā daļa ribosomu, kas ir atbildīgas par polipeptīdu ķēdes veidošanos. Taču pirms translācijas stadijas (olbaltumvielu sintēzes procesa) sākuma ir nepieciešama gēna aktivācija, kas glabā informāciju par proteīna struktūru. Pēc tam ir nepieciešama šīs DNS sadaļas (vai RNS, ja tiek apsvērta baktēriju biosintēze) kopēšana.
Pēc DNS kopēšanas ir nepieciešams ziņojuma RNS izveides process. Pamatojoties uz to, tiks veikta olbaltumvielu ķēdes sintēze. Turklāt visiem soļiem, kas notiek ar nukleīnskābju iesaistīšanos, ir jānotiek šajā punktā. Tomēr šī nav vieta, kur notiek olbaltumvielu sintēze. kur notiek sagatavošanās biosintēzei.
Ribosomu proteīnu biosintēze
Galvenā vieta, kur notiek olbaltumvielu sintēze, ir šūnu organelle, kas sastāv no divām apakšvienībām. Šūnā ir milzīgs skaits šādu struktūru, un tās galvenokārt atrodas uz rupjā endoplazmatiskā tīkla membrānām. Pati biosintēze notiek šādi: ziņnesis RNS, kas veidojas šūnas kodolā, caur kodola porām iziet citoplazmā un tiekas ar ribosomu. Pēc tam mRNS tiek iespiesta spraugā starp ribosomas apakšvienībām, pēc kuras tiek fiksēta pirmā aminoskābe.
Aminoskābes tiek piegādātas vietnei, kur notiek proteīnu sintēze, ar vienas šādas molekulas palīdzību var atnest vienu aminoskābi vienlaikus. Tie pievienojas pēc kārtas, atkarībā no ziņneša RNS kodonu secības. Arī sintēze var uz laiku apstāties.
Pārvietojoties pa mRNS, ribosoma var iekļūt reģionos (intronos), kas nekodē aminoskābes. Šajās vietās ribosoma vienkārši pārvietojas pa mRNS, bet ķēdei netiek pievienotas aminoskābes. Tiklīdz ribosoma sasniedz eksonu, tas ir, vietu, kas kodē skābi, tā atkal pievienojas polipeptīdam.
Olbaltumvielu postsintētiskā modifikācija
Kad ribosoma sasniedz Messenger RNS stopkodonu, tiešās sintēzes process ir pabeigts. Tomēr iegūtajai molekulai ir primārā struktūra un tā vēl nevar veikt tai paredzētās funkcijas. Lai molekula pilnvērtīgi funkcionētu, tai ir jābūt sakārtotai noteiktā struktūrā: sekundārā, terciārā vai vēl sarežģītākā – kvartārā.
Olbaltumvielu strukturālā organizācija
Sekundārā struktūra ir strukturālās organizācijas pirmais posms. Lai to panāktu, primārajai polipeptīdu ķēdei ir jāsaritinās (veido alfa spirāles) vai jāsaloka (izveido beta slāņus). Tad, lai visā garumā aizņemtu vēl mazāk vietas, ūdeņraža, kovalento un jonu saišu, kā arī starpatomu mijiedarbības dēļ molekula tiek vēl vairāk sarauties un saritināta lodītē. Tādējādi mēs iegūstam lodveida formu
Kvartārā proteīna struktūra
Kvartāra struktūra ir vissarežģītākā no visām. Tas sastāv no vairākām sekcijām ar lodveida struktūru, kuras savieno polipeptīda fibrilāri pavedieni. Turklāt terciārajā un ceturtajā struktūrā var būt ogļhidrātu vai lipīdu atlikums, kas paplašina olbaltumvielu funkciju spektru. Jo īpaši glikoproteīni, olbaltumvielas un ogļhidrāti ir imūnglobulīni un veic aizsargfunkciju. Arī glikoproteīni atrodas uz šūnu membrānām un darbojas kā receptori. Tomēr molekula tiek modificēta nevis tur, kur notiek olbaltumvielu sintēze, bet gan gludajā endoplazmatiskajā retikulā. Šeit ir iespēja pievienot lipīdus, metālus un ogļhidrātus proteīnu domēniem.
Pirmkārt, nosakiet olbaltumvielu biosintēzes posmu secību, sākot ar transkripciju. Visu procesu secību, kas notiek olbaltumvielu molekulu sintēzes laikā, var apvienot 2 posmos:
Transkripcija.
Raidījums.
Iedzimtas informācijas strukturālās vienības ir gēni - DNS molekulas sadaļas, kas kodē konkrēta proteīna sintēzi. Ķīmiskās organizācijas ziņā pro- un eikariotu iedzimtības un mainīguma materiāls būtiski neatšķiras. Tajos esošais ģenētiskais materiāls ir uzrādīts DNS molekulā, izplatīts ir arī iedzimtības informācijas un ģenētiskā koda ierakstīšanas princips. Tās pašas aminoskābes pro- un eikariotos ir šifrētas ar tiem pašiem kodoniem.
Mūsdienu prokariotu šūnu genomam raksturīgs salīdzinoši mazs izmērs, Escherichia coli DNS ir gredzena forma, apmēram 1 mm garš. Tas satur 4 x 10 6 bāzes pārus, kas veido aptuveni 4000 gēnu. 1961. gadā F. Džeikobs un Dž. Monods atklāja prokariotu gēnu cistronisko jeb nepārtraukto organizāciju, kas pilnībā sastāv no kodējošām nukleotīdu sekvencēm, un tās pilnībā tiek realizētas proteīnu sintēzes laikā. Prokariotu DNS molekulas iedzimtais materiāls atrodas tieši šūnas citoplazmā, kur atrodas arī tRNS un gēnu ekspresijai nepieciešamie fermenti.Izpausme ir gēnu funkcionālā aktivitāte jeb gēnu ekspresija. Tāpēc ar DNS sintezēta mRNS spēj nekavējoties darboties kā veidne proteīnu sintēzes translācijas procesā.
Eikariotu genomā ir daudz vairāk iedzimta materiāla. Cilvēkiem kopējais DNS garums diploīdajā hromosomu komplektā ir aptuveni 174 cm.Tas satur 3 x 10 9 bāzes pārus un ietver līdz 100 000 gēnu. 1977. gadā lielākajā daļā eikariotu gēnu struktūrā tika atklāts pārtraukums, ko sauca par "mozaīkas" gēnu. Tam ir kodējošas nukleotīdu sekvences eksonisks un introns zemes gabali. Olbaltumvielu sintēzei tiek izmantota tikai informācija par eksoniem. Intronu skaits dažādos gēnos ir atšķirīgs. Noskaidrots, ka vistas ovalbumīna gēns ietver 7 intronus, bet zīdītāju prokolagēna gēns - 50. Klusās DNS - intronu funkcijas nav pilnībā noskaidrotas. Tiek pieņemts, ka tie nodrošina: 1) hromatīna strukturālo organizāciju; 2) daži no tiem acīmredzami ir iesaistīti gēnu ekspresijas regulēšanā; 3) intronus var uzskatīt par mainīguma informācijas krātuvi; 4) tiem var būt aizsargājoša loma, uzņemoties mutagēnu darbību.
Transkripcija
Informācijas pārrakstīšanas procesu šūnas kodolā no DNS molekulas daļas uz mRNS molekulu (mRNS) sauc. transkripcija(lat. Transcriptio - pārrakstīšana). Tiek sintezēts gēna primārais produkts mRNS. Šis ir pirmais solis proteīnu sintēzē. Atbilstošajā DNS sadaļā RNS polimerāzes enzīms atpazīst transkripcijas sākuma zīmi - priekšskatījums Par sākumpunktu tiek uzskatīts pirmais DNS nukleotīds, ko enzīms iekļauj RNS transkriptā. Parasti kodēšanas reģioni sākas ar kodonu AUG, dažreiz GUG tiek izmantots baktērijās. Kad RNS polimerāze saistās ar promotoru, DNS dubultspirāle tiek lokāli savīta un viena no virknēm tiek kopēta saskaņā ar komplementaritātes principu. mRNS tiek sintezēta, tās montāžas ātrums sasniedz 50 nukleotīdus sekundē. RNS polimerāzei pārvietojoties, mRNS ķēde aug, un, kad enzīms sasniedz kopēšanas vietas galu, terminators, mRNS attālinās no veidnes. DNS dubultspirāle aiz enzīma tiek salabota.
Prokariotu transkripcija notiek citoplazmā. Sakarā ar to, ka DNS pilnībā sastāv no kodējošām nukleotīdu sekvencēm, sintezētā mRNS nekavējoties darbojas kā tulkošanas veidne (skatīt iepriekš).
MRNS transkripcija eikariotos notiek kodolā. Tas sākas ar lielu molekulu sintēzi – prekursoru (pro-mRNS), ko sauc par nenobriedušu, jeb kodola RNS.Gēnu primārais produkts – pro-mRNS ir precīza transkribētā DNS reģiona kopija, ietver eksonus un intronus. Tiek saukts nobriedušu RNS molekulu veidošanās process no prekursoriem apstrāde. mRNS nobriešana notiek līdz savienošana ir fermentu radīti spraudeņi ierobežot introni un vietu savienošana ar transkribētajām eksonu sekvencēm ar ligāzes enzīmu palīdzību. (Zīm.).Nobriedusi mRNS ir daudz īsāka nekā pro-mRNS prekursoru molekulas, intronu izmērs tajās svārstās no 100 līdz 1000 nukleotīdiem vai vairāk. Introni veido aptuveni 80% no visas nenobriedušās mRNS.
Tagad ir pierādīts, ka tas ir iespējams alternatīva savienošana, kurā no viena primārā transkripta tā dažādos reģionos var tikt dzēstas nukleotīdu sekvences un veidosies vairākas nobriedušas mRNS. Šāda veida splicēšana ir raksturīga imūnglobulīna gēnu sistēmai zīdītājiem, kas ļauj veidot dažāda veida antivielas, pamatojoties uz vienu mRNS transkriptu.
Pēc apstrādes pabeigšanas nobriedušā mRNS tiek atlasīta pirms atstāšanas no kodola. Ir noskaidrots, ka tikai 5% nobriedušas mRNS nonāk citoplazmā, bet pārējais tiek atšķelts kodolā.
Raidījums
Translācija (lat. Translatio - pārnese, pārnešana) - mRNS molekulas nukleotīdu secībā ietvertās informācijas pārvēršana polipeptīdu ķēdes aminoskābju secībā (10. att.). Šis ir proteīna sintēzes otrais posms. Nobriedušas mRNS pārnešana caur kodola apvalka porām rada īpašus proteīnus, kas veido kompleksu ar RNS molekulu. Papildus mRNS transportēšanai šie proteīni aizsargā mRNS no citoplazmas enzīmu kaitīgās ietekmes. Translācijas procesā galvenā loma ir tRNS, kas nodrošina precīzu aminoskābes atbilstību mRNS tripleta kodam. Translācijas-dekodēšanas process notiek ribosomās un tiek veikts virzienā no 5 līdz 3. MRNS un ribosomu kompleksu sauc par polisomu.
Tulkošanu var iedalīt trīs fāzēs: uzsākšana, pagarināšana un izbeigšana.
Iniciācija.
Šajā posmā tiek samontēts viss proteīna molekulas sintēzē iesaistītais komplekss. Noteiktā mRNS vietā ir divu ribosomu apakšvienību savienība, tai ir pievienota pirmā aminoacils - tRNS, un tas nosaka rāmi informācijas nolasīšanai. Jebkura mRNS molekula satur vietu, kas ir komplementāra ar ribosomas mazās apakšvienības rRNS un ko tā īpaši kontrolē. Blakus tam atrodas iniciējošais starta kodons AUG, kas kodē aminoskābi metionīnu.
Pagarinājums
- tas ietver visas reakcijas no pirmās peptīdu saites veidošanās brīža līdz pēdējās aminoskābes piesaistei. Ribosomā ir divas vietas divu tRNS molekulu saistīšanai. Pirmā t-RNS ar aminoskābi metionīnu atrodas vienā sadaļā, peptidils (P), un no tās sākas jebkuras proteīna molekulas sintēze. Otrā t-RNS molekula nonāk ribosomas otrajā vietā – aminoacilā (A) un pievienojas tās kodonam. Starp metionīnu un otro aminoskābi veidojas peptīdu saite. Otrā tRNS pārvietojas kopā ar savu mRNS kodonu uz peptidila centru. tRNS kustība ar polipeptīdu ķēdi no aminoacilcentra uz peptidilcentru tiek papildināta ar ribosomas virzību gar mRNS ar soli, kas atbilst vienam kodonam. tRNS, kas piegādāja metionīnu, atgriežas citoplazmā, un amnoacila centrs tiek atbrīvots. Tas saņem jaunu t-RNS ar aminoskābi, ko šifrē nākamais kodons. Starp trešo un otro aminoskābi veidojas peptīdu saite, un trešā tRNS kopā ar mRNS kodonu virzās uz peptidilcentru.Pagarinājuma process, proteīna ķēdes pagarināšanās. Tas turpinās, līdz viens no trim kodoniem, kas nekodē aminoskābes, nonāk ribosomā. Šis ir terminatora kodons, un tam nav atbilstošas tRNS, tāpēc neviena no tRNS nevar ieņemt vietu aminoacila centrā.
Izbeigšana
- polipeptīdu sintēzes pabeigšana. Tas ir saistīts ar specifiska ribosomu proteīna atpazīšanu vienam no terminācijas kodoniem (UAA, UAG, UGA), kad tas nonāk aminoacilcentrā. Ribosomai ir piesaistīts īpašs terminācijas faktors, kas veicina ribosomu apakšvienību atdalīšanu un sintezētās proteīna molekulas izdalīšanos. Ūdens tiek pievienots peptīda pēdējai aminoskābei, un tā karboksilgals tiek atdalīts no tRNS.
Peptīdu ķēdes montāža tiek veikta ar lielu ātrumu. Baktērijās 37°C temperatūrā tas izpaužas, pievienojot polipeptīdam 12 līdz 17 aminoskābes sekundē. Eikariotu šūnās vienas sekundes laikā polipeptīdam tiek pievienotas divas aminoskābes.
Pēc tam sintezētā polipeptīdu ķēde nonāk Golgi kompleksā, kur tiek pabeigta proteīna molekulas uzbūve (pēc kārtas parādās otrā, trešā, ceturtā struktūra). Šeit notiek olbaltumvielu molekulu komplekss ar taukiem un ogļhidrātiem.
Viss proteīnu biosintēzes process ir parādīts shēmas veidā: DNS ® pro mRNS ® mRNS ® polipeptīdu ķēde ® proteīns ® proteīnu kompleksēšana un to pārvēršana funkcionāli aktīvās molekulās.
Arī iedzimtas informācijas ieviešanas posmi notiek līdzīgi: pirmkārt, tā tiek pārrakstīta mRNS nukleotīdu secībā un pēc tam ar tRNS piedalīšanos tiek pārveidota polipeptīda aminoskābju secībā uz ribosomām.
Eikariotu transkripcija tiek veikta trīs kodola RNS polimerāžu ietekmē. RNS polimerāze 1 atrodas kodolā un ir atbildīga par rRNS gēnu transkripciju. RNS polimerāze 2 ir atrodama kodola sulā un ir atbildīga par mRNS prekursora sintēzi. RNS polimerāze 3 ir neliela daļa kodolsaulās, kas sintezē mazas rRNS un tRNS. RNS polimerāzes īpaši atpazīst transkripcijas promotora nukleotīdu secību. Eikariotu mRNS vispirms tiek sintezēts kā prekursors (pro-mRNS), informācija no eksoniem un introniem tiek norakstīta uz to. Sintezētā mRNS ir lielāka, nekā nepieciešams tulkošanai, un ir mazāk stabila.
MRNS molekulas nobriešanas procesā ar restrikcijas enzīmu palīdzību tiek izgriezti introni, bet ar ligāzes enzīmu palīdzību tiek sašūti eksoni. MRNS nobriešanu sauc par apstrādi, un eksonu savienošanu sauc par savienošanu. Tādējādi nobriedusi mRNS satur tikai eksonus un ir daudz īsāka nekā tās priekšgājēja pro-mRNS. Intronu izmēri svārstās no 100 līdz 10 000 vai vairāk nukleotīdu. Intoni veido aptuveni 80% no visas nenobriedušās mRNS. Šobrīd ir pierādīta alternatīvas splicēšanas iespēja, kurā no viena primārā transkripta tā dažādos reģionos var tikt dzēstas nukleotīdu sekvences un veidosies vairākas nobriedušas mRNS. Šāda veida splicēšana ir raksturīga imūnglobulīna gēnu sistēmai zīdītājiem, kas ļauj veidot dažāda veida antivielas, pamatojoties uz vienu mRNS transkriptu. Pēc apstrādes pabeigšanas nobriedušā mRNS tiek atlasīta, pirms tā tiek izlaista citoplazmā no kodola. Ir konstatēts, ka tikai 5% no nobriedušās mRNS nonāk, bet pārējais tiek sadalīts kodolā. Eikariotu gēnu primāro transkriptu transformācija, kas saistīta ar to ekson-intronu organizāciju un saistībā ar nobriedušas mRNS pāreju no kodola uz citoplazmu, nosaka eikariotu ģenētiskās informācijas realizācijas iezīmes. Tāpēc eikariotu mozaīkas gēns nav cistronoma gēns, jo ne visa DNS secība tiek izmantota proteīnu sintēzei.
Galvenais ģenētikas jautājums ir proteīnu sintēzes jautājums. Apkopojot datus par DNS un RNS struktūru un sintēzi, Kriks 1960. g. ierosināja proteīnu sintēzes matricas teoriju, kuras pamatā ir 3 noteikumi:
1. DNS un RNS slāpekļa bāzu komplementaritāte.
2. Gēnu izvietojuma lineārā secība DNS molekulā.
3. Iedzimtas informācijas pārnešana var notikt tikai no nukleīnskābes uz nukleīnskābi vai uz olbaltumvielām.
No proteīna uz olbaltumvielām iedzimtas informācijas pārnešana nav iespējama. Tādējādi tikai nukleīnskābes var būt proteīnu sintēzes veidne.
Olbaltumvielu sintēzei ir nepieciešams:
1. DNS (gēni), uz kuriem tiek sintezētas molekulas.
2. RNS - (i-RNS) vai (m-RNS), r-RNS, t-RNS
Olbaltumvielu sintēzes procesā tiek izdalīti posmi: transkripcija un translācija.
Transkripcija- informācijas skaitīšana (pārrakstīšana) par nukleīna struktūru no DNS uz RNS (t-RNS un RNS, r-RNS).
Iedzimtas informācijas lasīšana sākas ar noteiktu DNS sadaļu, ko sauc par promotoru. Promotors atrodas pirms gēna un ietver apmēram 80 nukleotīdus.
Uz DNS molekulas ārējās ķēdes tiek sintezēts i-RNS (starpprodukts), kas kalpo kā matrica proteīnu sintēzei un tāpēc tiek saukta par matricu. Tā ir precīza DNS ķēdes nukleotīdu secības kopija.
DNS ir reģioni, kas nesatur ģenētisko informāciju (intronus). DNS sadaļas, kas satur informāciju, sauc par eksoniem.
Kodolā ir īpaši fermenti, kas izgriež intronus, un eksona fragmenti tiek “savienoti” stingrā secībā kopīgā pavedienā, šo procesu sauc par “splicēšanu”. Splaisinga laikā veidojas nobriedusi mRNS, kas satur olbaltumvielu sintēzei nepieciešamo informāciju. Nobriedusi mRNS (matricas RNS) iziet cauri kodola membrānas porām un nonāk endoplazmatiskā retikuluma (citoplazmas) kanālos un šeit savienojas ar ribosomām.
Raidījums- i-RNS nukleotīdu secība tiek pārvērsta stingri sakārtotā aminoskābju secībā sintezētā proteīna molekulā.
Tulkošanas process ietver 2 posmus: aminoskābju aktivāciju un tiešu proteīna molekulas sintēzi.
Viena mRNS molekula saistās ar 5-6 ribosomām, veidojot polisomas. Olbaltumvielu sintēze notiek uz mRNS molekulas, un ribosomas pārvietojas pa to. Šajā periodā aminoskābes citoplazmā aktivizē īpaši enzīmi, ko izdala mitohondriju izdalītie enzīmi, katrs ar savu specifisko enzīmu.
Gandrīz acumirklī aminoskābes saistās ar cita veida RNS – zemas molekulmasas šķīstošo RNS, kas darbojas kā aminoskābju nesējs mRNS molekulai un tiek saukta par transportu (t-RNS). tRNS nogādā aminoskābes uz ribosomām uz noteiktu vietu, kur līdz šim brīdim atrodas mRNS molekula. Pēc tam aminoskābes tiek savienotas ar peptīdu saitēm, veidojot proteīna molekulu. Līdz proteīnu sintēzes beigām molekula pakāpeniski izdalās no mRNS.
Uz vienas mRNS molekulas veidojas 10-20 olbaltumvielu molekulas un dažos gadījumos daudz vairāk.
Visvairāk neskaidrais jautājums proteīnu sintēzē ir tas, kā tRNS atrod atbilstošo mRNS vietu, kurai jāpievieno aminoskābe, ko tā nes.
Slāpekļa bāzu izkārtojuma secība DNS, kas nosaka aminoskābju izvietojumu sintezētajā proteīnā, ir ģenētiskais kods.
Tā kā viena un tā pati iedzimtā informācija tiek “reģistrēta” nukleīnskābēs ar četrām rakstzīmēm (slāpekļa bāzes) un olbaltumvielās par divdesmit (aminoskābes). Ģenētiskā koda problēma ir samazināta līdz atbilstības nodibināšanai starp tiem. Ģenētiķiem, fiziķiem un ķīmiķiem bija svarīga loma ģenētiskā koda atšifrēšanā.
Lai atšifrētu ģenētisko kodu, pirmkārt, bija jānoskaidro, kāds ir minimālais nukleotīdu skaits, kas var noteikt (kodēt) vienas aminoskābes veidošanos. Ja katru no 20 aminoskābēm kodētu viena bāze, tad DNS būtu jābūt 20 dažādām bāzēm, bet patiesībā tās ir tikai 4. Acīmredzot ar divu nukleotīdu kombināciju arī nepietiek, lai kodētu 20 aminoskābes. Tas var kodēt tikai 16 aminoskābes 4 2 = 16.
Tad tika ierosināts, ka kods ietver 3 nukleotīdus 4 3 = 64 kombinācijas, un tāpēc tas spēj kodēt vairāk nekā pietiekami daudz aminoskābju, lai veidotu proteīnus. Šo trīs nukleotīdu kombināciju sauc par tripleta kodu.
Kodam ir šādas īpašības:
1. Ģenētiskais kods ir triplets(katru aminoskābi kodē trīs nukleotīdi).
2. Deģenerācija- vienu aminoskābi var kodēt vairāki tripleti, izņēmums ir triptofāns un metionīns.
3. Vienas aminoskābes kodonos pirmie divi nukleotīdi ir vienādi, bet trešais mainās.
4.Nepārklājas– trīnīši nepārklājas viens ar otru. Viens triplets nevar būt daļa no cita; katrs no tiem neatkarīgi kodē savu aminoskābi. Tāpēc polipeptīdu ķēdē blakus var atrasties jebkuras divas aminoskābes un iespējama jebkura to kombinācija, t.i. bāzes secībā ABCDEFGHI pirmās trīs bāzes kodē 1 aminoskābi (ABC-1), (DEF-2) utt.
5. Universāls, tie. visos organismos noteiktu aminoskābju kodoni ir vienādi (no kumelītes līdz cilvēkam). Koda universālums liecina par dzīvības vienotību uz zemes.
6. Nomešanās ceļos- mRNS kodonu izvietojuma sakritība ar aminoskābju secību sintezētajā polipeptīdu ķēdē.
Kodons ir nukleotīdu triplets, kas kodē 1 aminoskābi.
7. Bezjēdzīgi Tas nekodē nevienu aminoskābi. Proteīna sintēze šajā vietā ir pārtraukta.
Pēdējos gados ir kļuvis skaidrs, ka mitohondrijās tiek pārkāpta ģenētiskā koda universālums, četri kodoni mitohondrijās ir mainījuši savu nozīmi, piemēram, kodons UGA - atbildes uz triptofānu "STOP" vietā - proteīnu sintēzes pārtraukšana. . AUA - atbilst metionīnam - "izoleicīna" vietā.
Jaunu kodonu atklāšana mitohondrijās var kalpot kā pierādījums tam, ka kods ir attīstījies un ka tas par tādu nekļuva uzreiz.
Ļaujiet iedzimto informāciju no gēna līdz proteīna molekulai izteikt shematiski.
DNS – RNS – proteīns
Šūnu ķīmiskā sastāva izpēte parādīja, ka viena un tā paša organisma dažādos audos ir atšķirīgs olbaltumvielu molekulu komplekts, lai gan tiem ir vienāds hromosomu skaits un viena un tā pati ģenētiskā iedzimtība.
Mēs atzīmējam šādu apstākli: neskatoties uz to, ka katrā šūnā ir visi visa organisma gēni, vienā šūnā darbojas ļoti maz gēnu - no desmitdaļām līdz vairākiem procentiem no kopējā skaita. Pārējās zonas ir "klusas", tās bloķē īpaši proteīni. Tas ir saprotams, kāpēc, piemēram, hemoglobīna gēni darbojas nervu šūnā? Tāpat kā šūna nosaka, kuri gēni klusēt un kuri darboties, jāpieņem, ka šūnai ir kaut kāds ideāls mehānisms, kas regulē gēnu aktivitāti, kas nosaka, kuriem gēniem konkrētajā brīdī jābūt aktīviem un kuriem jādarbojas. neaktīvā (represīvā) stāvoklī. Šāds mehānisms, pēc franču zinātnieku F. Jakobo un J. Monoda domām, tika saukts par indukciju un represijām.
Indukcija- olbaltumvielu sintēzes stimulēšana.
Represijas- proteīnu sintēzes kavēšana.
Indukcija nodrošina to gēnu darbu, kas sintezē proteīnu vai enzīmu un kas ir nepieciešami šajā šūnas dzīves posmā.
Dzīvniekiem šūnu membrānas hormoniem ir svarīga loma gēnu regulēšanas procesā; augos, vides apstākļos un citos augsti specializētos induktoros.
Piemērs: ja barotnei pievieno vairogdziedzera hormonu, kurkuļi ātri pārvēršas par vardēm.
Piena cukurs (laktoze) ir nepieciešams E (Coli) baktērijas normālai darbībai. Ja vide, kurā atrodas baktērijas, nesatur laktozi, šie gēni atrodas represīvā stāvoklī (t.i., nefunkcionē). Barotnē ievadītā laktoze ir induktors, ieskaitot gēnus, kas ir atbildīgi par enzīmu sintēzi. Pēc laktozes izņemšanas no barotnes šo enzīmu sintēze apstājas. Tādējādi represora lomu var pildīt viela, kas sintezējas šūnā, un, ja tās saturs pārsniedz normu vai tā ir izlietota.
Olbaltumvielu vai enzīmu sintēzē ir iesaistīti dažāda veida gēni.
Visi gēni atrodas DNS molekulā.
Viņu funkcijas nav vienādas:
- strukturāls - gēni, kas ietekmē fermenta vai proteīna sintēzi, atrodas DNS molekulā secīgi viens pēc otra to ietekmes secībā uz sintēzes reakcijas gaitu, vai var teikt arī strukturālie gēni - tie ir gēni, kas nes informāciju par aminoskābju secība.
- akceptētājs- gēni nenes iedzimtu informāciju par proteīna uzbūvi, tie regulē strukturālo gēnu darbu.
Pirms strukturālo gēnu grupa tiem ir kopīgs gēns - operators, un viņa priekšā veicinātājs. Kopumā šo funkcionālo grupu sauc spalvains.
Visa viena operona gēnu grupa tiek iekļauta sintēzes procesā un vienlaikus tiek izslēgta no tā. Strukturālo gēnu ieslēgšana un izslēgšana ir visa regulēšanas procesa būtība.
Ieslēgšanas un izslēgšanas funkciju veic īpaša DNS molekulas sadaļa - gēnu operators. Gēnu operators ir sākumpunkts proteīnu sintēzei jeb, kā saka, ģenētiskās informācijas "lasīšanai". tālāk tajā pašā molekulā kādā attālumā atrodas gēns - regulators, kura kontrolē tiek ražots proteīns, ko sauc par represoru.
No visa iepriekš minētā var redzēt, ka olbaltumvielu sintēze ir ļoti sarežģīta. Šūnu ģenētiskā sistēma, izmantojot represijas un indukcijas mehānismus, var saņemt signālus par nepieciešamību uzsākt un beigt konkrēta enzīma sintēzi un veikt šo procesu noteiktā ātrumā.
Gēnu darbības regulēšanas problēmai augstākajos organismos ir liela praktiska nozīme lopkopībā un medicīnā. Olbaltumvielu sintēzi regulējošo faktoru noteikšana pavērtu plašas iespējas ontoģenēzes kontrolei, veidojot augsti produktīvus dzīvniekus, kā arī dzīvniekus, kas ir rezistenti pret iedzimtām slimībām.
Testa jautājumi:
1. Nosauc gēnu īpašības.
2. Kas ir gēns?
3. Kāda ir DNS, RNS bioloģiskā nozīme.
4. Nosauc proteīnu sintēzes posmus
5. Uzskaitiet ģenētiskā koda īpašības.