Krótki opis procesu syntezy białek w komórce. Biosynteza białek: zwięzły i zrozumiały
Rola białek w komórce i organizmie
Rola białka w życiu komórki i główne etapy jego syntezy. Budowa i funkcje rybosomów. Rola rybosomów w syntezie białek.
Białka odgrywają niezwykle ważną rolę w procesach życiowych komórki i organizmu, charakteryzują się następującymi funkcjami.
Strukturalny. Wchodzą w skład struktur wewnątrzkomórkowych, tkanek i narządów. Na przykład kolagen i elastyna służą jako składniki tkanki łącznej: kości, ścięgien, chrząstek; fibroina jest częścią jedwabiu, pajęczyny; keratyna jest częścią naskórka i jego pochodnych (włosy, rogi, pióra). Tworzą otoczki (kapsydy) wirusów.
Enzymatyczny. Wszystkie reakcje chemiczne w komórce przebiegają przy udziale biologicznych katalizatorów - enzymów (oksydoreduktazy, hydrolazy, ligazy, transferazy, izomerazy i liazy).
Regulacyjne. Na przykład hormony insulina i glukagon regulują metabolizm glukozy. Białka histonowe biorą udział w przestrzennej organizacji chromatyny, a tym samym wpływają na ekspresję genów.
Transport. Hemoglobina przenosi tlen we krwi kręgowców, hemocyjaninę w hemolimfie niektórych bezkręgowców, mioglobinę w mięśniach. Albumina surowicy służy do transportu kwasów tłuszczowych, lipidów itp. Białka transportujące błony zapewniają aktywny transport substancji przez błony komórkowe (Na +, K + -ATPaza). Cytochromy przeprowadzają przenoszenie elektronów wzdłuż łańcuchów transportu elektronów mitochondriów i chloroplastów.
Ochronny. Na przykład przeciwciała (immunoglobuliny) tworzą kompleksy z antygenami bakteryjnymi i białkami obcymi. Interferony blokują syntezę białka wirusowego w zakażonej komórce. Fibrynogen i trombina biorą udział w procesach krzepnięcia krwi.
Skurczowy (silnik). Białka aktyna i miozyna zapewniają procesy skurczu mięśni i skurczu elementów cytoszkieletu.
Sygnał (receptor). Białka błony komórkowej wchodzą w skład receptorów i antygenów powierzchniowych.
białka zapasowe. Kazeina mleka, albumina jaja, ferrytyna (przechowuje żelazo w śledzionie).
Toksyny białkowe. toksyna błonicza.
Funkcja energii. Przy rozpadzie 1 g białka na końcowe produkty przemiany materii (CO2, H2O, NH3, H2S, SO2) uwalniane jest 17,6 kJ czyli 4,2 kcal energii.
Biosynteza białek zachodzi w każdej żywej komórce. Najbardziej aktywny jest w młodych rosnących komórkach, gdzie syntetyzowane są białka do budowy ich organelli, a także w komórkach wydzielniczych, gdzie syntetyzowane są białka enzymatyczne i białka hormonalne.
Główna rola w określaniu struktury białek należy do DNA. Fragment DNA zawierający informację o budowie pojedynczego białka nazywany jest genem. Cząsteczka DNA zawiera kilkaset genów. Cząsteczka DNA zawiera kod sekwencji aminokwasów w białku w postaci ściśle połączonych nukleotydów.
Synteza białek - złożony wieloetapowy proces reprezentujący łańcuch reakcji syntezy przebiegający zgodnie z zasadą syntezy matrycowej.
W biosyntezie białek określa się następujące etapy, które zachodzą w różnych częściach komórki:
Pierwszy etap - W jądrze zachodzi synteza i-RNA, podczas której informacja zawarta w genie DNA jest przepisywana na i-RNA. Proces ten nazywa się transkrypcją (od łacińskiego „transkryptu” - przepisywania).
Na drugim etapie istnieje połączenie aminokwasów z cząsteczkami t-RNA, które kolejno składają się z trzech nukleotydów - antykodonów, za pomocą których określa się jego kodon trypletowy.
Trzeci etap - jest to proces bezpośredniej syntezy wiązań polipeptydowych, zwany translacją. Występuje w rybosomach.
Na czwartym etapie tworzenie drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury białka, to znaczy tworzenie ostatecznej struktury białka.
Tak więc w procesie biosyntezy białek powstają nowe cząsteczki białka zgodnie z dokładną informacją zapisaną w DNA. Proces ten zapewnia odnowę białek, procesy metaboliczne, wzrost i rozwój komórek, czyli wszystkie procesy życiowej aktywności komórki.
Aby badać procesy zachodzące w organizmie, trzeba wiedzieć, co dzieje się na poziomie komórkowym. Gdzie białka odgrywają ważną rolę. Konieczne jest zbadanie nie tylko ich funkcji, ale także procesu tworzenia. Dlatego ważne jest, aby wyjaśnić krótko i jasno. Najlepiej nadaje się do tego klasa 9. Na tym etapie uczniowie mają wystarczającą wiedzę, aby zrozumieć ten temat.
Białka - co to jest i do czego służą
Te makrocząsteczkowe związki odgrywają ogromną rolę w życiu każdego organizmu. Białka są polimerami, to znaczy składają się z wielu podobnych „kawałków”. Ich liczba może wahać się od kilkuset do tysięcy.
Białka pełnią w komórce wiele funkcji. Ich rola jest świetna również na wyższych poziomach organizacji: tkanki i narządy w dużej mierze zależą od prawidłowego funkcjonowania różnych białek.
Na przykład wszystkie hormony są pochodzenia białkowego. Ale to właśnie te substancje kontrolują wszystkie procesy w ciele.
Hemoglobina jest również białkiem, składa się z czterech łańcuchów, które są połączone w środku atomem żelaza. Taka struktura zapewnia zdolność przenoszenia tlenu przez erytrocyty.
Przypomnij sobie, że wszystkie błony zawierają białka. Są niezbędne do transportu substancji przez błonę komórkową.
Istnieje wiele innych funkcji cząsteczek białek, które pełnią one jasno i bezdyskusyjnie. Te niesamowite związki są bardzo zróżnicowane nie tylko pod względem roli w komórce, ale także pod względem struktury.
Gdzie zachodzi synteza
Rybosom to organelle, w których zachodzi główna część procesu zwanego „biosyntezą białek”. Klasa 9 w różnych szkołach różni się programem nauczania biologii, ale wielu nauczycieli podaje materiał na temat organelli z wyprzedzeniem, zanim zacznie studiować tłumaczenie.
Dzięki temu uczniowie nie będą mieli trudności z zapamiętaniem omówionego materiału i utrwaleniem go. Należy mieć świadomość, że na jednej organelli może powstać tylko jeden łańcuch polipeptydowy naraz. To nie wystarczy, aby zaspokoić wszystkie potrzeby komórki. Dlatego rybosomów jest dużo i najczęściej są one połączone z retikulum endoplazmatycznym.
Taki EPS nazywany jest szorstkim. Korzyść z takiej „współpracy” jest oczywista: zaraz po syntezie białko trafia do kanału transportowego i może być bezzwłocznie wysłane do miejsca przeznaczenia.
Ale jeśli weźmiemy pod uwagę sam początek, czyli odczytywanie informacji z DNA, to możemy powiedzieć, że biosynteza białka w żywej komórce zaczyna się w jądrze. To tam syntetyzowany jest kod genetyczny.
Niezbędnymi materiałami są aminokwasy, miejscem syntezy jest rybosom
Wydaje się, że trudno wyjaśnić, jak przebiega biosynteza białek, krótko i przejrzyście, schemat procesu i liczne rysunki są po prostu potrzebne. Pomogą one przekazać wszystkie informacje, a także ułatwią uczniom ich zapamiętanie.
Przede wszystkim do syntezy potrzebny jest „materiał budulcowy” – aminokwasy. Część z nich jest wytwarzana przez organizm. Inne można uzyskać tylko z pożywienia, nazywane są niezbędnymi.
Łączna liczba aminokwasów wynosi dwadzieścia, ale ze względu na ogromną liczbę opcji, w których można je ułożyć w długi łańcuch, cząsteczki białek są bardzo różnorodne. Kwasy te mają podobną budowę, ale różnią się rodnikami.
To właśnie właściwości tych części każdego aminokwasu decydują o tym, jaką strukturę otrzymany łańcuch „zwinie”, czy utworzy strukturę czwartorzędową z innymi łańcuchami i jakie właściwości będzie miała otrzymana makrocząsteczka.
Proces biosyntezy białek nie może przebiegać po prostu w cytoplazmie, potrzebuje rybosomu. składa się z dwóch podjednostek - dużej i małej. W spoczynku są rozdzielone, ale gdy tylko rozpocznie się synteza, natychmiast łączą się i zaczynają działać.
Takie różne i ważne kwasy rybonukleinowe
Aby dostarczyć aminokwas do rybosomu, potrzebujesz specjalnego RNA zwanego transportem. Jest to w skrócie tRNA. Ta jednoniciowa cząsteczka koniczyny jest w stanie przyłączyć pojedynczy aminokwas do swojego wolnego końca i przenieść go do miejsca syntezy białek.
Innym RNA zaangażowanym w syntezę białek jest macierz (informacja). Niesie ze sobą równie ważny składnik syntezy - kod, który jasno określa, kiedy który aminokwas połączyć w powstały łańcuch białkowy.
Ta cząsteczka ma strukturę jednoniciową, składa się z nukleotydów, a także DNA. Istnieją pewne różnice w strukturze pierwszorzędowej tych kwasów nukleinowych, o których można przeczytać w artykule porównawczym dotyczącym RNA i DNA.
Informacje o składzie białka mRNA otrzymuje od głównego kustosza kodu genetycznego – DNA. Proces odczytu i syntezy mRNA nazywa się transkrypcją.
Występuje w jądrze, skąd powstały mRNA jest wysyłany do rybosomu. Samo DNA nie opuszcza jądra, jego zadaniem jest jedynie zachowanie kodu genetycznego i przekazanie go do komórki potomnej podczas podziału.
Tabela podsumowująca głównych uczestników audycji
Aby zwięźle i przejrzyście opisać biosyntezę białek, tabela jest po prostu niezbędna. Wypiszemy w nim wszystkie komponenty i ich rolę w tym procesie, który nazywamy tłumaczeniem.
Sam proces tworzenia łańcucha białkowego dzieli się na trzy etapy. Przyjrzyjmy się każdemu z nich bardziej szczegółowo. Następnie możesz łatwo wyjaśnić biosyntezę białek każdemu, kto tego chce w krótki i zrozumiały sposób.
Inicjacja - początek procesu
Jest to początkowy etap translacji, w którym mała podjednostka rybosomu łączy się z pierwszym tRNA. Ten kwas rybonukleinowy przenosi aminokwas metioninę. Translacja zawsze zaczyna się od tego aminokwasu, ponieważ kodonem startowym jest AUG, który koduje ten pierwszy monomer w łańcuchu białkowym.
Aby rybosom rozpoznał kodon start i nie rozpoczynał syntezy od środka genu, gdzie może pojawić się również sekwencja AUG, wokół kodonu start zlokalizowana jest specjalna sekwencja nukleotydowa. To z nich rybosom rozpoznaje miejsce, w którym powinna znajdować się jego mała podjednostka.
Po utworzeniu kompleksu z mRNA kończy się etap inicjacji. I zaczyna się główny etap tłumaczenia.
Wydłużenie - środek syntezy
Na tym etapie następuje stopniowe narastanie łańcucha białkowego. Czas trwania wydłużania zależy od liczby aminokwasów w białku.
Przede wszystkim duża podjednostka rybosomu jest połączona z małą podjednostką. A początkowe t-RNA jest w nim w całości. Na zewnątrz pozostaje tylko metionina. Następnie drugi t-RNA niosący inny aminokwas wchodzi do dużej podjednostki.
Jeśli drugi kodon na mRNA pasuje do antykodonu na górze koniczyny, drugi aminokwas jest przyłączony do pierwszego za pomocą wiązania peptydowego.
Następnie rybosom porusza się wzdłuż m-RNA przez dokładnie trzy nukleotydy (jeden kodon), pierwszy t-RNA odrywa metioninę od siebie i oddziela się od kompleksu. Na jego miejscu znajduje się drugi t-RNA, na końcu którego znajdują się już dwa aminokwasy.
Następnie trzeci tRNA wchodzi do dużej podjednostki i proces się powtarza. Będzie to trwało, dopóki rybosom nie trafi w kodon w mRNA, który sygnalizuje koniec translacji.
Zakończenie
Ten etap jest ostatnim, niektórym może się wydawać bardzo okrutny. Wszystkie molekuły i organelle, które pracowały tak harmonijnie, tworząc łańcuch polipeptydowy, zatrzymują się, gdy tylko rybosom trafi w końcowy kodon.
Nie koduje żadnego aminokwasu, więc jakikolwiek tRNA trafi do dużej podjednostki, zostanie odrzucony z powodu niedopasowania. W tym miejscu wchodzą w grę czynniki terminacji, które oddzielają gotowe białko od rybosomu.
Sama organella może albo podzielić się na dwie podjednostki, albo kontynuować mRNA w poszukiwaniu nowego kodonu start. Jeden mRNA może mieć jednocześnie kilka rybosomów. Każde z nich znajduje się na swoim etapie translacji.Nowo powstałe białko zaopatrzone jest w znaczniki, dzięki którym jego przeznaczenie będzie dla każdego jasne. A przez EPS zostanie wysłany tam, gdzie jest potrzebny.
Aby zrozumieć rolę biosyntezy białek, konieczne jest zbadanie, jakie funkcje może pełnić. Zależy to od kolejności aminokwasów w łańcuchu. To ich właściwości decydują o drugorzędowym, trzeciorzędowym, a czasem czwartorzędowym (jeśli istnieje) i jego roli w komórce. Więcej o funkcjach cząsteczek białka można przeczytać w artykule na ten temat.
Jak dowiedzieć się więcej o transmisji
W tym artykule opisano biosyntezę białek w żywej komórce. Oczywiście, jeśli przestudiujesz temat głębiej, wyjaśnienie tego procesu we wszystkich szczegółach zajmie wiele stron. Ale powyższy materiał powinien wystarczyć do ogólnego zrozumienia.Materiały wideo, w których naukowcy symulowali wszystkie etapy tłumaczenia, mogą być bardzo przydatne do zrozumienia. Niektóre z nich zostały przetłumaczone na język rosyjski i mogą służyć jako doskonały przewodnik dla studentów lub po prostu film edukacyjny.
W celu lepszego zrozumienia tematu warto zapoznać się z innymi artykułami na pokrewne tematy. Na przykład o funkcjach białek.
Proces biosyntezy białek jest niezwykle ważny dla komórki. Ponieważ białka są złożonymi substancjami, które odgrywają główną rolę w tkankach, są one niezbędne. Z tego powodu w komórce realizowany jest cały łańcuch procesów biosyntezy białek, który przebiega w kilku organellach. Gwarantuje to rozmnażanie się komórek i możliwość istnienia.
Istota procesu biosyntezy białek
Jedyne miejsce do syntezy białek jest szorstkie.Tutaj znajduje się większość rybosomów, które są odpowiedzialne za tworzenie łańcucha polipeptydowego. Zanim jednak rozpocznie się etap translacji (proces syntezy białek), wymagana jest aktywacja genu przechowującego informacje o strukturze białka. Następnie wymagane jest skopiowanie tego odcinka DNA (lub RNA, jeśli rozważana jest biosynteza bakteryjna).
Po skopiowaniu DNA wymagany jest proces tworzenia informacyjnego RNA. Na jej podstawie zostanie przeprowadzona synteza łańcucha białkowego. Co więcej, wszystkie etapy, które zachodzą z udziałem kwasów nukleinowych, muszą zachodzić w. Nie jest to jednak miejsce, w którym zachodzi synteza białek. gdzie odbywa się przygotowanie do biosyntezy.
Biosynteza białek rybosomalnych
Głównym miejscem syntezy białek jest organelle komórkowe, które składają się z dwóch podjednostek. W komórce jest ogromna liczba takich struktur i są one głównie zlokalizowane na błonach szorstkiej retikulum endoplazmatycznego. Sama biosynteza przebiega w następujący sposób: informacyjny RNA utworzony w jądrze komórki wychodzi przez pory jądrowe do cytoplazmy i spotyka się z rybosomem. Następnie mRNA jest wpychany w szczelinę między podjednostkami rybosomu, po czym utrwalany jest pierwszy aminokwas.
Aminokwasy są dostarczane do miejsca, w którym zachodzi synteza białek, za pomocą jednej takiej cząsteczki może przynieść jeden aminokwas na raz. Łączą się kolejno, w zależności od sekwencji kodonów informacyjnego RNA. Ponadto synteza może się na chwilę zatrzymać.
Poruszając się wzdłuż mRNA, rybosom może wejść do regionów (intronów), które nie kodują aminokwasów. W tych miejscach rybosom po prostu porusza się wzdłuż mRNA, ale do łańcucha nie są dodawane żadne aminokwasy. Gdy tylko rybosom dotrze do eksonu, czyli miejsca kodującego kwas, ponownie przyłącza się do polipeptydu.
Postsyntetyczna modyfikacja białek
Po dotarciu rybosomu do kodonu stop informacyjnego RNA proces bezpośredniej syntezy jest zakończony. Powstała cząsteczka ma jednak pierwotną strukturę i nie może jeszcze pełnić zarezerwowanych dla niej funkcji. Aby w pełni funkcjonować, cząsteczka musi być zorganizowana w określoną strukturę: drugorzędową, trzeciorzędową lub jeszcze bardziej złożoną – czwartorzędową.
Strukturalna organizacja białka
Struktura drugorzędowa jest pierwszym etapem organizacji strukturalnej. Aby to osiągnąć, pierwotny łańcuch polipeptydowy musi się zwinąć (utworzyć helisy alfa) lub zwinąć (utworzyć warstwy beta). Następnie, aby zająć jeszcze mniej miejsca na całej długości, cząsteczka jest jeszcze bardziej skurczona i zwinięta w kulkę z powodu wodoru, wiązań kowalencyjnych i jonowych, a także oddziaływań międzyatomowych. W ten sposób otrzymujemy kulę ziemską
Czwartorzędowa struktura białek
Struktura czwartorzędowa jest najbardziej złożona ze wszystkich. Składa się z kilku sekcji o strukturze kulistej, połączonych włóknistymi włóknami polipeptydu. Ponadto trzeciorzędowa i czwartorzędowa struktura może zawierać resztę węglowodanową lub lipidową, co rozszerza spektrum funkcji białka. W szczególności glikoproteiny, białko i węglowodany, są immunoglobulinami i pełnią funkcję ochronną. Ponadto glikoproteiny znajdują się na błonach komórkowych i działają jako receptory. Jednak cząsteczka jest modyfikowana nie tam, gdzie zachodzi synteza białek, ale w gładkiej retikulum endoplazmatycznym. Tutaj istnieje możliwość przyłączenia lipidów, metali i węglowodanów do domen białkowych.
Najpierw ustal kolejność etapów biosyntezy białek, zaczynając od transkrypcji. Całą sekwencję procesów zachodzących podczas syntezy cząsteczek białka można połączyć w 2 etapy:
Transkrypcja.
Audycja.
Strukturalnymi jednostkami informacji dziedzicznej są geny - sekcje cząsteczki DNA, które kodują syntezę określonego białka. Pod względem organizacji chemicznej materiał dziedziczności i zmienności pro- i eukariontów nie różni się zasadniczo. Materiał genetyczny w nich jest przedstawiony w cząsteczce DNA, powszechna jest również zasada zapisu informacji dziedzicznej i kodu genetycznego. Te same aminokwasy u pro- i eukariontów są kodowane przez te same kodony.
Genom współczesnych komórek prokariotycznych charakteryzuje się stosunkowo niewielkimi rozmiarami, DNA Escherichia coli ma postać pierścienia o długości około 1 mm. Zawiera 4 x 10 6 par zasad, tworząc około 4000 genów. W 1961 roku F. Jacob i J. Monod odkryli cistronową, czyli ciągłą organizację genów prokariotycznych, które składają się wyłącznie z kodujących sekwencji nukleotydowych iw całości są realizowane podczas syntezy białek. Dziedziczny materiał cząsteczki DNA prokariontów znajduje się bezpośrednio w cytoplazmie komórki, gdzie znajduje się również tRNA i enzymy niezbędne do ekspresji genów.Ekspresja to funkcjonalna aktywność genów, czyli ekspresja genów. Dlatego mRNA zsyntetyzowany z DNA może natychmiast działać jako matryca w procesie translacji syntezy białek.
Genom eukariotyczny zawiera znacznie więcej materiału dziedzicznego. U ludzi całkowita długość DNA w diploidalnym zestawie chromosomów wynosi około 174 cm, zawiera 3 x 10 9 par zasad i zawiera do 100 000 genów. W 1977 roku odkryto nieciągłość w strukturze większości genów eukariotycznych, którą nazwano genem „mozaikowym”. Ma kodujące sekwencje nukleotydowe egzoniczny oraz intron działki. Do syntezy białek wykorzystywana jest tylko informacja o eksonie. Liczba intronów jest różna w różnych genach. Ustalono, że gen albuminy jaja kurzego zawiera 7 intronów, a gen prokolagenu ssaków – 50. Funkcje cichych intronów DNA nie zostały do końca wyjaśnione. Przyjmuje się, że zapewniają one: 1) organizację strukturalną chromatyny; 2) niektóre z nich są oczywiście zaangażowane w regulację ekspresji genów; 3) introny można uznać za magazyn informacji o zmienności; 4) mogą pełnić rolę ochronną, podejmując działanie mutagenne.
Transkrypcja
Proces przepisywania informacji w jądrze komórkowym z części cząsteczki DNA na cząsteczkę mRNA (mRNA) nazywa się transkrypcja(łac. Transcriptio - przepisywanie). Syntetyzowany jest główny produkt genu, mRNA. Jest to pierwszy krok w syntezie białek. Na odpowiednim odcinku DNA enzym polimeraza RNA rozpoznaje znak początku transkrypcji - zapowiedź Za punkt startowy uważa się pierwszy nukleotyd DNA, który jest włączony przez enzym do transkryptu RNA. Z reguły regiony kodujące zaczynają się od kodonu AUG, czasami u bakterii stosuje się GUG. Kiedy polimeraza RNA wiąże się z promotorem, podwójna helisa DNA jest lokalnie rozkręcana i jedna z nici jest kopiowana zgodnie z zasadą komplementarności. Syntetyzowany jest mRNA, jego prędkość składania sięga 50 nukleotydów na sekundę. Gdy polimeraza RNA się porusza, łańcuch mRNA rośnie, a kiedy enzym dociera do końca miejsca kopiowania - terminator mRNA oddala się od matrycy. Podwójna helisa DNA za enzymem jest naprawiana.
Transkrypcja u prokariotów odbywa się w cytoplazmie. Ponieważ DNA składa się wyłącznie z kodujących sekwencji nukleotydowych, zsyntetyzowany mRNA od razu działa jak matryca do translacji (patrz wyżej).
Transkrypcja mRNA u eukariontów zachodzi w jądrze. Rozpoczyna się od syntezy dużych cząsteczek - prekursorów (pro-mRNA), zwanych niedojrzałymi lub jądrowymi RNA.Pierwotny produkt genu - pro-mRNA jest dokładną kopią transkrybowanego regionu DNA, zawiera eksony i introny. Proces powstawania dojrzałych cząsteczek RNA z prekursorów nazywa się przetwarzanie. Dojrzewanie mRNA następuje przez splatanie są sadzonki przez enzymy restrykcyjna introny i łączenie miejsc z transkrybowanymi sekwencjami egzonów przez enzymy ligazy. (Ryc.) Dojrzały mRNA jest znacznie krótszy niż cząsteczki prekursora pro-mRNA, wielkość zawartych w nich intronów waha się od 100 do 1000 nukleotydów lub więcej. Introny stanowią około 80% wszystkich niedojrzałych mRNA.
Teraz pokazano, że jest to możliwe splicing alternatywny, w którym sekwencje nukleotydowe mogą zostać usunięte z jednego pierwotnego transkryptu w jego różnych regionach i powstanie kilka dojrzałych mRNA. Ten rodzaj splicingu jest charakterystyczny dla układu genów immunoglobulin u ssaków, co umożliwia tworzenie różnych typów przeciwciał na podstawie pojedynczego transkryptu mRNA.
Po zakończeniu przetwarzania dojrzały mRNA jest selekcjonowany przed opuszczeniem jądra. Ustalono, że tylko 5% dojrzałego mRNA dostaje się do cytoplazmy, a reszta jest rozszczepiana w jądrze.
Audycja
Translacja (łac. Translatio - transfer, transfer) - translacja informacji zawartej w sekwencji nukleotydowej cząsteczki mRNA na sekwencję aminokwasową łańcucha polipeptydowego (ryc. 10). Jest to drugi etap syntezy białek. Przeniesienie dojrzałego mRNA przez pory otoczki jądrowej wytwarza specjalne białka, które tworzą kompleks z cząsteczką RNA. Oprócz transportu mRNA, białka te chronią mRNA przed szkodliwym działaniem enzymów cytoplazmatycznych. W procesie translacji kluczową rolę odgrywają tRNA, które zapewniają dokładną zgodność aminokwasu z kodem trypletu mRNA. Proces dekodowania translacji zachodzi w rybosomach i odbywa się w kierunku od 5 do 3. Kompleks mRNA i rybosomów nazywany jest polisomem.
Translację można podzielić na trzy fazy: inicjację, elongację i terminację.
Inicjacja.
Na tym etapie montowany jest cały kompleks zaangażowany w syntezę cząsteczki białka. W pewnym miejscu mRNA dochodzi do połączenia dwóch podjednostek rybosomu, do którego przyłączany jest pierwszy aminoacyl - tRNA, co wyznacza ramkę odczytu informacji. Każda cząsteczka mRNA zawiera miejsce, które jest komplementarne do rRNA małej podjednostki rybosomu i jest przez to specyficznie kontrolowane. Obok znajduje się inicjujący kodon start AUG, który koduje aminokwas metioninę.
Wydłużenie
- obejmuje wszystkie reakcje od momentu powstania pierwszego wiązania peptydowego do przyłączenia ostatniego aminokwasu. Rybosom ma dwa miejsca wiązania dwóch cząsteczek tRNA. Pierwszy t-RNA z aminokwasem metioniną znajduje się w jednym odcinku, peptydylu (P) i od niego rozpoczyna się synteza dowolnej cząsteczki białka. Druga cząsteczka t-RNA wchodzi w drugie miejsce rybosomu - aminoacyl (A) i przyłącza się do jego kodonu. Między metioniną a drugim aminokwasem tworzy się wiązanie peptydowe. Drugi tRNA przemieszcza się wraz ze swoim kodonem mRNA do centrum peptydylowego. Przemieszczaniu się tRNA z łańcuchem polipeptydowym z centrum aminoacylowego do centrum peptydylowego towarzyszy przesuwanie się rybosomu wzdłuż mRNA o krok odpowiadający jednemu kodonowi. tRNA, które dostarczyło metioninę, wraca do cytoplazmy i uwalnia się centrum amnoacylowe. Otrzymuje nowy t-RNA z aminokwasem zaszyfrowanym przez następny kodon. Między trzecim a drugim aminokwasem tworzy się wiązanie peptydowe, a trzeci tRNA wraz z kodonem mRNA przemieszcza się do centrum peptydylowego.Proces elongacji, wydłużania łańcucha białkowego. Trwa to do momentu, gdy jeden z trzech kodonów, które nie kodują aminokwasów, nie wejdzie do rybosomu. Jest to kodon terminatora i nie ma dla niego odpowiedniego tRNA, więc żaden z tRNA nie może zająć miejsca w centrum aminoacylu.
Zakończenie
- zakończenie syntezy polipeptydu. Jest to związane z rozpoznawaniem przez określone białko rybosomalne jednego z kodonów terminacyjnych (UAA, UAG, UGA), gdy wchodzi on do centrum aminoacylowego. Do rybosomu przyłączony jest specjalny czynnik terminacji, który sprzyja rozdzielaniu podjednostek rybosomu i uwalnianiu syntetyzowanej cząsteczki białka. Woda jest przyłączona do ostatniego aminokwasu peptydu, a jego koniec karboksylowy jest oddzielony od tRNA.
Składanie łańcucha peptydowego odbywa się z dużą szybkością. U bakterii w temperaturze 37°C ulega ekspresji poprzez dodanie 12 do 17 aminokwasów na sekundę do polipeptydu. W komórkach eukariotycznych dwa aminokwasy są dodawane do polipeptydu w ciągu jednej sekundy.
Zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy wchodzi następnie do kompleksu Golgiego, gdzie kończy się budowa cząsteczki białka (kolejno pojawiają się struktury druga, trzecia, czwarta). Tutaj dochodzi do kompleksowania cząsteczek białka z tłuszczami i węglowodanami.
Cały proces biosyntezy białek przedstawiony jest w formie schematu: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® łańcuch polipeptydowy ® białko ® kompleksowanie białek i ich przekształcanie w cząsteczki aktywne funkcjonalnie.
Podobnie przebiegają etapy implementacji informacji dziedzicznej: najpierw jest ona przepisywana na sekwencję nukleotydową mRNA, a następnie translowana na sekwencję aminokwasową polipeptydu na rybosomach z udziałem tRNA.
Transkrypcja eukariontów odbywa się pod działaniem trzech jądrowych polimeraz RNA. Polimeraza RNA 1 znajduje się w jąderku i jest odpowiedzialna za transkrypcję genów rRNA. Polimeraza RNA 2 znajduje się w soku jądrowym i jest odpowiedzialna za syntezę prekursora mRNA. Polimeraza 3 RNA to niewielka frakcja w soku jądrowym, która syntetyzuje małe rRNA i tRNA. Polimerazy RNA specyficznie rozpoznają sekwencję nukleotydową promotora transkrypcji. Eukariotyczny mRNA jest najpierw syntetyzowany jako prekursor (pro-mRNA), zapisywane są do niego informacje z eksonów i intronów. Zsyntetyzowany mRNA jest większy niż jest to konieczne do translacji i jest mniej stabilny.
W procesie dojrzewania cząsteczki mRNA introny są wycinane za pomocą enzymów restrykcyjnych, a egzony są zszywane za pomocą enzymów ligazy. Dojrzewanie mRNA nazywa się przetwarzaniem, a łączenie egzonów nazywa się splicingiem. Zatem dojrzały mRNA zawiera tylko eksony i jest znacznie krótszy niż jego poprzednik, pro-mRNA. Rozmiary intronów wahają się od 100 do 10 000 nukleotydów lub więcej. Intony stanowią około 80% wszystkich niedojrzałych mRNA. Obecnie udowodniono możliwość alternatywnego splicingu, w którym sekwencje nukleotydowe mogą zostać usunięte z jednego pierwotnego transkryptu w różnych jego regionach i powstanie kilka dojrzałych mRNA. Ten rodzaj splicingu jest charakterystyczny dla układu genów immunoglobulin u ssaków, co umożliwia tworzenie różnych typów przeciwciał na podstawie pojedynczego transkryptu mRNA. Po zakończeniu przetwarzania dojrzały mRNA jest selekcjonowany przed uwolnieniem do cytoplazmy z jądra. Ustalono, że tylko 5% dojrzałego mRNA wchodzi, a reszta jest rozszczepiana w jądrze. Transformacja pierwotnych transkryptonów genów eukariotycznych, związana z ich organizacją ekson-intron oraz w połączeniu z przejściem dojrzałego mRNA z jądra do cytoplazmy, determinuje cechy realizacji informacji genetycznej eukariontów. Dlatego gen mozaiki eukariotycznej nie jest genem cistronomu, ponieważ nie cała sekwencja DNA jest wykorzystywana do syntezy białek.
Głównym zagadnieniem genetyki jest kwestia syntezy białek. Podsumowując dane dotyczące struktury i syntezy DNA i RNA, Crick w 1960 r. zaproponował macierzową teorię syntezy białek opartą na 3 przepisach:
1. Komplementarność zasad azotowych DNA i RNA.
2. Liniowa sekwencja lokalizacji genów w cząsteczce DNA.
3. Przeniesienie informacji dziedzicznej może nastąpić tylko z kwasu nukleinowego na kwas nukleinowy lub na białko.
Z białka na białko przeniesienie informacji dziedzicznej jest niemożliwe. Zatem tylko kwasy nukleinowe mogą być matrycą do syntezy białek.
Synteza białek wymaga:
1. DNA (geny), na których syntetyzowane są cząsteczki.
2. RNA - (i-RNA) lub (m-RNA), r-RNA, t-RNA
W procesie syntezy białek wyróżnia się etapy: transkrypcję i translację.
Transkrypcja- spis (przepisanie) informacji o budowie jądra od DNA do RNA (t-RNA i RNA, r-RNA).
Odczyt informacji dziedzicznej rozpoczyna się od pewnego odcinka DNA, który nazywa się promotorem. Promotor znajduje się przed genem i zawiera około 80 nukleotydów.
Na zewnętrznym łańcuchu cząsteczki DNA syntetyzowany jest i-RNA (pośredni), który służy jako matryca do syntezy białek i dlatego jest nazywany macierzą. Jest to dokładna kopia sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA.
Istnieją regiony w DNA, które nie zawierają informacji genetycznej (introny). Sekcje DNA, które zawierają informacje, nazywane są egzonami.
W jądrze znajdują się specjalne enzymy, które wycinają introny, a fragmenty eksonów są „splatane” razem w ściśle określonej kolejności we wspólną nić, proces ten nazywa się „splicingiem”. Podczas splicingu powstaje dojrzałe mRNA, które zawiera informacje niezbędne do syntezy białek. Dojrzały mRNA (matrix RNA) przechodzi przez pory błony jądrowej i wchodzi do kanałów retikulum endoplazmatycznego (cytoplazmy) i tam łączy się z rybosomami.
Audycja- sekwencja nukleotydów w i-RNA jest tłumaczona na ściśle uporządkowaną sekwencję aminokwasów w syntetyzowanej cząsteczce białka.
Proces translacji obejmuje 2 etapy: aktywację aminokwasów i bezpośrednią syntezę cząsteczki białka.
Jedna cząsteczka mRNA wiąże się z 5-6 rybosomami, tworząc polisomy. Synteza białek zachodzi na cząsteczce mRNA, wzdłuż której poruszają się rybosomy. W tym okresie aminokwasy w cytoplazmie są aktywowane przez specjalne enzymy wydzielane przez enzymy wydzielane przez mitochondria, z których każdy ma swój własny specyficzny enzym.
Niemal natychmiast aminokwasy wiążą się z innym typem RNA – rozpuszczalnym RNA o niskiej masie cząsteczkowej, który działa jako nośnik aminokwasów dla cząsteczki mRNA i jest nazywany transportem (t-RNA). tRNA przenosi aminokwasy do rybosomów w określone miejsce, gdzie do tego czasu zlokalizowana jest cząsteczka mRNA. Aminokwasy są następnie łączone ze sobą wiązaniami peptydowymi, tworząc cząsteczkę białka. Pod koniec syntezy białek cząsteczka stopniowo uwalnia się z mRNA.
Na jednej cząsteczce mRNA powstaje 10-20 cząsteczek białka, aw niektórych przypadkach znacznie więcej.
Najbardziej niejasnym pytaniem w syntezie białek jest to, w jaki sposób tRNA znajduje odpowiednie miejsce mRNA, do którego musi być przyłączony aminokwas, który przynosi.
Sekwencja ułożenia zasad azotowych w DNA, która decyduje o ułożeniu aminokwasów w syntetyzowanym białku, jest kodem genetycznym.
Ponieważ ta sama informacja dziedziczna jest „zapisywana” w kwasach nukleinowych przez cztery znaki (zasady azotowe), aw białkach przez dwadzieścia (aminokwasy). Problem kodu genetycznego sprowadza się do ustalenia korespondencji między nimi. Genetycy, fizycy i chemicy odegrali ważną rolę w rozszyfrowaniu kodu genetycznego.
Aby rozszyfrować kod genetyczny, trzeba było przede wszystkim dowiedzieć się, jaka jest minimalna liczba nukleotydów, która może determinować (kodować) powstawanie jednego aminokwasu. Gdyby każdy z 20 aminokwasów był kodowany przez jedną zasadę, to DNA musiałoby mieć 20 różnych zasad, ale w rzeczywistości jest ich tylko 4. Oczywiście kombinacja dwóch nukleotydów również nie wystarczy do zakodowania 20 aminokwasów. Może kodować tylko 16 aminokwasów 4 2 = 16.
Następnie zaproponowano, że kod zawiera 3 nukleotydy 4 3 = 64 kombinacje, a zatem jest w stanie zakodować więcej niż wystarczającą liczbę aminokwasów do utworzenia dowolnych białek. Ta kombinacja trzech nukleotydów nazywana jest kodem trypletowym.
Kod ma następujące właściwości:
1. Kod genetyczny jest trójkowy(każdy aminokwas jest kodowany przez trzy nukleotydy).
2. Degeneracja- jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trojaczków, wyjątkiem jest tryptofan i metionina.
3. W kodonach jednego aminokwasu pierwsze dwa nukleotydy są takie same, a trzeci się zmienia.
4. Nienakładające się– trojaczki nie nakładają się na siebie. Jedna trójka nie może być częścią innej, każda z nich niezależnie koduje swój własny aminokwas. Zatem dowolne dwa aminokwasy mogą znajdować się w pobliżu łańcucha polipeptydowego i możliwa jest dowolna ich kombinacja, tj. w sekwencji zasad ABCDEFGHI pierwsze trzy zasady kodują 1 aminokwas (ABC-1), (DEF-2) itd.
5. Uniwersalny, tych. we wszystkich organizmach kodony niektórych aminokwasów są takie same (od rumianku po ludzi). Uniwersalność kodeksu świadczy o jedności życia na ziemi.
6. Klęcząc- zbieżność ułożenia kodonów w mRNA z kolejnością aminokwasów w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym.
Kodon to tryplet nukleotydów, który koduje 1 aminokwas.
7. Bez sensu Nie koduje żadnego aminokwasu. Synteza białek w tym miejscu zostaje przerwana.
W ostatnich latach stało się jasne, że w mitochondriach naruszana jest powszechność kodu genetycznego, cztery kodony w mitochondriach zmieniły swoje znaczenie, np. kodon UGA – odpowiada na tryptofan zamiast „STOP” – zaprzestanie syntezy białek . AUA – odpowiada metioninie – zamiast „izoleucyny”.
Odkrycie nowych kodonów w mitochondriach może być dowodem na to, że kod ewoluował i że nie stał się nim od razu.
Niech dziedziczna informacja z genu do cząsteczki białka może być wyrażona schematycznie.
DNA - RNA - białko
Badanie składu chemicznego komórek wykazało, że różne tkanki tego samego organizmu zawierają inny zestaw cząsteczek białka, chociaż mają taką samą liczbę chromosomów i tę samą genetyczną informację dziedziczną.
Zwracamy uwagę na następującą okoliczność: pomimo obecności w każdej komórce wszystkich genów całego organizmu, w pojedynczej komórce działa bardzo niewiele genów - od dziesiątych do kilku procent ogólnej liczby. Pozostałe obszary są „ciche”, są blokowane przez specjalne białka. Jest to zrozumiałe, dlaczego na przykład geny hemoglobiny działają w komórce nerwowej? Tak jak komórka dyktuje, które geny mają milczeć, a które pracować, tak należy przyjąć, że komórka ma jakiś doskonały mechanizm regulujący aktywność genów, który określa, które geny powinny być aktywne w danym momencie, a które w stanie nieaktywnym (represyjnym). Taki mechanizm, zdaniem francuskich naukowców F. Jacobo i J. Monoda, nazwano indukcją i represją.
Wprowadzenie- stymulacja syntezy białek.
Represja- hamowanie syntezy białek.
Indukcja zapewnia pracę tych genów, które syntetyzują białko lub enzym, a które są niezbędne na tym etapie życia komórki.
U zwierząt hormony błony komórkowej odgrywają ważną rolę w procesie regulacji genów; w roślinach, warunkach środowiskowych i innych wysoce wyspecjalizowanych induktorach.
Przykład: po dodaniu do pożywki hormonu tarczycy następuje szybka przemiana kijanek w żaby.
Cukier mleczny (laktoza) jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania bakterii E (Coli). Jeśli środowisko, w którym znajdują się bakterie, nie zawiera laktozy, geny te znajdują się w stanie represyjnym (czyli nie funkcjonują). Wprowadzona do pożywki laktoza jest induktorem, w tym genów odpowiedzialnych za syntezę enzymów. Po usunięciu laktozy z pożywki synteza tych enzymów ustaje. Tak więc rolę represora może pełnić substancja, która jest syntetyzowana w komórce, a jeśli jej zawartość przekracza normę lub ulega zużyciu.
Różne typy genów biorą udział w syntezie białek lub enzymów.
Wszystkie geny znajdują się w cząsteczce DNA.
Ich funkcje nie są takie same:
- strukturalny - geny wpływające na syntezę enzymu lub białka znajdują się w cząsteczce DNA kolejno jeden po drugim w kolejności wpływu na przebieg reakcji syntezy, można też powiedzieć geny strukturalne – są to geny niosące informacje o sekwencja aminokwasowa.
- akceptor- geny nie niosą dziedzicznej informacji o budowie białka, regulują pracę genów strukturalnych.
Zanim grupa genów strukturalnych jest dla nich wspólnym genem - operator, i przed nim promotor. Ogólnie rzecz biorąc, ta grupa funkcyjna nazywa się pierzasty.
Cała grupa genów jednego operonu jest włączana w proces syntezy i jednocześnie jest z niego wyłączana. Włączanie i wyłączanie genów strukturalnych jest istotą całego procesu regulacji.
Funkcję włączania i wyłączania pełni specjalna sekcja cząsteczki DNA - operator genu. Operator genu jest punktem wyjścia syntezy białek lub, jak to się mówi, „czytania” informacji genetycznej. dalej w tej samej cząsteczce w pewnej odległości znajduje się gen - regulator, pod kontrolą którego produkowane jest białko zwane represorem.
Z powyższego widać, że synteza białek jest bardzo trudna. System genetyczny komórki, wykorzystując mechanizmy represji i indukcji, może odbierać sygnały o potrzebie rozpoczęcia i zakończenia syntezy określonego enzymu i przeprowadzenia tego procesu z zadaną szybkością.
Problem regulacji działania genów w organizmach wyższych ma ogromne znaczenie praktyczne w hodowli zwierząt i medycynie. Ustalenie czynników regulujących syntezę białek otworzyłoby szerokie możliwości kontrolowania ontogenezy, tworzenia zwierząt wysokoprodukcyjnych, jak również zwierząt odpornych na choroby dziedziczne.
Pytania testowe:
1. Nazwij właściwości genów.
2. Co to jest gen?
3. Jakie jest biologiczne znaczenie DNA, RNA.
4. Wymień etapy syntezy białek
5. Wymień właściwości kodu genetycznego.