Proteini igraju veoma važnu ulogu u životu organizama, obavljaju zaštitne, strukturne, hormonalne, energetske funkcije. Osigurava rast mišićnog i koštanog tkiva. Proteini informišu o strukturi ćelije, o njenim funkcijama i biohemijskim svojstvima, deo su vrednih, blagotvorno za organizam hrana (jaja, mliječni proizvodi, riba, orasi, mahunarke, raž i pšenica). Probavljivost takve hrane objašnjava se biološkom vrijednošću. Uz jednak pokazatelj količine proteina, lakše će se probaviti proizvod čija je vrijednost veća. Neispravni polimeri moraju biti uklonjeni iz tijela i zamijenjeni novima. Ovaj proces se dešava tokom sinteze proteina u ćelijama.

Šta su proteini

Tvari koje se sastoje samo od aminokiselinskih ostataka nazivaju se jednostavnim proteinima (proteini). Ako je potrebno, koristi se njihova energetska svojstva, dakle, ljudi koji vode zdravog načina životaživota, često je potreban dodatni unos proteina. Složeni proteini, proteidi, sastoje se od jednostavnog proteina i ne-proteinskog dijela. Deset aminokiselina u proteinu su esencijalne, što znači da ih organizam ne može sam sintetizirati, dolaze iz hrane, dok su ostalih deset neesencijalnih, odnosno mogu se stvoriti iz drugih aminokiselina. Tako počinje proces, vitalan za sve organizme.

Glavne faze biosinteze: odakle dolaze proteini

Novi molekuli se uzimaju kao rezultat biosinteze - hemijske reakcije jedinjenja. Postoje dva glavna koraka u sintezi proteina u ćeliji. Ovo je transkripcija i prijevod. Transkripcija se odvija u jezgru. Ovo je očitavanje od DNK (deoksiribonukleinske kiseline), koja prenosi informacije o budućem proteinu, do RNK (ribonukleinske kiseline), koja prenosi ovu informaciju iz DNK u citoplazmu. To se događa zbog činjenice da DNK ne sudjeluje direktno u biosintezi, ona samo nosi informacije, ne može ući u citoplazmu gdje se protein sintetizira, i obavlja samo funkciju nosioca genetske informacije. Transkripcija, s druge strane, omogućava čitanje podataka iz DNK šablona u RNK prema principu komplementarnosti.

Uloga RNK i DNK u procesu

Dakle, započinje sintezu proteina u ćelijama pomoću DNK lanca koji nosi informacije o određenom proteinu i naziva se gen. Lanac DNK se odmotava tokom transkripcije, odnosno njegova spirala počinje da se raspada u linearni molekul. Iz DNK informacije moraju biti pretvorene u RNK. U ovom procesu, adenin bi trebao postati suprotan timinu. Citozin ima guanin kao par, baš kao i DNK. Nasuprot adeninu, RNK postaje uracil, jer u RNK takav nukleotid kao što je timin ne postoji, on je jednostavno zamijenjen uracil nukleotidom. Citozin je u blizini gvanina. Nasuprot adeninu je uracil, a uparen sa timinom je adenin. Ovi RNK molekuli koji stoje nasuprot nazivaju se glasnička RNK (mRNA). Oni su u stanju izaći iz jezgre kroz pore u citoplazmu i ribozome, koji, u stvari, obavljaju funkciju sinteze proteina u stanicama.

O kompleksu jednostavnim riječima

Sada se vrši sklapanje aminokiselinskih sekvenci polipeptidnog lanca proteina. Transkripcijom se može nazvati čitanje informacija o budućem proteinu iz DNK šablona u RNK. Ovo se može definisati kao prva faza. Nakon što RNK napusti jezgro, ona mora doći do ribozoma, gdje se odvija drugi korak, koji se zove translacija.

Translacija je već prijelaz RNK, odnosno prijenos informacija sa nukleotida na proteinski molekul, kada RNK govori koja sekvenca aminokiselina treba biti u supstanci. Ovim redom, glasnička RNK ulazi u citoplazmu do ribozoma koji sintetiziraju proteine u ćeliji: A (adenin) - G (gvanin) - U (uracil) - C (citozin) - U (uracil) - A (adenin).

Zašto su ribozomi potrebni?

Da bi se translacija dogodila i rezultirala proteinom, potrebne su komponente kao što su sama glasnička RNK, transferna RNK, kao i ribozomi kao "fabrika" u kojoj se protein proizvodi. U ovom slučaju funkcioniraju dvije vrste RNK: informacijska, koja je formirana u jezgru sa DNK, i transportna. Drugi molekul kiseline izgleda kao djetelina. Ova "djetelina" vezuje aminokiselinu za sebe i prenosi je do ribozoma. Odnosno, obavlja transport organska jedinjenja direktno u "fabriku" njihovog obrazovanja.

Kako radi rRNA

Postoje i ribosomske RNK koje su dio samog ribozoma i vrše sintezu proteina u ćeliji. Ispostavilo se da su ribosomi nemembranske strukture, nemaju ljuske, kao što je jezgra ili endoplazmatski retikulum, već se jednostavno sastoje od proteina i ribosomske RNK. Šta se dešava kada sekvenca nukleotida, odnosno glasnička RNK, dođe do ribozoma?

Transfer RNA, koja se nalazi u citoplazmi, povlači aminokiseline na sebe. Odakle su došle aminokiseline u ćeliji? A nastaju zbog razgradnje proteina koji se unose hranom. Ova jedinjenja se prenose krvotokom do ćelija, gde se proizvode proteini neophodni za telo.

Poslednji korak u sintezi proteina u ćelijama

Aminokiseline plivaju u citoplazmi na isti način kao i transferne RNK, a kada se direktno sklapanje polipeptidnog lanca, ove transferne RNK počinju da se povezuju s njima. Međutim, ne u bilo kojoj sekvenci i ni u jednoj prijenosnoj RNK ne može se kombinirati sa svim vrstama aminokiselina. Postoji specifično mjesto za koje je vezana potrebna aminokiselina. Drugi segment transferne RNK naziva se antikodon. Ovaj element se sastoji od tri nukleotida koji su komplementarni nukleotidnoj sekvenci u glasničkoj RNK. Jedna aminokiselina zahtijeva tri nukleotida. Na primjer, bilo koji uslovni protein sastoji se, jednostavnosti, od samo dvije aminokiseline. Očigledno, većina proteina ima veoma dugu strukturu, koja se sastoji od mnogo aminokiselina. Lanac A - G - Y naziva se triplet, ili kodon, spojit će mu se transferna RNK u obliku djeteline, na čijem kraju će biti određena aminokiselina. Sljedećem C-U-A tripletu će se pridružiti još jedna tRNA, koja će sadržavati potpuno drugačiju aminokiselinu komplementarnu ovoj sekvenci. Ovim redosledom će se desiti dalje sastavljanje polipeptidnog lanca.

Biološki značaj sinteze

Između dvije aminokiseline koje se nalaze na krajevima "djeteline" svakog tripleta, formira se peptidna veza. U ovoj fazi, transfer RNK ide u citoplazmu. Zatim se sljedeća transportna RNK sa drugom aminokiselinom pridružuje tripletima, koji formiraju polipeptidni lanac sa prethodna dva. Ovaj proces se ponavlja sve dok se ne postigne potrebna sekvenca aminokiselina. Tako u ćeliji dolazi do sinteze proteina i formiraju se enzimi, hormoni, krvne supstance itd. Ne proizvodi svaka ćelija nikakav protein. Svaka ćelija može formirati određeni protein. Na primjer, hemoglobin će se formirati u eritrocitima, a hormone i razne enzime će sintetizirati ćelije gušterače koje razgrađuju hranu koja uđe u tijelo.

Proteini aktin i miozin će se formirati u mišićima. Kao što se vidi, proces sinteze proteina u ćelijama je višestepeni i složen, što ukazuje na njegovu važnost i neophodnost za sva živa bića.

Biosinteza proteina u ćelijama je slijed reakcija matriksnog tipa, tokom kojih uzastopni prijenos nasljednih informacija s jednog tipa molekula na drugi dovodi do stvaranja polipeptida genetski određene strukture.

Biosinteza proteina je početna faza realizacije ili ekspresije genetske informacije. Glavni matrični procesi koji osiguravaju biosintezu proteina su transkripcija DNK i translacija mRNA. Transkripcija DNK se sastoji u prepisivanju informacija iz DNK u mRNA (glasničku ili glasničku RNA). Translacija mRNA je prijenos informacija sa mRNA na polipeptid. Slijed matriksnih reakcija u biosintezi proteina može se predstaviti kao dijagram.

netranskribovani lanac DNK

transkribovani DNK lanac

DNK transkripcija

mRNA kodoni

translacija mRNA

tRNA antikodoni

proteinske aminokiseline

metionin

Dijagram pokazuje da su genetske informacije o strukturi proteina pohranjene kao sekvenca DNK tripleta. U ovom slučaju, samo jedan od lanaca DNK služi kao šablon za transkripciju (takav lanac se zove transkribovan). Drugi lanac je komplementaran transkribovanom lancu i nije uključen u sintezu mRNA.

Molekul mRNA služi kao šablon za sintezu polipeptida na ribosomima. Tripleti mRNA koji kodiraju za određenu aminokiselinu nazivaju se kodoni. Translaciju vrše molekule tRNA. Svaki tRNA molekul sadrži antikodon, triplet za prepoznavanje u kojem je nukleotidna sekvenca komplementarna specifičnom kodonu mRNA. Svaki molekul tRNA je sposoban da nosi strogo definisanu aminokiselinu. Kombinacija tRNA sa amino kiselinom naziva se aminoacil-tRNA.

Molekul tRNA u općoj konformaciji podsjeća na list djeteline na peteljci. "Vrh lista" nosi antikodon. Postoji 61 tip tRNA sa različitim antikodonima. Aminokiselina je vezana za “peteljku lista” (postoji 20 aminokiselina uključenih u sintezu polipeptida na ribosomima). Svaki tRNA molekul sa specifičnim antikodonom odgovara strogo definiranoj aminokiselini. Istovremeno, određena aminokiselina obično odgovara nekoliko tipova tRNA sa različitim antikodonima. Aminokiselina se kovalentno vezuje za tRNA uz pomoć enzima - aminoacil-tRNA sintetaze. Ova reakcija se zove tRNA aminoacilacija.

Na ribosomima, antikodon odgovarajuće aminoacil-tRNA molekule je vezan za specifični kodon mRNA uz pomoć specifičnog proteina. Ovo vezivanje mRNA i aminoacil-tRNA naziva se kodon-ovisno. Na ribosomima su aminokiseline međusobno povezane pomoću peptidnih veza, a oslobođeni molekuli tRNA kreću u potragu za slobodnim aminokiselinama.

Razmotrimo detaljnije glavne faze biosinteze proteina.

Faza 1. DNK transkripcija. Na transkribovanom DNK lancu, komplementarni lanac mRNA je završen upotrebom DNK zavisne RNK polimeraze. Molekul mRNA je tačna kopija netranskribovanog DNK lanca, s tom razlikom što umjesto deoksiribonukleotida sadrži ribonukleotide, koji uključuju uracil umjesto timina.

Faza 2. Obrada (sazrevanje) mRNA. Sintetizirani mRNA molekul (primarni transkript) prolazi kroz dodatne transformacije. U većini slučajeva, originalna molekula mRNA je izrezana na zasebne fragmente. Neki fragmenti - introni - se cijepaju na nukleotide, dok se drugi - egzoni - spajaju u zrelu mRNA. Proces povezivanja egzona "bez čvorova" naziva se spajanje.

Spajanje je karakteristično za eukariote i arhebakterije, ali se ponekad javlja i kod prokariota. Postoji nekoliko vrsta spajanja. Suština alternativnog spajanja je da isti regioni originalne mRNA mogu biti i introni i egzoni. Tada jedna te ista regija DNK odgovara nekoliko tipova zrele mRNA i, shodno tome, nekoliko različitih oblika istog proteina. Suština trans splicinga je spajanje egzona kodiranih različitim genima (ponekad čak i iz različitih hromozoma) u jedan zreli mRNA molekul.

Faza 3. translacija mRNA. Prevođenje (kao i svi matrični procesi) uključuje tri faze: inicijaciju (početak), produljenje (nastavak) i završetak (kraj).

Iniciranje. Suština inicijacije je formiranje peptidne veze između prve dvije aminokiseline polipeptida.

U početku se formira inicijacijski kompleks koji uključuje: malu podjedinicu ribozoma, specifične proteine (inicijacijski faktori) i posebnu inicirajuću metioninsku tRNA sa aminokiselinom metionin - Met-tRNAMet. Početni kompleks prepoznaje početak mRNA, veže se za nju i klizi do tačke inicijacije (početka) biosinteze proteina: u većini slučajeva, to je početni kodon AUG. Između startnog kodona mRNA i antikodona metioninske tRNK dolazi do vezivanja ovisnog o kodonu uz stvaranje vodikovih veza. Zatim se veže velika podjedinica ribozoma.

Kada se podjedinice spoje, formira se kompletan ribosom koji nosi dva aktivna centra (mjesta): A-mjesto (aminoacil, koji služi za vezivanje aminoacil-tRNA) i P-mjesto (peptidil transferaza, koji služi za formiranje peptidne veze između amino kiseline).

U početku, Met-tRNAMet se nalazi na A-mjestu, ali se zatim seli na P-mjesto. Ispražnjeno mjesto A prima aminoacil-tRNA sa antikodonom koji je komplementaran mRNA kodonu nakon AUG kodona. U našem primjeru, ovo je Gly-tRNAGly sa antikodonom CCG, koji je komplementaran GHC kodonu. Kao rezultat kodon-ovisnog vezivanja, formiraju se vodikove veze između kodona mRNA i antikodona aminoacil-tRNA. Dakle, dvije aminokiseline su susjedne ribozomu, između kojih se formira peptidna veza. Kovalentna veza između prve amino kiseline (metionina) i njene tRNA je prekinuta.

Nakon formiranja peptidne veze između prve dvije aminokiseline, ribosom se pomjera za jedan triplet. Kao rezultat, translokacija (pomeranje) inicijalnog metioninskog tRNAMet-a se dešava izvan ribozoma. Vodikova veza između startnog kodona i antikodona inicijatorske tRNA je prekinuta. Kao rezultat toga, slobodni tRNAMet se cijepa i kreće u potragu za svojom amino kiselinom.

Druga tRNA, zajedno sa amino kiselinom (u našem primjeru, Gly-tRNAGly), kao rezultat translokacije, završava na P-mjestu, a A-mjesto se oslobađa.

Izduženje. Suština elongacije je dodavanje naknadnih aminokiselina, odnosno produžavanje polipeptidnog lanca. Ciklus rada ribozoma tokom elongacije sastoji se od tri koraka: kodon-ovisno vezivanje mRNA i aminoacil-tRNA na A mjestu, formiranje peptidne veze između aminokiseline i rastućeg polipeptidnog lanca i translokacije sa oslobađanjem Stranica.

Ispražnjeno A-mjesto prima aminoacil-tRNA sa antikodonom koji odgovara sljedećem kodonu mRNA (u našem primjeru, ovo je Tir-tRNATir sa AUA antikodonom, koji je komplementaran UAU kodonu).

Na ribosomu su dvije aminokiseline jedna pored druge, između kojih se formira peptidna veza. Veza između prethodne amino kiseline i njene tRNA (u našem primjeru između glicina i tRNAGly) je prekinuta.

Zatim ribosom pomjeri još jedan triplet, a kao rezultat translokacije, tRNA koja se nalazila na P-mjestu (u našem primjeru, tRNAgli) je izvan ribozoma i odcijepljena je od mRNA. A mjesto se oslobađa i ciklus ribosoma počinje ispočetka.

Raskid. Sastoji se od završetka sinteze polipeptidnog lanca.

Na kraju, ribosom dostiže kodon mRNA s kojim se ne poklapa nijedna tRNA (i nijedna aminokiselina). Postoje tri takva besmislica kodona: UAA ("oker"), UAG ("jantar"), UGA ("opal"). Kod ovih kodona mRNA prekida se radni ciklus ribozoma i zaustavlja se rast polipeptida. Ribosom se pod uticajem određenih proteina ponovo deli na podjedinice.

Modifikacija proteina. Sintetizovani polipeptid po pravilu prolazi dalje hemijske transformacije. Originalni molekul se može izrezati na zasebne fragmente; tada su neki fragmenti umreženi, drugi se hidroliziraju u aminokiseline. Jednostavni proteini može se kombinovati sa širokim spektrom supstanci, formirajući glikoproteine, lipoproteine, metaloproteine, hromoproteine i druge kompleksne proteine. Osim toga, aminokiseline koje su već u sastavu polipeptida mogu biti podvrgnute hemijskim transformacijama. Na primjer, aminokiselina prolin, koja je dio proteina prokolagena, oksidira se u hidroksiprolin. Kao rezultat toga, kolagen se formira iz prokolagena - glavne proteinske komponente vezivnog tkiva.

Reakcije modifikacije proteina nisu reakcije matričnog tipa. Takve biohemijske reakcije nazivaju se postupnim.

Energija biosinteze proteina. Biosinteza proteina je veoma energetski intenzivan proces. Aminoacilacija tRNA troši energiju jedne veze ATP molekuli, sa kodon-ovisnim vezivanjem aminoacil-tRNA - energija jedne veze GTP molekula, kada ribosom pomjeri jedan triplet - energija jedne veze drugog GTP molekula. Kao rezultat toga, oko 90 kJ/mol se troši na vezivanje aminokiseline na polipeptidni lanac. Hidrolizom peptidne veze oslobađa se samo 2 kJ/mol. Dakle, tokom biosinteze, većina energije se nepovratno gubi (rasilazi u obliku toplote).

Genetski kod, njegova glavna svojstva

Tokom reakcija matrična sinteza na osnovu genetskog koda sintetiše se polipeptid sa nasledno određenom strukturom. Segment DNK koji sadrži informacije o strukturi određenog polipeptida naziva se gen.

Kako god, gen - ovo nije samo dio DNK, već jedinica nasljedne informacije, čiji su nosioci nukleinske kiseline. Utvrđeno je da gen ima složenu strukturu.

U većini slučajeva, kodirajuća područja (egzoni) su razdvojena nekodirajućim regijama (intronima). U isto vrijeme, zbog alternativnog spajanja, podjela segmenta DNK na kodirajuće i nekodirajuće se ispostavlja uslovnom. Neki dijelovi DNK mogu se pomicati jedan u odnosu na drugi - nazivaju se mobilnim genetičkim elementima (MGE). Mnogi geni su predstavljeni u nekoliko kopija - tada je isti protein kodiran različitim dijelovima DNK. Genetske informacije virusa još je teže kodirati. Mnogi od njih imaju gene koji se preklapaju: isti komad DNK može se transkribovati sa različitih polaznih tačaka.

Proces ekspresije gena je fleksibilan: nekoliko polipeptida može odgovarati jednom komadu DNK; jedan polipeptid može biti kodiran različitim regionima DNK. Konačna modifikacija proteina događa se uz pomoć enzima koji su kodirani različitim dijelovima DNK.

Opća svojstva genetskog koda

Odraz nekih objekata uz pomoć drugih naziva se kodiranje. Odraz strukture proteina u obliku DNK tripleta naziva se DNK kod, ili genetski kod. Zahvaljujući genetskom kodu, uspostavlja se korespondencija jedan na jedan između nukleotidnih sekvenci. nukleinske kiseline i aminokiseline koje čine proteine. Genetski kod ima sljedeća glavna svojstva:

1. Genetski kod je triplet: svaka aminokiselina je kodirana tripletom DNK nukleotida i odgovarajućim tripletom mRNA. Istovremeno, kodoni nisu ni na koji način odvojeni jedan od drugog (nema "zareza").

2. Genetski kod je redundantan (degenerisan): gotovo sve aminokiseline mogu biti kodirane različitim kodonima. Samo dvije aminokiseline odgovaraju po jednom kodonu: metionin (AUG) i triptofan (UGG). Ali leucin, serin i arginin odgovaraju 6 različitih kodona.

3. Genetski kod se ne preklapa: svaki par nukleotida pripada samo jednom kodonu (izuzeci se nalaze kod virusa).

4. Genetski kod je isti za veliku većinu bioloških sistema. Međutim, postoje izuzeci, na primjer, u cilijatima i u mitohondrijima različitih organizama. Stoga se genetski kod naziva kvazi-univerzalnim.

Biosinteza proteina (polipeptida) je izuzetno složen i nevjerovatan proces. Biosinteza proteina se aktivno odvija u svim organima i tkivima, isključujući eritrocite. Mnoge ćelije sintetiziraju proteine za "izvoz" (ćelije jetre, pankreasa), au ovom slučaju sadrže vrlo veliki broj ribozom. U životinjskoj ćeliji broj ribozoma doseže 105, promjer ribozoma je 20 nm.

Proces sinteze proteina odvija se unutar ćelija na površini ribozoma, koji su kompleksi dvije podjedinice sa konstantom sedimentacije 60S i 40S, koje funkcioniraju kao jedinstvena cjelina. Ribosom sadrži 30-35% proteina i 65-70% ribosomske RNK. Ribosom ima aminoacil i peptidil regione. Prvi služi za fiksiranje aktivne aminokiseline i kompleksa tRNA koji ulaze u ribozom, a drugi fiksira polipeptidni lanac povezan s drugom tRNA. Podjedinice ribosoma se sintetiziraju u nukleolu jezgra na DNK šablonu.

Suština procesa sinteze proteina je shema:

Sistem za sintezu proteina uključuje ribozome, nukleinske kiseline, set od 20 aminokiselina, različite enzime, ATP, GTP, jone magnezijuma i oko 200 različitih nekatalitičkih proteinskih faktora.

Molekul proteina je dugačak lanac aminokiselinskih ostataka, u prosjeku od 100 do 500 aminokiselina. Program sinteze za svaki protein pohranjen je u molekulu deoksiribonukleinske kiseline (DNK). Molekul DNK je polimer čiji su monomeri nukleotidi. Redoslijed azotnih baza u molekulu DNK određuje slijed aminokiselina u proteinskom molekulu.

Postoje četiri vrste azotnih baza u molekulu DNK: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T). Slijed od tri baze (triplet) čini kodon, koji odgovara jednoj određenoj aminokiselini.

Nukleinske kiseline - DNK i RNK - su bitne komponente biosinteze proteina. DNK je odgovorna za pohranjivanje genetskih informacija, dok RNK određuje prijenos ovih informacija i implementaciju u obliku proteinskih molekula. Može se tvrditi da je glavna funkcija DNK očuvanje genotipa, a RNK ekspresija ovog genotipa.

U kvantitativnom smislu, ribosomalna RNK (rRNA) dominira u ćeliji. rRNA ima spiralne dijelove i sadrži modificirane nukleotide (na primjer, 2-metilribozu). rRNA čini oko 80%. ukupno RNK u ćeliji. Druga vrsta RNK u ćeliji je prijenosna RNK (tRNA), koja se, kao i sve druge vrste RNK, sintetizira u jezgru. On čini 10-15% ukupne količine RNK u ćeliji. Identificirano je preko 60 različitih tRNA. Stoga postoji nekoliko različitih tRNA za transport pojedinačnih aminokiselina. Za svaku aminokiselinu u ćeliji postoji barem jedna specifična tRNA. tRNA molekuli su relativno mali. Njihova struktura sadrži 75-93 ribonukleotida.

Aminokiselina je vezana za slobodnu 3-OH grupu terminalnog tRNA mononukleotida, koji je uvijek predstavljen adenilnom kiselinom. tRNA ima i još jedno važno mjesto - antikodon, uz pomoć kojeg kompleks aminokiselina i tRNA prepoznaje određeni niz od tri nukleotida u glasničkoj RNK (kodon). Antikodon i kodon su komplementarno povezani vodoničnim vezama.

Ako je nosilac nasljedne informacije u ćeliji DNK, koja je koncentrirana u jezgri, ali se sinteza proteina odvija u citoplazmi, onda, prema tome, mora postojati određeni posrednik koji tu informaciju prenosi u citoplazmu stanice. Ispostavilo se da je ovaj medijator glasnička ili glasnička RNK (mRNA). mRNA čini 2% ukupne količine RNK u ćeliji. Molekuli mRNA su najduži (uključuju do 5 hiljada nukleotida). mRNA također sadrži četiri tipa azotnih baza. Od njih tri (A, G, C) su ista kao u DNK, a četvrti je uracil.

Informacije kodirane u mRNA neophodne su za sintezu proteinske molekule, koja se javlja na ribosomima. Sinteza mRNA u ćelijskom jezgru je vrlo brza, što je neophodno za aktivnu biosintezu proteinskih molekula. mRNA se formira na jednom od lanaca DNK jezgra. U ovom slučaju, dvolančana struktura DNK se odmotava, a uz sudjelovanje DNK zavisne RNA polimeraze, prema principu komplementarnosti, dolazi do sinteze mRNA:

shema sinteze mRNA

Princip komplementarnosti znači da adenin na spirali DNK odgovara uracil mRNA, timin adeninu, a gvanin citozinu. Stoga mRNA čita informacije iz DNK.

Faza DNK -» RNK tako određuje sintezu molekula mRNA u kojoj je nukleotidna sekvenca komplementarna specifičnoj regiji DNK (genu). Ovaj proces se zove transkripcija. IRNK tada ulazi u ribozom, kombinujući se sa njegovim podjedinicama. Jedna molekula mRNA je istovremeno fiksirana na više ribozoma, formirajući takozvane polisome. Prisustvo polisoma povećava efikasnost i brzinu iskorištavanja mRNA.

Sinteza polipeptidnog lanca određenog sastava odvija se na mRNA šablonu. Proces prijenosa informacija s mRNA na protein naziva se translacija. Korak RNA -> protein predstavlja proces sinteze proteina vođen mRNA. Dakle, prijenos informacija uvijek ide u pravcu DNK -» RNA -» protein.

Proces prevođenja uključuje sljedeće korake:

1) aktivacija aminokiselina i njihova fiksacija na tRNK;
2) pokretanje sinteze polipeptidnog lanca;
3) elongacija sintetizovanog polipeptidnog lanca;
4) završetak polipeptidnog lanca i njegovo oslobađanje;
5) posttranslaciona modifikacija polipeptidnog lanca.
1. Aktivacija aminokiselina zahtijeva enzim aminoacil-tRNA sintetazu i utrošak energije u obliku ATP-a:

Isti enzim je uključen u fiksiranje prethodno aktivirane amino kiseline na poziciju 2 ili 3 riboze posljednjeg tRNA nukleotida:

U obliku ovog kompleksa, aminokiselina se transportuje do ribozoma, gdje se sintetiše proteinski molekul. Aminoacil-tRNA sintetaza je specifična; sposobna je prepoznati i aminokiseline i tRNA. U ćeliji, dakle, postoji najmanje 20 različitih sintetaza, u skladu sa brojem a-aminokiselina.

2. tRNA, povezana esterskom vezom s određenom aminokiselinom, ulazi u ribozom i stupa u interakciju s mRNA prema tipu komplementarnosti između specifičnog tripleta mRNA nukleotida, nazvanog kodon, i njegovog komplementarnog specifičnog tripleta nukleotida (antikodon) tRNA koja nosi specifičnu aminokiselinu. Dakle, svaki kodon mRNA odgovara specifičnoj fiksaciji jedne aminokiseline u peptidnom lancu pomoću tRNA antikodona. Ribosom se kreće duž mRNA molekula, čitajući sve kodone uzastopno, uspostavljajući tako redoslijed svih aminokiselina dostavljenih na mjesto sinteze.

Sinteza proteinske molekule odvija se u smjeru od slobodne amino grupe do slobodne karboksilne grupe aminokiseline. Obično je početna aminokiselina u sintezi polipeptidnog lanca metionin, za koji nukleotidna sekvenca AUG mRNA služi kao kodon.

Započinjanje sinteze polipeptida počinje kada su dva tRNA antikodona fiksirana na odgovarajućim kodonima mRNA. Proces zahteva prisustvo izvora energije, a to je GTP, kao i učešće niza faktora inicijacije proteina i peptidil transferaze.

Uz učešće ovog enzima, stopa formiranja kovalentne veze dostiže 1200 aminokiselina/min/ribosom.

Šema inicijacije sinteze polipeptida

3. Nakon formiranja dipeptida, "ispunjena" tRNA napušta ribozom i može isporučiti nove molekule aminokiselina, a mRNA napreduje tri nukleotida u odnosu na ribozom (polisom). Kao rezultat kretanja (translokacije), slobodni kodon zauzima poziciju za prepoznavanje sljedećeg tRNA molekula. Stoga, u fazi elongacije, sekvencijalno dodavanje jedne aminokiseline u polipeptidni lanac se događa u strogom skladu s redoslijedom kodona molekule mRNA.

Izduženi polipeptidni lanac s jednim tRNA molekulom fiksiran je za veliku podjedinicu ribosoma. Vezivanje svake dodatne aminokiseline na polipeptidni lanac nastaje zbog odnosa između amino grupe aminokiseline u kompleksu sa tRNA i karboksilne grupe peptida.

4. Terminacija, ili završetak sinteze polipeptidnog molekula, uključuje određene “besmislene” terminacijske kodone i faktore terminacije proteina. Poznata su tri kodona (UAG, UGA, UAA) koja ne kodiraju, ne vezuju nijednu aminokiselinu, budući da u ćeliji nema tRNA antikodona koji su im komplementarni. Teoretski, samo jedan "besmisleni" kodon koji polizom prepoznaje tokom njegovog prolaska u pravcu 5-3 mRNA trebao bi zaustaviti sintezu proteinskog molekula.

Prisustvo terminacionog kodona u bilo kojoj regiji mRNA znači kraj sinteze proteina. Kao rezultat, polizom se raspada, neiskorištena mRNA se hidrolizira polinukleotid fosforilazom, a podjedinice ribosoma se pripremaju da započnu sintezu novog proteinskog molekula.

mRNA može više puta učestvovati u procesu biosinteze proteina. Trajanje funkcionisanja molekula mRNA nije isto u različitim organizmima. Može varirati od nekoliko minuta do nekoliko dana.

5. Samo primarna struktura proteina je kodirana u DNK. Stoga proteinski molekuli sintetizirani na ribosomima još nemaju potpuno završeno stanje. Oni predstavljaju primarne polipeptide, koji zatim prolaze kroz brojne modifikacije (udruživanje monomera u oligomere, dodavanje koenzima, hemijske transformacije) koje menjaju strukturu proteina, a samim tim i njihovu aktivnost.

Sekundarne i tercijarne strukture nisu kodirane, one su određene osobinama primarne strukture, što znači da jedan ili drugi oblik proteinske molekule ovisi o slijedu aminokiselina i mogućnostima njihove međusobne interakcije. Strukturne modifikacije sintetiziranih proteina odvijaju se na nivou ribozoma ili nakon završetka sinteze kao rezultat dodavanja različitih funkcionalne grupe.

Razmatrana šema prijenosa informacija u obliku

može se promijeniti u pojedinačnim slučajevima. Dakle, kod virusa koji ne sadrže DNK, informacija je ugrađena u RNK. Kada virus uđe u ćeliju, ova informacija se prenosi na DNK stanice, a potonja već sintetizira mRNA na čijoj se matrici sintetiziraju virusni proteini. Takav proces naziva se reverzna transkripcija, a shema prijenosa informacija u ovom slučaju bit će sljedeća:

Sve dok je sekvenca nukleotida DNK i, posljedično, mRNA očuvana, priroda novosintetiziranog proteina ostaje nepromijenjena.

Neophodne genetske informacije za sintezu proteina mogu se predstaviti slično ljudskom jeziku, koji se sastoji od niza slova koji formiraju riječi i rečenice. U genetskom jeziku, međutim, postoje samo četiri slova - četiri baze (adenin, guanin, uracil, citozin).

Genetski kod uključuje riječi od tri slova. Četiri baze u ovom slučaju (43) daju 64 varijante (riječi), koje su više nego dovoljne za kodiranje 20 aminokiselina. Dakle, 64 kodona čine genetski kod (tabela 3).

Analiza genetskog koda pokazuje da postoji različit broj kodona za različite aminokiseline. Na primjer, metionin i triptofan imaju samo jedan kodon, dok arginin, leucin i serin imaju po šest kodona. Prisustvo nekoliko kodona za jednu aminokiselinu odražava "degeneraciju" koda. Posljedično, ista aminokiselina može biti kodirana s nekoliko nukleotidnih tripleta u svojoj strukturi. U isto vrijeme, svaki triplet odgovara dobro definiranoj aminokiselini u sintetiziranom polipeptidnom lancu.

Tabela 3

Genetski kod

nukleotida	Drugi nukleotid	nukleotida
nukleotida		nukleotida

Genetski kod je univerzalan i isti za sve vrste različitim nivoima razvoj (ljudi, životinje, biljke, mikroorganizmi). Univerzalnost koda ukazuje da su svi živi organizmi u prošlosti imali jednog pretka.

Pojedinačne aminokiseline (hidroksiprolin, oksilizin), na primjer, nemaju kodon i nastaju pomoću hemijske reakcije nakon sinteze polipeptidnog lanca. Ovaj proces se naziva posttranslaciona modifikacija i veoma je važan za pravilno funkcionisanje svakog proteina.

Besmisleni kodoni (UAA, UAG, UGA) ne kodiraju aminokiseline, već zapravo služe kao signal za završetak sinteze proteinske molekule.

Dakle, mRNA je direktni nosilac genetske informacije od jezgra do citoplazmatskog ribosoma. Jedan ribosom zauzima područje od oko 80 nukleotida dužine na mRNA i sposoban je da katalizira približno 100 peptidnih veza u minuti (Severin E. S. et al., 2011).

Sintetizirani proteinski molekuli mogu biti podvrgnuti strukturnim modifikacijama čak i na nivou ribozoma ili nakon završetka sinteze kao rezultat dodavanja različitih funkcionalnih grupa. U citoplazmi mRNA ima relativno kratak period postojanja. Dio mRNA se sintetiše i pohranjuje u neaktivnom obliku, spreman za brzu sintezu proteina. Pošto je informacija o mRNA povezana sa linearnom sekvencom nukleotida, integritet ove sekvence je izuzetno važan. Svaki gubitak ili promjena u redoslijedu nukleotida može promijeniti sintezu proteina. Do danas je instaliran niz inhibitora replikacije DNK u ćelijama organizma (antibiotici, hemijski otrovi, antivirusni lekovi). Oštećenje sekvence purinskih ili pirimidinskih baza u genu naziva se mutacija.

Zamjena samo jednog nukleotida u kodonu (mutacija) dovodi do promjene kodiranja jedne aminokiseline za drugu. Na primjer, mutacija povezana sa zamjenom glutaminske kiseline valinom u molekuli hemoglobina dovodi do sinteze hemoglobina, što uzrokuje anemiju srpastih stanica. Danas je poznato više od 200 mutacija polipeptidnog lanca molekula ljudskog hemoglobina. Često su mutageni tvari (na primjer nitrozamini) koje mijenjaju strukturu azotnih baza, što dovodi do promjene prirode komplementarnosti baza. Ultraljubičasto zračenje uzrokuje kondenzaciju ostataka timina kako bi se formirali timinski dimeri. Na sreću, ozonski omotač atmosfere štiti životinje od štetnog djelovanja ultraljubičastih zraka.

Mnogi antibiotici koji se koriste u veterinarskoj praksi inhibiraju sintezu bakterijskih proteina (linkomicin, eritromicin, hloramfenikol) čak iu fazi translacije. U tom slučaju mikrobna stanica umire ili zaustavlja svoj razvoj. Antibiotici kao što su tetraciklini ne utiču na sintezu ribosoma u višim životinjskim ćelijama. Penicilini nisu direktni inhibitori sinteze proteina, međutim, njihovi efekti inhibicije bakterija povezani su sa blokiranjem sinteze heksapeptida ćelijskog zida. Treba napomenuti da se sinteza proteina odvija ne samo na ribosomima, već iu mitohondrijima. Mitohondrije imaju kompletan i nezavisan aparat za sintezu proteina za svoje potrebe, iako se svi mitohondrijski proteini ne sintetiziraju u ovim organelama. Mitohondrijska RNK čini samo 3% ukupne ćelijske RNK. Mitohondrijski ribozomi su manji od citoplazmatskih. UGA kodon, kao terminator sinteze proteina u citoplazmi, koristi se u mitohondrijima zajedno sa UGG kodonom za kodiranje aminokiseline.

Proteini sintetizirani na ribosomima još nemaju potpuno završeno stanje. Oni predstavljaju primarne polipeptide, koji zatim prolaze kroz brojne modifikacije (udruživanje monomera u oligomere, dodavanje koenzima, hemijske transformacije) koje modifikuju strukturu proteina, a time i njegovu aktivnost.

Uvod

Život je način postojanja proteinskih tijela. Ova definicija, koju je dao Friedrich Engels, ukazuje na izuzetnu ulogu proteina u funkcionisanju organizama. Biosinteza proteina je izuzetno složen i energetski intenzivan proces. To je osnova života ćelije.

Sinteza proteina se odvija u ribosomima i odvija se u nekoliko faza prema shemi DNARNA protein. Dvolančani DNK molekul se transkribuje u jednolančani RNA molekul na osnovu principa komplementarnosti. Rezultat je glasnička RNK, koja sadrži informacije o sekvenci aminokiselina proteina. Zatim, mRNA ulazi u ribozom i, poput šablona, preko nje se sintetiše protein, prevodeći genetske informacije sa jezika nukleotidne sekvence u jezik sekvence aminokiselina. Korak po korak gradi se polipeptidni lanac koji se tokom i nakon sinteze modificira u biološki aktivan protein. Sintetizirani protein se transportuje u različite dijelove ćelije kako bi izvršio svoje funkcije.

Kodiranje aminokiselinske sekvence proteina vrši se prema određenim pravilima tzv genetski kod. Dešifrovanje genetskog koda je veoma značajno dostignuće nauke. Kod objašnjava mehanizam sinteze proteina, porijeklo mutacija i druge biološke pojave.

Analiza difrakcije rendgenskih zraka i dr savremenim metodama istraživanja su omogućila da se daleko napreduje u proučavanju biosinteze proteina i drugih aspekata molekularna biologija. Ipak, prostorne strukture nekih vitalno važnih makromolekula još nisu uspostavljene. Nauka mora odgovoriti na mnoga pitanja u vezi sa sintezom proteina.

Opća shema biosinteza proteina

Opća shema biosinteze proteina u ćeliji: DNARNA protein (slika 1).

Slika 1. Opća shema biosinteze proteina u ćeliji

Transkripcija. Odvojeni dijelovi dvolančane DNK (geni) služe kao šabloni za sintezu jednolančanih RNK lanaca na njima po principu komplementarnosti. Transkripcija se odvija u tri faze: inicijacija, elongacija i terminacija.

preradu i transport. U procesu sinteze, RNK prolazi kroz promjene, zbog čega se pretvara u zreli molekul pogodan za sintezu proteina. Rezultirajuća glasnička RNA (mRNA) zatim ulazi u ribozome kao program koji određuje sekvencu aminokiselina u sintetiziranom proteinu.

Aktivacija i prihvatanje aminokiselina. Proteini se sastoje od aminokiselina, ali slobodne ćelijske aminokiseline ne mogu se direktno koristiti od strane ribosoma. Svaka aminokiselina se prvo aktivira pomoću ATP-a, a zatim se vezuje za poseban RNK molekul – transfer (transport) RNK (tRNA) izvan ribozoma. Rezultirajuća aminoacil-tRNA ulazi u ribozom kao supstrat za sintezu proteina.

Broadcast. Protok informacija u obliku mRNA i protok materijala u obliku aminoacil-tRNA ulaze u ribozome, koji prevode (prevode) genetske informacije sa jezika sekvence mRNA nukleotida na jezik aminokiseline. Svaki ribosom se kreće duž mRNA od jednog kraja do drugog i, u skladu s tim, odabire iz okoline one aminoacil-tRNA koje odgovaraju (komplementarne) triplet kombinacijama nukleotida koje se trenutno nalaze u ribosomu. Aminokiselinski ostatak odabrane aminoacil-tRNK je svaki put kovalentno vezan ribozomom za rastući polipeptidni lanac, a deacilirana tRNA se oslobađa iz ribozoma u otopinu. Ovako se sekvencijalno gradi polipeptidni lanac.

Formiranje funkcionalnog proteina. Tokom sinteze, polipeptidni lanac se oslobađa iz ribozoma i savija u globulu. Savijanje i transport proteina praćeni su enzimskim modifikacijama (obrada proteina).

Uprkos velikoj složenosti aparata za biosintezu proteina, ona se odvija izuzetno velikom brzinom. Sinteza hiljada različitih proteina u svakoj ćeliji je strogo uređena - pod datim metaboličkim uslovima, sintetiše se samo potreban broj molekula svakog proteina.

Najvažnije funkcije tijela - metabolizam, rast, razvoj, prijenos naslijeđa, kretanje itd. - odvijaju se kao rezultat mnogih hemijskih reakcija koje uključuju proteine, nukleinske kiseline i druge biološki aktivne supstance. Istovremeno, u ćelijama se kontinuirano sintetišu različita jedinjenja: građevinski proteini, proteini enzima, hormoni. U toku razmene, ove supstance se troše i uništavaju, a na njihovom mestu nastaju nove. Budući da proteini stvaraju materijalnu osnovu života i ubrzavaju sve metaboličke reakcije, vitalna aktivnost ćelije i organizma u cjelini određena je sposobnošću stanica da sintetiziraju specifične proteine. Njihova primarna struktura je unaprijed određena genetskim kodom u molekuli DNK.

Molekule proteina sastoje se od desetina i stotina aminokiselina (tačnije od aminokiselinskih ostataka). Na primjer, ima ih oko 600 u molekulu hemoglobina, a raspoređeni su u četiri polipeptidna lanca; u molekulu ribonukleaze ima 124 takve aminokiseline itd.

Molekuli igraju glavnu ulogu u određivanju primarne strukture proteina DNK. Njegovi različiti dijelovi kodiraju sintezu različitih proteina, stoga je jedan molekul DNK uključen u sintezu mnogih pojedinačnih proteina. Svojstva proteina zavise od redosleda aminokiselina u polipeptidnom lancu. Zauzvrat, izmjena aminokiselina određena je slijedom nukleotida u DNK, a svaka aminokiselina odgovara određenom tripletu. Eksperimentalno je dokazano da, na primjer, DNK regija sa AAC tripletom odgovara aminokiselini leucin, ACC triplet odgovara triptofanu, ACA triplet odgovara cisteinu, itd. Podjelom molekule DNK na triplete može se zamisliti koje će se aminokiseline i kojim redoslijedom nalaziti u proteinskom molekulu. Skup trojki čini materijalnu osnovu gena, a svaki gen sadrži informaciju o strukturi određenog proteina (gen je osnovna biološka jedinica naslijeđa; kemijski, gen je segment DNK koji uključuje nekoliko stotina parova baza) .

genetski kod - istorijska organizacija molekula DNK i RNK, u kojoj sekvenca nukleotida u njima nosi informaciju o slijedu aminokiselina u proteinskim molekulima. Svojstva koda: triplet (kodon), nepreklapanje (kodoni slijede jedan za drugim), specifičnost (jedan kodon može odrediti samo jednu aminokiselinu u polipeptidnom lancu), univerzalnost (u svim živim organizmima isti kodon određuje uključivanje iste aminokiseline u polipeptid), redundantnost (za većinu aminokiselina postoji nekoliko kodona). Trojke koje ne nose informacije o aminokiselinama su stop tripleti, što ukazuje na početak sinteze i-RNA.(V.B. Zakharov. Biologija. Referentni materijali. M., 1997.)

Budući da se DNK nalazi u ćelijskom jezgru, a sinteza proteina se odvija u citoplazmi, postoji posrednik koji prenosi informacije od DNK do ribozoma. Kao takav posrednik služi i RNA, kojoj se prepisuje nukleotidna sekvenca, tačno u skladu sa onim na DNK - po principu komplementarnosti. Ovaj proces je imenovan transkripcije i nastavlja se kao reakcija sinteze matrice. Karakteristično je samo za žive strukture i leži u osnovi najvažnijeg svojstva živih bića - samoreprodukcije. Biosintezi proteina prethodi šablonska sinteza mRNA na lancima DNK. Rezultirajuća mRNA izlazi iz jezgra ćelije u citoplazmu, gdje su na nju nanizani ribozomi, a aminokiseline se ovdje isporučuju uz pomoć TRJK.

Sinteza proteina je složen proces u više faza koji uključuje DNK, mRNA, tRNA, ribozome, ATP i razne enzime. Prvo, aminokiseline u citoplazmi se aktiviraju enzimima i vezuju za tRNA (na mjesto gdje se nalazi CCA nukleotid). Sljedeći korak je kombinacija aminokiselina redoslijedom kojim se izmjena nukleotida iz DNK prenosi na mRNA. Ova faza se zove emitovanje. Na lancu mRNA nije postavljen jedan ribosom, već grupa njih - takav kompleks se naziva polizom (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. Biologija za pripremna odjeljenja medicinskih instituta).

Šema Biosinteza proteina

Sinteza proteina se sastoji od dvije faze - transkripcije i translacije.

I. Transkripcija (prepisivanje) - biosinteza RNA molekula, koja se vrši u hromozomima na molekule DNK po principu matrične sinteze. Uz pomoć enzima, sve vrste RNK (mRNA, rRNA, tRNA) se sintetiziraju na odgovarajućim dijelovima molekula DNK (geni). Sintetizira se 20 varijanti tRNA, budući da 20 aminokiselina učestvuje u biosintezi proteina. Zatim mRNA i tRNA izlaze u citoplazmu, rRNA se integrira u podjedinice ribosoma, koje također izlaze u citoplazmu.

II. Translacija (transmisija) - sinteza polipeptidnih lanaca proteina, vrši se u ribosomima. Prate ga sljedeći događaji:

1. Formiranje funkcionalnog centra ribozoma - FCR, koji se sastoji od mRNA i dvije podjedinice ribozoma. U PCR-u uvijek postoje dva tripleta (šest nukleotida) mRNA, koji formiraju dva aktivna centra: A (aminokiselina) - centar za prepoznavanje aminokiselina i P (peptid) - centar za vezivanje aminokiseline za peptidni lanac.

2. Transport aminokiselina vezanih za tRNA iz citoplazme u PCR. U aktivnom centru A, tRNA antikodon se čita sa kodonom mRNA; u slučaju komplementarnosti dolazi do veze koja služi kao signal za napredovanje (skok) duž mRNA ribozoma za jedan triplet. Kao rezultat toga, kompleks "kodon rRNA i tRNA sa aminokiselinom" prelazi u aktivni centar P, gdje je aminokiselina vezana za peptidni lanac (proteinski molekul). Zatim tRNA napušta ribozom.

3. Lanac peptida se produžava dok se translacija ne završi i ribosom ne skoči sa mRNA. Nekoliko ribozoma (polisoma) može stati na jednu mRNA istovremeno. Polipeptidni lanac je uronjen u kanal endoplazmatskog retikuluma i tamo poprima sekundarnu, tercijarnu ili kvaternarnu strukturu. Brzina sklapanja jednog proteinskog molekula, koji se sastoji od 200-300 aminokiselina, je 1-2 minute. Formula za biosintezu proteina: DNK (transkripcija) --> RNK (translacija) --> protein.

Nakon završetka jednog ciklusa, polizomi mogu učestvovati u sintezi novih proteinskih molekula.

Molekul proteina odvojen od ribozoma ima oblik niti koja je biološki neaktivna. Postaje biološki funkcionalan nakon što molekul dobije sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu strukturu, odnosno određenu prostorno specifičnu konfiguraciju. Sekundarne i naknadne strukture proteinskog molekula unaprijed su određene u informacijama ugrađenim u izmjenu aminokiselina, odnosno u primarnoj strukturi proteina. Drugim riječima, program za formiranje globule, njegova jedinstvena konfiguracija, određena je primarnom strukturom molekula, koja je, zauzvrat, izgrađena pod kontrolom odgovarajućeg gena.

Brzinu sinteze proteina određuju mnogi faktori: temperatura okoline, koncentracija vodikovih jona, količina finalni proizvod sintezu, prisustvo slobodnih aminokiselina, jona magnezijuma, stanje ribozoma itd.