Sinteza proteina u stanici - opis, funkcije procesa. Biosinteza proteina: sažeto i razumljivo. Biosinteza proteina u živoj stanici Što je biosinteza proteina

Proteini igraju vrlo važnu ulogu u životu organizama, obavljaju zaštitne, strukturne, hormonske, energetske funkcije. Osigurava rast mišićnog i koštanog tkiva. Proteini informiraju o strukturi stanice, o njezinim funkcijama i biokemijskim svojstvima, dio su vrijednih, blagotvorno za tijelo hrana (jaja, mliječni proizvodi, riba, orasi, mahunarke, raž i pšenica). Probavljivost takve hrane objašnjava se biološkom vrijednošću. S jednakim pokazateljem količine proteina, bit će lakše probaviti proizvod čija je vrijednost veća. Neispravni polimeri moraju se ukloniti iz tijela i zamijeniti novima. Taj se proces događa tijekom sinteze proteina u stanicama.

Što su proteini

Tvari koje se sastoje samo od aminokiselinskih ostataka nazivaju se jednostavnim proteinima (proteini). Ako je potrebno, koristi se njihovo energetsko svojstvo, dakle, ljudi koji vode Zdrav stil životaživota, često je potreban dodatni unos proteina. Složeni proteini, proteidi, sastoje se od jednostavnog proteina i neproteinskog dijela. Deset aminokiselina u proteinu su esencijalne, što znači da ih tijelo ne može samo sintetizirati, dolaze iz hrane, dok su ostalih deset neesencijalne, odnosno mogu se stvoriti iz drugih aminokiselina. Tako počinje proces vitalan za sve organizme.

Glavne faze biosinteze: odakle dolaze proteini

Nove molekule uzimaju se kao rezultat biosinteze - kemijske reakcije spoja. Dva su glavna koraka u sintezi proteina u stanici. Ovo je transkripcija i prijevod. Transkripcija se odvija u jezgri. Ovo je očitavanje s DNA (dezoksiribonukleinske kiseline), koja nosi informaciju o budućem proteinu, na RNA (ribonukleinska kiselina), koja prenosi te informacije iz DNA u citoplazmu. To se događa zbog činjenice da DNK ne sudjeluje izravno u biosintezi, ona samo nosi informacije, ne može ući u citoplazmu u kojoj se sintetizira protein i obavlja samo funkciju prijenosnika genetskih informacija. S druge strane, transkripcija omogućuje čitanje podataka iz predloška DNK u RNK po principu komplementarnosti.

Uloga RNA i DNA u procesu

Dakle, započinje sintezu proteina u stanicama lancem DNA koji nosi informaciju o određenom proteinu i naziva se gen. Lanac DNA se tijekom transkripcije odmotava, odnosno njegova se spirala počinje raspadati u linearnu molekulu. Iz DNK informacija se mora pretvoriti u RNK. U ovom procesu, adenin bi trebao postati suprotan timinu. Citozin ima gvanin kao par, baš kao i DNK. Nasuprot adeninu, RNA postaje uracil, jer u RNA takav nukleotid kao što je timin ne postoji, zamijenjen je jednostavno uracil nukleotidom. Citozin je susjedan gvaninu. Nasuprot adeninu je uracil, a u paru s timinom je adenin. Ove RNA molekule koje stoje nasuprot nazivaju se glasnička RNA (mRNA). Oni mogu izaći iz jezgre kroz pore u citoplazmu i ribosome, koji, zapravo, obavljaju funkciju sinteze proteina u stanicama.

O kompleksu jednostavnim riječima

Sada se sklapaju aminokiselinske sekvence polipeptidnog lanca proteina. Transkripcijom se može nazvati čitanje informacija o budućem proteinu iz predloška DNK u RNK. Ovo se može definirati kao prva faza. Nakon što RNA napusti jezgru, mora doći do ribosoma, gdje se odvija drugi korak, koji se naziva translacija.

Translacija je već tranzicija RNK, odnosno prijenos informacija s nukleotida na proteinsku molekulu, kada RNK govori koji bi redoslijed aminokiselina trebao biti u supstanci. Ovim redom glasnička RNA ulazi u citoplazmu do ribosoma koji sintetiziraju proteine ​​u stanici: A (adenin) - G (gvanin) - U (uracil) - C (citozin) - U (uracil) - A (adenin).

Zašto su potrebni ribosomi?

Kako bi došlo do translacije i rezultiralo proteinom, potrebne su komponente kao što su sama glasnička RNK, prijenosna RNK i ribosomi kao "tvornica" u kojoj se protein proizvodi. U ovom slučaju funkcioniraju dvije vrste RNK: informacijska, koja je nastala u jezgri s DNK, i transportna. Druga molekula kiseline izgleda kao djetelina. Ova "djetelina" na sebe veže aminokiselinu i nosi je do ribosoma. Odnosno, obavlja prijevoz organski spojevi izravno u "tvornicu" svog obrazovanja.

Kako radi rRNA

Postoje i ribosomske RNA koje su dio samog ribosoma i vrše sintezu proteina u stanici. Ispostavilo se da su ribosomi nemembranske strukture, nemaju ljuske, poput jezgre ili endoplazmatskog retikuluma, već se jednostavno sastoje od proteina i ribosomske RNA. Što se događa kada niz nukleotida, odnosno glasnička RNA, dođe do ribosoma?

Prijenosna RNA, koja se nalazi u citoplazmi, povlači aminokiseline na sebe. Odakle aminokiseline u stanici? A nastaju zbog razgradnje bjelančevina koje se unose hranom. Ovi spojevi se prenose krvotokom do stanica, gdje se proizvode proteini potrebni tijelu.

Posljednji korak u sintezi proteina u stanicama

Aminokiseline plivaju u citoplazmi na isti način kao i prijenosne RNA, a kada se sklop polipeptidnog lanca dogodi izravno, ove prijenosne RNA počinju se povezivati ​​s njima. Međutim, niti u jednom slijedu niti bilo koja prijenosna RNA može se kombinirati sa svim vrstama aminokiselina. Postoji specifično mjesto na koje je vezana potrebna aminokiselina. Drugi segment prijenosne RNK naziva se antikodon. Ovaj element se sastoji od tri nukleotida koji su komplementarni nukleotidnom slijedu u messenger RNA. Jedna aminokiselina zahtijeva tri nukleotida. Na primjer, svaki uvjetni protein sastoji se, jednostavnosti radi, od samo dvije aminokiseline. Očito, većina proteina ima vrlo dugu strukturu, koja se sastoji od mnogo aminokiselina. Lanac A - G - Y zove se triplet, odnosno kodon, spojit će ga prijenosna RNA u obliku djeteline na čijem će kraju biti određena aminokiselina. Sljedećem tripletu C-U-A pridružit će se još jedna tRNA, koja će sadržavati potpuno drugu aminokiselinu komplementarnu ovoj sekvenci. Ovim redoslijedom odvijat će se daljnje sklapanje polipeptidnog lanca.

Biološki značaj sinteze

Između dvije aminokiseline koje se nalaze na krajevima "djetelina" svakog tripleta stvara se peptidna veza. U ovoj fazi prijenosna RNA odlazi u citoplazmu. Tada se tripletima pridružuje sljedeća transportna RNA s drugom aminokiselinom, koja s prethodne dvije tvori polipeptidni lanac. Ovaj proces se ponavlja sve dok se ne postigne željena sekvenca aminokiselina. Dakle, u stanici se odvija sinteza proteina i stvaraju se enzimi, hormoni, krvne tvari itd. Ne proizvodi svaka stanica protein. Svaka stanica može tvoriti određeni protein. Na primjer, hemoglobin će se stvarati u eritrocitima, a hormone i razne enzime sintetizirat će stanice gušterače koje razgrađuju hranu koja ulazi u tijelo.

U mišićima će nastati proteini aktin i miozin. Kao što se može vidjeti, proces sinteze proteina u stanicama je višefazni i složen, što ukazuje na njegovu važnost i nužnost za sva živa bića.

Biosinteza proteina u stanicama slijed je reakcija tipa matrice, tijekom kojih uzastopni prijenos nasljednih informacija s jedne vrste molekule na drugu dovodi do stvaranja polipeptida s genetski određenom strukturom.

Biosinteza proteina je početni stupanj realizacije ili ekspresije genetske informacije. Glavni matrični procesi koji osiguravaju biosintezu proteina su transkripcija DNA i translacija mRNA. Transkripcija DNA sastoji se u prepisivanju informacija iz DNA u mRNA (glasnička ili messenger RNA). Translacija mRNA je prijenos informacije s mRNA na polipeptid. Redoslijed reakcija matriksa u biosintezi proteina može se prikazati dijagramom.

netranskribirani lanac DNK

transkribirani lanac DNK

transkripcija DNA

mRNA kodoni

translacija mRNA

tRNA antikodoni

proteinske aminokiseline

metionin

Dijagram pokazuje da su genetske informacije o strukturi proteina pohranjene kao niz trostrukih DNK. U tom slučaju samo jedan od lanaca DNA služi kao predložak za transkripciju (takav se lanac naziva transkribiranim). Drugi lanac je komplementaran transkribiranom lancu i ne sudjeluje u sintezi mRNA.

Molekula mRNA služi kao matrica za sintezu polipeptida na ribosomima. Tripleti mRNA koji kodiraju određenu aminokiselinu nazivaju se kodoni. Translaciju provode tRNA molekule. Svaka molekula tRNA sadrži antikodon, triplet za prepoznavanje u kojem je nukleotidna sekvenca komplementarna specifičnom kodonu mRNA. Svaka molekula tRNA sposobna je nositi strogo definiranu aminokiselinu. Kombinacija tRNA s aminokiselinom naziva se aminoacil-tRNA.

Molekula tRNA u općoj konformaciji nalikuje listu djeteline na peteljci. "Vrh lista" nosi antikodon. Postoji 61 vrsta tRNA s različitim antikodonima. Aminokiselina je pričvršćena na "listnu peteljku" (u sintezi polipeptida na ribosomima sudjeluje 20 aminokiselina). Svaka molekula tRNA s određenim antikodonom odgovara strogo definiranoj aminokiselini. Istodobno, određena aminokiselina obično odgovara nekoliko vrsta tRNA s različitim antikodonima. Aminokiselina se kovalentno veže na tRNA uz pomoć enzima – aminoacil-tRNA sintetaza. Ova reakcija se naziva tRNA aminoacilacija.

Na ribosomima je antikodon odgovarajuće molekule aminoacil-tRNA vezan za određeni kodon mRNA uz pomoć specifičnog proteina. Ovo vezanje mRNA i aminoacil-tRNA naziva se ovisno o kodonu. Na ribosomima su aminokiseline međusobno povezane peptidnim vezama, a oslobođene molekule tRNA kreću u potragu za slobodnim aminokiselinama.

Razmotrimo detaljnije glavne faze biosinteze proteina.

1. faza. transkripcija DNA. Na transkribiranom lancu DNA, komplementarni mRNA lanac se dovršava pomoću DNA-ovisne RNA polimeraze. Molekula mRNA točna je kopija netranskribiranog lanca DNA, s tom razlikom što umjesto deoksiribonukleotida sadrži ribonukleotide koji umjesto timina uključuju uracil.

Faza 2. Procesiranje (sazrijevanje) mRNA. Sintetizirana molekula mRNA (primarni transkript) prolazi kroz dodatne transformacije. U većini slučajeva, izvorna molekula mRNA izrezana je u 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 ponekad se događa i kod prokariota. Postoji nekoliko vrsta spajanja. Bit alternativnog spajanja je da iste regije izvorne mRNA mogu biti i introni i egzoni. Tada jedna te ista regija DNA odgovara nekoliko vrsta zrele mRNA i, sukladno tome, nekoliko različitih oblika istog proteina. Bit trans splicinga je spajanje egzona kodiranih različitim genima (ponekad čak i iz različitih kromosoma) u jednu zrelu molekulu mRNA.

Faza 3. translacija mRNA. Translacija (kao i svi matrični procesi) uključuje tri faze: inicijaciju (početak), elongaciju (nastavak) i terminaciju (kraj).

Inicijacija. Bit inicijacije je stvaranje peptidne veze između prve dvije aminokiseline polipeptida.

U početku nastaje inicijacijski kompleks koji uključuje: malu podjedinicu ribosoma, specifične proteine ​​(inicijacijski čimbenici) i posebnu inicijacijsku metioninsku tRNA s aminokiselinom metioninom – Met-tRNAMet. Inicijacijski kompleks prepoznaje početak mRNA, pričvršćuje se na njega i klizi do točke inicijacije (početka) biosinteze proteina: u većini slučajeva to je početni kodon AUG. Između početnog kodona mRNA i antikodona metionin tRNA dolazi do vezivanja ovisnog o kodonu uz stvaranje vodikovih veza. Zatim se pričvršćuje velika podjedinica ribosoma.

Kada se podjedinice spoje, formira se potpuni ribosom koji nosi dva aktivna centra (mjesta): A-mjesto (aminoacil, koje služi za pričvršćivanje aminoacil-tRNA) i P-mjesto (peptidil transferaza, koje služi za stvaranje peptidne veze između aminokiseline).

U početku se Met-tRNAMet nalazi na A-mjestu, ali zatim prelazi na P-mjesto. Ispražnjeno mjesto A prima aminoacil-tRNA s antikodonom koji je komplementaran mRNA kodonu nakon AUG kodona. U našem primjeru to je Gly-tRNAGly s antikodonom CCG, koji je komplementaran GHC kodonu. Kao rezultat vezanja ovisnog o kodonu, stvaraju se vodikove veze između kodona mRNA i antikodona aminoacil-tRNA. Dakle, dvije aminokiseline su u susjedstvu ribosoma, između kojih se stvara peptidna veza. Kovalentna veza između prve aminokiseline (metionina) i njezine tRNA je prekinuta.

Nakon stvaranja peptidne veze između prve dvije aminokiseline, ribosom se pomiče za jedan triplet. Kao rezultat toga, translokacija (kretanje) inicirajućeg metionina tRNAMet događa se izvan ribosoma. Vodikova veza između početnog kodona i antikodona inicijacijske tRNA je prekinuta. Kao rezultat toga, slobodni tRNAMet se odcjepljuje i odlazi u potragu za svojom aminokiselinom.

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

Elongacija. Bit elongacije je dodavanje sljedećih aminokiselina, odnosno produljenje polipeptidnog lanca. Radni ciklus ribosoma tijekom elongacije sastoji se od tri koraka: o kodonu ovisno vezanje mRNA i aminoacil-tRNA na mjestu A, stvaranje peptidne veze između aminokiseline i rastućeg polipeptidnog lanca i translokacija s oslobađanjem stranica.

Upražnjeno mjesto A prima aminoacil-tRNA s antikodonom koji odgovara sljedećem mRNA kodonu (u našem primjeru to je Tir-tRNKTir s AUA antikodonom, koji je komplementaran UAU kodonu).

Na ribosomu su jedna do druge dvije aminokiseline između kojih se stvara peptidna veza. Veza između prethodne aminokiseline i njezine tRNA (u našem primjeru, između glicina i tRNAGly) je prekinuta.

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

Raskid. Sastoji se od dovršetka sinteze polipeptidnog lanca.

Na kraju, ribosom doseže mRNA kodon s kojim nijedna tRNA (i nijedna aminokiselina) ne odgovara. Postoje tri takva besmislena kodona: UAA ("oker"), UAG ("jantar"), UGA ("opal"). Na tim kodonima mRNA dolazi do prekida radnog ciklusa ribosoma i zaustavljanja rasta polipeptida. Ribosom se pod utjecajem određenih proteina ponovno dijeli na podjedinice.

Modifikacija proteina. U pravilu, sintetizirani polipeptid prolazi dalje kemijske transformacije. Izvorna molekula može se izrezati na zasebne fragmente; tada su neki fragmenti umreženi, drugi su hidrolizirani u aminokiseline. Jednostavni proteini može se kombinirati sa širokim spektrom tvari, tvoreći glikoproteine, lipoproteine, metaloproteine, kromoproteine ​​i druge složene proteine. Osim toga, aminokiseline koje su već u sastavu polipeptida mogu doživjeti kemijske transformacije. Na primjer, aminokiselina prolin, koja je dio proteina prokolagena, oksidira se u hidroksiprolin. Kao rezultat, kolagen se formira iz prokolagena - glavne proteinske komponente vezivnog tkiva.

Reakcije modifikacije proteina nisu reakcije tipa matrice. Takve se biokemijske reakcije nazivaju postupnim.

Energija biosinteze proteina. Biosinteza proteina je energetski vrlo intenzivan proces. Aminoacilacija tRNA troši energiju jedne veze ATP molekule, s kodonom ovisnim vezanjem aminoacil-tRNA - energija jedne veze GTP molekule, kada ribosom pomakne jedan triplet - energija jedne veze druge GTP molekule. Kao rezultat, oko 90 kJ / mol troši se na pričvršćivanje aminokiseline na polipeptidni lanac. Hidrolizom peptidne veze oslobađa se samo 2 kJ/mol. Tako se tijekom biosinteze najveći dio energije nepovratno gubi (rasipa u obliku topline).

Genetski kod, njegova glavna svojstva

Tijekom reakcija matrična sinteza na temelju genetskog koda sintetizira se polipeptid s nasljedno određenom strukturom. Segment DNA koji sadrži informacije o strukturi određenog polipeptida naziva se gen.

Međutim, gen - ovo nije samo dio DNK, već jedinica nasljednih informacija, čiji su nositelji nukleinske kiseline. Utvrđeno je da gen ima složenu strukturu.

U većini slučajeva, kodirajuća područja (egzoni) odvojena su nekodirajućim područjima (intronima). U isto vrijeme, zbog alternativnog spajanja, podjela segmenta DNK na kodirajuće i nekodirajuće ispada uvjetna. Neki dijelovi DNK mogu se pomicati jedan u odnosu na drugi – nazivaju se mobilni genetski elementi (MGE). Mnogi geni predstavljeni su s nekoliko kopija - tada je isti protein kodiran različitim dijelovima DNA. Genetske informacije virusa još je teže kodirati. Mnogi od njih imaju preklapajuće gene: isti dio DNK može se prepisati s različitih početnih točaka.

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

Opća svojstva genetskog koda

Odraz nekih objekata uz pomoć drugih naziva se kodiranje. Odraz strukture proteina u obliku tripleta DNK naziva se DNK kod, odnosno 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 DNA nukleotida i odgovarajućim tripletom mRNA. Istovremeno, kodoni nisu ni na koji način odvojeni jedan od drugog (nema "zareza").

2. Genetski kod je redundantan (degeneriran): gotovo sve aminokiseline mogu biti kodirane različitim kodonima. Samo dvije aminokiseline odgovaraju svakom 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 (iznimke su virusi).

4. Genetski kod je isti za veliku većinu bioloških sustava. Međutim, postoje iznimke, na primjer, kod cilijata i mitohondrija raznih organizama. Stoga se genetski kod naziva kvaziuniverzalnim.

Biosinteza proteina (polipeptida) iznimno je složen i nevjerojatan proces. Biosinteza proteina aktivno se odvija u svim organima i tkivima, isključujući eritrocite. Mnoge stanice sintetiziraju proteine ​​za "izvoz" (stanice jetre, gušterače), au ovom slučaju sadrže vrlo veliki broj ribosom. U životinjskoj stanici broj ribosoma doseže 105, promjer ribosoma je 20 nm.

Proces sinteze proteina odvija se unutar stanica na površini ribosoma, koji su kompleksi dviju podjedinica s konstantom sedimentacije 60S i 40S, a funkcioniraju kao jedinstvena cjelina. Ribosom sadrži 30-35% proteina i 65-70% ribosomske RNA. Ribosom ima aminoacilnu i peptidilnu regiju. Prvi služi za fiksiranje kompleksa aktivne aminokiseline i tRNA koji ulazi u ribosom, a drugi fiksira polipeptidni lanac povezan s drugom tRNA. Podjedinice ribosoma sintetiziraju se u nukleolu jezgre na DNA šabloni.

Suština procesa sinteze proteina je shema:

Sustav za sintezu proteina uključuje ribosome, nukleinske kiseline, skup od 20 aminokiselina, razne enzime, ATP, GTP, ione magnezija i oko 200 različitih nekatalitičkih proteinskih faktora.

Proteinska molekula dugačak je lanac aminokiselinskih ostataka, u prosjeku od 100 do 500 aminokiselina. Program sinteze za svaki protein pohranjen je u molekuli deoksiribonukleinske kiseline (DNK). Molekula DNA je polimer čiji su monomeri nukleotidi. Redoslijed dušičnih baza u molekuli DNA određuje redoslijed aminokiselina u molekuli proteina.

Postoje četiri vrste dušičnih baza u molekuli DNA: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T). Niz od tri baze (triplet) čini kodon, koji odgovara jednoj specifičnoj aminokiselini.

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

U kvantitativnom smislu u stanici prevladava ribosomska RNA (rRNA). rRNA ima spiralne dijelove i sadrži modificirane nukleotide (na primjer, 2-metilriboza). rRNA čini oko 80 % ukupno RNA u stanici. Drugi tip RNA u stanici je prijenosna RNA (tRNA) koja se, kao i sve druge vrste RNA, sintetizira u jezgri. Čini 10-15% ukupne količine RNA u stanici. Identificirano je preko 60 različitih tRNA. Stoga postoji nekoliko različitih tRNA za transport pojedinih aminokiselina. Za svaku aminokiselinu u stanici postoji barem jedna specifična tRNA. Molekule tRNA su relativno male. Njihova struktura sadrži 75-93 ribonukleotida.

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

Ako je nositelj nasljedne informacije u stanici DNA, koja je koncentrirana u jezgri, ali se sinteza proteina odvija u citoplazmi, tada mora postojati određeni posrednik koji prenosi ovu informaciju u citoplazmu stanice. Pokazalo se da je ovaj posrednik glasnička ili glasnička RNA (mRNA). mRNA čini 2% ukupne količine RNA u stanici. Molekule mRNA su najduže (sadrže do 5 tisuća nukleotida). mRNA također sadrži četiri vrste dušičnih baza. Od njih su tri (A, G, C) isti 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 staničnoj jezgri je vrlo brza, što je neophodno za aktivnu biosintezu proteinskih molekula. mRNA se formira na jednom od DNA lanaca jezgre. U ovom slučaju, dvolančana struktura DNA se odmotava, a uz sudjelovanje DNA-ovisne RNA polimeraze, prema načelu komplementarnosti, dolazi do sinteze mRNA:


shema sinteze mRNA

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

Stadij DNA -» RNA tako određuje sintezu molekule mRNA u kojoj je nukleotidni slijed komplementaran specifičnoj regiji DNA (genu). Taj se proces naziva transkripcija. MRNA zatim ulazi u ribosom, spajajući se sa svojim podjedinicama. Jedna molekula mRNK je fiksirana na više ribosoma u isto vrijeme, tvoreći takozvane polisome. Prisutnost polisoma povećava učinkovitost i brzinu korištenja mRNA.

Sinteza polipeptidnog lanca određenog sastava odvija se na šabloni mRNA. Proces prijenosa informacija s mRNA na protein naziva se translacija. Korak RNA -> protein predstavlja proces sinteze proteina kojim upravlja mRNA. Dakle, prijenos informacija uvijek ide u smjeru DNA -» RNA -» protein.

Proces prevođenja uključuje sljedeće korake:

  • 1) aktivacija aminokiselina i njihova fiksacija na tRNA;
  • 2) početak sinteze polipeptidnog lanca;
  • 3) produljenje sintetiziranog polipeptidnog lanca;
  • 4) završetak polipeptidnog lanca i njegovo oslobađanje;
  • 5) posttranslacijska modifikacija polipeptidnog lanca.
  • 1. Aktivacija aminokiselina zahtijeva enzim aminoacil-tRNA sintetazu i potrošnju energije u obliku ATP-a:

Isti enzim je uključen u fiksiranje prethodno aktivirane aminokiseline na položaj 2 ili 3 riboze posljednjeg nukleotida tRNA:

U obliku ovog kompleksa aminokiselina se prenosi do ribosoma, gdje se sintetizira proteinska molekula. Aminoacil-tRNA sintetaza je specifična; sposobna je prepoznati i aminokiseline i tRNA. U stanici, dakle, postoji najmanje 20 različitih sintetaza, sukladno broju a-aminokiselina.

2. tRNA, povezana esterskom vezom s određenom aminokiselinom, ulazi u ribosom i stupa u interakciju s mRNA u skladu s vrstom komplementarnosti između specifičnog tripleta nukleotida mRNA, zvanog 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 antikodona tRNA. Ribosom se kreće duž molekule mRNA, čitajući sve kodone sekvencijalno, uspostavljajući tako redoslijed svih aminokiselina dostavljenih na mjesto sinteze.

Sinteza proteinske molekule odvija se u smjeru od slobodne amino skupine prema slobodnoj karboksilnoj skupini aminokiseline. Obično je početna aminokiselina u sintezi polipeptidnog lanca metionin, za koji nukleotidna sekvenca AUG mRNA služi kao kodon.

Početak sinteze polipeptida počinje kada se dva antikodona tRNA učvrste na odgovarajuće kodone mRNA. Proces zahtijeva prisutnost izvora energije, a to je GTP, kao i sudjelovanje niza faktora inicijacije proteina i peptidil transferaze.

Uz sudjelovanje ovog enzima, brzina stvaranja kovalentne veze dostiže 1200 aminokiselina/min/ribosomu.


Shema inicijacije sinteze polipeptida

3. Nakon formiranja dipeptida, "neopterećena" tRNA napušta ribosom i može isporučiti nove molekule aminokiselina, a mRNA napreduje tri nukleotida u odnosu na ribosom (polisom). Kao rezultat kretanja (translokacije) slobodni kodon zauzima mjesto za prepoznavanje sljedeće molekule tRNA. Stoga se u fazi elongacije događa sekvencijalno dodavanje jedne aminokiseline polipeptidnom lancu u strogom skladu s redoslijedom kodona molekule mRNA.

Produženi polipeptidni lanac s jednom molekulom tRNA fiksiran je za veliku podjedinicu ribosoma. Pripajanje svake dodatne aminokiseline na polipeptidni lanac događa se zbog odnosa između amino skupine aminokiseline u kompleksu s tRNA i karboksilne skupine peptida.

4. Terminacija, odnosno završetak sinteze polipeptidne molekule, uključuje određene "besmislene" terminacijske kodone i faktore terminacije proteina. Poznata su tri kodona (UAG, UGA, UAA) koji ne kodiraju, ne vežu niti jednu aminokiselinu, budući da u stanici nema tRNA antikodona koji su im komplementarni. Teoretski, samo jedan "besmisleni" kodon kojeg polisom prepozna tijekom svog prolaska u smjeru 5-3 mRNA trebao bi zaustaviti sintezu proteinske molekule.

Prisutnost terminacijskog kodona u bilo kojoj regiji mRNA znači kraj sinteze proteina. Kao rezultat toga, polisom se raspada, neiskorištena mRNA se hidrolizira polinukleotid fosforilazom, a podjedinice ribosoma se pripremaju za početak sinteze nove proteinske molekule.

mRNA može opetovano sudjelovati u procesu biosinteze proteina. Trajanje funkcioniranja molekule mRNA nije isto kod različitih organizama. Može varirati od nekoliko minuta do nekoliko dana.

5. Samo je primarna struktura proteina kodirana u DNA. Stoga proteinske molekule sintetizirane na ribosomima još nemaju potpuno dovršeno stanje. Oni su primarni polipeptidi, koji zatim prolaze kroz brojne modifikacije (udruživanje monomera u oligomere, dodavanje koenzima, kemijske transformacije) koje mijenjaju strukturu proteina, a time i njihovu aktivnost.

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

Razmatrana shema prijenosa informacija u obliku

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

Sve dok je slijed nukleotida DNA i, posljedično, mRNA očuvan, priroda novosintetiziranog proteina ostaje nepromijenjena.

Potrebne genetske informacije za sintezu proteina mogu se prikazati slično ljudskom jeziku, koji se sastoji od niza slova koja tvore riječi i rečenice. U genetskom jeziku, međutim, postoje samo četiri slova - četiri baze (adenin, gvanin, 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 (tablica 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. Prisutnost 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.

Tablica 3

Genetski kod

nukleotid

Drugi nukleotid

nukleotid

Genetski kod je univerzalan i isti kod svih vrsta različite razine razvoj (čovjeka, životinja, biljaka, mikroorganizama). Univerzalnost koda ukazuje na to da su svi živi organizmi u prošlosti imali jednog pretka.

Pojedinačne aminokiseline (hidroksiprolin, oksilizin), na primjer, nemaju kodon i nastaju pomoću kemijske reakcije nakon sinteze polipeptidnog lanca. Taj se proces naziva posttranslacijska modifikacija i vrlo je važan za pravilno funkcioniranje svakog proteina.

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

Dakle, mRNA je izravni prijenosnik genetske informacije od jezgre do citoplazmatskog ribosoma. Jedan ribosom zauzima područje od oko 80 nukleotida u dužini na mRNA i sposoban je katalizirati približno 100 peptidnih veza u minuti (Severin E. S. i sur., 2011.).

Sintetizirane proteinske molekule mogu biti podvrgnute strukturnim modifikacijama na razini ribosoma ili nakon završetka sinteze kao rezultat dodavanja različitih funkcionalnih skupina. U citoplazmi mRNA ima relativno kratko razdoblje postojanja. Dio mRNA se sintetizira i pohranjuje u neaktivnom obliku, spreman za brzu sintezu proteina. Budući da je informacija o mRNA povezana s linearnim slijedom nukleotida, integritet ovog slijeda iznimno je važan. Svaki gubitak ili promjena u redoslijedu nukleotida može promijeniti sintezu proteina. Do danas je instaliran niz inhibitora replikacije DNA u stanicama tijela (antibiotici, kemijski otrovi, antivirusni lijekovi). Oštećenje sekvence purinskih ili pirimidinskih baza u genu naziva se mutacija.

Supstitucija samo jednog nukleotida u kodonu (mutacija) dovodi do promjene u kodiranju jedne aminokiseline drugom. 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 molekule ljudskog hemoglobina. Često su mutageni tvari (na primjer, nitrozamini) koje mijenjaju strukturu dušičnih baza, što dovodi do promjene u prirodi komplementarnosti baza. Ultraljubičasto zračenje uzrokuje kondenzaciju ostataka timina u dimere timina. Srećom, životinje od štetnog djelovanja ultraljubičastih zraka štiti ozonski omotač atmosfere.

Mnogi antibiotici koji se koriste u veterinarskoj praksi inhibiraju sintezu bakterijskih proteina (linkomicin, eritromicin, kloramfenikol) čak iu fazi translacije. U tom slučaju mikrobna stanica umire ili zaustavlja svoj razvoj. Antibiotici poput tetraciklina ne utječu na sintezu ribosoma u stanicama viših životinja. Penicilini nisu izravni inhibitori sinteze proteina, međutim, njihovi učinci inhibicije bakterija povezani su s blokiranjem sinteze heksapeptida stanične stijenke. Treba napomenuti da se sinteza proteina odvija ne samo na ribosomima, već iu mitohondrijima. Mitohondriji imaju kompletan i neovisan aparat za sintezu proteina za svoje potrebe, iako se svi proteini mitohondrija ne sintetiziraju u tim organelama. Mitohondrijska RNA čini samo 3% ukupne stanične RNA. Mitohondrijski ribosomi su manji od citoplazmatskih. UGA kodon, kao terminator sinteze proteina u citoplazmi, koristi se u mitohondrijima zajedno s UGG kodonom za kodiranje aminokiseline.

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

Uvod

Život je način postojanja proteinskih tijela. Ova definicija koju je dao Friedrich Engels ukazuje na iznimnu ulogu proteina u funkcioniranju organizama. Biosinteza proteina je izuzetno složen i energetski zahtjevan proces. To je osnova života stanice.

Sinteza proteina se provodi u ribosomima i odvija se u nekoliko faza prema shemi DNARNA protein. Dvolančana molekula DNA prepisuje se u jednolančanu molekulu RNA na temelju principa komplementarnosti. Rezultat je glasnička RNA, koja sadrži informacije o sekvenci aminokiselina proteina. Zatim mRNA ulazi u ribosom i, poput predloška, ​​iz nje se sintetizira protein, prevođenjem genetske informacije s jezika slijeda nukleotida na jezik slijeda aminokiselina. Korak po korak gradi se polipeptidni lanac koji se tijekom i nakon sinteze modificira u biološki aktivan protein. Sintetizirani protein se prenosi u različite dijelove stanice kako bi obavljao svoje funkcije.

Kodiranje aminokiselinskog slijeda proteina provodi se prema određenim pravilima, tzv genetski kod. Dešifriranje genetskog koda vrlo je značajno dostignuće znanosti. Kod objašnjava mehanizam sinteze proteina, podrijetlo mutacija i druge biološke pojave.

Analiza rendgenske difrakcije i dr modernim metodama istraživanje je omogućilo daleko napredovanje u proučavanju biosinteze proteina i drugih aspekata molekularna biologija. Ipak, prostorne strukture nekih životno važnih makromolekula još nisu utvrđene. Znanost mora odgovoriti na mnoga pitanja u vezi sa sintezom proteina.

Opća shema biosinteza proteina

Opća shema biosinteze proteina u stanici: DNARNA protein (Slika 1).

Slika 1. Opća shema biosinteze proteina u stanici

Transkripcija. Odvojeni dijelovi dvolančane DNA (geni) služe kao predlošci za sintezu jednolančanih lanaca RNA na njima prema principu komplementarnosti. Transkripcija se odvija u tri faze: inicijacija, elongacija i terminacija.

obrada i transport. U procesu sinteze RNK prolazi kroz promjene, zbog čega se pretvara u zrelu molekulu pogodnu za sintezu proteina. Rezultirajuća glasnička RNA (mRNA) zatim ulazi u ribosome kao program koji određuje sekvencu aminokiselina u sintetiziranom proteinu.

Aktivacija i prihvaćanje aminokiselina. Proteini se sastoje od aminokiselina, ali slobodne stanične aminokiseline ribosom ne može izravno koristiti. Svaku aminokiselinu prvo aktivira ATP, a zatim se veže za posebnu molekulu RNA – prijenosnu (transportnu) RNA (tRNA) izvan ribosoma. Rezultirajuća aminoacil-tRNA ulazi u ribosom kao supstrat za sintezu proteina.

Emitiranje. Tok informacija u obliku mRNA i tok materijala u obliku aminoacil-tRNA ulaze u ribosome, koji prevode (prevode) genetičku informaciju s jezika slijeda nukleotida mRNA na jezik aminokiseline. Svaki ribosom se kreće duž mRNA od jednog kraja do drugog i, sukladno tome, odabire iz okoline one aminoacil-tRNA koje odgovaraju (komplementarne) kombinacijama tripleta nukleotida koji se trenutno nalaze u ribosomu. Aminokiselinski ostatak odabrane aminoacil-tRNA ribosom je svaki put kovalentno vezan za rastući polipeptidni lanac, a deacilirana tRNA otpušta se iz ribosoma u otopinu. Tako se sekvencijalno gradi polipeptidni lanac.

Stvaranje funkcionalnog proteina. Tijekom sinteze, polipeptidni lanac se oslobađa iz ribosoma i savija u globulu. Savijanje i transport proteina popraćeni su enzimskim modifikacijama (prerada proteina).

Unatoč velikoj složenosti aparata za biosintezu proteina, ona se odvija izuzetno velikom brzinom. Sinteza tisuća različitih proteina u svakoj stanici je strogo uređena - pod određenim metaboličkim uvjetima sintetizira se samo potreban broj molekula svakog proteina.

Najvažnije funkcije tijela - metabolizam, rast, razvoj, prijenos nasljeđa, kretanje itd. - odvijaju se kao rezultat mnogih kemijskih reakcija u kojima sudjeluju proteini, nukleinske kiseline i druge biološki aktivne tvari. Istodobno se u stanicama kontinuirano sintetiziraju različiti spojevi: građevni proteini, enzimski proteini, hormoni. Tijekom razmjene te se tvari troše i uništavaju, a na njihovom mjestu nastaju nove. Budući da proteini stvaraju materijalnu osnovu života i ubrzavaju sve metaboličke reakcije, vitalna aktivnost stanice i organizma u cjelini određena je sposobnošću stanica da sintetiziraju specifične proteine. Njihova primarna struktura unaprijed je određena genetskim kodom u molekuli DNK.

Proteinske molekule sastoje se od desetaka i stotina aminokiselina (točnije od aminokiselinskih ostataka). Primjerice, u molekuli hemoglobina ima ih oko 600, a raspoređeni su u četiri polipeptidna lanca; u molekuli ribonukleaze postoje 124 takve aminokiseline itd.

Molekule igraju glavnu ulogu u određivanju primarne strukture proteina DNK. Njegovi različiti dijelovi kodiraju sintezu različitih proteina, stoga je jedna molekula DNA uključena u sintezu mnogih pojedinačnih proteina. Svojstva proteina ovise o redoslijedu aminokiselina u polipeptidnom lancu. S druge strane, izmjena aminokiselina određena je slijedom nukleotida u DNK, a svaka aminokiselina odgovara određenom tripletu. Eksperimentalno je dokazano da npr. regija DNA s AAC tripletom odgovara aminokiselini leucin, ACC triplet odgovara triptofanu, ACA triplet odgovara cisteinu itd. Dijeleći molekulu DNA na triplete, može se zamisliti koje će se aminokiseline i kojim slijedom nalaziti u molekuli proteina. Skup tripleta čini materijalnu osnovu gena, a svaki gen sadrži informaciju o strukturi određenog proteina (gen je osnovna biološka jedinica nasljeđa; u kemijskom smislu gen je segment DNK koji uključuje nekoliko stotina baza parovi).

genetski kod - povijesna organizacija molekula DNA i RNA, u kojoj slijed nukleotida u njima nosi informaciju o slijedu aminokiselina u proteinskim molekulama. Svojstva koda: triplet (kodon), nepreklapanje (kodoni slijede jedan za drugim), specifičnost (jedan kodon može odrediti samo jednu aminokiselinu u polipeptidnom lancu), univerzalnost (u svih živih organizama isti kodon određuje uključivanje iste aminokiseline u polipeptid), redundantnost (za većinu aminokiselina postoji nekoliko kodona). Tripleti koji ne nose informacije o aminokiselinama su stop tripleti, koji označavaju početak sinteze i-RNA.(V.B. Zakharov. Biologija. Referentni materijali. M., 1997.)

Budući da se DNA nalazi u jezgri stanice, a sinteza proteina odvija se u citoplazmi, postoji posrednik koji prenosi informacije od DNA do ribosoma. Kao takav posrednik služi i RNA, na koju se prepisuje slijed nukleotida, točno u skladu s onim na DNA - po principu komplementarnosti. Ovaj proces je nazvan transkripcije i odvija se kao reakcija sinteze matrice. Karakterističan je samo za žive strukture i u osnovi je najvažnijeg svojstva živih bića - samoreprodukcije. Biosintezi proteina prethodi templatna sinteza mRNA na DNA lancima. Nastala mRNA izlazi iz stanične jezgre u citoplazmu, gdje su na nju nanizani ribosomi, a ovdje se uz pomoć TRJK dopremaju aminokiseline.

Sinteza proteina složen je višefazni proces koji uključuje DNA, mRNA, tRNA, ribosome, ATP i razne enzime. Najprije se aminokiseline u citoplazmi aktiviraju enzimima i pričvršćuju na tRNA (na mjesto gdje se nalazi CCA nukleotid). Sljedeći korak je kombinacija aminokiselina redoslijedom kojim se izmjena nukleotida iz DNA prenosi na mRNA. Ova faza se zove emitirati. Na lancu mRNA nije smješten jedan ribosom, već njihova skupina - takav kompleks naziva se polisom (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. Biologija za pripremne odjele medicinskih instituta).

Shema Biosinteza proteina

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

I. Transkripcija (prepisivanje) - biosinteza molekula RNA, koja se provodi u kromosomima na molekulama DNA prema principu matrične sinteze. Uz pomoć enzima sintetiziraju se sve vrste RNA (mRNA, rRNA, tRNA) na odgovarajućim dijelovima molekule DNA (geni). Sintetizira se 20 varijanti tRNA, jer 20 aminokiselina sudjeluje u biosintezi proteina. Zatim mRNA i tRNA izlaze u citoplazmu, rRNA se integrira u podjedinice ribosoma, koje također izlaze u citoplazmu.

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

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

2. Prijevoz aminokiselina vezanih na tRNA iz citoplazme u PCR. U aktivnom centru A antikodon tRNA čita se s kodonom mRNA, u slučaju komplementarnosti dolazi do veze koja služi kao signal za napredovanje (skok) duž mRNA ribosoma za jedan triplet. Kao rezultat toga, kompleks "kodon rRNA i tRNA s aminokiselinom" pomiče se u aktivno središte P, gdje je aminokiselina vezana za peptidni lanac (molekula proteina). TRNA tada napušta ribosom.

3. Peptidni lanac se produljuje sve dok translacija ne završi i ribosom ne odskoči s mRNA. Nekoliko ribosoma (polisoma) može stati na jednu mRNA u isto vrijeme. Polipeptidni lanac je uronjen u kanal endoplazmatskog retikuluma i tamo dobiva sekundarnu, tercijarnu ili kvaternarnu strukturu. Brzina sastavljanja jedne proteinske molekule, koja se sastoji od 200-300 aminokiselina, je 1-2 minute. Formula biosinteze proteina: DNA (transkripcija) --> RNA (translacija) --> protein.

Nakon završetka jednog ciklusa, polisomi mogu sudjelovati u sintezi novih proteinskih molekula.

Molekula proteina odvojena od ribosoma ima oblik niti koja je biološki neaktivna. Biološki funkcionalna postaje nakon što molekula dobije sekundarnu, tercijarnu i kvarternu strukturu, odnosno određenu prostorno specifičnu konfiguraciju. Sekundarne i naknadne strukture proteinske molekule unaprijed su određene u informacijama ugrađenim u alternaciju aminokiselina, tj. u primarnu strukturu proteina. Drugim riječima, program formiranja globule, njezina jedinstvena konfiguracija, određena je primarnom strukturom molekule, koja se pak gradi pod kontrolom odgovarajućeg gena.

Brzina sinteze proteina određena je mnogim čimbenicima: temperaturom okoliša, koncentracijom vodikovih iona, količinom finalni proizvod sinteza, prisutnost slobodnih aminokiselina, iona magnezija, stanje ribosoma itd.

Pročitajte također