Proteinele joacă un rol foarte important în viața organismelor, îndeplinesc funcții de protecție, structurale, hormonale, energetice. Oferă creșterea țesutului muscular și osos. Proteinele informează despre structura celulei, despre funcțiile și proprietățile biochimice ale acesteia, fac parte din elementele valoroase, benefic pentru organism alimente (ouă, produse lactate, pește, nuci, leguminoase, secară și grâu). Digestibilitatea unui astfel de aliment se explică prin valoarea biologică. Cu un indicator egal al cantității de proteine, va fi mai ușor să digerați produsul a cărui valoare este mai mare. Polimerii defecte trebuie îndepărtați din corp și înlocuiți cu alții noi. Acest proces are loc în timpul sintezei proteinelor în celule.

Ce sunt proteinele

Substanțele care constau numai din reziduuri de aminoacizi sunt numite proteine simple (proteine). Dacă este necesar, proprietatea lor energetică este folosită, prin urmare, oamenii conducând stil de viata sanatos viață, adesea este nevoie de un aport suplimentar de proteine. Proteinele complexe, proteinele, sunt compuse dintr-o proteină simplă și o parte neproteică. Zece aminoacizi dintr-o proteină sunt esențiali, ceea ce înseamnă că organismul nu îi poate sintetiza singur, ei provin din alimente, în timp ce ceilalți zece sunt neesențiali, adică pot fi creați din alți aminoacizi. Așa începe procesul, vital pentru toate organismele.

Principalele etape ale biosintezei: de unde provin proteinele

Molecule noi sunt luate ca rezultat al biosintezei - o reacție chimică a unui compus. Există două etape principale în sinteza proteinelor într-o celulă. Aceasta este transcriere și traducere. Transcrierea are loc în nucleu. Aceasta este o citire de la ADN (acid dezoxiribonucleic), care transportă informații despre viitoarea proteină, la ARN (acid ribonucleic), care transferă această informație de la ADN în citoplasmă. Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că ADN-ul nu participă în mod direct la biosinteză, ci doar purtând informații, neputând pătrunde în citoplasmă unde este sintetizată proteina și îndeplinind doar funcția de purtător de informații genetice. Transcripția, pe de altă parte, face posibilă citirea datelor dintr-un șablon ADN în ARN conform principiului complementarității.

Rolul ARN-ului și ADN-ului în proces

Deci, începe sinteza proteinelor în celule printr-un lanț de ADN care poartă informații despre o anumită proteină și se numește genă. Lanțul de ADN se desfășoară în timpul transcripției, adică helixul său începe să se dezintegreze într-o moleculă liniară. Din ADN informațiile trebuie convertite în ARN. În acest proces, adenina ar trebui să devină opusă timinei. Citozina are guanina ca pereche, la fel ca ADN-ul. Opus adeninei, ARN-ul devine uracil, deoarece în ARN nu există o astfel de nucleotidă precum timina, ea este înlocuită pur și simplu de o nucleotidă uracil. Citozina este adiacentă guaninei. Opus adeninei este uracil, iar asociat cu timina este adenina. Aceste molecule de ARN care stau vizavi se numesc ARN mesager (ARNm). Ei sunt capabili să iasă din nucleu prin pori în citoplasmă și ribozomi, care, de fapt, îndeplinesc funcția de sinteză a proteinelor în celule.

Despre complex în cuvinte simple

Acum, se face asamblarea secvențelor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic al proteinei. Transcripția poate fi numită citirea informațiilor despre viitoarea proteină din șablonul ADN în ARN. Aceasta poate fi definită ca prima etapă. După ce ARN-ul părăsește nucleul, trebuie să ajungă la ribozomi, unde are loc a doua etapă, numită translație.

Translația este deja tranziția ARN-ului, adică transferul de informații de la nucleotide la o moleculă de proteină, atunci când ARN-ul spune ce secvență de aminoacizi ar trebui să fie în substanță. În această ordine, ARN-ul mesager intră în citoplasmă la ribozomi care sintetizează proteine în celulă: A (adenină) - G (guanină) - U (uracil) - C (citozină) - U (uracil) - A (adenină).

De ce sunt necesari ribozomii?

Pentru ca translația să aibă loc și să rezulte o proteină, sunt necesare componente cum ar fi ARN-ul mesager în sine, ARN-ul de transfer și ribozomii ca o „fabrică” în care este produsă proteina. În acest caz, funcționează două tipuri de ARN: informațional, care s-a format în nucleu cu ADN, și transport. A doua moleculă de acid arată ca un trifoi. Acest „trifoi” atașează un aminoacid la sine și îl transportă la ribozomi. Adică efectuează transport compusi organici direct la „fabrica” educaţiei lor.

Cum funcționează ARNr-ul

Există, de asemenea, ARN-uri ribozomale care fac parte din ribozom însuși și realizează sinteza proteinelor în celulă. Se pare că ribozomii sunt structuri non-membranare, nu au cochilii, cum ar fi nucleul sau reticulul endoplasmatic, ci pur și simplu constau din proteine și ARN ribozomal. Ce se întâmplă când o secvență de nucleotide, adică ARN mesager, ajunge la ribozomi?

ARN-ul de transfer, care se află în citoplasmă, trage aminoacizii spre sine. De unde provin aminoacizii din celulă? Și se formează din cauza defalcării proteinelor care sunt ingerate cu alimente. Acești compuși sunt transportați de fluxul sanguin către celule, unde sunt produse proteinele necesare organismului.

Etapa finală în sinteza proteinelor în celule

Aminoacizii înoată în citoplasmă în același mod ca ARN-urile de transfer, iar atunci când asamblarea lanțului polipeptidic are loc direct, acești ARN-uri de transfer încep să se conecteze cu ei. Cu toate acestea, nu în orice secvență și nici ARN de transfer nu se poate combina cu toate tipurile de aminoacizi. Există un loc specific de care este atașat aminoacidul necesar. Al doilea segment al ARN-ului de transfer se numește anticodon. Acest element constă din trei nucleotide care sunt complementare secvenței de nucleotide din ARN-ul mesager. Un aminoacid necesită trei nucleotide. De exemplu, orice proteină condiționată constă, pentru simplitate, doar din doi aminoacizi. Evident, majoritatea proteinelor au o structură foarte lungă, constând din mulți aminoacizi. Lanțul A - G - Y se numește triplet, sau codon, acesta va fi unit prin transfer de ARN sub formă de trifoi, la capătul căruia va fi un anumit aminoacid. Următorul triplet C-U-A va fi alăturat de un alt ARNt, care va conține un aminoacid complet diferit complementar acestei secvențe. În această ordine, va avea loc o asamblare suplimentară a lanțului polipeptidic.

Semnificația biologică a sintezei

Intre cei doi aminoacizi situati la capetele "trifoiilor" fiecarui triplet se formeaza o legatura peptidica. În această etapă, ARN-ul de transfer intră în citoplasmă. Apoi următorul ARN de transport cu un alt aminoacid se alătură tripleților, care formează un lanț polipeptidic cu cei doi anteriori. Acest proces se repetă până când se ajunge la secvența necesară de aminoacizi. Astfel, în celulă are loc sinteza proteinelor și se formează enzime, hormoni, substanțe din sânge etc.. Nu fiecare celulă produce vreo proteină. Fiecare celulă poate forma o proteină specifică. De exemplu, hemoglobina se va forma în eritrocite, iar hormonii și diverse enzime vor fi sintetizate de celulele pancreatice care descompun alimentele care intră în organism.

Proteinele actină și miozina se vor forma în mușchi. După cum se poate observa, procesul de sinteză a proteinelor în celule este în mai multe etape și complex, ceea ce indică importanța și necesitatea acestuia pentru toate ființele vii.

Biosinteza proteinelor în celule este o secvență de reacții de tip matrice, în timpul cărora transferul succesiv de informații ereditare de la un tip de moleculă la altul duce la formarea de polipeptide cu o structură determinată genetic.

Biosinteza proteinelor este etapa inițială a realizării sau exprimării informațiilor genetice. Principalele procese matriceale care asigură biosinteza proteinelor sunt transcripția ADN-ului și traducerea ARNm. Transcrierea ADN-ului constă în rescrierea informațiilor din ADN în ARNm (mesager sau ARN mesager). Traducerea ARNm este transferul de informații de la ARNm la o polipeptidă. Secvența reacțiilor matricei în biosinteza proteinelor poate fi reprezentată sub formă de diagramă.

catenă de ADN netranscrisă

catenă de ADN transcrisă

transcrierea ADN-ului

codoni ARNm

traducerea ARNm

anticodoni ARNt

aminoacizi proteici

metionină

Diagrama arată că informația genetică despre structura unei proteine este stocată ca o secvență de tripleți ADN. În acest caz, doar unul dintre lanțurile de ADN servește ca șablon pentru transcripție (un astfel de lanț se numește transcris). A doua catenă este complementară catenei transcrise și nu este implicată în sinteza ARNm.

Molecula de ARNm servește ca șablon pentru sinteza polipeptidelor pe ribozomi. Tripleții ARNm care codifică un anumit aminoacid se numesc codoni. Translația este efectuată de molecule de ARNt. Fiecare moleculă de ARNt conține un anticodon, un triplet de recunoaștere în care secvența de nucleotide este complementară unui codon de ARNm specific. Fiecare moleculă de ARNt este capabilă să transporte un aminoacid strict definit. Combinația de ARNt cu un aminoacid se numește aminoacil-ARNt.

Molecula de ARNt în conformația generală seamănă cu o frunză de trifoi pe un pețiol. „Vârful frunzei” poartă anticodonul. Există 61 de tipuri de ARNt cu anticodoni diferiți. Un aminoacid este atașat de „pețiolul frunzei” (există 20 de aminoacizi implicați în sinteza polipeptidei pe ribozomi). Fiecare moleculă de ARNt cu un anumit anticodon corespunde unui aminoacid strict definit. În același timp, un anumit aminoacid corespunde de obicei mai multor tipuri de ARNt cu anticodoni diferiți. Aminoacidul se atașează covalent de ARNt cu ajutorul enzimelor - aminoacil-ARNt sintetaze. Această reacție se numește aminoacilare ARNt.

Pe ribozomi, anticodonul moleculei de aminoacil-ARNt corespunzătoare este atașat la un codon ARNm specific cu ajutorul unei proteine specifice. Această legare a ARNm și aminoacil-ARNt se numește dependentă de codon. Pe ribozomi, aminoacizii sunt interconectați folosind legături peptidice, iar moleculele de ARNt eliberate merg în căutarea aminoacizilor liberi.

Să luăm în considerare mai detaliat principalele etape ale biosintezei proteinelor.

Etapa 1. transcrierea ADN-ului. Pe catena de ADN transcrisă, o catenă de ARNm complementară este completată utilizând ARN polimerază dependentă de ADN. Molecula de ARNm este o copie exactă a lanțului de ADN netranscris, cu diferența că în loc de dezoxiribonucleotide conține ribonucleotide, care includ uracil în loc de timină.

Etapa 2. Procesarea (maturarea) ARNm. Molecula de ARNm sintetizată (transcrierea primară) suferă transformări suplimentare. În cele mai multe cazuri, molecula originală de ARNm este tăiată în fragmente separate. Unele fragmente - introni - sunt clivate la nucleotide, în timp ce altele - exoni - sunt fuzionate în ARNm matur. Procesul de conectare a exonilor „fără noduri” se numește îmbinare.

Splicing-ul este caracteristic eucariotelor și arheobacteriilor, dar uneori apare și la procariote. Există mai multe tipuri de îmbinare. Esența splicing-ului alternativ este că aceleași regiuni ale ARNm-ului original pot fi atât introni, cât și exoni. Apoi, una și aceeași regiune ADN corespunde mai multor tipuri de ARNm matur și, în consecință, mai multor forme diferite ale aceleiași proteine. Esența splicing-ului trans este unirea exonilor codificați de diferite gene (uneori chiar de la diferiți cromozomi) într-o moleculă matură de ARNm.

Etapa 3. traducerea ARNm. Translația (ca toate procesele matriceale) include trei etape: inițiere (început), alungire (continuare) și terminare (sfârșit).

Iniţiere. Esența inițierii este formarea unei legături peptidice între primii doi aminoacizi ai polipeptidei.

Inițial, se formează un complex de inițiere, care include: o subunitate mică a ribozomului, proteine specifice (factori de inițiere) și un inițiator special de ARNt de metionină cu aminoacidul metionină - Met-tRNAMet. Complexul de inițiere recunoaște începutul ARNm, se atașează de acesta și alunecă până la punctul de inițiere (început) biosintezei proteinelor: în cele mai multe cazuri, acesta este codonul de început AUG. Între codonul de început al ARNm și anticodonul ARNt de metionină are loc legarea dependentă de codon cu formarea legăturilor de hidrogen. Apoi este atașată subunitatea mare a ribozomului.

Când subunitățile se combină, se formează un ribozom complet, care poartă doi centri activi (situsuri): situsul A (aminoacil, care servește la atașarea aminoacil-ARNt) și situsul P (peptidil transferaza, care servește la formarea unei legături peptidice între aminoacizi).

Inițial, Met-tRNAMet este situat în site-ul A, dar apoi se mută în site-ul P. Situl A eliberat primește aminoacil-ARNt cu un anticodon care este complementar codonului ARNm care urmează codonului AUG. În exemplul nostru, acesta este Gly-tRNAGly cu anticodonul CCG, care este complementar codonului GHC. Ca rezultat al legării dependente de codon, se formează legături de hidrogen între codonul ARNm și anticodonul aminoacil-ARNt. Astfel, doi aminoacizi sunt adiacenți ribozomului, între care se formează o legătură peptidică. Legătura covalentă dintre primul aminoacid (metionină) și ARNt-ul său este ruptă.

După formarea unei legături peptidice între primii doi aminoacizi, ribozomul se deplasează cu un triplet. Ca rezultat, translocarea (mișcarea) metioninei tRNAMet de inițiere are loc în afara ribozomului. Legătura de hidrogen dintre codonul de start și anticodonul ARNt inițiator este ruptă. Ca rezultat, tRNAMet liber este scindat și pleacă în căutarea aminoacidului său.

Al doilea ARNt, împreună cu aminoacidul (în exemplul nostru, Gly-tRNAGly), ca urmare a translocării, ajunge în situsul P, iar situsul A este eliberat.

Elongaţie. Esența alungirii este adăugarea de aminoacizi ulterioare, adică extinderea lanțului polipeptidic. Ciclul de lucru al ribozomului în timpul alungirii constă din trei etape: legarea dependentă de codon a ARNm și aminoacil-ARNt la situsul A, formarea unei legături peptidice între aminoacid și lanțul polipeptidic în creștere și translocarea cu eliberarea Un site.

Site-ul A vacant primește aminoacil-ARNt cu un anticodon corespunzător următorului codon ARNm (în exemplul nostru, acesta este Tir-tRNKTir cu anticodonul AUA, care este complementar codonului UAU).

Pe ribozom, doi aminoacizi sunt unul lângă altul, între care se formează o legătură peptidică. Legătura dintre aminoacidul anterior și ARNt-ul său (în exemplul nostru, între glicină și tRNAGly) este întreruptă.

Apoi, ribozomul se mișcă încă un triplet și, ca urmare a translocării, ARNt care a fost în situsul P (în exemplul nostru, tRNAgli) se află în afara ribozomului și este scindat din ARNm. Site-ul A este eliberat și ciclul ribozomului începe din nou.

Încetarea. Constă în finalizarea sintezei lanțului polipeptidic.

În cele din urmă, ribozomul ajunge la un codon ARNm cu care niciun ARNt (și niciun aminoacid) nu se potrivește. Există trei astfel de codoni fără sens: UAA („ocru”), UAG („chihlimbar”), UGA („opal”). La acești codoni ARNm, ciclul de lucru al ribozomului este întrerupt și creșterea polipeptidei se oprește. Ribozomul, sub influența anumitor proteine, este din nou împărțit în subunități.

Modificarea proteinelor. De regulă, polipeptida sintetizată suferă transformări chimice ulterioare. Molecula originală poate fi tăiată în fragmente separate; apoi unele fragmente sunt reticulate, altele sunt hidrolizate la aminoacizi. Proteine simple se poate combina cu o mare varietate de substanțe, formând glicoproteine, lipoproteine, metaloproteine, cromoproteine și alte proteine complexe. În plus, aminoacizii aflați deja în compoziția polipeptidei pot suferi transformări chimice. De exemplu, aminoacidul prolina, care face parte din proteina procolagen, este oxidat la hidroxiprolină. Ca rezultat, colagenul este format din procolagen - componenta proteică principală a țesutului conjunctiv.

Reacțiile de modificare a proteinelor nu sunt reacții de tip matrice. Astfel de reacții biochimice sunt numite treptat.

Energia biosintezei proteinelor. Biosinteza proteinelor este un proces foarte consumator de energie. Aminoacilarea ARNt consumă energia unei legături molecule de ATP, cu legarea dependentă de codon a aminoacil-ARNt - energia unei legături a moleculei GTP, când ribozomul mișcă un triplet - energia unei legături a altei molecule GTP. Ca rezultat, se consumă aproximativ 90 kJ/mol pentru atașarea unui aminoacid la un lanț polipeptidic. Hidroliza legăturii peptidice eliberează doar 2 kJ/mol. Astfel, în timpul biosintezei, cea mai mare parte a energiei este pierdută iremediabil (disipată sub formă de căldură).

Codul genetic, principalele sale proprietăți

În timpul reacțiilor sinteza matriceală pe baza codului genetic se sintetizează o polipeptidă cu o structură determinată ereditar. Un segment de ADN care conține informații despre structura unei anumite polipeptide se numește genă.

In orice caz, gena - aceasta nu este doar o secțiune a ADN-ului, ci o unitate de informații ereditare, al cărei purtător sunt acizii nucleici. S-a stabilit că gena are o structură complexă.

În cele mai multe cazuri, regiunile de codificare (exoni) sunt separate de regiuni necodificatoare (introni). În același timp, datorită îmbinării alternative, împărțirea unui segment de ADN în codificare și necodificare se dovedește a fi condiționată. Unele secțiuni ale ADN-ului se pot mișca unele față de altele - sunt numite elemente genetice mobile (MGE). Multe gene sunt reprezentate de mai multe copii - apoi aceeași proteină este codificată de diferite secțiuni de ADN. Informația genetică a virușilor este și mai dificil de codificat. Multe dintre ele au gene care se suprapun: aceeași bucată de ADN poate fi transcrisă din puncte de plecare diferite.

Procesul de exprimare a genelor este flexibil: mai multe polipeptide pot corespunde unei singure bucăți de ADN; o polipeptidă poate fi codificată de diferite regiuni ale ADN-ului. Modificarea finală a proteinelor are loc cu ajutorul enzimelor care sunt codificate de diferite secțiuni ale ADN-ului.

Proprietățile generale ale codului genetic

Reflectarea unor obiecte cu ajutorul altora se numește codificare. Reflectarea structurii proteinelor sub formă de tripleți ADN se numește codul ADN sau codul genetic. Datorită codului genetic, se stabilește o corespondență unu-la-unu între secvențele de nucleotide. acizi nucleiciși aminoacizii care alcătuiesc proteinele. Codul genetic are următoarele proprietăți principale:

1. Codul genetic este triplet: fiecare aminoacid este codificat de un triplet de nucleotide ADN și tripletul corespunzător de ARNm. În același timp, codonii nu sunt separați unul de celălalt în niciun fel (nu există „virgule”).

2. Codul genetic este redundant (degenerat): aproape toți aminoacizii pot fi codificați de codoni diferiți. Doar doi aminoacizi îi corespund fiecărui codon: metionină (AUG) și triptofan (UGG). Dar leucina, serina și arginina corespund la 6 codoni diferiți.

3. Codul genetic nu se suprapune: fiecare pereche de nucleotide aparține unui singur codon (excepții se găsesc la virusuri).

4. Codul genetic este același pentru marea majoritate a sistemelor biologice. Cu toate acestea, există excepții, de exemplu, în ciliați și în mitocondriile diferitelor organisme. Prin urmare, codul genetic este numit cvasi-universal.

Biosinteza proteinelor (polipeptide) este un proces extrem de complex și uimitor. Biosinteza proteinelor are loc în mod activ în toate organele și țesuturile, cu excepția eritrocitelor. Multe celule sintetizează proteine pentru „export” (celule ale ficatului, pancreasului), iar în acest caz ele conțin foarte multe număr mare ribozom. Într-o celulă animală, numărul de ribozomi ajunge la 105, diametrul ribozomului este de 20 nm.

Procesul de sinteză a proteinelor are loc în interiorul celulelor de pe suprafața ribozomilor, care sunt complexe a două subunități cu o constantă de sedimentare de 60S și 40S, funcționând ca un singur întreg. Ribozomul conține 30-35% proteine și 65-70% ARN ribozomal. Ribozomul are regiuni aminoacil și peptidil. Primul servește la fixarea complexului de aminoacid activ și ARNt care intră în ribozom, iar al doilea fixează lanțul polipeptidic asociat cu un alt ARNt. Subunitățile ribozomilor sunt sintetizate în nucleolul nucleului pe un șablon de ADN.

Esența procesului de sinteză a proteinelor este schema:

Sistemul de sinteză a proteinelor include ribozomi, acizi nucleici, un set de 20 de aminoacizi, diverse enzime, ATP, GTP, ioni de magneziu și aproximativ 200 de factori proteici necatalitici diferiți.

O moleculă de proteină este un lanț lung de reziduuri de aminoacizi, cu o medie de 100 până la 500 de aminoacizi. Programul de sinteză pentru fiecare proteină este stocat într-o moleculă de acid dezoxiribonucleic (ADN). Molecula de ADN este un polimer ai cărui monomeri sunt nucleotide. Secvența bazelor azotate dintr-o moleculă de ADN determină secvența de aminoacizi dintr-o moleculă de proteină.

Există patru tipuri de baze azotate într-o moleculă de ADN: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T). O secvență de trei baze (un triplet) formează un codon, care corespunde unui aminoacid specific.

Acizii nucleici - ADN și ARN - sunt componente esențiale ale biosintezei proteinelor. ADN-ul este responsabil de stocarea informațiilor genetice, în timp ce ARN-ul determină transmiterea și implementarea acestei informații sub formă de molecule de proteine. Se poate susține că funcția principală a ADN-ului este păstrarea genotipului, iar ARN-ul este expresia acestui genotip.

În termeni cantitativi, ARN-ul ribozomal (ARNr) predomină în celulă. ARNr are secțiuni elicoidale și conține nucleotide modificate (de exemplu, 2-metilriboză). ARNr reprezintă aproximativ 80% din total ARN în celulă. Al doilea tip de ARN din celulă este ARN de transfer (ARNt), care, la fel ca toate celelalte tipuri de ARN, este sintetizat în nucleu. Reprezintă 10-15% din cantitatea totală de ARN din celulă. Au fost identificate peste 60 de ARNt diferite. Prin urmare, există mai multe ARNt diferite pentru transportul aminoacizilor individuali. Pentru fiecare aminoacid dintr-o celulă, există cel puțin un ARNt specific. Moleculele de ARNt sunt relativ mici. Structura lor conține 75-93 de ribonucleotide.

Aminoacidul este atașat de gruparea 3-OH liberă a mononucleotidei ARNt terminale, care este întotdeauna reprezentată de acid adenilic. ARNt are și un alt situs important - un anticodon, cu ajutorul căruia complexul de aminoacizi și ARNt recunoaște o anumită secvență de trei nucleotide în ARN mesager (codon). Antidonul și codonul sunt legați complementar prin legături de hidrogen.

Dacă purtătorul de informații ereditare într-o celulă este ADN-ul, care este concentrat în nucleu, dar sinteza proteinelor are loc în citoplasmă, atunci, prin urmare, trebuie să existe un anumit mediator care să transmită această informație către citoplasma celulei. Acest mediator s-a dovedit a fi mesager sau ARN mesager (ARNm). ARNm reprezintă 2% din cantitatea totală de ARN dintr-o celulă. Moleculele de ARNm sunt cele mai lungi (cuprind până la 5 mii de nucleotide). ARNm conține, de asemenea, patru tipuri de baze azotate. Dintre acestea, trei (A, G, C) sunt la fel ca în ADN, iar al patrulea este uracil.

Informația codificată în ARNm este necesară pentru sinteza unei molecule de proteine, care apare pe ribozomi. Sinteza ARNm în nucleul celulei este foarte rapidă, ceea ce este necesar pentru biosinteza activă a moleculelor de proteine. ARNm se formează pe una dintre catenele de ADN ale nucleului. În acest caz, structura dublu catenară a ADN-ului se desfășoară și, cu participarea ARN polimerazei dependente de ADN, în conformitate cu principiul complementarității, are loc sinteza ARNm:

schema de sinteză a ARNm

Principiul complementarității înseamnă că adenina de pe helixul ADN corespunde ARNm-ului uracil, timină cu adenină și guanină cu citozină. Prin urmare, ARNm citește informațiile din ADN.

Etapa ADN -» ARN determină astfel sinteza unei molecule de ARNm în care secvența de nucleotide este complementară cu o anumită regiune ADN (genă). Acest proces se numește transcripție. ARNm intră apoi în ribozom, combinându-se cu subunitățile sale. O moleculă de ARNm este fixată pe mulți ribozomi în același timp, formând așa-numiții polizomi. Prezența polizomilor crește eficiența și viteza de utilizare a ARNm.

Sinteza unui lanț polipeptidic cu o anumită compoziție are loc pe un șablon de ARNm. Procesul de transfer de informații de la ARNm la proteină se numește traducere. Etapa ARN -> proteină reprezintă procesul de sinteză a proteinelor dirijat de ARNm. Astfel, transferul de informații merge întotdeauna în direcția ADN -» ARN -» proteine.

Procesul de traducere include următorii pași:

1) activarea aminoacizilor și fixarea lor pe ARNt;
2) iniţierea sintezei lanţului polipeptidic;
3) alungirea lanţului polipeptidic sintetizat;
4) terminarea lanțului polipeptidic și eliberarea acestuia;
5) modificarea post-translațională a lanțului polipeptidic.
1. Activarea aminoacizilor necesită enzima aminoacil-ARNt sintetaza și consum de energie sub formă de ATP:

Aceeași enzimă este implicată în fixarea aminoacidului activat anterior în poziția 2 sau 3 a ribozei ultimei nucleotide ARNt:

Sub forma acestui complex, aminoacidul este transportat la ribozom, unde este sintetizată molecula proteică. Aminoacil-ARNt sintetaza este specifică; este capabilă să recunoască atât aminoacizii, cât și ARNt. Într-o celulă, așadar, există cel puțin 20 de sintetaze diferite, în funcție de numărul de a-aminoacizi.

2. ARNt legat printr-o legătură ester cu un aminoacid specific pătrunde în ribozom și interacționează cu ARNm în funcție de tipul de complementaritate dintre un triplet specific de nucleotide ARNm, numit codon, și tripletul specific complementar de nucleotide (anticodon) al unui ARNt care poartă un aminoacid specific. Astfel, fiecare codon ARNm corespunde unei fixări specifice a unui aminoacid în lanțul peptidic de către anticodonul ARNt. Ribozomul se deplasează de-a lungul moleculei de ARNm, citind toți codonii secvenţial, stabilind astfel ordinea tuturor aminoacizilor eliberaţi la locul de sinteză.

Sinteza unei molecule de proteine se desfășoară în direcția de la gruparea amino liberă la gruparea carboxil liberă a aminoacidului. De obicei, aminoacidul inițial din sinteza unui lanț polipeptidic este metionina, pentru care secvența de nucleotide a ARNm AUG servește ca codon.

Inițierea sintezei polipeptidelor începe atunci când doi anticodoni ARNt sunt fixați la codonii ARNm corespunzători. Procesul necesită prezența unei surse de energie, care este GTP, precum și participarea unui număr de factori de inițiere a proteinei și peptidil transferază.

Cu participarea acestei enzime, rata de formare legaturi covalente ajunge la 1200 de aminoacizi/min/ribozom.

Schema de inițiere a sintezei polipeptidelor

3. După formarea dipeptidei, ARNt-ul „descărcat” părăsește ribozomul și este capabil să furnizeze noi molecule de aminoacizi, iar ARNm avansează în raport cu ribozom (polizom) cu trei nucleotide. Ca rezultat al mișcării (translocării), un codon liber ocupă o poziție pentru recunoașterea următoarei molecule de ARNt. Prin urmare, în stadiul de alungire, adăugarea secvenţială a unui aminoacid la lanţul polipeptidic are loc în strictă conformitate cu ordinea codonilor moleculei de ARNm.

Un lanț polipeptidic alungit cu o moleculă de ARNt este fixat de subunitatea mare a ribozomului. Adăugarea fiecărui aminoacid suplimentar la lanțul polipeptidic are loc datorită relației dintre gruparea amino a aminoacidului din complexul cu ARNt și gruparea carboxil a peptidei.

4. Terminarea, sau finalizarea sintezei unei molecule de polipeptidă, implică anumiți codoni de terminare „fără sens” și factori de terminare ai proteinei. Sunt cunoscuți trei codoni (UAG, UGA, UAA) care nu codifică, nu leagă niciun aminoacid, deoarece nu există anticodoni ARNt în celulă care să fie complementari acestora. Teoretic, un singur codon „fără sens” recunoscut de polizom în timpul trecerii acestuia în direcția a 5-3 ARNm ar trebui să oprească sinteza unei molecule de proteine.

Prezența unui codon de terminare în orice regiune a ARNm înseamnă sfârșitul sintezei proteinelor. Ca rezultat, polizomul se dezintegrează, ARNm neutilizat este hidrolizat de polinucleotidă fosforilază, iar subunitățile ribozomului sunt pregătite pentru a începe sinteza unei noi molecule de proteine.

ARNm poate participa în mod repetat la procesul de biosinteză a proteinelor. Durata de funcționare a moleculei de ARNm nu este aceeași în diferite organisme. Poate varia de la câteva minute la câteva zile.

5. Doar structura primară a unei proteine este codificată în ADN. Prin urmare, moleculele de proteine sintetizate pe ribozomi nu au încă o stare complet completată. Ele reprezintă polipeptide primare, care suferă apoi numeroase modificări (asociere de monomeri pentru a forma oligomeri, adăugare de coenzime, transformări chimice) care modifică structura proteinelor și, prin urmare, activitatea acestora.

Structurile secundare și terțiare nu sunt codificate, ele sunt determinate de proprietățile structurii primare, ceea ce înseamnă că una sau alta formă a unei molecule proteice depinde de secvența de aminoacizi și de posibilitățile de interacțiune a acestora între ele. Modificările structurale ale proteinelor sintetizate au loc la nivelul ribozomilor sau după terminarea sintezei ca urmare a adăugării diferitelor grup functional.

Schema avută în vedere de transfer de informații în formă

se poate schimba în cazuri individuale. Deci, în virusurile care nu conțin ADN, informațiile sunt încorporate în ARN. Atunci când un virus intră într-o celulă, această informație este transmisă ADN-ului celulei, iar aceasta din urmă sintetizează deja ARNm, pe matricea căreia sunt sintetizate proteinele virale. Un astfel de proces se numește transcriere inversă, iar schema de transfer de informații în acest caz va fi următoarea:

Atâta timp cât secvența nucleotidelor ADN și, în consecință, ARNm este păstrată, natura proteinei nou sintetizate rămâne neschimbată.

Informația genetică necesară pentru sinteza proteinelor poate fi reprezentată în mod similar cu limbajul uman, care constă dintr-o succesiune de litere care formează cuvinte și propoziții. În limbajul genetic, însă, există doar patru litere - patru baze (adenină, guanină, uracil, citozină).

Codul genetic include cuvinte din trei litere. Cele patru baze în acest caz (43) dau 64 de variante (cuvinte), care sunt mai mult decât suficiente pentru a codifica 20 de aminoacizi. Astfel, 64 de codoni alcătuiesc codul genetic (Tabelul 3).

Analiza codului genetic arată că există un număr diferit de codoni pentru diferiți aminoacizi. De exemplu, metionina și triptofanul au un singur codon, în timp ce arginina, leucina și serina au fiecare șase codoni. Prezența mai multor codoni pentru un aminoacid reflectă „degenerarea” codului. În consecință, același aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete de nucleotide din structura sa. În același timp, fiecare triplet corespunde unui aminoacid bine definit în lanțul polipeptidic sintetizat.

Tabelul 3

Cod genetic

nucleotide	A doua nucleotidă	nucleotide
nucleotide		nucleotide

Codul genetic este universal și același pentru toate speciile diferite niveluri dezvoltare (om, animale, plante, microorganisme). Universalitatea codului indică faptul că toate organismele vii din trecut au avut un singur strămoș.

Aminoacizii individuali (hidroxiprolina, oxilizina), de exemplu, nu au un codon și sunt formați folosind reacții chimice după sinteza lanţului polipeptidic. Acest proces se numește modificare post-translațională și este foarte important pentru buna funcționare a fiecărei proteine.

Codonii fără sens (UAA, UAG, UGA) nu codifică aminoacizi, ci servesc de fapt ca un semnal pentru sfârșitul sintezei unei molecule de proteine.

Astfel, ARNm este un purtător direct al informațiilor genetice de la nucleu la ribozomul citoplasmatic. Un ribozom ocupă o regiune de aproximativ 80 de nucleotide în lungime pe ARNm și este capabil să catalizeze aproximativ 100 de legături peptidice pe minut (Severin E. S. și colab., 2011).

Moleculele de proteine sintetizate pot suferi modificări structurale la nivelul ribozomilor sau după terminarea sintezei ca urmare a adăugării diferitelor grupări funcționale. În citoplasmă, ARNm are o perioadă de existență relativ scurtă. Unele ARNm sunt sintetizate și stocate într-o formă inactivă, gata pentru sinteza rapidă a proteinelor. Deoarece informația ARNm este asociată cu o secvență liniară de nucleotide, integritatea acestei secvențe este extrem de importantă. Orice pierdere sau modificare a ordinii nucleotidelor poate altera sinteza proteinelor. Până în prezent, au fost instalați o serie de inhibitori ai replicării ADN-ului în celulele corpului (antibiotice, otrăvuri chimice, medicamente antivirale). Deteriorarea secvenței de baze purinice sau pirimidinice dintr-o genă se numește mutație.

Înlocuirea unei singure nucleotide într-un codon (mutație) duce la o schimbare a codificării unui aminoacid cu altul. De exemplu, o mutație asociată cu înlocuirea acidului glutamic cu valină în molecula de hemoglobină duce la sinteza hemoglobinei, care provoacă anemia secerică. Astăzi, sunt cunoscute peste 200 de mutații ale lanțului polipeptidic al moleculei de hemoglobină umană. Adesea, mutagenii sunt substanțe (nitrozamine, de exemplu) care modifică structura bazelor azotate, ceea ce duce la o schimbare a naturii complementarității bazelor. Iradierea ultravioletă determină condensarea reziduurilor de timină pentru a forma dimeri de timină. Din fericire, animalele sunt protejate de efectele nocive ale razelor ultraviolete de stratul de ozon al atmosferei.

Multe antibiotice folosite în practica veterinară inhibă sinteza proteinelor bacteriene (lincomicina, eritromicină, cloramfenicol) chiar și în stadiul de translație. În acest caz, celula microbiană moare sau își oprește dezvoltarea. Antibioticele precum tetraciclinele nu afectează sinteza ribozomală în celulele animale superioare. Penicilinele nu sunt inhibitori direcți ai sintezei proteinelor, cu toate acestea, efectele lor de inhibare bacteriană sunt asociate cu blocarea sintezei hexapeptidelor din peretele celular. Trebuie remarcat faptul că sinteza proteinelor are loc nu numai pe ribozomi, ci și în mitocondrii. Mitocondriile au un aparat complet și independent de sinteză a proteinelor pentru nevoile lor, deși nu toate proteinele mitocondriale sunt sintetizate în aceste organite. ARN-ul mitocondrial reprezintă doar 3% din totalul ARN-ului celular. Ribozomii mitocondriali sunt mai mici decât cei citoplasmatici. Codonul UGA, ca un terminator al sintezei proteinelor în citoplasmă, este folosit în mitocondrii împreună cu codonul UGG pentru a codifica un aminoacid.

Proteinele sintetizate pe ribozomi nu au încă o stare complet completată. Ele reprezintă polipeptide primare, care suferă apoi numeroase modificări (asociere de monomeri pentru a forma oligomeri, adăugare de coenzime, transformări chimice) care modifică structura proteinei și, prin urmare, activitatea acesteia.

Introducere

Viața este un mod de existență a corpurilor proteice. Această definiție, dată de Friedrich Engels, indică rolul excepțional al proteinelor în funcționarea organismelor. Biosinteza proteinelor este un proces extrem de complex și consumator de energie. Este baza vieții celulare.

Sinteza proteinelor se realizează în ribozomi și are loc în mai multe etape conform schemei proteina ADNARN. O moleculă de ADN dublu catenar este transcrisă într-o moleculă de ARN monocatenar pe baza principiului complementarității. Rezultatul este ARN mesager, care conține informații despre secvența de aminoacizi a proteinei. Apoi, ARNm intră în ribozom și, ca un șablon, o proteină este sintetizată prin intermediul acestuia, prin traducerea informațiilor genetice din limbajul secvenței de nucleotide în limbajul secvenței de aminoacizi. Pas cu pas, se construiește un lanț polipeptidic, care, în timpul și după sinteza, este modificat într-o proteină activă biologic. Proteina sintetizată este transportată în diferite părți ale celulei pentru a-și îndeplini funcțiile.

Codarea secvenței de aminoacizi a proteinelor se realizează după anumite reguli, numite cod genetic. Descifrarea codului genetic este o realizare foarte semnificativă a științei. Codul explică mecanismul sintezei proteinelor, originea mutațiilor și alte fenomene biologice.

Analiza difracției de raze X și altele metode moderne cercetarea a făcut posibilă avansarea mult în studiul biosintezei proteinelor și a altor aspecte biologie moleculara. Cu toate acestea, structurile spațiale ale unor macromolecule de importanță vitală nu au fost încă stabilite. Știința trebuie să răspundă la multe întrebări referitoare la sinteza proteinelor.

Schema generala biosinteza proteinelor

Schema generală a biosintezei proteinelor într-o celulă: proteina DNARNA (Figura 1).

Figura 1. Schema generală a biosintezei proteinelor într-o celulă

Transcriere. Secțiuni separate de ADN dublu catenar (gene) servesc ca șabloane pentru sinteza lanțurilor de ARN monocatenar pe ele conform principiului complementarității. Transcripția are loc în trei etape: inițiere, alungire și terminare.

prelucrare si transport.În procesul de sinteză, ARN-ul suferă modificări, în urma cărora se transformă într-o moleculă matură potrivită pentru sinteza proteinelor. ARN-ul mesager rezultat (ARNm) intră apoi în ribozomi ca un program care determină secvența de aminoacizi din proteina sintetizată.

Activarea și acceptarea aminoacizilor. Proteinele sunt formate din aminoacizi, dar aminoacizii celulelor libere nu pot fi utilizați direct de ribozom. Fiecare aminoacid este mai întâi activat de ATP și apoi atașat la o moleculă specială de ARN - transfer (transport) ARN (ARNt) în afara ribozomului. Aminoacil-ARNt rezultat intră în ribozom ca substrat pentru sinteza proteinelor.

Difuzare. Fluxul de informații sub formă de ARNm și fluxul de material sub formă de aminoacil-ARNt intră în ribozomi, care traduc (traduc) informațiile genetice din limbajul secvenței de nucleotide ARNm în limbajul aminoacidului. Fiecare ribozom se deplasează de-a lungul ARNm de la un capăt la altul și, în consecință, selectează din mediu acele aminoacil-ARNt care corespund (complementare) combinațiilor triplete de nucleotide care se află în prezent în ribozom. Reziduul de aminoacid al aminoacil-ARNt selectat este de fiecare dată atașat covalent de către ribozom la lanțul polipeptidic în creștere, iar tARN-ul deacilat este eliberat din ribozom în soluție. Acesta este modul în care lanțul polipeptidic este construit secvenţial.

Formarea unei proteine funcționale.În timpul sintezei, lanțul polipeptidic este eliberat din ribozom și pliat într-un glob. Plierea și transportul proteinelor sunt însoțite de modificări enzimatice (prelucrarea proteinelor).

În ciuda complexității mari a aparatului de biosinteză a proteinelor, acesta se desfășoară într-un ritm extrem de ridicat. Sinteza a mii de proteine diferite în fiecare celulă este strict ordonată - în condiții metabolice date, este sintetizat doar numărul necesar de molecule ale fiecărei proteine.

Cele mai importante funcții ale organismului - metabolismul, creșterea, dezvoltarea, transmiterea eredității, mișcarea etc. - sunt realizate ca urmare a multor reacții chimice care implică proteine, acizi nucleici și alte substanțe biologic active. În același timp, în celule sunt sintetizați continuu diverși compuși: proteine de construcție, proteine enzimatice, hormoni. În cursul schimbului, aceste substanțe se uzează și sunt distruse, iar în locul lor se formează altele noi. Deoarece proteinele creează baza materială a vieții și accelerează toate reacțiile metabolice, activitatea vitală a celulei și a organismului în ansamblu este determinată de capacitatea celulelor de a sintetiza proteine specifice. Structura lor primară este predeterminată de codul genetic din molecula de ADN.

Moleculele proteice constau din zeci și sute de aminoacizi (mai precis, din reziduuri de aminoacizi). De exemplu, există aproximativ 600 dintre ele într-o moleculă de hemoglobină și sunt distribuite în patru lanțuri polipeptidice; în molecula de ribonuclează există 124 de astfel de aminoacizi etc.

Moleculele joacă rolul principal în determinarea structurii primare a unei proteine ADN. Secțiunile sale diferite codifică sinteza diferitelor proteine, prin urmare, o moleculă de ADN este implicată în sinteza multor proteine individuale. Proprietățile proteinelor depind de secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic. La rândul său, alternanța aminoacizilor este determinată de secvența nucleotidelor din ADN, iar fiecărui aminoacid îi corespunde un anumit triplet. S-a dovedit experimental că, de exemplu, o regiune ADN cu un triplet AAC corespunde aminoacidului leucină, un triplet ACC corespunde triptofanului, un triplet ACA corespunde cisteinei etc. Prin împărțirea moleculei de ADN în tripleți, ne putem imagina ce aminoacizi și în ce secvență vor fi localizați în molecula proteică. Setul de tripleți formează baza materială a genelor și fiecare genă conține informații despre structura unei anumite proteine (o genă este unitatea biologică de bază a eredității; din punct de vedere chimic, o genă este un segment de ADN care include câteva sute de perechi de baze) .

cod genetic - organizarea istorică a moleculelor de ADN și ARN, în care secvența de nucleotide din ele poartă informații despre secvența de aminoacizi din moleculele de proteine. Proprietățile codului: triplet (codon), nesuprapunere (codonii se succed), specificitate (un codon poate determina un singur aminoacid în lanțul polipeptidic), universalitate (în toate organismele vii, același codon determină includerea aceluiași aminoacid în polipeptida), redundanță (pentru majoritatea aminoacizilor există mai mulți codoni). Tripleții care nu poartă informații despre aminoacizi sunt tripleți stop, indicând începutul sintezei i-ARN.(V.B. Zakharov. Biologie. Materiale de referință. M., 1997)

Deoarece ADN-ul este localizat în nucleul celulei, iar sinteza proteinelor are loc în citoplasmă, există un intermediar care transmite informații de la ADN la ribozomi. Ca un astfel de intermediar servește și ARN-ul, căruia îi este rescrisă secvența de nucleotide, exact în conformitate cu cea de pe ADN - după principiul complementarității. Acest proces a fost numit transcrieriși decurge ca o reacție de sinteză a matricei. Este caracteristic doar pentru structurile vii și stă la baza celei mai importante proprietăți a viețuitoarelor - auto-reproducția. Biosinteza proteinelor este precedată de sinteza matriță a ARNm pe catenele de ADN. ARNm rezultat iese din nucleul celulei în citoplasmă, unde ribozomii sunt înșirați pe acesta, iar aminoacizii sunt livrați aici cu ajutorul TRJK.

Sinteza proteinelor este un proces complex în mai multe etape care implică ADN, ARNm, ARNt, ribozomi, ATP și diverse enzime. În primul rând, aminoacizii din citoplasmă sunt activați de enzime și atașați la ARNt (la locul unde se află nucleotida CCA). Următorul pas este combinarea de aminoacizi în ordinea în care alternanța nucleotidelor din ADN este transferată la ARNm. Această etapă se numește difuzat. Nu se află niciun ribozom pe catena ARNm, ci un grup dintre ei - un astfel de complex se numește polizom (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. Biologie pentru departamentele pregătitoare ale institutelor medicale).

Sistem Biosinteza proteinelor

Sinteza proteinelor constă în două etape - transcriere și translație.

I. Transcriere (rescriere) - biosinteza moleculelor de ARN, efectuată în cromozomi pe molecule de ADN după principiul sintezei matricei. Cu ajutorul enzimelor, toate tipurile de ARN (ARNm, ARNr, ARNt) sunt sintetizate la secțiunile corespunzătoare ale moleculei de ADN (gene). Sunt sintetizate 20 de soiuri de ARNt, deoarece 20 de aminoacizi participă la biosinteza proteinelor. Apoi ARNm și ARNt ies în citoplasmă, ARNr este integrat în subunitățile ribozomilor, care ies, de asemenea, în citoplasmă.

II. Translația (transmiterea) - sinteza lanțurilor polipeptidice de proteine, se realizează în ribozomi. Este însoțită de următoarele evenimente:

1. Formarea centrului funcțional al ribozomului - FCR, format din ARNm și două subunități de ribozom. Există întotdeauna două triplete (șase nucleotide) de ARNm în PCR, formând doi centri activi: A (aminoacid) - centrul de recunoaștere a aminoacizilor și P (peptida) - centrul de atașare a aminoacidului la lanțul peptidic.

2. Transportul aminoacizilor atașați la ARNt din citoplasmă la PCR. În centrul activ A, anticodonul ARNt este citit cu codonul ARNm; în cazul complementarității, apare o legătură care servește drept semnal pentru a avansa (sări) de-a lungul ARNm al ribozomului cu un triplet. Ca rezultat, complexul „codon al ARNr și ARNt cu aminoacid” se deplasează în centrul activ al P, unde aminoacidul este atașat de lanțul peptidic (molecula proteică). ARNt părăsește apoi ribozomul.

3. Lanțul peptidic se prelungește până când translația se termină și ribozomul sare de pe ARNm. Mai mulți ribozomi (polizomi) se pot potrivi pe un ARNm în același timp. Lanțul polipeptidic este scufundat în canalul reticulului endoplasmatic și acolo capătă o structură secundară, terțiară sau cuaternară. Viteza de asamblare a unei molecule de proteină, constând din 200-300 de aminoacizi, este de 1-2 minute. Formula de biosinteză a proteinelor: ADN (transcripție) --> ARN (traducere) --> proteină.

După finalizarea unui ciclu, polizomii pot lua parte la sinteza de noi molecule de proteine.

Molecula proteică separată de ribozom are forma unui fir care este biologic inactiv. Ea devine biologic funcțională după ce molecula capătă o structură secundară, terțiară și cuaternară, adică o anumită configurație specifică spațial. Structurile secundare și ulterioare ale unei molecule de proteină sunt predeterminate în informațiile încorporate în alternanța aminoacizilor, adică în structura primară a proteinei. Cu alte cuvinte, programul pentru formarea unui globule, configurația sa unică, este determinat de structura primară a moleculei, care, la rândul său, este construită sub controlul genei corespunzătoare.

Rata sintezei proteinelor este determinată de mulți factori: temperatura mediului, concentrația de ioni de hidrogen, cantitatea produs final sinteza, prezenta aminoacizilor liberi, ionilor de magneziu, starea ribozomilor etc.