sinteza proteina- jedan od glavnih procesa metabolizma u ćeliji. Ovo je matrična sinteza. Za sintezu proteina potrebni su DNK, mRNA, tRNA, rRNA (ribozomi), aminokiseline, enzimi, joni magnezija, energija ATP-a. Glavna uloga u određivanju strukture proteina pripada DNK.

Informacije o sekvenci aminokiselina u molekulu proteina su kodirane u molekulu DNK. Metoda snimanja informacija naziva se kodiranjem. Genetski kod je sistem za snimanje informacija o redosledu aminokiselina u proteinima koristeći sekvencu nukleotida u glasničkoj RNK.

Sastav RNK uključuje 4 tipa nukleotida: A, G, C, U. Sastav proteinskih molekula uključuje 20 aminokiselina. Svaka od 20 aminokiselina je kodirana nizom od 3 nukleotida koji se naziva triplet ili kodon. Od 4 nukleotida mogu se stvoriti 64 različite kombinacije od po 3 nukleotida (4 3 = 64).

Osobine genetskog koda

1. Genetski kod trojka:

2. Kod degenerisati. To znači da je svaka aminokiselina kodirana sa više od jednog kodona (od 2 do 6):

3. Kod nepreklapanje. To znači da su uzastopni kodoni uzastopno raspoređeni tripleti nukleotida:

4. Universal za sve ćelije (ljudske, životinjske, biljne).

5. Specifično. Isti triplet ne može odgovarati nekoliko aminokiselina.

6. Sinteza proteina počinje od početnog (inicijalnog) kodona VAN, koji kodira aminokiselinu metionin.

7. Sinteza proteina završava se jednim od tri stop kodoni, nekodirajuće aminokiseline: UAT, UAA, UTA.

Tabela genetskog koda

Dio DNK koji sadrži informacije o strukturi određenog proteina naziva se gen. Gen nije direktno uključen u sintezu proteina. Messenger RNA (mRNA) je posrednik između gena i proteina. DNK igra ulogu šablona za sintezu mRNA u ćelijskom jezgru. Molekul DNK u genskom dijelu se odmotava. Informacije se zapisuju od jednog od njegovih lanaca do mRNA u skladu sa principom komplementarnosti između azotnih baza nukleinskih kiselina. Ovaj proces se zove transkripcija. Transkripcija se dešava u ćelijskom jezgru uz učešće enzima RNA polimeraze i korišćenjem energije ATP (slika 37).

Rice. 37. Transkripcija.

Sinteza proteina se vrši u citoplazmi na ribosomima, gde mRNA služi kao šablon (slika 38). Prevođenje sekvence nukleotidnih trojki u molekuli mRNA u specifičnu sekvencu aminokiselina naziva se emitovanje. Sintetizirana mRNA izlazi kroz pore u nuklearnoj ovojnici u citoplazmu stanice, spaja se s ribosomima, formirajući poliribosome (polisome). Svaki ribosom se sastoji od dvije podjedinice - velike i male. mRNA se vezuje za malu podjedinicu u prisustvu jona magnezijuma (slika 39).

Rice. 38. Sinteza proteina.

Rice. 39.Glavne strukture uključene u sintezu proteina.

Transfer RNA (tRNA) nalaze se u citoplazmi. Svaka aminokiselina ima svoju tRNA. Molekul tRNA na jednoj od petlji ima triplet nukleotida (antikodon), koji je komplementaran tripletu nukleotida na mRNA (kodon).

Aminokiseline koje se nalaze u citoplazmi se aktiviraju (interaguju sa ATP-om) i uz pomoć enzima aminoacil-tRNA sintetaze vezuju se za tRNA. Prvi (početni) kodon mRNA - AUG - nosi informaciju o aminokiselini metionin (slika 40). Ovom kodonu odgovara molekula tRNA koja sadrži komplementarni antikodon i nosi prvu aminokiselinu metionin. Ovo osigurava vezu velike i male podjedinice ribosoma. Drugi kodon mRNA dodaje tRNA koja sadrži antikodon komplementaran ovom kodonu. tRNA sadrži drugu aminokiselinu. Između prve i druge aminokiseline formira se peptidna veza. Ribosom se povremeno, triplet po triplet, kreće duž mRNA. Prva tRNA se oslobađa i oslobađa u citoplazmu, gdje se može kombinirati sa svojom amino kiselinom.

Kako se ribosom kreće duž mRNA, aminokiseline koje odgovaraju mRNA tripletima i uvezene tRNA se dodaju u polipeptidni lanac (slika 41).

Ribosom "čita" informacije sadržane u mRNA sve dok ne dođe do jednog od tri stop kodona (UAA, UGA, UAG). Polipeptidni lanac

Rice. 40. Sinteza proteina.

ALI- vezujući aminoacil - tRNA;

B- formiranje peptidne veze između metionina i 2. aminokiseline;

AT- kretanje ribozoma jednim kodonom.

napušta ribozom i dobija strukturu karakterističnu za ovaj protein.

Direktna funkcija pojedinačnog gena je da kodira strukturu specifičnog proteina-enzima koji katalizuje jednu biokemijsku reakciju koja se javlja u određenim uvjetima okoline.

Gen (dio DNK) → mRNA → protein-enzim → biohemijska reakcija → nasljedna osobina.

Rice. 41. Broadcast.

Pitanja za samokontrolu

1. Gdje se u ćeliji odvija sinteza proteina?

2. Gdje se bilježe informacije o sintezi proteina?

3. Koja svojstva ima genetski kod?

4. Kojim kodonom počinje sinteza proteina?

5. Koji kodoni završavaju sintezu proteina?

6. Šta je gen?

7. Kako i gdje se vrši transkripcija?

8. Kako se zovu nukleotidni tripleti u molekulu mRNA?

9. Šta se emituje?

10. Kako je amino kiselina vezana za tRNA?

11. Kako se zove triplet nukleotida u molekulu tRNA? 12. Koja aminokiselina obezbjeđuje veliki i

mala podjedinica ribozoma?

13. Kako se formira polipeptidni lanac proteina?

Ključne riječi teme “Sinteza proteina”

azotne baze alanin

amino kiseline

antikodon

proteina

biohemijska reakcija

valine

gen

djelovanje genetskog koda

DNK

zapis informacija o jonima magnezijuma

mRNA

kodiranje

kodon

leucin

matrica

metabolizam

metionin

nasljedna osobina nukleinske kiseline petlja peptidne veze

poliribozomske pore

posrednička sekvenca

princip komplementarnosti ribozoma

rRNA

serine

sinteza

kombinacija

način

struktura

podjedinica

transkripcija

emitovanje

trojka

tRNA

plot

fenilalanin

enzimi

lanac

citoplazma

ATP energija

Svaka oblast nauke ima svoju "plavu pticu"; kibernetičari sanjaju o "mislećim" mašinama, fizičari - o kontrolisanim termonuklearnim reakcijama, hemičari - o sintezi "žive materije" - proteina. Sinteza proteina je dugo bila tema naučnofantastičnih romana, simbol nadolazeće moći hemije. To se objašnjava ogromnom ulogom koju proteini igraju u živom svijetu i poteškoćama s kojima se neizbježno suočavao svaki drznik koji se usudio da od pojedinačnih aminokiselina "sastavi" zamršeni proteinski mozaik. Pa čak ni sam protein, već samo peptidi.

Razlika između proteina i peptida nije samo terminološka, ​​iako su molekularni lanci oba sastavljeni od ostataka aminokiselina. U nekoj fazi, količina se pretvara u kvalitet: peptidni lanac - primarna struktura - stječe sposobnost da se uvija u spirale i kuglice, formirajući sekundarne i tercijarne strukture, već karakteristične za živu materiju. I tada peptid postaje protein. Ovdje nema jasne granice - ne može se staviti oznaka razgraničenja na polimerni lanac: do sada - peptid, odavde - protein. Ali poznato je, na primjer, da je adranokortikotropni hormon, koji se sastoji od 39 aminokiselinskih ostataka, polipeptid, a hormon inzulin, koji se sastoji od 51 ostatka u obliku dva lanca, već je protein. Najjednostavniji, ali ipak protein.

Metodu kombinovanja aminokiselina u peptide otkrio je početkom prošlog veka nemački hemičar Emil Fišer. No, dugo nakon toga, hemičari nisu mogli ozbiljno razmišljati ne samo o sintezi proteina ili 39-članih peptida, već čak ni o mnogo kraćim lancima.

Proces sinteze proteina

Da bi se dvije aminokiseline spojile zajedno, moraju se savladati mnoge poteškoće. Svaka aminokiselina, kao i dvoliki Janus, ima dva hemijska lica: grupu karboksilne kiseline na jednom kraju i aminsku bazičnu grupu na drugom. Ako se OH grupa oduzme od karboksila jedne aminokiseline, a atom vodika oduzme aminskoj grupi druge, tada se dva aminokiselinska ostatka nastala u ovom slučaju mogu međusobno povezati peptidnom vezom , i kao rezultat, nastat će najjednostavniji peptid, dipeptid. I molekul vode će se odvojiti. Ponavljanjem ove operacije, može se povećati dužina peptida.

Međutim, ovu naizgled jednostavnu operaciju je praktički teško provesti: aminokiseline se vrlo nerado spajaju jedna s drugom. Moramo ih aktivirati, kemijski, i "zagrijati" jedan od krajeva lanca (najčešće karboksilni), te izvršiti reakciju, striktno poštujući potrebne uslove. Ali to nije sve: druga poteškoća je da se ne samo ostaci različitih aminokiselina, već i dva molekula iste kiseline mogu kombinovati jedan s drugim. U ovom slučaju, struktura sintetiziranog peptida će se već razlikovati od željene. Štoviše, svaka aminokiselina može imati ne dvije, već nekoliko "Ahilove pete" - bočne kemijski aktivne grupe sposobne za vezivanje aminokiselinskih ostataka.

Kako bi se spriječilo da reakcija skrene sa zadatog puta, potrebno je ove lažne mete zakamuflirati - sve reaktivne grupe aminokiseline, osim jedne, za vrijeme trajanja reakcije "zapečatiti" pričvršćivanjem tzv. -nazvane im zaštitne grupe. Ako se to ne učini, cilj će rasti ne samo s oba kraja, već i sa strane, a aminokiseline se više neće moći povezati u datom nizu. Ali upravo to je smisao svake usmjerene sinteze.

Ali, rješavajući se na ovaj način jedne nevolje, kemičari se suočavaju s drugom: nakon završetka sinteze, zaštitne grupe moraju biti uklonjene. U Fišerovo vreme, grupe koje su bile odvojene hidrolizom korišćene su kao "zaštita". Međutim, reakcija hidrolize obično se ispostavila kao prejak "šok" za nastali peptid: njegova teško građena "konstrukcija" raspala se čim se s njega ukloni "skela" - zaštitne grupe. Tek 1932. godine Fišerov učenik M. Bergmann pronašao je izlaz iz ove situacije: predložio je zaštitu amino grupe aminokiseline karbobenzoksi grupom, koja bi se mogla ukloniti bez oštećenja peptidnog lanca.

Sinteza proteina iz aminokiselina

Tokom godina, predloženo je nekoliko takozvanih mekih metoda za "poprečno povezivanje" aminokiselina jedne s drugima. Međutim, sve su to bile samo varijacije na temu Fisherove metode. Varijacije u kojima je ponekad čak bilo teško uhvatiti originalnu melodiju. Ali sam princip je ostao isti. Ipak, poteškoće povezane sa zaštitom ranjivih grupa ostale su iste. Prevazilaženje ovih poteškoća moralo se platiti povećanjem broja faza reakcije: jedan elementarni čin - kombinacija dvije aminokiseline - podijeljen je u četiri stupnja. A svaka dodatna faza je neizbježan gubitak.

Čak i ako pretpostavimo da svaka faza dolazi sa korisnim prinosom od 80% (a ovo je dobar prinos), onda se nakon četiri faze ovih 80% "stopi" na 40%. I to sa sintezom samo dipeptida! Šta ako postoji 8 aminokiselina? A ako 51, kao u insulinu? Dodajte ovome i poteškoće povezane s postojanjem dva optička "ogledala" oblika molekula aminokiselina, od kojih je samo jedan potreban u reakciji, dodajte i probleme odvajanja nastalih peptida od nusproizvoda, posebno u slučajevima kada oni su podjednako rastvorljivi. Šta se događa ukupno: Put u nigdje?

A ipak ove poteškoće nisu zaustavile hemičare. Potjera za "plavom pticom" je nastavljena. Godine 1954. sintetizirani su prvi biološki aktivni polipeptidni hormoni, vazopresin i oksitocin. Imali su osam aminokiselina. Godine 1963. sintetiziran je 39-merni ACTH polipeptid, adrenokortikotropni hormon. Konačno, hemičari u Sjedinjenim Državama, Njemačkoj i Kini sintetizirali su prvi protein - hormon inzulin.

Kako to, reći će čitatelj, da težak put, pokazalo se, nije vodio nigdje i nigdje, već do ostvarenja sna mnogih generacija hemičara! Ovo je prekretnica! Zaista, ovo je značajan događaj. Ali procijenimo to trezveno, odričući se senzacionalizma, uskličnika i pretjeranih emocija.

Niko ne raspravlja: sinteza insulina je ogromna pobeda hemičara. Ovo je kolosalan, titanski rad, vrijedan svakog divljenja. Ali u isto vrijeme, ego je, u suštini, plafon stare polipeptidne hemije. Ovo je pobjeda na ivici poraza.

Sinteza proteina i insulin

U insulinu se nalazi 51 aminokiselina. Da bi ih povezali u pravom redoslijedu, kemičari su trebali provesti 223 reakcije. Kada je, tri godine nakon početka prvog od njih, završen posljednji, prinos proizvoda bio je manji od stoti dio procenta. Tri godine, 223 etape, stoti dio procenta - morate priznati da je pobjeda čisto simbolična. Vrlo je teško govoriti o praktičnoj primjeni ove metode: troškovi povezani s njenom primjenom su previsoki. Ali u konačnoj analizi, ne govorimo o sintezi dragocjenih relikvija slave organske hemije, već o oslobađanju vitalnog lijeka koji je potreban hiljadama ljudi širom svijeta. Tako se klasična metoda sinteze polipeptida iscrpila na prvom, najjednostavnijem proteinu. Dakle, "plava ptica" je opet izmakla iz ruku hemičarima?

Nova metoda za sintezu proteina

Otprilike godinu i po prije nego što je svijet saznao za sintezu inzulina, u štampi je bljesnula još jedna poruka, koja isprva nije privukla veliku pažnju: američki naučnik R. Maryfield predložio je novu metodu za sintezu peptida. Budući da sam autor isprva metodi nije dao odgovarajuću procjenu, a bilo je i dosta nedostataka, ona je u prvom približavanju izgledala još gore od postojećih. Međutim, već početkom 1964. godine, kada je Maryfield uspio pomoću svoje metode dovršiti sintezu 9-članog hormona s korisnim prinosom od 70%, naučnici su bili zaprepašteni: 70% nakon svih faza je 9% korisnog prinosa u svakoj fazi sinteza.

Glavna ideja nove metode je da rastući lanci peptida, koji su prije bili prepušteni na milost i nemilost haotičnom kretanju u otopini, sada su na jednom kraju vezani za čvrsti nosač - bili su, takoreći, prisiljeni da se usidri u rastvoru. Maryfield je uzeo čvrstu smolu i "prikačio" prvu aminokiselinu sastavljenu u peptid na njene aktivne grupe preko karbonilnog kraja. Reakcije su se odvijale unutar pojedinačnih čestica smole. U "labirintima" njegovih molekula prvi put su se pojavili prvi kratki izdanci budućeg peptida. Zatim je druga aminokiselina uvedena u posudu, njeni karbonilni krajevi su povezani sa slobodnim amino krajevima "prikačene" aminokiseline, a u česticama je izrastao još jedan "kat" buduće "građevine" peptida. Dakle, etapu po fazu, cijeli peptidni polimer se postepeno gradio.

Nova metoda je imala nesumnjive prednosti: prije svega, riješila je problem odvajanja nepotrebnih proizvoda nakon dodavanja svake aminokiseline - ti proizvodi su se lako isprali, a peptid je ostao vezan za granule smole. Istovremeno, isključen je problem rastvorljivosti rastućih peptida, jedna od glavnih pošasti stare metode; ranije su često precipitirali, praktično prestajući da učestvuju u procesu rasta. Peptidi koji su „uklonjeni” nakon završetka sinteze sa čvrstog nosača dobijeni su skoro svi iste veličine i strukture, u svakom slučaju rasipanje u strukturi je bilo manje nego kod klasične metode. I shodno tome korisniji izlaz. Zahvaljujući ovoj metodi, sinteza peptida - mukotrpna, dugotrajna sinteza - je lako automatizirana.

Maryfield je napravio jednostavnu mašinu koja je sama, prema zadatom programu, radila sve potrebne operacije - dobavljanje reagensa, miješanje, dreniranje, pranje, mjerenje doze, dodavanje nove porcije i tako dalje. Ako je po staroj metodi trebalo 2-3 dana da se doda jedna aminokiselina, onda je Maryfield na svojoj mašini povezao 5 aminokiselina dnevno. Razlika je 15 puta.

Koje su poteškoće u sintezi proteina

Maryfieldovu metodu, nazvanu čvrsta faza ili heterogena, odmah su prihvatili hemičari širom svijeta. Međutim, nakon kratkog vremena postalo je jasno da nova metoda, uz velike prednosti, ima i niz ozbiljnih nedostataka.

Kako peptidni lanci rastu, može se desiti da u nekima od njih, recimo, nedostaje treći “sprat” – treća aminokiselina po redu: njen molekul neće doći do spoja, zaglavivši se negdje uz cestu u strukturnom „divlji“ čvrsti polimer. A onda, čak i ako se sve ostale aminokiseline, počevši od četvrte, poredaju u odgovarajućem redoslijedu, to više neće spasiti situaciju. Rezultirajući polipeptid u svom sastavu i, prema tome, u svojim svojstvima neće imati nikakve veze s dobivenom tvari. Ista stvar se dešava kao prilikom biranja telefonskog broja; vrijedi preskočiti jednu cifru - i činjenica da smo sve ostalo ispravno upisali neće nam više pomoći. Praktično je nemoguće odvojiti takve lažne lance od "pravih", a lijek se ispostavi da je začepljen nečistoćama. Osim toga, pokazalo se da se sinteza ne može izvesti ni na jednoj smoli - ona mora biti pažljivo odabrana, budući da svojstva rastućeg peptida u određenoj mjeri ovise o svojstvima smole. Stoga se svim fazama sinteze proteina mora pristupiti što je moguće pažljivije.

Sinteza DNK proteina, video

I na kraju, donosimo vam edukativni video o tome kako se odvija sinteza proteina u molekulima DNK.

Prvo, uspostavite redoslijed koraka u biosintezi proteina, počevši od transkripcije. Čitav niz procesa koji se dešavaju tokom sinteze proteinskih molekula može se kombinovati u 2 faze:

1. Transkripcija.

2. Broadcast.

Strukturne jedinice nasljedne informacije su geni - dijelovi molekule DNK koji kodiraju sintezu određenog proteina. U smislu hemijske organizacije, materijal naslijeđa i varijabilnosti pro- i eukariota se suštinski ne razlikuje. Genetski materijal u njima predstavljen je u molekuli DNK, uobičajen je i princip bilježenja nasljednih informacija i genetskog koda. Iste aminokiseline u pro- i eukariotima su šifrirane istim kodonima.

Genom modernih prokariotskih ćelija karakteriše relativno mala veličina, DNK Escherichia coli ima oblik prstena, dužine oko 1 mm. Sadrži 4 x 10 6 parova baza, formirajući oko 4000 gena. Godine 1961. F. Jacob i J. Monod su otkrili cistronsku, ili kontinuiranu organizaciju prokariotskih gena, koji se u potpunosti sastoje od kodirajućih nukleotidnih sekvenci, a u potpunosti se realizuju tokom sinteze proteina. Nasljedni materijal DNK molekula prokariota nalazi se direktno u citoplazmi ćelije, gdje se nalaze i tRNA i enzimi neophodni za ekspresiju gena.Ekspresija je funkcionalna aktivnost gena, odnosno ekspresija gena. Stoga, mRNA sintetizirana sa DNK može odmah djelovati kao šablon u procesu translacije sinteze proteina.

Eukariotski genom sadrži mnogo više nasljednog materijala. Kod ljudi, ukupna dužina DNK u diploidnom setu hromozoma je oko 174 cm, sadrži 3 x 10 9 parova baza i uključuje do 100.000 gena. Godine 1977. otkriven je diskontinuitet u strukturi većine eukariotskih gena, koji je nazvan "mozaični" gen. Ima kodirajuće sekvence nukleotida egzonic i intron parcele. Za sintezu proteina koristi se samo informacija o egzonu. Broj introna varira u različitim genima. Utvrđeno je da gen za pileći ovalbumin uključuje 7 introna, a gen za prokolagen sisara - 50. Funkcije tihe DNK - introna nisu u potpunosti razjašnjene. Pretpostavlja se da obezbeđuju: 1) strukturnu organizaciju hromatina; 2) neki od njih su očigledno uključeni u regulaciju ekspresije gena; 3) introni se mogu smatrati skladištem informacija za varijabilnost; 4) mogu imati zaštitnu ulogu, preuzimajući djelovanje mutagena.

Transkripcija

Proces prepisivanja informacija u ćelijskom jezgru iz dijela molekule DNK u molekulu mRNA (mRNA) naziva se transkripcija(lat. Transcriptio - prepisivanje). Sintetizira se primarni proizvod gena, mRNA. Ovo je prvi korak u sintezi proteina. Na odgovarajućem dijelu DNK, enzim RNA polimeraza prepoznaje znak početka transkripcije - pregled Polazna tačka se smatra prvim nukleotidom DNK, koji je enzim uključen u RNA transkript. Po pravilu, kodirajuća područja počinju kodonom AUG, ponekad se GUG koristi u bakterijama. Kada se RNA polimeraza veže za promotor, dvostruka spirala DNK se lokalno odmotava i jedan od lanaca se kopira prema principu komplementarnosti. mRNA se sintetiše, njena brzina sklapanja dostiže 50 nukleotida u sekundi. Kako se RNA polimeraza kreće, lanac mRNA raste, a kada enzim dođe do kraja mjesta kopiranja - terminator, mRNA se udaljava od šablona. Dvostruka spirala DNK iza enzima je popravljena.

Transkripcija prokariota se odvija u citoplazmi. Zbog činjenice da se DNK u potpunosti sastoji od kodirajućih nukleotidnih sekvenci, sintetizirana mRNA odmah djeluje kao šablon za translaciju (vidi gore).

Transkripcija mRNA kod eukariota se dešava u jezgru. Počinje sintezom velikih molekula - prekursora (pro-mRNA), nazvanih nezrela ili nuklearna RNK.Primarni proizvod pro-mRNA gena je tačna kopija transkribovanog DNK regiona, uključuje egzone i introne. Proces formiranja zrelih molekula RNK iz prekursora naziva se obrada. Do sazrevanja mRNA dolazi do spajanje su reznice enzimima restriktaza introne i povezivanje mesta sa transkribovanim sekvencama egzona pomoću enzima ligaze. (Sl.) Zrela mRNA je mnogo kraća od pro-mRNA prekursorskih molekula, veličina introna u njima varira od 100 do 1000 nukleotida ili više. Introni čine oko 80% sve nezrele mRNA.

Sada se pokazalo da je to moguće alternativno spajanje, u kojoj nukleotidne sekvence mogu biti izbrisane iz jednog primarnog transkripta u njegovim različitim regionima i formiraće se nekoliko zrelih mRNA. Ovaj tip spajanja karakterističan je za sistem gena imunoglobulina kod sisara, što omogućava formiranje različitih tipova antitela na osnovu jednog transkripta mRNA.

Po završetku obrade, zrela mRNA se odabire prije napuštanja jezgra. Utvrđeno je da samo 5% zrele mRNA ulazi u citoplazmu, a ostatak se cijepa u jezgru.

Broadcast

Translacija (lat. Translatio - prijenos, prijenos) - prevođenje informacija sadržanih u nukleotidnoj sekvenci mRNA molekula u aminokiselinsku sekvencu polipeptidnog lanca (slika 10). Ovo je druga faza sinteze proteina. Prijenos zrele mRNA kroz pore nuklearnog omotača proizvodi posebne proteine ​​koji formiraju kompleks s molekulom RNK. Osim transporta mRNA, ovi proteini štite mRNA od štetnog djelovanja citoplazmatskih enzima. U procesu translacije, tRNA imaju centralnu ulogu, osiguravaju tačnu korespondenciju aminokiseline sa kodom mRNA tripleta. Proces translacije-dekodiranja odvija se u ribosomima i odvija se u smjeru od 5 do 3. Kompleks mRNA i ribozoma naziva se polizom.

Prevođenje se može podijeliti u tri faze: početak, produljenje i završetak.

Iniciranje.

U ovoj fazi se sklapa čitav kompleks uključen u sintezu proteinske molekule. Na određenom mjestu mRNK postoji spoj dvije podjedinice ribosoma, na nju je vezan prvi aminoacil - tRNA i to postavlja okvir za čitanje informacija. Bilo koja molekula mRNA sadrži mjesto koje je komplementarno rRNK male podjedinice ribosoma i koje se njome posebno kontrolira. Pored njega nalazi se početni startni kodon AUG, koji kodira aminokiselinu metionin.

Izduženje

- uključuje sve reakcije od trenutka stvaranja prve peptidne veze do vezivanja posljednje aminokiseline. Ribosom ima dva mjesta za vezivanje dva molekula tRNA. Prva t-RNA s aminokiselinom metionin nalazi se u jednom dijelu, peptidil (P), i od nje počinje sinteza bilo kojeg proteinskog molekula. Drugi molekul t-RNA ulazi na drugo mjesto ribozoma - aminoacil (A) i veže se za njegov kodon. Između metionina i druge amino kiseline formira se peptidna veza. Druga tRNA se kreće zajedno sa svojim kodonom mRNA do peptidilnog centra. Kretanje tRNK sa polipeptidnim lancem od aminoacilnog centra do peptidilnog centra je praćeno napredovanjem ribozoma duž mRNA korakom koji odgovara jednom kodonu. tRNA koja je isporučila metionin vraća se u citoplazmu, a amnoacil centar se oslobađa. Prima novu t-RNA sa aminokiselinom šifrovanom sledećim kodonom. Između treće i druge aminokiseline formira se peptidna veza, a treća tRNA zajedno sa kodonom mRNA prelazi u peptidilni centar.Proces elongacije, izduživanja lanca proteina. Nastavlja se sve dok jedan od tri kodona koji ne kodiraju aminokiseline ne uđe u ribozom. Ovo je terminator kodon i za njega ne postoji odgovarajuća tRNA, tako da nijedna od tRNA ne može zauzeti mjesto u aminoacilnom centru.

Raskid

- završetak sinteze polipeptida. Povezan je sa prepoznavanjem od strane specifičnog ribosomskog proteina jednog od terminacionih kodona (UAA, UAG, UGA) kada uđe u aminoacil centar. Za ribosom je vezan poseban terminacijski faktor, koji potiče odvajanje podjedinica ribosoma i oslobađanje sintetiziranog proteinskog molekula. Voda je vezana za posljednju aminokiselinu peptida i njegov karboksilni kraj je odvojen od tRNA.

Sastavljanje peptidnog lanca odvija se velikom brzinom. Kod bakterija na temperaturi od 37°C izražava se dodavanjem 12 do 17 aminokiselina u sekundi polipeptidu. U eukariotskim ćelijama, dvije aminokiseline se dodaju polipeptidu u jednoj sekundi.

Sintetizirani polipeptidni lanac tada ulazi u Golgijev kompleks, gdje se završava izgradnja proteinskog molekula (uzastopno se pojavljuju druga, treća, četvrta struktura). Ovdje dolazi do kompleksiranja proteinskih molekula sa mastima i ugljikohidratima.

Cijeli proces biosinteze proteina predstavljen je u obliku sheme: DNK ® pro mRNA ® mRNA ® polipeptidni lanac ® protein ® kompleksiranje proteina i njihova transformacija u funkcionalno aktivne molekule.

Faze implementacije nasljedne informacije također se odvijaju na sličan način: prvo se transkribuje u nukleotidnu sekvencu mRNA, a zatim prevodi u aminokiselinsku sekvencu polipeptida na ribosomima uz sudjelovanje tRNA.

Transkripcija eukariota se vrši pod dejstvom tri nuklearne RNA polimeraze. RNA polimeraza 1 nalazi se u nukleolusu i odgovorna je za transkripciju rRNA gena. RNA polimeraza 2 nalazi se u nuklearnom soku i odgovorna je za sintezu prekursora mRNA. RNA polimeraza 3 je mali dio u nuklearnom soku koji sintetizira male rRNA i tRNA. RNA polimeraze specifično prepoznaju nukleotidnu sekvencu promotora transkripcije. Eukariotska mRNA se prvo sintetizira kao prekursor (pro-mRNA), a informacije iz egzona i introna joj se otpisuju. Sintetizirana mRNA je veća nego što je potrebno za translaciju i manje je stabilna.

U procesu sazrijevanja molekule mRNA, introni se izrezuju uz pomoć restrikcijskih enzima, a egzoni se spajaju uz pomoć enzima ligaze. Sazrijevanje mRNA naziva se procesiranje, a spajanje egzona naziva se spajanje. Dakle, zrela mRNA sadrži samo egzone i mnogo je kraća od svoje prethodnice, pro-mRNA. Veličine introna variraju od 100 do 10.000 nukleotida ili više. Intoni čine oko 80% sve nezrele mRNA. Trenutno je dokazana mogućnost alternativnog spajanja, u kojem se nukleotidne sekvence mogu izbrisati iz jednog primarnog transkripta u njegovim različitim regijama i formirati nekoliko zrelih mRNA. Ovaj tip spajanja karakterističan je za sistem gena imunoglobulina kod sisara, što omogućava formiranje različitih tipova antitela na osnovu jednog transkripta mRNA. Po završetku obrade, zrela mRNA se odabire prije nego što se pusti u citoplazmu iz jezgra. Utvrđeno je da samo 5% zrele mRNA ulazi, a ostatak se cijepa u jezgru. Transformacija primarnih transkriptona eukariotskih gena, povezana sa njihovom egzon-intron organizacijom, a u vezi sa tranzicijom zrele mRNA iz jezgra u citoplazmu, određuje karakteristike realizacije genetske informacije eukariota. Stoga gen eukariotskog mozaika nije gen cistronoma, jer se ne koristi sva sekvenca DNK za sintezu proteina.

Sinteza proteina u ćeliji

Glavno pitanje genetike je pitanje sinteze proteina. Sumirajući podatke o strukturi i sintezi DNK i RNK, Crick je 1960. predložio matričnu teoriju sinteze proteina zasnovanu na 3 odredbe:

1. Komplementarnost azotnih baza DNK i RNK.

2. Linearna sekvenca lokacije gena u molekulu DNK.

3. Prijenos nasljednih informacija može se dogoditi samo sa nukleinske kiseline na nukleinsku kiselinu ili na protein.

Sa proteina na protein, prijenos nasljednih informacija je nemoguć. Dakle, samo nukleinske kiseline mogu biti šablon za sintezu proteina.

Sinteza proteina zahtijeva:

1. DNK (geni) na kojima se sintetišu molekuli.

2. RNA - (i-RNA) ili (m-RNA), r-RNA, t-RNA

U procesu sinteze proteina razlikuju se faze: transkripcija i translacija.

Transkripcija- popis (prepisivanje) informacija o nukleinskoj strukturi od DNK do RNK (t-RNA, i RNA, r-RNA).

Čitanje nasljednih informacija počinje određenim dijelom DNK, koji se naziva promotor. Promotor se nalazi prije gena i uključuje oko 80 nukleotida.

Na vanjskom lancu molekule DNK sintetiše se i-RNA (intermedijer), koja služi kao matrica za sintezu proteina i stoga se naziva matriks. To je tačna kopija sekvence nukleotida u lancu DNK.

Postoje regije u DNK koje ne sadrže genetske informacije (introne). Dijelovi DNK koji sadrže informacije nazivaju se egzoni.

U jezgri se nalaze posebni enzimi koji izrezuju introne, a fragmenti egzona se "spajaju" striktnim redoslijedom u zajedničku nit, ovaj proces se naziva "spajanje". Tokom spajanja formira se zrela mRNA koja sadrži informacije neophodne za sintezu proteina. Zrela mRNA (matrična RNA) prolazi kroz pore nuklearne membrane i ulazi u kanale endoplazmatskog retikuluma (citoplazma) i tu se spaja sa ribosomima.

Broadcast- sekvenca nukleotida u i-RNA se prevodi u striktno uređeni niz aminokiselina u sintetiziranom proteinskom molekulu.

Proces translacije uključuje 2 faze: aktivaciju aminokiselina i direktnu sintezu proteinskog molekula.

Jedan mRNA molekul se vezuje za 5-6 ribozoma i formira polisome. Sinteza proteina se odvija na molekuli mRNA, a ribosomi se kreću duž nje. Tokom ovog perioda, aminokiseline u citoplazmi se aktiviraju posebnim enzimima koje luče enzimi koje luče mitohondrije, a svaki od njih ima svoj specifični enzim.

Gotovo trenutno, aminokiseline se vezuju za drugu vrstu RNK - topljivu RNK niske molekularne težine koja djeluje kao nosač aminokiselina za molekulu mRNA i naziva se transport (t-RNA). tRNA prenosi aminokiseline do ribozoma do određenog mjesta, gdje se do tada nalazi molekul mRNA. Zatim se aminokiseline međusobno povezuju peptidnim vezama i formira se proteinski molekul. Do kraja sinteze proteina, molekul se postepeno odvaja od mRNA.

Na jednom mRNA molekulu formira se 10-20 proteinskih molekula, au nekim slučajevima i mnogo više.

Najnejasnije pitanje u sintezi proteina je kako tRNA pronalazi odgovarajuće mjesto mRNA za koje mora biti vezana aminokiselina koju donosi.

Redoslijed rasporeda azotnih baza u DNK, koji određuje raspored aminokiselina u sintetiziranom proteinu, je genetski kod.

Pošto se ista nasledna informacija u nukleinskim kiselinama „zapisuje“ sa četiri karaktera (azotne baze), a u proteinima sa dvadeset (aminokiseline). Problem genetskog koda svodi se na uspostavljanje korespondencije između njih. Genetičari, fizičari i hemičari igrali su važnu ulogu u dešifrovanju genetskog koda.

Za dešifriranje genetskog koda, prije svega, bilo je potrebno saznati koji je minimalni broj nukleotida koji mogu odrediti (kodirati) formiranje jedne aminokiseline. Ako bi svaka od 20 aminokiselina bila kodirana jednom bazom, onda bi DNK morala imati 20 različitih baza, ali u stvari postoje samo 4. Očigledno, kombinacija dva nukleotida također nije dovoljna za kodiranje 20 aminokiselina. Može kodirati samo 16 aminokiselina 4 2 = 16.

Zatim je predloženo da kod uključuje 3 nukleotida 4 3 = 64 kombinacije i, prema tome, može kodirati više nego dovoljno aminokiselina da formira bilo koji protein. Ova kombinacija tri nukleotida naziva se triplet kod.

Kod ima sljedeća svojstva:

1. Genetski kod je triplet(svaka aminokiselina je kodirana sa tri nukleotida).

2. Degeneracija- jedna aminokiselina može biti kodirana sa nekoliko tripleta, izuzetak su triptofan i metionin.

3. U kodonima za jednu aminokiselinu prva dva nukleotida su ista, a treći se mijenja.

4.Bez preklapanja– trojke se ne preklapaju. Jedan triplet ne može biti dio drugog, svaki od njih nezavisno kodira svoju aminokiselinu. Dakle, bilo koje dvije aminokiseline mogu biti u blizini u polipeptidnom lancu i moguća je svaka njihova kombinacija, tj. u baznoj sekvenci ABCDEFGHI, prve tri baze kodiraju za 1 aminokiselinu (ABC-1), (DEF-2), itd.

5.Univerzalni, one. u svim organizmima kodoni za određene aminokiseline su isti (od kamilice do ljudi). Univerzalnost kodeksa svedoči o jedinstvu života na zemlji.

6. Klečeći- podudarnost rasporeda kodona u mRNA sa redosledom aminokiselina u sintetizovanom polipeptidnom lancu.

Kodon je triplet nukleotida koji kodira 1 aminokiselinu.

7. Besmisleno Ne kodira nijednu aminokiselinu. Sinteza proteina na ovom mjestu je prekinuta.

Posljednjih godina postalo je jasno da je univerzalnost genetskog koda narušena u mitohondrijima, četiri kodona u mitohondrijima su promijenila svoje značenje, na primjer, kodon UGA - odgovara na triptofan umjesto "STOP" - prestanak sinteze proteina . AUA - odgovara metioninu - umjesto "izoleucinu".

Otkriće novih kodona u mitohondrijima može poslužiti kao dokaz da je kod evoluirao, a da to nije odmah postao.

Neka se nasljedna informacija od gena do proteinske molekule može shematski izraziti.

DNK - RNK - protein

Proučavanje hemijskog sastava ćelija pokazalo je da različita tkiva istog organizma sadrže različit skup proteinskih molekula, iako imaju isti broj hromozoma i iste genetske nasljedne informacije.

Napominjemo sljedeću okolnost: uprkos prisutnosti u svakoj ćeliji svih gena cijelog organizma, vrlo malo gena radi u jednoj ćeliji - od desetina do nekoliko posto od ukupnog broja. Ostala područja su "nečujna", blokirana su posebnim proteinima. To je razumljivo, zašto, na primjer, geni za hemoglobin rade u nervnoj ćeliji? Kao što ćelija diktira koji geni da ćute, a koji da rade, mora se pretpostaviti da ćelija ima neku vrstu savršenog mehanizma koji reguliše aktivnost gena, koji određuje koji geni treba da budu aktivni u datom trenutku, a koji treba da bude u neaktivnom (represivnom) stanju. Takav mehanizam, prema francuskim naučnicima F. Jacobou i J. Monodu, nazvan je indukcija i represija.

Indukcija- stimulacija sinteze proteina.

Represija- inhibicija sinteze proteina.

Indukcija osigurava rad onih gena koji sintetišu protein ili enzim, a koji su neophodni u ovoj fazi života ćelije.

Kod životinja, hormoni stanične membrane igraju važnu ulogu u procesu regulacije gena; u postrojenjima, uslovima okoline i drugim visoko specijalizovanim induktorima.

Primjer: kada se u podlogu doda hormon štitnjače, odvija se brza transformacija punoglavaca u žabe.

Mliječni šećer (laktoza) je neophodan za normalno funkcioniranje E (Coli) bakterije. Ako okolina u kojoj se bakterije nalaze ne sadrži laktozu, ovi geni su u represivnom stanju (tj. ne funkcionišu). Laktoza unesena u podlogu je induktor, uključujući gene odgovorne za sintezu enzima. Nakon uklanjanja laktoze iz podloge, sinteza ovih enzima prestaje. Dakle, ulogu represora može imati supstanca koja se sintetizira u ćeliji, a ako njen sadržaj prelazi normu ili se potroši.

Različiti tipovi gena su uključeni u sintezu proteina ili enzima.

Svi geni su u molekuli DNK.

Njihove funkcije nisu iste:

- strukturno - geni koji utiču na sintezu enzima ili proteina nalaze se u molekuli DNK redom jedan za drugim redosledom njihovog uticaja na tok reakcije sinteze, ili možete reći i strukturni geni - to su geni koji nose informacije o sekvenca aminokiselina.

- akceptor- geni ne nose nasledne informacije o strukturi proteina, oni regulišu rad strukturnih gena.

Prije nego što je grupa strukturnih gena zajednički gen za njih - operater, i ispred njega promoter. Općenito, ova funkcionalna grupa se zove pernato.

Čitava grupa gena jednog operona uključena je u proces sinteze i istovremeno se iz njega isključuje. Uključivanje i isključivanje strukturnih gena je suština cjelokupnog procesa regulacije.

Funkciju uključivanja i isključivanja obavlja poseban dio molekule DNK - gen operater. Operater gena je polazna tačka sinteze proteina ili, kako kažu, „čitanja“ genetskih informacija. dalje u istoj molekuli na nekoj udaljenosti nalazi se gen - regulator, pod čijom kontrolom se proizvodi protein koji se naziva represor.

Iz svega navedenog vidi se da je sinteza proteina veoma teška. Ćelijski genetski sistem, koristeći mehanizme represije i indukcije, može primiti signale o potrebi da se započne i završi sinteza određenog enzima i da taj proces provede određenom brzinom.

Problem regulacije djelovanja gena u višim organizmima je od velike praktične važnosti u stočarstvu i medicini. Utvrđivanje faktora koji regulišu sintezu proteina otvorilo bi široke mogućnosti za kontrolu ontogeneze, stvaranje visokoproduktivnih životinja, kao i životinja otpornih na nasledne bolesti.

Test pitanja:

1. Imenujte svojstva gena.

2. Šta je gen?

3. Koji je biološki značaj DNK, RNK.

4. Navedite faze sinteze proteina

5. Navedite svojstva genetskog koda.

Život je proces postojanja proteinskih molekula. Tako to izražavaju mnogi naučnici koji su uvjereni da su proteini osnova svih živih bića. Ovi sudovi su apsolutno tačni, jer ove supstance u ćeliji imaju najveći broj osnovnih funkcija. Sva ostala organska jedinjenja igraju ulogu energetskih supstrata, a energija je opet potrebna za sintezu proteinskih molekula.

Karakterizacija faza biosinteze proteina

Struktura proteina je kodirana u nukleinskoj ili RNK) u obliku kodona. Ovo je nasljedna informacija koja se reprodukuje svaki put kada ćeliji treba nova proteinska supstanca. Početak biosinteze je u jezgri oko potrebe da se sintetiše novi protein sa već datim svojstvima.

Kao odgovor na to, dio nukleinske kiseline se despiralizira, gdje je kodirana njena struktura. Ovo mjesto je duplicirano glasničkom RNK i preneseno na ribozome. Oni su odgovorni za izgradnju polipeptidnog lanca zasnovanog na matričnoj - glasničkoj RNK. Ukratko, sve faze biosinteze su predstavljene na sljedeći način:

• transkripcija (faza udvostručavanja komada DNK sa kodiranom proteinskom strukturom);
• obrada (faza formiranja informacijske RNK);
• translacija (sinteza proteina u ćeliji na bazi glasničke RNK);
• posttranslaciona modifikacija ("sazrevanje" polipeptida, formiranje njegove bulk strukture).

Transkripcija nukleinske kiseline

Svu sintezu proteina u ćeliji provode ribozomi, a informacije o molekulima sadržane su u nukleici ili DNK). Nalazi se u genima: svaki gen je specifičan protein. Geni sadrže informacije o sekvenci aminokiselina novog proteina. U slučaju DNK, uklanjanje genetskog koda se vrši na ovaj način:

• počinje oslobađanje mjesta nukleinske kiseline iz histona, dolazi do despiralizacije;
• DNK polimeraza udvostručuje deo DNK koji čuva gen za protein;
• dvostruki dio je prekursor RNK glasnika, koji se obrađuje enzimima kako bi se uklonili nekodirajući umetci (na njegovoj osnovi se sintetiše mRNA).

Na osnovu glasničke RNK, sintetiše se mRNA. To je već matriks, nakon čega dolazi do sinteze proteina u ćeliji na ribosomima (u grubom endoplazmatskom retikulumu).

Sinteza ribosomskih proteina

Messenger RNA ima dva kraja, koji su raspoređeni kao 3`-5`. Čitanje i sinteza proteina na ribosomima počinje na 5' kraju i nastavlja se do introna, regije koja ne kodira nijednu od aminokiselina. To se dešava ovako:

• glasnička RNK je "nanizana" na ribosom, vezuje prvu aminokiselinu;
• ribosom se pomera duž RNK glasnika za jedan kodon;
• transfer RNK daje željenu (kodiranu datim kodonom mRNA) alfa-amino kiselinu;
• aminokiselina se pridružuje početnoj aminokiselini da bi formirala dipeptid;
• zatim se mRNA ponovo pomera za jedan kodon, alfa-amino kiselina se podiže i vezuje za rastući peptidni lanac.

Jednom kada ribosom stigne do introna (nekodirajući umetak), glasnička RNK jednostavno kreće dalje. Zatim, kako glasnička RNK napreduje, ribosom ponovo stiže do egzona - mjesta čija nukleotidna sekvenca odgovara specifičnoj aminokiselini.

Od ove tačke, dodavanje proteinskih monomera u lanac počinje ponovo. Proces se nastavlja sve dok se ne pojavi sljedeći intron ili do stop kodona. Potonji zaustavlja sintezu polipeptidnog lanca, nakon čega se smatra završenom i počinje faza postsintetičke (post-translacijske) modifikacije molekula.

Posttranslacijska modifikacija

Nakon translacije, sinteza proteina se odvija u glatkim cisternama koje sadrže mali broj ribozoma. U nekim ćelijama mogu biti potpuno odsutne u OIE. Takva područja su potrebna da bi se formirala prvo sekundarna, zatim tercijarna ili, ako je programirana, kvartarna struktura.

Sva sinteza proteina u ćeliji odvija se uz utrošak ogromne količine ATP energije. Stoga su svi drugi biološki procesi potrebni za održavanje biosinteze proteina. Osim toga, dio energije je potreban za prijenos proteina u ćeliji aktivnim transportom.

Mnogi proteini se prenose sa jedne lokacije u ćeliji na drugu radi modifikacije. Konkretno, posttranslacijska sinteza proteina se događa u Golgijevom kompleksu, gdje je domen ugljikohidrata ili lipida vezan za polipeptid određene strukture.