valkude süntees- üks peamisi ainevahetusprotsesse rakus. See on maatriksi süntees. Valkude sünteesiks on vaja DNA-d, mRNA-d, tRNA-d, rRNA-d (ribosoomid), aminohappeid, ensüüme, magneesiumiioone, ATP energiat. Peamine roll valgu struktuuri määramisel kuulub DNA-le.

Teave aminohappejärjestuse kohta valgumolekulis on kodeeritud DNA molekulis. Teabe salvestamise meetodit nimetatakse kodeerimiseks. Geneetiline kood on süsteem teabe salvestamiseks valkude aminohapete järjestuse kohta, kasutades sõnumitooja RNA nukleotiidide järjestust.

RNA koostis sisaldab 4 tüüpi nukleotiide: A, G, C, U. Valgumolekulide koostis sisaldab 20 aminohapet. Kõik 20 aminohapet on krüpteeritud 3 nukleotiidist koosneva järjestusega, mida nimetatakse tripletiks või koodoniks. Neljast nukleotiidist saab luua 64 erinevat 3 nukleotiidi kombinatsiooni (4 3 = 64).

Geneetilise koodi omadused

1. Geneetiline kood kolmik:

2. Kood degenereerunud. See tähendab, et iga aminohapet kodeerib rohkem kui üks koodon (2 kuni 6):

3. Kood mittekattuvad. See tähendab, et järjestikused koodonid on järjestikku paigutatud nukleotiidide kolmikud:

4. Universaalne kõikidele rakkudele (inimese, looma, taime).

5. Konkreetne. Sama kolmik ei saa vastata mitmele aminohappele.

6. Valgu süntees algab alguskoodonist (esialgsest) koodonist VÄLJAS, mis kodeerib aminohapet metioniini.

7. Valkude süntees lõpeb ühega kolmest stoppkoodonid, mittekodeerivad aminohapped: UAT, UAA, UTA.

Geneetilise koodi tabel

DNA osa, mis sisaldab teavet konkreetse valgu struktuuri kohta, nimetatakse geeniks. Geen ei osale otseselt valkude sünteesis. Messenger RNA (mRNA) on vahendaja geeni ja valgu vahel. DNA mängib mRNA sünteesi matriitsi rolli raku tuumas. Geenisektsioonis olev DNA molekul rullub lahti. Teave kirjutatakse ühest selle ahelast mRNA-sse vastavalt nukleiinhapete lämmastikualuste komplementaarsuse põhimõttele. Seda protsessi nimetatakse transkriptsioon. Transkriptsioon toimub raku tuumas RNA polümeraasi ensüümi osalusel ja ATP energia abil (joonis 37).

Riis. 37. Transkriptsioon.

Valgu süntees viiakse läbi tsütoplasmas ribosoomidel, kus mRNA toimib matriitsina (joonis 38). mRNA molekulis oleva nukleotiidi kolmikute järjestuse translatsiooni spetsiifiliseks aminohappejärjestuseks nimetatakse saade. Sünteesitud mRNA väljub tuumaümbrises olevate pooride kaudu raku tsütoplasmasse, ühineb ribosoomidega, moodustades polüribosoomid (polüsoomid). Iga ribosoom koosneb kahest subühikust – suurest ja väikesest. mRNA kinnitub väikesele subühikule magneesiumiioonide juuresolekul (joonis 39).

Riis. 38. Valkude süntees.

Riis. 39.Peamised valgusünteesis osalevad struktuurid.

Transfer RNA-sid (tRNA-sid) leidub tsütoplasmas. Igal aminohappel on oma tRNA. Ühel silmusel oleval tRNA molekulil on nukleotiidide kolmik (antikoodon), mis on komplementaarne mRNA (koodon) nukleotiidide kolmikuga.

Tsütoplasmas paiknevad aminohapped aktiveeruvad (interakteeruvad ATP-ga) ja kinnituvad ensüümi aminoatsüül-tRNA süntetaasi abil tRNA-le. mRNA esimene (start)koodon – AUG – kannab teavet aminohappe metioniini kohta (joonis 40). Sellele koodonile sobib tRNA molekul, mis sisaldab komplementaarset antikoodonit ja kannab esimest aminohapet metioniini. See tagab ribosoomi suurte ja väikeste subühikute ühenduse. Teine mRNA koodon lisab tRNA, mis sisaldab selle koodoniga komplementaarset antikoodonit. tRNA sisaldab teist aminohapet. Esimese ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside. Ribosoom liigub katkendlikult, kolmik-tripleti haaval, mööda mRNA-d. Esimene tRNA vabaneb ja vabaneb tsütoplasmasse, kus see saab ühineda oma aminohappega.

Kui ribosoom liigub mööda mRNA-d, lisatakse polüpeptiidahelasse aminohapped, mis vastavad mRNA kolmikutele ja imporditud tRNA-dele (joonis 41).

MRNA-s sisalduva teabe "lugemine" ribosoomi poolt toimub seni, kuni see jõuab ühe kolmest stoppkoodonist (UAA, UGA, UAG). Polüpeptiidahel

Riis. 40. Valkude süntees.

AGA- siduv aminoatsüül - tRNA;

B- peptiidsideme moodustumine metioniini ja 2. aminohappe vahel;

AT- ribosoomi liikumine ühe koodoni võrra.

lahkub ribosoomist ja omandab sellele valgule iseloomuliku struktuuri.

Üksiku geeni otsene ülesanne on kodeerida spetsiifilise valgu-ensüümi struktuuri, mis katalüüsib ühte teatud keskkonnatingimustes toimuvat biokeemilist reaktsiooni.

Geen (DNA osa) → mRNA → valk-ensüüm → biokeemiline reaktsioon → pärilik tunnus.

Riis. 41. Saade.

Küsimused enesekontrolliks

1. Kus toimub rakus valgusüntees?

2. Kuhu salvestatakse teave valgusünteesi kohta?

3. Millised omadused on geneetilisel koodil?

4. Millise koodoniga algab valgusüntees?

5. Millised koodonid lõpetavad valgusünteesi?

6. Mis on geen?

7. Kuidas ja kus toimub transkriptsioon?

8. Kuidas nimetatakse nukleotiidi kolmikuid mRNA molekulis?

9. Mis on saade?

10. Kuidas on aminohape tRNA-ga seotud?

11. Kuidas nimetatakse nukleotiidide kolmikut tRNA molekulis? 12. Milline aminohape annab suure ja

ribosoomi väike subühik?

13. Kuidas toimub valgu polüpeptiidahela moodustumine?

Teema “Valkude süntees” märksõnad

lämmastiku alused alaniin

aminohapped

antikoodon

valk

biokeemiline reaktsioon

valiin

geen

geneetilise koodi tegevus

DNA

salvestada teavet magneesiumiioonid

mRNA

kodeerimine

koodon

leutsiin

maatriks

ainevahetus

metioniin

pärilik tunnus nukleiinhapped peptiidsideme silmus

polüribosoomi poorid

vahejada

ribosoomide komplementaarsuse põhimõte

rRNA

seriin

süntees

kombinatsioon

tee

struktuur

allüksus

transkriptsioon

saade

kolmik

tRNA

süžee

fenüülalaniin

ensüümid

kett

tsütoplasma

ATP energia

Igal teadusalal on oma "sinilind"; küberneetikud unistavad "mõtlevatest" masinatest, füüsikud - juhitavatest termotuumareaktsioonidest, keemikud - "elusaine" - valgu sünteesist. Valgu süntees on pikka aega olnud ulmeromaanide teema, keemia saabuva jõu sümbol. Seda seletatakse valgu tohutu rolliga elusmaailmas ja raskustega, mis paratamatult silmitsi seisid iga hulljulgega, kes julges üksikutest aminohapetest keeruka valgumosaiigi “koostada”. Ja isegi mitte valk ise, vaid ainult peptiidid.

Valkude ja peptiidide erinevus ei ole ainult terminoloogiline, kuigi mõlema molekulaarsed ahelad koosnevad aminohappejääkidest. Mingil etapil muutub kvantiteet kvaliteediks: peptiidahel - esmane struktuur - omandab võime keerduda spiraalideks ja kuulideks, moodustades sekundaarseid ja tertsiaarseid struktuure, mis on juba iseloomulikud elusainele. Ja siis muutub peptiid valguks. Siin pole selget piiri - polümeeri ahelale on võimatu piiritleda: seni - peptiid, siit - valk. Aga näiteks on teada, et 39 aminohappejäägist koosnev adranokortikotroopne hormoon on polüpeptiid ja 51 jäägist kahe ahela kujul koosnev hormooninsuliin on juba valk. Kõige lihtsam, aga siiski valk.

Aminohapete peptiidideks kombineerimise meetodi avastas eelmise sajandi alguses saksa keemik Emil Fischer. Kuid pikka aega pärast seda ei saanud keemikud tõsiselt mõelda mitte ainult valkude või 39-meeriliste peptiidide sünteesile, vaid isegi palju lühematele ahelatele.

Valkude sünteesi protsess

Kahe aminohappe ühendamiseks tuleb ületada palju raskusi. Igal aminohappel, nagu ka kahepoolsel Janusel, on kaks keemilist külge: ühes otsas on karboksüülhapperühm ja teises amiini aluseline rühm. Kui ühe aminohappe karboksüülrühmalt võetakse ära OH-rühm ja teise aminohappe amiinirühmalt vesinikuaatom, siis saab sel juhul tekkinud kaks aminohappejääki omavahel peptiidsidemega ühendada. , ja selle tulemusena tekib peptiididest lihtsaim dipeptiid. Ja veemolekul eraldub. Seda toimingut korrates saab peptiidi pikkust suurendada.

Seda pealtnäha lihtsat toimingut on aga praktiliselt raske teostada: aminohapped on omavahel väga vastumeelsed. Peame need keemiliselt aktiveerima ja ahela ühe otsa (enamasti karboksüülrühma) "kuumutama" ja reaktsiooni läbi viima, järgides rangelt vajalikke tingimusi. Kuid see pole veel kõik: teine ​​raskus seisneb selles, et mitte ainult erinevate aminohapete jäägid, vaid ka kaks sama happe molekuli võivad omavahel ühineda. Sel juhul erineb sünteesitud peptiidi struktuur juba soovitud struktuurist. Pealegi võib igal aminohappel olla mitte kaks, vaid mitu "Achilleuse kanda" - külgmised keemiliselt aktiivsed rühmad, mis on võimelised aminohappejääke siduma.

Et reaktsioon etteantud rajalt kõrvalekaldumist vältida, on vaja need valesihtmärgid maskeerida – kõik aminohappe reaktiivsed rühmad, välja arvatud üks, reaktsiooni ajaks “sulgeda”, kinnitades nii. -nimetatakse neile kaitserühmadeks. Kui seda ei tehta, siis ei kasva sihtmärk mitte ainult mõlemast otsast, vaid ka külgsuunas ning aminohappeid ei saa enam antud järjestuses ühendada. Kuid just see on igasuguse suunatud sünteesi tähendus.

Kuid sel viisil ühest hädast vabanedes seisavad keemikud silmitsi teisega: pärast sünteesi lõppu tuleb kaitserühmad eemaldada. Fischeri ajal kasutati "kaitsena" hüdrolüüsi teel eraldatud rühmi. Tavaliselt osutus hüdrolüüsireaktsioon tekkinud peptiidi jaoks aga liiga tugevaks "šokiks": selle raskesti ehitatav "konstruktsioon" lagunes kohe, kui sellelt "tellingud" - kaitserühmad - eemaldati. Alles 1932. aastal leidis Fischeri õpilane M. Bergmann sellest olukorrast väljapääsu: ta tegi ettepaneku kaitsta aminohappe aminorühma karbobensoksürühmaga, mida saab eemaldada peptiidahelat kahjustamata.

Valkude süntees aminohapetest

Aastate jooksul on aminohapete omavaheliseks "ristsidumiseks" välja pakutud mitmeid niinimetatud pehmeid meetodeid. Kuid kõik need olid tegelikult vaid variatsioonid Fisheri meetodi teemal. Variatsioonid, milles oli kohati isegi raske algmeloodiat tabada. Aga põhimõte ise jäi samaks. Siiski jäid haavatavate rühmade kaitsmisega seotud raskused samaks. Nende raskuste ületamise eest tuli maksta reaktsioonietappide arvu suurendamisega: üks elementaarne toiming – kahe aminohappe kombinatsioon – jagati neljaks etapiks. Ja iga lisaetapp on vältimatu kaotus.

Isegi kui eeldada, et iga staadium on kasuliku saagisega 80% (ja see on hea saagis), siis nelja etapi järel "sulavad" need 80% 40%. Ja seda ainult dipeptiidi sünteesiga! Mis siis, kui aminohappeid on 8? Ja kui 51, nagu insuliinis? Lisage sellele raskused, mis on seotud aminohappe molekulide kahe optilise "peegel" vormi olemasoluga, millest reaktsioonis on vaja ainult ühte, ja lisage tekkinud peptiidide kõrvalsaadustest eraldamise probleemid, eriti juhtudel, kui need on võrdselt lahustuvad. Mis juhtub kokku: tee eikuski?

Ja ometi ei peatanud need raskused keemikuid. "Sinise linnu" jälitamine jätkus. 1954. aastal sünteesiti esimesed bioloogiliselt aktiivsed polüpeptiidhormoonid vasopressiin ja oksütotsiin. Neil oli kaheksa aminohapet. 1963. aastal sünteesiti 39-meeriline ACTH polüpeptiid, adrenokortikotroopne hormoon. Lõpuks sünteesisid USA, Saksamaa ja Hiina keemikud esimese valgu – hormooninsuliini.

Kuidas on, lugeja ütleb, et raske tee, selgub, ei viinud mitte kuhugi ega kuhugi, vaid paljude põlvkondade keemikute unistuse täitumiseni! See on verstaposti sündmus! Tõepoolest, see on märgiline sündmus. Aga hinnakem seda kainelt, loobudes sensatsioonilisusest, hüüumärkidest ja liigsetest emotsioonidest.

Keegi ei vaidle vastu: insuliini süntees on keemikute jaoks tohutu võit. See on kolossaalne, titaanlik teos, mis väärib kogu imetlust. Aga samas on ego sisuliselt vana polüpeptiidide keemia lagi. See on võit kaotuse äärel.

Valkude süntees ja insuliin

Insuliinis on 51 aminohapet. Nende õiges järjestuses ühendamiseks pidid keemikud läbi viima 223 reaktsiooni. Kui kolm aastat pärast esimese algust neist valmis sai viimane, jäi toote saagis alla ühe sajandikprotsendi. Kolm aastat, 223 etappi, sajandik protsenti – tuleb tunnistada, et võit on puhtalt sümboolne. Selle meetodi praktilisest rakendamisest on väga raske rääkida: selle rakendamisega seotud kulud on liiga suured. Kuid lõppkokkuvõttes ei räägi me orgaanilise keemia hiilguse hinnaliste säilmete sünteesist, vaid elutähtsa ravimi vabastamisest, mida vajavad tuhanded inimesed üle maailma. Seega on klassikaline polüpeptiidide sünteesi meetod ammendanud end kõige esimese, kõige lihtsama valguga. Nii et "sinilind" libises jälle keemikute käest?

Uus meetod valkude sünteesiks

Ligikaudu poolteist aastat enne seda, kui maailm sai teada insuliini sünteesist, vilksatas ajakirjanduses veel üks sõnum, mis algul erilist tähelepanu ei äratanud: Ameerika teadlane R. Maryfield pakkus välja uue meetodi peptiidide sünteesiks. Kuna autor ise ei andnud meetodile algul korralikku hinnangut ja selles oli palju vigu, nägi see esimesel ligikaudsel hinnangul isegi hullem välja kui olemasolevad. Kuid juba 1964. aasta alguses, kui Maryfieldil õnnestus oma meetodi abil viia lõpule 9-liikmelise hormooni süntees 70% kasuliku saagisega, olid teadlased üllatunud: 70% pärast kõiki etappe on 9% kasulik saagis igas etapis. süntees.

Uue meetodi põhiidee seisneb selles, et varem lahuses kaootilise liikumise meelevalda jäetud kasvavad peptiidiahelad seoti nüüd ühest otsast tahke kandja külge – need olid justkui sunnitud. lahusesse ankurdada. Maryfield võttis tahke vaigu ja "kinnitas" esimese peptiidiks kokku pandud aminohappe oma aktiivsete rühmadega karbonüülotsa kaudu. Reaktsioonid toimusid üksikute vaiguosakeste sees. Selle molekulide "labürintides" ilmusid esmakordselt tulevase peptiidi esimesed lühikesed võrsed. Seejärel viidi anumasse teine ​​aminohape, selle karbonüülotsad ühendati "kinnitatud" aminohappe vabade aminootstega ja osakestes kasvas peptiidi tulevase "ehitise" teine ​​"põrand". Niisiis, järk-järgult ehitati kogu peptiidpolümeer järk-järgult üles.

Uuel meetodil olid vaieldamatud eelised: ennekõike lahendas see tarbetute toodete eraldamise probleemi pärast iga aminohappe lisamist - need tooted pestakse kergesti maha ja peptiid jäi vaigugraanulite külge kinni. Samas jäeti välja kasvavate peptiidide lahustuvuse probleem, mis oli vana meetodi üks peamisi nuhtlusi; varem need sageli sadenesid, praktiliselt lakkades osalemast kasvuprotsessis. Pärast sünteesi lõppu tahkelt kandjalt “eemaldatud” peptiidid saadi peaaegu kõik sama suuruse ja struktuuriga, igal juhul oli hajuvus struktuuris väiksem kui klassikalise meetodi puhul. Ja vastavalt kasulikum väljund. Tänu sellele meetodile on peptiidide süntees – vaevarikas ja aeganõudev süntees – lihtsalt automatiseeritav.

Maryfield ehitas lihtsa masina, mis tegi ise vastavalt etteantud programmile kõik vajalikud toimingud – reaktiivide varustamine, segamine, tühjendamine, pesemine, doosi mõõtmine, uue portsjoni lisamine jne. Kui vana meetodi järgi kulus ühe aminohappe lisamiseks 2-3 päeva, siis Maryfield ühendas oma masinas 5 aminohapet päevaga. Erinevus on 15 korda.

Millised on raskused valkude sünteesil

Maryfieldi meetodi, mida nimetatakse tahkefaasiliseks ehk heterogeenseks, võtsid keemikud üle kogu maailma kohe kasutusele. Kuid pärast lühikest aega sai selgeks, et uuel meetodil on koos suurte eelistega ka mitmeid tõsiseid puudusi.

Peptiidahelate kasvades võib juhtuda, et mõnel neist on puudu näiteks kolmas "korrus" - järjekorras kolmas aminohape: selle molekul ei jõua ristmikuni, jäädes kuhugi tee äärde konstruktsiooni kinni. "metsik" tahke polümeer. Ja isegi siis, kui kõik teised aminohapped, alustades neljandast, asetsevad õiges järjekorras, ei päästa see enam olukorda. Saadud polüpeptiid oma koostiselt ja sellest tulenevalt ka omadustelt ei ole saadud ainega kuidagi seotud. Juhtub sama, mis telefoninumbri valimisel; tasub üks number vahele jätta - ja see, et oleme kõik ülejäänud õigesti sisestanud, ei aita meid enam. Selliseid valeahelaid on praktiliselt võimatu eraldada "päristest" ja ravim osutub lisanditega ummistunud. Lisaks selgub, et sünteesi ei saa läbi viia ühelgi vaigul – see tuleb hoolikalt valida, kuna kasvava peptiidi omadused sõltuvad teatud määral vaigu omadustest. Seetõttu tuleb valgusünteesi kõikidele etappidele läheneda võimalikult hoolikalt.

DNA valkude süntees, video

Ja lõpetuseks juhime teie tähelepanu õppevideole, kuidas toimub valkude süntees DNA molekulides.

Esiteks määrake valgu biosünteesi etappide järjestus, alustades transkriptsioonist. Kogu valgumolekulide sünteesi käigus toimuvate protsesside jada saab ühendada kaheks etapiks:

1. Transkriptsioon.

2. Saade.

Päriliku teabe struktuuriüksused on geenid - DNA molekuli lõigud, mis kodeerivad konkreetse valgu sünteesi. Keemilise korralduse poolest ei ole pro- ja eukarüootide pärilikkuse ja varieeruvuse materjal põhimõtteliselt erinev. Nendes leiduv geneetiline materjal on esitatud DNA molekulis, levinud on ka päriliku teabe ja geneetilise koodi salvestamise põhimõte. Samad aminohapped pro- ja eukarüootides on krüpteeritud samade koodonitega.

Kaasaegsete prokarüootsete rakkude genoomi iseloomustab suhteliselt väike suurus, Escherichia coli DNA on umbes 1 mm pikkuse ringikujuline. See sisaldab 4 x 10 6 aluspaari, moodustades umbes 4000 geeni. 1961. aastal avastasid F. Jacob ja J. Monod prokarüootsete geenide tsistroonilise ehk pideva organiseerituse, mis koosnevad täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest ja need realiseeruvad täielikult valgusünteesi käigus. Prokarüootide DNA molekuli pärilik materjal asub otse raku tsütoplasmas, kus paikneb ka tRNA ja geeniekspressiooniks vajalikud ensüümid Ekspressioon on geenide funktsionaalne aktiivsus ehk geeniekspressioon. Seetõttu on DNA-ga sünteesitud mRNA võimeline koheselt toimima matriitsina valgusünteesi translatsiooni protsessis.

Eukarüootne genoom sisaldab palju rohkem pärilikkust. Inimesel on diploidses kromosoomikomplektis DNA kogupikkus umbes 174 cm, see sisaldab 3 x 10 9 aluspaari ja sisaldab kuni 100 000 geeni. 1977. aastal avastati enamiku eukarüootsete geenide struktuuris katkestus, mida nimetati "mosaiikgeeniks". Sellel on kodeerivad nukleotiidjärjestused eksooniline ja intron krundid. Valkude sünteesiks kasutatakse ainult eksoniteavet. Intronite arv on erinevates geenides erinev. On kindlaks tehtud, et kana ovalbumiini geen sisaldab 7 intronit ja imetaja prokollageeni geen - 50. Vaikse DNA - intronite funktsioonid pole täielikult välja selgitatud. Eeldatakse, et need tagavad: 1) kromatiini struktuurse korralduse; 2) osa neist on ilmselgelt seotud geeniekspressiooni reguleerimisega; 3) introneid võib pidada varieeruvuse teabe hoidjaks; 4) nad võivad mängida kaitsvat rolli, võttes mutageenide toime.

Transkriptsioon

Teabe ümberkirjutamise protsessi raku tuumas DNA molekuli osast mRNA molekuliks (mRNA) nimetatakse transkriptsioon(lat. Transscriptio – ümberkirjutamine). Geeni esmane saadus mRNA sünteesitakse. See on esimene samm valkude sünteesis. DNA vastaval lõigul tunneb RNA polümeraasi ensüüm ära transkriptsiooni alguse märgi - eelvaade Lähtepunktiks peetakse esimest DNA nukleotiidi, mille ensüüm kaasab RNA transkripti. Kodeerivad piirkonnad algavad reeglina koodoniga AUG, mõnikord kasutatakse GUG-d bakterites. Kui RNA polümeraas seondub promootoriga, keeratakse DNA kaksikheeliks lokaalselt lahti ja üks ahelatest kopeeritakse vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. mRNA sünteesitakse, selle kokkupaneku kiirus ulatub 50 nukleotiidini sekundis. RNA polümeraasi liikumisel mRNA ahel kasvab ja kui ensüüm jõuab kopeerimiskoha lõppu - terminaator, liigub mRNA mallist eemale. Ensüümi taga olev DNA kaksikheeliks parandatakse.

Prokarüootide transkriptsioon toimub tsütoplasmas. Kuna DNA koosneb täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest, toimib sünteesitud mRNA kohe translatsiooni mallina (vt eespool).

MRNA transkriptsioon eukarüootides toimub tuumas. See algab suurte molekulide – prekursorite (pro-mRNA) sünteesiga, mida nimetatakse ebaküpseks ehk tuuma RNA-ks.Pro-mRNA geeni esmane saadus on transkribeeritud DNA piirkonna täpne koopia, sisaldab eksoneid ja introneid. Eelkäijatest küpsete RNA molekulide moodustumise protsessi nimetatakse töötlemine. mRNA küpsemine toimub splaissimine on ensüümide poolt tehtud pistikud piirata intronid ja saitide ühendamine transkribeeritud eksonijärjestustega ligaasensüümide poolt. (Joonis.) Küps mRNA on palju lühem kui pro-mRNA prekursormolekulid, nendes olevate intronite suurus varieerub vahemikus 100 kuni 1000 nukleotiidi või rohkem. Intronid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st.

Nüüd on näidatud, et see on võimalik alternatiivne splaissimine, milles saab ühest primaarsest transkriptist selle erinevates piirkondades kustutada nukleotiidjärjestused ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on iseloomulik imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemile, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal.

Pärast töötlemise lõpetamist valitakse küps mRNA enne tuumast lahkumist. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb tsütoplasmasse ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas.

Saade

Translatsioon (lat. Translatio – ülekanne, ülekanne) on mRNA molekuli nukleotiidjärjestuses sisalduva informatsiooni translatsioon polüpeptiidahela aminohappejärjestusse (joonis 10). See on valgusünteesi teine ​​etapp. Küpse mRNA ülekandmisel läbi tuumaümbrise pooride tekivad spetsiaalsed valgud, mis moodustavad RNA molekuliga kompleksi. Lisaks mRNA transpordile kaitsevad need valgud mRNA-d tsütoplasmaatiliste ensüümide kahjustava toime eest. Translatsiooniprotsessis mängivad keskset rolli tRNA-d, mis tagavad aminohappe täpse vastavuse mRNA tripleti koodile. Translatsiooni-dekodeerimise protsess toimub ribosoomides ja see viiakse läbi suunas 5 kuni 3. MRNA ja ribosoomide kompleksi nimetatakse polüsoomiks.

Tõlke võib jagada kolme faasi: initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.

Algatus.

Selles etapis pannakse kokku kogu valgumolekuli sünteesis osalev kompleks. Teatud mRNA kohas on kahe ribosoomi subühiku liit, millele on kinnitatud esimene aminoatsüül - tRNA ja see seab raami teabe lugemiseks. Iga mRNA molekul sisaldab saiti, mis on komplementaarne ribosoomi väikese subühiku rRNA-ga ja mida see spetsiifiliselt kontrollib. Selle kõrval asub initsieeriv stardikoodon AUG, mis kodeerib aminohapet metioniini.

Pikendamine

- see hõlmab kõiki reaktsioone alates esimese peptiidsideme moodustumise hetkest kuni viimase aminohappe kinnitumiseni. Ribosoomil on kaks kohta kahe tRNA molekuli sidumiseks. Esimene aminohappe metioniiniga t-RNA asub ühes sektsioonis, peptidüülis (P) ja sellest algab mistahes valgumolekuli süntees. Teine t-RNA molekul siseneb ribosoomi teise kohta – aminoatsüül (A) ja kinnitub selle koodonile. Metioniini ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside. Teine tRNA liigub koos oma mRNA koodoniga peptidüülkeskusesse. Polüpeptiidahelaga tRNA liikumisega aminoatsüültsentrist peptidüülkeskusesse kaasneb ribosoomi edasiliikumine piki mRNA-d ühele koodonile vastava sammu võrra. Metioniini tarninud tRNA naaseb tsütoplasmasse ja amnoatsüülkeskus vabaneb. See saab uue t-RNA aminohappega, mis on krüpteeritud järgmise koodoniga. Kolmanda ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside ning kolmas tRNA liigub koos mRNA koodoniga peptidüültsentrisse Elongatsiooniprotsess, valguahela pikenemine. See jätkub, kuni üks kolmest koodonist, mis ei kodeeri aminohappeid, siseneb ribosoomi. See on terminaatorkoodon ja sellele ei ole vastavat tRNA-d, seega ei saa ükski tRNA-dest aminoatsüülkeskuses kohta asuda.

Lõpetamine

- polüpeptiidide sünteesi lõpuleviimine. See on seotud ühe terminatsioonikoodoni (UAA, UAG, UGA) äratundmisega spetsiifilise ribosomaalse valgu poolt, kui see siseneb aminoatsüülkeskusesse. Ribosoomi külge on kinnitatud spetsiaalne terminatsioonifaktor, mis soodustab ribosoomi subühikute eraldumist ja sünteesitud valgu molekuli vabanemist. Peptiidi viimase aminohappe külge kinnitub vesi ja selle karboksüülots eraldatakse tRNA-st.

Peptiidahela kokkupanek toimub suurel kiirusel. Bakterites, mille temperatuur on 37 °C, väljendub see polüpeptiidile 12–17 aminohappe lisamises sekundis. Eukarüootsetes rakkudes lisatakse polüpeptiidile kaks aminohapet ühe sekundi jooksul.

Seejärel siseneb sünteesitud polüpeptiidahel Golgi kompleksi, kus valmib valgumolekuli ehitus (järjekorras ilmuvad teine, kolmas, neljas struktuur). Siin on valgu molekulide komplekseerumine rasvade ja süsivesikutega.

Kogu valkude biosünteesi protsess on esitatud skeemi kujul: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® polüpeptiidahela ® valk ® valgu kompleksi moodustamine ja nende muundumine funktsionaalselt aktiivseteks molekulideks.

Päriliku teabe rakendamise etapid kulgevad samuti sarnaselt: esiteks transkribeeritakse see mRNA nukleotiidjärjestuseks ja seejärel transleeritakse tRNA osalusel ribosoomidel polüpeptiidi aminohappejärjestuseks.

Eukarüootide transkriptsioon viiakse läbi kolme tuuma RNA polümeraasi toimel. RNA polümeraas 1 asub tuumas ja vastutab rRNA geenide transkriptsiooni eest. RNA polümeraas 2 leidub tuumamahlas ja vastutab mRNA prekursori sünteesi eest. RNA polümeraas 3 on väike osa tuumamahlas, mis sünteesib väikseid rRNA-sid ja tRNA-sid. RNA polümeraasid tunnevad spetsiifiliselt ära transkriptsioonipromootori nukleotiidjärjestuse. Eukarüootne mRNA sünteesitakse esmalt prekursorina (pro-mRNA), eksonitelt ja intronitelt saadav teave kantakse sinna maha. Sünteesitud mRNA on suurem kui translatsiooniks vajalik ja vähem stabiilne.

MRNA molekuli küpsemise käigus lõigatakse restriktsiooniensüümide abil välja intronid ja ligaasi ensüümide abil õmmeldakse kokku eksonid. MRNA küpsemist nimetatakse töötlemiseks ja eksonite liitumist splaissimiseks. Seega sisaldab küps mRNA ainult eksoneid ja on palju lühem kui tema eelkäija pro-mRNA. Introni suurused varieeruvad 100 kuni 10 000 nukleotiidi või rohkem. Intonid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st. Praeguseks on tõestatud alternatiivse splaissimise võimalus, mille käigus saab ühest primaarsest transkriptist selle erinevates piirkondades kustutada nukleotiidjärjestused ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on iseloomulik imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemile, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal. Pärast töötlemise lõpetamist valitakse küps mRNA enne tuumast tsütoplasmasse vabastamist. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas. Eukarüootsete geenide primaarsete transkriptonide transformatsioon, mis on seotud nende ekson-introni organisatsiooniga ja seoses küpse mRNA üleminekuga tuumast tsütoplasmasse, määrab eukarüootide geneetilise teabe realiseerimise tunnused. Seetõttu ei ole eukarüootne mosaiikgeen tsistronoomi geen, kuna kogu DNA järjestust ei kasutata valkude sünteesiks.

Valkude süntees rakus

Geneetika põhiküsimus on valgusünteesi küsimus. Võttes kokku andmed DNA ja RNA struktuuri ja sünteesi kohta, Crick 1960. a. pakkus välja valgusünteesi maatriksiteooria, mis põhineb kolmel sättel:

1. DNA ja RNA lämmastikualuste komplementaarsus.

2. Geenide paiknemise lineaarne järjestus DNA molekulis.

3. Päriliku informatsiooni ülekanne saab toimuda ainult nukleiinhappelt nukleiinhappele või valgule.

Valgult valgule on päriliku teabe ülekandmine võimatu. Seega saavad valgusünteesi malliks olla ainult nukleiinhapped.

Valkude süntees nõuab:

1. DNA (geenid), millel sünteesitakse molekule.

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

Valgu sünteesi protsessis eristatakse etappe: transkriptsioon ja translatsioon.

Transkriptsioon- nukleiinstruktuuri käsitleva teabe loendus (ümberkirjutamine) DNA-st RNA-ks (t-RNA ja RNA, r-RNA).

Päriliku teabe lugemine algab DNA teatud osast, mida nimetatakse promootoriks. Promootor asub enne geeni ja sisaldab umbes 80 nukleotiidi.

DNA molekuli välisahelas sünteesitakse i-RNA (vaheühend), mis toimib valgusünteesi maatriksina ja mida seetõttu nimetatakse maatriksiks. See on DNA ahela nukleotiidide järjestuse täpne koopia.

DNA-s on piirkondi, mis ei sisalda geneetilist informatsiooni (intronid). Teavet sisaldavaid DNA osi nimetatakse eksoniteks.

Tuumas on spetsiaalsed ensüümid, mis lõikavad välja introneid ja eksoni fragmendid “splaisseeritakse” ranges järjekorras kokku ühiseks niidiks, seda protsessi nimetatakse “splaissimiseks”. Splaissimise käigus moodustub küps mRNA, mis sisaldab valgusünteesiks vajalikku informatsiooni. Küps mRNA (maatriks-RNA) läbib tuumamembraani poorid ja siseneb endoplasmaatilise retikulumi (tsütoplasma) kanalitesse ning siin ühineb ribosoomidega.

Saade- i-RNA nukleotiidide järjestus transleeritakse sünteesitud valgu molekulis rangelt järjestatud aminohapete järjestuseks.

Translatsiooniprotsess hõlmab 2 etappi: aminohapete aktiveerimine ja valgu molekuli otsene süntees.

Üks mRNA molekul seostub 5-6 ribosoomiga, moodustades polüsoomid. Valkude süntees toimub mRNA molekulil, ribosoomid liiguvad seda mööda. Sel perioodil aktiveerivad tsütoplasmas paiknevad aminohapped spetsiaalsete ensüümide poolt, mida eritavad mitokondrite poolt sekreteeritud ensüümid, millest igaühel on oma spetsiifiline ensüüm.

Peaaegu koheselt seonduvad aminohapped teist tüüpi RNA-ga – madala molekulmassiga lahustuva RNA-ga, mis toimib mRNA molekuli aminohappekandjana ja mida nimetatakse transpordiks (t-RNA). tRNA kannab aminohapped ribosoomidesse kindlasse kohta, kus selleks ajaks asub mRNA molekul. Seejärel seotakse aminohapped omavahel peptiidsidemetega ja moodustub valgumolekul. Valgusünteesi lõpuks eraldub molekul järk-järgult mRNA-st.

Ühel mRNA molekulil moodustub 10-20 valgu molekuli ja mõnel juhul palju rohkem.

Valgusünteesi kõige ebaselgem küsimus on see, kuidas tRNA leiab sobiva mRNA saidi, mille külge selle kaasatud aminohape tuleb kinnitada.

DNA lämmastikualuste paigutusjärjestus, mis määrab sünteesitavas valgus aminohapete paigutuse, on geneetiline kood.

Kuna sama pärilikku teavet on nukleiinhapetes neli märki (lämmastikalused) ja valkudes kakskümmend (aminohapped). Geneetilise koodi probleem taandub nendevahelise vastavuse loomisele. Geneetikud, füüsikud ja keemikud mängisid geneetilise koodi dešifreerimisel olulist rolli.

Geneetilise koodi dešifreerimiseks tuli ennekõike välja selgitada, milline on minimaalne nukleotiidide arv, millega saab määrata (kodeerida) ühe aminohappe teket. Kui iga 20 aminohappest kodeeriks üks alus, siis DNA-s peaks olema 20 erinevat alust, kuid tegelikult on neid ainult 4. Ilmselgelt ei piisa kahe nukleotiidi kombinatsioonist ka 20 aminohappe kodeerimiseks. See suudab kodeerida ainult 16 aminohapet 4 2 = 16.

Seejärel tehti ettepanek, et kood sisaldab 3 nukleotiidi 4 3 = 64 kombinatsiooni ja seetõttu on see võimeline kodeerima rohkem kui piisavalt aminohappeid mis tahes valkude moodustamiseks. Seda kolme nukleotiidi kombinatsiooni nimetatakse kolmikkoodiks.

Koodil on järgmised omadused:

1. Geneetiline kood on kolmik(iga aminohapet kodeerib kolm nukleotiidi).

2. Degeneratsioon- ühte aminohapet võivad kodeerida mitmed kolmikud, erandiks on trüptofaan ja metioniin.

3. Ühe aminohappe koodonites on kaks esimest nukleotiidi samad ja kolmas muutub.

4.Mittekattuvus– kolmikud ei kattu üksteisega. Üks kolmik ei saa olla teise osa; igaüks neist kodeerib iseseisvalt oma aminohapet. Seetõttu võivad polüpeptiidahelas läheduses olla mis tahes kaks aminohapet ja võimalik on nende igasugune kombinatsioon, s.t. alusjärjestuses ABCDEFGHI kodeerivad kolm esimest alust 1 aminohapet (ABC-1), (DEF-2) jne.

5. Universaalne, need. kõikides organismides on teatud aminohapete koodonid samad (kummelist inimeseni). Koodeksi universaalsus annab tunnistust elu ühtsusest maa peal.

6. Põlvili- mRNA koodonite paigutuse kokkulangevus sünteesitud polüpeptiidahela aminohapete järjestusega.

Koodon on nukleotiidide kolmik, mis kodeerib ühte aminohapet.

7. Mõttetu See ei kodeeri ühtegi aminohapet. Valkude süntees selles kohas on katkenud.

Viimastel aastatel on selgunud, et mitokondrites rikutakse geneetilise koodi universaalsust, mitokondrites on oma tähendust muutnud neli koodonit, näiteks koodon UGA - vastused "STOP" asemel trüptofaanile - valgusünteesi seiskumine. . AUA - vastab metioniinile - "isoleutsiini" asemel.

Uute koodonite avastamine mitokondrites võib olla tõendiks selle kohta, et kood arenes ja et see ei muutunud kohe selliseks.

Laske skemaatiliselt väljendada pärilikku teavet geenist valgu molekulini.

DNA – RNA – valk

Rakkude keemilise koostise uurimine näitas, et sama organismi erinevad koed sisaldavad erinevat komplekti valgumolekule, kuigi neil on sama arv kromosoome ja sama geneetiline pärilik informatsioon.

Märgime järgmist asjaolu: hoolimata kogu organismi kõigi geenide olemasolust igas rakus, töötavad ühes rakus väga vähesed geenid - kümnendikest kuni mitme protsendini koguarvust. Ülejäänud alad on "vaikivad", neid blokeerivad spetsiaalsed valgud. See on arusaadav, miks näiteks hemoglobiini geenid närvirakus töötavad? Nii nagu rakk määrab, millised geenid vaikivad ja millised töötavad, tuleb eeldada, et rakus on mingi täiuslik geenide aktiivsust reguleeriv mehhanism, mis määrab, millised geenid peaksid antud hetkel aktiivsed olema ja millised mitteaktiivses (repressiivses) olekus. Sellist mehhanismi nimetati prantsuse teadlaste F. Jacobo ja J. Monodi järgi induktsiooniks ja repressiooniks.

Induktsioon- valgusünteesi stimuleerimine.

Repressioonid- valgusünteesi pärssimine.

Induktsioon tagab nende geenide töö, mis sünteesivad mõnda valku või ensüümi ja mis on raku selles eluetapis vajalik.

Loomadel on rakumembraani hormoonidel oluline roll geeniregulatsiooni protsessis; taimedes, keskkonnatingimustes ja muudes kõrgelt spetsialiseerunud induktiivpoolides.

Näide: kui söötmele lisatakse kilpnäärmehormooni, toimub kulleste kiire muutumine konnadeks.

Piimasuhkur (laktoos) on vajalik E (Coli) bakteri normaalseks funktsioneerimiseks. Kui keskkond, milles bakterid paiknevad, ei sisalda laktoosi, on need geenid repressiivses seisundis (st ei funktsioneeri). Söötmesse viidud laktoos on induktor, sealhulgas ensüümide sünteesi eest vastutavad geenid. Pärast laktoosi eemaldamist söötmest nende ensüümide süntees peatub. Seega võib repressori rolli täita aine, mis rakus sünteesitakse ja kui selle sisaldus ületab normi või kulub ära.

Valkude või ensüümide sünteesis osalevad erinevat tüüpi geenid.

Kõik geenid on DNA molekulis.

Nende funktsioonid ei ole samad:

- struktuurne - geenid, mis mõjutavad ensüümi või valgu sünteesi, paiknevad DNA molekulis järjestikku vastavalt nende mõjule sünteesireaktsiooni kulgemisele või võib öelda ka struktuurgeenid - need on geenid, mis kannavad teavet ensüümi või valgu sünteesi kohta. aminohappejärjestus.

- aktsepteerija- geenid ei kanna pärilikku informatsiooni valgu ehituse kohta, need reguleerivad struktuurgeenide tööd.

Enne kui struktuurgeenide rühm on nende jaoks tavaline geen - operaator, ja tema ees promootor. Üldiselt nimetatakse seda funktsionaalset rühma sulelised.

Kogu ühe operoni geenide rühm kaasatakse sünteesiprotsessi ja lülitatakse sellest korraga välja. Struktuurigeenide sisse- ja väljalülitamine on kogu reguleerimisprotsessi olemus.

Sisse- ja väljalülitamise funktsiooni täidab DNA molekuli spetsiaalne osa - geenioperaator. Geenioperaator on valgusünteesi või, nagu öeldakse, geneetilise teabe "lugemise" lähtepunkt. edasi samas molekulis mingil kaugusel on geen – regulaator, mille kontrolli all toodetakse valku, mida nimetatakse repressoriks.

Kõigest eelnevast on näha, et valgusüntees on väga raske. Raku geneetiline süsteem, kasutades repressiooni ja induktsiooni mehhanisme, saab vastu võtta signaale vajadusest alustada ja lõpetada teatud ensüümi süntees ning viia see protsess läbi etteantud kiirusega.

Kõrgemate organismide geenide toime reguleerimise probleem on loomakasvatuses ja meditsiinis väga praktilise tähtsusega. Valgusünteesi reguleerivate tegurite väljaselgitamine avaks laialdased võimalused ontogeneesi kontrollimiseks, luues nii kõrge produktiivsusega kui ka pärilikele haigustele resistentseid loomi.

Testi küsimused:

1. Nimeta geenide omadused.

2. Mis on geen?

3. Mis on DNA, RNA bioloogiline tähtsus.

4. Nimeta valgusünteesi etapid

5. Loetlege geneetilise koodi omadused.

Elu on valgumolekulide olemasolu protsess. Nii väljendavad seda paljud teadlased, kes on veendunud, et valk on kõige elava alus. Need hinnangud on täiesti õiged, sest nendel ainetel on rakus kõige rohkem põhifunktsioone. Kõik teised orgaanilised ühendid täidavad energiasubstraatide rolli ja energiat on jällegi vaja valgumolekulide sünteesiks.

Valkude biosünteesi etapi iseloomustus

Valgu struktuur on kodeeritud nukleiin- või RNA-s) koodonite kujul. See on pärilik teave, mis taastoodetakse iga kord, kui rakk vajab uut valgulist ainet. Biosünteesi algus on tuumas vajadusest sünteesida uus, juba antud omadustega valk.

Vastuseks sellele despiraliseeritakse nukleiinhappe piirkond, kus selle struktuur on kodeeritud. Seda kohta dubleerib messenger RNA ja kandub üle ribosoomidesse. Nad vastutavad maatriksil põhineva polüpeptiidahela ehitamise eest - messenger RNA. Lühidalt, kõik biosünteesi etapid on esitatud järgmiselt:

• transkriptsioon (kodeeritud valgustruktuuriga DNA tüki kahekordistamise etapp);
• töötlemine (informatsiooni RNA moodustumise etapp);
• translatsioon (valgu süntees rakus sõnumitooja RNA-l);
• translatsioonijärgne modifikatsioon (polüpeptiidi "küpsemine", selle põhistruktuuri moodustumine).

Nukleiinhapete transkriptsioon

Kogu valkude süntees rakus toimub ribosoomide kaudu ja teave molekulide kohta sisaldub nukleiin- või DNA-s). See asub geenides: iga geen on konkreetne valk. Geenid sisaldavad teavet uue valgu aminohappejärjestuse kohta. DNA puhul toimub geneetilise koodi eemaldamine järgmiselt:

• algab nukleiinhappe saidi vabanemine histoonidest, toimub despiralisatsioon;
• DNA polümeraas kahekordistab DNA osa, mis talletab valgu geeni;
• kahekordistunud sektsioon on messenger-RNA eelkäija, mida ensüümid töötlevad mittekodeerivate insertide eemaldamiseks (selle alusel sünteesitakse mRNA).

Messenger-RNA põhjal sünteesitakse mRNA. See on juba maatriks, mille järel toimub ribosoomidel (karedas endoplasmaatilises retikulumis) valgusüntees rakus.

Ribosomaalne valkude süntees

Messenger RNA-l on kaks otsa, mis on paigutatud 3`-5`. Valkude lugemine ja süntees ribosoomidel algab 5' otsast ja jätkub introni, piirkonnani, mis ei kodeeri ühtegi aminohapet. See juhtub nii:

• messenger RNA on "nööritud" ribosoomile, kinnitab esimese aminohappe;
• ribosoom nihkub mööda messenger-RNA-d ühe koodoni võrra;
• ülekande-RNA annab soovitud (antud mRNA koodoni poolt kodeeritud) alfa-aminohappe;
• aminohape liitub lähteaminohappega, moodustades dipeptiidi;
• seejärel nihutatakse mRNA uuesti ühe koodoni võrra, alfa-aminohape tuuakse üles ja kinnitub kasvava peptiidahela külge.

Kui ribosoom jõuab intronini (mittekodeeriv insert), liigub sõnumitooja RNA lihtsalt edasi. Seejärel, kui messenger RNA edeneb, jõuab ribosoom uuesti eksonini – kohta, mille nukleotiidjärjestus vastab konkreetsele aminohappele.

Sellest hetkest algab uuesti valgu monomeeride lisamine ahelasse. Protsess jätkub kuni järgmise introni ilmumiseni või kuni stoppkoodoni ilmumiseni. Viimane peatab polüpeptiidahela sünteesi, misjärel see loetakse lõppenuks ja algab molekuli postsünteetilise (translatsioonijärgse) modifitseerimise etapp.

Translatsioonijärgne modifikatsioon

Pärast translatsiooni toimub valkude süntees siledates tsisternides.Viimases on väike hulk ribosoome. Mõnes lahtris võivad need RES-is täielikult puududa. Selliseid alasid on vaja, et moodustada esmalt sekundaarne, seejärel tertsiaarne või, kui see on programmeeritud, kvaternaarne struktuur.

Kogu valkude süntees rakus toimub tohutu hulga ATP energia kulutamisega. Seetõttu on valkude biosünteesi säilitamiseks vaja kõiki teisi bioloogilisi protsesse. Lisaks on osa energiast vajalik valkude ülekandmiseks rakus aktiivse transpordi teel.

Paljud valgud viiakse modifitseerimiseks ühest kohast rakus teise. Eelkõige toimub translatsioonijärgne valgusüntees Golgi kompleksis, kus teatud struktuuriga polüpeptiidi külge on kinnitatud süsivesikute või lipiidide domeen.