synteza białek- jeden z głównych procesów metabolizmu w komórce. To jest synteza macierzy. Synteza białek wymaga DNA, mRNA, tRNA, rRNA (rybosomów), aminokwasów, enzymów, jonów magnezu, energii ATP. Główną rolę w określaniu struktury białka odgrywa DNA.

Informacja o sekwencji aminokwasowej w cząsteczce białka jest zakodowana w cząsteczce DNA. Sposób zapisywania informacji nazywa się kodowaniem. Kod genetyczny to system zapisu informacji o sekwencji aminokwasów w białkach z wykorzystaniem sekwencji nukleotydów w informacyjnym RNA.

Skład RNA obejmuje nukleotydy 4 typów: A, G, C, U. Skład cząsteczek białka obejmuje 20 aminokwasów. Każdy z 20 aminokwasów jest kodowany przez sekwencję 3 nukleotydów zwaną trójką lub kodonem. Z 4 nukleotydów można utworzyć 64 różne kombinacje po 3 nukleotydy każda (4 3 = 64).

Właściwości kodu genetycznego

1. Kod genetyczny tryplet:

2. Kod zdegenerowany. Oznacza to, że każdy aminokwas jest kodowany przez więcej niż jeden kodon (od 2 do 6):

3. Kod nienakładające się. Oznacza to, że kolejne kodony są kolejno ułożonymi trójkami nukleotydów:

4. uniwersalny dla wszystkich komórek (ludzkich, zwierzęcych, roślinnych).

5. Konkretny. Ten sam triplet nie może odpowiadać kilku aminokwasom.

6. Synteza białka zaczyna się od kodonu startowego (początkowego) NA ZEWNĄTRZ, który koduje aminokwas metioninę.

7. Synteza białek kończy się jednym z trzech kodony stop, aminokwasy niekodujące: UAT, UAA, UTA.

Tabela kodu genetycznego

Sekcja DNA zawierająca informacje o budowie konkretnego białka nazywana jest genem. Gen nie jest bezpośrednio zaangażowany w syntezę białek. Komunikator RNA (mRNA) jest mediatorem między genem a białkiem. DNA pełni rolę matrycy do syntezy mRNA w jądrze komórkowym. Cząsteczka DNA w sekcji genu rozwija się. Informacja jest zapisywana z jednego z jego łańcuchów do mRNA zgodnie z zasadą komplementarności zasad azotowych kwasów nukleinowych. Ten proces nazywa się transkrypcja. Transkrypcja zachodzi w jądrze komórkowym przy udziale enzymu polimerazy RNA i przy wykorzystaniu energii ATP (ryc. 37).

Ryż. 37. Transkrypcja.

Synteza białek odbywa się w cytoplazmie na rybosomach, gdzie mRNA służy jako matryca (ryc. 38). Translacja sekwencji trójek nukleotydów w cząsteczce mRNA na konkretną sekwencję aminokwasową nazywa się audycja. Zsyntetyzowany mRNA wychodzi przez pory w otoczce jądrowej do cytoplazmy komórki, łączy się z rybosomami, tworząc polirybosomy (polisomy). Każdy rybosom składa się z dwóch podjednostek - dużej i małej. mRNA przyłącza się do małej podjednostki w obecności jonów magnezu (ryc. 39).

Ryż. 38. Synteza białek.

Ryż. 39.Główne struktury zaangażowane w syntezę białek.

Transferowe RNA (tRNA) znajdują się w cytoplazmie. Każdy aminokwas ma swój własny tRNA. Cząsteczka tRNA na jednej z pętli ma tryplet nukleotydów (antykodon), który jest komplementarny do trypletu nukleotydów na mRNA (kodon).

Aminokwasy znajdujące się w cytoplazmie są aktywowane (oddziałują z ATP) i za pomocą enzymu syntetaza aminoacylo-tRNA są przyłączane do tRNA. Pierwszy (start) kodon mRNA – AUG – niesie informację o aminokwasie metioninie (ryc. 40). Kodon ten jest dopasowany przez cząsteczkę tRNA zawierającą komplementarny antykodon i niosącą pierwszy aminokwas metioninę. Zapewnia to połączenie dużych i małych podjednostek rybosomu. Drugi kodon mRNA dodaje tRNA zawierający antykodon komplementarny do tego kodonu. tRNA zawiera drugi aminokwas. Pomiędzy pierwszym a drugim aminokwasem powstaje wiązanie peptydowe. Rybosom z przerwami, trójka po trójce, porusza się wzdłuż mRNA. Pierwsze tRNA jest uwalniane i uwalniane do cytoplazmy, gdzie może łączyć się ze swoim aminokwasem.

Gdy rybosom porusza się wzdłuż mRNA, aminokwasy odpowiadające trojaczkom mRNA i importowanym tRNA są dodawane do łańcucha polipeptydowego (ryc. 41).

„Odczytywanie” przez rybosomy informacji zawartych w mRNA następuje do momentu osiągnięcia jednego z trzech kodonów stop (UAA, UGA, UAG). Łańcuch polipeptydowy

Ryż. 40. Synteza białek.

ALE- wiązanie aminoacylo - tRNA;

B- tworzenie wiązania peptydowego między metioniną a drugim aminokwasem;

W- przemieszczenie rybosomu o jeden kodon.

opuszcza rybosom i nabiera charakterystycznej dla tego białka struktury.

Bezpośrednią funkcją pojedynczego genu jest kodowanie struktury pewnego enzymu białkowego, który katalizuje jedną reakcję biochemiczną zachodzącą w określonych warunkach środowiskowych.

Gen (sekcja DNA) → mRNA → białko-enzym → reakcja biochemiczna → cecha dziedziczna.

Ryż. 41. Audycja.

Pytania do samokontroli

1. Gdzie w komórce zachodzi synteza białek?

2. Gdzie są rejestrowane informacje o syntezie białek?

3. Jakie właściwości ma kod genetyczny?

4. Od jakiego kodonu zaczyna się synteza białek?

5. Jakie kodony kończą syntezę białek?

6. Co to jest gen?

7. Jak i gdzie odbywa się transkrypcja?

8. Jak nazywają się tryplety nukleotydowe w cząsteczce mRNA?

9. Co to jest transmisja?

10. W jaki sposób aminokwas jest przyłączany do tRNA?

11. Jak nazywa się triplet nukleotydów w cząsteczce tRNA? 12. Który aminokwas zapewnia dużą i

mała podjednostka rybosomu?

13. Jak powstaje łańcuch polipeptydowy białka?

Słowa kluczowe tematu „Synteza białek”

zasady azotowe alanina

aminokwasy

antykodon

białko

reakcja biochemiczna

walina

gen

działanie kodu genetycznego

DNA

zapis informacji o jonach magnezu

mRNA

kodowanie

kodon

leucyna

matryca

metabolizm

metionina

dziedziczna cecha kwasy nukleinowe pętla wiązania peptydowego

pory polirybosomów

sekwencja pośrednia

zasada komplementarności rybosomów

rRNA

seryna

synteza

połączenie

sposób

Struktura

podjednostka

transkrypcja

audycja

tryplet

tRNA

intrygować

fenyloalanina

enzymy

łańcuch

cytoplazma

Energia ATP

Każda dziedzina nauki ma swojego „niebieskiego ptaka”; cybernetycy marzą o "myślących" maszynach, fizycy - o kontrolowanych reakcjach termojądrowych, chemicy - o syntezie "materii żywej" - białka. Synteza białek od dawna jest tematem powieści science fiction, symbolem nadchodzącej potęgi chemii. Tłumaczy się to ogromną rolą, jaką białko odgrywa w żywym świecie, oraz trudnościami, jakie nieuchronnie napotykał każdy śmiałek, który odważył się „skomponować” skomplikowaną mozaikę białkową z poszczególnych aminokwasów. I nawet nie samo białko, ale tylko peptydy.

Różnica między białkami i peptydami jest nie tylko terminologiczna, chociaż łańcuchy molekularne obu składają się z reszt aminokwasowych. Na pewnym etapie ilość zamienia się w jakość: łańcuch peptydowy - struktura pierwotna - nabywa zdolność zwijania się w spirale i kule, tworząc struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe, charakterystyczne już dla żywej materii. A potem peptyd staje się białkiem. Nie ma tu wyraźnej granicy – ​​na łańcuchu polimerowym nie można postawić demarkacji: dotychczas – peptyd, stąd – białko. Wiadomo jednak na przykład, że hormon adranokortykotropowy, składający się z 39 reszt aminokwasowych, jest polipeptydem, a hormon insulina, składający się z 51 reszt w postaci dwóch łańcuchów, jest już białkiem. Najprostsze, ale wciąż białko.

Metodę łączenia aminokwasów w peptydy odkrył na początku ubiegłego wieku niemiecki chemik Emil Fischer. Ale przez długi czas chemicy nie mogli poważnie myśleć nie tylko o syntezie białek czy 39-członowych peptydów, ale nawet o znacznie krótszych łańcuchach.

Proces syntezy białek

Aby połączyć ze sobą dwa aminokwasy, trzeba pokonać wiele trudności. Każdy aminokwas, podobnie jak dwulicowy Janus, ma dwie chemiczne powierzchnie: grupę kwasu karboksylowego na jednym końcu i grupę aminową na drugim. Jeśli grupa OH zostanie odjęta od karboksylu jednego aminokwasu, a atom wodoru od grupy aminowej drugiego, to dwie reszty aminokwasowe utworzone w tym przypadku mogą być połączone ze sobą wiązaniem peptydowym , w wyniku czego powstanie najprostszy z peptydów, dipeptyd. I oddzieli się cząsteczka wody. Powtarzając tę ​​operację można zwiększyć długość peptydu.

Jednak ta pozornie prosta operacja jest praktycznie trudna do zrealizowania: aminokwasy bardzo niechętnie łączą się ze sobą. Musimy je aktywować chemicznie i „podgrzać” jeden z końców łańcucha (najczęściej karboksylowego) i przeprowadzić reakcję, ściśle przestrzegając niezbędnych warunków. Ale to nie wszystko: druga trudność polega na tym, że nie tylko reszty różnych aminokwasów, ale także dwie cząsteczki tego samego kwasu mogą się ze sobą łączyć. W takim przypadku struktura zsyntetyzowanego peptydu będzie już różniła się od pożądanej. Co więcej, każdy aminokwas może mieć nie dwie, ale kilka „pięt achillesowych” – bocznych chemicznie aktywnych grup zdolnych do przyłączania reszt aminokwasowych.

Aby reakcja nie zboczyła z zadanego toru, konieczne jest zakamuflowanie tych fałszywych celów – „uszczelnienie” wszystkich reaktywnych grup aminokwasu, z wyjątkiem jednej, na czas trwania reakcji, poprzez przyłączenie tzw. -zwane im grupami ochronnymi. Jeśli tego nie zrobimy, cel będzie rósł nie tylko z obu końców, ale także na boki, a aminokwasy nie będą już mogły być połączone w danej sekwencji. Ale to jest właśnie znaczenie jakiejkolwiek ukierunkowanej syntezy.

Ale pozbywając się w ten sposób jednego problemu, chemicy stają przed drugim: po zakończeniu syntezy należy usunąć grupy ochronne. W czasach Fischera jako „ochronę” stosowano grupy odszczepione przez hydrolizę. Jednak reakcja hydrolizy zwykle okazywała się zbyt silnym „szokem” dla powstałego peptydu: jego trudna do zbudowania „konstrukcja” rozpadła się, gdy tylko usunięto z niego „rusztowanie” – grupy ochronne. Dopiero w 1932 roku uczeń Fischera M. Bergmann znalazł wyjście z tej sytuacji: zaproponował zabezpieczenie grupy aminowej aminokwasu grupą karbobenzoksy, którą można usunąć bez uszkadzania łańcucha peptydowego.

Synteza białek z aminokwasów

Na przestrzeni lat zaproponowano szereg tak zwanych miękkich metod „sieciowania” aminokwasów ze sobą. Jednak wszystkie były w rzeczywistości tylko wariacjami na temat metody Fishera. Wariacje, w których czasem nawet trudno było uchwycić oryginalną melodię. Ale sama zasada pozostała taka sama. Jednak trudności związane z ochroną wrażliwych grup pozostały takie same. Za pokonanie tych trudności trzeba było zapłacić zwiększeniem liczby etapów reakcji: jeden elementarny akt – połączenie dwóch aminokwasów – został podzielony na cztery etapy. A każdy dodatkowy etap to nieunikniona strata.

Nawet jeśli przyjmiemy, że każdy etap ma użyteczną wydajność 80% (a jest to dobra wydajność), to po czterech etapach te 80% „topi się” do 40%. A to z syntezą tylko dipeptydu! A jeśli jest 8 aminokwasów? A jeśli 51, jak w insulinie? Dodajmy do tego trudności związane z istnieniem dwóch optycznych „lustrzanych” form cząsteczek aminokwasów, z których tylko jedna jest potrzebna w reakcji, dodajmy problemy z oddzielaniem powstałych peptydów od produktów ubocznych, zwłaszcza w przypadkach, gdy są równie rozpuszczalne. Co się w sumie dzieje: Droga donikąd?

A jednak te trudności nie powstrzymały chemików. Pogoń za „niebieskim ptakiem” trwała nadal. W 1954 roku zsyntetyzowano pierwsze biologicznie czynne hormony polipeptydowe, wazopresynę i oksytocynę. Mieli osiem aminokwasów. W 1963 zsyntetyzowano 39-merowy polipeptyd ACTH, hormon adrenokortykotropowy. Wreszcie chemicy w Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Chinach zsyntetyzowali pierwsze białko – hormon insuliny.

Jak to jest, powie czytelnik, że trudna droga, jak się okazuje, nie prowadziła nigdzie ani nigdzie, ale do realizacji marzenia wielu pokoleń chemików! To przełomowe wydarzenie! Rzeczywiście, jest to przełomowe wydarzenie. Ale oceniajmy to trzeźwo, wyrzekając się sensacji, wykrzykników i nadmiernych emocji.

Nikt nie argumentuje: synteza insuliny to ogromne zwycięstwo chemików. To kolosalne, tytaniczne dzieło, godne wszelkiego podziwu. Ale jednocześnie ego jest w istocie pułapem starej chemii polipeptydów. To zwycięstwo na granicy klęski.

Synteza białek i insulina

W insulinie jest 51 aminokwasów. Aby połączyć je we właściwej kolejności, chemicy musieli przeprowadzić 223 reakcje. Gdy trzy lata po rozpoczęciu pierwszej z nich zakończono ostatnią, wydajność produktu wynosiła mniej niż jedna setna procenta. Trzy lata, 223 etapy, setne procent - trzeba przyznać, że zwycięstwo jest czysto symboliczne. Bardzo trudno mówić o praktycznym zastosowaniu tej metody: koszty związane z jej wdrożeniem są zbyt wysokie. Ale w ostatecznym rozrachunku nie mówimy o syntezie cennych reliktów chwały chemii organicznej, ale o uwolnieniu ważnego leku, którego potrzebują tysiące ludzi na całym świecie. Tak więc klasyczna metoda syntezy polipeptydów wyczerpała się na pierwszym, najprostszym białku. Czyli „niebieski ptak” znów wymknął się z rąk chemików?

Nowa metoda syntezy białek

Około półtora roku przed tym, jak świat dowiedział się o syntezie insuliny, w prasie pojawiła się kolejna wiadomość, która początkowo nie wzbudziła większego zainteresowania: amerykański naukowiec R. Maryfield zaproponował nową metodę syntezy peptydów. Ponieważ sam autor początkowo nie ocenił metody należycie, a było w niej wiele wad, w pierwszym przybliżeniu wyglądała jeszcze gorzej niż dotychczasowe. Jednak już na początku 1964 roku, kiedy Maryfieldowi udało się wykorzystać swoją metodę do zakończenia syntezy 9-członowego hormonu z użyteczną wydajnością 70%, naukowcy byli zdumieni: 70% po wszystkich etapach daje 9% użytecznej wydajności na każdym etapie synteza.

Główną ideą nowej metody jest to, że rosnące łańcuchy peptydów, które wcześniej były pozostawione łasce chaotycznego ruchu w roztworze, zostały teraz przywiązane na jednym końcu do stałego nośnika - były niejako wymuszone zakotwiczyć w rozwiązaniu. Maryfield wzięła stałą żywicę i „przyłączyła” pierwszy aminokwas złożony w peptyd do swoich grup aktywnych na końcu karbonylowym. Reakcje zachodziły wewnątrz poszczególnych cząstek żywicy. W „labiryntach” jego cząsteczek po raz pierwszy pojawiły się pierwsze krótkie pędy przyszłego peptydu. Następnie do naczynia wprowadzono drugi aminokwas, jego końce karbonylowe połączono z wolnymi końcami aminowymi „doczepionego” aminokwasu, aw cząsteczkach wyrosła kolejna „podłoga” przyszłego „budynku” peptydu. Tak więc, krok po kroku, stopniowo powstawał cały polimer peptydowy.

Nowa metoda miała niewątpliwe zalety: przede wszystkim rozwiązała problem oddzielania się zbędnych produktów po dodaniu każdego aminokwasu – produkty te łatwo się zmywały, a peptyd pozostawał przyczepiony do granulek żywicy. Jednocześnie wykluczono problem rozpuszczalności rosnących peptydów, jedną z głównych plag starej metody; wcześniej często wytrącały się, praktycznie przestając uczestniczyć w procesie wzrostu. Peptydy „usunięte” po zakończeniu syntezy ze stałego nośnika uzyskano prawie wszystkie o tej samej wielkości i strukturze, w każdym razie rozrzut w strukturze był mniejszy niż przy metodzie klasycznej. I odpowiednio bardziej użyteczne wyjście. Dzięki tej metodzie synteza peptydów - żmudna, czasochłonna synteza - jest łatwo zautomatyzowana.

Maryfield zbudowała prostą maszynę, która sama, zgodnie z zadanym programem, wykonywała wszystkie niezbędne operacje – dostarczanie odczynników, mieszanie, opróżnianie, mycie, odmierzanie dawki, dodawanie nowej porcji i tak dalej. Jeśli według starej metody dodanie jednego aminokwasu zajęło 2-3 dni, to Maryfield połączył 5 aminokwasów w ciągu dnia na swojej maszynie. Różnica wynosi 15 razy.

Jakie są trudności w syntezie białek

Metoda Maryfield, zwana fazą stałą lub heterogeniczną, została natychmiast przyjęta przez chemików na całym świecie. Jednak po krótkim czasie okazało się, że nowa metoda, oprócz głównych zalet, ma również szereg poważnych wad.

W miarę wzrostu łańcuchów peptydowych może się zdarzyć, że w niektórych z nich brakuje powiedzmy trzeciego „podłogi” - trzeciego aminokwasu z rzędu: jego cząsteczka nie dotrze do skrzyżowania, utknie gdzieś po drodze w strukturze „dziki” stały polimer. A potem, nawet jeśli wszystkie inne aminokwasy, zaczynając od czwartego, ułożą się we właściwej kolejności, nie uratuje to już sytuacji. Powstały polipeptyd w swoim składzie, a co za tym idzie w jego właściwościach, nie będzie miał nic wspólnego z otrzymaną substancją. To samo dzieje się, jak podczas wybierania numeru telefonu; warto pominąć jedną cyfrę - a fakt, że całą resztę wpisaliśmy poprawnie już nam nie pomoże. Oddzielenie takich fałszywych łańcuchów od „prawdziwych” jest prawie niemożliwe, a lek okazuje się zatkany zanieczyszczeniami. Dodatkowo okazuje się, że syntezy nie da się przeprowadzić na żadnej żywicy – ​​należy ją starannie dobierać, gdyż właściwości rosnącego peptydu w pewnym stopniu zależą od właściwości żywicy. Dlatego do wszystkich etapów syntezy białek należy podchodzić tak ostrożnie, jak to możliwe.

Synteza białek DNA, wideo

Na koniec zwracamy uwagę na film edukacyjny o tym, jak zachodzi synteza białek w cząsteczkach DNA.

Najpierw ustal kolejność etapów biosyntezy białka, zaczynając od transkrypcji. Całą sekwencję procesów zachodzących podczas syntezy cząsteczek białka można połączyć w 2 etapy:

1. Transkrypcja.

2. Audycja.

Jednostki strukturalne informacji dziedzicznej to geny - odcinki cząsteczki DNA, które kodują syntezę określonego białka. Pod względem organizacji chemicznej materiał dziedziczności i zmienności pro- i eukariontów nie różni się zasadniczo. Materiał genetyczny w nich prezentowany jest w cząsteczce DNA, powszechna jest również zasada rejestrowania informacji dziedzicznej i kodu genetycznego. Te same aminokwasy u pro- i eukariontów są zaszyfrowane przez te same kodony.

Genom współczesnych komórek prokariotycznych charakteryzuje się stosunkowo niewielkimi rozmiarami, DNA Escherichia coli ma postać pierścienia o długości około 1 mm. Zawiera 4 x 106 par zasad, tworząc około 4000 genów. W 1961 roku F. Jacob i J. Monod odkryli cistronową, ciągłą organizację genów prokariotycznych, które składają się wyłącznie z kodujących sekwencji nukleotydowych i są całkowicie realizowane podczas syntezy białek. Materiał dziedziczny cząsteczki DNA prokariontów znajduje się bezpośrednio w cytoplazmie komórki, gdzie znajdują się również tRNA i enzymy niezbędne do ekspresji genów Ekspresja jest czynnościową aktywnością genów lub ekspresją genów. Dlatego mRNA syntetyzowane z DNA jest w stanie natychmiast pełnić rolę matrycy w procesie translacji syntezy białek.

Genom eukariotyczny zawiera znacznie więcej materiału dziedzicznego. U ludzi całkowita długość DNA w diploidalnym zestawie chromosomów wynosi około 174 cm, zawiera 3 x 109 par zasad i zawiera do 100 000 genów. W 1977 r. odkryto nieciągłość w strukturze większości genów eukariotycznych, którą nazwano genem „mozaikowym”. Posiada kodujące sekwencje nukleotydowe egzoniczny oraz intron działki. Do syntezy białek wykorzystywana jest tylko informacja o eksonie. Liczba intronów różni się w różnych genach. Ustalono, że gen albuminy jaja kurzego zawiera 7 intronów, a gen prokolagenu ssaków – 50. Funkcje niemego DNA – intronów nie zostały do ​​końca wyjaśnione. Zakłada się, że zapewniają one: 1) strukturalną organizację chromatyny; 2) niektóre z nich są oczywiście zaangażowane w regulację ekspresji genów; 3) introny mogą być traktowane jako magazyn informacji o zmienności; 4) mogą pełnić funkcję ochronną, podejmując działanie mutagenów.

Transkrypcja

Proces przepisywania informacji w jądrze komórkowym z części cząsteczki DNA na cząsteczkę mRNA (mRNA) nazywa się transkrypcja(łac. Transcriptio - przepisywanie). Syntetyzowany jest główny produkt genu, mRNA. To pierwszy krok w syntezie białek. Na odpowiednim odcinku DNA enzym polimeraza RNA rozpoznaje znak początku transkrypcji - zapowiedź Za punkt wyjścia uważa się pierwszy nukleotyd DNA, który jest włączany przez enzym do transkryptu RNA. Z reguły regiony kodujące zaczynają się od kodonu AUG, czasami w bakteriach stosuje się GUG. Kiedy polimeraza RNA wiąże się z promotorem, podwójna helisa DNA jest lokalnie odkręcana, a jedna z nici jest kopiowana zgodnie z zasadą komplementarności. mRNA jest syntetyzowany, jego prędkość składania sięga 50 nukleotydów na sekundę. Gdy polimeraza RNA porusza się, łańcuch mRNA rośnie, a gdy enzym dociera do końca miejsca kopiowania - terminator, mRNA odsuwa się od matrycy. Naprawiana jest podwójna helisa DNA za enzymem.

Transkrypcja prokariontów odbywa się w cytoplazmie. Z uwagi na fakt, że DNA składa się wyłącznie z kodujących sekwencji nukleotydowych, zsyntetyzowany mRNA natychmiast działa jako matryca do translacji (patrz wyżej).

Transkrypcja mRNA u eukariontów zachodzi w jądrze. Rozpoczyna się syntezą dużych cząsteczek - prekursorów (pro-mRNA), zwanych niedojrzałym lub jądrowym RNA.Produktem pierwotnym genu pro-mRNA jest dokładna kopia transkrybowanego regionu DNA, obejmującego eksony i introny. Proces powstawania dojrzałych cząsteczek RNA z prekursorów nazywa się przetwarzanie. Dojrzewanie mRNA następuje przez splatanie są sadzonki przez enzymy restrykcja introny i łączenie miejsc z transkrybowanymi sekwencjami egzonów przez enzymy ligazy. (Rys.) Dojrzałe mRNA jest znacznie krótsze niż cząsteczki prekursora pro-mRNA, wielkość zawartych w nich intronów waha się od 100 do 1000 nukleotydów lub więcej. Introny stanowią około 80% wszystkich niedojrzałych mRNA.

Teraz pokazano, że jest to możliwe łączenie alternatywne, w którym sekwencje nukleotydowe można usunąć z jednego pierwotnego transkryptu w jego różnych regionach i powstanie kilka dojrzałych mRNA. Ten rodzaj splicingu jest charakterystyczny dla układu genów immunoglobulin u ssaków, co umożliwia tworzenie różnych typów przeciwciał w oparciu o pojedynczy transkrypt mRNA.

Po zakończeniu przetwarzania dojrzały mRNA jest wybierany przed opuszczeniem jądra. Ustalono, że tylko 5% dojrzałego mRNA wchodzi do cytoplazmy, a reszta jest rozszczepiana w jądrze.

Audycja

Translacja (łac. Translatio - transfer, transfer) - translacja informacji zawartych w sekwencji nukleotydowej cząsteczki mRNA na sekwencję aminokwasową łańcucha polipeptydowego (ryc. 10). To drugi etap syntezy białek. Przeniesienie dojrzałego mRNA przez pory otoczki jądrowej wytwarza specjalne białka, które tworzą kompleks z cząsteczką RNA. Oprócz transportu mRNA białka te chronią mRNA przed szkodliwym działaniem enzymów cytoplazmatycznych. W procesie translacji kluczową rolę odgrywają tRNA, które zapewniają dokładną zgodność aminokwasu z kodem tripletu mRNA. Proces dekodowania translacji zachodzi w rybosomach i przebiega w kierunku od 5 do 3. Kompleks mRNA i rybosomów nazywa się polisomami.

Translację można podzielić na trzy fazy: inicjację, elongację i zakończenie.

Inicjacja.

Na tym etapie składa się cały kompleks zaangażowany w syntezę cząsteczki białka. W pewnym obszarze mRNA występuje połączenie dwóch podjednostek rybosomów, do którego jest dołączony pierwszy aminoacylo - tRNA, co wyznacza ramkę do odczytu informacji. Każda cząsteczka mRNA ma miejsce, które jest komplementarne do rRNA małej podjednostki rybosomu i jest przez nią specyficznie kontrolowane. Obok znajduje się inicjujący kodon start AUG, który koduje aminokwas metioninę.

Wydłużenie

- obejmuje wszystkie reakcje od momentu powstania pierwszego wiązania peptydowego do przyłączenia ostatniego aminokwasu. Rybosom ma dwa miejsca do wiązania dwóch cząsteczek tRNA. Pierwszy t-RNA z aminokwasem metioniną znajduje się w jednej sekcji, peptydyl (P), i od niego rozpoczyna się synteza dowolnej cząsteczki białka. Druga cząsteczka t-RNA wchodzi w drugie miejsce rybosomu, aminoacylo (A) i łączy się z jego kodonem. Pomiędzy metioniną a drugim aminokwasem powstaje wiązanie peptydowe. Drugie tRNA przemieszcza się wraz ze swoim kodonem mRNA do centrum peptydylowego. Przemieszczeniu się t-RNA z łańcuchem polipeptydowym z centrum aminoacylowego do centrum peptydylowego towarzyszy postęp rybosomu wzdłuż mRNA o krok odpowiadający jednemu kodonowi. tRNA, które dostarczyło metioninę, powraca do cytoplazmy i uwalniane jest centrum amnoacylowe. Otrzymuje nowy t-RNA z aminokwasem zaszyfrowanym przez następny kodon. Pomiędzy trzecim a drugim aminokwasem powstaje wiązanie peptydowe, a trzeci tRNA wraz z kodonem mRNA przemieszcza się do centrum peptydylowego Proces wydłużania, wydłużania łańcucha białkowego. Trwa, dopóki jeden z trzech kodonów, które nie kodują aminokwasów, nie wejdzie do rybosomu. Jest to kodon terminatora i nie ma odpowiadającego mu tRNA, więc żaden z tRNA nie może zająć miejsca w centrum aminoacylowym.

Zakończenie

- zakończenie syntezy polipeptydów. Wiąże się to z rozpoznawaniem przez specyficzne białko rybosomalne jednego z kodonów terminacji (UAA, UAG, UGA) po wejściu do centrum aminoacylowego. Do rybosomu przyłączony jest specjalny czynnik terminacji, który sprzyja separacji podjednostek rybosomów i uwalnianiu zsyntetyzowanej cząsteczki białka. Woda jest przyłączona do ostatniego aminokwasu peptydu, a jej koniec karboksylowy jest oddzielony od tRNA.

Montaż łańcucha peptydowego odbywa się z dużą prędkością. U bakterii w temperaturze 37°C wyraża się to dodaniem 12 do 17 aminokwasów na sekundę do polipeptydu. W komórkach eukariotycznych dwa aminokwasy są dodawane do polipeptydu w ciągu jednej sekundy.

Zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy wchodzi następnie do kompleksu Golgiego, gdzie budowa cząsteczki białka jest zakończona (kolejno pojawiają się druga, trzecia, czwarta struktura). Tutaj następuje kompleksowanie cząsteczek białka z tłuszczami i węglowodanami.

Cały proces biosyntezy białek przedstawiono w postaci schematu: kompleksowanie białek DNA ® pro mRNA ® mRNA ® łańcuch polipeptydowy ® białka ® i ich transformacja w funkcjonalnie aktywne cząsteczki.

W podobny sposób przebiegają również etapy wdrażania informacji dziedzicznej: najpierw następuje jej transkrypcja na sekwencję nukleotydową mRNA, a następnie translacja na sekwencję aminokwasową polipeptydu na rybosomach z udziałem tRNA.

Transkrypcja eukariontów odbywa się pod wpływem trzech jądrowych polimeraz RNA. Polimeraza RNA 1 znajduje się w jąderku i jest odpowiedzialna za transkrypcję genów rRNA. Polimeraza RNA 2 znajduje się w soku jądrowym i jest odpowiedzialna za syntezę prekursora mRNA. Polimeraza RNA 3 to niewielka frakcja soku jądrowego, która syntetyzuje małe rRNA i tRNA. Polimerazy RNA specyficznie rozpoznają sekwencję nukleotydową promotora transkrypcji. Eukariotyczne mRNA jest najpierw syntetyzowane jako prekursor (pro-mRNA), do którego zapisywane są informacje z eksonów i intronów. Zsyntetyzowany mRNA jest większy niż niezbędny do translacji i jest mniej stabilny.

W procesie dojrzewania cząsteczki mRNA introny są wycinane za pomocą enzymów restrykcyjnych, a eksony zszywane za pomocą enzymów ligazy. Dojrzewanie mRNA nazywamy przetwarzaniem, a łączenie eksonów nazywamy splicingiem. Tak więc dojrzałe mRNA zawiera tylko eksony i jest znacznie krótsze niż jego poprzednik pro-mRNA. Rozmiary intronów wahają się od 100 do 10 000 nukleotydów lub więcej. Intony stanowią około 80% wszystkich niedojrzałych mRNA. Obecnie udowodniono możliwość alternatywnego splicingu, w którym sekwencje nukleotydowe można usunąć z jednego pierwotnego transkryptu w jego różnych regionach i powstanie kilka dojrzałych mRNA. Ten rodzaj splicingu jest charakterystyczny dla układu genów immunoglobulin u ssaków, co umożliwia tworzenie różnych typów przeciwciał w oparciu o pojedynczy transkrypt mRNA. Po zakończeniu przetwarzania dojrzały mRNA jest selekcjonowany przed uwolnieniem do cytoplazmy z jądra. Ustalono, że tylko 5% dojrzałego mRNA wchodzi, a reszta jest rozszczepiana w jądrze. Transformacja pierwotnych transkrypcji genów eukariotycznych, związana z ich organizacją egzon-intron oraz w związku z przejściem dojrzałego mRNA z jądra do cytoplazmy, determinuje cechy realizacji informacji genetycznej eukariontów. Dlatego gen mozaiki eukariotycznej nie jest genem cistronomu, ponieważ nie cała sekwencja DNA jest wykorzystywana do syntezy białek.

Synteza białek w komórce

Głównym pytaniem genetyki jest kwestia syntezy białek. Podsumowując dane dotyczące struktury i syntezy DNA i RNA, Crick w 1960 r. zaproponował macierzową teorię syntezy białek w oparciu o 3 zapisy:

1. Komplementarność zasad azotowych DNA i RNA.

2. Liniowa sekwencja lokalizacji genów w cząsteczce DNA.

3. Przeniesienie informacji dziedzicznej może nastąpić tylko z kwasu nukleinowego do kwasu nukleinowego lub do białka.

Z białka na białko transfer informacji dziedzicznych jest niemożliwy. Zatem tylko kwasy nukleinowe mogą być matrycą do syntezy białek.

Synteza białek wymaga:

1. DNA (geny), na którym syntetyzowane są cząsteczki.

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

W procesie syntezy białek rozróżnia się etapy: transkrypcję i translację.

Transkrypcja- spis (przepisywanie) informacji o strukturze nukleinowej z DNA na RNA (t-RNA i RNA, r-RNA).

Odczytywanie informacji dziedzicznych rozpoczyna się od pewnego odcinka DNA, który nazywa się promotorem. Promotor znajduje się przed genem i zawiera około 80 nukleotydów.

Na zewnętrznym łańcuchu cząsteczki DNA syntetyzowany jest i-RNA (pośredni), który służy jako macierz do syntezy białek i dlatego jest nazywany macierzą. Jest to dokładna kopia sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA.

W DNA są regiony, które nie zawierają informacji genetycznej (introny). Sekcje DNA, które zawierają informacje, nazywane są eksonami.

W jądrze znajdują się specjalne enzymy, które wycinają introny, a fragmenty egzonów są „splatane” w ściśle określonej kolejności we wspólną nić, proces ten nazywa się „splataniem”. Podczas splicingu powstaje dojrzałe mRNA, które zawiera informacje niezbędne do syntezy białek. Dojrzały mRNA (macierz RNA) przechodzi przez pory błony jądrowej i wchodzi do kanałów retikulum endoplazmatycznego (cytoplazmy) i tutaj łączy się z rybosomami.

Audycja- sekwencja nukleotydów w i-RNA jest tłumaczona na ściśle uporządkowaną sekwencję aminokwasów w syntetyzowanej cząsteczce białka.

Proces translacji obejmuje 2 etapy: aktywację aminokwasów i bezpośrednią syntezę cząsteczki białka.

Jedna cząsteczka mRNA wiąże się z 5-6 rybosomami, tworząc polisomy. Synteza białek zachodzi na cząsteczce mRNA, wzdłuż której poruszają się rybosomy. W tym okresie aminokwasy znajdujące się w cytoplazmie są aktywowane przez specjalne enzymy wydzielane przez enzymy wydzielane przez mitochondria, każdy z własnym specyficznym enzymem.

Niemal natychmiast aminokwasy wiążą się z innym rodzajem RNA – rozpuszczalnym RNA o małej masie cząsteczkowej, który działa jako nośnik aminokwasu w cząsteczce mRNA i jest nazywany transportem (t-RNA). tRNA przenosi aminokwasy do rybosomów w określone miejsce, gdzie do tego czasu znajduje się cząsteczka mRNA. Następnie aminokwasy są połączone wiązaniami peptydowymi i powstaje cząsteczka białka. Pod koniec syntezy białka cząsteczka stopniowo zrzuca mRNA.

Na jednej cząsteczce mRNA powstaje 10-20 cząsteczek białka, aw niektórych przypadkach znacznie więcej.

Najbardziej niejasnym pytaniem w syntezie białek jest to, w jaki sposób tRNA znajduje odpowiednie miejsce mRNA, do którego musi być dołączony aminokwas, który dostarcza.

Sekwencja ułożenia zasad azotowych w DNA, która determinuje ułożenie aminokwasów w syntetyzowanym białku, jest kodem genetycznym.

Ponieważ ta sama informacja dziedziczna jest „zapisana” w kwasach nukleinowych przez cztery znaki (zasady azotowe), a w białkach przez dwadzieścia (aminokwasy). Problem kodu genetycznego sprowadza się do ustalenia między nimi korespondencji. Genetycy, fizycy i chemicy odegrali ważną rolę w rozszyfrowaniu kodu genetycznego.

Aby rozszyfrować kod genetyczny, trzeba było przede wszystkim dowiedzieć się, jaka jest minimalna liczba nukleotydów, które mogą determinować (kodować) powstawanie jednego aminokwasu. Gdyby każdy z 20 aminokwasów był kodowany przez jedną zasadę, to DNA musiałoby mieć 20 różnych zasad, ale w rzeczywistości jest ich tylko 4. Oczywiście kombinacja dwóch nukleotydów również nie wystarcza do zakodowania 20 aminokwasów. Może kodować tylko 16 aminokwasów 4 2 = 16.

Następnie zaproponowano, że kod zawiera 3 nukleotydy 4 3 = 64 kombinacje, a zatem jest w stanie zakodować więcej niż wystarczającą ilość aminokwasów do utworzenia dowolnych białek. Ta kombinacja trzech nukleotydów nazywana jest kodem trypletowym.

Kod ma następujące właściwości:

1. Kod genetyczny jest trójką(każdy aminokwas jest kodowany przez trzy nukleotydy).

2. Degeneracja- jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trypletów, wyjątkiem są tryptofan i metionina.

3. W kodonach dla jednego aminokwasu pierwsze dwa nukleotydy są takie same, a trzeci zmienia się.

4. Nie nakładające się– trojaczki nie nakładają się na siebie. Jeden triplet nie może być częścią drugiego, każdy z nich niezależnie koduje własny aminokwas. W związku z tym w łańcuchu polipeptydowym mogą znajdować się dowolne dwa aminokwasy i możliwa jest dowolna ich kombinacja, tj. w sekwencji zasad ABCDEFGHI pierwsze trzy zasady kodują 1 aminokwas (ABC-1), (DEF-2) itd.

5.uniwersalny, tych. we wszystkich organizmach kodony dla niektórych aminokwasów są takie same (od rumianku do człowieka). Uniwersalność kodeksu świadczy o jedności życia na ziemi.

6. Klęcząc- zbieżność rozmieszczenia kodonów w mRNA z kolejnością aminokwasów w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym.

Kodon to triplet nukleotydów, który koduje 1 aminokwas.

7. Bez sensu Nie koduje żadnego aminokwasu. Synteza białek w tym miejscu zostaje przerwana.

W ostatnich latach stało się jasne, że w mitochondriach naruszana jest uniwersalność kodu genetycznego, cztery kodony w mitochondriach zmieniły swoje znaczenie, np. kodon UGA – odpowiedzi na tryptofan zamiast „STOP” – zaprzestanie syntezy białek . AUA – odpowiada metioninie – zamiast „izoleucyny”.

Odkrycie nowych kodonów w mitochondriach może służyć jako dowód na to, że kod ewoluował i nie stał się nim od razu.

Niech informacja dziedziczna od genu do cząsteczki białka może być wyrażona schematycznie.

DNA - RNA - białko

Badanie składu chemicznego komórek wykazało, że różne tkanki tego samego organizmu zawierają inny zestaw cząsteczek białkowych, chociaż mają tę samą liczbę chromosomów i tę samą genetyczną informację dziedziczną.

Zwracamy uwagę na następującą okoliczność: pomimo obecności w każdej komórce wszystkich genów całego organizmu, bardzo niewiele genów działa w jednej komórce - od dziesiątych do kilku procent całkowitej liczby. Pozostałe obszary są „ciche”, są blokowane przez specjalne białka. To zrozumiałe, dlaczego np. geny hemoglobiny działają w komórce nerwowej? Tak jak komórka dyktuje, które geny mają milczeć, a które działać, tak należy założyć, że ma jakiś doskonały mechanizm regulujący aktywność genów, który determinuje, które geny powinny być w danym momencie aktywne, a które powinny być aktywne. w stanie nieaktywnym (represyjnym). Taki mechanizm, według francuskich naukowców F. Jacobo i J. Monoda, nazwano indukcją i represją.

Wprowadzenie- stymulacja syntezy białek.

Represja- hamowanie syntezy białek.

Indukcja zapewnia pracę tych genów, które syntetyzują białko lub enzym i które są niezbędne na tym etapie życia komórki.

U zwierząt hormony błony komórkowej odgrywają ważną rolę w procesie regulacji genów; w roślinach, warunkach środowiskowych i innych wysokospecjalistycznych wzbudnikach.

Przykład: po dodaniu hormonu tarczycy do pożywki następuje szybka przemiana kijanek w żaby.

Cukier mleczny (laktoza) jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania bakterii E (Coli). Jeśli środowisko, w którym znajdują się bakterie, nie zawiera laktozy, geny te są w stanie represyjnym (tzn. nie funkcjonują). Wprowadzona do pożywki laktoza jest induktorem, w tym genami odpowiedzialnymi za syntezę enzymów. Po usunięciu laktozy z pożywki synteza tych enzymów ustaje. Tak więc rolę represora może pełnić substancja, która jest syntetyzowana w komórce i jeśli jej zawartość przekracza normę lub jest zużyta.

W syntezę białek lub enzymów zaangażowane są różne typy genów.

Wszystkie geny znajdują się w cząsteczce DNA.

Ich funkcje nie są takie same:

- strukturalne - geny wpływające na syntezę enzymu lub białka znajdują się w cząsteczce DNA sekwencyjnie jeden po drugim w kolejności ich wpływu na przebieg reakcji syntezy, można też powiedzieć geny strukturalne – są to geny niosące informacje o sekwencja aminokwasów.

- akceptor- geny nie niosą dziedzicznej informacji o budowie białka, regulują pracę genów strukturalnych.

Zanim grupa genów strukturalnych będzie dla nich wspólnym genem - operator, i przed nim promotor. Ogólnie ta grupa funkcyjna nazywa się pierzasty.

Cała grupa genów jednego operonu jest włączana w proces syntezy i jednocześnie z niego wyłączana. Włączanie i wyłączanie genów strukturalnych to istota całego procesu regulacji.

Funkcję włączania i wyłączania pełni specjalna sekcja cząsteczki DNA - operator genu. Operator genu jest punktem wyjścia syntezy białek lub, jak mówią, „odczytywania” informacji genetycznej. dalej w tej samej cząsteczce w pewnej odległości znajduje się gen - regulator, pod kontrolą którego wytwarzane jest białko zwane represorem.

Z powyższego wynika, że ​​synteza białek jest bardzo trudna. System genetyczny komórki, wykorzystując mechanizmy represji i indukcji, może odbierać sygnały o potrzebie rozpoczęcia i zakończenia syntezy danego enzymu i przeprowadzenia tego procesu w określonym tempie.

Problem regulacji działania genów w organizmach wyższych ma ogromne znaczenie praktyczne w hodowli zwierząt i medycynie. Stworzenie czynników regulujących syntezę białek otworzyłoby szerokie możliwości kontrolowania ontogenezy, tworzenia zwierząt wysokoproduktywnych, a także odpornych na choroby dziedziczne.

Pytania testowe:

1. Wymień właściwości genów.

2. Co to jest gen?

3. Jakie jest biologiczne znaczenie DNA, RNA.

4. Nazwij etapy syntezy białek

5. Wymień właściwości kodu genetycznego.

Życie to proces istnienia cząsteczek białka. Tak wyraża to wielu naukowców, którzy są przekonani, że białko jest podstawą wszystkich żywych istot. Te sądy są absolutnie poprawne, ponieważ te substancje w komórce pełnią największą liczbę podstawowych funkcji. Wszystkie inne związki organiczne pełnią rolę substratów energetycznych, a energia jest ponownie potrzebna do syntezy cząsteczek białka.

Etapowa charakterystyka biosyntezy białek

Struktura białka jest zakodowana w nukleinie lub RNA) w postaci kodonów. Jest to informacja dziedziczna, która jest odtwarzana za każdym razem, gdy komórka potrzebuje nowej substancji białkowej. Początek biosyntezy tkwi w jądrze komórkowym o potrzebie syntezy nowego białka o już danych właściwościach.

W odpowiedzi na to następuje despiralizacja regionu kwasu nukleinowego, w którym kodowana jest jego struktura. To miejsce jest powielane przez informacyjne RNA i przenoszone do rybosomów. Odpowiadają za budowę łańcucha polipeptydowego opartego na matrixie – informacyjnym RNA. W skrócie wszystkie etapy biosyntezy przedstawiono w następujący sposób:

• transkrypcja (etap podwojenia fragmentu DNA o zakodowanej strukturze białka);
• przetwarzanie (etap tworzenia informacji RNA);
• translacja (synteza białek w komórce na podstawie informacyjnego RNA);
• modyfikacja potranslacyjna („dojrzewanie” polipeptydu, tworzenie jego całej struktury).

Transkrypcja kwasów nukleinowych

Cała synteza białek w komórce jest przeprowadzana przez rybosomy, a informacja o cząsteczkach zawarta jest w nukleinie lub DNA). Znajduje się w genach: każdy gen jest specyficznym białkiem. Geny zawierają informacje o sekwencji aminokwasowej nowego białka. W przypadku DNA usunięcie kodu genetycznego odbywa się w ten sposób:

• rozpoczyna się uwalnianie miejsca kwasu nukleinowego z histonów, następuje despiralizacja;
• Polimeraza DNA podwaja część DNA przechowującą gen białka;
• podwojone miejsce jest prekursorem informacyjnego RNA, które jest przetwarzane przez enzymy w celu usunięcia niekodujących wstawek (na jego podstawie syntetyzowany jest mRNA).

Na podstawie informacyjnego RNA syntetyzuje się mRNA. To już macierz, po której synteza białek w komórce zachodzi na rybosomach (w szorstkiej siateczce endoplazmatycznej).

Synteza białek rybosomalnych

Posłaniec RNA ma dwa końce ułożone w układzie 3`-5`. Odczytywanie i synteza białek na rybosomach rozpoczyna się na końcu 5' i prowadzi do intronu, regionu, który nie koduje żadnego z aminokwasów. Dzieje się tak:

• informacyjne RNA jest „naciągnięte” na rybosom, przyłącza pierwszy aminokwas;
• rybosom przesuwa się wzdłuż informacyjnego RNA o jeden kodon;
• transferowy RNA dostarcza pożądany (kodowany przez dany kodon mRNA) alfa-aminokwas;
• aminokwas łączy się z aminokwasem wyjściowym, tworząc dipeptyd;
• następnie mRNA jest ponownie przesunięty o jeden kodon, alfa-aminokwas jest wychowywany i przyłączany do rosnącego łańcucha peptydowego.

Gdy rybosom dotrze do intronu (wstawka niekodująca), informacyjne RNA po prostu porusza się dalej. Następnie, w miarę postępu informacyjnego RNA, rybosom ponownie dociera do eksonu – miejsca, którego sekwencja nukleotydów odpowiada określonemu aminokwasowi.

Od tego momentu rozpoczyna się ponownie dodawanie monomerów białkowych do łańcucha. Proces trwa do pojawienia się następnego intronu lub do kodonu stop. Ta ostatnia zatrzymuje syntezę łańcucha polipeptydowego, po czym uważa się ją za zakończoną i rozpoczyna się etap postsyntetycznej (potranslacyjnej) modyfikacji cząsteczki.

Modyfikacja potranslacyjna

Po translacji synteza białek zachodzi w gładkich cysternach, które zawierają niewielką liczbę rybosomów. W niektórych komórkach mogą być całkowicie nieobecne w OZE. Takie obszary są potrzebne, aby utworzyć najpierw strukturę drugorzędową, potem trzeciorzędową lub, jeśli zaprogramowano, strukturę czwartorzędową.

Cała synteza białek w komórce zachodzi z wydatkowaniem ogromnej ilości energii ATP. Dlatego do utrzymania biosyntezy białek potrzebne są wszystkie inne procesy biologiczne. Ponadto część energii jest potrzebna do transportu białek w komórce poprzez transport aktywny.

Wiele białek jest przenoszonych z jednego miejsca w komórce do drugiego w celu modyfikacji. W szczególności potranslacyjna synteza białek zachodzi w kompleksie Golgiego, gdzie domena węglowodanowa lub lipidowa jest przyłączona do polipeptydu o określonej strukturze.