proteinsyntes- en av huvudprocesserna för metabolism i cellen. Detta är matrissyntes. Proteinsyntes kräver DNA, mRNA, tRNA, rRNA (ribosomer), aminosyror, enzymer, magnesiumjoner, ATP-energi. Huvudrollen för att bestämma strukturen av ett protein tillhör DNA.

Information om aminosyrasekvensen i en proteinmolekyl kodas i DNA-molekylen. Metoden för att registrera information kallas kodning. Den genetiska koden är ett system för att registrera information om sekvensen av aminosyror i proteiner med hjälp av sekvensen av nukleotider i budbärar-RNA.

Sammansättningen av RNA inkluderar nukleotider av 4 typer: A, G, C, U. Sammansättningen av proteinmolekyler inkluderar 20 aminosyror. Var och en av de 20 aminosyrorna kodas av en sekvens av 3 nukleotider som kallas en triplett eller kodon. Från 4 nukleotider kan 64 olika kombinationer av 3 nukleotider vardera skapas (4 3 = 64).

Egenskaper för den genetiska koden

1. Genetisk kod trilling:

2. Kod degenererad. Detta betyder att varje aminosyra kodas av mer än ett kodon (från 2 till 6):

3. Kod ej överlappande. Detta betyder att på varandra följande kodon är sekventiellt arrangerade tripletter av nukleotider:

4. Universell för alla celler (människor, djur, växter).

5. Specifika. Samma triplett kan inte motsvara flera aminosyror.

6. Proteinsyntes startar från startkodonet (initial). UT, som kodar för aminosyran metionin.

7. Proteinsyntes slutar med en av tre stoppa kodon, icke-kodande aminosyror: UAT, UAA, UTA.

Tabell över den genetiska koden

En del av DNA som innehåller information om strukturen hos ett visst protein kallas en gen. Genen är inte direkt involverad i proteinsyntesen. Messenger RNA (mRNA) är mediatorn mellan en gen och ett protein. DNA spelar rollen som mall för mRNA-syntes i cellkärnan. DNA-molekylen i gensektionen lindas upp. Information skrivs från en av dess kedjor till mRNA i enlighet med principen om komplementaritet mellan nukleinsyrors kvävebaser. Denna process kallas transkription. Transkription sker i cellkärnan med deltagande av RNA-polymerasenzymet och med hjälp av energin från ATP (Fig. 37).

Ris. 37. Transkription.

Proteinsyntes utförs i cytoplasman på ribosomer, där mRNA fungerar som mall (Fig. 38). Översättningen av en sekvens av nukleotidtripletter i en mRNA-molekyl till en specifik aminosyrasekvens kallas utsända. Det syntetiserade mRNA:t går ut genom porerna i kärnhöljet in i cellens cytoplasma, kombineras med ribosomer och bildar polyribosomer (polysomer). Varje ribosom består av två underenheter - stora och små. mRNA fäster till den lilla subenheten i närvaro av magnesiumjoner (Fig. 39).

Ris. 38. Proteinsyntes.

Ris. 39.De huvudsakliga strukturerna involverade i proteinsyntes.

Transfer-RNA (tRNA) finns i cytoplasman. Varje aminosyra har sitt eget tRNA. tRNA-molekylen på en av slingorna har en triplett av nukleotider (antikodon), som är komplementär till tripletten av nukleotider på mRNA (kodon).

Aminosyror som finns i cytoplasman aktiveras (interagerar med ATP) och fästs med hjälp av enzymet aminoacyl-tRNA-syntetas till tRNA. Det första (start)kodonet av mRNA - AUG - bär information om aminosyran metionin (Fig. 40). Detta kodon matchas av en tRNA-molekyl som innehåller ett komplementärt antikodon och som bär den första aminosyran metionin. Detta säkerställer anslutningen av de stora och små underenheterna av ribosomen. Det andra mRNA-kodonet lägger till ett tRNA som innehåller ett antikodon som är komplementärt till detta kodon. tRNA innehåller en andra aminosyra. En peptidbindning bildas mellan den första och andra aminosyran. Ribosomen rör sig intermittent, triplett för triplett, längs mRNA. Det första tRNA:t frisätts och släpps ut i cytoplasman, där det kan kombineras med sin aminosyra.

När ribosomen rör sig längs mRNA, läggs aminosyror som motsvarar mRNA-tripletter och importerade tRNA till polypeptidkedjan (Fig. 41).

"Avläsning" av ribosomen av informationen i mRNA sker tills den når ett av de tre stoppkodonen (UAA, UGA, UAG). Polypeptidkedja

Ris. 40. Proteinsyntes.

MEN- bindande aminoacyl - tRNA;

B- bildande av en peptidbindning mellan metionin och den andra aminosyran;

PÅ- rörelse av ribosomen med ett kodon.

lämnar ribosomen och får den struktur som är karakteristisk för detta protein.

En enskild gens direkta funktion är att koda för strukturen av ett visst proteinenzym som katalyserar en biokemisk reaktion som sker under vissa miljöförhållanden.

Gen (sektion av DNA) → mRNA → protein-enzym → biokemisk reaktion → ärftlig egenskap.

Ris. 41. Utsända.

Frågor för självkontroll

1. Var sker proteinsyntesen i cellen?

2. Var finns information om proteinsyntes registrerad?

3. Vilka egenskaper har den genetiska koden?

4. Vilket kodon börjar proteinsyntesen med?

5. Vilka kodon avslutar proteinsyntesen?

6. Vad är en gen?

7. Hur och var sker transkription?

8. Vad kallas nukleotidtripletter i en mRNA-molekyl?

9. Vad sänds?

10. Hur fästs en aminosyra till tRNA?

11. Vad heter en triplett av nukleotider i en tRNA-molekyl? 12. Vilken aminosyra ger en stor och

liten underenhet av ribosomen?

13. Hur är bildningen av en polypeptidkedja av ett protein?

Nyckelord för ämnet "Proteinsyntes"

kvävehaltiga baser alanin

aminosyror

antikodon

protein

biokemisk reaktion

valin

gen

genetisk kodverkan

DNA

registrera information magnesiumjoner

mRNA

kodning

kodon

leucin

matris

ämnesomsättning

metionin

ärftlig egenskap nukleinsyror peptidbindningsslinga

polyribosompor

mellanliggande sekvens

principen om ribosomkomplementaritet

rRNA

serin

syntes

kombination

sätt

strukturera

underenhet

transkription

utsända

trilling

tRNA

komplott

fenylalanin

enzymer

kedja

cytoplasma

ATP energi

Varje vetenskapsområde har sin egen "blå fågel"; cybernetiker drömmer om "tänkande" maskiner, fysiker - om kontrollerade termonukleära reaktioner, kemister - om syntesen av "levande materia" - protein. Proteinsyntes har länge varit föremål för science fiction-romaner, en symbol för kemins kommande kraft. Detta förklaras av den enorma roll som protein spelar i den levande världen, och av de svårigheter som oundvikligen konfronterade varje våghals som vågade "komponera" en intrikat proteinmosaik från individuella aminosyror. Och inte ens själva proteinet, utan bara peptider.

Skillnaden mellan proteiner och peptider är inte bara terminologisk, även om molekylkedjorna i båda är sammansatta av aminosyrarester. I något skede förvandlas kvantitet till kvalitet: peptidkedjan - den primära strukturen - förvärvar förmågan att lindas ihop till spiraler och bollar, och bildar sekundära och tertiära strukturer, som redan är karakteristiska för levande materia. Och då blir peptiden ett protein. Det finns ingen tydlig gräns här - ett avgränsningsmärke kan inte sättas på polymerkedjan: hittills - peptid, härifrån - protein. Men det är till exempel känt att adranokortikotropiskt hormon, bestående av 39 aminosyrarester, är en polypeptid, och hormonet insulin, som består av 51 rester i form av två kedjor, redan är ett protein. Det enklaste, men fortfarande protein.

Metoden att kombinera aminosyror till peptider upptäcktes i början av förra seklet av den tyske kemisten Emil Fischer. Men under en lång tid efter det kunde kemister inte på allvar tänka inte bara på syntesen av proteiner eller 39-ledade peptider, utan även mycket kortare kedjor.

Processen för proteinsyntes

För att koppla samman två aminosyror måste många svårigheter övervinnas. Varje aminosyra, som den tvåsidiga Janus, har två kemiska ytor: en karboxylsyragrupp i ena änden och en aminbasisk grupp i den andra. Om OH-gruppen tas bort från en aminosyras karboxyl och väteatomen tas bort från den andras amingrupp, kan de två aminosyraresterna som bildas i detta fall kopplas till varandra med en peptidbindning och som ett resultat kommer den enklaste av peptiderna, dipeptiden, att uppstå. Och en vattenmolekyl kommer att splittras. Genom att upprepa denna operation kan man öka längden på peptiden.

Men denna till synes enkla operation är praktiskt taget svår att genomföra: aminosyror är mycket ovilliga att kombinera med varandra. Vi måste aktivera dem kemiskt och "värma upp" en av ändarna av kedjan (oftast karboxylsyra) och utföra reaktionen, strikt observera de nödvändiga villkoren. Men det är inte allt: den andra svårigheten är att inte bara rester av olika aminosyror, utan också två molekyler av samma syra kan kombineras med varandra. I detta fall kommer strukturen av den syntetiserade peptiden redan att skilja sig från den önskade. Dessutom kan varje aminosyra inte ha två, utan flera "akilleshäl" - kemiskt aktiva sidogrupper som kan fästa aminosyrarester.

För att förhindra att reaktionen avviker från den givna vägen är det nödvändigt att kamouflera dessa falska mål - för att "försluta" alla reaktiva grupper i aminosyran, utom en, under reaktionens varaktighet, genom att fästa så -kallade skyddsgrupper till dem. Om detta inte görs kommer målet att växa inte bara från båda ändarna, utan också i sidled, och aminosyrorna kommer inte längre att kunna kopplas samman i en given sekvens. Men detta är just meningen med varje riktad syntes.

Men för att bli av med ett problem på detta sätt står kemister inför ett annat: efter slutet av syntesen måste skyddsgrupperna tas bort. På Fischers tid användes grupper som splittrades av genom hydrolys som "skydd". Hydrolysreaktionen visade sig dock vanligtvis vara en alltför stark "chock" för den resulterande peptiden: dess svårbyggda "konstruktion" föll isär så snart "byggnadsställningarna" - skyddsgrupper - togs bort från den. Först 1932 hittade Fischers student M. Bergmann en väg ut ur denna situation: han föreslog att aminogruppen i en aminosyra skulle skyddas med en karbobensoxigrupp, som kunde avlägsnas utan att skada peptidkedjan.

Proteinsyntes från aminosyror

Genom åren har ett antal så kallade mjuka metoder föreslagits för att "tvärbinda" aminosyror till varandra. Men alla var i själva verket bara variationer på temat för Fishers metod. Variationer där det ibland var svårt att fånga originalmelodin. Men själva principen förblev densamma. Ändå förblev svårigheterna i samband med att skydda utsatta grupper desamma. Att övervinna dessa svårigheter måste betalas genom att öka antalet reaktionssteg: en elementär handling - kombinationen av två aminosyror - delades upp i fyra steg. Och varje extra steg är en oundviklig förlust.

Även om vi antar att varje steg kommer med en användbar avkastning på 80% (och detta är en bra avkastning), så "smälter" dessa 80% efter fyra steg till 40%. Och detta är med syntesen av endast en dipeptid! Vad händer om det finns 8 aminosyror? Och om 51, som i insulin? Lägg till detta de svårigheter som är förknippade med existensen av två optiska "spegel"-former av aminosyramolekyler, av vilka endast en behövs i reaktionen, lägg till problemen med att separera de resulterande peptiderna från biprodukter, särskilt i fall där de är lika lösliga. Vad händer totalt: Vägen till ingenstans?

Och ändå stoppade dessa svårigheter inte kemister. Jakten på den "blå fågeln" fortsatte. 1954 syntetiserades de första biologiskt aktiva polypeptidhormonerna, vasopressin och oxytocin. De hade åtta aminosyror. 1963 syntetiserades en 39-mer ACTH-polypeptid, adrenokortikotropt hormon. Slutligen syntetiserade kemister i USA, Tyskland och Kina det första proteinet - hormonet insulin.

Hur kommer det sig, kommer läsaren att säga, att den svåra vägen, visar det sig, inte ledde till någonstans eller någonstans, utan till förverkligandet av drömmen för många generationer av kemister! Detta är en milstolpe! Detta är verkligen en landmärkeshändelse. Men låt oss utvärdera det nyktert och avsäga oss sensationsförmåga, utropstecken och överdrivna känslor.

Ingen argumenterar: syntesen av insulin är en enorm seger för kemister. Detta är ett kolossalt, titaniskt verk, värt all beundran. Men samtidigt är egot i grund och botten taket för den gamla polypeptidkemin. Det här är en seger på gränsen till nederlag.

Proteinsyntes och insulin

Det finns 51 aminosyror i insulin. För att koppla ihop dem i rätt ordning behövde kemister utföra 223 reaktioner. När, tre år efter början av den första av dem, den sista var klar, var avkastningen av produkten mindre än en hundradels procent. Tre år, 223 etapper, en hundradels procent – ​​du måste erkänna att segern är rent symbolisk. Det är mycket svårt att prata om den praktiska tillämpningen av denna metod: kostnaderna i samband med dess genomförande är för höga. Men i slutändan pratar vi inte om syntesen av dyrbara reliker av den organiska kemins härlighet, utan om frisättningen av ett livsviktigt läkemedel som behövs av tusentals människor runt om i världen. Så den klassiska metoden för polypeptidsyntes har uttömt sig på det allra första, enklaste proteinet. Så, den "blå fågeln" gled igen ur händerna på kemister?

En ny metod för proteinsyntes

Ungefär ett och ett halvt år innan världen fick veta om syntesen av insulin, blinkade ett annat meddelande i pressen, som till en början inte väckte mycket uppmärksamhet: den amerikanske vetenskapsmannen R. Maryfield föreslog en ny metod för syntes av peptider. Eftersom författaren själv till en början inte gav metoden en ordentlig bedömning, och det fanns många brister i den, såg den i den första uppskattningen ännu värre ut än de befintliga. Men redan i början av 1964, när Maryfield lyckades använda sin metod för att slutföra syntesen av ett 9-ledat hormon med en användbar avkastning på 70 %, blev forskarna förvånade: 70 % efter alla stadier är 9 % användbar avkastning i varje steg av syntes.

Huvudtanken med den nya metoden är att de växande kedjorna av peptider, som tidigare lämnats åt kaotiska rörelser i lösningens nåd, nu var bundna i ena änden till en fast bärare - de var så att säga tvingade att förankra i lösningen. Maryfield tog ett fast harts och "fäste" den första aminosyran sammansatt till en peptid till dess aktiva grupper genom karbonyländen. Reaktionerna ägde rum inuti individuella hartspartiklar. I "labyrinterna" av dess molekyler dök först de första korta skotten av den framtida peptiden upp. Sedan infördes den andra aminosyran i kärlet, dess karbonyländar kopplades till de fria aminoändarna av den "fästa" aminosyran, och ytterligare ett "golv" av den framtida "byggnaden" av peptiden växte i partiklarna. Så steg för steg byggdes hela peptidpolymeren gradvis upp.

Den nya metoden hade otvivelaktiga fördelar: först och främst löste den problemet med att separera onödiga produkter efter tillsatsen av varje aminosyra - dessa produkter tvättades lätt av och peptiden förblev fäst vid hartsgranulerna. Samtidigt uteslöts problemet med löslighet av växande peptider, ett av den gamla metodens främsta gissel; tidigare föll de ofta ut och slutade praktiskt taget att delta i tillväxtprocessen. Peptiderna som "borttogs" efter slutförandet av syntesen från det fasta underlaget erhölls nästan alla av samma storlek och struktur, i alla fall var spridningen i strukturen mindre än med den klassiska metoden. Och följaktligen mer användbar utgång. Tack vare denna metod automatiseras peptidsyntes - en noggrann, tidskrävande syntes - lätt.

Maryfield byggde en enkel maskin som själv, enligt ett givet program, gjorde alla nödvändiga operationer - tillförde reagenser, blandade, dränerade, tvättade, mätte en dos, tillsatte en ny portion, och så vidare. Om det enligt den gamla metoden tog 2-3 dagar att lägga till en aminosyra, så kopplade Maryfield 5 aminosyror på en dag på sin maskin. Skillnaden är 15 gånger.

Vilka är svårigheterna med proteinsyntes

Maryfields metod, kallad fastfas, eller heterogen, antogs omedelbart av kemister runt om i världen. Men efter en kort tid stod det klart att den nya metoden, tillsammans med stora fördelar, också har ett antal allvarliga nackdelar.

När peptidkedjorna växer kan det hända att i vissa av dem, t.ex., den tredje "våningen" saknas - den tredje aminosyran i rad: dess molekyl når inte korsningen, fastnar någonstans längs vägen i strukturen "wilds" fast polymer. Och sedan, även om alla andra aminosyror, som börjar med den fjärde, ställer upp i rätt ordning, kommer detta inte längre att rädda situationen. Den resulterande polypeptiden i sin sammansättning och följaktligen i sina egenskaper kommer inte att ha något att göra med den erhållna substansen. Samma sak händer som när man slår ett telefonnummer; det är värt att hoppa över en siffra - och det faktum att vi har skrivit resten korrekt kommer inte längre att hjälpa oss. Det är praktiskt taget omöjligt att skilja sådana falska kedjor från de "riktiga" och läkemedlet visar sig vara igensatt av föroreningar. Dessutom visar det sig att syntesen inte kan utföras på något harts - det måste väljas noggrant, eftersom egenskaperna hos den växande peptiden i viss mån beror på hartsets egenskaper. Därför måste alla stadier av proteinsyntes närma sig så noggrant som möjligt.

DNA-proteinsyntes, video

Och till slut uppmärksammar vi dig på en utbildningsvideo om hur proteinsyntes sker i DNA-molekyler.

Fastställ först sekvensen av steg i proteinbiosyntesen, börja med transkription. Hela sekvensen av processer som sker under syntesen av proteinmolekyler kan kombineras i två steg:

1. Transkription.

2. Utsända.

Strukturella enheter av ärftlig information är gener - sektioner av DNA-molekylen som kodar för syntesen av ett visst protein. När det gäller kemisk organisation är materialet för ärftlighet och variation hos pro- och eukaryoter inte fundamentalt annorlunda. Det genetiska materialet i dem presenteras i DNA-molekylen, principen att registrera ärftlig information och den genetiska koden är också vanlig. Samma aminosyror i pro- och eukaryoter krypteras av samma kodon.

Genomet av moderna prokaryota celler kännetecknas av en relativt liten storlek, DNA från Escherichia coli har formen av en ring, cirka 1 mm lång. Den innehåller 4 x 10 6 baspar, som bildar cirka 4000 gener. 1961 upptäckte F. Jacob och J. Monod den cistroniska, eller kontinuerliga organisationen av prokaryota gener, som helt består av kodande nukleotidsekvenser, och de realiseras helt under proteinsyntes. Det ärftliga materialet i DNA-molekylen av prokaryoter är lokaliserat direkt i cellens cytoplasma, där även tRNA och enzymer som är nödvändiga för genuttryck finns.Expression är den funktionella aktiviteten av gener, eller genuttryck. Därför kan mRNA syntetiserat med DNA omedelbart fungera som en mall i processen för translation av proteinsyntes.

Det eukaryota genomet innehåller mycket mer ärftligt material. Hos människor är den totala längden av DNA i den diploida uppsättningen kromosomer cirka 174 cm. Den innehåller 3 x 10 9 baspar och inkluderar upp till 100 000 gener. 1977 upptäcktes en diskontinuitet i strukturen hos de flesta eukaryota gener, som kallades "mosaikgenen". Den har kodande nukleotidsekvenser exonisk och intron tomter. Endast exoninformation används för proteinsyntes. Antalet introner varierar i olika gener. Det har fastställts att kyckling-ovalbumingenen inkluderar 7 introner och däggdjursprokollagengenen - 50. Funktionerna hos tyst DNA - introner har inte klarlagts helt. Det antas att de tillhandahåller: 1) den strukturella organisationen av kromatin; 2) några av dem är uppenbarligen involverade i regleringen av genuttryck; 3) introner kan betraktas som ett lager av information för variation; 4) de kan spela en skyddande roll och ta på sig verkan av mutagener.

Transkription

Processen att skriva om information i cellkärnan från en del av en DNA-molekyl till en mRNA-molekyl (mRNA) kallas transkription(lat. Transcriptio - omskrivning). Den primära produkten av genen, mRNA, syntetiseras. Detta är det första steget i proteinsyntesen. På motsvarande sektion av DNA känner RNA-polymerasenzymet igen tecknet på början av transkription - förhandsvisning Utgångspunkten anses vara den första DNA-nukleotiden, som ingår av enzymet i RNA-transkriptet. Som regel börjar kodande regioner med kodonet AUG, ibland används GUG i bakterier. När RNA-polymeras binder till promotorn tvinnas DNA-dubbelhelixen lokalt och en av strängarna kopieras enligt komplementaritetsprincipen. mRNA syntetiseras, dess sammansättningshastighet når 50 nukleotider per sekund. När RNA-polymeraset rör sig växer mRNA-kedjan, och när enzymet når slutet av kopieringsstället - terminator mRNA:t rör sig bort från mallen. DNA-dubbelhelixen bakom enzymet repareras.

Transkription av prokaryoter sker i cytoplasman. På grund av det faktum att DNA helt består av kodande nukleotidsekvenser, fungerar därför det syntetiserade mRNA:t omedelbart som en mall för translation (se ovan).

Transkription av mRNA i eukaryoter sker i kärnan. Det börjar med syntesen av stora molekyler - prekursorer (pro-mRNA), som kallas omoget eller nukleärt RNA. Den primära produkten av pro-mRNA-genen är en exakt kopia av den transkriberade DNA-regionen, inklusive exoner och introner. Processen för bildning av mogna RNA-molekyler från prekursorer kallas bearbetning. mRNA-mognad sker genom skarvningär sticklingar av enzymer begränsa introner och koppling av ställen med transkriberade exonsekvenser av ligasenzymer. (Fig.) Moget mRNA är mycket kortare än pro-mRNA-prekursormolekyler, storleken på introner i dem varierar från 100 till 1000 nukleotider eller mer. Introner står för cirka 80 % av allt omoget mRNA.

Det har nu visat sig att det är möjligt alternativ skarvning, i vilka nukleotidsekvenser kan raderas från ett primärt transkript i dess olika regioner och flera mogna mRNA kommer att bildas. Denna typ av splitsning är karakteristisk för immunglobulingensystemet hos däggdjur, vilket gör det möjligt att bilda olika typer av antikroppar baserat på ett enda mRNA-transkript.

Efter avslutad bearbetning selekteras det mogna mRNA:t innan det lämnar kärnan. Det har fastställts att endast 5% av moget mRNA kommer in i cytoplasman, och resten klyvs i kärnan.

Utsända

Translation (lat. Translatio - transfer, transfer) - translationen av information som finns i nukleotidsekvensen för mRNA-molekylen till aminosyrasekvensen i polypeptidkedjan (Fig. 10). Detta är det andra steget av proteinsyntesen. Överföringen av moget mRNA genom porerna i kärnhöljet producerar speciella proteiner som bildar ett komplex med RNA-molekylen. Förutom mRNA-transport skyddar dessa proteiner mRNA från de skadliga effekterna av cytoplasmatiska enzymer. I processen för translation spelar tRNA en central roll, de säkerställer den exakta överensstämmelsen mellan aminosyran och koden för mRNA-tripletten. Processen för translationsavkodning sker i ribosomer och utförs i riktningen från 5 till 3. Komplexet av mRNA och ribosomer kallas en polysom.

Translation kan delas in i tre faser: initiering, förlängning och avslutning.

Initiering.

I detta skede sätts hela komplexet som är involverat i syntesen av proteinmolekylen ihop. Det finns en förening av två ribosomsubenheter på ett visst ställe av mRNA, det första aminoacyl - tRNA är fäst till det, och detta sätter ramarna för att läsa information. Alla mRNA-molekyler innehåller ett ställe som är komplementärt till rRNA:t för den lilla subenheten av ribosomen och specifikt kontrollerat av den. Bredvid finns det initierande startkodonet AUG, som kodar för aminosyran metionin.

Förlängning

- den inkluderar alla reaktioner från ögonblicket för bildandet av den första peptidbindningen till den sista aminosyrans vidhäftning. Ribosomen har två ställen för bindning av två tRNA-molekyler. Det första t-RNA:t med aminosyran metionin finns i en sektion, peptidyl (P), och syntesen av vilken proteinmolekyl som helst börjar från den. Den andra t-RNA-molekylen går in i ribosomens andra ställe - aminoacyl (A) och fäster vid dess kodon. En peptidbindning bildas mellan metionin och den andra aminosyran. Det andra tRNA:t rör sig tillsammans med sitt mRNA-kodon till peptidylcentret. Förflyttningen av tRNA med polypeptidkedjan från aminoacylcentret till peptidylcentret åtföljs av ribosomens avancemang längs mRNA:t med ett steg som motsvarar ett kodon. Det tRNA som levererade metioninet återvänder till cytoplasman och amnoacylcentret frisätts. Den får ett nytt t-RNA med en aminosyra krypterad av nästa kodon. En peptidbindning bildas mellan den tredje och andra aminosyran och det tredje tRNA:t, tillsammans med mRNA-kodonet, flyttar sig till peptidylcentrum Processen för förlängning, förlängning av proteinkedjan. Det fortsätter tills ett av de tre kodonen som inte kodar för aminosyror kommer in i ribosomen. Detta är ett terminatorkodon och det finns inget motsvarande tRNA för det, så inget av tRNA:erna kan ta plats i aminoacylcentret.

Uppsägning

- fullbordande av polypeptidsyntes. Det är associerat med igenkännandet av ett specifikt ribosomalt protein av ett av termineringskodonen (UAA, UAG, UGA) när det går in i aminoacylcentret. En speciell termineringsfaktor är fäst vid ribosomen, vilket främjar separationen av ribosomsubenheter och frisättningen av den syntetiserade proteinmolekylen. Vatten binds till den sista aminosyran i peptiden och dess karboxylände separeras från tRNA:t.

Sammansättningen av peptidkedjan utförs med hög hastighet. I bakterier vid en temperatur på 37°C uttrycks det i tillsats av 12 till 17 aminosyror per sekund till polypeptiden. I eukaryota celler läggs två aminosyror till en polypeptid på en sekund.

Den syntetiserade polypeptidkedjan går sedan in i Golgi-komplexet, där konstruktionen av proteinmolekylen är fullbordad (andra, tredje, fjärde strukturer uppträder i följd). Här finns en komplexbildning av proteinmolekyler med fetter och kolhydrater.

Hela processen för proteinbiosyntes presenteras i form av ett schema: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® polypeptidkedja ® protein ® proteinkomplexbildning och deras omvandling till funktionellt aktiva molekyler.

Stadierna för implementeringen av ärftlig information fortsätter också på ett liknande sätt: först transkriberas den till nukleotidsekvensen av mRNA och översätts sedan till aminosyrasekvensen för polypeptiden på ribosomer med deltagande av tRNA.

Transkription av eukaryoter utförs under verkan av tre nukleära RNA-polymeraser. RNA-polymeras 1 är lokaliserat i kärnan och är ansvarigt för transkriptionen av rRNA-gener. RNA-polymeras 2 finns i kärnsaven och ansvarar för syntesen av mRNA-prekursorn. RNA-polymeras 3 är en liten del i kärnsaften som syntetiserar små rRNA och tRNA. RNA-polymeraser känner specifikt igen nukleotidsekvensen för transkriptionspromotorn. Eukaryot mRNA syntetiseras först som en prekursor (pro-mRNA), information från exoner och introner skrivs av till den. Det syntetiserade mRNA:t är större än nödvändigt för translation och är mindre stabilt.

I processen för mognad av mRNA-molekylen skärs introner ut med hjälp av restriktionsenzymer och exoner sys ihop med hjälp av ligasenzymer. Mognaden av mRNA kallas bearbetning, och sammanfogningen av exoner kallas splitsning. Moget mRNA innehåller alltså endast exoner och är mycket kortare än dess föregångare, pro-mRNA. Intronstorlekar varierar från 100 till 10 000 nukleotider eller mer. Intons står för cirka 80 % av allt omoget mRNA. För närvarande har möjligheten till alternativ splitsning bevisats, där nukleotidsekvenser kan raderas från ett primärt transkript i dess olika regioner och flera mogna mRNA kommer att bildas. Denna typ av splitsning är karakteristisk för immunglobulingensystemet hos däggdjur, vilket gör det möjligt att bilda olika typer av antikroppar baserat på ett enda mRNA-transkript. Efter avslutad bearbetning selekteras det mogna mRNA:t innan det frisätts till cytoplasman från kärnan. Det har fastställts att endast 5% av det mogna mRNA:t kommer in, och resten klyvs i kärnan. Transformationen av de primära transkriptonerna av eukaryota gener, associerade med deras exon-intron-organisation, och i samband med övergången av moget mRNA från kärnan till cytoplasman, bestämmer egenskaperna för förverkligandet av den genetiska informationen hos eukaryoter. Därför är den eukaryota mosaikgenen inte en cistronomgen, eftersom inte hela DNA-sekvensen används för proteinsyntes.

Proteinsyntes i en cell

Huvudfrågan om genetik är frågan om proteinsyntes. Sammanfattande data om strukturen och syntesen av DNA och RNA, Crick 1960. föreslog en matristeori för proteinsyntes baserad på tre bestämmelser:

1. Komplementaritet av kvävehaltiga baser av DNA och RNA.

2. Den linjära sekvensen för placeringen av gener i en DNA-molekyl.

3. Överföring av ärftlig information kan endast ske från nukleinsyra till nukleinsyra eller till protein.

Från protein till protein är överföring av ärftlig information omöjlig. Således kan endast nukleinsyror vara en mall för proteinsyntes.

Proteinsyntes kräver:

1. DNA (gener) på vilka molekyler syntetiseras.

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

I processen med proteinsyntes särskiljs stadierna: transkription och translation.

Transkription- census (omskrivning) av information om nukleinstrukturen från DNA till RNA (t-RNA, och RNA, r-RNA).

Läsning av ärftlig information börjar med en viss del av DNA, som kallas en promotor. Promotorn är belägen före genen och inkluderar cirka 80 nukleotider.

På den yttre kedjan av DNA-molekylen syntetiseras i-RNA (mellanprodukt), som fungerar som en matris för proteinsyntes och därför kallas matris. Det är en exakt kopia av sekvensen av nukleotider på DNA-kedjan.

Det finns regioner i DNA som inte innehåller genetisk information (introner). De delar av DNA som innehåller information kallas exoner.

Det finns speciella enzymer i kärnan som skär ut introner, och exonfragment "skarvas" ihop i en strikt ordning till en röd tråd, denna process kallas "skarvning". Under splitsningsprocessen bildas moget mRNA, som innehåller den information som behövs för proteinsyntes. Moget mRNA (matris-RNA) passerar genom porerna i kärnmembranet och går in i kanalerna i det endoplasmatiska retikulumet (cytoplasman) och här kombineras det med ribosomer.

Utsända- sekvensen av nukleotider i i-RNA översätts till en strikt ordnad sekvens av aminosyror i den syntetiserade proteinmolekylen.

Översättningsprocessen inkluderar 2 steg: aktivering av aminosyror och direkt syntes av en proteinmolekyl.

En mRNA-molekyl binder till 5-6 ribosomer för att bilda polysomer. Proteinsyntes sker på mRNA-molekylen, med ribosomer som rör sig längs den. Under denna period aktiveras aminosyror som finns i cytoplasman av speciella enzymer som utsöndras av enzymer som utsöndras av mitokondrier, var och en av dem med sitt eget specifika enzym.

Nästan omedelbart binder aminosyror till en annan typ av RNA - ett lösligt RNA med låg molekylvikt som fungerar som en aminosyrabärare till mRNA-molekylen och kallas transport (t-RNA). tRNA transporterar aminosyror till ribosomerna till en viss plats, där mRNA-molekylen vid denna tidpunkt finns. Då binds aminosyrorna samman med peptidbindningar och en proteinmolekyl bildas. I slutet av proteinsyntesen avleds molekylen gradvis från mRNA.

På en mRNA-molekyl bildas 10-20 proteinmolekyler, och i vissa fall mycket fler.

Den mest oklara frågan inom proteinsyntes är hur tRNA hittar det lämpliga mRNA-stället till vilket aminosyran som det medför måste fästas.

Ordningssekvensen av kvävehaltiga baser i DNA, som bestämmer arrangemanget av aminosyror i det syntetiserade proteinet, är den genetiska koden.

Eftersom samma ärftliga information "registreras" i nukleinsyror med fyra tecken (kvävehaltiga baser) och i proteiner med tjugo (aminosyror). Problemet med den genetiska koden reduceras till att upprätta en överensstämmelse mellan dem. Genetiker, fysiker och kemister spelade en viktig roll i att dechiffrera den genetiska koden.

För att dechiffrera den genetiska koden var det först och främst nödvändigt att ta reda på vad som är det minsta antalet nukleotider som kan bestämma (koda) bildandet av en aminosyra. Om var och en av de 20 aminosyrorna kodades av en bas, så skulle DNA behöva ha 20 olika baser, men i själva verket finns det bara 4. Uppenbarligen räcker inte kombinationen av två nukleotider för att koda för 20 aminosyror. Den kan bara koda för 16 aminosyror 4 2 = 16.

Sedan föreslogs att koden inkluderar 3 nukleotider 4 3 = 64 kombinationer och därför kan koda för mer än tillräckligt med aminosyror för att bilda några proteiner. Denna kombination av tre nukleotider kallas en triplettkod.

Koden har följande egenskaper:

1. Den genetiska koden är triplett(varje aminosyra kodas av tre nukleotider).

2. Degeneration- en aminosyra kan kodas av flera tripletter, undantaget är tryptofan och metionin.

3. I kodon för en aminosyra är de två första nukleotiderna desamma och den tredje ändras.

4.Icke-överlappande– trillingar överlappar inte varandra. En triplett kan inte vara en del av en annan; var och en av dem kodar oberoende för sin egen aminosyra. Därför kan vilka två aminosyror som helst vara nära i polypeptidkedjan och vilken kombination av dem som helst är möjlig, dvs. i bassekvensen ABCDEFGHI kodar de tre första baserna för 1 aminosyra (ABC-1), (DEF-2), etc.

5.Universell, de där. i alla organismer är kodonen för vissa aminosyror desamma (från kamomill till människor). Kodens universalitet vittnar om enheten i livet på jorden.

6. Knästående- sammanfallande av arrangemanget av kodon i mRNA med ordningen av aminosyror i den syntetiserade polypeptidkedjan.

Ett kodon är en triplett av nukleotider som kodar för 1 aminosyra.

7. Meningslöst Den kodar inte för någon aminosyra. Proteinsyntesen på denna plats avbryts.

På senare år har det blivit tydligt att den genetiska kodens universalitet kränks i mitokondrier, fyra kodoner i mitokondrier har ändrat sin betydelse, till exempel kodonet UGA - svarar på tryptofan istället för "STOPP" - upphörandet av proteinsyntesen . AUA - motsvarar metionin - istället för "isoleucin".

Upptäckten av nya kodoner i mitokondrier kan fungera som bevis på att koden utvecklades och att den inte omedelbart blev så.

Låt ärftlig information från en gen till en proteinmolekyl uttryckas schematiskt.

DNA - RNA - protein

Studiet av den kemiska sammansättningen av celler visade att olika vävnader i samma organism innehåller en annan uppsättning proteinmolekyler, även om de har samma antal kromosomer och samma genetiska ärftliga information.

Vi noterar följande omständighet: trots närvaron i varje cell av alla gener från hela organismen, fungerar väldigt få gener i en enda cell - från tiondelar till flera procent av det totala antalet. Resten av områdena är "tysta", de blockeras av speciella proteiner. Detta är förståeligt, varför till exempel hemoglobingener fungerar i en nervcell? Precis som cellen bestämmer vilka gener som ska vara tysta och vilka som ska fungera, måste man anta att cellen har någon form av perfekt mekanism som reglerar geners aktivitet, som avgör vilka gener som ska vara aktiva vid ett givet ögonblick och vilka som ska vara aktiva. i ett inaktivt (repressivt) tillstånd. En sådan mekanism kallades enligt de franska forskarna F. Jacobo och J. Monod induktion och förtryck.

Induktion- stimulering av proteinsyntes.

Undertryckande- hämning av proteinsyntes.

Induktion säkerställer arbetet hos de gener som syntetiserar ett protein eller enzym, och som är nödvändiga i detta skede av cellens liv.

Hos djur spelar cellmembranhormoner en viktig roll i processen för genreglering; i anläggningar, miljöförhållanden och andra högt specialiserade induktorer.

Exempel: när sköldkörtelhormon läggs till mediet sker en snabb omvandling av grodyngel till grodor.

Mjölksocker (laktos) är nödvändigt för att E (Coli) bakterien ska fungera normalt. Om miljön där bakterierna finns inte innehåller laktos är dessa gener i ett repressivt tillstånd (dvs de fungerar inte). Laktosen som införs i mediet är en induktor, inklusive generna som ansvarar för syntesen av enzymer. Efter avlägsnandet av laktos från mediet upphör syntesen av dessa enzymer. Således kan rollen som en repressor utföras av ett ämne som syntetiseras i cellen, och om dess innehåll överstiger normen eller det är förbrukat.

Olika typer av gener är involverade i protein- eller enzymsyntes.

Alla gener finns i DNA-molekylen.

Deras funktioner är inte desamma:

- strukturell - gener som påverkar syntesen av ett enzym eller protein finns i DNA-molekylen sekventiellt efter varandra i den ordning de påverkar syntesreaktionens förlopp, eller man kan också säga strukturella gener - det är gener som bär information om sekvens av aminosyror.

- acceptor- gener bär inte på ärftlig information om proteinets struktur, de reglerar strukturella geners arbete.

Innan en grupp av strukturella gener är en vanlig gen för dem - operatör, och framför honom promotor. I allmänhet kallas denna funktionella grupp befjädrad.

Hela gruppen av gener för en operon ingår i syntesprocessen och stängs av från den samtidigt. Att slå på och av strukturella gener är kärnan i hela regleringsprocessen.

Funktionen att slå på och av utförs av en speciell sektion av DNA-molekylen - genoperator. Genoperatorn är utgångspunkten för proteinsyntes eller, som man säger, "läsning" av genetisk information. längre i samma molekyl på något avstånd finns en gen - en regulator, under vars kontroll ett protein som kallas repressor produceras.

Av allt ovanstående kan man se att proteinsyntesen är mycket svår. Cellens genetiska system, med hjälp av mekanismerna för repression och induktion, kan ta emot signaler om behovet av att starta och avsluta syntesen av ett visst enzym och utföra denna process i en given hastighet.

Problemet med att reglera verkan av gener i högre organismer är av stor praktisk betydelse inom djurhållning och medicin. Fastställande av faktorer som reglerar proteinsyntesen skulle öppna stora möjligheter för att kontrollera ontogeni, skapa högproduktiva djur, såväl som djur som är resistenta mot ärftliga sjukdomar.

Testfrågor:

1. Nämn egenskaperna hos gener.

2. Vad är en gen?

3. Vad är den biologiska betydelsen av DNA, RNA.

4. Nämn stadierna av proteinsyntes

5. Lista egenskaperna hos den genetiska koden.

Livet är processen för existensen av proteinmolekyler. Det är så många forskare uttrycker det, som är övertygade om att protein är grunden för allt levande. Dessa bedömningar är helt korrekta, eftersom dessa ämnen i cellen har det största antalet grundläggande funktioner. Alla andra organiska föreningar spelar rollen som energisubstrat, och energi behövs återigen för syntesen av proteinmolekyler.

Stegkarakterisering av proteinbiosyntes

Strukturen av ett protein kodas i nuklein eller RNA) i form av kodon. Detta är ärftlig information som reproduceras varje gång en cell behöver ett nytt proteinämne. Början av biosyntes ligger i kärnan om behovet av att syntetisera ett nytt protein med redan givna egenskaper.

Som svar på detta despiraliseras en region av nukleinsyra, där dess struktur kodas. Denna plats dupliceras av budbärar-RNA och överförs till ribosomer. De är ansvariga för att bygga en polypeptidkedja baserad på en matris - budbärar-RNA. Kortfattat presenteras alla stadier av biosyntes enligt följande:

• transkription (stadiet för att fördubbla en bit av DNA med en kodad proteinstruktur);
• bearbetning (stadium av informations-RNA-bildning);
• translation (proteinsyntes i en cell baserad på budbärar-RNA);
• post-translationell modifiering ("mognad" av polypeptiden, bildning av dess bulkstruktur).

Nukleinsyratranskription

All proteinsyntes i en cell utförs av ribosomer och information om molekyler finns i nuklein eller DNA). Den finns i generna: varje gen är ett specifikt protein. Gener innehåller information om aminosyrasekvensen för ett nytt protein. När det gäller DNA utförs avlägsnandet av den genetiska koden på detta sätt:

• frisättning av nukleinsyrastället från histoner börjar, despiralisering sker;
• DNA-polymeras fördubblar den del av DNA som lagrar genen för proteinet;
• det dubbla stället är en föregångare till budbärar-RNA, som bearbetas av enzymer för att avlägsna icke-kodande inlägg (på grundval av det syntetiseras mRNA).

Baserat på budbärar-RNA:t syntetiseras mRNA. Det är redan en matris, varefter proteinsyntesen i cellen sker på ribosomer (i det grova endoplasmatiska retikulum).

Ribosomal proteinsyntes

Messenger-RNA har två ändar, som är arrangerade som 3`-5`. Avläsning och syntes av proteiner på ribosomer börjar vid 5'-änden och fortsätter till intronet, en region som inte kodar för någon av aminosyrorna. Det händer så här:

• budbärar-RNA "uppträds" på ribosomen, fäster den första aminosyran;
• ribosomen skiftar längs budbärar-RNA:t med ett kodon;
• överförings-RNA tillhandahåller den önskade (kodad av det givna mRNA-kodonet) alfa-aminosyra;
• aminosyran förenar utgångsaminosyran för att bilda en dipeptid;
• sedan skiftas mRNA igen med ett kodon, en alfa-aminosyra tas upp och fästs till den växande peptidkedjan.

När ribosomen når intronet (icke-kodande infogning) går budbärar-RNA:t helt enkelt vidare. Sedan, när budbärar-RNA:t avancerar, når ribosomen återigen exonet - stället vars nukleotidsekvens motsvarar en specifik aminosyra.

Från denna punkt börjar tillsatsen av proteinmonomerer till kedjan igen. Processen fortsätter tills nästa intron visas eller tills stoppkodonet. Den senare stoppar syntesen av polypeptidkedjan, varefter den anses vara avslutad och stadiet av postsyntetisk (posttranslationell) modifiering av molekylen börjar.

Modifiering efter översättning

Efter translation sker proteinsyntes i släta cisterner, som innehåller ett litet antal ribosomer. I vissa celler kan de vara helt frånvarande i RES. Sådana områden behövs för att först bilda en sekundär, sedan en tertiär eller, om programmerad, en kvartär struktur.

All proteinsyntes i cellen sker med utgifterna för en enorm mängd ATP-energi. Därför behövs alla andra biologiska processer för att upprätthålla proteinbiosyntesen. Dessutom behövs en del av energin för överföring av proteiner i cellen genom aktiv transport.

Många av proteinerna överförs från en plats i cellen till en annan för modifiering. I synnerhet sker posttranslationell proteinsyntes i Golgi-komplexet, där en kolhydrat- eller lipiddomän är fäst vid en polypeptid med en viss struktur.