Souhrn reakcí biologické syntézy se nazývá plastická výměna nebo asimilace. Název tohoto typu výměny odráží jeho podstatu: z jednoduchých látek vstupujících do buňky zvenčí vznikají látky podobné látkám buňky.
Zvažte jednu z nejdůležitějších forem metabolismu plastů - biosyntézu bílkovin. Celá paleta vlastností proteinů je nakonec určena primární strukturou, tj. sekvencí aminokyselin. Obrovské množství unikátních kombinací aminokyselin vybraných evolucí je reprodukováno syntézou nukleových kyselin s takovou sekvencí dusíkatých bází, která odpovídá sekvenci aminokyselin v proteinech. Každá aminokyselina v polypeptidovém řetězci odpovídá kombinaci tří nukleotidů – tripletu.
Proces realizace dědičné informace v biosyntéze probíhá za účasti tří typů ribonukleových kyselin: informační (matrix) - mRNA (mRNA), ribozomální - rRNA a transportní - tRNA. Všechny ribonukleové kyseliny jsou syntetizovány v odpovídajících oblastech molekuly DNA. Jsou mnohem menší než DNA a tvoří jeden řetězec nukleotidů. Nukleotidy obsahují zbytek kyseliny fosforečné (fosfát), pentózový cukr (ribózu) a jednu ze čtyř dusíkatých bází – adenin, cytosin, guanin a uracil. Dusíkatá báze, uracil, je komplementární k adeninu.
Proces biosyntézy je složitý a zahrnuje řadu kroků – transkripci, sestřih a translaci.
První stupeň (transkripce) nastává v buněčném jádře: mRNA se syntetizuje v místě určitého genu molekuly DNA. Tato syntéza se provádí za účasti komplexu enzymů, z nichž hlavní je DNA-dependentní RNA polymeráza, která se naváže na počáteční (počáteční) bod molekuly DNA, rozvine dvojitou šroubovici a pohybuje se podél jedné z řetězce, syntetizuje vedle něj komplementární řetězec mRNA. V důsledku transkripce obsahuje mRNA genetickou informaci ve formě sekvenčního střídání nukleotidů, jejichž pořadí je přesně zkopírováno z odpovídajícího úseku (genu) molekuly DNA.
Další studie ukázaly, že během transkripce je syntetizována tzv. pro-mRNA, prekurzor zralé mRNA účastnící se translace. Pro-mRNA je mnohem větší a obsahuje fragmenty, které nekódují syntézu odpovídajícího polypeptidového řetězce. V DNA spolu s oblastmi kódujícími rRNA, tRNA a polypeptidy existují fragmenty, které neobsahují genetickou informaci. Nazývají se introny, na rozdíl od kódujících fragmentů, které se nazývají exony. Introny se nacházejí v mnoha oblastech molekul DNA. Takže například v jednom genu - oblasti DNA kódující kuřecí ovalbumin, je 7 intronů, v genu potkaního sérového albuminu - 13 intronů. Délka intronu se pohybuje od dvou set do tisíce párů nukleotidů DNA. Introny jsou čteny (přepisovány) současně s exony, takže pro-mRNA je výrazně delší než zralá mRNA. V jádře v pro-mRNA jsou introny vyříznuty speciálními enzymy a fragmenty exonů jsou „sesazeny“ dohromady v přísném pořadí. Tento proces se nazývá spojování. V procesu sestřihu vzniká zralá mRNA, která obsahuje pouze informaci, která je nezbytná pro syntézu odpovídajícího polypeptidu, tedy informativní část strukturního genu.
Význam a funkce intronů nebyly dosud plně objasněny, ale bylo zjištěno, že pokud jsou v DNA čteny pouze části exonů, nevytváří se zralá mRNA. Proces sestřihu byl studován s použitím genu pro ovalbumin jako příkladu. Obsahuje jeden exon a 7 intronů. Nejprve se na DNA syntetizuje pro-mRNA obsahující 7700 nukleotidů. Poté se v pro-mRNA počet nukleotidů sníží na 6800, poté na 5600, 4850, 3800, 3400 atd. na 1372 nukleotidů odpovídajících exonu. mRNA obsahující 1372 nukleotidů opouští jádro do cytoplazmy, vstupuje do ribozomu a syntetizuje odpovídající polypeptid.
Další fáze biosyntézy - translace - probíhá v cytoplazmě na ribozomech za účasti tRNA.
Transferové RNA jsou syntetizovány v jádře, ale fungují ve volném stavu v cytoplazmě buňky. Jedna molekula tRNA obsahuje 76-85 nukleotidů a má poměrně složitou strukturu připomínající jetelový list. Zvláště důležité jsou tři sekce tRNA: 1) antikodon sestávající ze tří nukleotidů, který určuje místo připojení tRNA k odpovídajícímu komplementárnímu kodonu (mRNA) na ribozomu; 2) místo, které určuje specificitu tRNA, schopnost dané molekuly vázat se pouze na konkrétní aminokyselinu; 3) akceptorové místo, ke kterému je připojena aminokyselina. Je stejný pro všechny tRNA a skládá se ze tří nukleotidů – C-C-A. Navázání aminokyseliny na tRNA předchází její aktivace enzymem aminoacyl-tRNA syntetázou. Tento enzym je specifický pro každou aminokyselinu. Aktivovaná aminokyselina se váže na odpovídající tRNA a je jí dodávána do ribozomu.
Centrální místo v translaci patří ribozomům – ribonukleoproteinovým organelám cytoplazmy, kterých je v ní celá řada. Velikost ribozomů u prokaryot je v průměru 30x30x20 nm, u eukaryot - 40x40x20 nm. Obvykle se jejich velikosti určují v jednotkách sedimentace (S) - rychlost sedimentace při centrifugaci v příslušném médiu. U bakterie Escherichia coli má ribozom velikost 70S a skládá se ze dvou subčástic, z nichž jedna má konstantu 30S, druhá 50S a obsahuje 64 % ribozomální RNA a 36 % proteinu.
Molekula mRNA opouští jádro do cytoplazmy a váže se na malou podjednotku ribozomu. Translace začíná tzv. start kodonem (iniciátorem syntézy) - A-U-G-. Když tRNA dodává aktivovanou aminokyselinu do ribozomu, její antikodon je vodíkově navázán na nukleotidy komplementárního kodonu mRNA. Akceptorový konec tRNA s odpovídající aminokyselinou je připojen k povrchu velké podjednotky ribozomu. Po první aminokyselině dodává další tRNA další aminokyselinu, a tak je na ribozomu syntetizován polypeptidový řetězec. Molekula mRNA obvykle funguje na několika (5-20) ribozomech najednou, spojených do polysomů. Začátek syntézy polypeptidového řetězce se nazývá iniciace, jeho růst se nazývá elongace. Sekvence aminokyselin v polypeptidovém řetězci je určena sekvencí kodonů v mRNA. Syntéza polypeptidového řetězce se zastaví, když se na mRNA objeví jeden z terminačních kodonů - UAA, UAG nebo UGA. Konec syntézy daného polypeptidového řetězce se nazývá terminace.
Bylo zjištěno, že v živočišných buňkách se polypeptidový řetězec prodlouží o 7 aminokyselin za jednu sekundu a mRNA postoupí na ribozom o 21 nukleotidů. U bakterií tento proces probíhá dvakrát až třikrát rychleji.
V důsledku toho dochází k syntéze primární struktury molekuly proteinu - polypeptidového řetězce - na ribozomu v souladu s pořadím střídání nukleotidů v matrici ribonukleové kyseliny - mRNA. Nezáleží na struktuře ribozomu.
Nejprve stanovte sekvenci kroků v biosyntéze proteinů, počínaje transkripcí. Celou sekvenci procesů probíhajících během syntézy proteinových molekul lze kombinovat do 2 fází:
Transkripce.
Přenos.
Strukturními jednotkami dědičné informace jsou geny – úseky molekuly DNA, které kódují syntézu konkrétního proteinu. Z hlediska chemické organizace se materiál dědičnosti a variability pro- a eukaryot zásadně neliší. Genetický materiál je v nich prezentován v molekule DNA, společný je i princip záznamu dědičné informace a genetického kódu. Stejné aminokyseliny v pro- a eukaryotech jsou zašifrovány stejnými kodony.
Genom moderních prokaryotických buněk se vyznačuje relativně malou velikostí, DNA Escherichia coli má tvar prstence, dlouhého asi 1 mm. Obsahuje 4 x 106 párů bází, které tvoří asi 4000 genů. V roce 1961 F. Jacob a J. Monod objevili cistronickou neboli spojitou organizaci prokaryotických genů, které se skládají výhradně z kódujících nukleotidových sekvencí a jsou zcela realizovány během syntézy proteinů. Dědičný materiál molekuly DNA prokaryot se nachází přímo v cytoplazmě buňky, kde se nachází i tRNA a enzymy nezbytné pro genovou expresi Exprese je funkční aktivita genů, neboli genová exprese. Proto je mRNA syntetizovaná s DNA schopna okamžitě působit jako templát v procesu translace syntézy proteinů.
Eukaryotický genom obsahuje mnohem více dědičného materiálu. U člověka je celková délka DNA v diploidní sadě chromozomů asi 174 cm, obsahuje 3 x 10 9 párů bází a zahrnuje až 100 000 genů. V roce 1977 byla ve struktuře většiny eukaryotických genů objevena diskontinuita, která se nazývala „mozaikový“ gen. Má kódující nukleotidové sekvence exonický A intron zápletky. Pro syntézu proteinů se používá pouze informace o exonu. Počet intronů se v různých genech liší. Bylo zjištěno, že gen kuřecího ovalbuminu obsahuje 7 intronů a gen savčího prokolagenu - 50. Funkce tichých intronů DNA nebyly zcela objasněny. Předpokládá se, že poskytují: 1) strukturní organizaci chromatinu; 2) některé z nich se zjevně podílejí na regulaci genové exprese; 3) introny lze považovat za úložiště informací pro variabilitu; 4) mohou hrát ochrannou roli tím, že přebírají působení mutagenů.
Transkripce
Proces přepisování informace v buněčném jádře z části molekuly DNA na molekulu mRNA (mRNA) se nazývá transkripce(lat. Transscriptio - přepisování). Primární produkt genu, mRNA, je syntetizován. Toto je první krok v syntéze bílkovin. Na odpovídajícím úseku DNA rozpozná enzym RNA polymeráza znamení začátku transkripce - náhled Za výchozí bod je považován první nukleotid DNA, který je enzymem obsažen v transkriptu RNA. Kódující oblasti zpravidla začínají kodonem AUG, někdy se u bakterií používá GUG. Když se RNA polymeráza naváže na promotor, dvojitá šroubovice DNA se lokálně rozplete a jedno z vláken se zkopíruje podle principu komplementarity. mRNA je syntetizována, její rychlost sestavení dosahuje 50 nukleotidů za sekundu. Jak se RNA polymeráza pohybuje, řetězec mRNA roste, a když enzym dosáhne konce kopírovacího místa - terminátor mRNA se vzdaluje od templátu. Dvoušroubovice DNA za enzymem je opravena.
Transkripce prokaryot probíhá v cytoplazmě. Vzhledem k tomu, že DNA se skládá výhradně z kódujících nukleotidových sekvencí, syntetizovaná mRNA okamžitě působí jako templát pro translaci (viz výše).
Transkripce mRNA u eukaryot probíhá v jádře. Začíná syntézou velkých molekul - prekurzorů (pro-mRNA), nazývaných nezralá neboli jaderná RNA.Primární produkt genu - pro-mRNA je přesnou kopií transkribované oblasti DNA, zahrnuje exony a introny. Proces tvorby zralých molekul RNA z prekurzorů se nazývá zpracovává se. Zrání mRNA nastává tím spojování jsou řízky působením enzymů restriktáza introny a spojení míst s transkribovanými exonovými sekvencemi pomocí ligázových enzymů. (obr.) Zralá mRNA je mnohem kratší než prekurzorové molekuly pro-mRNA, velikost intronů v nich se pohybuje od 100 do 1000 nukleotidů nebo více. Introny tvoří asi 80 % veškeré nezralé mRNA.
Nyní se ukázalo, že je to možné alternativní spojování, ve kterém mohou být nukleotidové sekvence odstraněny z jednoho primárního transkriptu v jeho různých oblastech a bude vytvořeno několik zralých mRNA. Tento typ sestřihu je charakteristický pro imunoglobulinový genový systém u savců, který umožňuje vytvářet různé typy protilátek na základě jediného transkriptu mRNA.
Po dokončení zpracování se zralá mRNA vybere před opuštěním jádra. Bylo zjištěno, že pouze 5 % zralé mRNA vstupuje do cytoplazmy a zbytek je štěpen v jádře.
Přenos
Translace (lat. Translatio - přenos, přenos) - translace informace obsažené v nukleotidové sekvenci molekuly mRNA do aminokyselinové sekvence polypeptidového řetězce (obr. 10). Toto je druhá fáze syntézy bílkovin. Přenosem zralé mRNA přes póry jaderného obalu vznikají speciální proteiny, které tvoří komplex s molekulou RNA. Kromě transportu mRNA tyto proteiny chrání mRNA před škodlivými účinky cytoplazmatických enzymů. V procesu translace hrají ústřední roli tRNA, které zajišťují přesnou shodu aminokyseliny s kódem tripletu mRNA. Proces translace-dekódování probíhá v ribozomech a probíhá ve směru od 5 do 3. Komplex mRNA a ribozomů se nazývá polyzom.
Translaci lze rozdělit do tří fází: zahájení, prodloužení a ukončení.
Zahájení.
V této fázi je sestaven celý komplex zapojený do syntézy molekuly proteinu. V určitém místě mRNA dochází ke spojení dvou podjednotek ribozomu, na kterou se naváže první aminoacyl - tRNA a tím se nastavuje rámec pro čtení informace. Jakákoli molekula mRNA obsahuje místo, které je komplementární k rRNA malé podjednotky ribozomu a je jí specificky řízeno. Vedle je iniciační start kodon AUG, který kóduje aminokyselinu methionin.
Prodloužení
- zahrnuje všechny reakce od okamžiku vytvoření první peptidové vazby až po připojení poslední aminokyseliny. Ribozom má dvě místa pro vazbu dvou molekul tRNA. První t-RNA s aminokyselinou methionin se nachází v jedné sekci, peptidyl (P), a od ní začíná syntéza libovolné molekuly proteinu. Druhá molekula t-RNA vstupuje do druhého místa ribozomu - aminoacylu (A) a připojuje se k jeho kodonu. Mezi methioninem a druhou aminokyselinou vzniká peptidová vazba. Druhá tRNA se pohybuje spolu se svým mRNA kodonem do peptidylového centra. Pohyb tRNA s polypeptidovým řetězcem z aminoacylového centra do peptidylového centra je doprovázen posunem ribozomu podél mRNA o krok odpovídající jednomu kodonu. tRNA, která dodala methionin, se vrací do cytoplazmy a amnoacylové centrum se uvolní. Přijímá novou t-RNA s aminokyselinou zašifrovanou dalším kodonem. Mezi třetí a druhou aminokyselinou vzniká peptidová vazba a třetí tRNA se spolu s kodonem mRNA přesouvá do peptidylového centra Proces elongace, prodlužování proteinového řetězce. Pokračuje, dokud jeden ze tří kodonů, které nekódují aminokyseliny, nevstoupí do ribozomu. Toto je terminátorový kodon a neexistuje pro něj odpovídající tRNA, takže žádná z tRNA nemůže zaujmout místo v aminoacylovém centru.
Ukončení
- dokončení syntézy polypeptidů. Je spojena s rozpoznáním jednoho z terminačních kodonů (UAA, UAG, UGA) specifickým ribozomálním proteinem, když vstoupí do aminoacylového centra. K ribozomu je připojen speciální terminační faktor, který podporuje oddělení ribozomových podjednotek a uvolnění syntetizované molekuly proteinu. Voda je připojena k poslední aminokyselině peptidu a její karboxylový konec je oddělen od tRNA.
Sestavení peptidového řetězce se provádí vysokou rychlostí. V bakteriích při teplotě 37 °C se exprimuje přidáním 12 až 17 aminokyselin za sekundu k polypeptidu. V eukaryotických buňkách jsou dvě aminokyseliny přidány k polypeptidu během jedné sekundy.
Syntetizovaný polypeptidový řetězec pak vstupuje do Golgiho komplexu, kde je dokončena konstrukce molekuly proteinu (postupně se objevují druhá, třetí, čtvrtá struktura). Zde dochází ke komplexaci molekul bílkovin s tuky a sacharidy.
Celý proces biosyntézy proteinů je prezentován ve formě schématu: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® polypeptidový řetězec ® protein ® proteinové komplexy a jejich přeměna na funkčně aktivní molekuly.
Obdobně probíhají i fáze implementace dědičné informace: nejprve je transkribována do nukleotidové sekvence mRNA a poté překládána do aminokyselinové sekvence polypeptidu na ribozomech za účasti tRNA.
Transkripce eukaryot se provádí působením tří jaderných RNA polymeráz. RNA polymeráza 1 se nachází v jadérku a je zodpovědná za transkripci genů rRNA. RNA polymeráza 2 se nachází v jaderné míze a je zodpovědná za syntézu prekurzoru mRNA. RNA polymeráza 3 je malá frakce v jaderné míze, která syntetizuje malé rRNA a tRNA. RNA polymerázy specificky rozpoznávají nukleotidovou sekvenci promotoru transkripce. Eukaryotická mRNA je nejprve syntetizována jako prekurzor (pro-mRNA), odepisují se do ní informace z exonů a intronů. Syntetizovaná mRNA je větší, než je nutné pro translaci, a je méně stabilní.
V procesu zrání molekuly mRNA jsou pomocí restrikčních enzymů vyříznuty introny a pomocí enzymů ligázy jsou sešívány exony. Zrání mRNA se nazývá zpracování a spojení exonů se nazývá sestřih. Zralá mRNA tedy obsahuje pouze exony a je mnohem kratší než její předchůdce, pro-mRNA. Velikosti intronů se pohybují od 100 do 10 000 nukleotidů nebo více. Intony tvoří asi 80 % veškeré nezralé mRNA. V současné době byla prokázána možnost alternativního sestřihu, kdy mohou být nukleotidové sekvence odstraněny z jednoho primárního transkriptu v jeho různých oblastech a vznikne několik zralých mRNA. Tento typ sestřihu je charakteristický pro imunoglobulinový genový systém u savců, který umožňuje vytvářet různé typy protilátek na základě jediného transkriptu mRNA. Po dokončení zpracování se zralá mRNA vybere před uvolněním do cytoplazmy z jádra. Bylo zjištěno, že pouze 5 % zralé mRNA vstupuje a zbytek je štěpen v jádře. Transformace primárních transkriptů eukaryotických genů, spojená s jejich organizací exon-intron, a v souvislosti s přechodem zralé mRNA z jádra do cytoplazmy, určuje rysy realizace genetické informace eukaryot. Proto eukaryotický mozaikový gen není cistronomovým genem, protože ne celá sekvence DNA se používá pro syntézu proteinů.
Reprodukce a působení genů jsou spojeny s matricovými procesy - syntézou makromolekul: DNA, RNA, proteinů. Replikace byla již výše považována za proces, který zajišťuje reprodukci genetické informace. Moderní genová teorie – úspěch molekulární genetiky – je zcela založena na úspěchu biochemie při studiu matricových procesů. Naopak metoda genetické analýzy významně přispívá ke studiu matricových procesů, které jsou samy o sobě pod genetickou kontrolou. Činnost genu zajišťuje transkripce nebo syntéza RNA a přenos, nebo syntéza proteinů (obr. 5.23).
Rýže. 5.23. Schéma procesu transkripce DNA pomocí RNA polymerázy a translace: ale- obecné schéma přepisu. Šipka ukazuje směr, kterým se templát DNA pohybuje molekulou RNA polymerázy; b - dvě fáze: transkripce a translace
Proces syntézy proteinů začíná transkripcí DNA (jak bylo diskutováno výše). Dalším procesem je translace mRNA.
translace mRNA je syntéza proteinů na ribozomech řízená templátem mRNA. V tomto případě se informace překládá ze čtyřpísmenné abecedy nukleových kyselin do dvacetipísmenné abecedy aminokyselinových sekvencí polypeptidových řetězců.
V tomto procesu existují tři fáze:
- 1. Aktivace volných aminokyselin - tvorba aminoacyladenyláty jako výsledek interakce aminokyselin s ATP pod kontrolou enzymů specifických pro každou aminokyselinu. Tyto enzymy jsou aminoacyl-tRNA syntetáza - zúčastnit se další fáze.
- 2. Aminoacylace tRNA - připojení aminokyselinových zbytků k tRNA interakcí tRNA a komplexu aminoacyl-tRNA syntetázy s aminoacyladenyláty. V tomto případě je každý aminokyselinový zbytek připojen ke své specifické třídě tRNA.
- 3. Vlastně translace neboli polymerace aminokyselinových zbytků s tvorbou peptidových vazeb.
Během translace se tedy sekvence nukleotidů v mRNA překládá do odpovídající, přísně uspořádané sekvence aminokyselin v molekule syntetizovaného proteinu.
Signál zahájení vysílání u pro- a eukaryot slouží kodon AUG, pokud je umístěn na začátku mRNA. V tomto případě ji „rozpozná“ specializovaná iniciační formylmethionin (u bakterií) nebo methionin (u eukaryot) tRNA. V ostatních případech se kodon AUG „čte“ jako methionin (viz tabulka 5.4.). Kodon GUG může také sloužit jako iniciační signál. K této interakci dochází na ribozomu v jeho aminoacylovém centru (N-centrum), umístěném hlavně na malé podjednotce ribozomu.
Interakce kodonu AUG messengerové RNA, malé podjednotky ribozomu a formylmethionyl-tRNA iniciační komplex. Podstatou této interakce je, že tRNA, která zachytila a nese molekulu aminokyseliny methionin, je připojena ke kodonu AUG na mRNA svým antikodonem UAC (u bakterií je iniciátorem tRNA, která nese formylmethionin). Poté se k tomuto komplexu připojí velká podjednotka ribozomu (505), která se skládá z malé podjednotky ribozomu (305), mRNA a tRNA. Výsledkem je vytvoření plně sestaveného ribozomu, včetně jedné molekuly mRNA a iniciační tRNA s aminokyselinou. Ribozom má aminoacyl A peptidyl středisek.
První aminokyselina (methionin) nejprve vstupuje do aminoacylového centra. V procesu navázání větší podjednotky ribozomu se mRNA posune o jeden kodon, tRNA se přesune z aminoacylového centra do centra peptidylu. Další kodon mRNA vstupuje do aminoacylového centra, které se může spojit s antikodonem další aminoacyl-tRNA. Od tohoto okamžiku začíná druhá fáze překladu - prodloužení, během kterého se mnohokrát opakuje cyklus připojení molekul aminokyselin k rostoucímu polypeptidovému řetězci. Aminoacylové centrum ribozomu tedy přijímá, v souladu s kodonem messenger RNA, druhou molekulu tRNA nesoucí další aminokyselinu. Tato tRNA se váže svým antikodonem na komplementární kodon mRNA. Okamžitě je pomocí peptidyltransferázy předchozí aminokyselina (methionin) spojena svou karboxylovou skupinou (COOH) s aminoskupinou (NH 2) nově dodávaná aminokyselina. Mezi nimi vzniká peptidová vazba (-CO-NH-). V tomto případě se uvolní molekula vody:
V důsledku toho se uvolní tRNA, která doručila methionin, a dipeptid je již připojen k tRNA v aminoacylovém centru. Pro další realizaci procesu prodlužování se musí uvolnit aminoacylové centrum, což se stává.
V důsledku translačního procesu se komplex dipstndyl-tRNA přesune z aminoacylového centra na peptidylový. To je způsobeno pohybem ribozomu jedním kodonem za účasti enzymu translokace a proteinový elongační faktor. Uvolněná tRNA a kodon mRNA, který byl na ni navázán, opouští ribozom. Další tRNA dodává aminokyselinu do uvolněného aminoacylového centra v souladu s kodonem, který je tam přijat. Tato aminokyselina je spojena s předchozí aminokyselinou peptidovou vazbou. V tomto případě ribozom posouvá o jeden kodon více a proces se opakuje, dokud jeden ze tří terminačních kodonů (nesmyslných kodonů), tj. UAA, UAG nebo UGA, nevstoupí do aminoacylového centra.
Poté, co terminační kodon vstoupí do aminoacylového centra ribozomu, začíná třetí fáze syntézy polypeptidu - ukončení. Začíná připojením jednoho z proteinových terminačních faktorů na terminační kodon mRNA, což vede k zablokování dalšího prodlužování řetězce. Ukončení syntézy vede k uvolnění syntetizovaného polypeptidového řetězce a ribozomových podjednotek, které pak disociují a mohou se podílet na syntéze dalšího polypeptidového řetězce.
Celý proces translace je doprovázen štěpením molekul GTP (guanosintrifosfát) a je nutná účast dalších proteinových faktorů specifických pro procesy iniciace (iniciační faktory), elongace (elongační faktory) a terminace (terminační faktory). Tyto proteiny nejsou integrální součástí ribozomu, ale jsou k němu připojeny v určitých fázích translace. Obecně řečeno, proces translace je ve všech organismech stejný.
Polypeptidové řetězce vzniklé při syntéze proteinů procházejí postgranulačními přeměnami a následně plní své specifické funkce. Primární struktura polypeptid je určen sekvencí aminokyselin v něm. Polypeptidové řetězce spontánně tvoří určité sekundární struktura, která je dána povahou postranních skupin aminokyselinových zbytků (a-helix, složená P-vrstva, náhodná spirála). Všechny tyto a další strukturální rysy definují nějakou pevnou trojrozměrnou konfiguraci, která se nazývá terciární(nebo prostorová) struktura polypeptidu, což odráží způsob, jakým je tento polypeptidový řetězec složen v trojrozměrném prostoru.
Proteiny mohou být složeny z jednoho nebo více polypeptidových řetězců. V druhém případě jsou tzv oligomerní proteiny. Vyznačují se určitým kvartérní struktura. Tento termín se týká obecné konfigurace proteinu, která vznikla během asociace všech jeho základních polypeptidových řetězců. Konkrétně strukturální model lidského hemoglobinu zahrnuje dva a-řetězce a dva P-řetězce, které jsou vzájemně propojeny a tvoří kvartérní proteinovou strukturu.
Přesnost syntézy polypeptidů závisí na správném vytvoření systému vodíkových vazeb mezi kodony a antikodony. Před uzavřením další peptidové vazby pomocí ribozomů se kontroluje správnost vytvoření páru kodon-antikodon. Přímým důkazem ve prospěch aktivní role ribozomů v řízení komplementarity vazby kodon-antikodon je detekce mutací, které mění ribozomální proteiny a ovlivňují tak přesnost translace.
Proces syntézy bílkovin v buňce se nazývá biosyntéza. Skládá se ze dvou hlavních fází – transkripce a translace (obr. 4.5). První krok - přepis genetické informace- proces syntézy jednovláknové mRNA K komplementární k jednomu sense vláknu DNA, to znamená přenos genetické informace o nukleotidové struktuře DNA na mRNA. Přes otvory jaderné membrány vstupuje mRNA do kanálků endoplazmatického retikula a zde se spojuje s ribozomy. Na molekule mRNA dochází k syntéze proteinů a ribozomy se po ní pohybují a opouštějí ji na konci syntézy polypeptidového řetězce (obr. 4.6).
Obrázek 4.6 ukazuje pouze dva triplety: komplementární antikodon, odpovídající sloupci mRNA, a triplet CCA, ke kterému je připojena aminokyselina (LA).
Aminokyseliny umístěné v cytoplazmě jsou aktivovány enzymy, načež se vážou na jiný typ RNA - transport. Přenese aminokyseliny do ribozomů. Různé tRNA dodávají aminokyseliny do ribozomu a uspořádávají je podle sekvence tripletů mRNA. Tři po sobě jdoucí nukleotidy kódující specifickou aminokyselinu se nazývaly kodon (mRNA) a nerozbitný triplet se nazýval antikodon (tRNA). Kodony nejsou od sebe odděleny. Při dodání specifické aminokyseliny tRNA interaguje s mRNA (kodon-antikodon). a aminokyselina se připojí k rostoucímu patru a peptidovému řetězci. Je zcela zřejmé, že syntézu polypeptidu, tedy uspořádání aminokyselin v něm, určuje nukleotidová sekvence mRNA.
Druhá fáze biosyntézy - přenos- translace genetické informace z mRNA do aminokyselinové sekvence polypeptidového řetězce.
V sekvenci nukleotidů v tripletu je zakódována určitá aminokyselina. Bylo zjištěno, že genetický kód je triplet, to znamená, že každá aminokyselina je kódována kombinací tří nukleotidů. Pokud je kód triplet, pak 64 kodonů (4v3) může být vytvořeno ze čtyř dusíkatých bází; to je více než dost pro kódování 20 aminokyselin. Byla odhalena nová vlastnost genetického kódu - jeho redundance, to znamená, že některé aminokyseliny nekódují jeden, ale větší počet tripletů. Z 64 kodonů jsou tři rozpoznány jako stop kodony, které způsobují ukončení (terminaci) nebo přerušení genetické translace (tab. 4.2).
Genetický kód se nepřekrývá. Pokud by se kodony překrývaly, pak by změna jednoho páru bází měla za následek změnu dvou aminokyselin v polypeptidovém řetězci, a to se nestane. Navíc je univerzální - totéž pro biosyntézu bílkovin živých bytostí. Univerzálnost kódu svědčí o jednotě života na Zemi. Genetický kód je tedy systém pro záznam dědičné informace v nukleových kyselinách ve formě sekvence nukleotidů.
Následně byla cesta pro implementaci genetické informace v buňce doplněna o reverzní transkripci (syntéza DNA na templátu RNA) - replikace DNA a RNA (obr. 4.7).
Gen je úsek DNA. kódující primární strukturu polypeptidu nebo nukleové kyseliny. Na řízení syntézy polypeptidového řetězce se podílí několik různých genů: strukturální geny, regulační gen a operátorový gen. Mechanismus regulace genetického kódu objevili francouzští vědci F. Jacob a J. Monod v roce 1961 na bakteriích E. coli a byl nazván indukčně-represivní mechanismus. Strukturní geny kódují sekvenci aminokyselin v polypeptidech. Obvykle pro strukturální geny existuje společný regulační systém sestávající z regulačního genu a operátorového genu. Regulační gen určuje syntézu represorového proteinu, který v kombinaci s operátorem „umožňuje“ nebo „zakazuje“ čtení informací z odpovídajících strukturních genů. Operátorový gen a na něj navazující strukturní geny se nazývaly operon – jednotka pro čtení genetické informace, transkripční jednotka (obr. 4.8).
Například pro normální život E. coli je nezbytný mléčný cukr – laktóza. Má laktózovou oblast (lac-operon), na které jsou umístěny tři strukturní geny pro štěpení laktózy. Pokud se laktóza do buňky nedostane, pak se represorový protein produkovaný regulačním genem naváže na operátor a tím „zakáže“ transkripci (syntézu mRNA) z celého operonu. Pokud se laktóza dostane do buňky, pak je funkce represorového proteinu zablokována, začíná transkripce, translace, syntéza enzymových proteinů a rozmrazování laktózy. Po odbourání veškeré laktózy se obnoví aktivita represorového proteinu a potlačí se transkripce.
Geny tedy mohou být zapnuté a vypnuté. Jejich regulaci ovlivňují produkty metabolismu, hormony. Gen funguje v systému DNA-RNA-protein, který je ovlivněn interakcí genů a faktorů prostředí.
Chcete-li studovat procesy probíhající v těle, musíte vědět, co se děje na buněčné úrovni. Kde hrají důležitou roli bílkoviny. Je třeba studovat nejen jejich funkce, ale i proces tvorby. Proto je důležité stručně a jasně vysvětlit. Nejlépe se k tomu hodí stupeň 9. Právě v této fázi mají studenti dostatek znalostí k pochopení tohoto tématu.
Proteiny - co to je a k čemu jsou
Tyto makromolekulární sloučeniny hrají obrovskou roli v životě každého organismu. Proteiny jsou polymery, to znamená, že se skládají z mnoha podobných „kousků“. Jejich počet se může lišit od několika stovek až po tisíce.
Proteiny plní v buňce mnoho funkcí. Jejich role je také skvělá na vyšších úrovních organizace: tkáně a orgány do značné míry závisí na správném fungování různých proteinů.
Například všechny hormony jsou proteinového původu. Ale právě tyto látky řídí všechny procesy v těle.
Hemoglobin je také bílkovina, skládá se ze čtyř řetězců, které jsou ve středu spojeny atomem železa. Tato struktura poskytuje schopnost přenášet kyslík erytrocyty.
Připomeňme, že všechny membrány obsahují proteiny. Jsou nezbytné pro transport látek buněčnou membránou.
Existuje mnohem více funkcí proteinových molekul, které plní jasně a nepochybně. Tyto úžasné sloučeniny jsou velmi rozmanité nejen ve svých rolích v buňce, ale také ve struktuře.
Kde se syntéza odehrává
Ribozom je organela, ve které probíhá hlavní část procesu zvaného „biosyntéza bílkovin“. Devátý ročník na různých školách se liší učebním plánem pro studium biologie, ale mnoho učitelů dává materiál o organelách předem, ještě před studiem překladu.
Pro žáky proto nebude těžké si probranou látku zapamatovat a upevnit si ji. Měli byste si být vědomi toho, že na jedné organele může být současně vytvořen pouze jeden polypeptidový řetězec. To nestačí k uspokojení všech potřeb buňky. Ribozomů je tedy hodně a nejčastěji jsou kombinovány s endoplazmatickým retikulem.
Takový EPS se nazývá hrubý. Výhoda takové „spolupráce“ je zřejmá: ihned po syntéze protein vstupuje do transportního kanálu a může být bez prodlení odeslán na místo určení.
Pokud ale vezmeme v úvahu úplný začátek, totiž čtení informace z DNA, pak můžeme říci, že biosyntéza bílkovin v živé buňce začíná v jádře. Právě tam se syntetizuje genetický kód.
Nezbytnými materiály jsou aminokyseliny, místem syntézy je ribozom
Zdá se, že je obtížné vysvětlit, jak probíhá biosyntéza proteinů, stručně a jasně, diagram procesu a četné výkresy jsou prostě nezbytné. Pomohou zprostředkovat všechny informace a také si je studenti budou moci snáze zapamatovat.
V první řadě k syntéze potřebujete „stavební materiál“ – aminokyseliny. Některé z nich jsou produkovány tělem. Jiné lze získat pouze z potravy, říká se jim nepostradatelné.
Celkový počet aminokyselin je dvacet, ale vzhledem k obrovskému množství možností, ve kterých je lze uspořádat do dlouhého řetězce, jsou molekuly bílkovin velmi rozmanité. Tyto kyseliny mají podobnou strukturu, ale liší se v radikálech.
Právě vlastnosti těchto částí každé aminokyseliny určují, jakou strukturu se bude výsledný řetězec „skládat“, zda s ostatními řetězci vytvoří kvartérní strukturu a jaké vlastnosti bude mít výsledná makromolekula.
Proces biosyntézy bílkovin nemůže probíhat jednoduše v cytoplazmě, potřebuje ribozom. se skládá ze dvou podjednotek – velké a malé. V klidu jsou odděleny, ale jakmile začne syntéza, okamžitě se spojí a začnou fungovat.
Takové různé a důležité ribonukleové kyseliny
K tomu, abyste přivedli aminokyselinu do ribozomu, potřebujete speciální RNA zvanou transport. Označuje se zkratkou tRNA. Tato jednovláknová molekula čtyřlístku je schopna připojit jednu aminokyselinu na svůj volný konec a přenést ji do místa syntézy bílkovin.
Další RNA zapojená do syntézy proteinů se nazývá matrice (informace). Nese neméně důležitou složku syntézy – kód, který jasně říká, kdy kterou aminokyselinu zřetězit do výsledného proteinového řetězce.
Tato molekula má jednovláknovou strukturu, skládá se z nukleotidů a také z DNA. Existují určité rozdíly v primární struktuře těchto nukleových kyselin, o kterých si můžete přečíst ve srovnávacím článku o RNA a DNA.
Informace o složení proteinu mRNA dostává od hlavního správce genetického kódu – DNA. Proces čtení a syntézy mRNA se nazývá transkripce.
Vyskytuje se v jádře, odkud je výsledná mRNA odeslána do ribozomu. Samotná DNA jádro neopouští, jejím úkolem je pouze uchovat genetický kód a při dělení jej přenést do dceřiné buňky.
Souhrnná tabulka hlavních účastníků vysílání
Aby bylo možné stručně a jasně popsat biosyntézu proteinů, je tabulka prostě nezbytná. V něm si zapíšeme všechny komponenty a jejich roli v tomto procesu, který se nazývá překlad.
Samotný proces tvorby proteinového řetězce je rozdělen do tří fází. Podívejme se na každou z nich podrobněji. Poté můžete biosyntézu proteinů snadno vysvětlit všem, kteří ji chtějí, stručně a srozumitelně.
Iniciace – začátek procesu
Toto je počáteční fáze translace, ve které se malá podjednotka ribozomu spojí s úplně první tRNA. Tato ribonukleová kyselina nese aminokyselinu methionin. Translace vždy začíná touto aminokyselinou, protože startovací kodon je AUG, který kóduje tento první monomer v proteinovém řetězci.
Aby ribozom rozpoznal start kodon a nezačal syntézu od středu genu, kde se může objevit i sekvence AUG, je kolem startovacího kodonu umístěna speciální nukleotidová sekvence. Právě podle nich ribozom rozpozná místo, kde by měla sedět jeho malá podjednotka.
Po vytvoření komplexu s mRNA iniciační krok končí. A začíná hlavní fáze překladu.
Prodloužení – střed syntézy
V této fázi dochází k postupnému budování proteinového řetězce. Délka prodloužení závisí na počtu aminokyselin v proteinu.
Nejprve je velká podjednotka ribozomu připojena k malé podjednotce. A počáteční t-RNA je v něm celá. Venku zůstává pouze methionin. Dále do velké podjednotky vstupuje druhá t-RNA nesoucí další aminokyselinu.
Pokud se druhý kodon na mRNA shoduje s antikodonem v horní části čtyřlístku, je druhá aminokyselina připojena k první prostřednictvím peptidové vazby.
Poté se ribozom posouvá po m-RNA přesně o tři nukleotidy (jeden kodon), první t-RNA od sebe oddělí methionin a oddělí se od komplexu. Na jejím místě je druhá t-RNA, na jejímž konci jsou již dvě aminokyseliny.
Poté do velké podjednotky vstoupí třetí tRNA a proces se opakuje. Bude pokračovat, dokud ribozom nenarazí na kodon v mRNA, který signalizuje konec translace.
Ukončení
Tato etapa je poslední, někomu se může zdát velmi krutá. Všechny molekuly a organely, které tak harmonicky pracovaly na vytvoření polypeptidového řetězce, se zastaví, jakmile ribozom narazí na terminální kodon.
Nekóduje žádnou aminokyselinu, takže jakákoli tRNA, která se dostane do velké podjednotky, bude odmítnuta kvůli neshodě. Zde vstupují do hry terminační faktory, které oddělují hotový protein od ribozomu.
Samotná organela se může buď rozdělit na dvě podjednotky, nebo pokračovat v mRNA při hledání nového startovacího kodonu. Jedna mRNA může mít několik ribozomů najednou. Každý z nich je ve své vlastní fázi translace Nově vytvořený protein je opatřen markery, s jejichž pomocí bude jeho určení každému jasné. A EPS to pošle tam, kam je potřeba.
Abychom pochopili roli biosyntézy bílkovin, je nutné studovat, jaké funkce může vykonávat. Záleží na pořadí aminokyselin v řetězci. Právě jejich vlastnosti určují sekundární, terciární a někdy i kvartérní (pokud existuje) a jeho roli v buňce. Více o funkcích molekul bílkovin si můžete přečíst v článku na toto téma.
Jak se dozvědět více o vysílání
Tento článek popisuje biosyntézu proteinů v živé buňce. Samozřejmě, pokud budete studovat předmět hlouběji, bude trvat mnoho stránek, než celý proces vysvětlíte do všech podrobností. Pro obecnou představu by ale výše uvedený materiál měl stačit.Pro pochopení mohou být velmi užitečné videomateriály, ve kterých vědci simulovali všechny fáze překladu. Některé z nich byly přeloženy do ruštiny a mohou sloužit jako výborný průvodce pro studenty nebo jen výukové video.
Abyste tématu lépe porozuměli, měli byste si přečíst další články na související témata. Například o funkcích proteinů nebo o nich.