Bioloogilise sünteesi reaktsioonide kogumit nimetatakse plastiliseks vahetuseks või assimilatsiooniks. Seda tüüpi vahetuse nimetus peegeldab selle olemust: väljastpoolt rakku sisenevatest lihtsatest ainetest tekivad raku ainetega sarnased ained.
Mõelge plastilise metabolismi ühele kõige olulisemale vormile - valkude biosünteesile. Valkude omaduste kogu mitmekesisuse määrab lõpuks esmane struktuur, st aminohapete järjestus. Suur hulk unikaalseid evolutsiooni teel valitud aminohapete kombinatsioone reprodutseeritakse nukleiinhapete sünteesil sellise lämmastikualuste järjestusega, mis vastab valkude aminohapete järjestusele. Iga polüpeptiidahela aminohape vastab kolme nukleotiidi kombinatsioonile – tripletile.
Päriliku teabe realiseerimise protsess biosünteesis viiakse läbi kolme tüüpi ribonukleiinhapete osalusel: informatiivne (maatriks) - mRNA (mRNA), ribosomaalne - rRNA ja transport - tRNA. Kõik ribonukleiinhapped sünteesitakse DNA molekuli vastavates piirkondades. Need on palju väiksemad kui DNA ja moodustavad ühe nukleotiidide ahela. Nukleotiidid sisaldavad fosforhappe jääki (fosfaati), pentoossuhkrut (riboosi) ja ühte neljast lämmastiku alusest – adeniini, tsütosiini, guaniini ja uratsiili. Lämmastikalus uratsiil täiendab adeniini.
Biosünteesi protsess on keeruline ja sisaldab mitmeid etappe – transkriptsiooni, splaissimist ja translatsiooni.
Esimene etapp (transkriptsioon) toimub raku tuumas: mRNA sünteesitakse DNA molekuli teatud geeni kohas. See süntees viiakse läbi ensüümide kompleksi osalusel, millest peamine on DNA-sõltuv RNA polümeraas, mis kinnitub DNA molekuli alg- (alg-) punkti, kerib lahti kaksikheeliksi ja liigub mööda ühte ahelaid, sünteesib selle kõrval komplementaarset mRNA ahelat. Transkriptsiooni tulemusena sisaldab mRNA nukleotiidide järjestikuse vaheldumise kujul geneetilist teavet, mille järjestus on täpselt kopeeritud DNA molekuli vastavast lõigust (geenist).
Edasised uuringud on näidanud, et transkriptsiooni käigus sünteesitakse niinimetatud pro-mRNA, mis on translatsioonis osaleva küpse mRNA eelkäija. Pro-mRNA on palju suurem ja sisaldab fragmente, mis ei kodeeri vastava polüpeptiidahela sünteesi. DNA-s on koos rRNA-d, tRNA-d ja polüpeptiide kodeerivate piirkondadega fragmente, mis ei sisalda geneetilist teavet. Neid nimetatakse introniteks, erinevalt kodeerivatest fragmentidest, mida nimetatakse eksoniteks. Introneid leidub paljudes DNA molekulide piirkondades. Näiteks ühes geenis - kana ovalbumiini kodeerivas DNA piirkonnas - on 7 intronit, roti seerumi albumiini geenis - 13 intronit. Introni pikkus varieerub kahesajast kuni tuhande paari DNA nukleotiidideni. Introneid loetakse (transkribeeritakse) samaaegselt eksonitega, seega on pro-mRNA oluliselt pikem kui küps mRNA. Pro-mRNA tuumas lõigatakse intronid välja spetsiaalsete ensüümide abil ja eksoni fragmendid "splaisseeritakse" kokku ranges järjekorras. Seda protsessi nimetatakse splaissimiseks. Splaissimise käigus moodustub küps mRNA, mis sisaldab ainult vastava polüpeptiidi sünteesiks vajalikku informatsiooni ehk struktuurgeeni informatiivset osa.
Intronite tähendus ja funktsioonid pole veel täielikult välja selgitatud, kuid on kindlaks tehtud, et kui DNA-st loetakse ainult eksonite osi, siis küpset mRNA-d ei moodustu. Splaissimise protsessi on uuritud ovalbumiini geeni näitel. See sisaldab ühte eksonit ja 7 intronit. Esiteks sünteesitakse DNA-l 7700 nukleotiidi sisaldav pro-mRNA. Seejärel pro-mRNA-s väheneb nukleotiidide arv 6800-ni, seejärel 5600, 4850, 3800, 3400 jne eksonile vastava 1372 nukleotiidini. 1372 nukleotiidi sisaldav mRNA lahkub tuumast tsütoplasmasse, siseneb ribosoomi ja sünteesib vastava polüpeptiidi.
Biosünteesi järgmine etapp - translatsioon - toimub tsütoplasmas ribosoomidel tRNA osalusel.
Transfer RNA-d sünteesitakse tuumas, kuid need toimivad vabas olekus raku tsütoplasmas. Üks tRNA molekul sisaldab 76-85 nukleotiidi ja on üsna keerulise struktuuriga, mis meenutab ristikulehte. Erilise tähtsusega on kolm tRNA sektsiooni: 1) antikoodon, mis koosneb kolmest nukleotiidist, mis määrab tRNA kinnituskoha vastava komplementaarse koodoni (mRNA) külge ribosoomil; 2) sait, mis määrab tRNA spetsiifilisuse, antud molekuli võime kinnituda ainult konkreetse aminohappe külge; 3) aktseptorsait, mille külge on kinnitatud aminohape. See on kõigi tRNA-de puhul sama ja koosneb kolmest nukleotiidist – C-C-A. Aminohappe kinnitumisele tRNA-ga eelneb selle aktiveerimine ensüümi aminoatsüül-tRNA süntetaasi poolt. See ensüüm on iga aminohappe jaoks spetsiifiline. Aktiveeritud aminohape kinnitub vastava tRNA külge ja toimetatakse selle kaudu ribosoomi.
Translatsiooni keskne koht on ribosoomidel - tsütoplasma ribonukleoproteiini organellidel, mida selles leidub paljudes. Ribosoomide suurus prokarüootides on keskmiselt 30x30x20 nm, eukarüootides - 40x40x20 nm. Tavaliselt määratakse nende suurused settimise ühikutes (S) - settimise kiirus tsentrifuugimisel sobivas keskkonnas. Bakteris Escherichia coli on ribosoomi suurus 70S ja see koosneb kahest alamosakesest, millest ühe konstant on 30S, teise 50S ning sisaldab 64% ribosomaalset RNA-d ja 36% valku.
MRNA molekul väljub tuumast tsütoplasmasse ja kinnitub ribosoomi väikese subühiku külge. Tõlge algab nn alguskoodoniga (sünteesi algataja) - A-U-G-. Kui tRNA toimetab aktiveeritud aminohappe ribosoomi, on selle antikoodon vesiniksidemega seotud mRNA komplementaarse koodoni nukleotiididega. tRNA aktseptorots koos vastava aminohappega kinnitub ribosoomi suure subühiku pinnale. Pärast esimest aminohapet edastab teine tRNA järgmise aminohappe ja seega sünteesitakse ribosoomil polüpeptiidahel. MRNA molekul töötab tavaliselt mitmel (5-20) ribosoomil korraga, mis on ühendatud polüsoomideks. Polüpeptiidahela sünteesi algust nimetatakse initsiatsiooniks, selle kasvu nimetatakse pikenemiseks. Polüpeptiidahela aminohapete järjestuse määrab mRNA koodonite järjestus. Polüpeptiidahela süntees peatub, kui mRNA-le ilmub üks terminaatorkoodonitest - UAA, UAG või UGA. Antud polüpeptiidahela sünteesi lõppu nimetatakse terminatsiooniks.
On kindlaks tehtud, et loomarakkudes pikeneb polüpeptiidahel ühe sekundi jooksul 7 aminohappe võrra ja mRNA liigub ribosoomil edasi 21 nukleotiidi võrra. Bakterites kulgeb see protsess kaks kuni kolm korda kiiremini.
Järelikult toimub ribosoomil valgumolekuli primaarstruktuuri - polüpeptiidahela - süntees vastavalt nukleotiidide vaheldumise järjekorrale maatriksi ribonukleiinhappes - mRNA-s. See ei sõltu ribosoomi struktuurist.
Esiteks määrake valgu biosünteesi etappide järjestus, alustades transkriptsioonist. Kogu valgumolekulide sünteesi käigus toimuvate protsesside jada saab ühendada kaheks etapiks:
Transkriptsioon.
Saade.
Päriliku teabe struktuuriüksused on geenid - DNA molekuli lõigud, mis kodeerivad konkreetse valgu sünteesi. Keemilise korralduse poolest ei ole pro- ja eukarüootide pärilikkuse ja varieeruvuse materjal põhimõtteliselt erinev. Nendes leiduv geneetiline materjal on esitatud DNA molekulis, levinud on ka päriliku teabe ja geneetilise koodi salvestamise põhimõte. Samad aminohapped pro- ja eukarüootides on krüpteeritud samade koodonitega.
Kaasaegsete prokarüootsete rakkude genoomi iseloomustab suhteliselt väike suurus, Escherichia coli DNA on umbes 1 mm pikkuse ringikujuline. See sisaldab 4 x 10 6 aluspaari, moodustades umbes 4000 geeni. 1961. aastal avastasid F. Jacob ja J. Monod prokarüootsete geenide tsistroonilise ehk pideva organiseerituse, mis koosnevad täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest ja need realiseeruvad täielikult valgusünteesi käigus. Prokarüootide DNA molekuli pärilik materjal asub otse raku tsütoplasmas, kus paikneb ka tRNA ja geeniekspressiooniks vajalikud ensüümid Ekspressioon on geenide funktsionaalne aktiivsus ehk geeniekspressioon. Seetõttu on DNA-ga sünteesitud mRNA võimeline koheselt toimima matriitsina valgusünteesi translatsiooni protsessis.
Eukarüootne genoom sisaldab palju rohkem pärilikkust. Inimesel on diploidses kromosoomikomplektis DNA kogupikkus umbes 174 cm, see sisaldab 3 x 10 9 aluspaari ja sisaldab kuni 100 000 geeni. 1977. aastal avastati enamiku eukarüootsete geenide struktuuris katkestus, mida nimetati "mosaiikgeeniks". Sellel on kodeerivad nukleotiidjärjestused eksooniline ja intron krundid. Valkude sünteesiks kasutatakse ainult eksoniteavet. Intronite arv on erinevates geenides erinev. On kindlaks tehtud, et kana ovalbumiini geen sisaldab 7 intronit ja imetajate prokollageeni geen - 50. Vaikse DNA - intronite funktsioonid pole täielikult välja selgitatud. Eeldatakse, et need tagavad: 1) kromatiini struktuurse korralduse; 2) osa neist on ilmselgelt seotud geeniekspressiooni reguleerimisega; 3) introneid võib pidada varieeruvuse teabe hoidjaks; 4) nad võivad mängida kaitsvat rolli, võttes mutageenide toime.
Transkriptsioon
Teabe ümberkirjutamise protsessi raku tuumas DNA molekuli osast mRNA molekuliks (mRNA) nimetatakse transkriptsioon(lat. Transscriptio – ümberkirjutamine). Geeni esmane saadus mRNA sünteesitakse. See on esimene samm valkude sünteesis. DNA vastaval lõigul tunneb RNA polümeraasi ensüüm ära transkriptsiooni alguse märgi - eelvaade Lähtepunktiks peetakse esimest DNA nukleotiidi, mille ensüüm kaasab RNA transkripti. Kodeerivad piirkonnad algavad reeglina koodoniga AUG, mõnikord kasutatakse GUG-d bakterites. Kui RNA polümeraas seondub promootoriga, keeratakse DNA kaksikheeliks lokaalselt lahti ja üks ahelatest kopeeritakse vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. mRNA sünteesitakse, selle kokkupaneku kiirus ulatub 50 nukleotiidini sekundis. RNA polümeraasi liikumisel mRNA ahel kasvab ja kui ensüüm jõuab kopeerimiskoha lõppu - terminaator, liigub mRNA mallist eemale. Ensüümi taga olev DNA kaksikheeliks parandatakse.
Prokarüootide transkriptsioon toimub tsütoplasmas. Kuna DNA koosneb täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest, toimib sünteesitud mRNA kohe translatsiooni mallina (vt eespool).
MRNA transkriptsioon eukarüootides toimub tuumas. See algab suurte molekulide – prekursorite (pro-mRNA) sünteesiga, mida nimetatakse ebaküpseks ehk tuuma RNA-ks.Pro-mRNA geeni esmane saadus on transkribeeritud DNA piirkonna täpne koopia, sisaldab eksoneid ja introneid. Eelkäijatest küpsete RNA molekulide moodustumise protsessi nimetatakse töötlemine. mRNA küpsemine toimub splaissimine on ensüümide poolt tehtud pistikud piirata intronid ja saitide ühendamine transkribeeritud eksonijärjestustega ligaasensüümide poolt. (Joonis.) Küps mRNA on palju lühem kui pro-mRNA prekursormolekulid, nendes olevate intronite suurus varieerub vahemikus 100 kuni 1000 nukleotiidi või rohkem. Intronid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st.
Nüüd on näidatud, et see on võimalik alternatiivne splaissimine, milles saab ühest primaarsest transkriptist selle erinevates piirkondades kustutada nukleotiidjärjestused ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on iseloomulik imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemile, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal.
Pärast töötlemise lõpetamist valitakse küps mRNA enne tuumast lahkumist. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb tsütoplasmasse ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas.
Saade
Translatsioon (lat. Translatio - ülekanne, ülekanne) - mRNA molekuli nukleotiidjärjestuses sisalduva teabe translatsioon polüpeptiidahela aminohappejärjestusse (joon. 10). See on valgusünteesi teine etapp. Küpse mRNA ülekandmisel läbi tuumaümbrise pooride tekivad spetsiaalsed valgud, mis moodustavad RNA molekuliga kompleksi. Lisaks mRNA transpordile kaitsevad need valgud mRNA-d tsütoplasmaatiliste ensüümide kahjustava toime eest. Translatsiooniprotsessis mängivad keskset rolli tRNA-d, mis tagavad aminohappe täpse vastavuse mRNA tripleti koodile. Translatsiooni-dekodeerimise protsess toimub ribosoomides ja see viiakse läbi suunas 5 kuni 3. MRNA ja ribosoomide kompleksi nimetatakse polüsoomiks.
Tõlke võib jagada kolme faasi: initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.
Algatus.
Selles etapis pannakse kokku kogu valgumolekuli sünteesis osalev kompleks. Teatud mRNA piirkonnas on ribosoomide kahe subühiku liit, esimene aminoatsüül - tRNA on sellele kinnitatud ja see seab teabe lugemise raami. Iga mRNA molekul sisaldab saiti, mis on komplementaarne ribosoomi väikese subühiku rRNA-ga ja mida see spetsiifiliselt kontrollib. Selle kõrval asub initsieeriv stardikoodon AUG, mis kodeerib aminohapet metioniini.
Pikendamine
- see hõlmab kõiki reaktsioone alates esimese peptiidsideme moodustumise hetkest kuni viimase aminohappe lisamiseni. Ribosoomil on kaks kohta kahe tRNA molekuli sidumiseks. Esimene aminohappe metioniiniga t-RNA asub ühes sektsioonis, peptidüülis (P) ja sellest algab mistahes valgumolekuli süntees. Teine t-RNA molekul siseneb ribosoomi teise kohta – aminoatsüül (A) ja kinnitub selle koodonile. Metioniini ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside. Teine tRNA liigub koos oma mRNA koodoniga peptidüülkeskusesse. Polüpeptiidahelaga t-RNA liikumisega aminoatsüültsentrist peptidüülkeskusesse kaasneb ribosoomi edasiliikumine piki mRNA-d ühele koodonile vastava sammuga. Metioniini tarninud tRNA naaseb tsütoplasmasse ja amnoatsüülkeskus vabaneb. See saab uue t-RNA aminohappega, mis on krüpteeritud järgmise koodoniga. Kolmanda ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside ning kolmas tRNA liigub koos mRNA koodoniga peptidüültsentrisse Elongatsiooniprotsess, valguahela pikenemine. See jätkub, kuni üks kolmest koodonist, mis ei kodeeri aminohappeid, siseneb ribosoomi. See on terminaatorkoodon ja sellele ei ole vastavat tRNA-d, seega ei saa ükski tRNA-dest aminoatsüülkeskuses kohta asuda.
Lõpetamine
- polüpeptiidide sünteesi lõpuleviimine. See on seotud ühe terminatsioonikoodoni (UAA, UAG, UGA) äratundmisega spetsiifilise ribosomaalse valgu poolt, kui see siseneb aminoatsüülkeskusesse. Ribosoomi külge on kinnitatud spetsiaalne terminatsioonifaktor, mis soodustab ribosoomi subühikute eraldumist ja sünteesitud valgu molekuli vabanemist. Peptiidi viimase aminohappe külge kinnitub vesi ja selle karboksüülots eraldatakse tRNA-st.
Peptiidahela kokkupanek toimub suurel kiirusel. Bakterites, mille temperatuur on 37 °C, väljendub see polüpeptiidile 12–17 aminohappe lisamises sekundis. Eukarüootsetes rakkudes lisatakse polüpeptiidile kaks aminohapet ühe sekundi jooksul.
Seejärel siseneb sünteesitud polüpeptiidahel Golgi kompleksi, kus valmib valgumolekuli ehitus (järjekorras ilmuvad teine, kolmas, neljas struktuur). Siin on valgu molekulide komplekseerumine rasvade ja süsivesikutega.
Kogu valkude biosünteesi protsess on esitatud skeemi kujul: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® polüpeptiidahela ® valk ® valgu kompleksi moodustamine ja nende muundumine funktsionaalselt aktiivseteks molekulideks.
Päriliku teabe rakendamise etapid kulgevad samuti sarnaselt: esiteks transkribeeritakse see mRNA nukleotiidjärjestuseks ja seejärel transleeritakse tRNA osalusel ribosoomidel polüpeptiidi aminohappejärjestuseks.
Eukarüootide transkriptsioon viiakse läbi kolme tuuma RNA polümeraasi toimel. RNA polümeraas 1 asub tuumas ja vastutab rRNA geenide transkriptsiooni eest. RNA polümeraas 2 leidub tuumamahlas ja vastutab mRNA prekursori sünteesi eest. RNA polümeraas 3 on väike osa tuumamahlas, mis sünteesib väikseid rRNA-sid ja tRNA-sid. RNA polümeraasid tunnevad spetsiifiliselt ära transkriptsioonipromootori nukleotiidjärjestuse. Eukarüootne mRNA sünteesitakse esmalt prekursorina (pro-mRNA), eksonitelt ja intronitelt saadav teave kantakse sinna maha. Sünteesitud mRNA on suurem kui translatsiooniks vajalik ja vähem stabiilne.
MRNA molekuli küpsemise käigus lõigatakse restriktsiooniensüümide abil välja intronid ja ligaasi ensüümide abil õmmeldakse kokku eksonid. MRNA küpsemist nimetatakse töötlemiseks ja eksonite liitumist splaissimiseks. Seega sisaldab küps mRNA ainult eksoneid ja on palju lühem kui tema eelkäija pro-mRNA. Introni suurused varieeruvad 100 kuni 10 000 nukleotiidi või rohkem. Intonid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st. Praeguseks on tõestatud alternatiivse splaissimise võimalus, mille käigus saab ühest primaarsest transkriptist selle erinevates piirkondades kustutada nukleotiidjärjestused ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on iseloomulik imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemile, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal. Pärast töötlemise lõpetamist valitakse küps mRNA enne tuumast tsütoplasmasse vabastamist. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas. Eukarüootsete geenide primaarsete transkriptonide transformatsioon, mis on seotud nende ekson-introni organisatsiooniga ja seoses küpse mRNA üleminekuga tuumast tsütoplasmasse, määrab eukarüootide geneetilise teabe realiseerimise tunnused. Seetõttu ei ole eukarüootne mosaiikgeen tsistronoomi geen, kuna kogu DNA järjestust ei kasutata valkude sünteesiks.
Geenide paljunemine ja toime on seotud maatriksprotsessidega – makromolekulide sünteesiga: DNA, RNA, valgud. Replikatsiooni on juba eespool käsitletud kui protsessi, mis tagab geneetilise informatsiooni taastootmise. Kaasaegne geeniteooria – molekulaargeneetika saavutus – põhineb täielikult biokeemia edul maatriksprotsesside uurimisel. Seevastu geneetilise analüüsi meetod annab olulise panuse maatriksprotsesside uurimisse, mis ise on geneetilise kontrolli all. Geeni tegevus annab transkriptsioon või RNA süntees ja saade, ehk valgusüntees (joon. 5.23).
Riis. 5.23. DNA transkriptsiooni RNA polümeraasi ja translatsiooni protsessi skeem: a- transkriptsiooni üldine skeem. Nool näitab suunda, milles DNA matriits liigub läbi RNA polümeraasi molekuli; b - kaks etappi: transkriptsioon ja tõlkimine
Valgu sünteesi protsess algab DNA transkriptsiooniga (nagu eespool kirjeldatud). Järgmine protsess on mRNA translatsioon.
mRNA translatsioon on valkude süntees ribosoomidel, mida juhib mRNA matriitsi. Sel juhul tõlgitakse teave nukleiinhapete neljatähelisest tähestikust polüpeptiidahelate aminohappejärjestuste kahekümnetäheliseks tähestikuks.
Selles protsessis on kolm etappi:
- 1. Vabade aminohapete aktiveerimine – teke aminoatsüüladenülaadid aminohapete interaktsiooni tulemusena ATP-ga iga aminohappe jaoks spetsiifiliste ensüümide kontrolli all. Need ensüümid on aminoatsüül-tRNA süntetaas - osaleda järgmises etapis.
- 2. tRNA aminoatsüülimine - aminohappejääkide kinnitumine tRNA-le tRNA ja aminoatsüül-tRNA süntetaasi kompleksi interaktsioonil aminoatsüüladenülaatidega. Sel juhul on iga aminohappejääk seotud oma spetsiifilise tRNA klassiga.
- 3. Tegelikult translatsioon ehk aminohappejääkide polümerisatsioon koos peptiidsidemete moodustumisega.
Seega translatsiooni käigus transleeritakse mRNA nukleotiidide järjestus sünteesitud valgu molekulis vastavaks rangelt järjestatud aminohapete järjestuseks.
Signaal saate algatamine pro- ja eukarüootides toimib AUG koodon, kui see asub mRNA alguses. Sel juhul tunneb selle ära spetsiaalne initsieeriv formüülmetioniini (bakterites) või metioniini (eukarüootides) tRNA. Muudel juhtudel "loeb" koodon AUG metioniiniks (vt tabel 5.4.). Koodon GUG võib toimida ka initsiatsioonisignaalina. See interaktsioon toimub ribosoomil selle aminoatsüülkeskuses (N-tsenter), mis asub peamiselt ribosoomi väikeses subühikus.
Messenger-RNA, ribosoomi väikese subühiku ja formüülmetionüül-tRNA koodoni AUG interaktsioon moodustub initsiatsioonikompleks. Selle interaktsiooni olemus seisneb selles, et tRNA, mis on kinni püüdnud ja kannab metioniini aminohappe molekuli, kinnitub oma antikoodoniga UAC (bakterites on formüülmetioniini kandev tRNA initsiaatoriks) mRNA koodoniga AUG. Seejärel liitub selle kompleksiga ribosoomi suur subühik (505), mis koosneb ribosoomi väikesest subühikust (305), mRNA-st ja tRNA-st. Selle tulemusena moodustub täielikult komplekteeritud ribosoom, mis sisaldab ühte mRNA molekuli ja initsiaator-tRNA-d koos aminohappega. Ribosoomil on aminoatsüül ja peptidüül keskused.
Esimene aminohape (metioniin) siseneb kõigepealt aminoatsüülkeskusesse. Ribosoomi suurema alaühiku kinnitamise protsessis liigub mRNA ühte koodonit, tRNA liigub aminoatsüülkeskusest peptidüülkeskusesse. Järgmine mRNA koodon siseneb aminoatsüülkeskusesse, mis saab ühenduda järgmise aminoatsüül-tRNA antikoodoniga. Sellest hetkest algab tõlkimise teine etapp - pikenemine, mille jooksul kordub aminohapete molekulide kinnitumise tsükkel kasvavale polüpeptiidahelale palju kordi. Seega saab ribosoomi aminoatsüülkeskus vastavalt sõnum-RNA koodonile vastu teise tRNA molekuli, mis kannab järgmist aminohapet. See tRNA seondub oma antikoodoniga mRNA komplementaarse koodoniga. Eelnev aminohape (metioniin) ühendatakse koheselt peptidüültransferaasi abil selle karboksüülrühma (COOH) kaudu aminorühmaga (NH2) äsja tarnitud aminohape. Nende vahel moodustub peptiidside (-CO-NH-). Sel juhul vabaneb veemolekul:
Selle tulemusena vabaneb metioniini tarninud tRNA ja dipeptiid on juba aminoatsüülkeskuses tRNA külge kinnitatud. Elongatsiooniprotsessi edasiseks rakendamiseks tuleb vabastada aminoatsüülkeskus, mis juhtub.
Translatsiooniprotsessi tulemusena liigub dipstndüül-tRNA kompleks aminoatsüültsentrist peptidüülkeskmesse. See on tingitud ribosoomi liikumisest ühe koodoni võrra ensüümi osalusel translokaasid ja valgu pikenemise tegur. Vabanenud tRNA ja sellega seotud mRNA koodon väljuvad ribosoomist. Järgmine tRNA toimetab aminohappe vabanenud aminoatsüülkeskusesse vastavalt seal vastuvõetud koodonile. See aminohape on peptiidsidemega seotud eelmise aminohappega. Sel juhul liigub ribosoom edasi veel ühe koodoni ja protsessi korratakse seni, kuni üks kolmest terminatsioonikoodonist (nonsenss-koodonist), st UAA, UAG või UGA, siseneb aminoatsüüli keskusesse.
Pärast terminatsioonikoodoni sisenemist ribosoomi aminoatsüülkeskusesse algab polüpeptiidi sünteesi kolmas etapp - lõpetamine. See algab ühe valgu terminatsioonifaktori kinnitumisest mRNA terminatsioonikoodonile, mis viib ahela edasise pikenemise blokeerimiseni. Sünteesi lõpetamine viib sünteesitud polüpeptiidahela ja ribosoomi subühikute vabanemiseni, mis seejärel dissotsieeruvad ja võivad osaleda järgmise polüpeptiidahela sünteesis.
Kogu translatsiooniprotsessiga kaasneb GTP (guanosiintrifosfaadi) molekulide lõhustamine ning vajalik on initsiatsiooni (initsiatsioonifaktorid), elongatsiooni (pikenemistegurid) ja lõpetamise (lõpetustegurid) protsessidele spetsiifiliste täiendavate valgufaktorite osalemine. Need valgud ei ole ribosoomi lahutamatu osa, vaid on sellega seotud translatsiooni teatud etappides. Üldiselt on translatsiooniprotsess kõigis organismides ühesugune.
Valgusünteesi käigus moodustunud polüpeptiidahelad läbivad granuleerimisjärgseid transformatsioone ja täidavad seejärel oma spetsiifilisi funktsioone. Esmane struktuur polüpeptiid määratakse selles sisalduvate aminohapete järjestuse järgi. Polüpeptiidahelad moodustavad spontaanselt teatud teisejärguline struktuur, mille määrab aminohappejääkide kõrvalrühmade olemus (a-heeliks, volditud P-kiht, juhuslik mähis). Kõik need ja muud struktuuriomadused määratlevad mingi fikseeritud kolmemõõtmelise konfiguratsiooni, mida nimetatakse kolmanda taseme(või polüpeptiidi ruumiline struktuur, mis peegeldab selle polüpeptiidahela voltimist kolmemõõtmelises ruumis.
Valgud võivad koosneda ühest või mitmest polüpeptiidahelast. Teisel juhul nimetatakse neid oligomeersed valgud. Neid iseloomustab teatud kvaternaarne struktuur. See termin viitab valgu üldisele konfiguratsioonile, mis on tekkinud selle kõigi polüpeptiidahelate assotsieerumise käigus. Eelkõige sisaldab inimese hemoglobiini struktuurmudel kahte a-ahelat ja kahte P-ahelat, mis on omavahel seotud ja moodustavad kvaternaarse valgustruktuuri.
Polüpeptiidide sünteesi täpsus sõltub koodonite ja antikoodonite vahelise vesiniksidemete süsteemi õigest moodustamisest. Enne järgmise peptiidsideme sulgemist ribosoomide abil kontrollitakse koodon-antikoodon paari moodustumise õigsust. Otsesed tõendid ribosoomide aktiivse rolli kasuks koodoni-antikoodoni sideme komplementaarsuse kontrollimisel on mutatsioonide tuvastamine, mis muudavad ribosomaalseid valke ja mõjutavad seega translatsiooni täpsust.
Valkude sünteesi protsessi rakus nimetatakse biosüntees. See koosneb kahest põhietapist – transkriptsioonist ja translatsioonist (joonis 4.5). Esimene aste - geneetilise teabe transkriptsioon- DNA ühe sensoorse ahelaga komplementaarse üheahelalise mRNA K sünteesiprotsess, st DNA nukleotiidstruktuuri kohta geneetilise teabe ülekandmine mRNA-le. Tuumamembraani aukude kaudu siseneb mRNA endoplasmaatilise retikulumi kanalitesse ja siin ühineb ribosoomidega. Valkude süntees toimub mRNA molekulil ning ribosoomid liiguvad seda mööda ja lahkuvad sealt polüpeptiidahela sünteesi lõpuks (joonis 4.6).
Joonisel 4.6 on näidatud ainult kaks kolmikut: komplementaarne antikoodon, mis vastab mRNA kolonnile, ja CCA triplett, millele on kinnitatud aminohapped (LA).
Tsütoplasmas paiknevad aminohapped aktiveeruvad ensüümide toimel, misjärel nad seonduvad teist tüüpi RNA-ga – transpordiga. See moonutab aminohapped ribosoomidesse. Erinevad tRNA-d viivad aminohappeid ribosoomi ja korraldavad need vastavalt mRNA kolmikute järjestusele. Kolme järjestikust spetsiifilist aminohapet kodeerivat nukleotiidi nimetati koodoniks (mRNA) ja purunematut kolmikut antikoodoniks (tRNA). Koodonid ei ole üksteisest eraldatud. Tarnides spetsiifilist aminohapet, interakteerub tRNA mRNA-ga (koodon-antikoodon). ja aminohape liitub kasvava põranda ja peptiidahelaga. On üsna ilmne, et polüpeptiidi sünteesi ehk aminohapete paigutuse selles määrab mRNA nukleotiidjärjestus.
Biosünteesi teine etapp - saade- geneetilise informatsiooni translatsioon mRNA-st polüpeptiidahela aminohappejärjestusse.
Tripleti nukleotiidide järjestuses on teatud aminohape kodeeritud. On kindlaks tehtud, et geneetiline kood on kolmik, see tähendab, et iga aminohapet kodeerib kolme nukleotiidi kombinatsioon. Kui kood on kolmik, siis saab neljast lämmastikualusest valmistada 64 koodonit (4v3); see on enam kui piisav 20 aminohappe kodeerimiseks. Selgunud on geneetilise koodi uus omadus - selle liiasus, see tähendab, et mõned aminohapped kodeerivad mitte ühte, vaid suuremat arvu kolmikuid. 64 koodonist kolm tunnistatakse stoppkoodoniteks, need põhjustavad geneetilise translatsiooni katkemise (lõpetamise) või katkemise (tabel 4.2).
Geneetiline kood ei kattu. Kui koodonid kattuksid, siis muutuks ühes aluste paaris polüpeptiidahelas kaks aminohapet ja seda ei juhtu. Lisaks on see universaalne – sama ka elusolendite valkude biosünteesiks. Koodi universaalsus annab tunnistust elu ühtsusest Maal. Seega on geneetiline kood süsteem päriliku teabe salvestamiseks nukleiinhapetes nukleotiidide järjestuse kujul.
Seejärel täiendati geneetilise teabe rakendamise viisi rakus pöördtranskriptsiooniga (DNA süntees RNA matriitsil) - DNA ja RNA replikatsioon (joon. 4.7).
Geen on DNA osa. mis kodeerib polüpeptiidi või nukleiinhappe primaarset struktuuri. Polüpeptiidahela sünteesi kontrollimisel osalevad mitmed erinevad geenid: struktuurgeenid, regulaatorgeen ja operaatorgeen. Geneetilise koodi reguleerimise mehhanismi avastasid prantsuse teadlased F. Jacob ja J. Monod 1961. aastal E. coli bakterite peal ja seda nimetati induktsioon-repressioonimehhanismiks. Struktuurigeenid kodeerivad polüpeptiidide aminohapete järjestust. Tavaliselt on struktuursete geenide jaoks olemas ühine regulatsioonisüsteem, mis koosneb regulaatorgeenist ja operaatorgeenist. Regulaatorgeen määrab ära repressorvalgu sünteesi, mis operaatoriga kombineerituna “võimaldab” või “keelab” vastavate struktuurigeenide info lugemist. Operaatorgeeni ja sellele järgnevaid struktuurgeene nimetati operoniks – geneetilise informatsiooni lugemise üksuseks, transkriptsiooniühikuks (joon. 4.8).
Näiteks E. coli normaalseks eluks on vajalik piimasuhkur – laktoos. Sellel on laktoosipiirkond (lac-operon), millel paiknevad kolm laktoosi lagundamiseks mõeldud struktuurgeeni. Kui laktoos rakku ei satu, siis regulaatorgeeni poolt toodetud repressorvalk seondub operaatoriga ja seeläbi “keelab” transkriptsiooni (mRNA sünteesi) kogu operonist. Kui laktoos satub rakku, siis repressorvalgu funktsioon blokeerub, algab transkriptsioon, translatsioon, ensüümvalkude süntees ja laktoosi sulatamine. Pärast kogu laktoosi lagunemist taastub repressorvalgu aktiivsus ja transkriptsioon surutakse alla.
Seega võivad geenid olla sisse ja välja lülitatud. Nende regulatsiooni mõjutavad ainevahetusproduktid, hormoonid. Geen toimib DNA-RNA-valgu süsteemis, mida mõjutavad geenide ja keskkonnategurite koostoime.
Kehas toimuvate protsesside uurimiseks peate teadma, mis toimub raku tasandil. Kus valgud mängivad olulist rolli. On vaja uurida mitte ainult nende funktsioone, vaid ka loomise protsessi. Seetõttu on oluline selgitada lühidalt ja selgelt. 9. klass sobib selleks kõige paremini. Just selles etapis on õpilastel piisavalt teadmisi selle teema mõistmiseks.
Valgud - mis see on ja milleks need on
Need makromolekulaarsed ühendid mängivad iga organismi elus tohutut rolli. Valgud on polümeerid, see tähendab, et need koosnevad paljudest sarnastest "tükkidest". Nende arv võib varieeruda mõnesajast tuhandeni.
Valgud täidavad rakus paljusid funktsioone. Nende roll on suur ka kõrgematel organiseerituse tasanditel: koed ja elundid sõltuvad suuresti erinevate valkude korrektsest funktsioneerimisest.
Näiteks kõik hormoonid on valgu päritolu. Kuid just need ained juhivad kõiki kehas toimuvaid protsesse.
Hemoglobiin on samuti valk, see koosneb neljast ahelast, mis on keskmes ühendatud rauaaatomiga. See struktuur võimaldab erütrotsüütidega hapnikku kanda.
Tuletage meelde, et kõik membraanid sisaldavad valke. Need on vajalikud ainete transportimiseks läbi rakumembraani.
Valgumolekulidel on palju rohkem funktsioone, mida nad selgelt ja vaieldamatult täidavad. Need hämmastavad ühendid on väga mitmekesised mitte ainult oma rolli poolest rakus, vaid ka struktuurilt.
Kus süntees toimub
Ribosoom on organell, milles toimub põhiosa protsessist, mida nimetatakse "valgu biosünteesiks". 9. klass on erinevates koolides bioloogiaõppe õppekavas erinev, kuid paljud õpetajad annavad organellide kohta materjali ette, enne tõlkeõpinguid.
Seetõttu ei ole õpilastel raske käsitletud materjali meelde jätta ja seda kinnistada. Peaksite teadma, et ühel organellil saab korraga luua ainult ühe polüpeptiidahela. Sellest ei piisa raku kõigi vajaduste rahuldamiseks. Seetõttu on ribosoome palju ja enamasti on need ühendatud endoplasmaatilise retikulumiga.
Sellist EPS-i nimetatakse karedaks. Sellise "koostöö" eelised on ilmne: kohe pärast sünteesi siseneb valk transpordikanalisse ja selle saab viivitamatult sihtkohta saata.
Aga kui võtta arvesse päris algust, nimelt info lugemist DNA-st, siis võib öelda, et valkude biosüntees elusrakus algab tuumast. Seal sünteesitakse geneetiline kood.
Vajalikud materjalid on aminohapped, sünteesi koht on ribosoom
Näib, et valkude biosünteesi kulgemist on keeruline lühidalt ja selgelt selgitada, protsessi diagramm ja arvukad joonised on lihtsalt vajalikud. Need aitavad kogu teavet edastada ja õpilastel on see lihtsam meeles pidada.
Esiteks on sünteesiks vaja "ehitusmaterjali" - aminohappeid. Osa neist toodab keha. Teisi saab ainult toidust, neid nimetatakse asendamatuteks.
Aminohapete koguarv on kakskümmend, kuid suure hulga võimaluste tõttu, milles neid saab paigutada pika ahelana, on valgumolekulid väga mitmekesised. Need happed on struktuurilt sarnased, kuid erinevad radikaalide poolest.
Iga aminohappe nende osade omadused määravad, millise struktuuriga tekkiv ahel "voldib", kas see moodustab teiste ahelatega kvaternaarse struktuuri ja millised omadused on saadud makromolekulil.
Valkude biosünteesi protsess ei saa toimuda lihtsalt tsütoplasmas, see vajab ribosoomi. koosneb kahest allüksusest – suurest ja väikesest. Puhkeolekus on nad eraldatud, kuid niipea, kui süntees algab, ühenduvad nad kohe ja hakkavad tööle.
Sellised erinevad ja olulised ribonukleiinhapped
Aminohappe viimiseks ribosoomi on vaja spetsiaalset RNA-d, mida nimetatakse transpordiks. Seda lühendatakse kui tRNA. See üheahelaline ristikulehe molekul on võimeline kinnitama ühe aminohappe oma vabasse otsa ja viima selle valgusünteesi kohta.
Teist valgusünteesis osalevat RNA-d nimetatakse maatriksiks (informatsiooniks). See kannab endas sama olulist sünteesi komponenti – koodi, mis ütleb selgelt, millal milline aminohape tekkiva valguahela külge aheldada.
Sellel molekulil on üheahelaline struktuur, see koosneb nukleotiididest ja DNA-st. Nende nukleiinhapete primaarstruktuuris on mõningaid erinevusi, mille kohta saate lugeda RNA ja DNA võrdlevast artiklist.
Teave valgu mRNA koostise kohta saab geneetilise koodi peamiselt hoidjalt - DNA-lt. mRNA lugemise ja sünteesimise protsessi nimetatakse transkriptsiooniks.
See esineb tuumas, kust saadud mRNA saadetakse ribosoomi. DNA ise tuumast ei lahku, tema ülesandeks on vaid säilitada geneetiline kood ja kanda see jagunemise käigus edasi tütarrakku.
Saate põhiosaliste kokkuvõtlik tabel
Valkude biosünteesi lühidalt ja selgelt kirjeldamiseks on tabel lihtsalt vajalik. Sellesse paneme kirja kõik komponendid ja nende rolli selles protsessis, mida nimetatakse tõlkimiseks.
Valguahela loomise protsess jaguneb kolmeks etapiks. Vaatame igaüks neist üksikasjalikumalt. Pärast seda saate lühidalt ja arusaadavalt selgitada valkude biosünteesi kõigile soovijatele.
Initsiatsioon – protsessi algus
See on translatsiooni esialgne etapp, kus ribosoomi väike subühik sulandub kõige esimese tRNA-ga. See ribonukleiinhape kannab aminohapet metioniini. Tõlkimine algab alati selle aminohappega, kuna alguskoodon on AUG, mis kodeerib seda esimest monomeeri valguahelas.
Selleks, et ribosoom tunneks ära stardikoodoni ja ei alustaks sünteesi geeni keskelt, kuhu võib ilmuda ka AUG järjestus, paikneb stardikoodoni ümber spetsiaalne nukleotiidjärjestus. Just nende järgi tunneb ribosoom ära koha, kus tema väike subühik peaks asuma.
Pärast mRNA-ga kompleksi moodustumist initsiatsioonietapp lõpeb. Ja algab tõlkimise põhietapp.
Elongatsioon – sünteesi keskpaik
Selles etapis toimub valguahela järkjärguline kogunemine. Elongatsiooni kestus sõltub aminohapete arvust valgus.
Esiteks on ribosoomi suur subühik seotud väikese subühikuga. Ja esialgne t-RNA on selles täielikult. Väljaspool jääb ainult metioniin. Järgmisena siseneb suurde subühikusse teine t-RNA, mis kannab teist aminohapet.
Kui mRNA teine koodon ühtib ristikulehe ülaosas oleva antikoodoniga, on teine aminohape peptiidsideme kaudu kinnitatud esimesega.
Pärast seda liigub ribosoom mööda m-RNA-d täpselt kolm nukleotiidi (üks koodon), esimene t-RNA eraldab metioniini endast ja eraldub kompleksist. Selle asemel on teine t-RNA, mille lõpus on juba kaks aminohapet.
Seejärel siseneb suurde subühikusse kolmas tRNA ja protsess kordub. See jätkub, kuni ribosoom tabab mRNA koodonit, mis annab märku translatsiooni lõppemisest.
Lõpetamine
See etapp on viimane, mõnele võib see väga julm tunduda. Kõik molekulid ja organellid, mis on polüpeptiidahela loomiseks nii harmooniliselt töötanud, peatuvad niipea, kui ribosoom tabab terminaalset koodonit.
See ei kodeeri ühtki aminohapet, nii et mis iganes tRNA läheb suurde subühikusse, lükatakse see mittevastavuse tõttu tagasi. Siin tulevad mängu terminatsioonifaktorid, mis eraldavad valmis valgu ribosoomist.
Organell ise võib kas jaguneda kaheks alaühikuks või jätkata mRNA-s, otsides uut alguskoodonit. Ühel mRNA-l võib olla korraga mitu ribosoomi. Igaüks neist on omas tõlkestaadiumis.Äsja loodud valk on varustatud markeritega, mille abil saab selle sihtkoht kõigile selgeks. Ja EPS-iga saadetakse see kuhu vaja.
Valkude biosünteesi rolli mõistmiseks on vaja uurida, milliseid funktsioone see täita suudab. See sõltub aminohapete järjestusest ahelas. Nende omadused määravad sekundaarse, tertsiaarse ja mõnikord kvaternaarse (kui see on olemas) ja selle rolli rakus. Valgumolekulide funktsioonide kohta saate täpsemalt lugeda selleteemalisest artiklist.
Kuidas saada lisateavet ringhäälingu kohta
Selles artiklis kirjeldatakse valkude biosünteesi elusrakus. Muidugi, kui uurite teemat sügavamalt, kulub protsessi üksikasjalikuks selgitamiseks palju lehekülgi. Kuid üldiseks ideeks peaks ülaltoodud materjalist piisama Videomaterjalid, milles teadlased on simuleerinud tõlkimise kõiki etappe, võivad olla mõistmiseks väga kasulikud. Mõned neist on tõlgitud vene keelde ja võivad olla õpilastele suurepäraseks juhendiks või lihtsalt õppevideoks.
Teema paremaks mõistmiseks peaksite lugema ka teisi seotud teemasid käsitlevaid artikleid. Näiteks valkude funktsioonide kohta või nende kohta.