Totalitas reaksi sintesis biologis disebut pertukaran plastik, atau asimilasi. Nama jenis pertukaran ini mencerminkan esensinya: dari zat sederhana yang memasuki sel dari luar, zat yang mirip dengan zat sel terbentuk.
Pertimbangkan salah satu bentuk metabolisme plastik yang paling penting - biosintesis protein. Seluruh variasi sifat protein pada akhirnya ditentukan oleh struktur primer, yaitu urutan asam amino. Sejumlah besar kombinasi unik asam amino yang dipilih oleh evolusi direproduksi oleh sintesis asam nukleat dengan urutan basa nitrogen yang sesuai dengan urutan asam amino dalam protein. Setiap asam amino dalam rantai polipeptida sesuai dengan kombinasi tiga nukleotida - triplet.
Proses realisasi informasi herediter dalam biosintesis dilakukan dengan partisipasi tiga jenis asam ribonukleat: informasi (matriks) - mRNA (mRNA), ribosom - rRNA dan transportasi - tRNA. Semua asam ribonukleat disintesis di daerah yang sesuai dari molekul DNA. Mereka jauh lebih kecil dari DNA dan merupakan rantai tunggal nukleotida. Nukleotida mengandung residu asam fosfat (fosfat), gula pentosa (ribosa) dan salah satu dari empat basa nitrogen - adenin, sitosin, guanin dan urasil. Basa nitrogen, urasil, melengkapi adenin.
Proses biosintesis itu kompleks dan mencakup sejumlah langkah - transkripsi, penyambungan, dan translasi.
Tahap pertama (transkripsi) terjadi di inti sel: mRNA disintesis di lokasi gen tertentu dari molekul DNA. Sintesis ini dilakukan dengan partisipasi kompleks enzim, yang utamanya adalah RNA polimerase yang bergantung pada DNA, yang menempel pada titik awal (awal) molekul DNA, melepaskan heliks ganda dan, bergerak di sepanjang salah satu untai, mensintesis untai komplementer mRNA di sebelahnya. Sebagai hasil transkripsi, mRNA mengandung informasi genetik dalam bentuk pergantian nukleotida berurutan, yang urutannya persis disalin dari bagian yang sesuai (gen) dari molekul DNA.
Studi lebih lanjut telah menunjukkan bahwa apa yang disebut pro-mRNA disintesis selama transkripsi, prekursor mRNA matang yang terlibat dalam terjemahan. Pro-mRNA jauh lebih besar dan mengandung fragmen yang tidak mengkode sintesis rantai polipeptida yang sesuai. Dalam DNA, bersama dengan daerah yang mengkode rRNA, tRNA, dan polipeptida, ada fragmen yang tidak mengandung informasi genetik. Mereka disebut intron, berbeda dengan fragmen pengkodean, yang disebut ekson. Intron ditemukan di banyak daerah molekul DNA. Jadi, misalnya, dalam satu gen - wilayah DNA yang mengkode ovalbumin ayam, ada 7 intron, dalam gen albumin serum tikus - 13 intron. Panjang intron bervariasi dari dua ratus hingga seribu pasang nukleotida DNA. Intron dibaca (ditranskripsi) pada saat yang sama dengan ekson, sehingga pro-mRNA secara signifikan lebih panjang daripada mRNA matang. Dalam nukleus dalam pro-mRNA, intron dipotong oleh enzim khusus, dan fragmen ekson "disambung" bersama dalam urutan yang ketat. Proses ini disebut penyambungan. Dalam proses penyambungan, mRNA matang terbentuk, yang hanya berisi informasi yang diperlukan untuk sintesis polipeptida yang sesuai, yaitu bagian informatif dari gen struktural.
Arti dan fungsi intron belum sepenuhnya dijelaskan, tetapi telah ditetapkan bahwa jika hanya bagian ekson yang dibaca dalam DNA, mRNA matang tidak terbentuk. Proses penyambungan telah dipelajari dengan menggunakan gen ovalbumin sebagai contoh. Ini berisi satu ekson dan 7 intron. Pertama, pro-mRNA yang mengandung 7700 nukleotida disintesis pada DNA. Kemudian, dalam pro-mRNA, jumlah nukleotida berkurang menjadi 6800, kemudian menjadi 5600, 4850, 3800, 3400, dll. menjadi 1372 nukleotida yang sesuai dengan ekson. MRNA yang mengandung 1372 nukleotida meninggalkan nukleus ke dalam sitoplasma, memasuki ribosom dan mensintesis polipeptida yang sesuai.
Tahap biosintesis selanjutnya - terjemahan - terjadi di sitoplasma pada ribosom dengan partisipasi tRNA.
RNA transfer disintesis dalam nukleus, tetapi berfungsi dalam keadaan bebas di sitoplasma sel. Satu molekul tRNA mengandung 76-85 nukleotida dan memiliki struktur yang agak kompleks menyerupai daun semanggi. Tiga bagian tRNA sangat penting: 1) antikodon, terdiri dari tiga nukleotida, yang menentukan tempat perlekatan tRNA ke kodon komplementer (mRNA) yang sesuai pada ribosom; 2) situs yang menentukan spesifisitas tRNA, kemampuan molekul tertentu untuk melekat hanya pada asam amino tertentu; 3) situs akseptor tempat asam amino melekat. Ini sama untuk semua tRNA dan terdiri dari tiga nukleotida - C-C-A. Pengikatan asam amino ke tRNA didahului oleh aktivasinya oleh enzim aminoasil-tRNA sintetase. Enzim ini spesifik untuk setiap asam amino. Asam amino yang diaktifkan menempel pada tRNA yang sesuai dan dikirim olehnya ke ribosom.
Tempat sentral dalam terjemahan adalah ribosom - organel ribonukleoprotein sitoplasma, yang banyak terdapat di dalamnya. Ukuran ribosom pada prokariota rata-rata 30x30x20 nm, pada eukariota - 40x40x20 nm. Biasanya ukurannya ditentukan dalam satuan sedimentasi (S) - laju sedimentasi selama sentrifugasi dalam media yang sesuai. Pada bakteri Escherichia coli, ribosom memiliki ukuran 70S dan terdiri dari dua subpartikel, salah satunya memiliki konstanta 30S, yang kedua 50S, dan mengandung 64% RNA ribosom dan 36% protein.
Molekul mRNA keluar dari nukleus ke dalam sitoplasma dan menempel pada subunit kecil ribosom. Penerjemahan dimulai dengan apa yang disebut kodon awal (inisiator sintesis) - A-U-G-. Ketika tRNA mengirimkan asam amino teraktivasi ke ribosom, antikodonnya adalah hidrogen yang terikat pada nukleotida kodon komplementer mRNA. Ujung akseptor tRNA dengan asam amino yang sesuai melekat pada permukaan subunit besar ribosom. Setelah asam amino pertama, tRNA lain memberikan asam amino berikutnya, dan dengan demikian rantai polipeptida disintesis pada ribosom. Molekul mRNA biasanya bekerja pada beberapa (5-20) ribosom sekaligus, terhubung ke polisom. Awal sintesis rantai polipeptida disebut inisiasi, pertumbuhannya disebut elongasi. Urutan asam amino dalam rantai polipeptida ditentukan oleh urutan kodon dalam mRNA. Sintesis rantai polipeptida berhenti ketika salah satu kodon terminator muncul pada mRNA - UAA, UAG atau UGA. Akhir dari sintesis rantai polipeptida tertentu disebut terminasi.
Telah ditetapkan bahwa pada sel hewan rantai polipeptida memanjang sebanyak 7 asam amino dalam satu detik, dan mRNA bergerak maju di ribosom sebanyak 21 nukleotida. Pada bakteri, proses ini berlangsung dua sampai tiga kali lebih cepat.
Akibatnya, sintesis struktur utama molekul protein - rantai polipeptida - terjadi pada ribosom sesuai dengan urutan pergantian nukleotida dalam matriks asam ribonukleat - mRNA. Itu tidak tergantung pada struktur ribosom.
Pertama, tentukan urutan langkah-langkah dalam biosintesis protein, dimulai dengan transkripsi. Seluruh urutan proses yang terjadi selama sintesis molekul protein dapat digabungkan menjadi 2 tahap:
Transkripsi.
Siaran.
Unit struktural informasi herediter adalah gen - bagian dari molekul DNA yang mengkodekan sintesis protein tertentu. Dalam hal organisasi kimia, materi hereditas dan variabilitas pro dan eukariota pada dasarnya tidak berbeda. Materi genetik di dalamnya disajikan dalam molekul DNA, prinsip merekam informasi herediter dan kode genetik juga umum. Asam amino yang sama dalam pro dan eukariota dienkripsi oleh kodon yang sama.
Genom sel prokariotik modern ditandai dengan ukuran yang relatif kecil, DNA Escherichia coli berbentuk cincin, panjangnya sekitar 1 mm. Ini berisi 4 x 106 pasangan basa, membentuk sekitar 4000 gen. Pada tahun 1961, F. Jacob dan J. Monod menemukan cistronic, atau organisasi berkelanjutan dari gen prokariotik, yang seluruhnya terdiri dari pengkodean urutan nukleotida, dan mereka sepenuhnya diwujudkan selama sintesis protein. Materi herediter dari molekul DNA prokariota terletak langsung di sitoplasma sel, di mana tRNA dan enzim yang diperlukan untuk ekspresi gen juga berada Ekspresi adalah aktivitas fungsional gen, atau ekspresi gen. Oleh karena itu, mRNA yang disintesis dengan DNA mampu segera bertindak sebagai template dalam proses translasi sintesis protein.
Genom eukariotik mengandung lebih banyak materi herediter. Pada manusia, panjang total DNA dalam set kromosom diploid adalah sekitar 174 cm, berisi 3 x 109 pasangan basa dan mencakup hingga 100.000 gen. Pada tahun 1977, sebuah diskontinuitas ditemukan dalam struktur sebagian besar gen eukariotik, yang disebut gen "mosaik". Ini memiliki pengkodean urutan nukleotida eksonik Dan intron plot. Hanya informasi ekson yang digunakan untuk sintesis protein. Jumlah intron bervariasi dalam gen yang berbeda. Telah ditetapkan bahwa gen ovalbumin ayam mencakup 7 intron, dan gen prokolagen mamalia - 50. Fungsi DNA diam - intron belum sepenuhnya dijelaskan. Diasumsikan bahwa mereka menyediakan: 1) organisasi struktural kromatin; 2) beberapa dari mereka jelas terlibat dalam regulasi ekspresi gen; 3) intron dapat dianggap sebagai penyimpan informasi untuk variabilitas; 4) mereka dapat memainkan peran protektif, mengambil tindakan mutagen.
Transkripsi
Proses penulisan ulang informasi dalam inti sel dari bagian molekul DNA menjadi molekul mRNA (mRNA) disebut transkripsi(lat. Transcriptio - menulis ulang). Produk utama gen, mRNA, disintesis. Ini adalah langkah pertama dalam sintesis protein. Pada bagian DNA yang sesuai, enzim RNA polimerase mengenali tanda dimulainya transkripsi - pratinjau Titik awal dianggap sebagai nukleotida DNA pertama, yang dimasukkan oleh enzim dalam transkrip RNA. Sebagai aturan, daerah pengkodean dimulai dengan kodon AUG, terkadang GUG digunakan pada bakteri. Ketika RNA polimerase berikatan dengan promotor, heliks ganda DNA dipilin secara lokal dan salah satu untai disalin sesuai dengan prinsip saling melengkapi. mRNA disintesis, kecepatan perakitannya mencapai 50 nukleotida per detik. Saat RNA polimerase bergerak, rantai mRNA tumbuh, dan ketika enzim mencapai ujung tempat penyalinan - terminator, mRNA menjauh dari template. Heliks ganda DNA di belakang enzim diperbaiki.
Transkripsi prokariota terjadi di sitoplasma. Karena fakta bahwa DNA seluruhnya terdiri dari urutan nukleotida pengkode, oleh karena itu, mRNA yang disintesis segera bertindak sebagai templat untuk terjemahan (lihat di atas).
Transkripsi mRNA pada eukariota terjadi di dalam nukleus. Ini dimulai dengan sintesis molekul besar - prekursor (pro-mRNA), yang disebut belum matang, atau RNA nuklir Produk utama dari gen pro-mRNA adalah salinan tepat dari wilayah DNA yang ditranskripsi, termasuk ekson dan intron. Proses pembentukan molekul RNA matang dari prekursor disebut pengolahan. pematangan mRNA terjadi dengan penyambungan adalah stek oleh enzim pembatasan intron dan koneksi situs dengan urutan ekson yang ditranskripsi oleh enzim ligase. (Gbr.) MRNA matang jauh lebih pendek daripada molekul prekursor pro-mRNA, ukuran intron di dalamnya bervariasi dari 100 hingga 1000 nukleotida atau lebih. Intron menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang.
Sekarang telah terbukti bahwa itu mungkin penyambungan alternatif, di mana urutan nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di daerah yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini adalah karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan untuk membentuk berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal.
Setelah menyelesaikan pemrosesan, mRNA matang dipilih sebelum meninggalkan nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% mRNA matang yang memasuki sitoplasma, dan sisanya dibelah dalam nukleus.
Siaran
Terjemahan (lat. Translatio - transfer, transfer) - terjemahan informasi yang terkandung dalam urutan nukleotida molekul mRNA ke dalam urutan asam amino dari rantai polipeptida (Gbr. 10). Ini adalah tahap kedua dari sintesis protein. Transfer mRNA matang melalui pori-pori amplop nuklir menghasilkan protein khusus yang membentuk kompleks dengan molekul RNA. Selain transpor mRNA, protein ini melindungi mRNA dari efek merusak enzim sitoplasma. Dalam proses translasi, tRNA memainkan peran sentral; mereka memastikan korespondensi yang tepat dari asam amino dengan kode triplet mRNA. Proses translasi-decoding terjadi di ribosom dan dilakukan dalam arah dari 5 ke 3. Kompleks mRNA dan ribosom disebut polisom.
Translasi dapat dibagi menjadi tiga fase: inisiasi, elongasi, dan terminasi.
Inisiasi.
Pada tahap ini, seluruh kompleks yang terlibat dalam sintesis molekul protein dirakit. Ada penyatuan dua subunit ribosom di situs mRNA tertentu, aminoasil pertama - tRNA melekat padanya, dan ini menetapkan kerangka untuk membaca informasi. Setiap molekul mRNA mengandung situs yang melengkapi rRNA dari subunit kecil ribosom dan secara khusus dikendalikan olehnya. Di sebelahnya adalah kodon awal inisiasi AUG, yang mengkode asam amino metionin.
Pemanjangan
- itu mencakup semua reaksi dari saat pembentukan ikatan peptida pertama hingga perlekatan asam amino terakhir. Ribosom memiliki dua tempat untuk mengikat dua molekul tRNA. T-RNA pertama dengan asam amino metionin terletak di satu bagian, peptidil (P), dan sintesis molekul protein apa pun dimulai darinya. Molekul t-RNA kedua memasuki situs kedua ribosom - aminoasil (A) dan menempel pada kodonnya. Ikatan peptida terbentuk antara metionin dan asam amino kedua. TRNA kedua bergerak bersama dengan kodon mRNA ke pusat peptidil. Pergerakan tRNA dengan rantai polipeptida dari pusat aminoasil ke pusat peptidil disertai dengan kemajuan ribosom di sepanjang mRNA dengan langkah yang sesuai dengan satu kodon. TRNA yang mengantarkan metionin kembali ke sitoplasma, dan pusat amnoasil dilepaskan. Ia menerima t-RNA baru dengan asam amino yang dienkripsi oleh kodon berikutnya. Ikatan peptida terbentuk antara asam amino ketiga dan kedua, dan tRNA ketiga, bersama dengan kodon mRNA, bergerak ke pusat peptidil.Proses pemanjangan, pemanjangan rantai protein. Ini berlanjut sampai salah satu dari tiga kodon yang tidak mengkode asam amino memasuki ribosom. Ini adalah kodon terminator dan tidak ada tRNA yang sesuai untuknya, jadi tidak ada tRNA yang dapat mengambil tempat di pusat aminoasil.
Penghentian
- penyelesaian sintesis polipeptida. Hal ini terkait dengan pengenalan oleh protein ribosom spesifik dari salah satu kodon terminasi (UAA, UAG, UGA) ketika memasuki pusat aminoasil. Faktor terminasi khusus melekat pada ribosom, yang mendorong pemisahan subunit ribosom dan pelepasan molekul protein yang disintesis. Air melekat pada asam amino terakhir dari peptida dan ujung karboksilnya dipisahkan dari tRNA.
Perakitan rantai peptida dilakukan dengan kecepatan tinggi. Pada bakteri pada suhu 37°C, ia dinyatakan dalam penambahan 12 hingga 17 asam amino per detik ke polipeptida. Dalam sel eukariotik, dua asam amino ditambahkan ke polipeptida dalam satu detik.
Rantai polipeptida yang disintesis kemudian memasuki kompleks Golgi, di mana konstruksi molekul protein selesai (struktur kedua, ketiga, keempat muncul secara berurutan). Di sini terjadi kompleksasi molekul protein dengan lemak dan karbohidrat.
Seluruh proses biosintesis protein disajikan dalam bentuk skema: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® rantai polipeptida ® protein ® kompleks protein dan transformasinya menjadi molekul yang aktif secara fungsional.
Tahapan implementasi informasi herediter juga berlangsung dengan cara yang sama: pertama, ditranskripsi ke dalam urutan nukleotida mRNA, dan kemudian diterjemahkan ke dalam urutan asam amino polipeptida pada ribosom dengan partisipasi tRNA.
Transkripsi eukariota dilakukan di bawah aksi tiga polimerase RNA nuklir. RNA polimerase 1 terletak di nukleolus dan bertanggung jawab untuk transkripsi gen rRNA. RNA polimerase 2 ditemukan dalam getah nukleus dan bertanggung jawab untuk sintesis prekursor mRNA. RNA polimerase 3 adalah fraksi kecil dalam getah nukleus yang mensintesis rRNA dan tRNA kecil. RNA polimerase secara khusus mengenali urutan nukleotida dari promotor transkripsi. MRNA eukariotik pertama kali disintesis sebagai prekursor (pro-mRNA), informasi dari ekson dan intron dihapus darinya. MRNA yang disintesis lebih besar dari yang diperlukan untuk translasi dan kurang stabil.
Dalam proses pematangan molekul mRNA, intron dipotong dengan bantuan enzim restriksi, dan ekson dijahit bersama dengan bantuan enzim ligase. Pematangan mRNA disebut pemrosesan, dan penggabungan ekson disebut penyambungan. Dengan demikian, mRNA dewasa hanya berisi ekson dan jauh lebih pendek dari pendahulunya, pro-mRNA. Ukuran intron bervariasi dari 100 hingga 10.000 nukleotida atau lebih. Inton menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang. Saat ini, kemungkinan splicing alternatif telah terbukti, di mana urutan nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di daerah yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini adalah karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan untuk membentuk berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal. Setelah pemrosesan selesai, mRNA matang dipilih sebelum dilepaskan ke sitoplasma dari nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% dari mRNA matang yang masuk, dan sisanya dibelah di dalam nukleus. Transformasi transkripsi utama gen eukariotik, terkait dengan organisasi ekson-intronnya, dan sehubungan dengan transisi mRNA matang dari nukleus ke sitoplasma, menentukan fitur realisasi informasi genetik eukariota. Oleh karena itu, gen mosaik eukariotik bukanlah gen cistronome, karena tidak semua urutan DNA digunakan untuk sintesis protein.
Reproduksi dan aksi gen dikaitkan dengan proses matriks - sintesis makromolekul: DNA, RNA, protein. Replikasi telah dipertimbangkan di atas sebagai proses yang menjamin reproduksi informasi genetik. Teori gen modern - pencapaian genetika molekuler - sepenuhnya didasarkan pada keberhasilan biokimia dalam mempelajari proses matriks. Sebaliknya, metode analisis genetik memberikan kontribusi yang signifikan untuk mempelajari proses matriks, yang berada di bawah kendali genetik. Tindakan gen menyediakan transkripsi, atau sintesis RNA, dan siaran, atau sintesis protein (Gbr. 5.23).
Beras. 5.23. Skema proses transkripsi DNA oleh RNA polimerase dan translasi: tetapi- skema umum transkripsi. Panah menunjukkan arah di mana template DNA bergerak melalui molekul RNA polimerase; b - dua tahap: transkripsi dan translasi
Proses sintesis protein dimulai dengan transkripsi DNA (seperti yang dibahas di atas). Proses selanjutnya adalah translasi mRNA.
terjemahan mRNA adalah sintesis protein pada ribosom yang diarahkan oleh template mRNA. Dalam hal ini, informasi diterjemahkan dari abjad empat huruf asam nukleat ke abjad dua puluh huruf dari urutan asam amino rantai polipeptida.
Ada tiga tahap dalam proses ini:
- 1. Aktivasi asam amino bebas - pembentukan aminoasiladenilat sebagai hasil interaksi asam amino dengan ATP di bawah kendali enzim yang spesifik untuk setiap asam amino. Enzim-enzim tersebut adalah aminoasil-tRNA sintetase - berpartisipasi pada tahap selanjutnya.
- 2. Aminoasilasi tRNA - perlekatan residu asam amino pada tRNA melalui interaksi tRNA dan kompleks aminoasil-tRNA sintetase dengan aminoasiladenilat. Dalam hal ini, setiap residu asam amino melekat pada kelas tRNA spesifiknya.
- 3. Sebenarnya translasi, atau polimerisasi residu asam amino dengan pembentukan ikatan peptida.
Jadi, selama translasi, urutan nukleotida dalam mRNA diterjemahkan ke dalam urutan asam amino yang sesuai dan teratur dalam molekul protein yang disintesis.
Sinyal inisiasi siaran pada pro dan eukariota, kodon AUG berfungsi jika terletak di awal mRNA. Dalam hal ini, itu "diakui" oleh tRNA formilmetionin (dalam bakteri) atau metionin (dalam eukariota) khusus. Dalam kasus lain, kodon AUG "terbaca" sebagai metionin (lihat Tabel 5.4.). Kodon GUG juga dapat berfungsi sebagai sinyal inisiasi. Interaksi ini terjadi pada ribosom di pusat aminoasilnya (pusat-N), yang terletak terutama pada subunit kecil ribosom.
Interaksi kodon AUG dari messenger RNA, subunit kecil ribosom, dan bentuk formylmethionyl-tRNA kompleks inisiasi. Inti dari interaksi ini adalah bahwa tRNA, yang telah menangkap dan membawa molekul asam amino metionin, melekat pada kodon AUG pada mRNA dengan antikodon UAC-nya (pada bakteri, tRNA yang membawa formilmetionin adalah inisiator). Kemudian subunit besar ribosom (505) bergabung dengan kompleks ini, yang terdiri dari subunit kecil ribosom (305), mRNA dan tRNA. Akibatnya, ribosom yang dirakit lengkap terbentuk, termasuk satu molekul mRNA dan tRNA inisiator dengan asam amino. Ribosom memiliki aminoasil Dan peptidil pusat.
Asam amino pertama (metionin) pertama memasuki pusat aminoasil. Dalam proses perlekatan subunit ribosom yang lebih besar, mRNA memindahkan satu kodon, tRNA bergerak dari pusat aminoasil ke pusat peptidil. Kodon mRNA berikutnya memasuki pusat aminoasil, yang dapat terhubung dengan antikodon dari aminoasil-tRNA berikutnya. Mulai saat ini, tahap kedua penerjemahan dimulai - pemanjangan, di mana siklus perlekatan molekul asam amino ke rantai polipeptida yang sedang tumbuh diulang berkali-kali. Dengan demikian, pusat aminoasil ribosom menerima, sesuai dengan kodon RNA pembawa pesan, molekul tRNA kedua yang membawa asam amino berikutnya. TRNA ini berikatan dengan antikodonnya ke kodon komplementer mRNA. Segera, dengan bantuan peptidil transferase, asam amino sebelumnya (metionin) dihubungkan oleh gugus karboksilnya (COOH) ke gugus amino (NH 2) asam amino yang baru dikirim. Ikatan peptida (-CO-NH-) terbentuk di antara mereka. Dalam hal ini, molekul air dilepaskan:
Akibatnya, tRNA yang mengantarkan metionin dilepaskan, dan dipeptida sudah melekat pada tRNA di pusat aminoasil. Untuk implementasi lebih lanjut dari proses pemanjangan, pusat aminoasil harus dilepaskan, yang terjadi.
Sebagai hasil dari proses translasi, kompleks dipstndyl-tRNA berpindah dari pusat aminoasil ke pusat peptidil. Ini karena pergerakan ribosom oleh satu kodon dengan partisipasi enzim translocases dan faktor pemanjangan protein. TRNA yang dilepaskan dan kodon mRNA yang terikat padanya keluar dari ribosom. TRNA berikutnya mengantarkan asam amino ke pusat aminoasil yang dikosongkan sesuai dengan kodon yang diterima di sana. Asam amino ini dihubungkan dengan asam amino sebelumnya melalui ikatan peptida. Dalam hal ini, ribosom memajukan satu kodon lagi, dan proses ini diulang sampai salah satu dari tiga kodon terminasi (kodon nonsense), yaitu UAA, UAG atau UGA, memasuki pusat aminoasil.
Setelah kodon terminasi memasuki pusat aminoasil ribosom, tahap ketiga sintesis polipeptida dimulai - penghentian. Ini dimulai dengan perlekatan salah satu faktor terminasi protein ke kodon terminasi mRNA, yang menyebabkan pemblokiran pemanjangan rantai lebih lanjut. Penghentian sintesis menyebabkan pelepasan rantai polipeptida yang disintesis dan subunit ribosom, yang kemudian berdisosiasi dan dapat mengambil bagian dalam sintesis rantai polipeptida berikutnya.
Seluruh proses translasi disertai dengan pembelahan molekul GTP (guanosin trifosfat), dan partisipasi faktor protein tambahan khusus untuk proses inisiasi (faktor inisiasi), elongasi (faktor elongasi) dan terminasi (faktor terminasi) diperlukan. Protein ini bukan merupakan bagian integral dari ribosom, tetapi melekat padanya pada tahap translasi tertentu. Secara umum, proses translasi sama pada semua organisme.
Rantai polipeptida yang terbentuk selama sintesis protein mengalami transformasi pasca granulasi dan selanjutnya melakukan fungsi spesifiknya. Struktur Utama polipeptida ditentukan oleh urutan asam amino di dalamnya. Rantai polipeptida secara spontan membentuk sekunder struktur, yang ditentukan oleh sifat kelompok samping residu asam amino (a-heliks, lapisan-P terlipat, koil acak). Semua ini dan fitur struktural lainnya menentukan beberapa konfigurasi tiga dimensi tetap, yang disebut tersier(atau spasial) struktur polipeptida, yang mencerminkan cara rantai polipeptida ini terlipat dalam ruang tiga dimensi.
Protein dapat terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida. Dalam kasus kedua, mereka disebut protein oligomer. Mereka dicirikan oleh tertentu struktur kuartener. Istilah ini mengacu pada konfigurasi umum protein yang telah muncul selama asosiasi semua rantai polipeptida penyusunnya. Secara khusus, model struktural hemoglobin manusia mencakup dua rantai-a dan dua rantai-P, yang saling berhubungan dan membentuk struktur protein kuaterner.
Keakuratan sintesis polipeptida tergantung pada pembentukan yang benar dari sistem ikatan hidrogen antara kodon dan antikodon. Sebelum penutupan ikatan peptida berikutnya dengan bantuan ribosom, kebenaran pembentukan pasangan kodon-antikodon diperiksa. Bukti langsung yang mendukung peran aktif ribosom dalam mengendalikan komplementaritas ikatan kodon-antikodon adalah deteksi mutasi yang mengubah protein ribosom dan dengan demikian mempengaruhi keakuratan translasi.
Proses sintesis protein dalam sel disebut biosintesis. Ini terdiri dari dua tahap utama - transkripsi dan translasi (Gbr. 4.5). Langkah pertama - transkripsi informasi genetik- proses sintesis mRNA K untai tunggal yang melengkapi untai DNA indra tunggal, yaitu transfer informasi genetik tentang struktur nukleotida DNA ke mRNA. Melalui lubang membran nukleus, mRNA memasuki saluran retikulum endoplasma dan di sini bergabung dengan ribosom. Sintesis protein terjadi pada molekul mRNA, dan ribosom bergerak di sepanjang molekul tersebut dan meninggalkannya pada akhir sintesis rantai polipeptida (Gbr. 4.6).
Gambar 4.6 menunjukkan hanya dua triplet: antikodon komplementer, yang sesuai dengan kolom mRNA, dan triplet CCA, yang dilekati asam amino (LA).
Asam amino yang terletak di sitoplasma diaktifkan oleh enzim, setelah itu mereka mengikat jenis RNA lain - transportasi. Ini akan membelokkan asam amino ke ribosom. Berbagai tRNA mengirimkan asam amino ke ribosom dan mengaturnya menurut urutan triplet mRNA. Tiga nukleotida berurutan yang mengkode asam amino tertentu disebut kodon (mRNA), dan triplet yang tidak dapat dipecahkan disebut antikodon (tRNA). Kodon tidak terpisah satu sama lain. Memberikan asam amino tertentu, tRNA berinteraksi dengan mRNA (kodon-antikodon). dan asam amino bergabung dengan lantai tumbuh dan rantai peptida. Sangat jelas bahwa sintesis polipeptida, yaitu susunan asam amino di dalamnya, ditentukan oleh urutan nukleotida mRNA.
Tahap kedua biosintesis - siaran- translasi informasi genetik dari mRNA ke dalam urutan asam amino dari rantai polipeptida.
Dalam urutan nukleotida dalam triplet, asam amino tertentu dikodekan. Telah ditetapkan bahwa kode genetik adalah triplet, yaitu, setiap asam amino dikodekan oleh kombinasi tiga nukleotida. Jika kodenya adalah triplet, maka 64 kodon (4v3) dapat dibuat dari empat basa nitrogen; ini lebih dari cukup untuk mengkode 20 asam amino. Properti baru dari kode genetik telah terungkap - redundansinya, yaitu, beberapa asam amino mengkodekan bukan hanya satu, tetapi lebih banyak kembar tiga. Dari 64 kodon, tiga dikenal sebagai kodon stop; mereka menyebabkan penghentian (terminasi) atau gangguan translasi genetik (Tabel 4.2).
Kode genetik tidak tumpang tindih. Jika kodon tumpang tindih, maka perubahan satu pasangan basa akan menghasilkan perubahan dua asam amino dalam rantai polipeptida, dan ini tidak terjadi. Selain itu, ini bersifat universal - sama untuk biosintesis protein makhluk hidup. Universalitas kode bersaksi tentang kesatuan kehidupan di Bumi. Dengan demikian, kode genetik adalah sistem pencatatan informasi hereditas pada asam nukleat dalam bentuk urutan nukleotida.
Selanjutnya, cara penerapan informasi genetik dalam sel dilengkapi dengan transkripsi balik (sintesis DNA pada template RNA) - replikasi DNA dan RNA (Gbr. 4.7).
Gen adalah bagian dari DNA. mengkodekan struktur primer polipeptida atau asam nukleat. Beberapa gen yang berbeda terlibat dalam kontrol sintesis rantai polipeptida: gen struktural, gen regulator, dan gen operator. Mekanisme pengaturan kode genetik ditemukan oleh ilmuwan Prancis F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961 pada bakteri E. coli dan disebut mekanisme induksi-represi. Gen struktural mengkode urutan asam amino dalam polipeptida. Biasanya, untuk gen struktural, ada sistem pengaturan umum yang terdiri dari gen regulator dan gen operator. Gen regulator menentukan sintesis protein represor, yang bila dikombinasikan dengan operator, "memungkinkan" atau "melarang" pembacaan informasi dari gen struktural yang sesuai. Gen operator dan gen struktural yang mengikutinya disebut operon - unit untuk membaca informasi genetik, unit transkripsi (Gbr. 4.8).
Misalnya, untuk kehidupan normal E. coli, gula susu - laktosa diperlukan. Ini memiliki wilayah laktosa (lac-operon), di mana tiga gen struktural untuk pemecahan laktosa berada. Jika laktosa tidak masuk ke dalam sel, maka protein represor yang dihasilkan oleh gen regulator mengikat operator dan dengan demikian “melarang” transkripsi (sintesis mRNA) dari seluruh operon. Jika laktosa masuk ke dalam sel, maka fungsi protein represor terhambat, transkripsi, translasi, sintesis protein enzim dan pencairan laktosa dimulai. Setelah pemecahan semua laktosa, aktivitas protein represor dipulihkan dan transkripsi ditekan.
Dengan demikian, gen bisa hidup dan mati. Regulasi mereka dipengaruhi oleh produk metabolisme, hormon. Gen tersebut berfungsi dalam sistem DNA-RNA-protein, yang dipengaruhi oleh interaksi gen dan faktor lingkungan.
Untuk mempelajari proses yang terjadi di dalam tubuh, Anda perlu mengetahui apa yang terjadi di tingkat sel. Dimana protein memegang peranan penting. Penting untuk mempelajari tidak hanya fungsinya, tetapi juga proses penciptaannya. Oleh karena itu, penting untuk menjelaskan secara singkat dan jelas. Kelas 9 adalah yang paling cocok untuk ini. Pada tahap ini siswa memiliki pengetahuan yang cukup untuk memahami topik ini.
Protein - untuk apa dan untuk apa?
Senyawa makromolekul ini memainkan peran besar dalam kehidupan organisme apa pun. Protein adalah polimer, yaitu terdiri dari banyak "potongan" yang serupa. Jumlah mereka dapat bervariasi dari beberapa ratus hingga ribuan.
Protein melakukan banyak fungsi di dalam sel. Peran mereka juga besar pada tingkat organisasi yang lebih tinggi: jaringan dan organ sangat bergantung pada berfungsinya berbagai protein dengan benar.
Misalnya, semua hormon berasal dari protein. Tetapi zat-zat inilah yang mengendalikan semua proses dalam tubuh.
Hemoglobin juga merupakan protein, terdiri dari empat rantai, yang dihubungkan di tengah oleh atom besi. Struktur ini memberikan kemampuan untuk membawa oksigen oleh eritrosit.
Ingatlah bahwa semua membran mengandung protein. Mereka diperlukan untuk pengangkutan zat melalui membran sel.
Ada banyak lagi fungsi molekul protein yang mereka lakukan dengan jelas dan tidak diragukan lagi. Senyawa menakjubkan ini sangat beragam tidak hanya dalam perannya di dalam sel, tetapi juga dalam strukturnya.
Di mana sintesis berlangsung?
Ribosom adalah organel di mana bagian utama dari proses yang disebut "biosintesis protein" berlangsung. Kelas 9 di sekolah yang berbeda berbeda dalam kurikulum untuk belajar biologi, tetapi banyak guru memberikan materi tentang organel terlebih dahulu, sebelum mempelajari terjemahan.
Oleh karena itu, tidak akan sulit bagi siswa untuk mengingat materi yang dibahas dan memantapkannya. Anda harus menyadari bahwa hanya satu rantai polipeptida yang dapat dibuat pada satu organel pada satu waktu. Ini tidak cukup untuk memenuhi semua kebutuhan sel. Oleh karena itu, ada banyak ribosom, dan paling sering mereka digabungkan dengan retikulum endoplasma.
EPS seperti itu disebut kasar. Manfaat "kolaborasi" semacam itu jelas: segera setelah sintesis, protein memasuki saluran transportasi dan dapat dikirim ke tujuannya tanpa penundaan.
Tetapi jika kita memperhitungkan yang paling awal, yaitu pembacaan informasi dari DNA, maka kita dapat mengatakan bahwa biosintesis protein dalam sel hidup dimulai di dalam nukleus. Di sanalah kode genetik disintesis.
Bahan yang diperlukan adalah asam amino, tempat sintesis adalah ribosom
Tampaknya sulit untuk menjelaskan bagaimana proses biosintesis protein, secara singkat dan jelas, diagram proses dan banyak gambar hanya diperlukan. Mereka akan membantu menyampaikan semua informasi, serta siswa akan dapat mengingatnya dengan lebih mudah.
Pertama-tama, untuk sintesis Anda memerlukan "bahan bangunan" - asam amino. Beberapa di antaranya diproduksi oleh tubuh. Lainnya hanya dapat diperoleh dari makanan, mereka disebut sangat diperlukan.
Jumlah total asam amino adalah dua puluh, tetapi karena banyaknya pilihan di mana mereka dapat diatur dalam rantai panjang, molekul protein sangat beragam. Asam-asam ini serupa dalam struktur, tetapi berbeda dalam radikal.
Sifat-sifat bagian dari masing-masing asam amino inilah yang menentukan struktur mana yang akan "dilipat" dari rantai yang dihasilkan, apakah akan membentuk struktur kuaterner dengan rantai lain, dan sifat apa yang akan dimiliki makromolekul yang dihasilkan.
Proses biosintesis protein tidak dapat berlangsung begitu saja di sitoplasma, dibutuhkan ribosom. terdiri dari dua subunit - besar dan kecil. Saat istirahat, mereka dipisahkan, tetapi segera setelah sintesis dimulai, mereka segera terhubung dan mulai bekerja.
Asam ribonukleat yang berbeda dan penting seperti itu
Untuk membawa asam amino ke ribosom, Anda memerlukan RNA khusus yang disebut transportasi. Ini disingkat sebagai tRNA. Molekul daun semanggi beruntai tunggal ini mampu mengikat satu asam amino ke ujung bebasnya dan mengangkutnya ke tempat sintesis protein.
RNA lain yang terlibat dalam sintesis protein disebut matriks (informasi). Ini membawa komponen sintesis yang sama pentingnya - kode yang dengan jelas menyatakan kapan asam amino mana yang akan dirantai ke rantai protein yang dihasilkan.
Molekul ini memiliki struktur beruntai tunggal, terdiri dari nukleotida, serta DNA. Ada beberapa perbedaan dalam struktur utama asam nukleat ini, yang dapat Anda baca di artikel perbandingan tentang RNA dan DNA.
Informasi tentang komposisi protein mRNA diterima dari penjaga utama kode genetik - DNA. Proses membaca dan mensintesis mRNA disebut transkripsi.
Itu terjadi di nukleus, dari mana mRNA yang dihasilkan dikirim ke ribosom. DNA itu sendiri tidak meninggalkan nukleus, tugasnya hanya untuk melestarikan kode genetik dan mentransfernya ke sel anak selama pembelahan.
Tabel ringkasan peserta utama siaran
Untuk menggambarkan biosintesis protein secara ringkas dan jelas, tabel hanya diperlukan. Di dalamnya, kami akan menuliskan semua komponen dan perannya dalam proses ini, yang disebut terjemahan.
Proses pembuatan rantai protein dibagi menjadi tiga tahap. Mari kita lihat masing-masing secara lebih rinci. Setelah itu, Anda dapat dengan mudah menjelaskan biosintesis protein kepada semua orang yang menginginkannya secara singkat dan mudah dipahami.
Inisiasi - awal dari proses
Ini adalah tahap awal translasi, di mana subunit kecil ribosom bergabung dengan tRNA pertama. Asam ribonukleat ini membawa asam amino metionin. Translasi selalu dimulai dengan asam amino ini, karena kodon awal adalah AUG, yang mengkodekan monomer pertama ini dalam rantai protein.
Agar ribosom mengenali kodon awal dan tidak memulai sintesis dari tengah gen, di mana urutan AUG juga dapat muncul, urutan nukleotida khusus terletak di sekitar kodon awal. Dari merekalah ribosom mengenali tempat di mana subunit kecilnya harus duduk.
Setelah pembentukan kompleks dengan mRNA, langkah inisiasi berakhir. Dan tahap utama penerjemahan dimulai.
Perpanjangan - tengah sintesis
Pada tahap ini, terjadi penumpukan rantai protein secara bertahap. Durasi pemanjangan tergantung pada jumlah asam amino dalam protein.
Pertama-tama, subunit besar ribosom melekat pada subunit kecil. Dan t-RNA awal ada di dalamnya sepenuhnya. Di luar, hanya metionin yang tersisa. Selanjutnya, t-RNA kedua yang membawa asam amino lain memasuki subunit besar.
Jika kodon kedua pada mRNA cocok dengan antikodon di bagian atas daun semanggi, asam amino kedua melekat pada yang pertama melalui ikatan peptida.
Setelah itu, ribosom bergerak sepanjang m-RNA untuk tepat tiga nukleotida (satu kodon), t-RNA pertama melepaskan metionin dari dirinya sendiri dan memisahkan dari kompleks. Sebagai gantinya adalah t-RNA kedua, di ujungnya sudah ada dua asam amino.
Kemudian tRNA ketiga memasuki subunit besar dan proses berulang. Ini akan berlanjut sampai ribosom menyentuh kodon di mRNA yang menandakan akhir terjemahan.
Penghentian
Tahap ini adalah yang terakhir, mungkin tampak sangat kejam bagi sebagian orang. Semua molekul dan organel yang telah bekerja sangat harmonis untuk membuat rantai polipeptida berhenti segera setelah ribosom menyentuh kodon terminal.
Itu tidak mengkode asam amino apa pun, jadi tRNA apa pun yang masuk ke subunit besar semuanya akan ditolak karena ketidakcocokan. Di sinilah faktor terminasi berperan, yang memisahkan protein jadi dari ribosom.
Organel itu sendiri dapat dipecah menjadi dua subunit atau melanjutkan ke bawah mRNA untuk mencari kodon awal yang baru. Satu mRNA dapat memiliki beberapa ribosom sekaligus. Masing-masing dari mereka berada pada tahap terjemahannya sendiri Protein yang baru dibuat dilengkapi dengan penanda, dengan bantuan yang tujuannya akan jelas bagi semua orang. Dan oleh EPS akan dikirim ke tempat yang dibutuhkan.
Untuk memahami peran biosintesis protein, perlu dipelajari fungsi apa yang dapat dilakukannya. Itu tergantung pada urutan asam amino dalam rantai. Sifat-sifatnyalah yang menentukan sekunder, tersier, dan terkadang kuaterner (jika ada) dan perannya dalam sel. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang fungsi molekul protein dalam artikel tentang topik ini.
Cara mempelajari lebih lanjut tentang penyiaran
Artikel ini menjelaskan biosintesis protein dalam sel hidup. Tentu saja, jika Anda mempelajari subjek ini lebih dalam, akan dibutuhkan banyak halaman untuk menjelaskan prosesnya secara detail. Tapi materi di atas seharusnya cukup untuk gambaran umum.Materi video di mana para ilmuwan telah mensimulasikan semua tahap terjemahan bisa sangat berguna untuk pemahaman. Beberapa dari mereka telah diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia dan dapat berfungsi sebagai panduan yang sangat baik untuk siswa atau hanya video pendidikan.
Untuk memahami topik dengan lebih baik, Anda harus membaca artikel lain tentang topik terkait. Misalnya tentang atau tentang fungsi protein.