OLBALTUMVIELU SINTĒZE: POSMI UN TO ĪPAŠĪBAS - BIOLOĢIJA - 2025

Olbaltumvielu sintēze ir bioloģiskā notikums, kas notiek ar gandrīz visām dzīvajām būtnēm. Šūnas pastāvīgi ņem informāciju, kas tiek glabāta DNS, un, pateicoties ļoti sarežģītu specializētu iekārtu klātbūtnei, pārveido to olbaltumvielu molekulās.

Tomēr 4 burtu kods, kas kodēts DNS, netiek tieši tulkots olbaltumvielās. Procesā tiek iesaistīta RNS molekula, kas darbojas kā starpnieks, ko sauc par Messenger RNS.

Olbaltumvielu sintēze.
Avots: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Kad šūnām ir nepieciešams noteikts proteīns, piemērotas DNS daļas nukleotīdu secība tiek kopēta RNS - procesā, ko sauc par transkripciju - un tas, savukārt, tiek pārveidots attiecīgajā proteīnā.

Aprakstītā informācijas plūsma (DNS uz Messenger Messenger un RNS signāls proteīniem) notiek no ļoti vienkāršām būtnēm, piemēram, baktērijām, cilvēkiem. Šo darbību sēriju sauca par bioloģijas centrālo “dogmu”.

Mašīnas, kas atbild par olbaltumvielu sintēzi, ir ribosomas. Šīs mazās šūnu struktūras lielā mērā ir atrodamas citoplazmā un ir noenkurotas endoplazmatiskajā retikulumā.

Kas ir olbaltumvielas?

Olbaltumvielas ir makromolekulas, kas sastāv no aminoskābēm. Tie veido gandrīz 80% no visas dehidrētās šūnas protoplazmas. Visas olbaltumvielas, kas veido organismu, sauc par "proteomu".

Tās funkcijas ir dažādas un dažādas, sākot no struktūras lomām (kolagēns) līdz transportēšanai (hemoglobīns), bioķīmisko reakciju katalizatoriem (fermentiem), aizsardzībai pret patogēniem (antivielām), cita starpā.

Ir 20 dabisko aminoskābju veidi, kurus apvieno ar peptīdu saitēm, veidojot olbaltumvielas. Katru aminoskābi raksturo tā, ka tai ir noteikta grupa, kas tai piešķir īpašas ķīmiskās un fizikālās īpašības.

Posmi un raksturlielumi

Veids, kādā šūnai izdodas interpretēt DNS ziņojumu, notiek divos pamata notikumos: transkripcijā un tulkošanā. Daudzi RNS eksemplāri, kas ir kopēti no tā paša gēna, spēj sintezēt ievērojamu skaitu identisku olbaltumvielu molekulu.

Katrs gēns tiek transkribēts un translēts atšķirīgi, ļaujot šūnai ražot mainīgu daudzumu visdažādāko olbaltumvielu. Šis process ietver dažādus šūnu regulēšanas ceļus, kas parasti ietver RNS ražošanas kontroli.

Pirmais solis, kas jādara šūnai, lai sāktu olbaltumvielu ražošanu, ir nolasīt ziņojumu, kas rakstīts uz DNS molekulas. Šī molekula ir universāla un satur visu informāciju, kas nepieciešama organisko būtņu veidošanai un attīstībai.

Tālāk mēs aprakstīsim, kā notiek olbaltumvielu sintēze, sākot ģenētiskā materiāla “nolasīšanu” un beidzot ar olbaltumvielu ražošanu per se.

Transkripcija: no DNS uz Messenger MNS

Paziņojums uz DNS dubultās spirāles ir rakstīts četru burtu kodā, kas atbilst adenīna (A), guanīna (G), citozīna (C) un timīna (T) bāzēm.

Šī DNS burtu secība kalpo kā veidne, lai izveidotu līdzvērtīgu RNS molekulu.

Gan DNS, gan RNS ir lineāri polimēri, kas sastāv no nukleotīdiem. Tomēr tie ķīmiski atšķiras divos būtiskos aspektos: RNS nukleotīdi ir ribonukleotīdi un bāzes timīna vietā RNS ir uracils (U), kas pārī ar adenīnu.

Transkripcijas process sākas ar dubultās spirāles atvēršanu noteiktā reģionā. Viena no divām ķēdēm darbojas kā "veidne" vai veidne RNS sintēzei. Nukleotīdi tiks pievienoti, ievērojot bāzes sapārošanas noteikumus, C ar G un A ar U.

Galvenais ferments, kas iesaistīts transkripcijā, ir RNS polimerāze. Tas ir atbildīgs par fosfodiestera saišu veidošanās katalizēšanu, kas pievienojas ķēdes nukleotīdiem. Ķēde stiepjas virzienā no 5 'uz 3'.

Molekulu augšanā ir iesaistīti dažādi proteīni, kas pazīstami kā "pagarinājuma faktori" un kas ir atbildīgi par polimerāzes saistīšanas saglabāšanu līdz procesa beigām.

Messenger RNS savienošana

Avots: Autors BCSteve, no Wikimedia Commons Eukariotos gēniem ir īpaša struktūra. Secību pārtrauc elementi, kas nav olbaltumvielu sastāvdaļa, ko sauc par introniem. Termins tiek pretstatīts eksonam, kas ietver gēna daļas, kuras tiks tulkotas olbaltumvielās.

Savienošana ir būtisks notikums, kas sastāv no kurjera molekulas intronu likvidēšanas, lai izdalītu molekulu, kuru veido tikai eksoni. Galaprodukts ir nobriedis kurjers RNS. Fiziski tas notiek spiceozomā, sarežģītā un dinamiskā mašīnā.

Papildus splicēšanai Messenger RNS pirms tulkošanas tiek pakļauti papildu kodējumiem. Pievienots "pārsegs", kura ķīmiskais raksturs ir modificēts guanīna nukleotīds, un 5 'galā un vairāku adenīnu aste otrā galā.

RNS tipi

Šūnā tiek ražoti dažādi RNS veidi. Daži gēni šūnā rada MNS Messenger molekulu, un tas tiek pārveidots olbaltumvielās - kā mēs redzēsim vēlāk. Tomēr ir gēni, kuru gala produkts ir pati RNS molekula.

Piemēram, rauga genomā apmēram 10% rauga gēnu kā galaprodukts ir RNS molekulas. Ir svarīgi tos pieminēt, jo šīm molekulām ir būtiska loma olbaltumvielu sintēzē.

- Ribosomu RNS: ribosomu RNS ir daļa no ribosomu sirds, olbaltumvielu sintēzes galvenās struktūras.

Avots: Jane Richardson (Dcrjsr), no Wikimedia Commons. Ribosomu RNS pārstrāde un sekojoša to montāža ribosomās notiek ļoti pamanāmā kodola struktūrā - lai arī to neierobežo membrāna -, ko sauc par kodolu.

- Pārnes RNS: tas darbojas kā adapteris, kas atlasa noteiktu aminoskābi un kopā ar ribosomu iekļauj aminoskābes atlikumu olbaltumvielās. Katra aminoskābe ir saistīta ar RNS molekulu.

Eikariotos ir trīs veidu polimerāzes, kuras, kaut arī pēc būtības ir ļoti līdzīgas viena otrai, spēlē dažādas lomas.

RNS polimerāze I un III transkribē gēnus, kas kodē RNS, ribosomu RNS un dažas mazas RNS pārnešanu. RNS polimerāze II ir paredzēta olbaltumvielu kodējošo gēnu tulkošanai.

- Mazas RNS, kas saistītas ar regulēšanu: Citas īsa garuma RNS piedalās gēnu ekspresijas regulēšanā. Tajos ietilpst mikroRNS un mazas traucējošas RNS.

MikroRNS regulē izteiksmi, bloķējot noteiktu ziņojumu, un mazi traucējoši apstādina izteiksmi, tieši samazinot kurjera darbību. Līdzīgi ir mazās kodolās RNS, kas piedalās kurjera RNS splicēšanas procesā.

Tulkojums: no kurjera RNS uz olbaltumvielām

Tiklīdz kurjers RNS nogatavojas splicēšanas procesā un pārvietojas no kodola uz šūnu citoplazmu, sākas olbaltumvielu sintēze. Šo eksportu medijē kodola poru komplekss - virkne ūdens kanālu, kas atrodas kodola membrānā un tieši savieno citoplazmu un nukleoplazmu.

Ikdienā mēs lietojam terminu “tulkošana”, lai atsauktos uz vārdu pārvēršanu no vienas valodas uz otru.

Piemēram, mēs varam tulkot grāmatu no angļu uz spāņu valodu. Molekulārajā līmenī tulkošana ietver pāreju no valodas uz RNS uz olbaltumvielām. Precīzāk sakot, tā ir maiņa no nukleotīdiem uz aminoskābēm. Bet kā notiek šī dialekta maiņa?

Ģenētiskais kods

Gēna nukleotīdu secību var pārveidot par olbaltumvielām, ievērojot noteikumus, ko nosaka ģenētiskais kods. Tas tika atšifrēts 60. gadu sākumā.

Kā lasītājs varēs secināt, tulkojums nevar būt viens vai viens, jo ir tikai 4 nukleotīdi un 20 aminoskābes. Loģika ir šāda: trīs nukleotīdu savienību sauc par "tripletiem", un tie ir saistīti ar noteiktu aminoskābi.

Tā kā var būt 64 iespējamie tripleti (4 x 4 x 4 = 64), ģenētiskais kods ir lieks. Tas ir, to pašu aminoskābi kodē vairāk nekā viens triplets.

Ģenētiskā koda klātbūtne ir universāla, un to izmanto visi dzīvie organismi, kas šodien apdzīvo zemi. Šī plašā izmantošana ir viena no dabas pārsteidzošākajām molekulārajām homoloģijām.

Aminoskābes savienošana, lai pārnestu RNS

Kodoniem vai tripletiem, kas atrodami kurjera RNS molekulā, nav iespēju tieši atpazīt aminoskābes. Turpretī kurjera RNS translācija ir atkarīga no molekulas, kas var atpazīt un saistīt kodonu un aminoskābi. Šī molekula ir pārneses RNS.

Pārnešanas RNS var salocīt sarežģītā trīsdimensiju struktūrā, kas atgādina āboliņu. Šajā molekulā ir reģions, ko sauc par "antikodonu", ko veido trīs secīgi nukleotīdi, kas sapāroti ar Messenger RNS ķēdes secīgiem komplementāriem nukleotīdiem.

Kā mēs minējām iepriekšējā sadaļā, ģenētiskais kods ir lieks, tāpēc dažām aminoskābēm ir vairāk nekā viena pārneses RNS.

Pareiza aminoskābes noteikšana un saplūšana ar pārnejošo RNS ir process, ko veic enzīms, ko sauc par aminoacil-tRNS sintetāzi. Šis ferments ir atbildīgs par abu molekulu savienošanu ar kovalento saiti.

RNS ziņojumu dekodē ribosomas

Lai izveidotu olbaltumvielu, aminoskābes tiek savienotas kopā caur peptīdu saitēm. Messenger RNS nolasīšanas un specifisko aminoskābju saistīšanas process notiek ribosomās.

Ribosomas

Ribosomas ir katalītiski kompleksi, kas sastāv no vairāk nekā 50 olbaltumvielu molekulām un dažāda veida ribosomālas RNS. Eikariotu organismos vidējā šūna citoplazmatiskā vidē satur vidēji miljonus ribosomu.

Strukturāli ribosomu veido liela un maza apakšvienība. Nelielas porcijas uzdevums ir nodrošināt, lai pārneses RNS būtu pareizi savienota pārī ar Messenger RNS, savukārt lielā apakšvienība katalizē peptīdu saites veidošanos starp aminoskābēm.

Ja sintēzes process nav aktīvs, divas apakšvienības, kas veido ribosomas, tiek atdalītas. Sintēzes sākumā messenger RNS pievienojas abām apakšvienībām, parasti netālu no 5 'gala.

Šajā procesā polipeptīdu ķēdes pagarinājums notiek, pievienojot jaunu aminoskābju atlikumu šādos posmos: pārneses RNS saistīšana, peptīda saites veidošanās, apakšvienību pārvietošana. Šīs pēdējās darbības rezultāts ir visas ribosomas kustība un sākas jauns cikls.

Polipeptīdu ķēdes pagarinājums

Ribosomās izšķir trīs vietas: E, P un A (skat. Galveno attēlu). Paildzināšanas process sākas, kad dažas aminoskābes jau ir kovalenti saistītas un P vietā ir RNS pārneses molekula.

Pārnešanas RNS, kurā ir nākamā iekļaujamā aminoskābe, saistās ar vietni A, izmantojot bāzes pāru ar Messenger RNS. Pēc tam peptīda karboksilterminālo daļu atbrīvo no pārvietojošās RNS P vietā, pārtraucot augstas enerģijas saikni starp pārneses RNS un aminoskābi, ko tā nes.

Brīvā aminoskābe ir pievienota ķēdei, un veidojas jauna peptīda saite. Centrālā reakcija visā šajā procesā notiek ar enzīma peptidiltransferāzes starpniecību, kas atrodas ribosomu lielajā apakšvienībā. Tādējādi ribosoma pārvietojas caur Messenger RNS, pārveidojot dialektu no aminoskābēm uz olbaltumvielām.

Tāpat kā transkripcijā, olbaltumvielu translācijas laikā tiek iesaistīti arī pagarināšanās faktori. Šie elementi palielina procesa ātrumu un efektivitāti.

Tulkojuma pabeigšana

Tulkošanas process beidzas, kad ribosoma saskaras ar pārtraukšanas kodoniem: UAA, UAG vai UGA. Tos neatzīst neviena pārnešanas RNS un nesaista aminoskābes.

Šajā laikā olbaltumvielas, kas pazīstamas kā izdalīšanās faktori, saistās ar ribosomu un izraisa ūdens molekulas, nevis aminoskābes, katalīzi. Šī reakcija atbrīvo terminālo karboksilgalu. Visbeidzot, peptīdu ķēde tiek izlaista šūnu citoplazmā.

Atsauces

1. Bergs JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Bioķīmija. 5. izdevums. Ņujorka: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Ielūgums uz bioloģiju. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Molekulāro šūnu bioloģija. Ņujorka: zinātniskās amerikāņu grāmatas.
4. Hall, JE (2015). Gytona un Hallas mācību grāmata par medicīniskās fizioloģijas e-grāmatu. Elsevier veselības zinātnes.
5. Lewins, B. (1993). Gēni 1. sējums. Atgriezties.
6. Lodish, H. (2005). Šūnu un molekulārā bioloģija. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomu uzbūve un tulkošanas mehānisms. Cell, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Ievads mikrobioloģijā. Panamerican Medical Ed.
9. Vilsons, DN, un Keita, JHD (2012). Eikariotu ribosomas uzbūve un funkcijas. Cold Spring Harbor perspektīvas bioloģijā, 4 (5), a011536.