SINTEZA BELJAKOVIN: FAZE IN NJIHOVE ZNAČILNOSTI - BIOLOGIJA - 2026

Beljakovin je biološki dogodek, ki se pojavlja v skoraj vseh živih bitij. Celice nenehno jemljejo informacije, ki so shranjene v DNK, in jih zaradi prisotnosti zelo zapletenih specializiranih strojev pretvorijo v beljakovinske molekule.

Vendar 4-črkovna koda, šifrirana v DNK, ni neposredno prevedena v beljakovine. V proces je vključena molekula RNA, ki deluje kot posrednik, imenovan messenger RNA.

Sinteza beljakovin
Vir: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Kadar celice potrebujejo določen protein, se nukleotidno zaporedje ustreznega dela DNK kopira v RNA - v procesu, imenovanem prepisovanju - in se ta prevede v zadevni protein.

Opisani pretok informacij (DNK do selitvene RNK in sporočilo RNA beljakovinam) poteka od zelo preprostih bitij, kot so bakterije, do ljudi. Ta niz korakov je bil imenovan osrednja "dogma" biologije.

Stroj, odgovoren za sintezo beljakovin, so ribosomi. Te majhne celične strukture se v veliki meri nahajajo v citoplazmi in so pritrjene na endoplazemski retikulum.

Kaj so beljakovine?

Beljakovine so makromolekule, sestavljene iz aminokislin. Te predstavljajo skoraj 80% protoplazme celotne dehidrirane celice. Vse beljakovine, ki sestavljajo organizem, imenujemo "proteome".

Njegove funkcije so številne in raznolike, od strukturnih vlog (kolagen) do transporta (hemoglobin), katalizatorjev biokemijskih reakcij (encimov), obrambe pred patogeni (protitelesa), med drugim.

Obstaja 20 vrst naravnih aminokislin, ki jih kombinirajo peptidne vezi in tvorijo beljakovine. Za vsako aminokislino je značilno, da ima določeno skupino, ki ji daje posebne kemijske in fizikalne lastnosti.

Stopnje in značilnosti

Način, kako celici uspe interpretirati sporočilo DNK, se zgodi skozi dva temeljna dogodka: prepisovanje in prevajanje. Številne kopije RNA, ki so bile kopirane iz istega gena, so sposobne sintetizirati veliko število enakih molekul beljakovin.

Vsak gen se prepisuje in prevaja različno, kar celici omogoča, da proizvaja različne količine najrazličnejših beljakovin. Ta postopek vključuje različne celične regulativne poti, ki običajno vključujejo nadzor proizvodnje RNA.

Prvi korak, ki ga mora celica narediti za začetek proizvodnje beljakovin, je branje sporočila, napisanega na molekuli DNK. Ta molekula je univerzalna in vsebuje vse informacije, potrebne za gradnjo in razvoj organskih bitij.

Nato bomo opisali, kako poteka sinteza beljakovin, začenši s tem postopkom »branja« genskega materiala in konča s proizvodnjo beljakovin kot take.

Transkripcija: iz DNK v messenger RNA

Sporočilo na dvojni vijačnici DNK je zapisano v štirimestno kodo, ki ustreza osnovam adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T).

To zaporedje črk DNK služi kot predloga za izgradnjo enakovredne molekule RNA.

Tako DNK kot RNA sta linearna polimera, sestavljena iz nukleotidov. Vendar se kemično razlikujejo v dveh temeljnih pogledih: nukleotidi v RNK so ribonukleotidi in namesto osnovnega timina RNA ima uracil (U), ki se združuje z adeninom.

Proces prepisovanja se začne z odpiranjem dvojne vijačnice v določenem območju. Ena od obeh verig deluje kot "predloga" ali predloga za sintezo RNA. Nukleotidi bodo dodani po osnovnih pravilih za seznanjanje, C z G in A z U.

Glavni encim, ki sodeluje pri transkripciji, je polimeraza RNA. Zadolžen je za kataliziranje tvorbe fosfodiesterskih vezi, ki se pridružijo nukleotidom verige. Veriga se razteza v smeri 5 'do 3'.

Rast molekule vključuje različne beljakovine, znane kot "faktorji raztezka", ki so odgovorni za ohranjanje vezave polimeraze do konca postopka.

Spajanje sporočilne RNA

Vir: Avtor BCSteve, Wikimedia Commons V evkariontih imajo geni določeno strukturo. Zaporedje prekinjajo elementi, ki niso del proteina, imenovani introni. Izraz nasprotuje eksonu, ki vključuje dele gena, ki bodo prevedeni v beljakovine.

Spajanje je temeljni dogodek, ki sestoji iz izločanja intronov sesalne molekule, da se izloči molekula, zgrajena izključno z eksoni. Končni izdelek je RNA zrelega sporočila. Fizično se odvija v spliceosomu, kompleksnem in dinamičnem stroju.

Poleg spajanja, se sporočevalna RNA podvrže dodatnim kodiranjem, preden jih prevede. Doda se "kapuca", katere kemijska narava je spremenjeni nukleotid gvanina, na 5 'koncu in rep več adeninov na drugem koncu.

RNA vrste

V celici nastajajo različne vrste RNA. Nekateri geni v celici proizvedejo molekularno RNA molekulo in to se prevede v beljakovine - kot bomo videli kasneje. Vendar obstajajo geni, katerih končni produkt je sama molekula RNA.

Na primer, v genomu kvasa ima približno 10% genov kvasovk kot končni produkt molekule RNA. Pomembno jih je omeniti, saj te molekule igrajo temeljno vlogo pri sintezi beljakovin.

- Ribosomska RNA: ribosomska RNA je del srca ribosomov, ključnih struktur za sintezo beljakovin.

Vir: Jane Richardson (Dcrjsr), iz Wikimedia Commons Predelava ribosomskih RNK ​​in njihovo naknadno sestavljanje v ribosome poteka v zelo vidni strukturi jedra - čeprav ni omejena z membrano - imenovana nukleolus.

- Prenos RNA: deluje kot adapter, ki izbere določeno aminokislino in skupaj z ribosomom vključi aminokislinski ostanek v beljakovine. Vsaka aminokislina je povezana s molekulo prenosne RNA.

V evkariontih obstajajo tri vrste polimeraz, ki imajo sicer med seboj zelo podobne strukturne vloge.

RNA polimeraza I in III prepisuje gene, ki kodirajo za prenos RNA, ribosomsko RNA in nekatere majhne RNA. RNA polimeraza II cilja na prevod genov, ki kodirajo proteine.

- Majhne RNK, povezane z regulacijo: Druge kratkoročne RNA sodelujejo pri uravnavanju genske ekspresije. Sem spadajo mikroRNA in majhne moteče RNA.

MikroRNA uravnavajo izražanje tako, da blokirajo določeno sporočilo, majhni moteči pa zaustavijo izraz z neposredno razgradnjo sporočila. Podobno obstajajo majhne jedrske RNA, ki sodelujejo v postopku spajanja messenger RNA.

Prevod: iz messengerja RNA v beljakovine

Ko se messenger RNA dozoreva v procesu spajanja in potuje od jedra do celične citoplazme, se začne sinteza beljakovin. Ta izvoz posreduje kompleks jedrskih por - niz vodnih kanalov, ki se nahajajo v membrani jedra, ki neposredno povezujejo citoplazmo in nukleoplazmo.

V vsakodnevnem življenju uporabljamo izraz "prevod" za označevanje pretvorbe besed iz enega jezika v drugega.

Na primer, lahko knjigo prevedemo iz angleščine v španščino. Na molekularni ravni prevajanje vključuje spremembo iz jezika v RNA v beljakovino. Natančneje, gre za spremembo od nukleotidov do aminokislin. Toda kako pride do te narečne spremembe?

Genska koda

Nukleotidno zaporedje gena se lahko spremeni v beljakovine po pravilih, določenih z genskim kodom. To je bilo dešifrirano v začetku šestdesetih let.

Kot bo lahko prebral bralec, prevod ne more biti en ali en, saj obstajajo samo 4 nukleotidi in 20 aminokislin. Logika je naslednja: zveza treh nukleotidov je znana kot "trojčki" in povezani so z določeno aminokislino.

Ker je lahko 64 možnih trojčkov (4 x 4 x 4 = 64), je genska koda odveč. Se pravi, ista aminokislina je kodirana z več kot enim tripletom.

Prisotnost genetskega koda je univerzalna in jo uporabljajo vsi živi organizmi, ki danes naseljujejo zemljo. Ta široka uporaba je ena izmed najbolj presenetljivih molekularnih homologij v naravi.

Spajanje aminokisline za prenos RNA

Kodoni ali trojčki, ki jih najdemo v molekuli RNA messengerja, nimajo sposobnosti neposrednega prepoznavanja aminokislin. V nasprotju s tem je prevod messenger RNA odvisen od molekule, ki lahko prepozna in veže kodon in aminokislino. Ta molekula je prenosna RNA.

Prenosna RNA se lahko zloži v zapleteno tridimenzionalno strukturo, ki spominja na detelje. V tej molekuli je območje, imenovano "antikodon", tvorjeno s tremi zaporednimi nukleotidi, ki se združujejo z zaporednimi komplementarnimi nukleotidi verige messenger RNA.

Kot smo omenili v prejšnjem razdelku, je genska koda odveč, zato imajo nekatere aminokisline več kot eno RNA za prenos.

Zaznavanje in zlivanje pravilne aminokisline v prenosno RNA je postopek, ki ga posreduje encim, imenovan sintetaza aminoacil-tRNA. Ta encim je odgovoren za spajanje obeh molekul s kovalentno vezjo.

Sporočilo RNA dekodirajo ribosomi

Za tvorbo proteina so aminokisline povezane preko peptidnih vezi. V ribosomih se dogaja postopek branja sporočevalske RNA in vezava specifičnih aminokislin.

Ribosomi

Ribosomi so katalitični kompleksi, sestavljeni iz več kot 50 molekul beljakovin in različnih vrst ribosomske RNA. V evkariontskih organizmih povprečna celica v povprečju vsebuje milijone ribosomov v citoplazemskem okolju.

V strukturnem smislu je ribosom sestavljen iz velike in majhne podenote. Vloga majhnega dela je zagotoviti, da je prenosna RNA pravilno seznanjena z messenger RNA, medtem ko velika podenota katalizira nastanek peptidne vezi med aminokislinami.

Kadar postopek sinteze ni aktiven, sta dve podenoti, ki sestavljata ribosom, ločeni. Na začetku sinteze se messenger RNA pridruži obema podenotama, na splošno blizu 5 'konca.

V tem postopku se raztezanje polipeptidne verige zgodi z dodatkom novega aminokislinskega ostanka v naslednjih korakih: vezava prenosne RNA, tvorba peptidne vezi, premestitev podenot. Rezultat tega zadnjega koraka je gibanje celotnega ribosoma in začne se nov cikel.

Raztezanje polipeptidne verige

V ribosomih ločimo tri mesta: mesta E, P in A (glej glavno sliko). Postopek raztezanja se začne, ko so nekatere aminokisline že kovalentno povezane in na mestu P obstaja molekula za prenos RNA.

Prenosna RNA z naslednjo vključeno aminokislino se veže na mesto A z baznim seznanjanjem z messenger RNA. Karboksilni terminalni peptid se nato sprosti iz RNA na mestu P s prekinitvijo visokoenergijske vezi med prenosno RNA in aminokislino, ki jo nosi.

Prosta aminokislina je pritrjena na verigo in nastane nova peptidna vez. Osrednjo reakcijo v tem celotnem procesu posreduje encim peptidil transferaza, ki ga najdemo v veliki podenoti ribosomov. Tako ribosom potuje skozi messenger RNA, prevajanje narečja iz aminokislin v beljakovine.

Tako kot pri transkripciji so tudi pri prevajanju beljakovin vključeni dejavniki raztezka. Ti elementi povečajo hitrost in učinkovitost postopka.

Dokončanje prevoda

Postopek prevajanja se konča, ko ribosom naleti na stop kodone: UAA, UAG ali UGA. Te ne prepoznajo nobene RNA za prenos in ne vežejo nobenih aminokislin.

V tem času se beljakovine, znane kot dejavniki sproščanja, vežejo na ribosom in povzročajo katalizo vodne molekule in ne aminokisline. Ta reakcija sprosti končni karboksilni konec. Končno se peptidna veriga sprosti v citoplazmo celice.

Reference

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biokemija. 5. izdaja New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Vabilo na biologijo. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Molekularna celična biologija. New York: Znanstvene ameriške knjige.
4. Hall, JE (2015). Guyton in Hall učbenik e-knjige medicinske fiziologije. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). Geni Zvezek 1. Ponatis.
6. Lodish, H. (2005). Celična in molekularna biologija. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomska struktura in mehanizem prevajanja. Celica, 108 (4), 557–572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Uvod v mikrobiologijo. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). Zgradba in funkcija evkariontskega ribosoma. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, 4 (5), a011536.