Биосинтезата на протеини (полипептиди) е изключително сложен и удивителен процес. Биосинтезата на протеини активно протича във всички органи и тъкани, с изключение на еритроцитите. Много клетки синтезират протеини за "износ" (клетки на черния дроб, панкреаса) и в този случай те съдържат много голямо числорибозома. В животинска клетка броят на рибозомите достига 105, диаметърът на рибозомата е 20 nm.
Процесът на синтез на протеини се извършва вътре в клетките на повърхността на рибозомите, които са комплекси от две субединици със седиментационна константа 60S и 40S, функциониращи като едно цяло. Рибозомата съдържа 30-35% протеин и 65-70% рибозомна РНК. Рибозомата има аминоацилни и пептидилови участъци. Първият служи за фиксиране на активната аминокиселина и тРНК комплекс, влизащ в рибозомата, а вторият фиксира полипептидната верига, свързана с друга тРНК. Рибозомните субединици се синтезират в нуклеола на ядрото върху ДНК матрица.
Същността на процеса на синтез на протеини е схемата:
Системата за синтез на протеини включва рибозоми, нуклеинови киселини, набор от 20 аминокиселини, различни ензими, АТФ, GTP, магнезиеви йони и около 200 различни некаталитични протеинови фактора.
Една протеинова молекула е дълга верига от аминокиселинни остатъци, средно от 100 до 500 аминокиселини. Програмата за синтез на всеки протеин се съхранява в молекула на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Молекулата на ДНК е полимер, чиито мономери са нуклеотиди. Последователността на азотните бази в ДНК молекулата определя последователността на аминокиселините в протеиновата молекула.
В молекулата на ДНК има четири вида азотни бази: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Последователност от три бази (триплет) образува кодон, който съответства на една специфична аминокиселина.
Нуклеиновите киселини - ДНК и РНК - са основни компоненти на биосинтезата на протеини. ДНК е отговорна за поддържането генетична информация, докато РНК определя предаването на тази информация и внедряването под формата на протеинови молекули. Може да се твърди, че основната функция на ДНК е запазването на генотипа, а РНК е изразът на този генотип.
В количествено отношение в клетката преобладава рибозомната РНК (рРНК). rRNA има спирални участъци и съдържа модифицирани нуклеотиди (например 2-метилрибоза). рРНК съставлява около 80% от общото количество РНК в клетката. Вторият тип РНК в клетката е трансферна РНК (тРНК), която, както всички останали видове РНК, се синтезира в ядрото. Той представлява 10-15% от общото количество РНК в клетката. Идентифицирани са над 60 различни тРНК. Следователно има няколко различни тРНК за транспорт на отделни аминокиселини. За всяка аминокиселина в клетка има поне една специфична тРНК. tRNA молекулите са относително малки. Структурата им съдържа 75-93 рибонуклеотида.
Аминокиселината е прикрепена към свободната 3-ОН група на крайния тРНК мононуклеотид, който винаги е представен от аденилова киселина. тРНК има и друго важно място - антикодон, с помощта на който комплексът от аминокиселини и тРНК разпознава определена последователност от три нуклеотида в информационната РНК (кодон). Антикодонът и кодонът са взаимно свързани чрез водородни връзки.
Ако носителят на наследствена информация в клетката е ДНК, която е концентрирана в ядрото, но синтезът на протеини се извършва в цитоплазмата, тогава трябва да има определен медиатор, който предава тази информация на цитоплазмата на клетката. Този медиатор се оказа информационна или информационна РНК (mRNA). иРНК представлява 2% от общото количество РНК в клетката. Молекулите на иРНК са най-дългите (включват до 5 хиляди нуклеотида). иРНК също съдържа четири вида азотни бази. От тях три (A, G, C) са същите като в ДНК, а четвъртият е урацил.
Информацията, кодирана в иРНК, е необходима за синтеза на протеинова молекула, която се намира на рибозомите. Синтезът на иРНК в клетъчното ядро е много бърз, което е необходимо за активния биосинтез на протеинови молекули. иРНК се образува върху една от ДНК веригите на ядрото. В този случай двуверижната структура на ДНК се развива и с участието на ДНК-зависима РНК полимераза, съгласно принципа на комплементарността, се осъществява синтеза на иРНК:
Схема за синтез на иРНК
Принципът на комплементарност означава, че аденинът в спиралата на ДНК съответства на урациловата иРНК, тиминът на аденина и гуанинът на цитозина. Следователно иРНК чете информация от ДНК.
Етапът ДНК -» РНК по този начин определя синтеза на иРНК молекулата, в която нуклеотидна последователносткомплементарни към специфичен регион (ген) на ДНК. Този процес се нарича транскрипция. След това иРНК навлиза в рибозомата, комбинирайки се с нейните субединици. Една молекула иРНК се фиксира върху много рибозоми едновременно, образувайки така наречените полизоми. Наличието на полизоми повишава ефективността и скоростта на използване на иРНК.
Синтезът на полипептидна верига с определен състав се извършва върху матрица на иРНК. Процесът на прехвърляне на информация от иРНК към протеин се нарича транслация. Стъпката РНК -> протеин представлява процеса на протеинов синтез, насочен от иРНК. Така трансферът на информация винаги върви в посока ДНК -» РНК -» протеин.
Процесът на превод включва следните стъпки:
- 1) активиране на аминокиселини и тяхното фиксиране върху тРНК;
- 2) започване на синтеза на полипептидната верига;
- 3) удължаване на синтезираната полипептидна верига;
- 4) прекъсване на полипептидната верига и нейното освобождаване;
- 5) посттранслационна модификация на полипептидната верига.
- 1. Активирането на аминокиселините изисква ензима аминоацил-тРНК синтетаза и разход на енергия под формата на АТФ:
Същият ензим участва във фиксирането на предишната активирана аминокиселина в позиция 2 или 3 на рибозата на последния tRNA нуклеотид:
Под формата на този комплекс аминокиселината се транспортира до рибозомата, където се синтезира белтъчната молекула. Аминоацил-тРНК синтетазата е специфична; тя е способна да разпознава както аминокиселини, така и тРНК. Следователно в клетката има най-малко 20 различни синтетази, в съответствие с броя на а-аминокиселините.
2. tRNA, свързана чрез естерна връзка със специфична аминокиселина, навлиза в рибозомата и взаимодейства с mRNA според вида на комплементарност между специфичен триплет от mRNA нуклеотиди, наречен кодон, и неговата комплементарна специфична тройка от нуклеотиди (антикодон) на тРНК, носеща специфична аминокиселина. Така всеки иРНК кодон съответства на специфично фиксиране на една аминокиселина в пептидната верига от тРНК антикодона. Рибозомата се движи по протежение на молекулата на иРНК, като чете всички кодони последователно, като по този начин установява реда на всички аминокиселини, доставени до мястото на синтеза.
Синтезът на протеинова молекула протича в посока от свободната аминогрупа към свободната карбоксилна група на аминокиселината. Обикновено първоначалната аминокиселина в синтеза на полипептидна верига е метионин, за който нуклеотидната последователност на AUG иРНК служи като кодон.
Започването на синтеза на полипептид започва, когато два tRNA антикодона са фиксирани към съответните иРНК кодони. Процесът изисква наличието на енергиен източник, който е GTP, както и участието на редица протеинови иницииращи фактори и пептидил трансфераза.
С участието на този ензим скоростта на образуване ковалентни връзкидостига 1200 аминокиселини/мин/рибозома.
Схема за започване на синтеза на полипептид
3. След образуването на дипептида, "ненатоварената" тРНК напуска рибозомата и е в състояние да достави нови молекули аминокиселини, а иРНК напредва спрямо рибозомата (полизома) с три нуклеотида. В резултат на движение (транслокация) свободен кодон заема позиция за разпознаване на следващата молекула тРНК. Следователно, на етапа на удължаване, последователното добавяне на една аминокиселина към полипептидната верига се извършва в строго съответствие с реда на кодоните на молекулата на иРНК.
Удължена полипептидна верига с една tRNA молекула е фиксирана към голямата субединица на рибозомата. Прикрепването на всяка допълнителна аминокиселина към полипептидната верига се дължи на връзката между аминогрупата на аминокиселината в комплекса с тРНК и карбоксилната група на пептида.
4. Терминирането или завършването на синтеза на полипептидна молекула включва определени „безсмислени“ терминиращи кодони и протеинови терминиращи фактори. Известни са три кодона (UAG, UGA, UAA), които не кодират, не свързват никаква аминокиселина, тъй като в клетката няма tRNA антикодони, които да са комплементарни към тях. Теоретично само един "безсмислен" кодон, разпознат от полизомата по време на преминаването й в посока 5-3 иРНК, трябва да спре синтеза на протеинова молекула.
Наличието на терминиращ кодон във всяка област на иРНК означава край на протеиновия синтез. В резултат на това полизомата се разпада, неизползваната иРНК се хидролизира от полинуклеотидна фосфорилаза и субединиците на рибозомата се подготвят да започнат синтеза на нова протеинова молекула.
иРНК може многократно да участва в процеса на биосинтеза на протеини. Продължителността на функциониране на иРНК молекулата не е еднаква в различните организми. Може да варира от няколко минути до няколко дни.
5. Само първичната структура на протеина е кодирана в ДНК. Следователно протеиновите молекули, синтезирани върху рибозомите, все още нямат напълно завършено състояние. Те представляват първични полипептиди, които след това претърпяват множество модификации (свързване на мономери за образуване на олигомери, добавяне на коензими, химични трансформации), които променят структурата на протеините и следователно тяхната активност.
Вторичните и третичните структури не са кодирани, те се определят от свойствата на първичната структура, което означава, че една или друга форма на протеинова молекула зависи от последователността на аминокиселините и възможностите за тяхното взаимодействие помежду си. Структурните модификации на синтезираните протеини се извършват дори на нивото на рибозомите или след завършване на синтеза в резултат на добавянето на различни функционални групи.
Разгледаната схема на предаване на информация във формуляра
може да се промени в отделни случаи. И така, във вируси, които не съдържат ДНК, информацията е вградена в РНК. Когато вирусът навлезе в клетката, тази информация се предава на ДНК на клетката, а последната вече синтезира иРНК, върху матрицата на която се синтезират вирусни протеини. Такъв процес се нарича обратна транскрипция и схемата за пренос на информация в този случай ще бъде както следва:
Докато последователността на ДНК нуклеотидите и, следователно, иРНК се запазва, природата на новосинтезирания протеин остава непроменена.
Необходимата генетична информация за протеиновия синтез може да бъде представена подобно на човешкия език, който се състои от поредица от букви, които образуват думи и изречения. В генетичния език обаче има само четири букви – четири бази (аденин, гуанин, урацил, цитозин).
Генетичният код включва трибуквени думи. Четирите бази в случая (43) дават 64 варианта (думи), които са повече от достатъчни за кодиране на 20 аминокиселини. Така 64 кодона съставляват генетичния код (Таблица 3).
Анализът на генетичния код показва, че има различен брой кодони за различните аминокиселини. Например метионинът и триптофанът имат само един кодон, докато аргининът, левцинът и серинът имат по шест кодона. Наличието на няколко кодона за една аминокиселина отразява "дегенерацията" на кода. Следователно, една и съща аминокиселина може да бъде кодирана от няколко нуклеотидни триплета в нейната структура. В същото време всеки триплет съответства на добре дефинирана аминокиселина в синтезираната полипептидна верига.
Таблица 3
Генетичен код
|
нуклеотид |
Втори нуклеотид |
нуклеотид |
|||
Генетичният код е универсален и еднакъв при видове с различно ниво на развитие (хора, животни, растения, микроорганизми). Универсалността на кода показва, че всички живи организми в миналото са имали един прародител.
Индивидуалните аминокиселини (хидроксипролин, оксилизин), например, нямат кодон и се образуват с помощта на химична реакцияслед синтеза на полипептидната верига. Този процес се нарича посттранслационна модификация и е много важен за правилното функциониране на всеки протеин.
Безсмислените кодони (UAA, UAG, UGA) не кодират аминокиселини, а всъщност служат като сигнал за края на синтеза на протеинова молекула.
По този начин иРНК е директен носител на генетична информация от ядрото до цитоплазмената рибозома. Една рибозома заема област с дължина около 80 нуклеотида върху иРНК и е способна да катализира приблизително 100 пептидни връзки на минута (Severin E. S. et al., 2011).
синтезиран протеинови молекулимогат да претърпят структурни модификации на ниво рибозоми или след завършване на синтеза в резултат на добавянето на различни функционални групи. В цитоплазмата иРНК има относително кратък период на съществуване. Част от тРНК се синтезира и съхранява в неактивна форма, готова за бърз протеинов синтез. Тъй като информацията за иРНК е свързана с линейна последователност от нуклеотиди, целостта на тази последователност е изключително важна. Всяка загуба или промяна в реда на нуклеотидите може да промени протеиновия синтез. Към днешна дата са инсталирани редица инхибитори на репликацията на ДНК в клетките на тялото (антибиотици, химически отрови, антивирусни лекарства). Увреждането на последователността на пуриновите или пиримидиновите бази в гена се нарича мутация.
Заместването само на един нуклеотид в кодон (мутация) води до промяна в кодирането на една аминокиселина с друга. Например, мутация, свързана със замяната на глутаминовата киселина с валин в молекулата на хемоглобина, води до синтеза на хемоглобин, което причинява сърповидно-клетъчна анемия. Днес са известни повече от 200 мутации на полипептидната верига на молекулата на човешкия хемоглобин. Често мутагените са вещества (например нитрозамини), които променят структурата на азотните основи, което води до промяна в естеството на базовата комплементарност. Ултравиолетовото облъчване причинява кондензация на тиминови остатъци за образуване на тиминови димери. За щастие, животните са защитени от вредното въздействие на ултравиолетовите лъчи от озоновия слой на атмосферата.
Много антибиотици, използвани във ветеринарната практика, инхибират синтеза на бактериален протеин (линкомицин, еритромицин, хлорамфеникол) дори на етапа на транслация. В този случай микробната клетка умира или спира развитието си. Антибиотиците като тетрациклините не повлияват рибозомния синтез във висшите животински клетки. Пеницилините не са директни инхибитори на протеиновия синтез, но техните бактериални инхибиращи ефекти са свързани с блокиране на синтеза на хексапептиди на клетъчната стена. Трябва да се отбележи, че протеиновият синтез се извършва не само върху рибозомите, но и в митохондриите. Митохондриите имат пълен и независим апарат за синтез на протеини за техните нужди, въпреки че не всички митохондриални протеини се синтезират в тези органели. Митохондриалната РНК съставлява само 3% от общата клетъчна РНК. Митохондриалните рибозоми са по-малки от цитоплазмените. UGA кодонът, като терминатор на протеиновия синтез в цитоплазмата, се използва в митохондриите заедно с UGG кодона за кодиране на аминокиселина.
Протеините, синтезирани върху рибозомите, все още нямат напълно завършено състояние. Те представляват първични полипептиди, които след това претърпяват множество модификации (свързване на мономери за образуване на олигомери, добавяне на коензими, химични трансформации), които променят структурата на протеина и следователно неговата активност.
Съдържание: 1. Функции на протеини Функции на протеини Функции на протеини 2. Биосинтеза на протеини Биосинтеза на протеини Биосинтеза на протеини 2.1. Откривателите на протеиновата биосинтеза 2.1. Пионери на протеиновата биосинтеза Пионери на протеиновата биосинтеза Пионери на протеиновата биосинтеза 2.2. Транскрипция 2.2. Транскрипция Транскрипция 2.3. Излъчване 2.3. Излъчване Излъчване 3. Тествайте се Тествайте се Тествайте се
БИОСИНТЕЗА НА ПРОТЕИНИ Репликацията на ДНК е процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина, който се случва по време на клетъчното делене върху матрицата на родителската ДНК молекула. В този случай генетичният материал, кодиран в ДНК, се удвоява и разделя между дъщерните клетки. Репликацията на ДНК се осъществява от ензима ДНК полимераза.
Откривателите на протеиновата биосинтеза Франсоа Якоб (р.1920) - френски микробиолог Жак Люсиен Моно () - френски биохимик и микробиолог
Транскрипция Първата стъпка в протеиновата биосинтеза е транскрипцията. Транскрипцията е пренаписване на информация от нуклеотидна последователност на ДНК в нуклеотидна последователност на РНК. A T G G A C G A C T В определен участък от ДНК, под действието на ензими, хистоновите протеини се разделят, водородните връзки се разкъсват и двойната спирала на ДНК се разплита. Една от веригите става шаблон за изграждане на иРНК. Част от ДНК на определено място започва да се развива под действието на ензими. ДНК шаблон
След това, въз основа на матрицата, под действието на ензима РНК полимераза, сглобяването на иРНК започва от свободни нуклеотиди според принципа на комплементарност. A T G G A C G A C T U A C C U G C U G A i-РНК Водородните връзки се образуват между азотните основи на ДНК и РНК, а естерните връзки се образуват между нуклеотидите на самата матрична РНК. Водородна връзка Естерна връзка
иРНК След сглобяването на иРНК, водородните връзки между азотните основи на ДНК и иРНК се разкъсват и новообразуваната иРНК преминава през порите в ядрото в цитоплазмата, където се прикрепя към рибозомите. И двете вериги на ДНК се свързват отново, възстановявайки двойната спирала и отново се свързват с хистонови протеини. ИРНК е прикрепена към повърхността на малката субединица в присъствието на магнезиеви йони. ЯДРО на рибозомата цитоплазма Mg 2+
Транслация Вторият етап от биосинтезата е транслацията. Транслацията е транслацията на нуклеотидна последователност в аминокиселинната последователност на протеин. В цитоплазмата аминокиселините се свързват с тРНК. Това са много видове специфични реакции: определен ензим е в състояние да разпознае и да се свърже със съответната tRNA само своята собствена аминокиселина. i-RNA AGU U C A U CA A G U a/k a/k a/ k U U G A C U U G C
След това tRNA се придвижва към i-RNA и се свързва комплементарно със своя антикодон към кодона на i-RNA. След това вторият кодон се свързва с втори аминоацил-тРНК комплекс, съдържащ неговия специфичен антикодон. Антикодонът е триплет от нуклеотиди в горната част на тРНК. Кодонът е триплет от нуклеотиди на иРНК. i-RNA AGU U C A U C A A G U a/ k a/k U U G A C U U G C Водородни връзки между комплементарни нуклеотиди
След като две тРНК се прикрепят към иРНК, под действието на ензима се образува пептидна връзка между аминокиселините; първата аминокиселина се придвижва към втората тРНК, а освободената първа тРНК напуска. След това рибозомата се движи по нишката, за да се облече работно мястоследващ кодон. I-RNA AGU U C A U C A A G U a/k a/ k U U G A C U U G C Пептидна връзка a/ c
Такова последователно четене от рибозомата на „текста“, съдържащ се в иРНК, продължава, докато процесът достигне един от стоп кодоните (терминални кодони). Такива тройки са тройки UAA, UAG, UGA. Една иРНК молекула може да съдържа инструкции за синтеза на няколко полипептидни вериги. i-RNA върху рибозомния протеин И накрая, ензимите разграждат тази i-RNA молекула, разделяйки я на отделни нуклеотиди.
3. контролен тест 1. Шаблонът за синтеза на молекула иРНК по време на транскрипция е: а) цялата молекула на ДНК цялата молекула на ДНК б) изцяло една от веригите на молекулата на ДНК изцяло една от веригите на молекулата на ДНК в) участък от една от ДНК веригите участък от една от ДНК веригите г) в някои случаи една от веригите на ДНК молекулата, в други цялата ДНК молекула В някои случаи една от веригите на ДНК молекулата, в други , цялата ДНК молекула. 2. Транскрипцията се извършва: а) в ядрото в ядрото б) върху рибозомите върху рибозомите в) в цитоплазмата в цитоплазмата г) по каналите на гладкия ER по каналите на гладкия ER 3. Нуклеотидната последователност в антикодонът на т-РНК е строго комплементарен на: б) аминокиселината, към която е свързана дадената т-РНК; аминокиселината, към която е свързана дадената т-РНК; в) нуклеотидната последователност на гена; последователността от нуклеотиди на гена;
4. Транслацията в клетката се извършва: а) в ядрото в ядрото б) върху рибозомите върху рибозомите в) в цитоплазмата в цитоплазмата г) по каналите на гладката ER по каналите на гладката ER 5. По време на транслацията шаблонът за сглобяване на полипептидната верига на протеина е: а) двете вериги Една от веригите на ДНК молекулата б) една от веригите на ДНК молекулата една от веригите на ДНК молекулата в) m- РНК молекула молекула m-RNA г) в някои случаи една от ДНК веригите, в други - молекула m-RNA, в някои случаи една от ДНК веригите, в други - молекула mRNA 6. По време на биосинтеза на протеин в клетка ATP енергия: а) изразходва се б) съхранява се в) не се консумира и не се отделя не се изразходва и не се отделя г) изразходва се в някои етапи на синтеза, в други - отделя се в някои етапи на синтеза се изразходва, при други - се екскретира 7. Елиминирайте излишъка: рибозоми, t- РНК, иРНК, аминокиселини, ДНК.рибозоми тРНК иРНКаминокиселиниДНК
8. Участък от молекула t-RNA от три нуклеотида, който комплементарно се свързва с определен участък от иРНК според принципа на комплементарността, се нарича ... 9. Последователността на азотните бази в молекулата на ДНК е следната: ATTAACGCCTAT. Каква ще бъде последователността на азотните бази в иРНК? a) TAATTGTSGATAATAATTGTSGATA b) GCTGTTATTGCGTGTTATTGTS c) WAAAUCCGUTUTUAAAUCCGUTUT d) UAAUUGTSGAUAUAAUUUGTSGAUA
Разбирането на механизма на протеиновия синтез е резултат от дълга и сложна работа на много учени. Това блестящо постижение сега е едно от основните положения на биологичната наука. Но все пак голяма част от този процес остава извън нашето знание. Заключение
Биосинтезата на протеини се извършва във всяка жива клетка. Той е най-активен в младите растящи клетки, където се синтезират протеини за изграждане на органелите им, както и в секреторните клетки, където се синтезират ензимни протеини и хормонални протеини.
Основната роля в определянето на структурата на протеините принадлежи на ДНК. Част от ДНК, съдържаща информация за структурата на един протеин, се нарича ген. Една ДНК молекула съдържа няколкостотин гена. Молекулата на ДНК съдържа код за последователността на аминокиселините в протеин под формата на определено комбинирани нуклеотиди. ДНК кодът е дешифриран почти напълно. Същността му е следната. Всяка аминокиселина съответства на участък от ДНК веригата от три съседни нуклеотида.
Например, раздел Т-Т-Тсъответства на аминокиселината лизин, сегмент A-C-A- цистин, C-A-A - валин и т.н. Има 20 различни аминокиселини, броят на възможните комбинации от 4 нуклеотида по 3 е 64. Следователно има достатъчно триплети в излишък, за да кодират всички аминокиселини.
Протеиновият синтез е сложен многоетапен процес, представляващ верига от синтетични реакции, протичащи на принципа на матричния синтез.
Тъй като ДНК се намира в клетъчното ядро и протеиновият синтез се извършва в цитоплазмата, има посредник, който предава информация от ДНК към рибозомите. Такъв посредник е иРНК. :
В протеиновата биосинтеза се определят следните етапи, които протичат в различни части на клетката:
- Първият етап - синтезът на i-RNA се извършва в ядрото, по време на който информацията, съдържаща се в ДНК гена, се пренаписва в i-RNA. Този процес се нарича транскрипция (от латинското "препис" - пренаписване).
- На втория етап аминокиселините се комбинират с t-RNA молекули, които се състоят последователно от три нуклеотида - антикодони, с помощта на които се определя техният триплетен кодон.
- Третият етап е процесът на директен синтез на полипептидни връзки, наречен транслация. Среща се в рибозомите.
- На четвъртия етап настъпва образуването на вторична и третична структура на протеина, т.е. образуването на крайната структура на протеина.
Така в процеса на биосинтеза на протеини се образуват нови протеинови молекули в съответствие с точната информация, заложена в ДНК. Този процес осигурява обновяването на протеините, метаболитните процеси, растежа и развитието на клетките, т.е. всички процеси на жизнената дейност на клетките.
Хромозомите (от гръцки "хрома" - цвят, "сома" - тяло) са много важни структури на клетъчното ядро. Те играят основна роля в процеса на делене на клетките, като осигуряват предаването на наследствената информация от едно поколение на друго. Те са тънки нишки от ДНК, прикрепени към протеини. Филаментите се наричат хроматиди и са съставени от ДНК, основни протеини (хистони) и киселинни протеини.
В неделяща се клетка хромозомите запълват целия обем на ядрото и не се виждат под микроскоп. Преди да започне деленето, настъпва спирализиране на ДНК и всяка хромозома става видима под микроскоп. По време на спирализацията хромозомите се редуцират десетки хиляди пъти. В това състояние хромозомите изглеждат като две еднакви нишки (хроматиди), разположени една до друга, свързани с общо място - центромера.
Всеки организъм се характеризира с постоянен брой и структура на хромозомите. В соматичните клетки хромозомите винаги са сдвоени, т.е. в ядрото има две идентични хромозоми, които съставляват една двойка. Такива хромозоми се наричат хомоложни, а сдвоените набори от хромозоми в соматичните клетки се наричат диплоидни.
И така, диплоидният набор от хромозоми при хората се състои от 46 хромозоми, образуващи 23 двойки. Всяка двойка се състои от две еднакви (хомоложни) хромозоми.
Структурните характеристики на хромозомите позволяват да се разграничат техните 7 групи, които се обозначават с латинските букви A, B, C, D, E, F, G. Всички двойки хромозоми имат поредни номера.
Мъжете и жените имат 22 двойки еднакви хромозоми. Те се наричат автозоми. Мъжете и жените се различават по една двойка хромозоми, които се наричат полови хромозоми. Обозначават се с букви - голям Х (група C) и малък Y (група C,). Женското тяло има 22 двойки автозоми и една двойка (XX) полови хромозоми. Мъжете имат 22 двойки автозоми и една двойка (XY) полови хромозоми.
За разлика от соматичните клетки, зародишните клетки съдържат половината набор от хромозоми, тоест съдържат по една хромозома от всяка двойка! Такъв набор се нарича хаплоиден. Хаплоидният набор от хромозоми възниква в процеса на узряване на клетките.
Във всички живи клетки протеините се синтезират от рибозоми. . Рибозомата е голяма макромолекула със сложна асиметрична кватернерна структура, изградена от рибозома нуклеинова киселина(рибозомна РНК) и протеини. За да синтезира протеин, рибозомата трябва да бъде оборудвана с:
1. Програма, която определя реда на редуване на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига на протеина.
2. Аминокиселинен материал, от който се изгражда протеин.
3. Енергия.
Самата рибозома има каталитична (ензимна) функция, отговорна за образуването на пептидни връзки и съответно полимеризацията на аминокиселинните остатъци в протеинова полипептидна верига.
Програмата, която задава реда на редуване на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига на протеина, идва от дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), тоест от клетъчния геном.Отделни участъци от двойноверижна ДНК, наречени гени, са шаблони за синтез на едноверижни РНК вериги върху тях. Синтезираните РНК вериги са комплементарни на една от ДНК веригите и по този начин точно възпроизвеждат дезоксирибонуклеотидната последователност на другата ДНК верига в тяхната рибонуклеотидна последователност. Процесът на такова копиране на ген, осъществяван от ензима РНК полимераза, се нарича транскрипция. РНК по време и след синтеза, особено в еукариотните клетки, може да претърпи серия от допълнителни промени, наречени обработка, по време на които определени части от нуклеотидната последователност могат да бъдат изрязани от нея. След това получената РНК влиза в рибозомите като програма, която определя аминокиселинната последователност в синтезирания протеин. Нарича се информационна или "информационна" РНК (иРНК). По този начин именно транскрипцията на гените и образуването на иРНК осигуряват потока на информация от ДНК към рибозомите.
Аминокиселините са градивните елементи на протеините. Свободните аминокиселини обаче не се използват от рибозомата.За да служи като субстрат за рибозомата, аминокиселината трябва да бъде активирана чрез свързано разцепване на АТФ и приета (ковалентно свързана) от специална РНК молекула, наречена трансферна или трансферна РНК ( tRNA), използвайки ензима аминоацил-tRNA-синтези. Получените аминоацил-тРНК влизат в рибозомата като субстрат за протеиновия синтез. В допълнение, енергията на химическата връзка между аминокиселинния остатък и тРНК се използва за образуване на пептидна връзка в рибозомата. По този начин, активирането на аминокиселините и образуването на аминоацил-тРНК осигуряват поток от материал и енергия за синтеза на рибозомни протеини.
Тези три потока (информация, материал и енергия) се срещат в рибозомата. Възприемайки ги, рибозомата превежда или превежда генетична информация от езика на нуклеотидната последователност на иРНК на езика на аминокиселинната последователност на синтезираната протеинова полипептидна верига. Ако си представим това в молекулярно отношение, тогава рибозомата последователно сканира иРНК веригата (движи се по нея) и също така последователно избира аминоацил-тРНК от средата, в резултат на което специфичността на аминоацилния остатък на аминоацил-тРНК, избрана от рибозомата се определя всеки път от спецификата на комбинацията от нуклеотиди, които в момента се четат от рибозомната част от иРНК. Така възниква проблемът с генетичния код: какви комбинации от нуклеотиди определят, т.е. кодират всяка от 20-те аминокиселини, които изграждат протеиновите молекули?
Движението на рибозомата по веригата на иРНК (или, с други думи, преминаването на веригата на иРНК през рибозомата) определя строг времеви ред на навлизане в рибозомата на различни аминоацил-тРНК в съответствие с реда на кодиращия нуклеотид. комбинации по иРНК. Аминоацилният остатък на избраната аминоацил-тРНК всеки път се прикрепя ковалентно от рибозомата към нарастващата полипептидна верига. Деацилираната тРНК се освобождава от рибозомата в разтвор. Така последователно, стъпка по стъпка, се изгражда полипептидната верига на протеина (виж Схема 1).
Най-важните функции на тялото - метаболизъм, растеж, развитие, предаване на наследствеността, движение и др. - се осъществяват в резултат на много химични реакции, включващи протеини, нуклеинови киселини и други биологични активни вещества. В същото време в клетките непрекъснато се синтезират различни съединения: строителни протеини, ензимни протеини, хормони. В хода на обмяната тези вещества се износват и разрушават, а на тяхно място се образуват нови. Тъй като протеините създават материалната основа на живота и ускоряват всички метаболитни реакции, жизнената активност на клетката и на организма като цяло се определя от способността на клетките да синтезират специфични протеини. Тяхната първична структура е предопределена от генетичния код в молекулата на ДНК.
Протеиновите молекули се състоят от десетки и стотици аминокиселини (по-точно от аминокиселинни остатъци). Например, има около 600 от тях в молекулата на хемоглобина и те са разпределени в четири полипептидни вериги; в молекулата на рибонуклеазата има 124 такива аминокиселини и т.н.
Молекулите играят основна роля в определянето на първичната структура на протеина ДНК.Неговите различни участъци кодират синтеза на различни протеини, следователно една ДНК молекула участва в синтеза на много отделни протеини. Свойствата на протеините зависят от последователността на аминокиселините в полипептидната верига. На свой ред редуването на аминокиселините се определя от последователността на нуклеотидите в ДНК и всяка аминокиселина съответства на определен триплет. Експериментално е доказано, че например ДНК област с AAC триплет отговаря на аминокиселината левцин, ACC триплет отговаря на триптофан, ACA триплет отговаря на цистеин и т.н. Разделяйки молекулата на ДНК на триплети, човек може да си представи кои аминокиселини и в каква последователност ще бъдат разположени в протеиновата молекула. Наборът от триплети съставлява материалната основа на гените и всеки ген съдържа информация за структурата на специфичен протеин (генът е основната биологична единица на наследствеността; химически генът е ДНК сегмент, който включва няколкостотин базови двойки) .
генетичен код -историческата организация на ДНК и РНК молекулите, при която последователността на нуклеотидите в тях носи информация за последователността на аминокиселините в белтъчните молекули. Свойства на кода:триплет (кодон), неприпокриване (кодоните следват един друг), специфичност (един кодон може да определи само една аминокиселина в полипептидната верига), универсалност (при всички живи организми един и същ кодон определя включването на една и съща аминокиселина в полипептидът), излишък (за повечето аминокиселини има няколко кодона). Триплетите, които не носят информация за аминокиселините, са стоп триплети, показващи началото на синтеза i-RNA.(В. Б. Захаров. Биология. Справочни материали. М., 1997)
Тъй като ДНК се намира в клетъчното ядро и протеиновият синтез се извършва в цитоплазмата, има посредник, който предава информация от ДНК към рибозомите. Като такъв посредник служи и РНК, на която се пренаписва нуклеотидната последователност, точно в съответствие с тази на ДНК - по принципа на комплементарността. Този процес е наименуван транскрипциии протича като реакция на матричен синтез. Той е характерен само за живите структури и е в основата на най-важното свойство на живите същества - самовъзпроизвеждането. Протеиновата биосинтеза се предшества от шаблонен синтез на иРНК върху ДНК вериги. Получената иРНК излиза от клетъчното ядро в цитоплазмата, където върху нея са нанизани рибозоми и тук се доставят аминокиселини с помощта на TRJK.
Протеиновият синтез е сложен многоетапен процес, включващ ДНК, тРНК, тРНК, рибозоми, АТФ и различни ензими. Първо, аминокиселините в цитоплазмата се активират от ензими и се прикрепват към tRNA (към мястото, където се намира CCA нуклеотидът). Следващата стъпка е комбинацията от аминокиселини в реда, в който редуването на нуклеотиди от ДНК се прехвърля към иРНК. Този етап се нарича излъчване.Върху веригата на иРНК не се поставя една рибозома, а група от тях - такъв комплекс се нарича полизома (Н. Е. Ковалев, Л. Д. Шевчук, О. И. Шуренко. Биология за подготвителни отделения медицински институти).
Схема Биосинтеза на протеини
Протеиновият синтез се състои от два етапа - транскрипция и транслация.
I. Транскрипция (пренаписване) - биосинтеза на РНК молекули, извършвана в хромозоми върху ДНК молекули съгласно принципа на матричен синтез. С помощта на ензими се синтезират всички видове РНК (иРНК, рРНК, тРНК) в съответните участъци на молекулата на ДНК (гени). Синтезират се 20 разновидности на тРНК, тъй като 20 аминокиселини участват в биосинтезата на протеина. След това иРНК и тРНК излизат в цитоплазмата, рРНК се интегрира в рибозомни субединици, които също излизат в цитоплазмата.
II. Транслация (предаване) - синтезът на полипептидни вериги от протеини се извършва в рибозомите. Той е придружен от следните събития:
1. Образуване на функционалния център на рибозомата - FCR, състоящ се от иРНК и две субединици рибозоми. В PCR винаги има два триплета (шест нуклеотида) иРНК, образуващи два активни центъра: А (аминокиселина) - центърът за разпознаване на аминокиселината и Р (пептид) - центърът за свързване на аминокиселината към пептидната верига.
2. Транспортиране на аминокиселини, прикрепени към тРНК от цитоплазмата до PCR. В активния център А антикодонът на tRNA се чете с кодона на mRNA; в случай на комплементарност възниква връзка, която служи като сигнал за напредване (скок) по протежение на mRNA на рибозомата с един триплет. В резултат на това комплексът "кодон на rRNA и tRNA с аминокиселина" се придвижва към активния център на P, където аминокиселината е прикрепена към пептидната верига (белтъчна молекула). След това тРНК напуска рибозомата.
3. Пептидната верига се удължава, докато транслацията приключи и рибозомата изскочи от иРНК. Няколко рибозоми (полизоми) могат да се поберат на една иРНК едновременно. Полипептидната верига се потапя в канала на ендоплазмения ретикулум и там придобива вторична, третична или кватернерна структура. Скоростта на сглобяване на една протеинова молекула, състояща се от 200-300 аминокиселини, е 1-2 минути. Формула за биосинтеза на протеин: ДНК (транскрипция) --> РНК (транслация) --> протеин.
След завършване на един цикъл полизомите могат да участват в синтеза на нови протеинови молекули.
Белтъчната молекула, отделена от рибозомата, има формата на нишка, която е биологично неактивна. Той става биологично функционален, след като молекулата придобие вторична, третична и кватернерна структура, т.е. определена пространствено специфична конфигурация. Вторичните и следващите структури на протеиновата молекула са предварително определени в информацията, вградена в редуването на аминокиселини, т.е. в първичната структура на протеина. С други думи, определя се програмата за образуване на глобула, нейната уникална конфигурация първична структурамолекула, която от своя страна се изгражда под контрола на съответния ген.
Скоростта на протеиновия синтез се определя от много фактори: температурата на околната среда, концентрацията на водородни йони, количеството на крайния продукт на синтеза, наличието на свободни аминокиселини, магнезиеви йони, състоянието на рибозомите и др.
