Биосинтезата на протеини (полипептиди) е изключително сложен и удивителен процес. Протеиновата биосинтеза протича активно във всички органи и тъкани, с изключение на еритроцитите. Много клетки синтезират протеини за "износ" (клетки на черния дроб, панкреаса) и в този случай съдържат много голям брой рибозоми. В животинска клетка броят на рибозомите достига 105, диаметърът на рибозомата е 20 nm.
Процесът на протеинов синтез протича вътре в клетките на повърхността на рибозомите, които са комплекси от две субединици с константа на утаяване 60S и 40S, функциониращи като едно цяло. Рибозомата съдържа 30-35% протеин и 65-70% рибозомна РНК. Рибозомата има аминоацил и пептидил области. Първият служи за фиксиране на активната аминокиселина и tRNA комплекс, който влиза в рибозомата, а вторият фиксира полипептидната верига, свързана с друга tRNA. Рибозомните субединици се синтезират в ядрото на ядрото върху ДНК шаблон.
Същността на процеса на протеинов синтез е схемата:
Системата за синтезиране на протеини включва рибозоми, нуклеинови киселини, набор от 20 аминокиселини, различни ензими, ATP, GTP, магнезиеви йони и около 200 различни некаталитични протеинови фактора.
Белтъчната молекула е дълга верига от аминокиселинни остатъци, средно от 100 до 500 аминокиселини. Програмата за синтез за всеки протеин се съхранява в молекула на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Молекулата на ДНК е полимер, чиито мономери са нуклеотиди. Последователността на азотните бази в молекулата на ДНК определя последователността на аминокиселините в протеиновата молекула.
Има четири вида азотни бази в молекулата на ДНК: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Последователност от три бази (триплет) образува кодон, който съответства на една конкретна аминокиселина.
Нуклеиновите киселини - ДНК и РНК - са основни компоненти на биосинтеза на протеини. ДНК е отговорна за поддържането генетична информация, докато РНК определя предаването на тази информация и реализацията под формата на протеинови молекули. Може да се твърди, че основната функция на ДНК е запазването на генотипа, а РНК е експресията на този генотип.
В количествено отношение рибозомната РНК (рРНК) преобладава в клетката. рРНК има спираловидни 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 други видове РНК, се синтезира в ядрото. Тя представлява 10-15% от общото количество РНК в клетката. Идентифицирани са над 60 различни tRNA. Следователно има няколко различни tRNA за транспортиране на отделни аминокиселини. За всяка аминокиселина в клетката има поне една специфична tRNA. tRNA молекулите са сравнително малки. Тяхната структура съдържа 75-93 рибонуклеотида.
Аминокиселината е прикрепена към свободната 3-OH група на терминалния tRNA 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 комплементарно свързани с водородни връзки.
Ако носителят на наследствена информация в клетката е ДНК, която е концентрирана в ядрото, но синтезът на протеин се извършва в цитоплазмата, тогава трябва да има определен медиатор, който предава тази информация към цитоплазмата на клетката. Оказа се, че този медиатор е месинджър или информационна РНК (иРНК). иРНК представлява 2% от общото количество РНК в клетката. Молекулите на иРНК са най-дълги (включват до 5 хиляди нуклеотида). иРНК съдържа също 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 случва върху 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 нишките на ядрото. В този случай двуверижната структура на ДНК се развива и с участието на ДНК-зависима РНК полимераза, съгласно принципа на комплементарност, се осъществява синтез на иРНК:
Схема за синтез на иРНК
Принципът на комплементарност означава, че аденинът върху спиралата на ДНК съответства на урацилова иРНК, тимин на аденин и гуанин на цитозин. Следователно иРНК чете информация от ДНК.
Така етапът ДНК -» РНК определя синтеза на молекулата на иРНК, 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 е фиксирана 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 тРНК шаблон. 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 tRNA;
- 2) иницииране на синтеза на полипептидната верига;
- 3) удължаване на синтезираната полипептидна верига;
- 4) прекратяване на полипептидната верига и нейното освобождаване;
- 5) пост-транслационна 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 предварително активираната аминокиселина на позиция 2 или 3 на рибозата на последния тРНК нуклеотид:
Под формата на този комплекс аминокиселината се транспортира до рибозомата, където се синтезира протеиновата молекула. Аминоацил-тРНК синтетазата е специфична; тя е в състояние да разпознава както аминокиселини, така и тРНК. Следователно в една клетка има най-малко 20 различни синтетази, в съответствие с броя на а-аминокиселините.
2. тРНК, свързана чрез естерна връзка с определена аминокиселина, влиза в рибозомата и взаимодейства с иРНК според вида на комплементарността между специфичен триплет от тРНК нуклеотиди, наречен кодон, и неговия комплементарен специфичен триплет от нуклеотиди (антикодон) на тРНК, носеща специфична аминокиселина. По този начин, всеки mRNA кодон съответства на специфично фиксиране на една аминокиселина в пептидната верига от tRNA 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 mRNA служи като кодон.
Инициирането на полипептиден синтез започва, когато два tRNA антикодона са фиксирани към съответните кодони на mRNA. 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/минута/рибозома.
Схема за започване на полипептиден синтез
3. След образуването на дипептида, "разтоварената" tRNA напуска рибозомата и е в състояние да достави нови аминокиселинни молекули, а иРНК напредва с три нуклеотида спрямо рибозомата (полизома). В резултат на движение (транслокация), свободен кодон заема позиция за разпознаване на следващата tRNA молекула. 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.
Удължаваща се полипептидна верига с една tRNA молекула е фиксирана към голямата субединица на рибозомата. Прикрепването на всяка допълнителна аминокиселина към полипептидната верига се осъществява поради връзката между аминогрупата на аминокиселината в комплекса с tRNA 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 са комплементарни към тях. Теоретично, само един "безсмислен" кодон, разпознат от полизома по време на преминаването му в посока на 5-3 иРНК, трябва да спре синтеза на протеинова молекула.
Наличието на терминиращ кодон във всеки регион на иРНК означава край на протеиновия синтез. В резултат на това полизомата се разпада, неизползваната иРНК се хидролизира от полинуклеотидна фосфорилаза и рибозомните субединици се подготвят да започнат синтеза на нова протеинова молекула.
иРНК може многократно да участва в процеса на биосинтеза на протеини. Продължителността на функционирането на молекулата на иРНК не е еднаква при различните организми. Може да варира от няколко минути до няколко дни.
5. В ДНК е кодирана само първичната структура на протеина. Следователно протеиновите молекули, синтезирани върху рибозоми, все още нямат напълно завършено състояние. Те са 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 ниво рибозоми или след завършване на синтеза в резултат на добавяне на различни функционални групи.
Разглежданата схема за предаване на информация във формата
може да се промени в отделни случаи. Така че при 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 чиято матрица се синтезират вирусни протеини. Такъв процес се нарича обратна транскрипция и схемата за предаване на информация в този случай ще бъде както следва:
Докато последователността на ДНК нуклеотидите и следователно иРНК е запазена, 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 основи (аденин, гуанин, урацил, цитозин).
Генетичният код включва трибуквени думи. Четирите бази в този случай (43) дават 64 варианта (думи), които са повече от достатъчни за кодиране на 20 аминокиселини. По този начин 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 своята 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 един и същ при видове от различни нива на развитие (хора, животни, растения, микроорганизми). Универсалността на кода показва, че всички живи организми в миналото са имали един прародител.
Отделните 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 от около 80 нуклеотида върху иРНК и е способна да катализира приблизително 100 пептидни връзки в минута (Severin E.S. et al., 2011).
синтезиран протеинови молекулиможе да претърпи структурни модификации на ниво рибозоми или след завършване на синтеза в резултат на добавянето на различни функционални групи. В цитоплазмата иРНК има сравнително кратък период на съществуване. Част от иРНК 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 от пуринови или пиримидинови бази в ген се нарича мутация.
Заместването само на един нуклеотид в кодона (мутация) води до промяна в кодирането на една аминокиселина за 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 бази, което води до промяна в естеството на комплементарността на основите. Ултравиолетовото облъчване причинява кондензация на остатъци от тимин, за да се образуват 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 бактериалния протеинов синтез (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 своите 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. Кодонът UGA, като терминатор на протеиновия синтез в цитоплазмата, се използва в митохондриите заедно с UGG кодона за кодиране на аминокиселина.
Протеините, синтезирани върху рибозоми, 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. Откривателите на протеиновата биосинтеза 2.1. Пионери в протеиновата биосинтеза Пионери в биосинтезата на протеини Пионери в биосинтезата на протеини 2.2. Транскрипция 2.2. Транскрипция Транскрипция 2.3. Излъчване 2.3. Излъчване Излъчване 3. Тествайте себе си Тествайте себе си
БИОСИНТЕЗА НА ПРОТЕИН Репликацията на ДНК е процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина, който се случва по време на клетъчното делене на 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 биосинтезата на протеини е транскрипцията. Транскрипцията е пренаписване на информация от ДНК нуклеотидна последователност в РНК нуклеотидна последователност. 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 разрушават и двойната спирала на ДНК се развива. Една от веригите се превръща в шаблон за изграждане на иРНК. Част от ДНК на определено място започва да се развива под действието на ензими. ДНК шаблон
След това, на базата на шаблона, 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-RNA Водородните връзки се образуват между азотните бази 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 бази на ДНК и иРНК се разрушават 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 рибозомната цитоплазма Mg 2+
Превод Вторият етап на биосинтеза е транслацията. Транслацията е транслацията на нуклеотидна последователност в аминокиселинната последователност на протеин. В цитоплазмата аминокиселините се комбинират с tRNA. Това са много специфични за вида реакции: определен ензим е в състояние да разпознае и да се свърже със съответната тРНК 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 с 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 tRNA. Кодонът е триплет от нуклеотиди върху 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 и освободената първа тРНК напуска. След това рибозомата се движи по нишката, за да постави следващия кодон на работното място. 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 кодони (крайни кодони). Такива тройки са тризнаци UAA, UAG, UGA. Една молекула иРНК може да съдържа инструкции за синтеза на няколко полипептидни вериги. i-RNA върху рибозомен протеин Накрая, ензимите разграждат тази i-RNA молекула, разделяйки я на отделни нуклеотиди.
3. контролен тест 1. Шаблонът за синтеза на тРНК молекула по време на транскрипция е: а) цялата молекула ДНК цялата молекула ДНК б) напълно една от веригите на молекулата на ДНК напълно 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 осъществява: 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 3. Нуклеотидната последователност в t-RNA антикодонът е строго комплементарен към: b) аминокиселината, с която е свързана дадената t-RNA; аминокиселината, с която е свързана дадената t-RNA; c) нуклеотидните последователности на гена; нуклеотидните последователности на генът;
4. Транслацията в клетката се осъществява: а) в ядрото в ядрото б) върху рибозомите върху рибозомите в) в цитоплазмата в цитоплазмата г) по каналите на гладката ЕР 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 m-RNA молекула г) в някои случаи една от веригите на ДНК, в други - молекула m-RNA, в някои случаи една от веригите на ДНК, в други - mRNA молекула 6. По време на биосинтеза на протеин в клетка АТФ енергия: а) се консумира б) се съхранява в) не се консумира и не се екскретира не се консумира и не се екскретира d) се консумира на някои етапи на синтез, на други - се екскретира на някои етапи на синтез се консумира, при други - екскретира се 7. Елиминирайте излишъка: рибозоми, t-РНК, иРНК, аминокиселини, ДНК.рибозоми тРНК тРНК аминокиселиниДНК
8. Секция от t-RNA молекула от три нуклеотида, която се свързва комплементарно с определен участък от иРНК съгласно принципа на комплементарност, 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 брилянтно постижение сега е едно от основните положения на биологичната наука. Но все пак голяма част от този процес остава извън нашите познания. Заключение
Биосинтезата на протеин се извършва във всяка жива клетка. Най-активен е в младите растящи клетки, където се синтезират протеини за изграждането на техните органели, както и в секреторните клетки, където се синтезират ензимни протеини и хормонални протеини.
Основната роля при 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. Една ДНК молекула съдържа код за последователността от аминокиселини в протеина 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 T-T-Tсъответства на аминокиселината лизин, сегмент A-C-A- цистин, C-A-A - валин и др. 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 съгласно принципа на матричния синтез.
Тъй като ДНК се намира в ядрото на клетката, а синтезът на протеин се извършва в цитоплазмата, има посредник, който предава информация от ДНК към рибозомите. Такъв посредник е иРНК. :
При биосинтезата на протеини се определят следните етапи, които протичат в различни части на клетката:
- Първият етап - синтезът на i-RNA настъпва в ядрото, по време на който информацията, съдържаща се в ДНК гена, се пренаписва в i-RNA. Този процес се нарича транскрипция (от латински "transscript" - пренаписване).
- На втория етап аминокиселините се комбинират с t-RNA молекули, които последователно се състоят 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 възниква формирането на вторичната и третичната структура на протеина, тоест образуването на крайната структура на протеина.
Така в процеса на биосинтеза на протеини се образуват нови протеинови молекули в съответствие с точната информация, вградена в ДНК. Този процес осигурява обновяването на протеините, метаболитните процеси, растежа и развитието на клетките, тоест всички процеси на жизнената дейност на клетките.
Хромозомите (от гръцки "chroma" - цвят, "soma" - тяло) са много важни структури на клетъчното ядро. Те играят основна роля в процеса на клетъчно делене, като осигуряват предаването на наследствена информация от едно поколение на друго. Те са тънки нишки от ДНК, прикрепени към протеини. Филаментите се наричат хроматиди и са изградени 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 спирализация на ДНК и всяка хромозома става видима под микроскоп. По време на спирализацията хромозомите се намаляват десетки хиляди пъти. В това състояние хромозомите изглеждат като две еднакви нишки (хроматиди), лежащи 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, тоест 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 идентични (хомоложни) хромозоми.
Структурните особености 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 серийни 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. Означават се с букви - голям X (група C) и малък Y (група C,). Женското тяло има 22 двойки автозоми и една двойка (XX) полови хромозоми. Мъжките 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 клетъчно узряване.
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 задава реда на редуване на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига на протеин.
2. Аминокиселинен материал, от който да се изгради протеин.
3. Енергия.
Самата рибозома има каталитична (ензимна) функция, отговорна за образуването на пептидни връзки и съответно за полимеризацията на аминокиселинни остатъци в протеинова полипептидна верига.
Програмата, която задава реда на редуване на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига на протеин идва от дезоксирибонуклеинова 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 вериги 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 транскрипцията на гени 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, една аминокиселина трябва да бъде активирана чрез свързано разцепване на АТФ и да бъде приета (ковалентно прикрепена) от специална молекула РНК, наречена трансферна или трансферна РНК ( tRNA), използвайки ензимния аминоацил-tRNA- синтез. Получените аминоацил-тРНК влизат в рибозомата като субстрат за протеинов синтез. В допълнение, енергията на химическата връзка между аминокиселинния остатък и tRNA се използва за образуване на пептидна връзка в рибозомата. По този начин, активирането на аминокиселини и образуването на аминоацил-тРНК осигуряват поток както от материал, така и от енергия за синтеза на рибозомен протеин.
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 веригата на иРНК (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 специфичността на комбинацията от нуклеотиди, разчетена в момента от рибозомната част от иРНК. По този начин 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) задава строг времеви ред на влизане в рибозомата на различни аминоацил-тРНК в съответствие с реда на кодиращия нуклеотид комбинации по протежение на иРНК. Аминоацилният остатък на избраната аминоацил-tRNA всеки път е ковалентно прикрепен от рибозомата към растящата полипептидна верига. Деацилираната tRNA 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 наследственост, движение и др. - се осъществяват в резултат на много химични реакции с участието на 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 обмена тези вещества се износват и се 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 молекула на хемоглобина и те са разпределени в четири полипептидни вериги; в рибонуклеазната молекула има 124 такива аминокиселини и т.н.
Молекулите играят основна роля при определянето на първичната структура на протеина ДНК.Различните му участъци кодират синтеза на различни протеини, следователно една молекула ДНК участва в синтеза на много отделни протеини. Свойствата на протеините зависят от последователността на аминокиселините в полипептидната верига. От своя страна редуването на аминокиселините се определя от последователността на нуклеотидите в ДНК и всяка аминокиселина съответства на определен триплет. Експериментално е доказано, че например ДНК регион с AAC триплет съответства на аминокиселината левцин, ACC триплет на триптофан, ACA триплет на цистеин и т.н. Чрез разделяне на ДНК молекулата на триплети може да си представим 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; в химично отношение генът е ДНК сегмент, който включва няколкостотин бази двойки).
генетичен код -исторически установената организация на ДНК и РНК молекули, при която последователността на нуклеотидите в тях носи информация за последователността на аминокиселините в протеиновите 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 полипептида), излишък (за повечето аминокиселини има няколко кодона). Триплети, които не носят информация за аминокиселини, са стоп триплети, което показва началото на синтеза i-RNA.(В. Б. Захаров. Биология. Справочни материали. М., 1997)
Тъй като ДНК се намира в ядрото на клетката, а синтезът на протеин 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, в точно съответствие с тази върху ДНК - по принципа на комплементарността. Този процес е наречен транскрипциии протича като реакция на матричен синтез. Той е характерен само за живите структури и стои в основата на най-важното свойство на живите същества – самовъзпроизводството. Биосинтезата на протеина се предшества от матричен синтез на иРНК върху ДНК вериги. Получената иРНК излиза от клетъчното ядро в цитоплазмата, където рибозомите са нанизани върху нея и аминокиселините се доставят тук с помощта на TRIC.
Протеиновият синтез е сложен многоетапен процес, включващ ДНК, иРНК, 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 нуклеотидите от ДНК се прехвърля към иРНК. Този етап се нарича излъчване.Не една рибозома е поставена върху веригата на иРНК, а група от тях - такъв комплекс се нарича полизома (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. 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, осъществявана в хромозоми върху ДНК молекули по принципа на матричен синтез. С помощта на ензими всички видове РНК (тРНК, рРНК, тРНК) се синтезират в съответните участъци от ДНК молекулата (гени). Синтезират се 20 разновидности на tRNA, 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 на протеини, се извършва в рибозомите. То е придружено 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, които образуват два активни центъра: А (аминокиселина) - центърът за разпознаване на аминокиселини и Р (пептид) - центърът за свързване на аминокиселината към пептидната верига.
2. Транспортиране на аминокиселини, прикрепени към tRNA от цитоплазмата до PCR. В активния център А тРНК антикодонът се чете с кодона на иРНК; в случай на комплементарност възниква връзка, която служи като сигнал за напредване (скачане) по протежение на иРНК на рибозомата от един триплет. В резултат на това комплексът "кодон на рРНК и тРНК с аминокиселина" се премества към активния център на Р, където аминокиселината е прикрепена към пептидната верига (протеиновата молекула). След това тРНК напуска рибозомата.
3. Пептидната верига се удължава, докато транслацията приключи и рибозомата скочи 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 протеини: 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 последващите структури на протеиновата молекула са предварително определени в информацията, заложена 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 водородните йони, количеството на крайния продукт на синтеза, наличието на свободни аминокиселини, магнезиеви йони, състоянието на рибозомите и др.
