Biosinteza proteina (polipeptida) iznimno je složen i nevjerojatan proces. Biosinteza proteina aktivno se odvija u svim organima i tkivima, isključujući eritrocite. Mnoge stanice sintetiziraju proteine za "izvoz" (stanice jetre, gušterače), au ovom slučaju sadrže vrlo veliki broj ribosom. U životinjskoj stanici broj ribosoma doseže 105, promjer ribosoma je 20 nm.
Proces sinteze proteina odvija se unutar stanica na površini ribosoma, koji su kompleksi dviju podjedinica s konstantom sedimentacije 60S i 40S, a funkcioniraju kao jedinstvena cjelina. Ribosom sadrži 30-35% proteina i 65-70% ribosomske RNA. Ribosom ima aminoacilnu i peptidilnu regiju. Prvi služi za fiksiranje kompleksa aktivne aminokiseline i tRNA koji ulazi u ribosom, a drugi fiksira polipeptidni lanac povezan s drugom tRNA. Podjedinice ribosoma sintetiziraju se u nukleolu jezgre na DNA šabloni.
Suština procesa sinteze proteina je shema:
Sustav za sintezu proteina uključuje ribosome, nukleinske kiseline, skup od 20 aminokiselina, razne enzime, ATP, GTP, ione magnezija i oko 200 različitih nekatalitičkih proteinskih faktora.
Proteinska molekula dugačak je lanac aminokiselinskih ostataka, koji u prosjeku sadrži 100 do 500 aminokiselina. Program sinteze za svaki protein pohranjen je u molekuli deoksiribonukleinske kiseline (DNK). Molekula DNA je polimer čiji su monomeri nukleotidi. Redoslijed dušičnih baza u molekuli DNA određuje redoslijed aminokiselina u molekuli proteina.
Postoje četiri vrste dušičnih baza u molekuli DNA: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T). Niz od tri baze (triplet) čini kodon, koji odgovara jednoj određenoj aminokiselini.
Nukleinske kiseline - DNA i RNA - bitne su komponente biosinteze proteina. DNK je odgovoran za održavanje genetske informacije, dok RNA određuje prijenos te informacije i implementaciju u obliku proteinskih molekula. Može se tvrditi da je glavna funkcija DNA očuvanje genotipa, a RNA je ekspresija ovog genotipa.
U kvantitativnom smislu u stanici prevladava ribosomska RNA (rRNA). rRNA ima spiralne dijelove i sadrži modificirane nukleotide (na primjer, 2-metilriboza). rRNA čini oko 80% ukupne količine RNA u stanici. Drugi tip RNA u stanici je prijenosna RNA (tRNA) koja se, kao i sve druge vrste RNA, sintetizira u jezgri. Čini 10-15% ukupne količine RNA u stanici. Identificirano je preko 60 različitih tRNA. Stoga postoji nekoliko različitih tRNA za transport pojedinih aminokiselina. Za svaku aminokiselinu u stanici postoji barem jedna specifična tRNA. Molekule tRNA su relativno male. Njihova struktura sadrži 75-93 ribonukleotida.
Aminokiselina je vezana na slobodnu 3-OH skupinu terminalnog tRNA mononukleotida, koji je uvijek predstavljen adenilnom kiselinom. tRNA također ima još jedno važno mjesto - antikodon, uz pomoć kojeg kompleks aminokiselina i tRNA prepoznaje određeni niz od tri nukleotida u messenger RNA (kodon). Antikodon i kodon su komplementarno povezani vodikovim vezama.
Ako je nositelj nasljedne informacije u stanici DNA, koja je koncentrirana u jezgri, ali se sinteza proteina odvija u citoplazmi, tada mora postojati određeni posrednik koji prenosi ovu informaciju u citoplazmu stanice. Pokazalo se da je ovaj posrednik glasnička ili glasnička RNA (mRNA). mRNA čini 2% ukupne količine RNA u stanici. Molekule mRNA su najduže (sadrže do 5 tisuća nukleotida). mRNA također sadrži četiri vrste dušičnih baza. Od njih su tri (A, G, C) isti kao u DNK, a četvrti je uracil.
Informacije kodirane u mRNA neophodne su za sintezu proteinske molekule, koja se javlja na ribosomima. Sinteza mRNA u staničnoj jezgri je vrlo brza, što je neophodno za aktivnu biosintezu proteinskih molekula. mRNA se formira na jednom od DNA lanaca jezgre. U ovom slučaju, dvolančana struktura DNA se odmotava, a uz sudjelovanje DNA-ovisne RNA polimeraze, prema načelu komplementarnosti, dolazi do sinteze mRNA:
shema sinteze mRNA
Načelo komplementarnosti znači da adenin na spirali DNA odgovara uracilnoj mRNA, timin adeninu, a gvanin citozinu. Stoga mRNA čita informacije iz DNK.
Stadij DNA -» RNA tako određuje sintezu molekule mRNA, u kojoj slijed nukleotida komplementarna specifičnoj regiji (genu) DNA. Taj se proces naziva transkripcija. MRNA zatim ulazi u ribosom, spajajući se sa svojim podjedinicama. Jedna molekula mRNK je fiksirana na više ribosoma u isto vrijeme, tvoreći takozvane polisome. Prisutnost polisoma povećava učinkovitost i brzinu korištenja mRNA.
Sinteza polipeptidnog lanca određenog sastava odvija se na šabloni mRNA. Proces prijenosa informacija s mRNA na protein naziva se translacija. Korak RNA -> protein predstavlja proces sinteze proteina kojim upravlja mRNA. Dakle, prijenos informacija uvijek ide u smjeru DNA -» RNA -» protein.
Proces prevođenja uključuje sljedeće korake:
- 1) aktivacija aminokiselina i njihova fiksacija na tRNA;
- 2) početak sinteze polipeptidnog lanca;
- 3) produljenje sintetiziranog polipeptidnog lanca;
- 4) završetak polipeptidnog lanca i njegovo oslobađanje;
- 5) posttranslacijska modifikacija polipeptidnog lanca.
- 1. Aktivacija aminokiselina zahtijeva enzim aminoacil-tRNA sintetazu i potrošnju energije u obliku ATP-a:
Isti enzim je uključen u fiksiranje prethodno aktivirane aminokiseline na položaj 2 ili 3 riboze posljednjeg nukleotida tRNA:
U obliku ovog kompleksa aminokiselina se prenosi do ribosoma, gdje se sintetizira proteinska molekula. Aminoacil-tRNA sintetaza je specifična; sposobna je prepoznati i aminokiseline i tRNA. U stanici, dakle, postoji najmanje 20 različitih sintetaza, sukladno broju a-aminokiselina.
2. tRNA povezana esterskom vezom s određenom aminokiselinom ulazi u ribosom i stupa u interakciju s mRNA u skladu s vrstom komplementarnosti između specifičnog tripleta nukleotida mRNA, nazvanog kodon, i njegovog komplementarnog specifičnog tripleta nukleotida (antikodona) tRNA koja nosi specifičnu aminokiselinu. Dakle, svaki kodon mRNA odgovara specifičnoj fiksaciji jedne aminokiseline u peptidnom lancu pomoću antikodona tRNA. Ribosom se kreće duž molekule mRNA, čitajući sve kodone sekvencijalno, uspostavljajući tako redoslijed svih aminokiselina dostavljenih na mjesto sinteze.
Sinteza proteinske molekule odvija se u smjeru od slobodne amino skupine prema slobodnoj karboksilnoj skupini aminokiseline. Obično je početna aminokiselina u sintezi polipeptidnog lanca metionin, za koji nukleotidna sekvenca AUG mRNA služi kao kodon.
Početak sinteze polipeptida počinje kada se dva antikodona tRNA učvrste na odgovarajuće kodone mRNA. Proces zahtijeva prisutnost izvora energije, a to je GTP, kao i sudjelovanje niza faktora inicijacije proteina i peptidil transferaze.
Uz sudjelovanje ovog enzima, brzina stvaranja kovalentne veze dostiže 1200 aminokiselina/min/ribosomu.
Shema inicijacije sinteze polipeptida
3. Nakon formiranja dipeptida, "neopterećena" tRNA napušta ribosom i može isporučiti nove molekule aminokiselina, a mRNA napreduje u odnosu na ribosom (polisom) za tri nukleotida. Kao rezultat kretanja (translokacije), slobodni kodon zauzima mjesto za prepoznavanje sljedeće molekule tRNA. Stoga se u fazi elongacije događa sekvencijalno dodavanje jedne aminokiseline polipeptidnom lancu u strogom skladu s redoslijedom kodona molekule mRNA.
Produženi polipeptidni lanac s jednom molekulom tRNA fiksiran je za veliku podjedinicu ribosoma. Dodavanje svake dodatne aminokiseline polipeptidnom lancu događa se zbog odnosa između amino skupine aminokiseline u kompleksu s tRNA i karboksilne skupine peptida.
4. Terminacija, odnosno završetak sinteze polipeptidne molekule, uključuje određene "besmislene" terminacijske kodone i faktore terminacije proteina. Poznata su tri kodona (UAG, UGA, UAA) koji ne kodiraju, ne vežu niti jednu aminokiselinu, budući da u stanici nema tRNA antikodona koji su im komplementarni. Teoretski, samo jedan "besmisleni" kodon kojeg polisom prepozna tijekom svog prolaska u smjeru 5-3 mRNA trebao bi zaustaviti sintezu proteinske molekule.
Prisutnost terminacijskog kodona u bilo kojoj regiji mRNA znači kraj sinteze proteina. Kao rezultat toga, polisom se raspada, neiskorištena mRNA se hidrolizira polinukleotid fosforilazom, a podjedinice ribosoma se pripremaju za početak sinteze nove proteinske molekule.
mRNA može opetovano sudjelovati u procesu biosinteze proteina. Trajanje funkcioniranja molekule mRNA nije isto kod različitih organizama. Može varirati od nekoliko minuta do nekoliko dana.
5. Samo je primarna struktura proteina kodirana u DNA. Stoga proteinske molekule sintetizirane na ribosomima još nemaju potpuno dovršeno stanje. Oni predstavljaju primarne polipeptide, koji zatim prolaze kroz brojne modifikacije (udruživanje monomera u oligomere, dodavanje koenzima, kemijske transformacije) koje mijenjaju strukturu proteina, a time i njihovu aktivnost.
Sekundarne i tercijarne strukture nisu kodirane, one su određene svojstvima primarne strukture, što znači da jedan ili drugi oblik proteinske molekule ovisi o slijedu aminokiselina i mogućnostima njihove međusobne interakcije. Strukturne promjene sintetiziranih proteina odvijaju se još na razini ribosoma ili nakon završetka sinteze kao rezultat dodavanja različitih funkcionalnih skupina.
Razmatrana shema prijenosa informacija u obliku
može se promijeniti u pojedinačnim slučajevima. Dakle, u virusima koji ne sadrže DNK, informacija je ugrađena u RNK. Kada virus uđe u stanicu, ta se informacija prenosi na DNA stanice, a potonja već sintetizira mRNA, na čijoj se matrici sintetiziraju virusni proteini. Takav se proces naziva obrnuta transkripcija, a shema prijenosa informacija u ovom slučaju bit će sljedeća:
Sve dok je slijed nukleotida DNA i, posljedično, mRNA očuvan, priroda novosintetiziranog proteina ostaje nepromijenjena.
Potrebne genetske informacije za sintezu proteina mogu se prikazati slično ljudskom jeziku, koji se sastoji od niza slova koja tvore riječi i rečenice. U genetskom jeziku, međutim, postoje samo četiri slova - četiri baze (adenin, gvanin, uracil, citozin).
Genetski kod uključuje riječi od tri slova. Četiri baze u ovom slučaju (43) daju 64 varijante (riječi), koje su više nego dovoljne za kodiranje 20 aminokiselina. Dakle, 64 kodona čine genetski kod (tablica 3).
Analiza genetskog koda pokazuje da postoji različit broj kodona za različite aminokiseline. Na primjer, metionin i triptofan imaju samo jedan kodon, dok arginin, leucin i serin imaju po šest kodona. Prisutnost nekoliko kodona za jednu aminokiselinu odražava "degeneriranost" koda. Posljedično, ista aminokiselina može biti kodirana s nekoliko nukleotidnih tripleta u svojoj strukturi. U isto vrijeme, svaki triplet odgovara dobro definiranoj aminokiselini u sintetiziranom polipeptidnom lancu.
Tablica 3
Genetski kod
|
nukleotid |
Drugi nukleotid |
nukleotid |
|||
Genetski kod je univerzalan i isti kod vrsta različitog stupnja razvoja (ljudi, životinje, biljke, mikroorganizmi). Univerzalnost koda ukazuje na to da su svi živi organizmi u prošlosti imali jednog pretka.
Pojedinačne aminokiseline (hidroksiprolin, oksilizin), na primjer, nemaju kodon i nastaju pomoću kemijske reakcije nakon sinteze polipeptidnog lanca. Taj se proces naziva posttranslacijska modifikacija i vrlo je važan za pravilno funkcioniranje svakog proteina.
Besmisleni kodoni (UAA, UAG, UGA) ne kodiraju aminokiseline, već zapravo služe kao signal za završetak sinteze proteinske molekule.
Dakle, mRNA je izravni prijenosnik genetske informacije od jezgre do citoplazmatskog ribosoma. Jedan ribosom zauzima područje od oko 80 nukleotida u dužini na mRNA i sposoban je katalizirati približno 100 peptidnih veza u minuti (Severin E. S. i sur., 2011.).
sintetizirani proteinske molekule mogu biti podvrgnuti strukturnim modifikacijama na razini ribosoma ili nakon završetka sinteze kao rezultat dodavanja različitih funkcionalnih skupina. U citoplazmi mRNA ima relativno kratko razdoblje postojanja. Dio mRNA se sintetizira i pohranjuje u neaktivnom obliku, spreman za brzu sintezu proteina. Budući da je informacija o mRNA povezana s linearnim slijedom nukleotida, integritet ovog slijeda iznimno je važan. Svaki gubitak ili promjena u redoslijedu nukleotida može promijeniti sintezu proteina. Do danas je instaliran niz inhibitora replikacije DNA u stanicama tijela (antibiotici, kemijski otrovi, antivirusni lijekovi). Oštećenje sekvence purinskih ili pirimidinskih baza u genu naziva se mutacija.
Supstitucija samo jednog nukleotida u kodonu (mutacija) dovodi do promjene u kodiranju jedne aminokiseline drugom. Na primjer, mutacija povezana sa zamjenom glutaminske kiseline valinom u molekuli hemoglobina dovodi do sinteze hemoglobina, što uzrokuje anemiju srpastih stanica. Danas je poznato više od 200 mutacija polipeptidnog lanca molekule ljudskog hemoglobina. Često su mutageni tvari (na primjer, nitrozamini) koje mijenjaju strukturu dušičnih baza, što dovodi do promjene u prirodi komplementarnosti baza. Ultraljubičasto zračenje uzrokuje kondenzaciju ostataka timina u dimere timina. Srećom, životinje od štetnog djelovanja ultraljubičastih zraka štiti ozonski omotač atmosfere.
Mnogi antibiotici koji se koriste u veterinarskoj praksi inhibiraju sintezu bakterijskih proteina (linkomicin, eritromicin, kloramfenikol) čak iu fazi translacije. U tom slučaju mikrobna stanica umire ili zaustavlja svoj razvoj. Antibiotici poput tetraciklina ne utječu na sintezu ribosoma u stanicama viših životinja. Penicilini nisu izravni inhibitori sinteze proteina, međutim, njihovi učinci inhibicije bakterija povezani su s blokiranjem sinteze heksapeptida stanične stijenke. Treba napomenuti da se sinteza proteina odvija ne samo na ribosomima, već iu mitohondrijima. Mitohondriji imaju kompletan i neovisan aparat za sintezu proteina za svoje potrebe, iako se svi proteini mitohondrija ne sintetiziraju u tim organelama. Mitohondrijska RNA čini samo 3% ukupne stanične RNA. Mitohondrijski ribosomi su manji od citoplazmatskih. UGA kodon, kao terminator sinteze proteina u citoplazmi, koristi se u mitohondrijima zajedno s UGG kodonom za kodiranje aminokiseline.
Proteini sintetizirani na ribosomima još nemaju potpuno dovršeno stanje. Oni predstavljaju primarne polipeptide, koji potom prolaze kroz brojne modifikacije (udruživanje monomera u oligomere, dodavanje koenzima, kemijske transformacije) koje modificiraju strukturu proteina, a time i njegovu aktivnost.
Sadržaj: 1. Funkcije proteina Funkcije proteina Funkcije proteina 2. Biosinteza proteina Biosinteza proteina Biosinteza proteina 2.1. Otkrivači biosinteze proteina 2.1. Pioniri biosinteze proteina Pioniri biosinteze proteina Pioniri biosinteze proteina 2.2. Prijepis 2.2. Transkripcija Transkripcija 2.3. Emitiranje 2.3. Prijenos Prijenos 3. Testiraj se Testiraj se Testiraj se
BIOSINTEZA PROTEINA Replikacija DNA je proces sinteze molekule kćeri deoksiribonukleinske kiseline, koji se događa tijekom diobe stanice na matrici roditeljske molekule DNA. U tom se slučaju genetski materijal kodiran u DNK udvostručuje i dijeli između stanica kćeri. Replikaciju DNA provodi enzim DNA polimeraza.
Otkrivači biosinteze proteina Francois Jacob (r. 1920.) - francuski mikrobiolog Jacques Lucien Monod () - francuski biokemičar i mikrobiolog
Transkripcija Prvi korak u biosintezi proteina je transkripcija. Transkripcija je prepisivanje informacija iz sekvence nukleotida DNK u sekvencu nukleotida RNK. A T G G A C G A C T U određenom dijelu DNA pod djelovanjem enzima dolazi do odvajanja histonskih proteina, kidanja vodikovih veza i odmotavanja dvostruke spirale DNA. Jedan od lanaca postaje predložak za izgradnju mRNA. Dio DNK na određenom mjestu počinje se odmotavati pod djelovanjem enzima. DNK predložak
Zatim, na temelju kalupa, pod djelovanjem enzima RNA polimeraze, počinje sklapanje mRNA od slobodnih nukleotida prema principu komplementarnosti. A T G G A C G A C T U A C C U G C U G A i-RNA Vodikove veze stvaraju se između dušičnih baza DNA i RNA, a esterske veze između nukleotida same matrične RNA. Vodikova veza Esterska veza
mRNA Nakon sastavljanja mRNA, vodikove veze između dušičnih baza DNA i mRNA pucaju, a novostvorena mRNA prolazi kroz pore u jezgri u citoplazmu, gdje se veže za ribosome. I dva lanca DNK ponovno se spajaju, obnavljajući dvostruku spiralu, i ponovno se vežu za histonske proteine. MRNA je pričvršćena na površinu male podjedinice u prisutnosti iona magnezija. JEZGRA ribosoma citoplazma Mg 2+
Translacija Druga faza biosinteze je translacija. Translacija je translacija nukleotidne sekvence u aminokiselinsku sekvencu proteina. U citoplazmi se aminokiseline spajaju s tRNA. To su reakcije vrlo specifične za vrstu: određeni enzim može prepoznati i vezati se na odgovarajuću tRNA samo vlastitu aminokiselinu. 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
Tada tRNA prelazi na i-RNA i veže se komplementarno sa svojim antikodonom na kodon i-RNA. Drugi kodon je zatim vezan na drugi aminoacil-tRNA kompleks koji sadrži svoj specifični antikodon. Antikodon je triplet nukleotida na vrhu tRNA. Kodon je triplet nukleotida na mRNA. 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 Vodikove veze između komplementarnih nukleotida
Nakon što se dvije tRNA pričvrste na mRNA, pod djelovanjem enzima nastaje peptidna veza između aminokiselina; prva aminokiselina prelazi na drugu tRNA, a oslobođena prva tRNA odlazi. Nakon toga ribosom se pomiče po niti kako bi se obuo radno mjesto sljedeći kodon. 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 Peptidna veza a/ c
Takvo sekvencijalno čitanje "teksta" sadržanog u mRNA od strane ribosoma nastavlja se sve dok proces ne dosegne jedan od zaustavnih kodona (terminalnih kodona). Takve trojke su trojke UAA, UAG, UGA. Jedna molekula mRNA može sadržavati upute za sintezu nekoliko polipeptidnih lanaca. i-RNA na proteinu ribosoma Konačno, enzimi razgrađuju ovu molekulu i-RNA, cijepajući je na pojedinačne nukleotide.
3. kontrolni test 1. Predložak za sintezu molekule mRNA tijekom transkripcije je: a) cijela molekula DNA cijela molekula DNA b) cijeli jedan od lanaca molekule DNA u cijelosti jedan od lanaca molekule DNA c) dio jedan od lanaca DNA dio jednog od lanaca DNA d) u nekim slučajevima jedan od lanaca molekule DNA, u drugima cijela molekula DNA. U nekim slučajevima jedan od lanaca molekule DNA, u drugima , cijelu molekulu DNK. 2. Transkripcija se odvija: a) u jezgri u jezgri b) na ribosomima na ribosomima c) u citoplazmi u citoplazmi d) na kanalima glatkog ER na kanalima glatkog ER 3. Redoslijed nukleotida u antikodon t-RNK je strogo komplementaran sa: b) aminokiselinom na koju je vezana dana t-RNK; aminokiselinom s kojom je vezana dana t-RNK; c) nukleotidnim sekvencama gena; sekvencama nukleotida gena;
4. Translacija u stanici se vrši: a) u jezgri u jezgri b) na ribosomima na ribosomima c) u citoplazmi u citoplazmi d) na kanalima glatkog ER na kanalima glatkog ER 5. Tijekom translacije, predložak za sklapanje polipeptidnog lanca proteina je: a) oba lanca DNA dva lanca DNA b) jedan od lanaca molekule DNA jedan od lanaca molekule DNA c) molekula m-RNA molekula m-RNA d) u nekim slučajevima jedan od lanaca DNA, u drugima - molekula m-RNA, u nekim slučajevima jedan od lanaca DNA, u drugima - molekula mRNA 6. Tijekom biosinteze proteina u stanici ATP energija: a) troši se b) skladišti se c) ne troši se i ne izlučuje se ne troši se i ne izlučuje d) troši se u nekim fazama sinteze, u drugim - izlučuje se u nekim fazama sinteze troši se, na ostali - izlučuje se 7. Eliminirati višak: ribosomi, t- RNA, mRNA, aminokiseline, DNA.ribosomi tRNA mRNAaminokiselineDNA
8. Dio molekule t-RNA od tri nukleotida koji se komplementarno veže na određeni odsječak mRNA po principu komplementarnosti naziva se ... 9. Redoslijed dušičnih baza u molekuli DNA je sljedeći: ATTAACGCCTAT. Kakav će biti redoslijed dušičnih baza u mRNA? a) TAATTGTSGATAATAATTGTSGATA b) GCTGTTATTGCGTGTTATTGTS c) WAAAUCCGUTUTUAAAUCCGUTUT d) UAAUUGTSGAUAUAAUUUGTSGAUA
Razumijevanje mehanizma sinteze proteina rezultat je dugog i složenog rada mnogih znanstvenika. Ovo briljantno postignuće sada je jedna od glavnih odredbi biološke znanosti. Ali još uvijek velik dio ovog procesa ostaje izvan našeg znanja. Zaključak
Biosinteza proteina odvija se u svakoj živoj stanici. Najaktivniji je u mladim rastućim stanicama, gdje se sintetiziraju proteini za izgradnju njihovih organela, kao iu sekretornim stanicama, gdje se sintetiziraju proteini enzima i proteini hormona.
Glavnu ulogu u određivanju strukture proteina ima DNA. Dio DNK koji sadrži informacije o strukturi jednog proteina naziva se gen. Molekula DNK sadrži nekoliko stotina gena. Molekula DNA sadrži kod za slijed aminokiselina u proteinu u obliku definitivno spojenih nukleotida. DNK kod je gotovo u potpunosti dešifriran. Njegova suština je sljedeća. Svaka aminokiselina odgovara dijelu lanca DNA od tri susjedna nukleotida.
Na primjer, odjeljak T-T-T odgovara aminokiselini lizin, segment A-C-A- cistin, C-A-A - valin, itd. Postoji 20 različitih aminokiselina, broj mogućih kombinacija 4 nukleotida sa 3 je 64. Dakle, ima dovoljno tripleta u višku za kodiranje svih aminokiselina.
Sinteza proteina je složen višefazni proces koji predstavlja lanac sintetskih reakcija koje se odvijaju prema principu matrične sinteze.
Budući da se DNA nalazi u jezgri stanice, a sinteza proteina odvija se u citoplazmi, postoji posrednik koji prenosi informacije od DNA do ribosoma. Takav posrednik je mRNA. :
U biosintezi proteina određuju se sljedeći stupnjevi koji se odvijaju u različitim dijelovima stanice:
- Prva faza - sinteza i-RNA događa se u jezgri, tijekom koje se informacije sadržane u DNA genu prepisuju u i-RNA. Taj se proces naziva transkripcija (od latinskog "transkripta" - prepisivanje).
- U drugoj fazi, aminokiseline se kombiniraju s t-RNA molekulama, koje se sekvencijalno sastoje od tri nukleotida - antikodona, uz pomoć kojih se određuje njihov trostruki kodon.
- Treća faza je proces izravne sinteze polipeptidnih veza, koji se naziva translacija. Javlja se u ribosomima.
- U četvrtoj fazi dolazi do stvaranja sekundarne i tercijarne strukture proteina, odnosno do stvaranja konačne strukture proteina.
Dakle, u procesu biosinteze proteina nastaju nove proteinske molekule u skladu s točnom informacijom ugrađenom u DNK. Ovim procesom osigurava se obnavljanje bjelančevina, metabolički procesi, rast i razvoj stanica, odnosno svi procesi vitalne aktivnosti stanice.
Kromosomi (od grčkog "chroma" - boja, "soma" - tijelo) vrlo su važne strukture stanične jezgre. Oni igraju važnu ulogu u procesu diobe stanica, osiguravajući prijenos nasljednih informacija s jedne generacije na drugu. Oni su tanke niti DNK spojene na proteine. Filamenti se nazivaju kromatide i sastoje se od DNK, bazičnih proteina (histona) i kiselih proteina.
U stanici koja se ne dijeli, kromosomi ispunjavaju cijeli volumen jezgre i nisu vidljivi pod mikroskopom. Prije početka diobe dolazi do spiralizacije DNA i svaki kromosom postaje vidljiv pod mikroskopom. Tijekom spiralizacije kromosomi se reduciraju desetke tisuća puta. U tom stanju kromosomi izgledaju kao dvije identične niti (kromatide) koje leže jedna pored druge, povezane zajedničkim mjestom - centromerom.
Svaki organizam karakterizira konstantan broj i struktura kromosoma. U somatskim stanicama kromosomi su uvijek upareni, odnosno u jezgri se nalaze dva ista kromosoma koji čine jedan par. Takvi se kromosomi nazivaju homologni, a upareni skupovi kromosoma u somatskim stanicama nazivaju se diploidnim.
Dakle, diploidni set kromosoma kod ljudi sastoji se od 46 kromosoma, koji tvore 23 para. Svaki par se sastoji od dva identična (homologna) kromosoma.
Strukturne značajke kromosoma omogućuju razlikovanje njihovih 7 skupina, koje su označene latiničnim slovima A, B, C, D, E, F, G. Svi parovi kromosoma imaju serijske brojeve.
Muškarci i žene imaju 22 para identičnih kromosoma. Zovu se autosomi. Muškarci i žene razlikuju se po jednom paru kromosoma koji se nazivaju spolni kromosomi. Označavaju se slovima - velikim X (skupina C) i malim Y (skupina C,). Tijelo žene ima 22 para autosoma i jedan par (XX) spolnih kromosoma. Muškarci imaju 22 para autosoma i jedan par (XY) spolnih kromosoma.
Za razliku od somatskih stanica, spolne stanice sadrže polovicu kromosomskog skupa, odnosno sadrže po jedan kromosom od svakog para! Takav se skup naziva haploidnim. Haploidni set kromosoma nastaje u procesu sazrijevanja stanica.
U svim živim stanicama proteine sintetiziraju ribosomi. . Ribosom je velika makromolekula sa složenom asimetričnom kvaternarnom strukturom izgrađenom od ribosoma nukleinske kiseline(ribosomska RNA) i proteini. Da bi se sintetizirao protein, ribosom mora biti opremljen sa:
1. Program koji određuje redoslijed izmjene aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu proteina.
2. Aminokiselinski materijal od kojeg se gradi protein.
3. Energija.
Sam ribosom ima katalitičku (enzimsku) funkciju odgovornu za stvaranje peptidnih veza i, sukladno tome, polimerizaciju aminokiselinskih ostataka u proteinski polipeptidni lanac.
Program koji postavlja redoslijed izmjene aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu proteina dolazi iz dezoksiribonukleinske kiseline (DNA), odnosno iz genoma stanice. Odvojeni dijelovi dvolančane DNA, nazvani geni, predlošci su za sinteza jednolančanih lanaca RNA na njima. Sintetizirani lanci RNA komplementarni su jednom od lanaca DNA i stoga točno reproduciraju deoksiribonukleotidnu sekvencu drugog lanca DNA u svojoj ribonukleotidnoj sekvenci. Proces takvog kopiranja gena, koji provodi enzim RNA polimeraza, naziva se transkripcija. RNA tijekom i nakon sinteze, osobito u eukariotskim stanicama, može proći kroz niz dodatnih promjena koje se nazivaju procesiranje, tijekom kojih se iz nje mogu izrezati određeni dijelovi nukleotidnog niza. Rezultirajuća RNA zatim ulazi u ribosome kao program koji određuje slijed aminokiselina u sintetiziranom proteinu. Naziva se informacijska ili "glasnička" RNA (mRNA). Dakle, transkripcija gena i stvaranje mRNA osiguravaju protok informacija od DNK do ribosoma.
Aminokiseline su građevni blokovi proteina. Međutim, ribosom ne koristi slobodne aminokiseline. Da bi služila kao supstrat za ribosom, aminokiselina mora biti aktivirana spregnutim cijepanjem ATP-a i prihvaćena (kovalentno vezana) pomoću posebne molekule RNA koja se naziva prijenosna ili prijenosna RNA ( tRNA), korištenjem enzima sinteze aminoacil-tRNA. Nastale aminoacil-tRNA ulaze u ribosom kao supstrat za sintezu proteina. Osim toga, energija kemijske veze između aminokiselinskog ostatka i tRNA koristi se za stvaranje peptidne veze u ribosomu. Dakle, aktivacija aminokiselina i stvaranje aminoacil-tRNA osiguravaju protok i materijala i energije za sintezu ribosomskih proteina.
Ova tri toka (informacija, materijal i energija) sastaju se u ribosomu. Percipirajući ih, ribosom prevodi, ili prevodi, genetske informacije s jezika sekvence nukleotida mRNA na jezik sekvence aminokiselina sintetiziranog proteinskog polipeptidnog lanca. Ako to zamislimo u molekularnom smislu, tada ribosom sekvencijalno skenira mRNA lanac (kreće se duž njega) i također sekvencijalno odabire aminoacil-tRNA iz medija, zbog čega se specifičnost aminoacilnog ostatka aminoacil-tRNA odabranog od strane ribosom se svaki put određuje specifičnošću kombinacije nukleotida koju trenutačno čita ribosomski dio mRNA. Stoga se javlja problem genetskog koda: koje kombinacije nukleotida određuju, tj. kodiraju svaku od 20 aminokiselina koje čine proteinske molekule?
Kretanje ribosoma duž lanca mRNA (ili, drugim riječima, prolaz lanca mRNA kroz ribosom) postavlja strogi vremenski redoslijed ulaska u ribosom različitih aminoacil-tRNA u skladu s redoslijedom kodirajućeg nukleotida. kombinacije duž mRNA. Aminoacilni ostatak odabrane aminoacil-tRNA ribosom je svaki put kovalentno vezan za rastući polipeptidni lanac. Deacilirana tRNA otpušta se iz ribosoma u otopinu. Tako se sekvencijalno, korak po korak, gradi polipeptidni lanac proteina (vidi shemu 1).
Najvažnije funkcije tijela - metabolizam, rast, razvoj, prijenos nasljeđa, kretanje itd. - odvijaju se kao rezultat mnogih kemijskih reakcija koje uključuju proteine, nukleinske kiseline i druge biološke djelatne tvari. Istodobno se u stanicama kontinuirano sintetiziraju različiti spojevi: građevni proteini, enzimski proteini, hormoni. Tijekom razmjene te se tvari troše i uništavaju, a na njihovom mjestu nastaju nove. Budući da proteini stvaraju materijalnu osnovu života i ubrzavaju sve metaboličke reakcije, vitalna aktivnost stanice i organizma u cjelini određena je sposobnošću stanica da sintetiziraju specifične proteine. Njihova primarna struktura unaprijed je određena genetskim kodom u molekuli DNK.
Proteinske molekule sastoje se od desetaka i stotina aminokiselina (točnije od aminokiselinskih ostataka). Primjerice, u molekuli hemoglobina ima ih oko 600, a raspoređeni su u četiri polipeptidna lanca; u molekuli ribonukleaze postoje 124 takve aminokiseline itd.
Molekule igraju glavnu ulogu u određivanju primarne strukture proteina DNK. Njegovi različiti dijelovi kodiraju sintezu različitih proteina, stoga je jedna molekula DNA uključena u sintezu mnogih pojedinačnih proteina. Svojstva proteina ovise o redoslijedu aminokiselina u polipeptidnom lancu. S druge strane, izmjena aminokiselina određena je slijedom nukleotida u DNK, a svaka aminokiselina odgovara određenom tripletu. Eksperimentalno je dokazano da npr. regija DNA s AAC tripletom odgovara aminokiselini leucin, ACC triplet odgovara triptofanu, ACA triplet odgovara cisteinu itd. Dijeleći molekulu DNA na triplete, može se zamisliti koje će se aminokiseline i kojim slijedom nalaziti u molekuli proteina. Skup tripleta čini materijalnu osnovu gena, a svaki gen sadrži informaciju o strukturi određenog proteina (gen je osnovna biološka jedinica nasljeđa; kemijski, gen je segment DNK koji uključuje nekoliko stotina parova baza) .
genetski kod - povijesna organizacija molekula DNA i RNA, u kojoj slijed nukleotida u njima nosi informaciju o slijedu aminokiselina u proteinskim molekulama. Svojstva koda: triplet (kodon), nepreklapanje (kodoni slijede jedan za drugim), specifičnost (jedan kodon može odrediti samo jednu aminokiselinu u polipeptidnom lancu), univerzalnost (u svih živih organizama isti kodon određuje uključivanje iste aminokiseline u polipeptid), redundantnost (za većinu aminokiselina postoji nekoliko kodona). Tripleti koji ne nose informacije o aminokiselinama su stop tripleti, koji označavaju početak sinteze i-RNA.(V.B. Zakharov. Biologija. Referentni materijali. M., 1997.)
Budući da se DNA nalazi u jezgri stanice, a sinteza proteina odvija se u citoplazmi, postoji posrednik koji prenosi informacije od DNA do ribosoma. Kao takav posrednik služi i RNA, na koju se prepisuje slijed nukleotida, točno u skladu s onim na DNA - po principu komplementarnosti. Ovaj proces je nazvan transkripcije i odvija se kao reakcija sinteze matrice. Karakterističan je samo za žive strukture i u osnovi je najvažnijeg svojstva živih bića - samoreprodukcije. Biosintezi proteina prethodi templatna sinteza mRNA na DNA lancima. Nastala mRNA izlazi iz stanične jezgre u citoplazmu, gdje su na nju nanizani ribosomi, a ovdje se uz pomoć TRJK dopremaju aminokiseline.
Sinteza proteina složen je višefazni proces koji uključuje DNA, mRNA, tRNA, ribosome, ATP i razne enzime. Najprije se aminokiseline u citoplazmi aktiviraju enzimima i pričvršćuju na tRNA (na mjesto gdje se nalazi CCA nukleotid). Sljedeći korak je kombinacija aminokiselina redoslijedom kojim se izmjena nukleotida iz DNA prenosi na mRNA. Ova faza se zove emitirati. Na lancu mRNA nije smješten jedan ribosom, već njihova skupina - takav kompleks naziva se polisom (N.E. Kovalev, L.D. Shevchuk, O.I. Shchurenko. Biologija za pripremne odjele medicinski instituti).
Shema Biosinteza proteina
Sinteza proteina sastoji se od dvije faze - transkripcije i translacije.
I. Transkripcija (prepisivanje) - biosinteza molekula RNA, koja se provodi u kromosomima na molekulama DNA prema principu matrične sinteze. Uz pomoć enzima sintetiziraju se sve vrste RNA (mRNA, rRNA, tRNA) na odgovarajućim dijelovima molekule DNA (geni). Sintetizira se 20 varijanti tRNA, jer 20 aminokiselina sudjeluje u biosintezi proteina. Zatim mRNA i tRNA izlaze u citoplazmu, rRNA se integrira u podjedinice ribosoma, koje također izlaze u citoplazmu.
II. Translacija (prijenos) - sinteza polipeptidnih lanaca proteina, provodi se u ribosomima. Prate ga sljedeći događaji:
1. Formiranje funkcionalnog centra ribosoma - FCR, koji se sastoji od mRNA i dvije podjedinice ribosoma. U PCR-u uvijek postoje dva tripleta (šest nukleotida) mRNA koji tvore dva aktivna centra: A (aminokiselina) - centar za prepoznavanje aminokiselina i P (peptid) - centar za vezanje aminokiseline na peptidni lanac.
2. Prijevoz aminokiselina vezanih na tRNA iz citoplazme u PCR. U aktivnom centru A antikodon tRNA čita se s kodonom mRNA, u slučaju komplementarnosti dolazi do veze koja služi kao signal za napredovanje (skok) duž mRNA ribosoma za jedan triplet. Kao rezultat toga, kompleks "kodon rRNA i tRNA s aminokiselinom" pomiče se u aktivno središte P, gdje je aminokiselina vezana za peptidni lanac (molekula proteina). TRNA tada napušta ribosom.
3. Peptidni lanac se produljuje sve dok translacija ne završi i ribosom ne odskoči s mRNA. Nekoliko ribosoma (polisoma) može stati na jednu mRNA u isto vrijeme. Polipeptidni lanac je uronjen u kanal endoplazmatskog retikuluma i tamo dobiva sekundarnu, tercijarnu ili kvaternarnu strukturu. Brzina sastavljanja jedne proteinske molekule, koja se sastoji od 200-300 aminokiselina, je 1-2 minute. Formula biosinteze proteina: DNA (transkripcija) --> RNA (translacija) --> protein.
Nakon završetka jednog ciklusa, polisomi mogu sudjelovati u sintezi novih proteinskih molekula.
Molekula proteina odvojena od ribosoma ima oblik niti koja je biološki neaktivna. Biološki funkcionalna postaje nakon što molekula dobije sekundarnu, tercijarnu i kvarternu strukturu, odnosno određenu prostorno specifičnu konfiguraciju. Sekundarne i naknadne strukture proteinske molekule unaprijed su određene u informacijama ugrađenim u alternaciju aminokiselina, tj. u primarnu strukturu proteina. Drugim riječima, određuje se program za formiranje globule, njezina jedinstvena konfiguracija primarna struktura molekula, koja je pak izgrađena pod kontrolom odgovarajućeg gena.
Brzina sinteze proteina određena je mnogim čimbenicima: temperaturom okoliša, koncentracijom vodikovih iona, količinom konačnog produkta sinteze, prisutnošću slobodnih aminokiselina, iona magnezija, stanjem ribosoma itd.
