- Какво представляват протеините?
- Етапи и характеристики
- Транскрипция: от ДНК в пратеник РНК
- Сплайсване на пратеника РНК
- РНК видове
- Превод: от месинджър РНК до протеини
- Генетичният код
- Свързване на аминокиселина за прехвърляне на РНК
- РНК съобщението се декодира от рибозоми
- Удължаване на полипептидната верига
- Завършване на превода
- Препратки
В синтеза на протеин е биологично събитие, което се случва в почти всички живи същества. Клетките постоянно поемат информацията, която се съхранява в ДНК и благодарение на наличието на високо сложна специализирана машина, я трансформират в протеинови молекули.
4-буквеният код, криптиран в ДНК, не се превежда директно в протеини. В процеса е включена молекула РНК, която функционира като посредник, наречен пратеник РНК.
Синтез на протеини.
Източник:
Когато клетките се нуждаят от определен протеин, нуклеотидната последователност на подходяща част от ДНК се копира в РНК - в процес, наречен транскрипция - и това от своя страна се превежда във въпросния протеин.
Описаният информационен поток (ДНК към пратеника РНК и съобщение РНК към протеини) се получава от много прости същества, като бактерии към хората. Тази серия от стъпки е наречена централната „догма“ на биологията.
Машината, отговорна за синтеза на протеини, са рибозоми. Тези малки клетъчни структури се намират до голяма степен в цитоплазмата и са закотвени към ендоплазмения ретикулум.
Какво представляват протеините?
Протеините са макромолекули, съставени от аминокиселини. Те представляват почти 80% от протоплазмата на цяла дехидратирана клетка. Всички протеини, които съставляват организъм, се наричат "протеоми".
Функциите му са многобройни и разнообразни, от структурни роли (колаген) до транспорт (хемоглобин), катализатори за биохимични реакции (ензими), защита срещу патогени (антитела), между другото.
Съществуват 20 вида естествени аминокиселини, които се комбинират чрез пептидни връзки за образуване на протеини. Всяка аминокиселина се характеризира с това, че има определена група, която й придава особени химични и физични свойства.
Етапи и характеристики
Начинът, по който клетката успява да интерпретира ДНК съобщението, се осъществява чрез две основни събития: транскрипция и превод. Много копия на РНК, които са копирани от един и същ ген, са способни да синтезират значителен брой идентични протеинови молекули.
Всеки ген се транскрибира и превежда различно, което позволява на клетката да произвежда различни количества от голямо разнообразие от протеини. Този процес включва различни клетъчни регулаторни пътища, които обикновено включват контрол на производството на РНК.
Първата стъпка, която клетката трябва да направи, за да започне производството на протеини, е да прочете съобщението, написано на молекулата на ДНК. Тази молекула е универсална и съдържа цялата информация, необходима за изграждането и развитието на органичните същества.
След това ще опишем как протича синтеза на протеини, като започнем този процес на „четене“ на генетичния материал и завършваме с производството на протеини сами по себе си.
Транскрипция: от ДНК в пратеник РНК
Съобщението върху ДНК двойната спирала е написано в четирибуквен код, съответстващ на основите аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т).
Тази последователност от букви на ДНК служи като шаблон за изграждане на еквивалентна молекула РНК.
И ДНК, и РНК са линейни полимери, изградени от нуклеотиди. Те обаче се различават химически в две основни аспекти: нуклеотидите в РНК са рибонуклеотиди и вместо основния тимин, РНК има урацил (U), който се сдвоява с аденин.
Процесът на транскрипция започва с отваряне на двойната спирала в определен регион. Една от двете вериги действа като "шаблон" или шаблон за синтеза на РНК. Нуклеотидите ще бъдат добавени, следвайки основните правила за сдвояване, C с G и A с U.
Основният ензим, участващ в транскрипцията, е РНК полимераза. Той е отговорен за катализирането на образуването на фосфодиестерните връзки, които се присъединяват към нуклеотидите на веригата. Веригата се простира в посока 5 'до 3'.
Растежът на молекулата включва различни протеини, известни като "фактори на удължаване", които са отговорни за поддържането на свързването на полимеразата до края на процеса.
Сплайсване на пратеника РНК
Източник: От BCSteve, от Wikimedia Commons В еукариотите гените имат специфична структура. Последователността се прекъсва от елементи, които не са част от протеина, наречени интрони. Терминът е противоположен на екзона, който включва частите от гена, които ще бъдат преведени в протеини.
Сплайването е фундаментално събитие, което се състои в елиминирането на интроните на молекулата на пратеника, за да се хвърли молекула, изградена изключително от екзони. Крайният продукт е зрялата пратеница РНК. Физически тя се осъществява в сплайсозомата, сложна и динамична машина.
В допълнение към сплайсирането, пратената РНК претърпява допълнително кодиране преди да бъде преведена. Добавя се "качулка", чиято химическа природа е модифициран гуанинов нуклеотид, а в 5 'края и опашка от няколко аденина на другия край.
РНК видове
В клетката се произвеждат различни видове РНК. Някои гени в клетката произвеждат пратена РНК молекула и това се превежда в протеин - както ще видим по-нататък. Има обаче гени, чийто краен продукт е самата молекула РНК.
Например в генома на дрождите около 10% от дрождените гени имат РНК молекули като краен продукт. Важно е да ги споменем, тъй като тези молекули играят основна роля, когато става дума за синтеза на протеини.
- Рибосомална РНК: рибозомната РНК е част от сърцето на рибозомите, ключови структури за синтеза на протеини.
Източник: Джейн Ричардсън (Dcrjsr), от Wikimedia Commons Преработката на рибозомни РНК и последващото им сглобяване в рибозоми протича в много очевидна структура на ядрото, въпреки че не е ограничена от мембрана - наречена нуклеолус.
- Трансферна РНК: тя работи като адаптер, който избира специфична аминокиселина и заедно с рибозомата включва аминокиселинния остатък в протеина. Всяка аминокиселина е свързана с трансферна РНК молекула.
В еукариотите има три вида полимерази, които, макар и структурно много подобни една на друга, играят различни роли.
РНК полимераза I и III транскрибират гените, които кодират за трансфер РНК, рибозомна РНК и някои малки РНК. РНК полимераза II е насочена към транслацията на гени, които кодират протеини.
- Малки РНК, свързани с регулирането: Други къси дължини РНК участват в регулацията на генната експресия. Те включват микроРНК и малки интерфериращи РНК.
МикроРНК регулират експресията чрез блокиране на конкретно съобщение, а малките смущаващи блокират експресията чрез директно разграждане на месинджъра. По същия начин има малки ядрени РНК, които участват в процеса на сплайсиране на пратеника РНК.
Превод: от месинджър РНК до протеини
След като месинджърната РНК узрява през процеса на сплайсиране и пътува от ядрото до клетъчната цитоплазма, започва синтеза на протеини. Този износ е медииран от ядрения порен комплекс - поредица от водни канали, разположени в мембраната на ядрото, които директно свързват цитоплазмата и нуклеоплазмата.
В ежедневието използваме термина „превод“ за обозначаване на преобразуването на думите от един език в друг.
Например, можем да преведем книга от английски на испански. На молекулярно ниво преводът включва промяна от език на РНК към протеин. За да бъдем по-точни, това е промяната от нуклеотиди към аминокиселини. Но как се случва тази промяна в диалект?
Генетичният код
Нуклеотидната последователност на ген може да се трансформира в протеини, спазвайки правилата, установени от генетичния код. Това е дешифрирано в началото на 60-те години.
Тъй като читателят ще може да заключи, преводът не може да бъде един или един, тъй като има само 4 нуклеотида и 20 аминокиселини. Логиката е следната: обединението на три нуклеотида е известно като "триплети" и те са свързани с определена аминокиселина.
Тъй като може да има 64 възможни тройки (4 x 4 x 4 = 64), генетичният код е излишен. Тоест, същата аминокиселина е кодирана от повече от един триплет.
Наличието на генетичния код е универсално и се използва от всички живи организми, които обитават земята днес. Тази огромна употреба е една от най-поразителните молекулярни хомологии на природата.
Свързване на аминокиселина за прехвърляне на РНК
Кодоните или триплетите, открити в молекулата на РНК на пратеника, нямат способността директно да разпознават аминокиселини. За разлика от тях, транслацията на пратената РНК зависи от молекула, която може да разпознае и свърже кодона и аминокиселината. Тази молекула е трансферната РНК.
Трансферната РНК може да се сгъне в сложна триизмерна структура, наподобяваща детелина. В тази молекула има област, наречена "антикодон", образувана от три последователни нуклеотида, които се сдвояват с последователните комплементарни нуклеотиди на месинджърната РНК верига.
Както споменахме в предишния раздел, генетичният код е излишен, така че някои аминокиселини имат повече от една трансферна РНК.
Откриването и сливането на правилната аминокиселина към трансферната РНК е процес, медииран от ензим, наречен аминоацил-тРНК синтетаза. Този ензим е отговорен за свързването на двете молекули чрез ковалентна връзка.
РНК съобщението се декодира от рибозоми
За да образуват протеин, аминокиселините са свързани заедно чрез пептидни връзки. Процесът на четене на пратената РНК и свързването на специфични аминокиселини протича в рибозомите.
Рибозомите
Рибозомите са каталитични комплекси, съставени от повече от 50 протеинови молекули и различни видове рибозомна РНК. В еукариотните организми средна клетка съдържа средно милиони рибозоми в цитоплазмената среда.
В структурно отношение рибозомата е съставена от голяма и малка субединица. Ролята на малката част е да гарантира, че трансферната РНК е правилно сдвоена с месинджърната РНК, докато голямата субединица катализира образуването на пептидната връзка между аминокиселини.
Когато процесът на синтез не е активен, двете субединици, съставляващи рибозоми, са разделени. В началото на синтеза, пратената РНК се присъединява към двете субединици, обикновено близо до 5 'края.
В този процес удължаването на полипептидната верига става чрез добавяне на нов аминокиселинен остатък в следните етапи: свързване на трансферната РНК, образуване на пептидната връзка, преместване на субединиците. Резултатът от тази последна стъпка е движението на цялата рибозома и започва нов цикъл.
Удължаване на полипептидната верига
В рибозомите се разграничават три места: сайт E, P и A (виж основното изображение). Процесът на удължаване започва, когато някои аминокиселини вече са ковалентно свързани и на P мястото има трансферна РНК молекула.
Трансферната РНК със следващата аминокиселина, която трябва да бъде включена, се свързва към сайт А чрез двойно сдвояване с месинджър РНК. След това карбоксил-крайната част на пептида се освобождава от трансферната РНК на P мястото чрез разкъсване на високоенергийна връзка между трансферната РНК и аминокиселината, която носи.
Свободната аминокиселина е свързана към веригата и се образува нова пептидна връзка. Централната реакция в целия този процес се медиира от ензима пептидил трансфераза, който се намира в голямата субединица на рибозомите. Така рибозомата пътува през пратеника РНК, превеждайки диалекта от аминокиселини в протеини.
Както при транскрипцията, по време на транслацията на протеина участват и факторите на удължаване. Тези елементи увеличават скоростта и ефективността на процеса.
Завършване на превода
Процесът на транслация приключва, когато рибозомата срещне стоп кодоните: UAA, UAG или UGA. Те не се разпознават от никаква трансферна РНК и не свързват никакви аминокиселини.
По това време протеините, известни като фактори на освобождаване, се свързват с рибозомата и причиняват катализата на водна молекула, а не на аминокиселина. Тази реакция освобождава крайния карбоксилен край. Накрая, пептидната верига се освобождава в клетъчната цитоплазма.
Препратки
- Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Биохимия. 5-то издание. Ню Йорк: WH Freeman.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Покана за биология. Panamerican Medical Ed.
- Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Молекулярно-клетъчна биология. Ню Йорк: Научни американски книги.
- Зала, JE (2015). Учебник по електронна книга по медицинска физиология на Гайтон и Хол. Elsevier Health Sciences.
- Lewin, B. (1993). Гените Том 1. Ревертиране.
- Лодиш, Х. (2005). Клетъчна и молекулярна биология. Panamerican Medical Ed.
- Рамакришнан, В. (2002). Рибозомна структура и механизмът на превод. Клетка, 108 (4), 557-572.
- Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Въведение в микробиологията. Panamerican Medical Ed.
- Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). Структурата и функцията на еукариотната рибозома. Перспективи на студеното пролетно пристанище в биологията, 4 (5), a011536.