Το σύνολο των αντιδράσεων της βιολογικής σύνθεσης ονομάζεται πλαστική ανταλλαγή ή αφομοίωση. Το όνομα αυτού του τύπου ανταλλαγής αντικατοπτρίζει την ουσία του: από απλές ουσίες που εισέρχονται στο κύτταρο από το εξωτερικό, σχηματίζονται ουσίες παρόμοιες με τις ουσίες του κυττάρου.
Ας εξετάσουμε ένα από τα τις πιο σημαντικές μορφέςπλαστικός μεταβολισμός - βιοσύνθεση πρωτεϊνών. Ολόκληρη η ποικιλία των ιδιοτήτων των πρωτεϊνών καθορίζεται τελικά από την πρωτογενή δομή, δηλ. την αλληλουχία των αμινοξέων. Ένας τεράστιος αριθμός μοναδικών συνδυασμών αμινοξέων που επιλέγονται από την εξέλιξη αναπαράγονται με τη σύνθεση νουκλεϊκών οξέων με μια αλληλουχία αζωτούχων βάσεων που αντιστοιχεί στην αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες. Κάθε αμινοξύ στην πολυπεπτιδική αλυσίδα αντιστοιχεί σε έναν συνδυασμό τριών νουκλεοτιδίων - μιας τριάδας.
Η διαδικασία υλοποίησης κληρονομικών πληροφοριών στη βιοσύνθεση πραγματοποιείται με τη συμμετοχή τριών τύπων ριβονουκλεϊκών οξέων: πληροφοριών (πρότυπο) - mRNA (mRNA), ριβοσωμικό - rRNA και μεταφορά - tRNA. Όλα τα ριβονουκλεϊκά οξέα συντίθενται στα αντίστοιχα τμήματα του μορίου του DNA. Είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος από το DNA και αντιπροσωπεύουν μια ενιαία αλυσίδα νουκλεοτιδίων. Τα νουκλεοτίδια περιέχουν ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος (φωσφορικό), ένα σάκχαρο πεντόζης (ριβόζη) και μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις - αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και ουρακίλη. Η αζωτούχα βάση, η ουρακίλη, είναι συμπληρωματική της αδενίνης.
Η διαδικασία της βιοσύνθεσης είναι πολύπλοκη και περιλαμβάνει μια σειρά από στάδια - μεταγραφή, μάτισμα και μετάφραση.
Το πρώτο στάδιο (μεταγραφή) συμβαίνει στον πυρήνα του κυττάρου: το mRNA συντίθεται σε ένα τμήμα ενός συγκεκριμένου γονιδίου σε ένα μόριο DNA. Αυτή η σύνθεση πραγματοποιείται με τη συμμετοχή ενός συμπλέγματος ενζύμων, το κύριο από τα οποία είναι η εξαρτώμενη από το DNA πολυμεράση RNA, η οποία προσκολλάται στο αρχικό (αρχικό) σημείο του μορίου DNA, ξετυλίγει τη διπλή έλικα και κινείται κατά μήκος ενός από τα κλώνους, συνθέτει έναν συμπληρωματικό κλώνο mRNA δίπλα του. Ως αποτέλεσμα της μεταγραφής, το mRNA περιέχει γενετικές πληροφορίες με τη μορφή διαδοχικής εναλλαγής νουκλεοτιδίων, η σειρά των οποίων αντιγράφεται ακριβώς από το αντίστοιχο τμήμα (γονίδιο) του μορίου DNA.
Περαιτέρω μελέτες έδειξαν ότι κατά τη διαδικασία της μεταγραφής, συντίθεται το λεγόμενο pro-mRNA - ο πρόδρομος του ώριμου mRNA που εμπλέκεται στη μετάφραση. Το Pro-mRNA είναι σημαντικά μεγαλύτερο και περιέχει θραύσματα που δεν κωδικοποιούν για τη σύνθεση της αντίστοιχης πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Στο DNA, μαζί με τις περιοχές που κωδικοποιούν rRNA, tRNA και πολυπεπτίδια, υπάρχουν θραύσματα που δεν περιέχουν γενετικές πληροφορίες. Ονομάζονται εσώνια σε αντίθεση με τα κωδικοποιητικά θραύσματα, τα οποία ονομάζονται εξόνια. Τα ιντρόνια βρίσκονται σε πολλά μέρη των μορίων DNA. Για παράδειγμα, ένα γονίδιο, το τμήμα DNA που κωδικοποιεί την ωολευκωματίνη κοτόπουλου, περιέχει 7 εσώνια και το γονίδιο αλβουμίνης ορού αρουραίου περιέχει 13 εσώνια. Το μήκος του εσωνίου ποικίλλει - από διακόσια έως χίλια ζεύγη νουκλεοτιδίων DNA. Τα ιντρόνια διαβάζονται (μεταγράφονται) ταυτόχρονα με τα εξόνια, επομένως το pro-mRNA είναι πολύ μεγαλύτερο από το ώριμο mRNA. Στον πυρήνα, τα εσώνια αποκόπτονται σε pro-mRNA από ειδικά ένζυμα και τα θραύσματα των εξονίων «ενώνονται» μεταξύ τους με αυστηρή σειρά. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μάτισμα. Κατά τη διαδικασία ματίσματος, σχηματίζεται ώριμο mRNA, το οποίο περιέχει μόνο τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για τη σύνθεση του αντίστοιχου πολυπεπτιδίου, δηλαδή το πληροφοριακό μέρος του δομικού γονιδίου.
Η έννοια και οι λειτουργίες των ιντρονίων δεν είναι ακόμα εντελώς σαφείς, αλλά έχει αποδειχθεί ότι εάν διαβάζονται μόνο τμήματα εξονίων στο DNA, δεν σχηματίζεται ώριμο mRNA. Η διαδικασία ματίσματος μελετήθηκε χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του γονιδίου ωολευκωματίνης. Περιέχει ένα εξόνιο και 7 εσώνια. Πρώτον, το pro-mRNA που περιέχει 7700 νουκλεοτίδια συντίθεται στο DNA. Στη συνέχεια στο pro-mRNA ο αριθμός των νουκλεοτιδίων μειώνεται στα 6800, μετά στα 5600, 4850, 3800, 3400 κ.λπ. μέχρι τα 1372 νουκλεοτίδια που αντιστοιχούν στο εξόνιο. Περιέχοντας 1372 νουκλεοτίδια, το mRNA αφήνει τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα, εισέρχεται στο ριβόσωμα και συνθέτει το αντίστοιχο πολυπεπτίδιο.
Το επόμενο στάδιο της βιοσύνθεσης - μετάφραση - συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματα με τη συμμετοχή του tRNA.
Τα RNA μεταφοράς συντίθενται στον πυρήνα, αλλά λειτουργούν σε ελεύθερη κατάσταση στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Ένα μόριο tRNA περιέχει 76-85 νουκλεοτίδια και έχει μια μάλλον πολύπλοκη δομή, που θυμίζει φύλλο τριφυλλιού. Τρεις ενότητες του tRNA έχουν ιδιαίτερη σημασία: 1) ένα αντικωδικόνιο, που αποτελείται από τρία νουκλεοτίδια, το οποίο καθορίζει τη θέση σύνδεσης του tRNA στο αντίστοιχο συμπληρωματικό κωδικόνιο (mRNA) στο ριβόσωμα. 2) μια περιοχή που καθορίζει την ειδικότητα του tRNA, την ικανότητα ενός δεδομένου μορίου να προσκολλάται μόνο σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. 3) θέση δέκτη στην οποία είναι συνδεδεμένο το αμινοξύ. Είναι το ίδιο για όλα τα tRNA και αποτελείται από τρία νουκλεοτίδια - C-C-A. Της προσθήκης ενός αμινοξέος στο tRNA προηγείται η ενεργοποίησή του από το ένζυμο αμινοακυλο-tRNA συνθετάση. Αυτό το ένζυμο είναι ειδικό για κάθε αμινοξύ. Το ενεργοποιημένο αμινοξύ συνδέεται με το αντίστοιχο tRNA και παραδίδεται στο ριβόσωμα.
Η κεντρική θέση στη μετάφραση ανήκει στα ριβοσώματα - ριβονουκλεοπρωτεϊνικά οργανίδια του κυτταροπλάσματος, τα οποία υπάρχουν σε μεγάλους αριθμούς σε αυτό. Τα μεγέθη των ριβοσωμάτων στα προκαρυωτικά είναι κατά μέσο όρο 30x30x20 nm, στους ευκαρυώτες - 40x40x20 nm. Συνήθως, τα μεγέθη τους προσδιορίζονται σε μονάδες καθίζησης (S) - ο ρυθμός καθίζησης κατά τη φυγοκέντρηση σε κατάλληλο μέσο. Στο βακτήριο Escherichia coli, το ριβόσωμα έχει μέγεθος 70S και αποτελείται από δύο υπομονάδες εκ των οποίων η μία έχει σταθερά 30S, η δεύτερη 50S και περιέχει 64% ριβοσωμικό RNA και 36% πρωτεΐνη.
Το μόριο mRNA αφήνει τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα και προσκολλάται στη μικρή ριβοσωμική υπομονάδα. Η μετάφραση ξεκινά με το λεγόμενο κωδικόνιο έναρξης (εκκινητής σύνθεσης) - A-U-G-. Όταν το tRNA παραδίδει ένα ενεργοποιημένο αμινοξύ στο ριβόσωμα, το αντικωδικόνιό του συνδέεται με υδρογόνο με τα νουκλεοτίδια του συμπληρωματικού κωδικονίου του mRNA. Το άκρο δέκτη του tRNA με το αντίστοιχο αμινοξύ συνδέεται στην επιφάνεια της μεγάλης ριβοσωμικής υπομονάδας. Μετά το πρώτο αμινοξύ, ένα άλλο tRNA παρέχει το επόμενο αμινοξύ και έτσι η πολυπεπτιδική αλυσίδα συντίθεται στο ριβόσωμα. Ένα μόριο mRNA συνήθως λειτουργεί σε πολλά (5-20) ριβοσώματα ταυτόχρονα, συνδεδεμένα σε πολυσώματα. Η αρχή της σύνθεσης μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας ονομάζεται έναρξη, η ανάπτυξή της ονομάζεται επιμήκυνση. Η αλληλουχία των αμινοξέων σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα προσδιορίζεται από την αλληλουχία των κωδικονίων στο mRNA. Η σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας σταματά όταν ένα από τα κωδικόνια τερματισμού εμφανίζεται στο mRNA - UAA, UAG ή UGA. Το τέλος της σύνθεσης μιας δεδομένης πολυπεπτιδικής αλυσίδας ονομάζεται τερματισμός.
Έχει διαπιστωθεί ότι στα ζωικά κύτταρα η πολυπεπτιδική αλυσίδα επιμηκύνεται κατά 7 αμινοξέα σε ένα δευτερόλεπτο και το mRNA προχωρά στο ριβόσωμα κατά 21 νουκλεοτίδια. Στα βακτήρια, αυτή η διαδικασία συμβαίνει δύο έως τρεις φορές πιο γρήγορα.
Κατά συνέπεια, η σύνθεση της πρωτογενούς δομής του μορίου πρωτεΐνης - της πολυπεπτιδικής αλυσίδας - συμβαίνει στο ριβόσωμα σύμφωνα με τη σειρά εναλλαγής των νουκλεοτιδίων στο εκμαγείο ριβονουκλεϊκού οξέος - mRNA. Δεν εξαρτάται από τη δομή του ριβοσώματος.
Η διαδικασία της πρωτεϊνικής σύνθεσης σε ένα κύτταρο ονομάζεται βιοσύνθεση.Αποτελείται από δύο κύρια στάδια - μεταγραφή και μετάφραση (Εικ. 4.5). Πρώτο στάδιο - μεταγραφή γενετικών πληροφοριών- η διαδικασία σύνθεσης του μονόκλωνου mRNA K συμπληρωματικού σε μια λογική αλυσίδα DNA, δηλαδή η μεταφορά γενετικών πληροφοριών σχετικά με τη νουκλεοτιδική δομή του DNA στο mRNA. Μέσω οπών στην πυρηνική μεμβράνη, το mRNA εισέρχεται στα κανάλια του ενδοπλασματικού δικτύου και εδώ συνδέεται με τα ριβοσώματα. Η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στο μόριο mRNA, με τα ριβοσώματα να κινούνται κατά μήκος του και να το αφήνουν προς το τέλος της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας (Εικ. 4.6).
Το Σχήμα 4.6 δείχνει μόνο δύο τριπλέτες: το συμπληρωματικό αντικωδικόνιο, που αντιστοιχεί στη στήλη mRNA, και το τριπλό CCA, στο οποίο είναι συνδεδεμένο ένα αμινοξύ (LA).
Τα αμινοξέα που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ενεργοποιούνται από ένζυμα, μετά από τα οποία συνδέονται με έναν άλλο τύπο RNA - RNA μεταφοράς. Θα παραμορφώσει τα αμινοξέα στα ριβοσώματα. Διάφορα tRNA παραδίδουν αμινοξέα στο ριβόσωμα και τα διατάσσουν σύμφωνα με την αλληλουχία των τριπλών mRNA. Τα τρία διαδοχικά νουκλεοτίδια που κωδικοποιούσαν ένα συγκεκριμένο αμινοξύ ονομάζονταν κωδικόνιο (mRNA) και η αδιάσπαστη τριάδα ονομάστηκε αντικωδώνιο (tRNA). Τα κωδικόνια δεν διαχωρίζονται το ένα από το άλλο με κανέναν τρόπο. Όταν χορηγείται ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, το tRNA αλληλεπιδρά με το mRNA (κωδικόνιο-αντικωδόνιο). και το αμινοξύ προστίθεται στο αναπτυσσόμενο φύλο και την πεπτιδική αλυσίδα. Είναι αρκετά προφανές ότι η σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου, δηλαδή η θέση των αμινοξέων σε αυτό, καθορίζεται από τη νουκλεοτιδική αλληλουχία του mRNA.
Το δεύτερο στάδιο της βιοσύνθεσης είναι αναμετάδοση- μετάφραση της γενετικής πληροφορίας από το mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε μια τριπλέτα κωδικοποιεί ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Έχει διαπιστωθεί ότι ο γενετικός κώδικας είναι τριπλός, δηλαδή κάθε αμινοξύ κωδικοποιείται από έναν συνδυασμό τριών νουκλεοτιδίων. Εάν ο κωδικός είναι τριπλός, τότε 64 κωδικόνια (4b3) μπορούν να κατασκευαστούν από τέσσερις αζωτούχες βάσεις. αυτό είναι περισσότερο από αρκετό για να κωδικοποιήσει 20 αμινοξέα. Ανακαλύφθηκε μια νέα ιδιότητα του γενετικού κώδικα - ο πλεονασμός του, δηλαδή ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούν όχι ένα, αλλά μεγαλύτερο αριθμό τριδύμων. Από τα 64 κωδικόνια, τα τρία αναγνωρίζονται ως κωδικόνια λήξης και προκαλούν τερματισμό (τερματισμός) ή διακοπή της γενετικής μετάφρασης (Πίνακας 4.2).
Ο γενετικός κώδικας δεν επικαλύπτεται. Εάν τα κωδικόνια αλληλεπικαλύπτονταν, τότε η αλλαγή ενός ζεύγους βάσεων θα πρέπει να οδηγήσει σε αλλαγή δύο αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Επιπλέον, είναι καθολικό - το ίδιο για τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών σε ζωντανά όντα. Η καθολικότητα του κώδικα μαρτυρεί την ενότητα της ζωής στη Γη. Έτσι, ο γενετικός κώδικας είναι ένα σύστημα καταγραφής κληρονομικών πληροφοριών σε νουκλεϊκά οξέα με τη μορφή μιας ακολουθίας νουκλεοτιδίων.
Στη συνέχεια, ο τρόπος πραγματοποίησης της γενετικής πληροφορίας στο κύτταρο συμπληρώθηκε από την αντίστροφη μεταγραφή (σύνθεση DNA σε ένα πρότυπο RNA) - αντιγραφή DNA και RNA (Εικ. 4.7).
Ένα γονίδιο είναι ένα τμήμα του DNA. που κωδικοποιεί την πρωτογενή δομή ενός πολυπεπτιδίου ή νουκλεϊκού οξέος. Πολλά διαφορετικά γονίδια συμμετέχουν στον έλεγχο της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας: δομικά γονίδια, ένα γονίδιο ρυθμιστή και ένα γονίδιο χειριστή. Ο μηχανισμός ρύθμισης του γενετικού κώδικα ανακαλύφθηκε από τους Γάλλους επιστήμονες F. Jacob και J. Monod το 1961 στα βακτήρια E. coli και ονομάστηκε μηχανισμός επαγωγής-καταστολής. Τα δομικά γονίδια κωδικοποιούν την αλληλουχία αμινοξέων στα πολυπεπτίδια. Τυπικά, για τα δομικά γονίδια υπάρχει ένα γενικό ρυθμιστικό σύστημα που αποτελείται από ένα γονίδιο ρυθμιστή και ένα γονίδιο χειριστή. Ο ρυθμιστής γονιδίου καθορίζει τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης καταστολέα, η οποία, όταν συνδέεται με τον χειριστή, «επιτρέπει» ή «απαγορεύει» την ανάγνωση πληροφοριών από τα αντίστοιχα δομικά γονίδια. Το γονίδιο χειριστή και τα δομικά γονίδια που το ακολουθούσαν ονομάστηκαν οπερόνιο - μονάδα ανάγνωσης γενετικών πληροφοριών, μονάδα μεταγραφής (Εικ. 4.8).
Για παράδειγμα, για κανονική ζωή, το E. coli απαιτεί ζάχαρη γάλακτος - λακτόζη. Έχει μια περιοχή λακτόζης (lac operon), στην οποία βρίσκονται τρία δομικά γονίδια για τη διάσπαση της λακτόζης. Εάν η λακτόζη δεν εισέλθει στο κύτταρο, τότε η πρωτεΐνη καταστολέα που παράγεται από το ρυθμιστικό γονίδιο συνδέεται με τον χειριστή και ως εκ τούτου «απαγορεύει» τη μεταγραφή (σύνθεση mRNA) από ολόκληρο το οπερόνιο. Εάν η λακτόζη εισέλθει στο κύτταρο, η λειτουργία της πρωτεΐνης καταστολέα μπλοκάρεται, αρχίζει η μεταγραφή, η μετάφραση, η σύνθεση ενζυμικών πρωτεϊνών και η τήξη της λακτόζης. Αφού διασπαστεί όλη η λακτόζη, η δραστηριότητα της πρωτεΐνης καταστολέα αποκαθίσταται και η μεταγραφή καταστέλλεται.
Έτσι, τα γονίδια μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν. Η ρύθμισή τους επηρεάζεται από μεταβολικά προϊόντα και ορμόνες. Το γονίδιο λειτουργεί σε ένα σύστημα DNA-RNA-πρωτεΐνης, το οποίο επηρεάζεται από την αλληλεπίδραση γονιδίων και περιβαλλοντικών παραγόντων.
Αρχικά, καθορίστε την αλληλουχία των βημάτων στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών, ξεκινώντας με τη μεταγραφή. Ολόκληρη η αλληλουχία των διεργασιών που συμβαίνουν κατά τη σύνθεση των μορίων πρωτεΐνης μπορεί να συνδυαστεί σε 2 στάδια:
Μεταγραφή.
Αναμετάδοση.
Οι δομικές μονάδες των κληρονομικών πληροφοριών είναι γονίδια - τμήματα του μορίου του DNA που κωδικοποιούν τη σύνθεση μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Όσον αφορά τη χημική οργάνωση, το υλικό της κληρονομικότητας και της μεταβλητότητας σε προ- και ευκαρυώτες δεν διαφέρει θεμελιωδώς. Το γενετικό υλικό σε αυτά παρουσιάζεται στο μόριο του DNA η αρχή της καταγραφής κληρονομικών πληροφοριών και ο γενετικός κώδικας είναι επίσης κοινές. Τα ίδια αμινοξέα σε προ- και ευκαρυώτες κρυπτογραφούνται από τα ίδια κωδικόνια.
Το γονιδίωμα των σύγχρονων προκαρυωτικών κυττάρων χαρακτηρίζεται από σχετικά μικρό σε μέγεθος, το DNA του E. coli έχει τη μορφή δακτυλίου, μήκους περίπου 1 mm. Περιέχει 4 x 10 6 ζεύγη νουκλεοτιδίων, που σχηματίζουν περίπου 4000 γονίδια. Το 1961, οι F. Jacob και J. Monod ανακάλυψαν την κιστρονική ή συνεχή οργάνωση των προκαρυωτικών γονιδίων, τα οποία αποτελούνται εξ ολοκλήρου από κωδικοποιητικές αλληλουχίες νουκλεοτιδίων και πραγματοποιούνται εξ ολοκλήρου κατά τη σύνθεση πρωτεϊνών. Το κληρονομικό υλικό του μορίου του DNA των προκαρυωτικών εντοπίζεται απευθείας στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, όπου βρίσκονται επίσης το tRNA και τα ένζυμα που είναι απαραίτητα για τη γονιδιακή έκφραση. Επομένως, το mRNA που συντίθεται από DNA μπορεί να εκτελέσει αμέσως τη λειτουργία ενός εκμαγείου στη διαδικασία μετάφρασης της πρωτεϊνικής σύνθεσης.
Το ευκαρυωτικό γονιδίωμα περιέχει σημαντικά περισσότερο κληρονομικό υλικό. Στους ανθρώπους, το συνολικό μήκος του DNA στο διπλοειδές σύνολο των χρωμοσωμάτων είναι περίπου 174 cm Περιέχει 3 x 10 9 ζεύγη νουκλεοτιδίων και περιλαμβάνει έως και 100.000 γονίδια. Το 1977, ανακαλύφθηκε ασυνέχεια στη δομή των περισσότερων ευκαρυωτικών γονιδίων, που ονομάζεται γονίδιο «μωσαϊκού». Χαρακτηρίζεται από κωδικοποιητικές αλληλουχίες νουκλεοτιδίων εξωνικήΚαι ιντρονικόςοικόπεδα. Για την πρωτεϊνοσύνθεση χρησιμοποιούνται μόνο πληροφορίες από εξόνια. Ο αριθμός των εσωνίων ποικίλλει σε διαφορετικά γονίδια. Έχει διαπιστωθεί ότι το γονίδιο ωολευκωματίνης κοτόπουλου περιλαμβάνει 7 εσώνια και το γονίδιο προκολλαγόνου θηλαστικών περιλαμβάνει 50. Οι λειτουργίες των σιωπηλών ιντρονίων DNA δεν έχουν αποσαφηνιστεί πλήρως. Υποτίθεται ότι παρέχουν: 1) δομική οργάνωσηχρωματίνη; 2) μερικά από αυτά εμπλέκονται προφανώς στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. 3) τα εσώνια μπορούν να θεωρηθούν ως αποθήκη πληροφοριών για μεταβλητότητα. 4) μπορούν να παίξουν προστατευτικό ρόλο, αναλαμβάνοντας τη δράση μεταλλαξιγόνων.
Μεταγραφή
Η διαδικασία επανεγγραφής πληροφοριών στον πυρήνα του κυττάρου από ένα τμήμα ενός μορίου DNA σε ένα μόριο mRNA (mRNA) ονομάζεται μεταγραφή(Λατινικά Transcriptio - ξαναγράφω). Το πρωτεύον γονιδιακό προϊόν, το mRNA, συντίθεται. Αυτό είναι το πρώτο στάδιο της πρωτεϊνοσύνθεσης. Στην αντίστοιχη θέση DNA, το ένζυμο RNA πολυμεράση αναγνωρίζει το σημάδι για την έναρξη της μεταγραφής - promotr.Το σημείο εκκίνησης είναι το πρώτο νουκλεοτίδιο DNA που ενσωματώνεται στο μεταγράφημα RNA από το ένζυμο. Κατά κανόνα, οι περιοχές κωδικοποίησης αρχίζουν με το κωδικόνιο AUG μερικές φορές στα βακτήρια χρησιμοποιείται GUG. Όταν η RNA πολυμεράση δεσμεύεται στον προαγωγέα, συμβαίνει τοπικό ξετύλιγμα της διπλής έλικας του DNA και ένας από τους κλώνους αντιγράφεται σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας. Το mRNA συντίθεται, η ταχύτητα συναρμολόγησης του φτάνει τα 50 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο. Καθώς η RNA πολυμεράση κινείται, η αλυσίδα mRNA μεγαλώνει και όταν το ένζυμο φτάσει στο τέλος της περιοχής αντιγραφής - τελειωτής, το mRNA απομακρύνεται από το πρότυπο. Η διπλή έλικα του DNA πίσω από το ένζυμο αποκαθίσταται.
Η μεταγραφή των προκαρυωτών λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα. Λόγω του γεγονότος ότι το DNA αποτελείται εξ ολοκλήρου από κωδικοποιητικές αλληλουχίες νουκλεοτιδίων, επομένως το mRNA που συντίθεται δρα αμέσως ως πρότυπο για μετάφραση (βλ. παραπάνω).
Η μεταγραφή του mRNA στους ευκαρυώτες συμβαίνει στον πυρήνα. Ξεκινά με τη σύνθεση μεγάλων μορίων - προδρόμων (pro-mRNA), που ονομάζονται ανώριμο, ή πυρηνικό RNA. Η διαδικασία σχηματισμού ώριμων μορίων RNA από πρόδρομες ουσίες ονομάζεται επεξεργασία. Η ωρίμανση του mRNA συμβαίνει με μάτισμα- αυτά κόβονται από ένζυμα ένζυμο περιορισμούιντρόνια και σύνδεση περιοχών με μεταγραμμένες αλληλουχίες εξονίων από ένζυμα λιγάσης. (Εικ. Το ώριμο mRNA είναι πολύ μικρότερο από τα πρόδρομα μόρια του pro-mRNA τα μεγέθη των ιντρονίων σε αυτά ποικίλλουν από 100 έως 1000 νουκλεοτίδια ή περισσότερα). Τα ιντρόνια αντιπροσωπεύουν περίπου το 80% όλων των ανώριμων mRNA.
Τώρα έχει αποδειχθεί ότι είναι δυνατό εναλλακτικό μάτισμα,στην οποία αλληλουχίες νουκλεοτιδίων μπορούν να αφαιρεθούν από ένα πρωτεύον αντίγραφο σε διαφορετικά μέρη του και θα σχηματιστούν αρκετά ώριμα mRNA. Αυτός ο τύπος ματίσματος είναι τυπικός στο σύστημα γονιδίων της ανοσοσφαιρίνης στα θηλαστικά, το οποίο καθιστά δυνατό τον σχηματισμό mRNA με βάση ένα μόνο μεταγράφημα διαφορετικών τύπωναντισώματα.
Μόλις ολοκληρωθεί η επεξεργασία, το ώριμο mRNA επιλέγεται πριν την έξοδο από τον πυρήνα. Έχει διαπιστωθεί ότι μόνο το 5% του ώριμου mRNA εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα και το υπόλοιπο διασπάται στον πυρήνα.
Αναμετάδοση
Η μετάφραση (Λατινική Μετάφραση - μεταφορά, μεταφορά) είναι η μετάφραση των πληροφοριών που περιέχονται στη νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός μορίου mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας (Εικ. 10). Αυτό είναι το δεύτερο στάδιο της πρωτεϊνοσύνθεσης. Η μεταφορά του ώριμου mRNA μέσω των πόρων του πυρηνικού περιβλήματος παράγεται από ειδικές πρωτεΐνες που σχηματίζουν σύμπλοκο με το μόριο RNA. Εκτός από τη μεταφορά του mRNA, αυτές οι πρωτεΐνες προστατεύουν το mRNA από τις καταστροφικές επιδράσεις των κυτταροπλασματικών ενζύμων. Στη διαδικασία μετάφρασης, το tRNA διαδραματίζει κεντρικό ρόλο, εξασφαλίζουν την ακριβή αντιστοίχιση του αμινοξέος με τον κώδικα της τριπλέτας mRNA. Η διαδικασία μετάφρασης-αποκωδικοποίησης λαμβάνει χώρα στα ριβοσώματα και πραγματοποιείται προς την κατεύθυνση 5 προς 3 Το σύμπλεγμα mRNA και ριβοσωμάτων ονομάζεται πολυσώμα.
Κατά τη μετάφραση, διακρίνονται τρεις φάσεις: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.
Μύηση.
Σε αυτό το στάδιο, ολόκληρο το σύμπλεγμα που εμπλέκεται στη σύνθεση του μορίου πρωτεΐνης συναρμολογείται. Οι δύο ριβοσωμικές υπομονάδες ενώνονται σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του mRNA, το πρώτο αμινοακυλο-tRNA είναι προσαρτημένο σε αυτό και αυτό θέτει το πλαίσιο ανάγνωσης πληροφοριών. Σε οποιοδήποτε μόριο m-RNA υπάρχει μια περιοχή που είναι συμπληρωματική του r-RNA της μικρής ριβοσωματικής υπομονάδας και ελέγχεται ειδικά από αυτήν. Δίπλα του βρίσκεται το εναρκτήριο κωδικόνιο AUG, το οποίο κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη.
Επιμήκυνση
— περιλαμβάνει όλες τις αντιδράσεις από τη στιγμή του σχηματισμού του πρώτου πεπτιδικού δεσμού έως την προσθήκη του τελευταίου αμινοξέος. Το ριβόσωμα έχει δύο θέσεις για τη σύνδεση δύο μορίων tRNA. Σε μια περιοχή, το πεπτιδύλιο (P), υπάρχει το πρώτο t-RNA με το αμινοξύ μεθειονίνη, και η σύνθεση οποιουδήποτε μορίου πρωτεΐνης ξεκινά με αυτό. Το δεύτερο μόριο tRNA εισέρχεται στο δεύτερο τμήμα του ριβοσώματος, το τμήμα αμινοακυλίου (Α) και προσκολλάται στο κωδικόνιό του. Ένας πεπτιδικός δεσμός σχηματίζεται μεταξύ της μεθειονίνης και του δεύτερου αμινοξέος. Το δεύτερο tRNA κινείται μαζί με το κωδικόνιο mRNA του στο πεπτιδυλικό κέντρο. Η κίνηση του t-RNA με μια πολυπεπτιδική αλυσίδα από το κέντρο αμινοακυλίου προς το κέντρο πεπτιδυλίου συνοδεύεται από την προώθηση του ριβοσώματος κατά μήκος του m-RNA από ένα βήμα που αντιστοιχεί σε ένα κωδικόνιο. Το T-RNA που απέδωσε τη μεθειονίνη επιστρέφει στο κυτταρόπλασμα και το κέντρο αμνοακυλίου απελευθερώνεται. Λαμβάνει ένα νέο t-RNA με ένα αμινοξύ κρυπτογραφημένο από το επόμενο κωδικόνιο. Σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός μεταξύ του τρίτου και του δεύτερου αμινοξέος και το τρίτο t-RNA, μαζί με το κωδικόνιο m-RNA, μετακινείται στο κέντρο του πεπτιδυλίου. Συνεχίζεται έως ότου ένα από τα τρία κωδικόνια που δεν κωδικοποιούν τα αμινοξέα εισέλθει στο ριβόσωμα. Αυτό είναι ένα κωδικόνιο τερματισμού και δεν υπάρχει αντίστοιχο tRNA για αυτό, επομένως κανένα από τα tRNA δεν μπορεί να πάρει θέση στο κέντρο αμινοακυλίου.
Λήξη
– ολοκλήρωση της σύνθεσης πολυπεπτιδίων. Συνδέεται με την αναγνώριση από μια συγκεκριμένη ριβοσωμική πρωτεΐνη ενός από τα κωδικόνια τερματισμού (UAA, UAG, UGA) όταν εισέρχεται στο αμινοακυλικό κέντρο. Ένας ειδικός παράγοντας τερματισμού συνδέεται με το ριβόσωμα, ο οποίος προάγει τον διαχωρισμό των ριβοσωμικών υπομονάδων και την απελευθέρωση του μορίου της συντιθέμενης πρωτεΐνης. Στο τελευταίο αμινοξύ του πεπτιδίου προστίθεται νερό και το καρβοξυλικό του άκρο διαχωρίζεται από το tRNA.
Η συναρμολόγηση της πεπτιδικής αλυσίδας γίνεται με υψηλή ταχύτητα. Σε βακτήρια σε θερμοκρασία 37°C, εκφράζεται με την προσθήκη 12 έως 17 αμινοξέων ανά δευτερόλεπτο στο πολυπεπτίδιο. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, δύο αμινοξέα προστίθενται σε ένα πολυπεπτίδιο κάθε δευτερόλεπτο.
Η συντιθέμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα εισέρχεται στη συνέχεια στο σύμπλεγμα Golgi, όπου ολοκληρώνεται η κατασκευή του μορίου πρωτεΐνης (η δεύτερη, η τρίτη και η τέταρτη δομή εμφανίζονται διαδοχικά). Αυτό είναι όπου τα μόρια πρωτεΐνης συνδυάζονται με λίπη και υδατάνθρακες.
Η όλη διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών παρουσιάζεται με τη μορφή διαγράμματος: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® πολυπεπτιδική αλυσίδα ® πρωτεΐνη ® συμπλοκοποίηση πρωτεϊνών και μετατροπή τους σε λειτουργικά ενεργά μόρια.
Τα στάδια υλοποίησης της κληρονομικής πληροφορίας προχωρούν επίσης με παρόμοιο τρόπο: πρώτα μεταγράφεται στην νουκλεοτιδική αλληλουχία του mRNA και στη συνέχεια μεταφράζεται στην αλληλουχία αμινοξέων ενός πολυπεπτιδίου στα ριβοσώματα με τη συμμετοχή του tRNA.
Η μεταγραφή σε ευκαρυώτες πραγματοποιείται υπό τη δράση τριών πυρηνικών πολυμερασών RNA. Η RNA πολυμεράση 1 βρίσκεται στον πυρήνα και είναι υπεύθυνη για τη μεταγραφή των γονιδίων rRNA. Η RNA πολυμεράση 2 βρίσκεται στον πυρηνικό χυμό και είναι υπεύθυνη για τη σύνθεση του πρόδρομου mRNA. Η RNA πολυμεράση 3 είναι ένα μικρό κλάσμα στον πυρηνικό χυμό που συνθέτει μικρό rRNA και tRNA. Οι RNA πολυμεράσες αναγνωρίζουν ειδικά τη νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός προαγωγέα μεταγραφής. Το ευκαρυωτικό mRNA συντίθεται αρχικά ως πρόδρομος (pro-mRNA) και πληροφορίες από εξόνια και ιντρόνια μεταφέρονται σε αυτό. Το mRNA που συντίθεται είναι μεγαλύτερο από το απαραίτητο για μετάφραση και είναι λιγότερο σταθερό.
Κατά τη διάρκεια της ωρίμανσης του μορίου mRNA, τα ιντρόνια αποκόπτονται χρησιμοποιώντας περιοριστικά ένζυμα και τα εξόνια συρράπτονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ένζυμα λιγάσης. Η ωρίμανση του mRNA ονομάζεται επεξεργασία και η ένωση των εξονίων ονομάζεται μάτισμα. Έτσι, το ώριμο mRNA περιέχει μόνο εξόνια και είναι πολύ μικρότερο από το προκάτοχό του, το pro-mRNA. Τα μεγέθη των ιντρονίων ποικίλλουν από 100 έως 10.000 νουκλεοτίδια ή περισσότερα. Τα ίντον αντιπροσωπεύουν περίπου το 80% όλων των ανώριμων mRNA. Η δυνατότητα εναλλακτικού ματίσματος έχει πλέον αποδειχθεί, κατά την οποία αλληλουχίες νουκλεοτιδίων μπορούν να αφαιρεθούν από ένα πρωτεύον αντίγραφο σε διαφορετικά μέρη του και θα σχηματιστούν αρκετά ώριμα mRNA. Αυτός ο τύπος ματίσματος είναι χαρακτηριστικός στο σύστημα γονιδίων ανοσοσφαιρίνης στα θηλαστικά, γεγονός που καθιστά δυνατό τον σχηματισμό διαφορετικών τύπων αντισωμάτων με βάση ένα μεταγράφημα mRNA. Μετά την ολοκλήρωση της επεξεργασίας, το ώριμο mRNA επιλέγεται πριν απελευθερωθεί στο κυτταρόπλασμα από τον πυρήνα. Έχει διαπιστωθεί ότι μόνο το 5% του ώριμου mRNA εισέρχεται και το υπόλοιπο διασπάται στον πυρήνα. Ο μετασχηματισμός των πρωτογενών μεταγραφονίων των ευκαρυωτικών γονιδίων, που σχετίζονται με την οργάνωση εξωνίου-ιντρονίου τους και σε σχέση με τη μετάβαση του ώριμου mRNA από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα, καθορίζει τα χαρακτηριστικά της εφαρμογής της γενετικής πληροφορίας των ευκαρυωτικών. Επομένως, το γονίδιο του ευκαρυωτικού μωσαϊκού δεν είναι γονίδιο σιστρόνιου, αφού δεν χρησιμοποιείται ολόκληρη η αλληλουχία DNA για τη σύνθεση πρωτεϊνών.
Η βιοσύνθεση πρωτεϊνών συμβαίνει σε κάθε ζωντανό κύτταρο. Είναι πιο ενεργό σε νεαρά αναπτυσσόμενα κύτταρα, όπου οι πρωτεΐνες συντίθενται για την κατασκευή των οργανιδίων τους, καθώς και στα εκκριτικά κύτταρα, όπου συντίθενται πρωτεΐνες ενζύμων και ορμονικές πρωτεΐνες.
Ο κύριος ρόλος στον προσδιορισμό της δομής των πρωτεϊνών ανήκει στο DNA. Ένα κομμάτι DNA που περιέχει πληροφορίες για τη δομή μιας πρωτεΐνης ονομάζεται γονίδιο. Ένα μόριο DNA περιέχει αρκετές εκατοντάδες γονίδια. Το μόριο DNA περιέχει έναν κώδικα για την αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη με τη μορφή νουκλεοτιδίων που ταιριάζουν ειδικά. Ο κώδικας του DNA αποκρυπτογραφήθηκε σχεδόν πλήρως. Η ουσία του είναι η εξής. Κάθε αμινοξύ αντιστοιχεί σε ένα τμήμα μιας αλυσίδας DNA που αποτελείται από τρία γειτονικά νουκλεοτίδια.
Για παράδειγμα, τμήμα Τ-Τ-Ταντιστοιχεί στο αμινοξύ λυσίνη, τμήμα Α-Γ-Α- κυστίνη, C-A-A - βαλίνη κ.λπ. Υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα, ο αριθμός των πιθανών συνδυασμών 4 νουκλεοτιδίων των 3 είναι 64. Κατά συνέπεια, υπάρχουν περισσότερες από αρκετές τριπλέτες για να κωδικοποιήσουν όλα τα αμινοξέα.
Η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων, που αντιπροσωπεύει μια αλυσίδα συνθετικών αντιδράσεων που προχωρούν σύμφωνα με την αρχή της σύνθεσης μήτρας.
Δεδομένου ότι το DNA βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου και η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα, υπάρχει ένας ενδιάμεσος που μεταφέρει πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα. Αυτός ο αγγελιοφόρος είναι το mRNA. :
Στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών προσδιορίζονται τα ακόλουθα στάδια, τα οποία συμβαίνουν σε διαφορετικά μέρηκύτταρα:
- Το πρώτο στάδιο, η σύνθεση i-RNA, εμφανίζεται στον πυρήνα, κατά το οποίο οι πληροφορίες που περιέχονται στο γονίδιο DNA μεταγράφονται σε i-RNA. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή (από τη λατινική "μεταγραφή" - επανεγγραφή).
- Στο δεύτερο στάδιο, τα αμινοξέα συνδυάζονται με μόρια tRNA, τα οποία αποτελούνται διαδοχικά από τρία νουκλεοτίδια - αντικωδικόνια, με τη βοήθεια των οποίων προσδιορίζεται το τριπλό κωδικόνιό τους.
- Το τρίτο στάδιο είναι η διαδικασία της άμεσης σύνθεσης πολυπεπτιδικών δεσμών, που ονομάζεται μετάφραση. Εμφανίζεται στα ριβοσώματα.
- Στο τέταρτο στάδιο, εμφανίζεται ο σχηματισμός της δευτερογενούς και τριτοταγούς δομής της πρωτεΐνης, δηλαδή ο σχηματισμός της τελικής δομής της πρωτεΐνης.
Έτσι, στη διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, σχηματίζονται νέα πρωτεϊνικά μόρια σύμφωνα με τις ακριβείς πληροφορίες που περιέχονται στο DNA. Αυτή η διαδικασία εξασφαλίζει την ανανέωση των πρωτεϊνών, τις μεταβολικές διεργασίες, την κυτταρική ανάπτυξη και ανάπτυξη, δηλαδή όλες τις διαδικασίες ζωής του κυττάρου.
Τα χρωμοσώματα (από το ελληνικό "chroma" - χρώμα, "soma" - σώμα) είναι πολύ σημαντικές δομές του κυτταρικού πυρήνα. Παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης, διασφαλίζοντας τη μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών από τη μια γενιά στην άλλη. Είναι λεπτοί κλώνοι DNA που συνδέονται με πρωτεΐνες. Οι κλώνοι ονομάζονται χρωματίδες και αποτελούνται από DNA, βασικές πρωτεΐνες (ιστόνες) και όξινες πρωτεΐνες.
Σε ένα μη διαιρούμενο κύτταρο, τα χρωμοσώματα γεμίζουν ολόκληρο τον όγκο του πυρήνα και δεν είναι ορατά στο μικροσκόπιο. Πριν ξεκινήσει η διαίρεση, συμβαίνει σπειροειδοποίηση του DNA και κάθε χρωμόσωμα γίνεται ορατό στο μικροσκόπιο. Κατά τη διάρκεια της σπειροειδοποίησης, τα χρωμοσώματα μειώνονται δεκάδες χιλιάδες φορές. Σε αυτή την κατάσταση, τα χρωμοσώματα μοιάζουν με δύο πανομοιότυπες κλώνους (χρωματίδες) που βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο, συνδεδεμένα με ένα κοινό τμήμα - το κεντρομερίδιο.
Κάθε οργανισμός χαρακτηρίζεται από σταθερό αριθμό και δομή χρωμοσωμάτων. Στα σωματικά κύτταρα, τα χρωμοσώματα είναι πάντα ζευγαρωμένα, δηλαδή στον πυρήνα υπάρχουν δύο πανομοιότυπα χρωμοσώματα που αποτελούν ένα ζεύγος. Τέτοια χρωμοσώματα ονομάζονται ομόλογα και τα ζευγαρωμένα σύνολα χρωμοσωμάτων σε σωματικά κύτταρα ονομάζονται διπλοειδή.
Έτσι, το διπλοειδές σύνολο χρωμοσωμάτων στον άνθρωπο αποτελείται από 46 χρωμοσώματα, που σχηματίζουν 23 ζεύγη. Κάθε ζεύγος αποτελείται από δύο ίδια (ομόλογα) χρωμοσώματα.
Τα δομικά χαρακτηριστικά των χρωμοσωμάτων καθιστούν δυνατή τη διάκρισή τους σε 7 ομάδες, οι οποίες χαρακτηρίζονται με τα λατινικά γράμματα A, B, C, D, E, F, G. Όλα τα ζεύγη χρωμοσωμάτων έχουν σειριακούς αριθμούς.
Άνδρες και γυναίκες έχουν 22 ζεύγη πανομοιότυπων χρωμοσωμάτων. Ονομάζονται αυτοσώματα. Ένας άνδρας και μια γυναίκα διαφέρουν σε ένα ζευγάρι χρωμοσωμάτων, τα οποία ονομάζονται φυλετικά χρωμοσώματα. Ονομάζονται με γράμματα - μεγάλο X (ομάδα C) και μικρό Y (ομάδα C). Στο γυναικείο σώμα υπάρχουν 22 ζεύγη αυτοσωμάτων και ένα ζεύγος (ΧΧ) φυλετικών χρωμοσωμάτων. Οι άνδρες έχουν 22 ζεύγη αυτοσωμάτων και ένα ζευγάρι (XY) φυλετικών χρωμοσωμάτων.
Σε αντίθεση με τα σωματικά κύτταρα, τα γεννητικά κύτταρα περιέχουν το μισό σύνολο χρωμοσωμάτων, δηλαδή περιέχουν ένα χρωμόσωμα από κάθε ζευγάρι! Αυτό το σύνολο ονομάζεται απλοειδές. Το απλοειδές σύνολο χρωμοσωμάτων προκύπτει κατά την ωρίμανση των κυττάρων.
Για να μελετήσετε τις διεργασίες που συμβαίνουν στο σώμα, πρέπει να γνωρίζετε τι συμβαίνει σε κυτταρικό επίπεδο. Και εκεί τον πιο σημαντικό ρόλο παίζουν οι πρωτεϊνικές ενώσεις. Είναι απαραίτητο να μελετήσουμε όχι μόνο τις λειτουργίες τους, αλλά και τη διαδικασία δημιουργίας. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να εξηγηθεί συνοπτικά και με σαφήνεια. Η 9η τάξη είναι η καταλληλότερη για αυτό. Σε αυτό το στάδιο οι μαθητές έχουν αρκετές γνώσεις για να κατανοήσουν το θέμα.
Πρωτεΐνες - τι είναι και σε τι χρησιμεύουν;
Αυτές οι υψηλά μοριακές ενώσεις παίζουν τεράστιο ρόλο στη ζωή οποιουδήποτε οργανισμού. Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή, που σημαίνει ότι αποτελούνται από πολλά παρόμοια «κομμάτια». Ο αριθμός τους μπορεί να κυμαίνεται από αρκετές εκατοντάδες έως χιλιάδες.
Οι πρωτεΐνες εκτελούν πολλές λειτουργίες σε ένα κύτταρο. Ο ρόλος τους είναι μεγάλος και ακόμη περισσότερος υψηλά επίπεδαοργάνωση: οι ιστοί και τα όργανα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την καλή λειτουργία διαφόρων πρωτεϊνών.
Για παράδειγμα, όλες οι ορμόνες είναι πρωτεϊνικής προέλευσης. Αλλά είναι αυτές οι ουσίες που ελέγχουν όλες τις διαδικασίες στο σώμα.
Η αιμοσφαιρίνη είναι επίσης μια πρωτεΐνη που αποτελείται από τέσσερις αλυσίδες, οι οποίες συνδέονται στο κέντρο με ένα άτομο σιδήρου. Αυτή η δομή επιτρέπει στα ερυθρά αιμοσφαίρια να μεταφέρουν οξυγόνο.
Ας θυμηθούμε ότι όλες οι μεμβράνες περιέχουν πρωτεΐνες. Είναι απαραίτητα για τη μεταφορά ουσιών μέσω της κυτταρικής μεμβράνης.
Υπάρχουν πολλές περισσότερες λειτουργίες των μορίων πρωτεΐνης που εκτελούν ξεκάθαρα και αδιαμφισβήτητα. Αυτές οι καταπληκτικές ενώσεις είναι πολύ διαφορετικές όχι μόνο στους ρόλους τους στο κύτταρο, αλλά και στη δομή τους.
Πού γίνεται η σύνθεση;
Το ριβόσωμα είναι το οργανίδιο όπου λαμβάνει χώρα το μεγαλύτερο μέρος της διαδικασίας που ονομάζεται βιοσύνθεση πρωτεϊνών. Η 9η τάξη σε διαφορετικά σχολεία διαφέρει ως προς το πρόγραμμα σπουδών για τη μελέτη της βιολογίας, αλλά πολλοί δάσκαλοι δίνουν υλικό για τα οργανίδια εκ των προτέρων, πριν μελετήσουν τη μετάφραση.
Επομένως, δεν θα είναι δύσκολο για τους μαθητές να θυμηθούν την ύλη που καλύπτει και να την εμπεδώσουν. Θα πρέπει να γνωρίζετε ότι μόνο μία πολυπεπτιδική αλυσίδα μπορεί να δημιουργηθεί σε ένα οργανίδιο κάθε φορά. Αυτό δεν αρκεί για να ικανοποιήσει όλες τις ανάγκες του κυττάρου. Επομένως, υπάρχουν πολλά ριβοσώματα και τις περισσότερες φορές συνδυάζονται με το ενδοπλασματικό δίκτυο.
Αυτό το EPS ονομάζεται τραχύ. Το όφελος μιας τέτοιας «συνεργασίας» είναι προφανές: η πρωτεΐνη αμέσως μετά τη σύνθεση εισέρχεται στο κανάλι μεταφοράς και μπορεί να σταλεί στον προορισμό της χωρίς καθυστέρηση.
Αλλά αν λάβουμε υπόψη την αρχή, δηλαδή την ανάγνωση πληροφοριών από το DNA, τότε μπορούμε να πούμε ότι η βιοσύνθεση πρωτεϊνών σε ένα ζωντανό κύτταρο ξεκινά από τον πυρήνα. Εκεί συντίθεται ο γενετικός κώδικας.
Απαραίτητα υλικά - αμινοξέα, τόπος σύνθεσης - ριβόσωμα
Φαίνεται ότι είναι δύσκολο να εξηγηθεί με συντομία και σαφήνεια η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών ένα διάγραμμα διαδικασίας και πολλά σχέδια είναι απλά απαραίτητα. Θα βοηθήσουν στη μετάδοση όλων των πληροφοριών και θα είναι επίσης ευκολότερο για τους μαθητές να τις θυμούνται.
Πρώτα απ 'όλα, η σύνθεση απαιτεί "δομικό υλικό" - αμινοξέα. Μερικά από αυτά παράγονται από το σώμα. Άλλα μπορούν να ληφθούν μόνο από τα τρόφιμα ονομάζονται απαραίτητα.
Ο συνολικός αριθμός των αμινοξέων είναι είκοσι, αλλά λόγω του τεράστιου αριθμού επιλογών στις οποίες μπορούν να ταξινομηθούν σε μια μακριά αλυσίδα, τα μόρια πρωτεΐνης είναι πολύ διαφορετικά. Αυτά τα οξέα είναι παρόμοια στη δομή, αλλά διαφέρουν ως προς τις ρίζες.
Είναι οι ιδιότητες αυτών των τμημάτων κάθε αμινοξέος που καθορίζουν σε ποια δομή θα «διπλωθεί» η προκύπτουσα αλυσίδα, αν θα σχηματίσει μια τεταρτοταγή δομή με άλλες αλυσίδες και ποιες ιδιότητες θα έχει το προκύπτον μακρομόριο.
Η διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών δεν μπορεί να συμβεί απλά στο κυτταρόπλασμα, απαιτεί ένα ριβόσωμα. αποτελείται από δύο υπομονάδες - μεγάλη και μικρή. Σε ηρεμία χωρίζονται, αλλά μόλις αρχίσει η σύνθεση, συνδέονται αμέσως και αρχίζουν να λειτουργούν.
Τόσο διαφορετικά και σημαντικά ριβονουκλεϊκά οξέα
Για να φέρει ένα αμινοξύ στο ριβόσωμα, χρειάζεται ένα ειδικό RNA που ονομάζεται RNA μεταφοράς. Για συντομογραφία ονομάζεται t-RNA. Αυτό το μονής αλυσίδας, σε σχήμα τριφυλλιού μόριο είναι ικανό να προσκολλήσει ένα αμινοξύ στο ελεύθερο άκρο του και να το μεταφέρει στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης.
Ένα άλλο RNA που εμπλέκεται στη σύνθεση πρωτεϊνών ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA. Φέρει ένα εξίσου σημαντικό συστατικό της σύνθεσης - έναν κώδικα που δηλώνει ξεκάθαρα πότε πρέπει να συνδεθεί ποιο αμινοξύ στην προκύπτουσα πρωτεϊνική αλυσίδα.
Αυτό το μόριο έχει μονόκλωνη δομή και αποτελείται από νουκλεοτίδια, όπως ακριβώς και το DNA. Υπάρχουν κάποιες διαφορές στην πρωτογενή δομή αυτών των νουκλεϊκών οξέων, για τις οποίες μπορείτε να διαβάσετε στο άρθρο σύγκρισης για το RNA και το DNA.
Πληροφορίες για τη σύνθεση της πρωτεΐνης m-RNA λαμβάνει από τον κύριο φύλακα του γενετικού κώδικα - το DNA. Η διαδικασία ανάγνωσης και σύνθεσης m-RNA ονομάζεται μεταγραφή.
Εμφανίζεται στον πυρήνα, από όπου το m-RNA που προκύπτει αποστέλλεται στο ριβόσωμα. Το ίδιο το DNA δεν φεύγει από τον πυρήνα.
Συνοπτικός πίνακας των κύριων συμμετεχόντων της εκπομπής
Για να περιγραφεί η βιοσύνθεση πρωτεϊνών συνοπτικά και ξεκάθαρα, είναι απλώς απαραίτητος ένας πίνακας. Σε αυτό θα καταγράψουμε όλα τα συστατικά και τον ρόλο τους σε αυτή τη διαδικασία, που ονομάζεται μετάφραση.
Η ίδια η διαδικασία δημιουργίας μιας πρωτεϊνικής αλυσίδας χωρίζεται σε τρία στάδια. Ας δούμε το καθένα από αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες. Μετά από αυτό, μπορείτε εύκολα να εξηγήσετε τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών σε όλους όσους τη θέλουν, σύντομα και ξεκάθαρα.
Έναρξη - η αρχή της διαδικασίας
Αυτό αρχικό στάδιομετάφραση, στην οποία η μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος συνδέεται με το πρώτο tRNA. Αυτό το ριβονουκλεϊκό οξύ μεταφέρει το αμινοξύ μεθειονίνη. Η μετάφραση ξεκινά πάντα με αυτό το αμινοξύ, αφού το κωδικόνιο έναρξης είναι το AUG, το οποίο κωδικοποιεί αυτό το πρώτο μονομερές στην πρωτεϊνική αλυσίδα.
Για να αναγνωρίσει το ριβόσωμα το κωδικόνιο έναρξης και να μην ξεκινήσει τη σύνθεση από τη μέση του γονιδίου, όπου μπορεί να εμφανιστεί και η αλληλουχία AUG, μια ειδική αλληλουχία νουκλεοτιδίων βρίσκεται γύρω από το κωδικόνιο έναρξης. Είναι μέσω αυτών που το ριβόσωμα αναγνωρίζει τη θέση όπου πρέπει να κάθεται η μικρή υπομονάδα του.
Μετά το σχηματισμό ενός συμπλόκου με m-RNA, το στάδιο έναρξης τελειώνει. Και ξεκινά το βασικό στάδιο της εκπομπής.
Επιμήκυνση - μέση σύνθεση
Σε αυτό το στάδιο, εμφανίζεται μια σταδιακή αύξηση της πρωτεϊνικής αλυσίδας. Η διάρκεια της επιμήκυνσης εξαρτάται από τον αριθμό των αμινοξέων στην πρωτεΐνη.
Πρώτα απ 'όλα, η μεγάλη υπομονάδα του ριβοσώματος συνδέεται με τη μικρή. Και το αρχικό t-RNA καταλήγει εξ ολοκλήρου σε αυτό. Μόνο η μεθειονίνη παραμένει έξω. Στη συνέχεια, ένα δεύτερο t-RNA που φέρει ένα άλλο αμινοξύ εισέρχεται στη μεγάλη υπομονάδα.
Εάν το δεύτερο κωδικόνιο στο mRNA ταιριάζει με το αντικωδικόνιο στην κορυφή του τριφυλλιού, το δεύτερο αμινοξύ συνδέεται με το πρώτο μέσω ενός πεπτιδικού δεσμού.
Μετά από αυτό, το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του m-RNA ακριβώς τρία νουκλεοτίδια (ένα κωδικόνιο), το πρώτο t-RNA αποσπά τη μεθειονίνη από τον εαυτό του και διαχωρίζεται από το σύμπλοκο. Στη θέση του βρίσκεται ένα δεύτερο t-RNA, στο τέλος του οποίου κρέμονται ήδη δύο αμινοξέα.
Στη συνέχεια, ένα τρίτο tRNA εισέρχεται στη μεγάλη υπομονάδα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Θα συνεχιστεί έως ότου το ριβόσωμα συναντήσει ένα κωδικόνιο στο mRNA που σηματοδοτεί το τέλος της μετάφρασης.
Λήξη
Αυτό το στάδιο είναι το τελευταίο, και κάποιοι μπορεί να το βρουν αρκετά σκληρό. Όλα τα μόρια και τα οργανίδια που δούλεψαν τόσο αρμονικά για να δημιουργήσουν την πολυπεπτιδική αλυσίδα σταματούν μόλις το ριβόσωμα χτυπήσει το τερματικό κωδικόνιο.
Δεν κωδικοποιεί κανένα αμινοξύ, επομένως ανεξάρτητα από το τι tRNA πηγαίνει στη μεγάλη υπομονάδα, όλα θα απορριφθούν λόγω αναντιστοιχίας. Εδώ παίζουν ρόλο οι παράγοντες τερματισμού, που διαχωρίζουν την τελική πρωτεΐνη από το ριβόσωμα.
Το ίδιο το οργανίδιο μπορεί είτε να αποσυντεθεί σε δύο υπομονάδες είτε να συνεχίσει το ταξίδι του κατά μήκος του m-RNA αναζητώντας ένα νέο κωδικόνιο έναρξης. Ένα m-RNA μπορεί να περιέχει πολλά ριβοσώματα ταυτόχρονα. Κάθε ένα από αυτά βρίσκεται στο δικό του στάδιο μετάφρασης Η νεοδημιουργηθείσα πρωτεΐνη παρέχεται με δείκτες, με τη βοήθεια των οποίων ο καθένας θα καταλάβει τον προορισμό της. Και σύμφωνα με την EPS, θα σταλεί εκεί που χρειάζεται.
Για να κατανοήσουμε τον ρόλο της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, είναι απαραίτητο να μελετήσουμε ποιες λειτουργίες μπορεί να εκτελέσει. Εξαρτάται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην αλυσίδα. Οι ιδιότητές τους είναι που καθορίζουν τη δευτερεύουσα, τριτογενή και μερικές φορές τεταρτοταγή (αν υπάρχει) και τον ρόλο της στο κύτταρο. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τις λειτουργίες των μορίων πρωτεΐνης σε ένα άρθρο σχετικά με αυτό το θέμα.
Πώς να μάθετε περισσότερα για την εκπομπή
Αυτό το άρθρο περιγράφει τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών σε ένα ζωντανό κύτταρο. Φυσικά, εάν μελετήσετε περαιτέρω το θέμα, θα χρειαστούν πολλές σελίδες για να εξηγήσετε τη διαδικασία λεπτομερώς. Αλλά το παραπάνω υλικό θα πρέπει να είναι αρκετό για μια γενική ιδέα, το υλικό βίντεο στο οποίο οι επιστήμονες έχουν προσομοιώσει όλα τα στάδια της εκπομπής μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο για κατανόηση. Μερικά από αυτά έχουν μεταφραστεί στα ρωσικά και μπορούν να χρησιμεύσουν ως ένα εξαιρετικό εγχειρίδιο για μαθητές ή απλά ένα εκπαιδευτικό βίντεο.
Για να κατανοήσετε καλύτερα το θέμα, θα πρέπει να διαβάσετε άλλα άρθρα σχετικά με παρόμοια θέματα. Για παράδειγμα, περίπου ή για τις λειτουργίες των πρωτεϊνών.
