Biologinės sintezės reakcijų visuma vadinama plastine mainais arba asimiliacija. Šio tipo mainų pavadinimas atspindi jo esmę: iš paprastų medžiagų, patekusių į ląstelę iš išorės, susidaro medžiagos, panašios į ląstelės medžiagas.
Panagrinėkime vieną iš svarbiausios formos plastinė apykaita – baltymų biosintezė. Visą baltymų savybių įvairovę galiausiai lemia pirminė struktūra, ty aminorūgščių seka. Didžiulis skaičius unikalių evoliucijos būdu atrinktų aminorūgščių derinių yra atkuriamas sintezuojant nukleino rūgštis su azoto bazių seka, atitinkančia aminorūgščių seką baltymuose. Kiekviena aminorūgštis polipeptidinėje grandinėje atitinka trijų nukleotidų derinį – tripletą.
Paveldimos informacijos realizavimo procesas biosintezėje atliekamas dalyvaujant trijų tipų ribonukleino rūgštims: informacijai (šablonas) - mRNR (mRNR), ribosominei - rRNR ir transportavimui - tRNR. Visos ribonukleorūgštys sintetinamos atitinkamose DNR molekulės dalyse. Jie yra daug mažesni nei DNR ir sudaro vieną nukleotidų grandinę. Nukleotiduose yra fosforo rūgšties liekanos (fosfatas), pentozės cukrus (ribozė) ir viena iš keturių azoto bazių – adenino, citozino, guanino ir uracilo. Azoto bazė, uracilas, papildo adeniną.
Biosintezės procesas yra sudėtingas ir apima daugybę etapų – transkripciją, sujungimą ir vertimą.
Pirmoji stadija (transkripcija) vyksta ląstelės branduolyje: iRNR sintetinama specifinio geno atkarpoje DNR molekulėje. Ši sintezė atliekama dalyvaujant fermentų kompleksui, iš kurių pagrindinė yra nuo DNR priklausoma RNR polimerazė, kuri prisitvirtina prie DNR molekulės pradžios taško, išvynioja dvigubą spiralę ir, judėdama išilgai vienos iš gijų, sintezuoja. šalia jo esanti komplementarioji mRNR grandinė. Dėl transkripcijos mRNR turi genetinę informaciją nuoseklios nukleotidų kaitos forma, kurios tvarka tiksliai nukopijuota iš atitinkamos DNR molekulės dalies (geno).
Tolesni tyrimai parodė, kad transkripcijos proceso metu susintetinama vadinamoji pro-mRNR – subrendusios iRNR pirmtakas, dalyvaujantis vertime. Pro-mRNR yra žymiai didesnė ir joje yra fragmentų, kurie nekoduoja atitinkamos polipeptidinės grandinės sintezei. DNR, kartu su regionais, koduojančiais rRNR, tRNR ir polipeptidus, yra fragmentų, kuriuose nėra genetinės informacijos. Jie vadinami intronais, priešingai nei koduojantys fragmentai, vadinami egzonais. Intronai randami daugelyje DNR molekulių dalių. Pavyzdžiui, viename gene, DNR sekcijoje, koduojančiame vištienos ovalbuminą, yra 7 intronai, o žiurkės serumo albumino gene – 13 intronų. Introno ilgis įvairus – nuo dviejų šimtų iki tūkstančio DNR nukleotidų porų. Intronai skaitomi (transkribuojami) tuo pačiu metu kaip ir egzonai, todėl pro-mRNR yra daug ilgesnė nei subrendusi mRNR. Branduolyje intronai pro-mRNR išpjaunami specialiais fermentais, o egzonų fragmentai „sujungiami“ griežta tvarka. Šis procesas vadinamas sujungimu. Splaisingo proceso metu susidaro brandi mRNR, kurioje yra tik ta informacija, kuri reikalinga atitinkamo polipeptido sintezei, tai yra informacinė struktūrinio geno dalis.
Intronų reikšmė ir funkcijos vis dar nėra visiškai aiškios, tačiau nustatyta, kad jei DNR skaitomos tik egzoninės dalys, subrendusi iRNR nesusidaro. Sujungimo procesas buvo tiriamas naudojant ovalbumino geno pavyzdį. Jame yra vienas egzonas ir 7 intronai. Pirma, pro-mRNR, kurioje yra 7700 nukleotidų, sintezuojama DNR. Tada pro-mRNR nukleotidų skaičius sumažėja iki 6800, tada iki 5600, 4850, 3800, 3400 ir tt iki 1372 nukleotidų, atitinkančių egzoną. Turėdama 1372 nukleotidus, mRNR palieka branduolį į citoplazmą, patenka į ribosomą ir susintetina atitinkamą polipeptidą.
Kitas biosintezės etapas - transliacija - vyksta citoplazmoje ant ribosomų, dalyvaujant tRNR.
Pernešimo RNR yra sintezuojamos branduolyje, tačiau ląstelės citoplazmoje veikia laisvoje būsenoje. Vienoje tRNR molekulėje yra 76-85 nukleotidai ir jos struktūra yra gana sudėtinga, primenanti dobilo lapą. Ypatingą reikšmę turi trys tRNR sekcijos: 1) antikodonas, susidedantis iš trijų nukleotidų, kuris nustato tRNR prisijungimo prie atitinkamo ribosomos komplementarinio kodono (mRNR) vietą; 2) sritis, kuri lemia tRNR specifiškumą, tam tikros molekulės gebėjimą prisijungti tik prie konkrečios aminorūgšties; 3) akceptoriaus vieta, prie kurios prijungta aminorūgštis. Jis yra vienodas visoms tRNR ir susideda iš trijų nukleotidų – C-C-A. Prieš pridedant aminorūgštį į tRNR, ją aktyvuoja fermentas aminoacil-tRNR sintetazė. Šis fermentas yra specifinis kiekvienai aminorūgščiai. Aktyvuota aminorūgštis prijungiama prie atitinkamos tRNR ir tiekiama į ribosomą.
Centrinė vieta vertime tenka ribosomoms – citoplazmos ribonukleoproteininiams organeliams, kurių joje yra daug. Prokariotų ribosomų dydžiai yra vidutiniškai 30x30x20 nm, eukariotuose - 40x40x20 nm. Paprastai jų dydžiai nustatomi sedimentacijos vienetais (S) – nusėdimo greitis centrifuguojant atitinkamoje terpėje. Escherichia coli bakterijoje ribosomos dydis yra 70S ir susideda iš dviejų subvienetų, kurių vieno konstanta yra 30S, o antrojo - 50S, o ribosomų RNR yra 64% ir baltymų - 36%.
MRNR molekulė palieka branduolį į citoplazmą ir prisijungia prie mažo ribosominio subvieneto. Vertimas prasideda vadinamuoju starto kodonu (sintezės iniciatoriumi) – A-U-G-. Kai tRNR tiekia aktyvuotą aminorūgštį į ribosomą, jos antikodonas yra vandenilis prijungtas prie mRNR komplemento kodono nukleotidų. tRNR akceptorinis galas su atitinkama aminorūgštimi yra prijungtas prie didelio ribosominio subvieneto paviršiaus. Po pirmosios aminorūgšties kita tRNR pristato kitą aminorūgštį, todėl ribosomoje susintetinama polipeptidinė grandinė. MRNR molekulė paprastai vienu metu veikia keliose (5-20) ribosomose, sujungtose į polisomas. Polipeptidinės grandinės sintezės pradžia vadinama iniciacija, jos augimas – pailgėjimu. Aminorūgščių seka polipeptidinėje grandinėje nustatoma pagal kodonų seką mRNR. Polipeptidinės grandinės sintezė sustoja, kai mRNR atsiranda vienas iš terminatoriaus kodonų – UAA, UAG arba UGA. Tam tikros polipeptidinės grandinės sintezės pabaiga vadinama nutraukimu.
Nustatyta, kad gyvūnų ląstelėse per vieną sekundę polipeptidinė grandinė pailgėja 7 aminorūgštimis, o mRNR ribosomoje pažengia 21 nukleotidu. Bakterijose šis procesas vyksta du ar tris kartus greičiau.
Vadinasi, pirminės baltymo molekulės struktūros – polipeptidinės grandinės – sintezė ribosomoje vyksta pagal nukleotidų kaitos eiliškumą matricos ribonukleorūgštyje – mRNR. Tai nepriklauso nuo ribosomos struktūros.
Baltymų sintezės procesas ląstelėje vadinamas biosintezė. Jis susideda iš dviejų pagrindinių etapų – transkripcijos ir vertimo (4.5 pav.). Pirmas lygmuo - genetinės informacijos transkripcija- vienos grandinės mRNR K, papildančios vieną jutimo DNR grandinę, sintezės procesas, tai yra genetinės informacijos apie DNR nukleotidų struktūrą perkėlimas į mRNR. Pro branduolio membranoje esančias skylutes iRNR patenka į endoplazminio tinklo kanalus ir čia susijungia su ribosomomis. Baltymų sintezė vyksta ant iRNR molekulės, o ribosomos juda išilgai jos ir palieka ją polipeptidinės grandinės sintezės pabaigoje (4.6 pav.).
4.6 paveiksle pavaizduoti tik du tripletai: komplementarus antikodonas, atitinkantis mRNR kolonėlę, ir CCA tripletas, prie kurio prijungta aminorūgštis (LA).
Citoplazmoje esančias aminorūgštis aktyvina fermentai, po to prisijungia prie kitos RNR rūšies – transportinės RNR. Tai iškreips aminorūgštis į ribosomas. Įvairios tRNR tiekia aminorūgštis į ribosomą ir jas išdėsto pagal mRNR tripletų seką. Trys iš eilės einantys nukleotidai, koduojantys konkrečią aminorūgštį, buvo vadinami kodonu (mRNR), o nenutrūkęs tripletas – antikodonu (tRNR). Kodonai jokiu būdu nėra atskirti vienas nuo kito. Pristatant specifinę aminorūgštį, tRNR sąveikauja su mRNR (kodonas-antikodonas). o aminorūgštis pridedama prie augančios lyties ir peptidinės grandinės. Visiškai akivaizdu, kad polipeptido sintezę, tai yra aminorūgščių vietą jame, lemia mRNR nukleotidų seka.
Antrasis biosintezės etapas yra transliacija- genetinės informacijos vertimas iš mRNR į polipeptidinės grandinės aminorūgščių seką.
Nukleotidų seka triplete koduoja specifinę aminorūgštį. Nustatyta, kad genetinis kodas yra tripletas, tai yra, kiekvieną aminorūgštį koduoja trijų nukleotidų derinys. Jei kodas yra tripletas, tai 64 kodonai (4b3) gali būti pagaminti iš keturių azoto bazių; to pakanka 20 aminorūgščių užkoduoti. Atrasta nauja genetinio kodo savybė – jo perteklius, tai yra, kai kurios aminorūgštys koduoja ne vieną, o didesnį skaičių tripletų. Iš 64 kodonų trys yra atpažįstami kaip sustabdymo kodonai, dėl kurių nutrūksta (nutraukiamas) arba pertraukiamas genetinis vertimas (4.2 lentelė).
Genetinis kodas nepersidengia. Jei kodonai sutapo, pakeitus vieną bazių porą, polipeptidinėje grandinėje turėtų būti pakeistos dvi aminorūgštys, tačiau tai neįvyksta. Be to, jis universalus – toks pat ir gyvų būtybių baltymų biosintezei. Kodo universalumas liudija gyvybės Žemėje vienybę. Taigi genetinis kodas yra paveldimos informacijos įrašymo į nukleorūgštys sistema nukleotidų sekos pavidalu.
Vėliau genetinės informacijos realizavimo būdas ląstelėje buvo papildytas atvirkštine transkripcija (DNR sinteze RNR šablone) – DNR ir RNR replikacija (4.7 pav.).
Genas yra DNR dalis. koduojančių pirminę polipeptido arba nukleorūgšties struktūrą. Polipeptidinės grandinės sintezės kontrolėje dalyvauja keli skirtingi genai: struktūriniai genai, reguliatorius ir operatoriaus genas. Genetinio kodo reguliavimo mechanizmą prancūzų mokslininkai F. Jacobas ir J. Monodas atrado 1961 metais ant E. coli bakterijos ir pavadino indukcijos-represijos mechanizmu. Struktūriniai genai koduoja aminorūgščių seką polipeptiduose. Paprastai struktūriniams genams yra bendra reguliavimo sistema, susidedanti iš reguliatoriaus geno ir operatoriaus geno. Genų reguliatorius nustato represoriaus baltymo sintezę, kuris, prijungtas prie operatoriaus, „leidžia“ arba „draudžia“ nuskaityti informaciją iš atitinkamų struktūrinių genų. Operatoriaus genas ir po jo esantys struktūriniai genai buvo vadinami operonu – genetinės informacijos skaitymo vienetu, transkripcijos vienetu (4.8 pav.).
Pavyzdžiui, normaliam gyvenimui E. coli reikia pieno cukraus – laktozės. Jame yra laktozės sritis (lac operonas), kurioje yra trys laktozės skaidymo struktūriniai genai. Jei laktozė nepatenka į ląstelę, reguliatoriaus geno gaminamas represoriaus baltymas prisijungia prie operatoriaus ir taip „uždraudžia“ transkripciją (mRNR sintezę) iš viso operono. Jei laktozė patenka į ląstelę, blokuojama represoriaus baltymo funkcija, prasideda transkripcija, transliacija, fermentinių baltymų sintezė ir laktozės lydymas. Suskaidžius visą laktozę, atkuriamas represoriaus baltymo aktyvumas ir slopinama transkripcija.
Taigi, genai gali būti įjungti arba išjungti. Jų reguliavimui įtakos turi medžiagų apykaitos produktai ir hormonai. Genas funkcionuoja DNR-RNR-baltymų sistemoje, kuriai įtakos turi genų ir aplinkos veiksnių sąveika.
Pirmiausia nustatykite baltymų biosintezės etapų seką, pradedant nuo transkripcijos. Visą baltymų molekulių sintezės procesų seką galima sujungti į 2 etapus:
Transkripcija.
Transliacija.
Paveldimos informacijos struktūriniai vienetai yra genai – DNR molekulės sekcijos, kurios koduoja konkretaus baltymo sintezę. Kalbant apie cheminę organizaciją, pro- ir eukariotų paveldimumo ir kintamumo medžiaga iš esmės nesiskiria. Juose esanti genetinė medžiaga pateikiama DNR molekulėje, taip pat įprastas paveldimos informacijos fiksavimo principas ir genetinis kodas. Tos pačios aminorūgštys pro- ir eukariotuose yra užšifruotos tais pačiais kodonais.
Šiuolaikinių prokariotinių ląstelių genomui būdingas santykinai mažo dydžio, E. coli DNR yra žiedo formos, maždaug 1 mm ilgio. Jame yra 4 x 10 6 nukleotidų poros, sudarančios apie 4000 genų. 1961 m. F. Jacob ir J. Monod atrado cistroninę arba nuolatinę prokariotinių genų organizaciją, kurią sudaro tik koduojančios nukleotidų sekos ir jos visiškai realizuojamos baltymų sintezės metu. Paveldima prokariotų DNR molekulės medžiaga yra tiesiai ląstelės citoplazmoje, kurioje taip pat yra tRNR ir genų ekspresijai reikalingi fermentai. Todėl iš DNR susintetinta mRNR gali iš karto atlikti šablono funkciją baltymų sintezės vertimo procese.
Eukariotų genome yra žymiai daugiau paveldimos medžiagos. Žmonėms bendras DNR ilgis diploidiniame chromosomų rinkinyje yra apie 174 cm. Jame yra 3 x 10 9 nukleotidų poros ir iki 100 000 genų. 1977 m. buvo aptiktas daugumos eukariotų genų struktūros nenuoseklumas, vadinamas „mozaikos“ genu. Jai būdingos koduojančios nukleotidų sekos egzoniškas Ir vidinis sklypai. Baltymų sintezei naudojama tik informacija iš egzonų. Intronų skaičius skirtinguose genuose skiriasi. Nustatyta, kad vištienos ovalbumino genas apima 7 intronus, o žinduolių prokolageno geną – 50. Tyliųjų DNR intronų funkcijos iki galo neišaiškintos. Jie turėtų suteikti: 1) struktūrinė organizacija chromatinas; 2) kai kurie iš jų akivaizdžiai dalyvauja genų ekspresijos reguliavime; 3) intronai gali būti laikomi kintamumo informacijos saugykla; 4) jie gali atlikti apsauginį vaidmenį, imdamiesi mutagenų veikimo.
Transkripcija
Informacijos perrašymo procesas ląstelės branduolyje iš DNR molekulės dalies į mRNR molekulę (mRNR) vadinamas transkripcija(lot. Transcriptio – perrašymas). Sintetinamas pirminis geno produktas – mRNR. Tai pirmasis baltymų sintezės etapas. Atitinkamoje DNR vietoje fermentas RNR polimerazė atpažįsta transkripcijos pradžios ženklą - promotr. Pradinis taškas yra pirmasis DNR nukleotidas, kuris fermento įtraukiamas į RNR nuorašą. Paprastai kodavimo sritys prasideda kodonu AUG, kartais bakterijose naudojamas GUG. Kai RNR polimerazė prisijungia prie promotoriaus, įvyksta vietinis dvigubos DNR spiralės išsivyniojimas ir viena iš grandinių nukopijuojama pagal komplementarumo principą. Sintetinama mRNR, jos surinkimo greitis siekia 50 nukleotidų per sekundę. RNR polimerazei judant, auga mRNR grandinė, o kai fermentas pasiekia kopijavimo srities galą - terminatorius, mRNR tolsta nuo šablono. Atkuriama už fermento esanti DNR dviguba spiralė.
Prokariotų transkripcija vyksta citoplazmoje. Dėl to, kad DNR susideda tik iš koduojančių nukleotidų sekų, susintetinta mRNR iš karto veikia kaip transliacijos šablonas (žr. aukščiau).
iRNR transkripcija eukariotuose vyksta branduolyje. Jis prasideda didelių molekulių – pirmtakų (pro-mRNR), vadinamų nesubrendusiomis, arba branduoline RNR, sinteze. Pirminis geno produktas – pro-mRNR yra tiksli transkribuotos DNR dalies kopija, apimanti egzonus ir intronus. Brandžių RNR molekulių susidarymo iš pirmtakų procesas vadinamas apdorojimas. mRNR brendimas vyksta iki sujungimas- juos supjausto fermentai restrikcijos fermentas intronai ir regionų sujungimas su transkribuotomis egzonų sekomis ligazės fermentais. (Pav.) Brandi mRNR yra daug trumpesnė nei pro-mRNR pirmtakų molekulės, jose esančių intronų dydžiai svyruoja nuo 100 iki 1000 nukleotidų. Intronai sudaro apie 80% visos nesubrendusios mRNR.
Dabar įrodyta, kad tai įmanoma alternatyvus sujungimas, kurioje iš vieno pirminio transkripto skirtingose jo dalyse gali būti pašalintos nukleotidų sekos ir susidarys kelios subrendusios iRNR. Šis susijungimo tipas yra būdingas žinduolių imunoglobulino genų sistemoje, todėl galima suformuoti mRNR remiantis vienu transkriptu. skirtingi tipai antikūnų.
Kai apdorojimas baigtas, subrendusi mRNR parenkama prieš išeinant iš branduolio. Nustatyta, kad tik 5% subrendusios iRNR patenka į citoplazmą, o likusi dalis suskaidoma branduolyje.
Transliacija
Vertimas (lot. Translatio – perkėlimas, perkėlimas) – tai informacijos, esančios iRNR molekulės nukleotidų sekoje, vertimas į polipeptidinės grandinės aminorūgščių seką (10 pav.). Tai antrasis baltymų sintezės etapas. Brandžios mRNR pernešimą per branduolio apvalkalo poras gamina specialūs baltymai, kurie sudaro kompleksą su RNR molekule. Be mRNR transportavimo, šie baltymai apsaugo mRNR nuo žalingo citoplazminių fermentų poveikio. Vertimo procese tRNR atlieka pagrindinį vaidmenį, jie užtikrina tikslią aminorūgšties atitiktį mRNR tripleto kodui. Vertimo-dekodavimo procesas vyksta ribosomose ir yra vykdomas 5–3 kryptimis. MRNR ir ribosomų kompleksas vadinamas polisoma.
Vertimo metu galima išskirti tris fazes: iniciaciją, pailgėjimą ir pabaigą.
Iniciacija.
Šiame etape surenkamas visas kompleksas, dalyvaujantis baltymo molekulės sintezėje. Tam tikroje mRNR dalyje susijungia du ribosomų subvienetai, prie jos prijungiama pirmoji aminoacil-tRNR ir tai nustato informacijos skaitymo rėmą. Bet kurioje m-RNR molekulėje yra sritis, kuri yra komplementari su mažo ribosomų subvieneto r-RNR ir yra jos kontroliuojama. Šalia yra inicijuojantis starto kodonas AUG, kuris koduoja aminorūgštį metioniną Iniciacijos fazė baigiasi susidarant kompleksui: ribosoma, -mRNR- inicijuojanti aminoacil-tRNR.
Pailgėjimas
— apima visas reakcijas nuo pirmosios peptidinės jungties susidarymo momento iki paskutinės aminorūgšties pridėjimo. Ribosoma turi dvi vietas, skirtas surišti dvi tRNR molekules. Viename regione, peptidilas (P), yra pirmoji t-RNR su aminorūgštimi metioninu, ir nuo jos prasideda bet kurios baltymo molekulės sintezė. Antroji tRNR molekulė patenka į antrąją ribosomos sekciją – aminoacilo sekciją (A) ir prisitvirtina prie jos kodono. Tarp metionino ir antrosios aminorūgšties susidaro peptidinė jungtis. Antroji tRNR kartu su savo mRNR kodonu juda į peptidilo centrą. T-RNR su polipeptidine grandine judėjimą iš aminoacilo centro į peptidilo centrą lydi ribosomos pažengimas išilgai m-RNR žingsniu, atitinkančiu vieną kodoną. T-RNR, kuri tiekė metioniną, grįžta į citoplazmą, o amnoacilo centras išsiskiria. Jis gauna naują t-RNR su aminorūgštimi, užšifruota kito kodono. Tarp trečiosios ir antrosios aminorūgščių susidaro peptidinė jungtis, o trečioji t-RNR kartu su m-RNR kodonu pereina į peptidilo centrą. Baltymų grandinės pailgėjimo, pailgėjimo procesas. Jis tęsiasi tol, kol vienas iš trijų kodonų, nekoduojančių aminorūgščių, patenka į ribosomą. Tai yra terminatoriaus kodonas ir jam nėra atitinkamos tRNR, todėl nė viena iš tRNR negali užimti vietos aminoacilo centre.
Nutraukimas
– polipeptidų sintezės užbaigimas. Jis yra susijęs su specifinio ribosominio baltymo atpažinimu vieno iš pabaigos kodonų (UAA, UAG, UGA), kai jis patenka į aminoacilo centrą. Prie ribosomos yra prijungtas specialus terminacijos faktorius, kuris skatina ribosomų subvienetų atsiskyrimą ir susintetinto baltymo molekulės išsiskyrimą. Į paskutinę peptido aminorūgštį įpilama vandens ir jos karboksilo galas atskiriamas nuo tRNR.
Peptidinės grandinės surinkimas vyksta dideliu greičiu. Bakterijose 37°C temperatūroje jis išreiškiamas 12–17 aminorūgščių per sekundę pridėjimu prie polipeptido. Eukariotinėse ląstelėse į polipeptidą kas sekundę pridedamos dvi aminorūgštys.
Tada susintetinta polipeptidinė grandinė patenka į Golgi kompleksą, kur baigiasi baltymo molekulės konstravimas (paeiliui atsiranda antroji, trečioji ir ketvirtoji struktūros). Čia baltymų molekulės susijungia su riebalais ir angliavandeniais.
Visas baltymų biosintezės procesas pateikiamas diagramos pavidalu: DNA ® pro mRNR ® mRNR ® polipeptidinė grandinė ® proteinas ® baltymų kompleksavimas ir jų pavertimas funkciškai aktyviomis molekulėmis.
Paveldimos informacijos įgyvendinimo etapai taip pat vyksta panašiai: pirmiausia ji transkribuojama į mRNR nukleotidų seką, o po to verčiama į polipeptido aminorūgščių seką ribosomose, dalyvaujant tRNR.
Transkripcija eukariotuose vykdoma veikiant trims branduolinėms RNR polimerazėms. RNR polimerazė 1 yra branduolyje ir yra atsakinga už rRNR genų transkripciją. RNR polimerazė 2 randama branduolio sultyse ir yra atsakinga už pirmtako mRNR sintezę. RNR polimerazė 3 yra maža branduolio sulčių dalis, kuri sintezuoja mažas rRNR ir tRNR. RNR polimerazės specifiškai atpažįsta transkripcijos promotoriaus nukleotidų seką. Eukariotinė mRNR pirmiausia susintetinama kaip pirmtakas (pro-mRNR), į ją perduodama informacija iš egzonų ir intronų. Susintetinta mRNR yra didesnė nei būtina vertimui ir yra mažiau stabili.
iRNR molekulės brendimo metu intronai išpjaustomi naudojant restrikcijos fermentus, o egzonai susiuvami naudojant ligazės fermentus. MRNR brendimas vadinamas apdorojimu, o egzonų susijungimas vadinamas sujungimu. Taigi subrendusioje mRNR yra tik egzonai ir ji yra daug trumpesnė nei jos pirmtakas pro-mRNR. Intronų dydžiai svyruoja nuo 100 iki 10 000 ar daugiau nukleotidų. Intonai sudaro apie 80% visos nesubrendusios mRNR. Dabar įrodyta alternatyvaus splaisingo galimybė, kai iš vieno pirminio transkripto skirtingose jo dalyse gali būti pašalintos nukleotidų sekos ir susidarys kelios subrendusios mRNR. Šis susijungimo tipas yra būdingas žinduolių imunoglobulino genų sistemoje, todėl remiantis vienu mRNR nuorašu galima suformuoti įvairių tipų antikūnus. Baigus apdorojimą, subrendusi mRNR atrenkama prieš išleidžiant į citoplazmą iš branduolio. Nustatyta, kad subrendusios iRNR patenka tik 5%, o likusi dalis yra suskaldoma branduolyje. Pirminių eukariotų genų transkriptų transformacija, susijusi su jų egzon-intronų organizacija ir susijusi su brandžios mRNR perėjimu iš branduolio į citoplazmą, lemia eukariotų genetinės informacijos įgyvendinimo ypatybes. Todėl eukariotinės mozaikos genas nėra cistrono genas, nes baltymų sintezei naudojama ne visa DNR seka.
Baltymų biosintezė vyksta kiekvienoje gyvoje ląstelėje. Jis aktyviausias jaunose augančiose ląstelėse, kuriose sintetinami baltymai, kad susidarytų jų organelės, taip pat sekrecinėse ląstelėse, kur sintetinami fermentiniai baltymai ir hormonų baltymai.
Pagrindinis vaidmuo nustatant baltymų struktūrą priklauso DNR. DNR dalis, kurioje yra informacijos apie vieno baltymo struktūrą, vadinama genu. DNR molekulėje yra keli šimtai genų. DNR molekulėje yra baltymo aminorūgščių sekos kodas specialiai sujungtų nukleotidų pavidalu. DNR kodas buvo beveik visiškai iššifruotas. Jo esmė yra tokia. Kiekviena aminorūgštis atitinka DNR grandinės atkarpą, susidedančią iš trijų gretimų nukleotidų.
Pavyzdžiui, skyrius T-T-T atitinka aminorūgštį liziną, segmentas A-C-A- cistinas, C-A-A - valinas ir kt. Yra 20 skirtingų aminorūgščių, galimų 4 nukleotidų derinių skaičius iš 3 yra 64. Vadinasi, tripletų yra daugiau nei pakankamai, kad būtų koduojamos visos aminorūgštys.
Baltymų sintezė yra sudėtingas kelių etapų procesas, atspindintis sintetinių reakcijų grandinę, kuri vyksta pagal matricos sintezės principą.
Kadangi DNR yra ląstelės branduolyje, o baltymų sintezė vyksta citoplazmoje, yra tarpininkas, kuris perduoda informaciją iš DNR į ribosomas. Šis pasiuntinys yra mRNR. :
Baltymų biosintezės metu nustatomi šie etapai, vykstantys skirtingos dalys ląstelės:
- Branduolyje vyksta pirmasis etapas – i-RNR sintezė, kurios metu DNR geno esanti informacija transkribuojama į i-RNR. Šis procesas vadinamas transkripcija (iš lotyniško „transkripto“ - perrašymas).
- Antrame etape aminorūgštys sujungiamos su tRNR molekulėmis, kurios nuosekliai susideda iš trijų nukleotidų - antikodonų, kurių pagalba nustatomas jų tripletas kodonas.
- Trečiasis etapas yra tiesioginės polipeptidinių jungčių sintezės procesas, vadinamas vertimu. Jis atsiranda ribosomose.
- Ketvirtajame etape susidaro antrinė ir tretinė baltymo struktūra, tai yra, susidaro galutinė baltymo struktūra.
Taigi baltymų biosintezės procese pagal tikslią DNR esančią informaciją susidaro naujos baltymų molekulės. Šis procesas užtikrina baltymų atsinaujinimą, medžiagų apykaitos procesus, ląstelių augimą ir vystymąsi, tai yra visus ląstelės gyvybės procesus.
Chromosomos (iš graikų "chroma" - spalva, "soma" - kūnas) yra labai svarbios ląstelės branduolio struktūros. Jie atlieka svarbų vaidmenį ląstelių dalijimosi procese, užtikrindami paveldimos informacijos perdavimą iš kartos į kartą. Jie yra plonos DNR grandinės, susietos su baltymais. Gijos vadinamos chromatidėmis, kurias sudaro DNR, baziniai baltymai (histonai) ir rūgštiniai baltymai.
Nesidalančioje ląstelėje chromosomos užpildo visą branduolio tūrį ir nėra matomos pro mikroskopą. Prieš pradedant dalijimąsi, įvyksta DNR spiralizacija ir kiekviena chromosoma tampa matoma mikroskopu. Spiralizacijos metu chromosomos sutrumpėja dešimtis tūkstančių kartų. Šioje būsenoje chromosomos atrodo kaip dvi identiškos gijos (chromatidės), esančios viena šalia kitos, sujungtos bendra atkarpa – centromera.
Kiekvienam organizmui būdingas pastovus chromosomų skaičius ir struktūra. Somatinėse ląstelėse chromosomos visada yra suporuotos, tai yra, branduolyje yra dvi identiškos chromosomos, kurios sudaro vieną porą. Tokios chromosomos vadinamos homologinėmis, o suporuoti chromosomų rinkiniai somatinėse ląstelėse vadinami diploidiniais.
Taigi žmonių diploidinis chromosomų rinkinys susideda iš 46 chromosomų, sudarančių 23 poras. Kiekviena pora susideda iš dviejų identiškų (homologinių) chromosomų.
Chromosomų struktūros ypatybės leidžia jas išskirti į 7 grupes, kurios žymimos lotyniškomis raidėmis A, B, C, D, E, F, G. Visos chromosomų poros turi eilės numerius.
Vyrai ir moterys turi 22 poras identiškų chromosomų. Jie vadinami autosomomis. Vyras ir moteris skiriasi viena chromosomų pora, kurios vadinamos lytinėmis chromosomomis. Jie žymimi raidėmis - didelė X (C grupė) ir maža Y (C grupė). Moters kūne yra 22 poros autosomų ir viena pora (XX) lytinių chromosomų. Vyrai turi 22 poras autosomų ir vieną porą (XY) lytinių chromosomų.
Skirtingai nuo somatinių ląstelių, lytinėse ląstelėse yra pusė chromosomų rinkinio, tai yra, jose yra po vieną chromosomą iš kiekvienos poros! Šis rinkinys vadinamas haploidiniu. Haploidinis chromosomų rinkinys atsiranda ląstelių brendimo metu.
Norėdami ištirti organizme vykstančius procesus, turite žinoti, kas vyksta ląstelių lygiu. O ten svarbiausią vaidmenį atlieka baltymų junginiai. Būtina ištirti ne tik jų funkcijas, bet ir kūrimo procesą. Todėl svarbu paaiškinti trumpai ir aiškiai. Tam geriausiai tinka 9 klasė. Būtent šiame etape mokiniai turi pakankamai žinių, kad suprastų temą.
Baltymai – kas tai yra ir kam jie skirti?
Šie didelės molekulinės masės junginiai vaidina didžiulį vaidmenį bet kurio organizmo gyvenime. Baltymai yra polimerai, tai reiškia, kad jie sudaryti iš daugelio panašių „gabalėlių“. Jų skaičius gali svyruoti nuo kelių šimtų iki tūkstančių.
Baltymai ląstelėje atlieka daugybę funkcijų. Jų vaidmuo yra puikus ir net daugiau aukštus lygius organizacija: audiniai ir organai labai priklauso nuo tinkamo įvairių baltymų funkcionavimo.
Pavyzdžiui, visi hormonai yra baltyminės kilmės. Tačiau būtent šios medžiagos kontroliuoja visus organizme vykstančius procesus.
Hemoglobinas taip pat yra baltymas, kurį sudaro keturios grandinės, kurios centre yra sujungtos geležies atomu. Ši struktūra leidžia raudoniesiems kraujo kūneliams pernešti deguonį.
Prisiminkime, kad visose membranose yra baltymų. Jie būtini medžiagoms pernešti per ląstelės membraną.
Yra daug daugiau baltymų molekulių funkcijų, kurias jos atlieka aiškiai ir neabejotinai. Šie nuostabūs junginiai yra labai įvairūs ne tik savo vaidmenimis ląstelėje, bet ir struktūra.
Kur vyksta sintezė?
Ribosoma yra organelė, kurioje vyksta didžioji dalis baltymų biosintezės proceso. 9 klasė skirtingose mokyklose skiriasi pagal biologijos studijų programas, tačiau daugelis mokytojų iš anksto, prieš studijuodami vertimą, pateikia medžiagą apie organelius.
Todėl mokiniams nebus sunku prisiminti nagrinėtą medžiagą ir ją įtvirtinti. Turėtumėte žinoti, kad vienoje organelėje vienu metu gali būti sukurta tik viena polipeptidinė grandinė. To neužtenka visiems ląstelės poreikiams patenkinti. Todėl ribosomų yra daug ir dažniausiai jos susijungia su endoplazminiu tinklu.
Šis EPS vadinamas grubiu. Tokio „bendradarbiavimo“ nauda akivaizdi: baltymas iškart po sintezės patenka į transportavimo kanalą ir gali būti nedelsiant išsiųstas į paskirties vietą.
Bet jei atsižvelgsime į pačią pradžią, būtent informacijos skaitymą iš DNR, tai galime pasakyti, kad baltymų biosintezė gyvoje ląstelėje prasideda branduolyje. Būtent ten sintezuojamas genetinis kodas.
Reikalingos medžiagos – aminorūgštys, sintezės vieta – ribosoma
Atrodo, kad sunku trumpai ir aiškiai paaiškinti, kaip vyksta baltymų biosintezė, tiesiog būtina proceso diagrama ir daugybė brėžinių. Jie padės perteikti visą informaciją, be to, mokiniams bus lengviau ją įsiminti.
Visų pirma, sintezei reikalingos „statybinės medžiagos“ – aminorūgštys. Kai kuriuos iš jų gamina organizmas. Kitus galima gauti tik iš maisto, jie vadinami būtinaisiais.
Bendras aminorūgščių skaičius yra dvidešimt, tačiau dėl daugybės galimybių, kuriose jas galima išdėstyti ilgoje grandinėje, baltymų molekulės yra labai įvairios. Šios rūgštys yra panašios struktūros, tačiau skiriasi radikalais.
Būtent šių kiekvienos aminorūgšties dalių savybės lemia, į kokią struktūrą „susilankstys“ susidariusi grandinė, ar ji sudarys ketvirtinę struktūrą su kitomis grandinėmis ir kokias savybes turės gauta makromolekulė.
Baltymų biosintezės procesas negali vykti tiesiog citoplazmoje, tam reikia ribosomos. susideda iš dviejų subvienetų – didelio ir mažo. Ramybės būsenoje jie yra atskirti, bet kai tik prasideda sintezė, jie iškart susijungia ir pradeda veikti.
Tokios skirtingos ir svarbios ribonukleino rūgštys
Kad aminorūgštis patektų į ribosomą, reikalinga speciali RNR, vadinama transportine RNR. Santrumpa vadinama t-RNR. Ši vienos grandinės, dobilo lapo formos molekulė gali prijungti vieną aminorūgštį prie savo laisvojo galo ir pernešti ją į baltymų sintezės vietą.
Kita RNR, dalyvaujanti baltymų sintezėje, vadinama pasiuntinio RNR. Jame yra ne mažiau svarbus sintezės komponentas – kodas, aiškiai nurodantis, kada kurią aminorūgštį reikia prijungti prie gautos baltymų grandinės.
Ši molekulė turi viengrandę struktūrą ir susideda iš nukleotidų, kaip ir DNR. Yra keletas šių nukleorūgščių pirminės struktūros skirtumų, apie kuriuos galite perskaityti palyginamajame straipsnyje apie RNR ir DNR.
Informacija apie m-RNR baltymo sudėtį gaunama iš pagrindinio genetinio kodo saugotojo - DNR. m-RNR skaitymo ir sintezės procesas vadinamas transkripcija.
Jis atsiranda branduolyje, iš kurio gauta m-RNR siunčiama į ribosomą. Pati DNR nepalieka branduolio, jos užduotis yra tik išsaugoti genetinį kodą ir dalijimosi metu perkelti jį į dukterinę ląstelę.
Pagrindinių laidos dalyvių suvestinė lentelė
Norint trumpai ir aiškiai aprašyti baltymų biosintezę, lentelė tiesiog būtina. Jame surašysime visus komponentus ir jų vaidmenį šiame procese, kuris vadinamas vertimu.
Pats baltymų grandinės kūrimo procesas yra padalintas į tris etapus. Pažvelkime į kiekvieną iš jų išsamiau. Po to visiems norintiems lengvai, trumpai ir aiškiai paaiškinsite baltymų biosintezę.
Iniciacija – proceso pradžia
Tai Pradinis etapas vertimas, kurio metu mažas ribosomos subvienetas prisijungia prie pačios pirmosios tRNR. Ši ribonukleino rūgštis neša aminorūgštį metioniną. Vertimas visada prasideda šia aminorūgštimi, nes pradžios kodonas yra AUG, kuris koduoja šį pirmąjį baltymų grandinės monomerą.
Kad ribosoma atpažintų starto kodoną ir nepradėtų sintezės nuo geno vidurio, kur gali atsirasti ir AUG seka, aplink starto kodoną išsidėsčiusi speciali nukleotidų seka. Būtent per juos ribosoma atpažįsta vietą, kurioje turėtų sėdėti jos mažasis subvienetas.
Susidarius kompleksui su m-RNR, baigiasi iniciacijos stadija. Ir prasideda pagrindinis transliacijos etapas.
Pailgėjimas – sintezės vidurys
Šiame etape palaipsniui didėja baltymų grandinė. Pailgėjimo trukmė priklauso nuo aminorūgščių skaičiaus baltyme.
Visų pirma, didelis ribosomos subvienetas yra prijungtas prie mažojo. Ir pradinė t-RNR visiškai atsiduria joje. Išorėje lieka tik metioninas. Tada antroji t-RNR, turinti kitą aminorūgštį, patenka į didelį subvienetą.
Jei antrasis mRNR kodonas sutampa su antikodonu dobilo lapo viršuje, antroji aminorūgštis yra prijungta prie pirmosios peptidiniu ryšiu.
Po to ribosoma juda išilgai m-RNR tiksliai trimis nukleotidais (vienu kodonu), pirmoji t-RNR atskiria metioniną nuo savęs ir atsiskiria nuo komplekso. Jo vietoje yra antroji t-RNR, kurios gale jau kabo dvi aminorūgštys.
Tada trečioji tRNR patenka į didelį subvienetą ir procesas kartojasi. Tai tęsis tol, kol ribosoma susidurs su kodonu mRNR, kuris signalizuoja apie transliacijos pabaigą.
Nutraukimas
Šis etapas yra paskutinis ir kai kam gali pasirodyti gana žiaurus. Visos molekulės ir organelės, kurios taip harmoningai dirbo kuriant polipeptidinę grandinę, sustoja, kai tik ribosoma pasiekia galinį kodoną.
Jis nekoduoja jokios aminorūgšties, todėl nesvarbu, kokia tRNR patenka į didelį subvienetą, jos visos bus atmestos dėl neatitikimo. Čia atsiranda nutraukimo faktoriai, atskiriantys gatavą baltymą nuo ribosomos.
Pati organelė gali suirti į du subvienetus arba tęsti kelionę palei m-RNR, ieškodama naujo pradžios kodono. Vienoje m-RNR vienu metu gali būti kelios ribosomos. Kiekvienas iš jų yra savo vertimo stadijoje. Naujai sukurtas baltymas aprūpintas žymekliais, kurių pagalba kiekvienas supras jo paskirtį. O pagal EPS bus atsiųstas ten, kur reikia.
Norint suprasti baltymų biosintezės vaidmenį, būtina ištirti, kokias funkcijas ji gali atlikti. Tai priklauso nuo aminorūgščių sekos grandinėje. Būtent jų savybės lemia antrinį, tretinį, o kartais ir ketvirtinį (jei toks yra) ir jo vaidmenį ląstelėje. Daugiau apie baltymų molekulių funkcijas galite perskaityti straipsnyje šia tema.
Kaip sužinoti daugiau apie transliaciją
Šiame straipsnyje aprašoma baltymų biosintezė gyvoje ląstelėje. Žinoma, jei toliau studijuosite temą, prireiks daug puslapių, kad išsamiai paaiškintumėte procesą. Tačiau pirmiau pateiktos medžiagos turėtų pakakti bendrai idėjai, kad būtų galima suprasti vaizdo medžiagą, kurioje mokslininkai imitavo visus transliacijos etapus. Kai kurie iš jų buvo išversti į rusų kalbą ir gali būti puikus vadovėlis studentams arba tiesiog mokomasis vaizdo įrašas.
Norėdami geriau suprasti temą, turėtumėte perskaityti kitus straipsnius panašiomis temomis. Pavyzdžiui, apie arba apie baltymų funkcijas.
