Sinteza proteinelor celulare. Biosinteza proteinelor: concisă și de înțeles

Totalitatea reacțiilor de sinteză biologică se numește schimb plastic, sau asimilare. Denumirea acestui tip de schimb reflectă esența acestuia: din substanțe simple care intră în celulă din exterior, se formează substanțe asemănătoare cu substanțele celulei.

Luați în considerare una dintre cele mai importante forme de metabolism plastic - biosinteza proteinelor. Întreaga varietate de proprietăți ale proteinelor este determinată în cele din urmă de structura primară, adică de secvența de aminoacizi. Un număr imens de combinații unice de aminoacizi selectate prin evoluție sunt reproduse prin sinteza acizilor nucleici cu o astfel de secvență de baze azotate care corespunde secvenței de aminoacizi din proteine. Fiecare aminoacid din lanțul polipeptidic corespunde unei combinații de trei nucleotide - un triplet.

Procesul de realizare a informațiilor ereditare în biosinteză se realizează cu participarea a trei tipuri de acizi ribonucleici: informațional (matrice) - ARNm (ARNm), ribozomal - ARNr și transport - ARNt. Toți acizii ribonucleici sunt sintetizați în regiunile corespunzătoare ale moleculei de ADN. Sunt mult mai mici decât ADN-ul și sunt un singur lanț de nucleotide. Nucleotidele conțin un reziduu de acid fosforic (fosfat), un zahăr pentoză (riboză) și una dintre cele patru baze azotate - adenină, citozină, guanină și uracil. Baza azotată, uracilul, este complementară adeninei.

Procesul de biosinteză este complex și include o serie de etape - transcriere, splicing și traducere.

Prima etapă (transcripția) are loc în nucleul celulei: ARNm este sintetizat la locul unei anumite gene a moleculei de ADN. Această sinteză se realizează cu participarea unui complex de enzime, principala dintre acestea fiind ARN polimeraza dependentă de ADN, care se atașează la punctul inițial (inițial) al moleculei de ADN, desfășoară dubla helix și, deplasându-se de-a lungul uneia dintre catenele, sintetizează o catenă complementară de ARNm alături. Ca urmare a transcripției, ARNm conține informații genetice sub forma unei alternanțe secvențiale de nucleotide, a căror ordine este exact copiată din secțiunea corespunzătoare (gena) a moleculei de ADN.

Studii ulterioare au arătat că așa-numitul pro-ARNm este sintetizat în timpul transcripției, un precursor al ARNm matur implicat în traducere. Pro-ARNm este mult mai mare și conține fragmente care nu codifică pentru sinteza lanțului polipeptidic corespunzător. În ADN, împreună cu regiunile care codifică ARNr, ARNt și polipeptide, există fragmente care nu conțin informații genetice. Se numesc introni, spre deosebire de fragmentele codificatoare, care se numesc exoni. Intronii se găsesc în multe regiuni ale moleculelor de ADN. Deci, de exemplu, într-o genă - o regiune ADN care codifică ovalbumina de pui, există 7 introni, în gena albuminei serice de șobolan - 13 introni. Lungimea intronului variază de la două sute la o mie de perechi de nucleotide ADN. Intronii sunt citiți (transcriși) în același timp cu exonii, astfel încât pro-ARNm este semnificativ mai lung decât ARNm matur. În nucleul din pro-ARNm, intronii sunt tăiați de enzime speciale, iar fragmentele de exon sunt „splicate” împreună într-o ordine strictă. Acest proces se numește îmbinare. În procesul de splicing, se formează un ARNm matur, care conține doar informațiile necesare pentru sinteza polipeptidei corespunzătoare, adică partea informativă a genei structurale.

Semnificația și funcțiile intronilor nu au fost încă pe deplin elucidate, dar s-a stabilit că dacă numai porțiuni de exoni sunt citite în ADN, ARNm matur nu se formează. Procesul de splicing a fost studiat folosind gena ovalbuminei ca exemplu. Conține un exon și 7 introni. În primul rând, pro-ARNm care conține 7700 de nucleotide este sintetizat pe ADN. Apoi, în pro-ARNm, numărul de nucleotide scade la 6800, apoi la 5600, 4850, 3800, 3400 etc. la 1372 de nucleotide corespunzătoare exonului. ARNm care conține 1372 de nucleotide părăsește nucleul în citoplasmă, intră în ribozom și sintetizează polipeptida corespunzătoare.

Următoarea etapă a biosintezei - traducerea - are loc în citoplasma pe ribozomi cu participarea ARNt.

ARN-urile de transfer sunt sintetizate în nucleu, dar funcționează în stare liberă în citoplasma celulei. O moleculă de ARNt conține 76-85 de nucleotide și are o structură destul de complexă, asemănătoare unei frunze de trifoi. Trei secțiuni ale ARNt au o importanță deosebită: 1) un anticodon, constând din trei nucleotide, care determină locul de atașare a ARNt la codonul complementar corespunzător (ARNm) de pe ribozom; 2) un situs care determină specificitatea ARNt, capacitatea unei molecule date de a se atașa numai la un aminoacid specific; 3) un situs acceptor de care este atașat un aminoacid. Este același pentru toate ARNt-urile și constă din trei nucleotide - C-C-A. Atașarea unui aminoacid la ARNt este precedată de activarea acestuia de către enzima aminoacil-ARNt sintetaza. Această enzimă este specifică fiecărui aminoacid. Aminoacidul activat se atașează de ARNt-ul corespunzător și este livrat de acesta la ribozom.

Locul central în translație aparține ribozomilor - organele ribonucleoproteice ale citoplasmei, care sunt prezente în multe din ele. Dimensiunea ribozomilor la procariote este în medie de 30x30x20 nm, la eucariote - 40x40x20 nm. De obicei, mărimile lor sunt determinate în unități de sedimentare (S) - viteza de sedimentare în timpul centrifugării în mediul adecvat. La bacteria Escherichia coli, ribozomul are o dimensiune de 70S și este format din două subparticule, dintre care una are o constantă de 30S, a doua 50S și conține 64% ARN ribozomal și 36% proteine.

Molecula de ARNm iese din nucleu în citoplasmă și se atașează la o subunitate mică a ribozomului. Translația începe cu așa-numitul codon de început (inițiator de sinteză) - A-U-G-. Când ARNt furnizează un aminoacid activat la ribozom, anticodonul său este legat de hidrogen de nucleotidele codonului complementar al ARNm. Capătul acceptor al ARNt cu aminoacidul corespunzător este atașat de suprafața subunității mari a ribozomului. După primul aminoacid, un alt ARNt furnizează următorul aminoacid și, astfel, un lanț polipeptidic este sintetizat pe ribozom. O moleculă de ARNm funcționează de obicei pe mai mulți (5-20) ribozomi simultan, conectați în polizomi. Începutul sintezei unui lanț polipeptidic se numește inițiere, creșterea sa se numește alungire. Secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic este determinată de secvența de codoni din ARNm. Sinteza lanțului polipeptidic se oprește atunci când unul dintre codonii terminatori apare pe ARNm - UAA, UAG sau UGA. Sfârșitul sintezei unui lanț polipeptidic dat se numește terminare.

S-a stabilit că în celulele animale lanțul polipeptidic se prelungește cu 7 aminoacizi într-o secundă, iar ARNm avansează pe ribozom cu 21 de nucleotide. La bacterii, acest proces se desfășoară de două până la trei ori mai repede.

În consecință, sinteza structurii primare a moleculei proteice - lanțul polipeptidic - are loc pe ribozom în conformitate cu ordinea alternanței nucleotidelor din matricea acidului ribonucleic - ARNm. Nu depinde de structura ribozomului.

Procesul de sinteză a proteinelor într-o celulă se numește biosinteza. Se compune din două etape principale - transcrierea și traducerea (Fig. 4.5). Primul stagiu - transcrierea informatiei genetice- procesul de sinteză a ARNm monocatenar K complementar cu o catenă de sens a ADN-ului, adică transferul de informații genetice despre structura nucleotidică a ADN-ului la ARNm. Prin orificiile membranei nucleare, ARNm intră în canalele reticulului endoplasmatic și aici se combină cu ribozomii. Sinteza proteinelor are loc pe molecula de ARNm, iar ribozomii se deplasează de-a lungul acesteia și o părăsesc până la sfârșitul sintezei lanțului polipeptidic (Fig. 4.6).

Figura 4.6 prezintă doar două triplete: anticodonul complementar, corespunzător coloanei ARNm, și tripletul CCA, de care sunt atașați aminoacizii (LA).
Aminoacizii localizați în citoplasmă sunt activați de enzime, după care se leagă de un alt tip de ARN - transport. Va denatura aminoacizii la ribozomi. Diverse ARNt furnizează aminoacizi la ribozom și îi aranjează în funcție de secvența tripleților de ARNm. Trei nucleotide consecutive care codifică un aminoacid specific au fost numite codon (ARNm), iar un triplet care nu poate fi spart a fost numit anticodon (ARNt). Codonii nu sunt separați unul de celălalt. Livrând un aminoacid specific, ARNt interacționează cu ARNm (codon-anticodon). iar aminoacidul se unește cu podeaua în creștere și lanțul peptidic. Este destul de evident că sinteza unei polipeptide, adică aranjarea aminoacizilor în ea, este determinată de secvența de nucleotide ARNm.

A doua etapă a biosintezei - difuzat- traducerea informațiilor genetice din ARNm în secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic.
În secvența de nucleotide din triplet este codificat un anumit aminoacid. S-a stabilit că codul genetic este triplet, adică fiecare aminoacid este codificat de o combinație de trei nucleotide. Dacă codul este un triplet, atunci 64 de codoni (4v3) pot fi formați din patru baze azotate; acest lucru este mai mult decât suficient pentru a codifica 20 de aminoacizi. A fost dezvăluită o nouă proprietate a codului genetic - redundanța sa, adică unii aminoacizi codifică nu unul, ci un număr mai mare de tripleți. Din cei 64 de codoni, trei sunt recunoscuți ca codoni stop; ei provoacă terminarea (încetarea) sau întreruperea traducerii genetice (Tabelul 4.2).

Codul genetic nu se suprapune. Dacă codonii s-au suprapus, atunci o schimbare a unei perechi de baze ar duce la o schimbare a doi aminoacizi din lanțul polipeptidic și acest lucru nu se întâmplă. În plus, este universal - același pentru biosinteza proteinelor ființelor vii. Universalitatea codului mărturisește unitatea vieții de pe Pământ. Astfel, codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în acizii nucleici sub forma unei secvențe de nucleotide.
Ulterior, modalitatea de implementare a informației genetice în celulă a fost completată de transcripție inversă (sinteza ADN pe un șablon de ARN) - replicarea ADN și ARN (Fig. 4.7).

O genă este o secțiune a ADN-ului. care codifică structura primară a unei polipeptide sau a unui acid nucleic. Mai multe gene diferite sunt implicate în controlul sintezei lanțului polipeptidic: gene structurale, gene regulatoare și gene operator. Mecanismul de reglare a codului genetic a fost descoperit de oamenii de știință francezi F. Jacob și J. Monod în 1961 pe bacteriile E. coli și a fost numit mecanism de inducție-represie. Genele structurale codifică secvența de aminoacizi din polipeptide. De obicei, pentru genele structurale, există un sistem de reglementare comun constând dintr-o genă reglatoare și o genă operatoră. Gena regulatoare determină sinteza unei proteine represoare, care, atunci când este combinată cu un operator, „permite” sau „interzice” citirea informațiilor din genele structurale corespunzătoare. Gena operator și genele structurale care au urmat au fost numite operon - o unitate de citire a informațiilor genetice, o unitate de transcripție (Fig. 4.8).

De exemplu, pentru viața normală a E. coli, este necesar zahărul din lapte - lactoză. Are o regiune de lactoză (lac-operon), pe care se află trei gene structurale pentru descompunerea lactozei. Dacă lactoza nu intră în celulă, atunci proteina represoare produsă de gena regulatoare se leagă de operator și astfel „interzice” transcripția (sinteza ARNm) din întregul operon. Dacă lactoza intră în celulă, atunci funcția proteinei represoare este blocată, începe transcripția, translația, sinteza proteinelor enzimatice și decongelarea lactozei. După descompunerea întregii lactoze, activitatea proteinei represoare este restabilită și transcripția este suprimată.
Astfel, genele pot fi activate și dezactivate. Reglarea lor este influențată de produse metabolice, hormoni. Gena funcționează în sistemul ADN-ARN-proteină, care este influențat de interacțiunea dintre gene și factorii de mediu.

Mai întâi, stabiliți secvența pașilor în biosinteza proteinelor, începând cu transcripția. Întreaga secvență de procese care au loc în timpul sintezei moleculelor proteice poate fi combinată în 2 etape:

Transcriere.
Difuzare.

Unitățile structurale ale informațiilor ereditare sunt genele - secțiuni ale moleculei de ADN care codifică sinteza unei anumite proteine. În ceea ce privește organizarea chimică, materialul de ereditate și variabilitatea pro- și eucariote nu este fundamental diferit. Materialul genetic din ele este prezentat în molecula de ADN, principiul înregistrării informațiilor ereditare și codul genetic este de asemenea comun. Aceiași aminoacizi din pro- și eucariote sunt criptați de aceiași codoni.

Genomul celulelor procariote moderne se caracterizează printr-o dimensiune relativ mică, ADN-ul Escherichia coli are forma unui inel, de aproximativ 1 mm lungime. Conține 4 x 10 6 perechi de baze, formând aproximativ 4000 de gene. În 1961, F. Jacob și J. Monod au descoperit organizarea cistronică sau continuă a genelor procariote, care constau în întregime din secvențe de nucleotide codificatoare și sunt realizate în întregime în timpul sintezei proteinelor. Materialul ereditar al moleculei de ADN a procariotelor este localizat direct în citoplasma celulei, unde se află și ARNt-ul și enzimele necesare pentru exprimarea genelor.Expresia este activitatea funcțională a genelor, sau expresia genelor. Prin urmare, ARNm sintetizat cu ADN este capabil să acționeze imediat ca un șablon în procesul de traducere a sintezei proteinelor.

Genomul eucariot conține mult mai mult material ereditar. La om, lungimea totală a ADN-ului din setul diploid de cromozomi este de aproximativ 174 cm. Acesta conține 3 x 10 9 perechi de baze și include până la 100.000 de gene. În 1977, a fost descoperită o discontinuitate în structura majorității genelor eucariote, care a fost numită gena „mozaic”. Are secvențe de nucleotide codificatoare exonicși intron parcele. Pentru sinteza proteinelor se utilizează doar informațiile despre exoni. Numărul de introni variază în diferite gene. S-a stabilit că gena ovalbuminei de pui include 7 introni, iar gena procolagenului de mamifer - 50. Funcțiile ADN-ului tăcut - introni nu au fost complet elucidate. Se presupune că acestea asigură: 1) organizarea structurală a cromatinei; 2) unele dintre ele sunt în mod evident implicate în reglarea expresiei genelor; 3) intronii pot fi considerați ca un depozit de informații pentru variabilitate; 4) pot juca un rol protector, preluând acţiunea mutagenilor.

Transcriere

Procesul de rescriere a informațiilor din nucleul celulei dintr-o porțiune a unei molecule de ADN într-o moleculă de ARNm (ARNm) se numește transcriere(lat. Transcriptio - rescriere). Produsul primar al genei, ARNm, este sintetizat. Acesta este primul pas în sinteza proteinelor. Pe secțiunea corespunzătoare a ADN-ului, enzima ARN polimerază recunoaște semnul începerii transcripției - previzualizare Punctul de plecare este considerat a fi prima nucleotidă ADN, care este inclusă de enzimă în transcriptul ARN. De regulă, regiunile de codificare încep cu codonul AUG, uneori GUG este folosit în bacterii. Când ARN polimeraza se leagă de promotor, helixul dublu ADN este nerăsucit local și una dintre catene este copiată conform principiului complementarității. ARNm este sintetizat, viteza sa de asamblare atinge 50 de nucleotide pe secundă. Pe măsură ce ARN polimeraza se mișcă, lanțul de ARNm crește, iar când enzima ajunge la sfârșitul locului de copiere - terminator, ARNm se îndepărtează de șablon. Helixul dublu ADN din spatele enzimei este reparat.

Transcrierea procariotelor are loc în citoplasmă. Datorită faptului că ADN-ul constă în întregime din secvențe de nucleotide care codifică, prin urmare, ARNm sintetizat acționează imediat ca un șablon pentru traducere (vezi mai sus).

Transcripția ARNm la eucariote are loc în nucleu. Începe cu sinteza moleculelor mari - precursori (pro-ARNm), numite imatur sau ARN nuclear.Produsul primar al genei - pro-ARNm este o copie exactă a regiunii ADN-ului transcris, include exoni și introni. Procesul de formare a moleculelor mature de ARN din precursori se numește prelucrare. Maturarea ARNm are loc prin îmbinare sunt butași de către enzime restrictaza introni și conexiunea situsurilor cu secvențe de exoni transcrise de către enzimele ligază. (Fig.) ARNm matur este mult mai scurt decât moleculele precursoare pro-ARNm, mărimea intronilor din ele variază de la 100 la 1000 de nucleotide sau mai mult. Intronii reprezintă aproximativ 80% din totalul ARNm imatur.

Acum s-a demonstrat că este posibil îmbinare alternativă,în care secvențele de nucleotide pot fi șterse dintr-un transcript primar în diferitele sale regiuni și se vor forma mai multe ARNm mature. Acest tip de splicing este caracteristic sistemului de gene imunoglobulinei la mamifere, ceea ce face posibilă formarea diferitelor tipuri de anticorpi pe baza unui singur transcript de ARNm.

La finalizarea procesării, mARN-ul matur este selectat înainte de a părăsi nucleul. S-a stabilit că doar 5% din ARNm matur intră în citoplasmă, iar restul este scindat în nucleu.

Difuzare

Traducere (lat. Translatio - transfer, transfer) - traducerea informațiilor conținute în secvența de nucleotide a moleculei de ARNm în secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic (Fig. 10). Aceasta este a doua etapă a sintezei proteinelor. Transferul ARNm matur prin porii învelișului nuclear produce proteine speciale care formează un complex cu molecula de ARN. Pe lângă transportul ARNm, aceste proteine protejează ARNm de efectele dăunătoare ale enzimelor citoplasmatice. În procesul de traducere, ARNt-urile joacă un rol central; ele asigură corespondența exactă a aminoacidului cu codul tripletului ARNm. Procesul de translație-decodificare are loc în ribozomi și se desfășoară în direcția de la 5 la 3. Complexul de ARNm și ribozomi se numește polizom.

Translația poate fi împărțită în trei faze: inițiere, alungire și terminare.

Iniţiere.

În această etapă, întreg complexul implicat în sinteza moleculei proteice este asamblat. Există o unire a două subunități de ribozom la un anumit loc al ARNm, primul aminoacil - ARNt este atașat la acesta și aceasta stabilește cadrul pentru citirea informațiilor. Orice moleculă de ARNm conține un situs care este complementar ARNr-ului subunității mici a ribozomului și controlat în mod specific de acesta. Alături de acesta se află codonul de pornire AUG, care codifică aminoacidul metionină.

Elongaţie

- include toate reacțiile de la momentul formării primei legături peptidice până la adăugarea ultimului aminoacid. Ribozomul are două situsuri pentru legarea a două molecule de ARNt. Primul t-ARN cu aminoacidul metionină este situat într-o secțiune, peptidil (P), iar sinteza oricărei molecule proteice începe de la acesta. A doua moleculă t-ARN intră în al doilea loc al ribozomului - aminoacil (A) și se atașează de codonul său. Se formează o legătură peptidică între metionină și al doilea aminoacid. Al doilea ARNt se deplasează împreună cu codonul său ARNm către centrul peptidil. Mișcarea ARNt cu lanțul polipeptidic de la centrul aminoacil la centrul peptidil este însoțită de avansarea ribozomului de-a lungul ARNm printr-o etapă corespunzătoare unui codon. ARNt-ul care a eliberat metionina revine în citoplasmă, iar centrul amnoacil este eliberat. Acesta primește un nou t-ARN cu un aminoacid criptat de următorul codon. Între al treilea și al doilea aminoacid se formează o legătură peptidică, iar al treilea ARNt, împreună cu codonul ARNm, se deplasează în centrul peptidil Procesul de alungire, alungire a lanțului proteic. Continuă până când unul dintre cei trei codoni care nu codifică aminoacizi intră în ribozom. Acesta este un codon terminator și nu există ARNt corespunzător pentru acesta, astfel încât niciunul dintre ARNt nu poate ocupa un loc în centrul aminoacil.

Încetarea

- finalizarea sintezei polipeptidelor. Este asociată cu recunoașterea de către o proteină ribozomală specifică a unuia dintre codonii de terminație (UAA, UAG, UGA) atunci când intră în centrul aminoacil. Ribozomului este atașat un factor de terminare special, care promovează separarea subunităților ribozomului și eliberarea moleculei de proteină sintetizată. Apa este atașată de ultimul aminoacid al peptidei și capătul său carboxil este separat de ARNt.

Asamblarea lanțului peptidic se realizează la o viteză mare. În bacterii la o temperatură de 37°C, este exprimată prin adăugarea a 12 până la 17 aminoacizi pe secundă la polipeptidă. În celulele eucariote, doi aminoacizi sunt adăugați la o polipeptidă într-o secundă.

Lanțul polipeptidic sintetizat intră apoi în complexul Golgi, unde se finalizează construcția moleculei proteice (structurile a doua, a treia, a patra apar în succesiune). Aici există o complexare a moleculelor de proteine cu grăsimi și carbohidrați.

Întregul proces de biosinteză a proteinelor este prezentat sub forma unei scheme: ADN ® pro mRNA ® ARNm ® lanț polipeptidic ® proteină ® complexare proteică și transformarea lor în molecule active funcțional.

Etapele implementării informațiilor ereditare decurg, de asemenea, într-un mod similar: mai întâi, este transcris în secvența de nucleotide a ARNm și apoi tradus în secvența de aminoacizi a polipeptidei pe ribozomi cu participarea ARNt.

Transcrierea eucariotelor se realizează sub acțiunea a trei ARN polimeraze nucleare. ARN polimeraza 1 este localizată în nucleol și este responsabilă pentru transcrierea genelor ARNr. ARN polimeraza 2 se găsește în seva nucleară și este responsabilă pentru sinteza precursorului ARNm. ARN polimeraza 3 este o fracțiune mică din seva nucleară care sintetizează ARNr și ARNt mici. ARN polimerazele recunosc în mod specific secvența de nucleotide a promotorului transcripției. ARNm eucariotic este mai întâi sintetizat ca un precursor (pro-ARNm), informațiile de la exoni și introni sunt eliminate în acesta. ARNm sintetizat este mai mare decât este necesar pentru translație și este mai puțin stabil.

În procesul de maturare a moleculei de ARNm, intronii sunt tăiați cu ajutorul enzimelor de restricție, iar exonii sunt cusuți împreună cu ajutorul enzimelor ligază. Maturarea ARNm se numește procesare, iar unirea exonilor se numește splicing. Astfel, ARNm matur conține doar exoni și este mult mai scurt decât predecesorul său, pro-ARNm. Dimensiunile intronului variază de la 100 la 10.000 de nucleotide sau mai mult. Intonii reprezintă aproximativ 80% din totalul ARNm imatur. În prezent, a fost dovedită posibilitatea splicing-ului alternativ, în care secvențele de nucleotide pot fi șterse dintr-o transcriere primară în diferitele sale regiuni și se vor forma mai multe ARNm mature. Acest tip de splicing este caracteristic sistemului de gene imunoglobulinei la mamifere, ceea ce face posibilă formarea diferitelor tipuri de anticorpi pe baza unui singur transcript de ARNm. La finalizarea procesării, ARNm-ul matur este selectat înainte de a fi eliberat în citoplasmă din nucleu. S-a stabilit că doar 5% din ARNm matur intră, iar restul este scindat în nucleu. Transformarea transcriptoanelor primare ale genelor eucariote, asociate cu organizarea lor exon-intron, și în legătură cu tranziția ARNm matur de la nucleu la citoplasmă, determină caracteristicile realizării informației genetice a eucariotelor. Prin urmare, gena mozaic eucariotă nu este o genă cistronom, deoarece nu toată secvența ADN este utilizată pentru sinteza proteinelor.

Biosinteza proteinelor are loc în fiecare celulă vie. Este cel mai activ în celulele tinere în creștere, unde proteinele sunt sintetizate pentru construirea organelelor lor, precum și în celulele secretoare, unde sunt sintetizate proteinele enzimatice și proteinele hormonale.

Rolul principal în determinarea structurii proteinelor îi revine ADN-ului. O bucată de ADN care conține informații despre structura unei singure proteine se numește genă. O moleculă de ADN conține câteva sute de gene. O moleculă de ADN conține un cod pentru secvența de aminoacizi dintr-o proteină sub formă de nucleotide combinate definitiv. Codul ADN a fost descifrat aproape complet. Esența sa este următoarea. Fiecare aminoacid corespunde unei secțiuni a lanțului ADN din trei nucleotide adiacente.

De exemplu, secțiunea T-T-T corespunde aminoacidului lizină, segmentul A-C-A corespunde cistinei, C-A-A valinei etc. Există 20 de aminoacizi diferiți, numărul de combinații posibile de 4 nucleotide cu 3 este de 64. Prin urmare, există triplete mai mult decât suficiente pentru a codifica toți aminoacizii.

Sinteza proteinelor este un proces complex în mai multe etape care reprezintă un lanț de reacții sintetice care se desfășoară conform principiului sintezei matricei.

Deoarece ADN-ul este localizat în nucleul celulei, iar sinteza proteinelor are loc în citoplasmă, există un intermediar care transmite informații de la ADN la ribozomi. Un astfel de intermediar este ARNm. :

În biosinteza proteinelor, sunt determinate următoarele etape, care au loc în diferite părți ale celulei:

Prima etapă - sinteza i-ARN are loc în nucleu, timp în care informațiile conținute în gena ADN-ului sunt rescrise în i-ARN. Acest proces se numește transcriere (din latinescul „transcriere” – rescriere).
În a doua etapă, aminoacizii sunt combinați cu molecule t-ARN, care constau secvenţial din trei nucleotide - anticodoni, cu ajutorul cărora se determină codonul lor triplet.
A treia etapă este procesul de sinteză directă a legăturilor polipeptidice, numită translație. Apare în ribozomi.
În a patra etapă are loc formarea structurii secundare și terțiare a proteinei, adică formarea structurii finale a proteinei.

Astfel, în procesul de biosinteză a proteinelor, se formează noi molecule de proteine în conformitate cu informațiile exacte încorporate în ADN. Acest proces asigură reînnoirea proteinelor, procesele metabolice, creșterea și dezvoltarea celulelor, adică toate procesele activității vitale a celulelor.

Cromozomii (din grecescul „chroma” – culoare, „soma” – corp) sunt structuri foarte importante ale nucleului celular. Aceștia joacă un rol major în procesul de diviziune celulară, asigurând transferul informațiilor ereditare de la o generație la alta. Sunt catene subtiri de ADN atasate de proteine. Filamentele se numesc cromatide și sunt formate din ADN, proteine de bază (histone) și proteine acide.

Într-o celulă nedivizată, cromozomii umplu întregul volum al nucleului și nu sunt vizibili la microscop. Înainte de a începe diviziunea, are loc spiralizarea ADN-ului și fiecare cromozom devine vizibil la microscop. În timpul spiralizării, cromozomii sunt reduse de zeci de mii de ori. În această stare, cromozomii arată ca două fire identice (cromatide) situate una lângă alta, conectate printr-un loc comun - centromerul.

Fiecare organism este caracterizat de un număr constant și de o structură de cromozomi. În celulele somatice, cromozomii sunt întotdeauna perechi, adică în nucleu există doi cromozomi identici care formează o pereche. Astfel de cromozomi se numesc omologi, iar seturile pereche de cromozomi din celulele somatice sunt numite diploide.

Deci, setul diploid de cromozomi la om este format din 46 de cromozomi, formând 23 de perechi. Fiecare pereche este formată din doi cromozomi identici (omologi).

Caracteristicile structurale ale cromozomilor fac posibilă distingerea celor 7 grupe ale acestora, care sunt notate cu literele latine A, B, C, D, E, F, G. Toate perechile de cromozomi au numere de serie.

Bărbații și femeile au 22 de perechi de cromozomi identici. Se numesc autozomi. Bărbații și femeile diferă într-o pereche de cromozomi, care se numesc cromozomi sexuali. Ele sunt desemnate prin litere - X mare (grupul C) și Y mic (grupul C). Corpul feminin are 22 de perechi de autozomi și o pereche (XX) de cromozomi sexuali. Bărbații au 22 de perechi de autozomi și o pereche (XY) de cromozomi sexuali.

Spre deosebire de celulele somatice, celulele germinale conțin jumătate din setul de cromozomi, adică conțin câte un cromozom din fiecare pereche! Un astfel de set se numește haploid. Setul haploid de cromozomi ia naștere în procesul de maturare celulară.

Pentru a studia procesele care au loc în organism, trebuie să știți ce se întâmplă la nivel celular. Unde proteinele joacă un rol important. Este necesar să se studieze nu numai funcțiile lor, ci și procesul de creație. Prin urmare, este important să explici pe scurt și clar. Clasa 9 este cea mai potrivită pentru asta. În această etapă, elevii au suficiente cunoștințe pentru a înțelege acest subiect.

Proteine - ce este și pentru ce sunt acestea

Acești compuși macromoleculari joacă un rol uriaș în viața oricărui organism. Proteinele sunt polimeri, adică constau din multe „bucăți” similare. Numărul lor poate varia de la câteva sute la mii.

Proteinele îndeplinesc multe funcții în celulă. Rolul lor este mare și la niveluri superioare de organizare: țesuturile și organele depind în mare măsură de funcționarea corectă a diferitelor proteine.

De exemplu, toți hormonii sunt de origine proteică. Dar aceste substanțe sunt cele care controlează toate procesele din organism.

Hemoglobina este, de asemenea, o proteină, este formată din patru lanțuri, care sunt conectate în centru printr-un atom de fier. Această structură oferă capacitatea de a transporta oxigen de către eritrocite.

Amintiți-vă că toate membranele conțin proteine. Sunt necesare pentru transportul substanțelor prin membrana celulară.

Există mult mai multe funcții ale moleculelor de proteine pe care le îndeplinesc clar și fără îndoială. Acești compuși uimitori sunt foarte diverși nu numai în rolurile lor în celulă, ci și în structură.

Unde are loc sinteza

Ribozomul este organul în care are loc partea principală a procesului numit „biosinteza proteinelor”. Clasa a 9-a în diferite școli diferă în curriculum pentru studiul biologiei, dar mulți profesori oferă material despre organele în avans, înainte de a studia traducerea.

Prin urmare, elevilor nu le va fi dificil să-și amintească materialul acoperit și să-l consolideze. Ar trebui să fiți conștienți de faptul că pe o singură organelă poate fi creat un singur lanț polipeptidic la un moment dat. Acest lucru nu este suficient pentru a satisface toate nevoile celulei. Prin urmare, există o mulțime de ribozomi și cel mai adesea sunt combinați cu reticulul endoplasmatic.

Un astfel de EPS se numește dur. Beneficiul unei astfel de „colaborări” este evident: imediat după sinteză, proteina intră în canalul de transport și poate fi trimisă la destinație fără întârziere.

Dar dacă luăm în considerare chiar începutul, și anume citirea informațiilor din ADN, atunci putem spune că biosinteza proteinelor într-o celulă vie începe în nucleu. Acolo este sintetizat codul genetic.

Materialele necesare sunt aminoacizii, locul sintezei este ribozomul

Se pare că este dificil de explicat cum se desfășoară biosinteza proteinelor, pe scurt și clar, diagrama procesului și numeroasele desene sunt pur și simplu necesare. Ei vor ajuta la transmiterea tuturor informațiilor, precum și elevii își vor putea aminti mai ușor.

În primul rând, pentru sinteza ai nevoie de un „material de construcție” - aminoacizi. Unele dintre ele sunt produse de organism. Altele pot fi obținute doar din alimente, se numesc indispensabile.

Numărul total de aminoacizi este de douăzeci, dar datorită numărului mare de opțiuni în care pot fi aranjați într-un lanț lung, moleculele de proteine sunt foarte diverse. Acești acizi sunt similari ca structură, dar diferă în radicali.

Proprietățile acestor părți ale fiecărui aminoacid sunt cele care determină ce structură se va „plia” lanțul rezultat, dacă va forma o structură cuaternară cu alte lanțuri și ce proprietăți va avea macromolecula rezultată.

Procesul de biosinteză a proteinelor nu poate continua pur și simplu în citoplasmă, are nevoie de un ribozom. este format din două subunități - mare și mică. În repaus, sunt separați, dar de îndată ce începe sinteza, se conectează imediat și încep să funcționeze.

Acizi ribonucleici atât de diferiți și importanți

Pentru a aduce un aminoacid în ribozom, aveți nevoie de un ARN special numit transport. Este abreviat ca ARNt. Această moleculă monocatenară de trifoi este capabilă să atașeze un singur aminoacid la capătul său liber și să-l transporte la locul sintezei proteinelor.

Un alt ARN implicat în sinteza proteinelor se numește matrice (informație). Poartă o componentă la fel de importantă a sintezei - un cod care precizează în mod clar când aminoacid să înlănțească lanțul proteic rezultat.

Această moleculă are o structură monocatenară, constă din nucleotide, precum și ADN. Există unele diferențe în structura primară a acestor acizi nucleici, despre care puteți citi în articolul comparativ despre ARN și ADN.

Informații despre compoziția proteinei ARNm primesc de la principalul custode al codului genetic - ADN. Procesul de citire și sinteză a ARNm se numește transcripție.

Are loc în nucleu, de unde ARNm rezultat este trimis la ribozom. ADN-ul în sine nu părăsește nucleul, sarcina sa este doar să păstreze codul genetic și să-l transfere în celula fiică în timpul diviziunii.

Tabel rezumat al principalilor participanți ai emisiunii

Pentru a descrie biosinteza proteinelor în mod concis și clar, un tabel este pur și simplu necesar. În ea, vom nota toate componentele și rolul lor în acest proces, care se numește traducere.

Însuși procesul de creare a unui lanț proteic este împărțit în trei etape. Să ne uităm la fiecare dintre ele mai detaliat. După aceea, puteți explica cu ușurință biosinteza proteinelor tuturor celor care o doresc într-un mod scurt și ușor de înțeles.

Inițierea - începutul procesului

Aceasta este etapa inițială a translației, în care subunitatea mică a ribozomului fuzionează cu primul ARNt. Acest acid ribonucleic poartă aminoacidul metionină. Translația începe întotdeauna cu acest aminoacid, deoarece codonul de început este AUG, care codifică primul monomer din lanțul proteic.

Pentru ca ribozomul să recunoască codonul de pornire și să nu înceapă sinteza din mijlocul genei, unde poate apărea și secvența AUG, în jurul codonului de pornire este situată o secvență de nucleotide specială. Din ele, ribozomul recunoaște locul unde ar trebui să stea subunitatea sa mică.

După formarea complexului cu ARNm, etapa de inițiere se încheie. Și începe etapa principală a traducerii.

Alungirea - mijlocul sintezei

În această etapă, are loc o acumulare treptată a lanțului proteic. Durata alungirii depinde de numărul de aminoacizi din proteină.

În primul rând, subunitatea mare a ribozomului este atașată subunității mici. Și t-ARN-ul inițial este în întregime în el. Afară rămâne doar metionină. Apoi, un al doilea t-ARN care poartă un alt aminoacid intră în subunitatea mare.

Dacă al doilea codon de pe ARNm se potrivește cu anticodonul din partea de sus a frunzei de trifoi, al doilea aminoacid este atașat de primul printr-o legătură peptidică.

După aceea, ribozomul se deplasează de-a lungul m-ARN-ului exact pentru trei nucleotide (un codon), primul t-ARN detașează metionina de la sine și se separă de complex. În locul său se află un al doilea t-ARN, la capătul căruia sunt deja doi aminoacizi.

Apoi un al treilea ARNt intră în subunitatea mare și procesul se repetă. Acesta va continua până când ribozomul lovește un codon din ARNm care semnalează sfârșitul translației.

Încetarea

Această etapă este ultima, poate părea foarte crudă unora. Toate moleculele și organitele care au lucrat atât de armonios pentru a crea un lanț polipeptidic se opresc de îndată ce ribozomul lovește un codon terminal.

Nu codifică niciun aminoacid, așa că orice ARNt intră în subunitatea mare va fi respins din cauza unei nepotriviri. Aici intră în joc factorii de terminare, care separă proteina finită de ribozom.

Organela în sine se poate împărți în două subunități sau poate continua în jos ARNm în căutarea unui nou codon de început. Un ARNm poate avea mai mulți ribozomi simultan. Fiecare dintre ele se află în propriul stadiu de traducere.Proteina nou creată este prevăzută cu markeri, cu ajutorul cărora destinația sa va fi clară pentru toată lumea. Și prin EPS va fi trimis acolo unde este nevoie.

Pentru a înțelege rolul biosintezei proteinelor, este necesar să se studieze ce funcții poate îndeplini. Depinde de secvența de aminoacizi din lanț. Proprietățile lor sunt cele care determină secundarul, terțiarul și uneori cuaternarul (dacă există) și rolul său în celulă. Puteți citi mai multe despre funcțiile moleculelor de proteine într-un articol pe acest subiect.

Cum să aflați mai multe despre difuzare

Acest articol descrie biosinteza proteinelor într-o celulă vie. Desigur, dacă studiezi subiectul mai profund, va fi nevoie de multe pagini pentru a explica procesul în toate detaliile. Dar materialul de mai sus ar trebui să fie suficient pentru o idee generală.Materialele video în care oamenii de știință au simulat toate etapele traducerii pot fi foarte utile pentru înțelegere. Unele dintre ele au fost traduse în rusă și pot servi drept ghid excelent pentru studenți sau doar un videoclip educațional.