Baltymai vaidina labai svarbų vaidmenį organizmų gyvenime, atlieka apsaugines, struktūrines, hormonines, energetines funkcijas. Užtikrina raumenų ir kaulinio audinio augimą. Baltymai informuoja apie ląstelės sandarą, funkcijas ir biochemines savybes, yra vertingų, organizmui naudingų maisto produktų (kiaušinių, pieno produktų, žuvies, riešutų, ankštinių augalų, rugių ir kviečių) dalis. Tokio maisto virškinamumas paaiškinamas jo biologine verte. Turint vienodą baltymų kiekį, produktas, kurio vertė didesnė, bus lengviau virškinamas. Sugedę polimerai turi būti pašalinti iš korpuso ir pakeisti naujais. Šis procesas vyksta baltymų sintezės ląstelėse metu.
Kas yra baltymai?
Medžiagos, susidedančios tik iš aminorūgščių liekanų, vadinamos paprastais baltymais (baltymais). Prireikus panaudojamos jų energetinės savybės, todėl sveiką gyvenimo būdą vedantiems žmonėms dažnai papildomai reikia vartoti baltymų. Sudėtinguose baltymuose, proteinuose, yra paprastas baltymas ir nebaltyminė dalis. Dešimt baltymuose esančių aminorūgščių yra būtinos, vadinasi, organizmas negali jų susintetinti pats, jos gaunamos su maistu, o kitos dešimt yra pakeičiamos, tai yra gali būti sukurtos iš kitų aminorūgščių. Taip prasideda gyvybiškai svarbus procesas visiems organizmams.
Pagrindiniai biosintezės etapai: iš kur atsiranda baltymai?
Naujos molekulės susidaro per biosintezę, cheminę junginio reakciją. Yra du pagrindiniai baltymų sintezės ląstelėje etapai. Tai yra transkripcija ir transliacija. Transkripcija vyksta branduolyje. Tai skaitymas iš DNR (dezoksiribonukleino rūgšties), pernešančios informaciją apie būsimą baltymą, į RNR (ribonukleino rūgštį), kuri perduoda šią informaciją iš DNR į citoplazmą. Taip atsitinka dėl to, kad DNR tiesiogiai nedalyvauja biosintezėje, ji tik neša informaciją, negalėdama patekti į citoplazmą, kurioje sintetinamas baltymas, ir atlieka tik genetinės informacijos nešėjo funkciją. Transkripcija leidžia nuskaityti duomenis iš DNR šablono į RNR pagal komplementarumo principą.
RNR ir DNR vaidmuo procese
Taigi, baltymų sintezę ląstelėse skatina DNR grandinė, kuri neša informaciją apie konkretų baltymą ir vadinama genu. Transkripcijos metu DNR grandinė išsivynioja, tai yra, jos spiralė pradeda irti į linijinę molekulę. Iš DNR informacija turi būti paversta RNR. Šiame procese adeninas turėtų tapti priešingu timinu. Citozinas, kaip ir DNR, turi guanino porą. Priešingai nei adeninas, RNR tampa uracilu, nes RNR nėra tokio nukleotido kaip timinas, jis tiesiog pakeičiamas uracilo nukleotidu. Citozinas yra šalia guanino. Priešingai adeninui yra uracilas, o suporuotas su timinu yra adeninas. Šios RNR molekulės, kurios yra atvirkštinės, vadinamos pasiuntinio RNR (mRNR). Jie gali išeiti iš branduolio per poras į citoplazmą ir ribosomas, kurios iš tikrųjų atlieka baltymų sintezės ląstelėse funkciją.
Apie kompleksą paprastais žodžiais
Dabar baltymo polipeptidinė grandinė yra surinkta iš aminorūgščių sekų. Transkripcija gali būti vadinama informacijos apie būsimą baltymą skaitymu iš DNR šablono į RNR. Tai galima apibrėžti kaip pirmąjį etapą. Po to, kai RNR palieka branduolį, ji turi keliauti į ribosomas, kur įvyksta antrasis etapas, vadinamas vertimu.
Vertimas jau yra RNR perėjimas, tai yra informacijos perkėlimas iš nukleotidų į baltymo molekulę, kai RNR nurodo, kokia aminorūgščių seka turi būti medžiagoje. Šia tvarka pasiuntinio RNR patenka į citoplazmą į ribosomas, kurios atlieka baltymų sintezę ląstelėje: A (adeninas) - G (guaninas) - U (uracilas) - C (citozinas) - U (uracilas) - A (adeninas).
Kodėl reikalingos ribosomos?
Kad įvyktų vertimas ir dėl to susidarytų baltymas, reikalingi komponentai, tokie kaip pati pasiuntinio RNR, pernešimo RNR ir ribosomos kaip „gamykla“, kurioje gaminamas baltymas. Šiuo atveju veikia dviejų tipų RNR: informacinė, kuri susidarė branduolyje su DNR, ir transportinė. Antroji rūgšties molekulė atrodo kaip dobilas. Šis „dobilas“ pririša prie savęs aminorūgštį ir perneša ją į ribosomas. Tai yra, jis transportuoja organinius junginius tiesiai į „gamyklą“ jiems susidaryti.
Kaip veikia rRNR
Taip pat yra ribosomų RNR, kurios yra pačios ribosomos dalis ir atlieka baltymų sintezę ląstelėje. Pasirodo, ribosomos yra nemembraninės struktūros, jos neturi membranų, kaip, pavyzdžiui, branduolio ar endoplazminio tinklo, o susideda tiesiog iš baltymų ir ribosominės RNR. Kas atsitinka, kai nukleotidų seka, ty pasiuntinio RNR, patenka į ribosomas?
Pernešimo RNR, esanti citoplazmoje, traukia aminorūgštis link savęs. Iš kur ląstelėje atsiranda amino rūgštys? Ir jie susidaro skaidant baltymus, kurie patenka su maistu. Šie junginiai krauju nunešami į ląsteles, kur gaminasi organizmui būtini baltymai.
Paskutinis baltymų sintezės ląstelėse etapas
Aminorūgštys plūduriuoja citoplazmoje kaip ir pernešančios RNR, o kai polipeptidinė grandinė surenkama tiesiogiai, šios pernešančios RNR pradeda jungtis su jomis. Tačiau ne kiekvienoje sekoje ir ne kiekvienoje perdavimo RNR gali susijungti su visų tipų aminorūgštimis. Yra tam tikra vieta, prie kurios prijungiama reikiama aminorūgštis. Antroji perdavimo RNR dalis vadinama antikodonu. Šis elementas susideda iš trijų nukleotidų, kurie papildo nukleotidų seką pasiuntinio RNR. Vienai aminorūgščiai reikia trijų nukleotidų. Pavyzdžiui, paprastumo dėlei tam tikras baltymas susideda tik iš dviejų aminorūgščių. Akivaizdu, kad baltymai paprastai turi labai ilgą struktūrą ir susideda iš daugybės aminorūgščių. A - G - U grandinė vadinama tripletu arba kodonu, prie jos bus prijungta dobilo pavidalo pernešimo RNR, kurios gale bus tam tikra aminorūgštis. Kitas tripletas C - U - A bus prijungtas prie kitos tRNR, kurioje bus visiškai kita aminorūgštis, papildanti šią seką. Tokia tvarka vyks tolesnis polipeptidinės grandinės surinkimas.
Biologinė sintezės reikšmė
Peptidinė jungtis susidaro tarp dviejų aminorūgščių, esančių kiekvieno tripleto dobilų galuose. Šiame etape pernešimo RNR patenka į citoplazmą. Tada tripletus sujungia kita perdavimo RNR su kita aminorūgštimi, kuri sudaro polipeptidinę grandinę su ankstesnėmis dviem. Šis procesas kartojamas tol, kol pasiekiama reikiama aminorūgščių seka. Taip ląstelėje vyksta baltymų sintezė, susidaro fermentai, hormonai, kraujo medžiagos ir kt.. Ne kiekviena ląstelė gamina kokį nors baltymą. Kiekviena ląstelė gali gaminti tam tikrą baltymą. Pavyzdžiui, raudonuosiuose kraujo kūneliuose susidarys hemoglobinas, o kasos ląstelės sintetins hormonus ir įvairius fermentus, skaidančius į organizmą patenkantį maistą.
Baltymai aktinas ir miozinas susidarys raumenyse. Kaip matote, baltymų sintezės procesas ląstelėse yra daugiapakopis ir sudėtingas, o tai rodo jo svarbą ir būtinumą visoms gyvoms būtybėms.
Pagrindinis genetikos klausimas yra baltymų sintezės klausimas. Apibendrinęs duomenis apie DNR ir RNR struktūrą bei sintezę, Crickas 1960 m. pasiūlė baltymų sintezės matricos teoriją, pagrįstą 3 principais:
1. DNR ir RNR azotinių bazių komplementarumas.
2. Linijinė genų išsidėstymo seka DNR molekulėje.
3. Paveldima informacija gali būti perduota tik iš nukleino rūgšties į nukleino rūgštį arba į baltymą.
Paveldimos informacijos perkėlimas iš baltymo į baltymą neįmanomas. Taigi tik nukleorūgštys gali būti baltymų sintezės matrica.
Baltymų sintezei jums reikia:
1. DNR (genai), ant kurių sintetinamos molekulės.
2. RNR – (i-RNR) arba (m-RNR), r-RNR, t-RNR
Baltymų sintezės procese yra etapai: transkripcija ir vertimas.
Transkripcija– informacijos apie nukleino struktūrą iš DNR į RNR (t-RNR, ir RNR, r-RNR) surašymas (perrašymas).
Paveldima informacija pradedama skaityti nuo tam tikros DNR dalies, vadinamos promotoriumi. Promotorius yra priešais geną ir apima apie 80 nukleotidų.
Išorinėje DNR molekulės grandinėje sintetinama mRNR (tarpinis produktas), kuri tarnauja kaip baltymų sintezės matrica ir todėl vadinama šablonu. Tai tiksli DNR grandinės nukleotidų sekos kopija.
Yra DNR dalių, kuriose nėra genetinės informacijos (intronų). DNR sekcijos, kuriose yra informacijos, vadinamos egzonais.
Branduolyje yra specialūs fermentai, kurie išpjauna intronus, o egzonų fragmentai griežta tvarka „sujungiami“ į bendrą giją, šis procesas vadinamas „sujungimu“. Splaisingo proceso metu susidaro brandi m-RNR, kurioje yra baltymų sintezei reikalinga informacija. Subrendusi mRNR (pasiuntinio RNR) praeina pro branduolinės membranos poras ir patenka į endoplazminio tinklo (citoplazmos) kanalus ir čia susijungia su ribosomomis.
Transliacija– nukleotidų išsidėstymo seka mRNR paverčiama griežtai sutvarkyta aminorūgščių išsidėstymo seka susintetinto baltymo molekulėje.
Vertimo procesą sudaro 2 etapai: aminorūgščių aktyvinimas ir tiesioginė baltymo molekulės sintezė.
Viena mRNR molekulė susijungia su 5-6 ribosomomis, sudarydama polisomas. Baltymų sintezė vyksta mRNR molekulėje, ribosomos juda išilgai jos. Šiuo laikotarpiu citoplazmoje esančias aminorūgštis aktyvuoja specialūs fermentai, kuriuos išskiria mitochondrijų išskiriami fermentai, kurių kiekvienas turi savo specifinį fermentą.
Beveik akimirksniu aminorūgštys prisijungia prie kito tipo RNR – mažos molekulinės masės tirpios RNR, kuri veikia kaip aminorūgščių nešėja į m-RNR molekulę ir vadinama transportine RNR (t-RNR). tRNR perneša aminorūgštis į ribosomas į tam tikrą vietą, kur iki to laiko baigiasi mRNR molekulė. Tada aminorūgštys viena su kita susijungia peptidiniais ryšiais ir susidaro baltymo molekulė. Baltymų sintezės pabaigoje molekulė palaipsniui palieka m-RNR.
Viena mRNR molekulė gamina 10-20 baltymų molekulių, o kai kuriais atvejais ir daugiau.
Labiausiai neaiškus baltymų sintezės klausimas yra tai, kaip tRNR suranda atitinkamą mRNR sekciją, prie kurios turėtų būti prijungta jos atnešta aminorūgštis.
Azotinių bazių išsidėstymo DNR seka, kuri lemia aminorūgščių išsidėstymą sintezuojamame baltyme – genetinis kodas.
Kadangi ta pati paveldima informacija „įrašyta“ nukleino rūgštyse keturiais ženklais (azoto bazės), o baltymuose – dvidešimt (aminorūgštys). Genetinio kodo problema kyla dėl jų atitikimo nustatymo. Genetikai, fizikai ir chemikai atliko svarbų vaidmenį iššifruojant genetinį kodą.
Norint iššifruoti genetinį kodą, pirmiausia reikėjo išsiaiškinti, koks minimalus nukleotidų skaičius gali nulemti (koduoti) vienos aminorūgšties susidarymą. Jei kiekviena iš 20 aminorūgščių būtų koduota viena baze, tai DNR turėtų turėti 20 skirtingų bazių, bet iš tikrųjų jų yra tik 4. Akivaizdu, kad dviejų nukleotidų derinio taip pat nepakanka 20 aminorūgščių kodavimui. Jis gali koduoti tik 16 aminorūgščių: 4 2 = 16.
Tada buvo pasiūlyta, kad kodas apimtų 3 nukleotidų 4 3 = 64 derinius ir todėl gali koduoti daugiau nei pakankamai aminorūgščių, kad susidarytų bet kokie baltymai. Šis trijų nukleotidų derinys vadinamas tripleto kodu.
Kodas turi šias savybes:
1.Genetinio kodo trejetas(kiekvieną aminorūgštį koduoja trys nukleotidai).
2. Degeneracija– vieną aminorūgštį gali užkoduoti keli tripletai, išskyrus triptofaną ir metioniną.
3. Vienos aminorūgšties kodonuose pirmieji du nukleotidai yra vienodi, bet keičiasi trečiasis.
4.Nepersidengimas– trynukai vienas kito nepersidengia. Vienas tripletas negali būti kito dalis; kiekvienas iš jų savarankiškai koduoja savo aminorūgštį. Todėl polipeptidinėje grandinėje šalia gali būti bet kurios dvi aminorūgštys ir galimas bet koks jų derinys, t.y. bazių sekoje ABCDEFGHI pirmosios trys bazės koduoja 1 aminorūgštį (ABC-1), (DEF-2) ir kt.
5. Universalus, tie. Visuose organizmuose tam tikrų aminorūgščių kodonai yra vienodi (nuo ramunėlių iki žmogaus). Kodo universalumas liudija gyvybės žemėje vienybę.
6. Kolineariškumas– kodonų išsidėstymo iRNR sutapimas su aminorūgščių eile susintetintoje polipeptidinėje grandinėje.
Kodonas yra nukleotidų tripletas, koduojantis 1 aminorūgštį.
7. Beprasmiška– jis nekoduoja jokios aminorūgšties. Šiuo metu baltymų sintezė nutrūksta.
Pastaraisiais metais paaiškėjo, kad mitochondrijose sutrinka genetinio kodo universalumas, keturi kodonai mitochondrijose pakeitė savo reikšmę, pavyzdžiui, kodonas UGA – atitinka triptofaną vietoj „STOP“ – baltymų sintezės nutraukimas. AUA – atitinka metioniną – vietoj „izoleucino“.
Naujų kodonų atradimas mitochondrijose gali suteikti įrodymų, kad kodas išsivystė ir kad staiga toks netapo.
Tegul paveldima informacija nuo geno iki baltymo molekulės yra išreikšta schematiškai.
DNR – RNR – baltymas
Ląstelių cheminės sudėties tyrimas parodė, kad skirtinguose to paties organizmo audiniuose yra skirtingas baltymų molekulių rinkinys, nors juose yra vienodas chromosomų skaičius ir ta pati genetinė paveldima informacija.
Atkreipkime dėmesį į šią aplinkybę: nepaisant to, kad kiekvienoje ląstelėje yra visi viso organizmo genai, atskiroje ląstelėje veikia labai nedaug genų – nuo dešimtųjų iki kelių procentų viso skaičiaus. Likusios sritys yra „tylios“, jas blokuoja specialūs baltymai. Tai suprantama; kodėl, pavyzdžiui, hemoglobino genai veikia nervinėje ląstelėje? Tai, kaip ląstelė diktuoja, kurie genai tyli, o kurie veikia, reikia manyti, kad ląstelė turi tam tikrą tobulą mechanizmą, reguliuojantį genų aktyvumą, nustatantį, kurie genai tam tikru momentu turi būti aktyvūs, o kurie – neaktyvūs ( represinė) būsena. Šis mechanizmas, anot prancūzų mokslininkų F. Jacobo ir J. Monod, vadinamas indukcija ir represija.
Indukcija– baltymų sintezės stimuliavimas.
Represijos- baltymų sintezės slopinimas.
Indukcija užtikrina tų genų, kurie sintetina baltymą ar fermentą, kuris yra būtinas šiame ląstelės gyvavimo etape, funkcionavimą.
Gyvūnams ląstelių membranų hormonai vaidina svarbų vaidmenį genų reguliavimo procese; augaluose – aplinkos sąlygos ir kiti labai specializuoti induktoriai.
Pavyzdys: kai į terpę pridedama skydliaukės hormono, buožgalviai greitai virsta varlėmis.
Normaliam E (Coli) bakterijos funkcionavimui būtinas pieno cukrus (laktozė). Jei aplinkoje, kurioje yra bakterijos, nėra laktozės, šie genai yra represinės būsenos (ty neveikia). Į terpę įvedama laktozė yra induktorius, aktyvuojantis už fermentų sintezę atsakingus genus. Iš terpės pašalinus laktozę, šių fermentų sintezė sustoja. Taigi, represoriaus vaidmenį gali atlikti medžiaga, kuri sintezuojama ląstelėje, ir jei jos kiekis viršija normą arba yra suvartojamas.
Baltymų ar fermentų sintezėje dalyvauja įvairių tipų genai.
Visi genai randami DNR molekulėje.
Savo funkcijomis jie nėra vienodi:
- struktūrinis – genai, įtakojantys kokio nors fermento ar baltymo sintezę, išsidėstę DNR molekulėje paeiliui vienas po kito pagal jų įtaką sintezės reakcijos eigai arba, galima sakyti, struktūriniai genai – tai genai, kurie neša informaciją apie aminorūgščių seka.
- priėmėjas– genai neneša paveldimos informacijos apie baltymo struktūrą, jie reguliuoja struktūrinių genų funkcionavimą.
Prieš struktūrinių genų grupę yra jiems bendras genas - operatorius, ir priešais jį - propaguotojas. Apskritai ši funkcinė grupė vadinama plunksnuotas
Visa vieno operono genų grupė įtraukiama į sintezės procesą ir vienu metu iš jo išjungiama. Struktūrinių genų įjungimas ir išjungimas yra viso reguliavimo proceso esmė.
Įjungimo ir išjungimo funkciją atlieka speciali DNR molekulės dalis - genų operatorius. Operatoriaus genas yra baltymų sintezės arba, kaip sakoma, genetinės informacijos „skaitymo“ taškas. Toliau toje pačioje molekulėje tam tikru atstumu yra genas – reguliatorius, kurį kontroliuojant gaminasi baltymas, vadinamas represoriumi.
Iš viso to, kas pasakyta, aišku, kad baltymų sintezė yra labai sudėtinga. Ląstelės genetinė sistema, naudodama represijos ir indukcijos mechanizmus, gali priimti signalus apie būtinybę pradėti ir baigti tam tikro fermento sintezę ir atlikti šį procesą tam tikru greičiu.
Genų veikimo reguliavimo aukštesniuosiuose organizmuose problema turi didelę praktinę reikšmę gyvulininkystėje ir medicinoje. Nustačius baltymų sintezę reguliuojančius veiksnius atsivertų plačios galimybės kontroliuoti ontogenezę, sukurti itin produktyvius, taip pat ir paveldimoms ligoms atsparius gyvūnus.
Kontroliniai klausimai:
1.Įvardykite genų savybes.
2.Kas yra genas?
3.Įvardykite DNR ir RNR biologinę reikšmę.
4.Įvardykite baltymų sintezės etapus
5.Išvardykite genetinio kodo savybes.
Baltymų biosintezės procesas yra nepaprastai svarbus ląstelei. Kadangi baltymai yra sudėtingos medžiagos, kurios vaidina pagrindinį vaidmenį audiniuose, jie yra būtini. Dėl šios priežasties ląstelėje įgyvendinama visa baltymų biosintezės procesų grandinė, kuri vyksta keliose organelėse. Tai garantuoja ląstelių dauginimąsi ir egzistavimo galimybę.
Baltymų biosintezės proceso esmė
Vienintelė baltymų sintezės vieta yra šiurkšti, čia yra didžioji dalis ribosomų, kurios yra atsakingos už polipeptidinės grandinės susidarymą. Tačiau prieš prasidedant transliacijos stadijai (baltymų sintezės procesui), būtina suaktyvinti geną, kuris kaupia informaciją apie baltymo struktūrą. Po to reikia nukopijuoti šią DNR dalį (arba RNR, jei atsižvelgiama į bakterijų biosintezę).
Nukopijavus DNR, reikalingas pasiuntinio RNR kūrimo procesas. Jos pagrindu bus atliekama baltymų grandinės sintezė. Be to, visi etapai, vykstantys dalyvaujant nukleino rūgštims, turi vykti. Tačiau tai nėra vieta, kur vyksta baltymų sintezė. kur vyksta pasiruošimas biosintezei.
Ribosomų baltymų biosintezė
Pagrindinė baltymų sintezės vieta yra ląstelių organelė, susidedanti iš dviejų subvienetų. Tokių struktūrų ląstelėje yra labai daug ir jos daugiausia yra ant šiurkštaus endoplazminio tinklo membranų. Pati biosintezė vyksta taip: ląstelės branduolyje susidariusi pasiuntinė RNR išeina per branduolio poras į citoplazmą ir susitinka su ribosoma. Tada mRNR įstumiama į tarpą tarp ribosomų subvienetų, po to fiksuojama pirmoji aminorūgštis.
Amino rūgštys tiekiamos ten, kur vyksta baltymų sintezė. Viena tokia molekulė vienu metu gali atnešti vieną aminorūgštį. Jie prijungiami paeiliui, priklausomai nuo pasiuntinio RNR kodono sekos. Be to, sintezė tam tikrą laiką gali sustoti.
Judant išilgai mRNR, ribosoma gali patekti į regionus (intronus), kurie nekoduoja aminorūgščių. Šiose vietose ribosoma tiesiog juda išilgai mRNR, tačiau į grandinę nepridedama jokių aminorūgščių. Kai ribosoma pasiekia egzoną, ty sritį, koduojančią rūgštį, ji vėl prisijungia prie polipeptido.
Postsintetinė baltymų modifikacija
Ribosomai pasiekus pasiuntinio RNR stop kodoną, tiesioginės sintezės procesas baigiamas. Tačiau gauta molekulė turi pirminę struktūrą ir dar negali atlikti jai skirtų funkcijų. Kad molekulė pilnai funkcionuotų, ji turi būti suorganizuota į tam tikrą struktūrą: antrinę, tretinę ar dar sudėtingesnę – ketvirtinę.
Struktūrinis baltymų organizavimas
Antrinė struktūra yra pirmasis struktūrinio organizavimo etapas. Kad tai pasiektų, pirminė polipeptidinė grandinė turi susisukti (sudaryti alfa spiralę) arba sulankstyti (sudaryti beta lakštus). Tada, siekiant užimti dar mažiau vietos išilgai, molekulė dėl vandenilio, kovalentinių ir joninių ryšių, taip pat tarpatominės sąveikos dar labiau susitraukia ir suvyniojama į rutulį. Taigi gauname rutulį
Ketvirtinė baltymų struktūra
Ketvirtinė struktūra yra pati sudėtingiausia. Jį sudaro keli rutulinės struktūros skyriai, sujungti fibrilinėmis polipeptido gijomis. Be to, tretinėje ir ketvirtinėje struktūroje gali būti angliavandenių arba lipidų liekanų, kurios praplečia baltymo funkcijų spektrą. Visų pirma glikoproteinai, baltymai ir angliavandeniai yra imunoglobulinai ir atlieka apsauginę funkciją. Glikoproteinai taip pat yra ant ląstelių membranų ir veikia kaip receptoriai. Tačiau molekulė modifikuojama ne ten, kur vyksta baltymų sintezė, o lygiajame endoplazminiame tinkle. Čia yra galimybė prijungti lipidus, metalus ir angliavandenius prie baltymų domenų.
Ląstelių gebėjimas išlaikyti labai tvarkingą organizaciją priklauso nuo genetinės informacijos, kuri realizuojama, saugoma, atkuriama ar tobulinama keturiuose genetiniuose procesuose: RNR ir baltymų sintezėje, DNR atstatyme, DNR replikacijoje ir genetinėje rekombinacijoje. Baltymai paprastai sudaro daugiau nei pusę sausos ląstelės masės, o jų sintezė atlieka pagrindinį vaidmenį tokiuose procesuose kaip ląstelių augimas ir diferenciacija, išlaikant jų struktūrą ir funkciją.
Priklauso nuo kelių RNR molekulių klasių bendro veikimo. Pirma, kopijuojant DNR, kuri neša informaciją apie sintetinamą baltymą, susidaro pasiuntinio RNR (mRNR) molekulė. Konkreti pernešimo RNR (tRNR) molekulė yra prijungta prie kiekvienos iš 20 aminorūgščių, iš kurių gaminamas baltymas, o kai kurie pagalbiniai baltymo faktoriai yra prijungti prie ribosomos subvienetų, kuriuose vyksta sintezė.
Baltymų sintezės ląstelėje pradžia laikomas momentas, kai šie komponentai susijungia citoplazmoje ir sudaro funkcinę ribosomą. Kai mRNR žingsnis po žingsnio juda per ribosomą, jos nukleotidų seka paverčiama (pernešama) į atitinkamą aminorūgščių seką, todėl susidaro specifinė baltymo grandinė.
RNR sintezė DNR šablone vadinama transkripcija. Dėl transkripcijos susidaro iRNR molekulės, kurios neša informaciją baltymų sintezei ląstelėje, taip pat transportavimo, ribosominės ir kitų tipų RNR molekulės, atliekančios struktūrines ir katalizines funkcijas. Šių RNR molekulių – DNR molekulės sekcijų nukleotidų sekų kopijų – sintezę katalizuoja fermentai, vadinami RNR polimerazėmis.
RNR polimerazės surišimas pasirodo labai stiprus, jei RNR polimerazė prisijungia prie konkrečios DNR sekos, vadinamojo promotoriaus, kuriame yra RNR sintezės pradžios signalas, tai yra, prie vietos, nuo kurios turėtų prasidėti ši sintezė. Iš to sekančios reakcijos pasižymi taip: prisijungusi prie promotoriaus, RNR polimerazė išvynioja savo dvigubos spiralės dalį, taip atskleisdama nukleotidus trumpame kiekvienos iš dviejų DNR grandinių segmente. Viena iš šių dviejų atskirtų grandinių turėtų tapti šablonu pagrindinės DNR komplementariai poravimuisi su gaunamų monomerų – ribonukleozidų trifosfatų – bazėmis. Polimerazė sujungia pirmuosius du įeinančius monomerus ir taip inicijuoja susintetintą RNR grandinę. Tada RNR polimerazė, žingsnis po žingsnio judėdama palei DNR, išvynioja DNR spiralę priešais save, kiekvieną kartą atskleisdama naują šablono sekciją, skirtą papildomiems pagrindams susieti. Pridedant po vieną nukleotidą prie augančios RNR grandinės, ji palaipsniui didina grandinę.
RNR grandinės pailgėjimo procesas tęsiasi tol, kol fermentas savo kelyje susiduria su kita specifine nukleotidų seka DNR grandinėje, būtent transkripcijos nutraukimo signalu (stop signalu). Pasiekusi šį tašką, polimerazė atsiskiria ir nuo šabloninės DNR, ir nuo naujai susintetintos RNR grandinės. Kai fermentas juda išilgai šablono grandinės, jo aktyviame centre susidaro dviguba RNR-DNR spiralė. Už polimerazės molekulės, kuri baigė DNR-RNR sintezės darbą, nedelsiant atkuriama DNR-RNR spiralė, o RNR išstumiama. Kiekviena užbaigta RNR grandinė yra atskirta nuo DNR šablono kaip laisva vienos grandinės molekulė, kurioje nukleotidų skaičius svyruoja nuo 70 iki 10 000.
Paprastai viena iš DNR grandinių yra transkribuojama. Kuri iš dviejų grandinių bus transkribuota, lemia promotorius, kurio nukleotidų seka orientuota taip, kad nukreiptų RNR polimerazę į vieną ar kitą kelią.
Taip pat žinoma, kad specialūs baltymai, reguliuojantys genų veiklą, atlieka svarbų vaidmenį nustatant, kurios DNR dalys bus transkribuotos RNR polimerazės. Būtent nuo jų pirmiausia priklauso nuo to, kokius baltymus gamins ląstelė. Be to, eukariotinėse ląstelėse dauguma DNR RNR nuorašų paliks ląstelės branduolį ir judės į citoplazmą mRNR pavidalu, kur bus atlikti reikšmingi pokyčiai – susijungimas.
Visose ląstelėse yra perdavimo RNR (tRNR) rinkinys – mažos molekulės, kurių dydžiai svyruoja nuo 70 iki 90 nukleotidų. Šios RNR, vieną galą jungdamos prie specifinio mRNR kodono, o kitą – prijungdamos šio tripleto koduojamą aminorūgštį, leidžia aminorūgštims išsirikiuoti tokia tvarka, kurią diktuoja mRNR nukleotidų seka.
Kiekviena tRNR gali turėti tik vieną iš 20 aminorūgščių, naudojamų baltymų sintezei. Pernešimo RNR, pernešanti gliciną, vadinama Gly tRNR ir kt. Kiekvienai iš 20 aminorūgščių yra vieno tipo tRNR. Svarbu, kad kiekviena aminorūgštis būtų kovalentiškai prijungta prie tRNR, turinčios teisingą antikodoną – trijų nukleotidų seką, papildančią trijų nukleotidų kodoną, kuris apibrėžia šią aminorūgštį mRNR molekulėje. Kodono ir antikodono poravimas leidžia kiekvieną aminorūgštį įtraukti į augančio baltymo grandinę tokia tvarka, kurią diktuoja mRNR nukleotidų seka. Taigi genetinis kodas naudojamas nukleorūgščių nukleotidų sekoms paversti (išversti) į baltymų aminorūgščių sekas.
mRNR grandinė yra raudona, ribosomos - mėlyna, augančios polipeptidinės grandinės - žalia. (Dr. Elenos Kiselevos nuotrauka).
Viename gale sujungdama aminorūgštį, o kitame – su kodonu, tRNR paverčia nukleotidų seką aminorūgščių seka. tRNR funkcija priklauso nuo jos molekulės trimatės struktūros. Kur tiksliai tam tikra aminorūgštis bus prijungta prie augančios polipeptidinės grandinės, priklauso ne nuo pačios aminorūgšties, o nuo ją prijungusios tRNR molekulės. tRNR molekulė yra kovalentiškai prijungta būtent prie tos aminorūgšties, iš visų dvidešimties aminorūgščių, kuri yra jos tikroji partnerė. Šis mechanizmas yra susijęs su fermentų, vadinamų aminoacil-tRNR sintazėmis, dalyvavimu, kurie prijungia aminorūgštį prie atitinkamo tRNR molekulių rinkinio. Kiekviena aminorūgštis turi savo specialią sintetazę (iš viso tokių sintetazių yra 20): viena į tRNR Gly prideda, pavyzdžiui, glicino, kita – į tRNR Ala ir t.t. Taigi tRNR molekulės atlieka galutinių adapterių vaidmenį, paverčiančios informaciją, esančią nukleorūgšties nukleotidų sekoje, į baltymo kalbą.
Baltymų sintezės reakcijos reikalauja sudėtingo katalizinio stimulo. Augantis polipeptidinės grandinės galas turi būti tam tikru būdu pritaikytas prie mRNR molekulės, kad kiekvienas paskesnis mRNR kodonas tiksliai prisijungtų prie tRNR antikodono, nepraleidžiant nė vieno nukleotido. Priešingu atveju skaitymo seka pasikeis.
Daugiau nei pusę ribosomos masės sudaro RNR (rRNR), kuri atlieka pagrindinį vaidmenį kataliziniame ribosomų aktyvumoje. Ribosomoje yra trys skirtingos vietos, prie kurių jungiasi RNR – viena mRNR ir dvi tRNR. Iš pastarųjų dviejų vienoje srityje yra tRNR molekulė, prijungta prie augančio polipeptidinės grandinės galo, todėl ji vadinama peptidilo-tRNR surišimo vieta arba P vieta.
Antrasis skyrius skirtas išlaikyti tik atvykstančią tRNR molekulę, pakrautą aminorūgštimi. Ji vadinama aminoacil-tRNR surišimo vieta arba A vieta. tRNR molekulė yra tvirtai prijungta prie abiejų vietų tik tuo atveju, jei jos antikodonas susiporuoja su komplementariu mRNR kodonu. A ir P vietos yra labai arti viena kitos, todėl dvi su jomis susijusios tRNR molekulės poruojasi su dviem gretimais mRNR molekulės kodonais.
Polipeptidinės grandinės auginimo ribosomose procesas gali būti laikomas ciklu, susidedančiu iš trijų atskirų etapų:
- Aminoacil-tRNR molekulė jungiasi prie laisvos ribosomos vietos, esančios greta užimtos P vietos. Surišimas vyksta suporuojant antikodono nukleotidus su trimis mRNR nukleotidais, esančiais A vietoje.
- Antrame etape polipeptidinės grandinės karboksilo galas P vietoje yra atskirtas nuo tRNR molekulės ir susidaro peptidinė jungtis su aminorūgštimi, prijungta prie tRNR molekulės A vietoje.
- Naujoji peptidilo tRNR perkeliama į ribosomos P vietą, o ribosoma juda išilgai mRNR molekulės tiksliai trimis nukleotidais.
Translokacijos procesas, kuris sudaro trečiąjį etapą, taip pat apima laisvos tRNR molekulės, atskirtos nuo polipeptidinės grandinės P srityje, grąžinimą per antrąjį citoplazminio tRNR telkinio etapą. Todėl, pasibaigus trečiajam etapui, neužimta A vieta gali priimti naują tRNR molekulę, pakrautą kita aminorūgštimi, tai yra, ciklas gali prasidėti iš naujo.
Labai daug energijos reikalaujantis procesas. Kiekvienos naujos peptidinės jungties susidarymą lydi keturių didelės energijos fosfatų jungčių išdėstymas. Du iš jų sunaudojami tRNR molekulei apkrauti aminorūgštimi, o du – pačiai sintezei ribosomoje vykstančių reakcijų cikle. Ciklo pabaigoje peptidiltransferazė prie peptidil-tRNR prijungia ne aminorūgštį, o H 2 O molekulę, dėl ko augančios polipeptidinės grandinės karboksilo galas atsiskiria nuo tRNR molekulės - baltymo grandinė yra laisva ir patenka į citoplazmą.
Taigi, naujai susiformavusiai ląstelei po mitozinio dalijimosi suteikiamas paveldimos medžiagos rūšinis tęstinumas, nes dalijimosi metu ji vienodais kiekiais perduodama abiem dukterinėms ląstelėms. Dukterinės ląstelės tęsia evoliuciškai fiksuotą rūšių apykaitos procesą, įgydamos audinio ląstelių populiacijai būdingų savybių. Todėl per trumpą laiką naujai susiformavusios ląstelės specializuojasi (diferenciuojasi) pagal pagrindinę genetiškai priskirtą priklausomybę. Daugybė savybių tampa itin būdingos visoms ląstelėms, nepaisant audinių sistemos, kurioje jos atlieka savo gyvavimo ciklą. Kad galėtų atlikti savo funkcijas, ląstelės turi daugybę labai specializuotų savybių.
Šaltiniai:
Citofiziologija / Lutsenko M.T. // Novosibirskas-Blagoveščenskas, 2011 m.
