Białka odgrywają bardzo ważną rolę w życiu organizmów, pełniąc funkcje ochronne, strukturalne, hormonalne i energetyczne. Zapewnia wzrost tkanki mięśniowej i kostnej. Białka informują o budowie komórki, jej funkcjach i właściwościach biochemicznych, wchodzą w skład cennych i korzystnych dla organizmu produktów spożywczych (jaj, nabiału, ryb, orzechów, roślin strączkowych, żyta i pszenicy). Strawność takiej żywności wynika z jej wartości biologicznej. Przy równej ilości białka produkt o większej wartości będzie łatwiej strawny. Wadliwe polimery należy usunąć z korpusu i zastąpić nowymi. Proces ten zachodzi podczas syntezy białek w komórkach.
Czym są białka?
Substancje składające się wyłącznie z reszt aminokwasowych nazywane są białkami prostymi (białkami). W razie potrzeby wykorzystuje się ich właściwości energetyczne, dlatego osoby prowadzące zdrowy tryb życia często potrzebują dodatkowo spożycia białka. Białka złożone, proteidy, zawierają proste białko i część niebiałkową. Dziesięć aminokwasów w białku jest niezbędnych, co oznacza, że organizm nie jest w stanie ich syntetyzować samodzielnie, pochodzą one z pożywienia, natomiast pozostałych dziesięć jest wymiennych, czyli można je wytworzyć z innych aminokwasów. W ten sposób rozpoczyna się ważny proces dla wszystkich organizmów.
Główne etapy biosyntezy: skąd pochodzą białka?
Nowe cząsteczki powstają w wyniku biosyntezy, reakcji chemicznej związku. Istnieją dwa główne etapy syntezy białek w komórce. To jest transkrypcja i transmisja. Transkrypcja zachodzi w jądrze. Jest to odczyt DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego), który przenosi informację o przyszłym białku, do RNA (kwasu rybonukleinowego), który przenosi tę informację z DNA do cytoplazmy. Dzieje się tak dlatego, że DNA nie uczestniczy bezpośrednio w biosyntezie, a jedynie przenosi informację, nie mając możliwości przedostania się do cytoplazmy, gdzie następuje synteza białka, a pełni jedynie funkcję nośnika informacji genetycznej. Transkrypcja umożliwia odczytanie danych z matrycy DNA na RNA zgodnie z zasadą komplementarności.
Rola RNA i DNA w tym procesie
Zatem synteza białek w komórkach jest uruchamiana przez łańcuch DNA, który niesie informację o konkretnym białku i nazywany jest genem. Łańcuch DNA rozwija się podczas transkrypcji, to znaczy jego helisa zaczyna rozpadać się na cząsteczkę liniową. Z DNA informacja musi zostać przekształcona w RNA. W tym procesie adenina powinna stać się przeciwieństwem tyminy. Cytozyna ma parę guaniny, podobnie jak DNA. W przeciwieństwie do adeniny, RNA staje się uracylem, ponieważ w RNA taki nukleotyd jak tymina nie istnieje, jest on po prostu zastępowany przez nukleotyd uracylowy. Cytozyna sąsiaduje z guaniną. Naprzeciwko adeniny znajduje się uracyl, a w połączeniu z tyminą powstaje adenina. Te cząsteczki RNA, które są odwrócone, nazywane są informacyjnymi RNA (mRNA). Są zdolne do wyjścia z jądra przez pory do cytoplazmy i rybosomów, które w rzeczywistości pełnią funkcję syntezy białek w komórkach.
O kompleksie w prostych słowach
Teraz łańcuch polipeptydowy białka składa się z sekwencji aminokwasowych. Transkrypcję można nazwać odczytywaniem informacji o przyszłym białku z matrycy DNA na RNA. Można to określić jako pierwszy etap. Gdy RNA opuści jądro, musi udać się do rybosomów, gdzie następuje drugi etap, zwany translacją.
Tłumaczenie to już przejście RNA, czyli przeniesienie informacji z nukleotydów do cząsteczki białka, kiedy RNA mówi, jaka sekwencja aminokwasów powinna znajdować się w substancji. W tej kolejności informacyjny RNA przedostaje się do cytoplazmy do rybosomów, które dokonują syntezy białek w komórce: A (adenina) - G (guanina) - U (uracyl) - C (cytozyna) - U (uracyl) - A (adenina).
Dlaczego rybosomy są potrzebne?
Aby doszło do translacji, a w rezultacie do powstania białka, potrzebne są takie składniki, jak sam informacyjny RNA, transferowy RNA i rybosomy jako „fabryka”, w której produkowane jest białko. W tym przypadku dwa rodzaje funkcji RNA: informacyjna, która powstaje w jądrze z DNA, oraz transportowa. Druga cząsteczka kwasu ma wygląd koniczyny. Ta „koniczyna” przyłącza do siebie aminokwas i przenosi go do rybosomów. Oznacza to, że transportuje związki organiczne bezpośrednio do „fabryki” w celu ich powstania.
Jak działa rRNA
Istnieją również rybosomalne RNA, które są częścią samego rybosomu i przeprowadzają syntezę białek w komórce. Okazuje się, że rybosomy nie są strukturami błonowymi, nie mają błon, jak na przykład jądro czy retikulum endoplazmatyczne, ale składają się po prostu z białek i rybosomalnego RNA. Co się stanie, gdy sekwencja nukleotydów, czyli informacyjnego RNA, dotrze do rybosomów?
Transferowy RNA, który znajduje się w cytoplazmie, przyciąga aminokwasy do siebie. Skąd pochodzą aminokwasy w komórce? Powstają w wyniku rozkładu białek spożywanych z pożywieniem. Związki te transportowane są wraz z krwią do komórek, gdzie powstają niezbędne dla organizmu białka.
Końcowy etap syntezy białek w komórkach
Aminokwasy unoszą się w cytoplazmie podobnie jak transferowe RNA, a kiedy łańcuch polipeptydowy jest złożony bezpośrednio, te transferowe RNA zaczynają się z nimi łączyć. Jednak nie w każdej sekwencji i nie każdy transferowy RNA może łączyć się ze wszystkimi rodzajami aminokwasów. Istnieje określone miejsce, do którego przyłączony jest wymagany aminokwas. Druga część transferowego RNA nazywana jest antykodonem. Element ten składa się z trzech nukleotydów, które są komplementarne do sekwencji nukleotydów w informacyjnym RNA. Jeden aminokwas wymaga trzech nukleotydów. Na przykład, dla uproszczenia, określone białko składa się tylko z dwóch aminokwasów. Jest oczywiste, że białka mają na ogół bardzo długą strukturę i składają się z wielu aminokwasów. Łańcuch A - G - U nazywany jest tripletem, czyli kodonem i zostanie do niego przyłączony transferowy RNA w postaci koniczyny, na końcu którego będzie określony aminokwas. Do kolejnej trójki C - U - A zostanie dołączony kolejny tRNA, który będzie zawierał zupełnie inny aminokwas, komplementarny do tej sekwencji. W tej kolejności nastąpi dalsze składanie łańcucha polipeptydowego.
Biologiczne znaczenie syntezy
Wiązanie peptydowe tworzy się pomiędzy dwoma aminokwasami znajdującymi się na końcach koniczyny każdego tripletu. Na tym etapie transferowy RNA wchodzi do cytoplazmy. Następnie trojaczki są łączone przez następny transferowy RNA z innym aminokwasem, który tworzy łańcuch polipeptydowy z dwoma poprzednimi. Proces ten powtarza się aż do osiągnięcia wymaganej sekwencji aminokwasów. W ten sposób w komórce zachodzi synteza białek, powstają enzymy, hormony, substancje krwi itp. Nie każda komórka wytwarza białko. Każda komórka może wytwarzać określone białko. Na przykład hemoglobina będzie wytwarzana w czerwonych krwinkach, a komórki trzustki będą syntetyzować hormony i różne enzymy rozkładające żywność dostającą się do organizmu.
W mięśniach powstają białka aktyna i miozyna. Jak widać proces syntezy białek w komórkach jest wieloetapowy i złożony, co wskazuje na jego znaczenie i konieczność dla wszystkich żywych istot.
Głównym pytaniem genetyki jest kwestia syntezy białek. Po podsumowaniu danych dotyczących struktury i syntezy DNA i RNA Crick w 1960 r. zaproponował macierzową teorię syntezy białek opartą na 3 zasadach:
1. Komplementarność zasad azotowych DNA i RNA.
2. Liniowa sekwencja ułożenia genów w cząsteczce DNA.
3. Przeniesienie informacji dziedzicznej może nastąpić jedynie z kwasu nukleinowego na kwas nukleinowy lub na białko.
Przeniesienie informacji dziedzicznej z białka na białko jest niemożliwe. Zatem matrycą do syntezy białek mogą być jedynie kwasy nukleinowe.
Do syntezy białek potrzebujesz:
1. DNA (geny), na którym syntetyzowane są cząsteczki.
2. RNA – (i-RNA) lub (m-RNA), r-RNA, t-RNA
W procesie syntezy białek wyróżnia się etapy: transkrypcję i translację.
Transkrypcja– spis (przepisanie) informacji o strukturze nukleinowej od DNA do RNA (t-RNA i RNA, r-RNA).
Odczytywanie informacji dziedzicznej rozpoczyna się od określonej części DNA zwanej promotorem. Promotor znajduje się przed genem i zawiera około 80 nukleotydów.
Na zewnętrznym łańcuchu cząsteczki DNA syntetyzowany jest mRNA (pośredni), który służy jako matryca do syntezy białek i dlatego nazywany jest szablonem. Jest to dokładna kopia sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA.
Istnieją odcinki DNA, które nie zawierają informacji genetycznej (introny). Sekcje DNA zawierające informację nazywane są eksonami.
W jądrze znajdują się specjalne enzymy, które wycinają introny, a fragmenty eksonów są „splatane” razem w ściśle określonej kolejności we wspólną nić. Proces ten nazywany jest „splataniem”. Podczas procesu splicingu powstaje dojrzały m-RNA zawierający informację niezbędną do syntezy białek. Dojrzały mRNA (RNA informacyjny) przechodzi przez pory błony jądrowej i wchodzi do kanałów retikulum endoplazmatycznego (cytoplazmy) i tutaj łączy się z rybosomami.
Audycja– kolejność ułożenia nukleotydów w mRNA przekłada się na ściśle uporządkowaną sekwencję ułożenia aminokwasów w cząsteczce syntetyzowanego białka.
Proces translacji obejmuje 2 etapy: aktywację aminokwasów i bezpośrednią syntezę cząsteczki białka.
Jedna cząsteczka mRNA łączy się z 5-6 rybosomami, tworząc polisomy. Synteza białek zachodzi na cząsteczce mRNA, wzdłuż której poruszają się rybosomy. W tym okresie aminokwasy znajdujące się w cytoplazmie są aktywowane przez specjalne enzymy wydzielane przez enzymy wydzielane przez mitochondria, każdy z nich ma swój własny, specyficzny enzym.
Niemal natychmiast aminokwasy wiążą się z innym rodzajem RNA - niskocząsteczkowym rozpuszczalnym RNA, który pełni rolę nośnika aminokwasów do cząsteczki m-RNA i nazywany jest transportowym RNA (t-RNA). tRNA przenosi aminokwasy do rybosomów w określone miejsce, gdzie w tym czasie trafia cząsteczka mRNA. Następnie aminokwasy łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi i powstaje cząsteczka białka. Pod koniec syntezy białka cząsteczka stopniowo opuszcza m-RNA.
Z jednej cząsteczki mRNA powstaje 10–20 cząsteczek białka, a w niektórych przypadkach znacznie więcej.
Najbardziej niejasną kwestią w syntezie białek jest to, w jaki sposób tRNA znajduje odpowiednią sekcję mRNA, do której powinien zostać przyłączony aminokwas, który dostarcza.
Sekwencja ułożenia zasad azotowych w DNA, która decyduje o rozmieszczeniu aminokwasów w syntetyzowanym białku – kodzie genetycznym.
Ponieważ ta sama informacja dziedziczna jest „zapisana” w kwasach nukleinowych czterema znakami (zasady azotowe), a w białkach dwudziestoma (aminokwasy). Problem kodu genetycznego sprowadza się do ustalenia zgodności między nimi. Genetycy, fizycy i chemicy odegrali główną rolę w rozszyfrowaniu kodu genetycznego.
Aby rozszyfrować kod genetyczny, należało najpierw dowiedzieć się, jaka minimalna liczba nukleotydów może określić (kodować) powstanie jednego aminokwasu. Gdyby każdy z 20 aminokwasów był kodowany przez jedną zasadę, wówczas DNA musiałoby mieć 20 różnych zasad, a tak naprawdę jest ich tylko 4. Oczywiście kombinacja dwóch nukleotydów również nie wystarczy do zakodowania 20 aminokwasów. Może kodować tylko 16 aminokwasów: 4 2 = 16.
Następnie zaproponowano, że kod zawiera kombinacje 3 nukleotydów 4 3 = 64 i dlatego może kodować więcej niż wystarczającą liczbę aminokwasów do utworzenia dowolnych białek. Ta kombinacja trzech nukleotydów nazywana jest kodem tripletowym.
Kod ma następujące właściwości:
1.Trójka kodu genetycznego(każdy aminokwas jest kodowany przez trzy nukleotydy).
2. Degeneracja– jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek, z wyjątkiem tryptofanu i metioniny.
3. W kodonach jednego aminokwasu pierwsze dwa nukleotydy są takie same, ale trzeci się zmienia.
4. Nie nakładające się– trojaczki nie nakładają się na siebie. Jedna trójka nie może być częścią drugiej, każda z nich niezależnie koduje swój własny aminokwas. Zatem w łańcuchu polipeptydowym mogą znajdować się obok siebie dowolne dwa aminokwasy i możliwa jest dowolna ich kombinacja, tj. w sekwencji zasad ABCDEFGHI pierwsze trzy zasady kodują 1 aminokwas (ABC-1), (DEF-2) itd.
5. Uniwersalny, te. We wszystkich organizmach kodony niektórych aminokwasów są takie same (od rumianku po ludzi). Uniwersalność kodeksu świadczy o jedności życia na ziemi.
6. Współliniowość– zbieżność lokalizacji kodonów w mRNA z kolejnością aminokwasów w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym.
Kodon to triplet nukleotydów kodujących 1 aminokwas.
7. Bezcelowe– nie koduje żadnego aminokwasu. W tym momencie synteza białek zostaje przerwana.
W ostatnich latach stało się jasne, że w mitochondriach zostaje zakłócona uniwersalność kodu genetycznego, cztery kodony w mitochondriach zmieniły swoje znaczenie, np. kodon UGA – odpowiada tryptofanowi zamiast „STOP” – zaprzestaniu syntezy białek. AUA – odpowiada metioninie – zamiast „izoleucyny”.
Odkrycie nowych kodonów w mitochondriach może dostarczyć dowodów na to, że kod ewoluował i że nie stał się taki nagle.
Niech informacja dziedziczna od genu do cząsteczki białka zostanie wyrażona schematycznie.
DNA – RNA – białko
Badanie składu chemicznego komórek wykazało, że różne tkanki tego samego organizmu zawierają inny zestaw cząsteczek białka, chociaż mają tę samą liczbę chromosomów i tę samą genetyczną informację dziedziczną.
Zwróćmy uwagę na tę okoliczność: pomimo obecności w każdej komórce wszystkich genów całego organizmu, w pojedynczej komórce działa bardzo niewiele genów - od dziesiątych do kilku procent całkowitej liczby. Pozostałe obszary są „ciche”, blokowane przez specjalne białka. Jest to zrozumiałe: dlaczego na przykład geny hemoglobiny działają w komórce nerwowej? Sposób, w jaki komórka dyktuje, które geny są ciche, a które działają, należy założyć, że komórka ma jakiś doskonały mechanizm regulujący aktywność genów, określający, które geny powinny być w danym momencie aktywne, a które nieaktywne ( stan represyjny. Mechanizm ten, zdaniem francuskich naukowców F. Jacobo i J. Monoda, nazywa się indukcją i represją.
Wprowadzenie– stymulacja syntezy białek.
Represja– zahamowanie syntezy białek.
Indukcja zapewnia funkcjonowanie tych genów, które syntetyzują białko lub enzym niezbędny na tym etapie życia komórki.
U zwierząt hormony błony komórkowej odgrywają ważną rolę w procesie regulacji genów; w roślinach – warunki środowiskowe i inne wysoce wyspecjalizowane induktory.
Przykład: po dodaniu do podłoża hormonu tarczycy kijanki szybko przekształcają się w żaby.
Do prawidłowego funkcjonowania bakterii E (Coli) niezbędny jest cukier mleczny (laktoza). Jeśli środowisko, w którym znajdują się bakterie, nie zawiera laktozy, geny te znajdują się w stanie represyjnym (tzn. nie funkcjonują). Wprowadzona do pożywki laktoza jest induktorem aktywującym geny odpowiedzialne za syntezę enzymów. Po usunięciu laktozy z podłoża synteza tych enzymów ustaje. Zatem rolę represora może pełnić substancja, która jest syntetyzowana w komórce, a jeśli jej zawartość przekracza normę lub zostaje zużyta.
W syntezie białek i enzymów biorą udział różne typy genów.
Wszystkie geny znajdują się w cząsteczce DNA.
Nie są takie same w swoich funkcjach:
- strukturalne – geny wpływające na syntezę jakiegoś enzymu lub białka znajdują się w cząsteczce DNA sekwencyjnie jeden po drugim, w kolejności ich wpływu na przebieg reakcji syntezy, można też powiedzieć, że geny strukturalne – są to geny niosące informację o sekwencja aminokwasów.
- akceptor– geny nie niosą dziedzicznej informacji o budowie białka, regulują one funkcjonowanie genów strukturalnych.
Przed grupą genów strukturalnych znajduje się wspólny dla nich gen - operator, a przed nim - promotor. Ogólnie nazywa się tę grupę funkcyjną pierzasty
Cała grupa genów jednego operonu zostaje włączona w proces syntezy i jednocześnie z niego wyłączona. Włączanie i wyłączanie genów strukturalnych jest istotą całego procesu regulacyjnego.
Funkcję włączania i wyłączania pełni specjalna część cząsteczki DNA - operatora genu. Gen operatorowy jest punktem wyjścia syntezy białek, czyli, jak to się mówi, „odczytywania” informacji genetycznej. Dalej w tej samej cząsteczce w pewnej odległości znajduje się gen – regulator, pod kontrolą którego wytwarzane jest białko zwane represorem.
Z tego wszystkiego, co zostało powiedziane, jasne jest, że synteza białek jest bardzo złożona. Układ genetyczny komórki, wykorzystując mechanizmy represji i indukcji, może odbierać sygnały o konieczności rozpoczęcia i zakończenia syntezy danego enzymu oraz przeprowadzić ten proces z określoną prędkością.
Zagadnienie regulacji działania genów w organizmach wyższych ma ogromne znaczenie praktyczne w hodowli zwierząt i medycynie. Ustalenie czynników regulujących syntezę białek otworzyłoby szerokie możliwości kontrolowania ontogenezy, tworząc zwierzęta wysoce produktywne, a także zwierzęta odporne na choroby dziedziczne.
Pytania kontrolne:
1.Nazwij właściwości genów.
2.Co to jest gen?
3.Nazwij biologiczne znaczenie DNA i RNA.
4.Nazwij etapy syntezy białek
5.Wymień właściwości kodu genetycznego.
Proces biosyntezy białek jest niezwykle ważny dla komórki. Ponieważ białka są złożonymi substancjami, które odgrywają główną rolę w tkankach, są niezbędne. Z tego powodu w komórce realizowany jest cały łańcuch procesów biosyntezy białek, który zachodzi w kilku organellach. Gwarantuje to reprodukcję komórek i możliwość istnienia.
Istota procesu biosyntezy białek
Jedynym miejscem syntezy białek jest miejsce szorstkie, gdzie znajduje się większość rybosomów odpowiedzialnych za tworzenie łańcucha polipeptydowego. Zanim jednak rozpocznie się etap translacji (proces syntezy białek), wymagana jest aktywacja genu, który przechowuje informację o strukturze białka. Następnie wymagane jest skopiowanie tej części DNA (lub RNA, jeśli rozważa się biosyntezę bakterii).
Po skopiowaniu DNA wymagany jest proces tworzenia informacyjnego RNA. Na jego podstawie zostanie przeprowadzona synteza łańcucha białkowego. Co więcej, wszystkie etapy zachodzące z udziałem kwasów nukleinowych muszą nastąpić w. Nie jest to jednak miejsce, w którym zachodzi synteza białek. gdzie zachodzi przygotowanie do biosyntezy.
Biosynteza białek rybosomalnych
Głównym miejscem syntezy białek jest organella komórkowa, składająca się z dwóch podjednostek. W komórce istnieje ogromna liczba takich struktur i znajdują się one głównie na błonach szorstkiej siateczki śródplazmatycznej. Sama biosynteza przebiega w następujący sposób: informacyjny RNA powstały w jądrze komórkowym wychodzi przez pory jądrowe do cytoplazmy i spotyka się z rybosomem. Następnie mRNA jest wypychany w szczelinę pomiędzy podjednostkami rybosomu, po czym zostaje utrwalony pierwszy aminokwas.
Aminokwasy dostarczane są do miejsca, w którym zachodzi synteza białek za pomocą jednej takiej cząsteczki, która może dostarczyć po jednym aminokwasie na raz. Są one przyłączane kolejno w zależności od sekwencji kodonów informacyjnego RNA. Ponadto synteza może zostać zatrzymana na pewien czas.
Poruszając się wzdłuż mRNA, rybosom może przedostać się do regionów (intronów), które nie kodują aminokwasów. W tych miejscach rybosom po prostu porusza się wzdłuż mRNA, ale do łańcucha nie są dodawane żadne aminokwasy. Gdy rybosom dotrze do eksonu, czyli regionu kodującego kwas, wówczas ponownie przyłącza się do polipeptydu.
Postsyntetyczna modyfikacja białek
Gdy rybosom dotrze do kodonu stop informacyjnego RNA, proces bezpośredniej syntezy zostaje zakończony. Powstała cząsteczka ma jednak strukturę pierwotną i nie może jeszcze pełnić zarezerwowanych dla niej funkcji. Aby w pełni funkcjonować, cząsteczka musi być zorganizowana w określoną strukturę: drugorzędową, trzeciorzędową lub jeszcze bardziej złożoną - czwartorzędową.
Strukturalna organizacja białka
Struktura wtórna jest pierwszym etapem organizacji strukturalnej. Aby to osiągnąć, pierwotny łańcuch polipeptydowy musi się zwinąć (tworząc helisy alfa) lub złożyć (tworząc arkusze beta). Następnie, aby zająć jeszcze mniej miejsca na całej długości, cząsteczka jest dalej kurczona i zwijana w kulę pod wpływem wodoru, wiązań kowalencyjnych i jonowych, a także oddziaływań międzyatomowych. W ten sposób otrzymujemy kulistą
Czwartorzędowa struktura białka
Struktura czwartorzędowa jest najbardziej złożona ze wszystkich. Składa się z kilku sekcji o strukturze kulistej, połączonych włóknistymi pasmami polipeptydu. Ponadto struktura trzeciorzędowa i czwartorzędowa może zawierać resztę węglowodanową lub lipidową, co rozszerza zakres funkcji białka. W szczególności glikoproteiny, białka i węglowodany są immunoglobulinami i pełnią funkcję ochronną. Glikoproteiny znajdują się również na błonach komórkowych i działają jako receptory. Jednakże cząsteczka ulega modyfikacji nie tam, gdzie zachodzi synteza białek, ale w gładkiej siateczce śródplazmatycznej. Istnieje tutaj możliwość przyłączenia lipidów, metali i węglowodanów do domen białkowych.
Zdolność komórek do utrzymania wysoce uporządkowanej organizacji zależy od informacji genetycznej, która jest realizowana, przechowywana, reprodukowana lub ulepszana w czterech procesach genetycznych: syntezie RNA i białek, naprawie DNA, replikacji DNA i rekombinacji genetycznej. Białka stanowią zwykle ponad połowę suchej masy komórki, a ich synteza odgrywa główną rolę w procesach takich jak wzrost i różnicowanie komórek, utrzymanie ich struktury i funkcji.
Zależy od połączonego działania kilku klas cząsteczek RNA. Po pierwsze, w wyniku kopiowania DNA niosącego informację o syntetyzowanym białku powstaje cząsteczka informacyjnego RNA (mRNA). Do każdego z 20 aminokwasów, z których zbudowane jest białko, przyłączona jest specyficzna cząsteczka transferowego RNA (tRNA), a do podjednostek rybosomu, na którym zachodzi synteza, przyłączone są pewne pomocnicze czynniki białkowe.
Za początek syntezy białek w komórce uważa się moment, w którym te składniki łączą się w cytoplazmie, tworząc funkcjonalny rybosom. Gdy mRNA przemieszcza się krok po kroku przez rybosom, jego sekwencja nukleotydowa ulega translacji (transportowi) na odpowiednią sekwencję aminokwasów, w wyniku czego powstaje specyficzny łańcuch białkowy.
Synteza RNA na matrycy DNA nazywa się transkrypcją. W wyniku transkrypcji powstają cząsteczki mRNA, które niosą informację dotyczącą syntezy białek w komórce, a także transportu, rybosomów i innych typów cząsteczek RNA, które pełnią funkcje strukturalne i katalityczne. Synteza tych cząsteczek RNA – kopii sekwencji nukleotydowych odcinków cząsteczki DNA – jest katalizowana przez enzymy zwane polimerazami RNA.
Wiązanie polimerazy RNA okazuje się bardzo silne, jeśli polimeraza RNA wiąże się z określoną sekwencją DNA, tzw. promotorem, który zawiera sygnał startu syntezy RNA, czyli miejsce, od którego ta synteza powinna się rozpocząć. Reakcje, które z tego wynikają, charakteryzują się tym, że po przyłączeniu się do promotora polimeraza RNA rozwija swój odcinek podwójnej helisy, odsłaniając w ten sposób nukleotydy na krótkim odcinku każdej z dwóch nici DNA. Jeden z tych dwóch oddzielnych łańcuchów powinien stać się matrycą do komplementarnego parowania głównego DNA z zasadami przychodzących monomerów – trifosforanów rybonukleozydów. Polimeraza łączy pierwsze dwa przychodzące monomery i w ten sposób inicjuje syntetyzowany łańcuch RNA. Następnie polimeraza RNA, poruszając się krok po kroku wzdłuż DNA, rozwija helisę DNA przed sobą, za każdym razem odsłaniając nowy odcinek matrycy w celu komplementarnego parowania zasad. Dodając jeden nukleotyd na raz do rosnącego łańcucha RNA, stopniowo zwiększa się łańcuch.
Proces wydłużania łańcucha RNA trwa do momentu, w którym enzym napotka na swojej drodze inną specyficzną sekwencję nukleotydową w łańcuchu DNA, a mianowicie sygnał terminacji transkrypcji (sygnał stop). Po osiągnięciu tego punktu polimeraza oddziela się zarówno od matrycy DNA, jak i nowo zsyntetyzowanej nici RNA. Gdy enzym porusza się wzdłuż nici matrycy, w jego aktywnym centrum tworzy się podwójna helisa RNA-DNA. Za cząsteczką polimerazy, która zakończyła pracę syntezy DNA-RNA, helisa DNA-RNA zostaje natychmiast przywrócona, a RNA ulega przemieszczeniu. Każda kompletna nić RNA oddziela się od matrycy DNA jako wolna jednoniciowa cząsteczka, w której liczba nukleotydów waha się od 70 do 10 000.
Z reguły transkrybowana jest jedna z nici DNA. To, który z dwóch łańcuchów ulegnie transkrypcji, zależy od promotora, którego sekwencja nukleotydów jest zorientowana w taki sposób, aby skierować polimerazę RNA na tę lub inną ścieżkę.
Wiadomo również, że specjalne białka regulujące aktywność genów odgrywają ważną rolę w określaniu, które odcinki DNA będą transkrybowane przez polimerazę RNA. To od nich zależy przede wszystkim, jakie białka będzie produkować komórka. Ponadto w komórkach eukariotycznych większość transkryptów RNA DNA opuści jądro komórkowe i przejdzie do cytoplazmy w postaci mRNA, ulegając znaczącym zmianom - ulegając splicingowi.
Wszystkie komórki zawierają zestaw transferowych RNA (tRNA) – małych cząsteczek, których rozmiary wahają się od 70 do 90 nukleotydów. Te RNA, łącząc jeden koniec ze specyficznym kodonem mRNA, a drugi poprzez przyłączenie aminokwasu kodowanego przez tę trójkę, umożliwiają ułożenie aminokwasów w kolejności określonej przez sekwencję nukleotydową mRNA.
Każdy tRNA może przenosić tylko jeden z 20 aminokwasów używanych w syntezie białek. Transferowy RNA, który przenosi glicynę, określa się jako Gly tRNA itp. Na każdy z 20 aminokwasów przypada jeden rodzaj tRNA. Ważne jest, aby każdy aminokwas był kowalencyjnie przyłączony do tRNA zawierającego właściwy antykodon – sekwencję trzech nukleotydów komplementarną do kodonu trzech nukleotydów, który definiuje ten aminokwas w cząsteczce mRNA. Parowanie kodon-antykodon umożliwia włączenie każdego aminokwasu do rosnącego łańcucha białkowego w kolejności określonej przez sekwencję nukleotydową mRNA. Zatem kod genetyczny służy do translacji (tłumaczenia) sekwencji nukleotydowych kwasów nukleinowych na sekwencje aminokwasowe białek.
nić mRNA jest zabarwiona na czerwono, rybosomy na niebiesko, rosnące łańcuchy polipeptydowe na zielono. (Zdjęcie: dr Elena Kiseleva).
Łącząc aminokwas na jednym końcu i tworząc parę z kodonem na drugim, tRNA przekształca sekwencję nukleotydów w sekwencję aminokwasów. Funkcja tRNA zależy od trójwymiarowej struktury jego cząsteczki. To, gdzie dokładnie dany aminokwas zostanie przyłączony do rosnącego łańcucha polipeptydowego, zależy nie od samego aminokwasu, ale od cząsteczki tRNA, która go przyłączyła. Cząsteczka tRNA jest kowalencyjnie przyłączona do dokładnie tego aminokwasu spośród wszystkich dwudziestu aminokwasów, który jest jej prawdziwym partnerem. Mechanizm ten jest związany z udziałem enzymów zwanych syntazami aminoacylo-tRNA, które przyłączają aminokwas do odpowiedniego zestawu cząsteczek tRNA. Każdy aminokwas ma swoją specjalną syntetazę (w sumie jest 20 takich syntetaz): jedna dodaje na przykład glicynę do tRNA Gly, druga dodaje alaninę do tRNA Ala itp. Zatem cząsteczki tRNA pełnią rolę końcowych adapterów, tłumaczących informację zawartą w sekwencji nukleotydowej kwasu nukleinowego na język białka.
Reakcje syntezy białek wymagają złożonego bodźca katalitycznego. Rosnący koniec łańcucha polipeptydowego musi być w określony sposób dostosowany do cząsteczki mRNA, aby każdy kolejny kodon mRNA mógł dokładnie połączyć się z antykodonem tRNA, bez pomijania ani jednego nukleotydu. W przeciwnym razie doprowadzi to do zmiany kolejności czytania.
Ponad połowę masy rybosomu stanowi RNA (rRNA), który odgrywa kluczową rolę w aktywności katalitycznej rybosomu. Istnieją trzy różne miejsca na rybosomie, z którymi wiąże się RNA – jedno dla mRNA i dwa dla tRNA. Z dwóch ostatnich jeden region zawiera cząsteczkę tRNA przyłączoną do rosnącego końca łańcucha polipeptydowego, dlatego nazywany jest miejscem wiązania peptydylo-tRNA lub miejscem P.
Druga sekcja służy do zatrzymania jedynie przybywającej cząsteczki tRNA obciążonej aminokwasem. Nazywa się to miejscem wiązania aminoacylo-tRNA lub miejscem A. Cząsteczka tRNA jest trwale przyłączona do obu miejsc tylko wtedy, gdy jej antykodon łączy się w parę z komplementarnym kodonem mRNA. Miejsca A i P są zlokalizowane bardzo blisko siebie, tak że dwie powiązane z nimi cząsteczki tRNA łączą się w pary z dwoma sąsiednimi kodonami w cząsteczce mRNA.
Proces wzrostu łańcucha polipeptydowego na rybosomach można uznać za cykl składający się z trzech odrębnych etapów:
- Cząsteczka aminoacylo-tRNA wiąże się z wolnym miejscem rybosomu sąsiadującym z zajętym miejscem P. Wiązanie następuje poprzez połączenie nukleotydów antykodonu z trzema nukleotydami mRNA zlokalizowanymi w miejscu A.
- W drugim etapie koniec karboksylowy łańcucha polipeptydowego w miejscu P oddziela się od cząsteczki tRNA i tworzy się wiązanie peptydowe z aminokwasem przyłączonym do cząsteczki tRNA w miejscu A.
- Nowy peptydylowy tRNA jest przenoszony do miejsca P rybosomu, podczas gdy rybosom przemieszcza się wzdłuż cząsteczki mRNA dokładnie o trzy nukleotydy.
Proces translokacji stanowiący etap trzeci obejmuje także powrót wolnej cząsteczki tRNA oddzielonej od łańcucha polipeptydowego w regionie P podczas drugiego etapu puli cytoplazmatycznego tRNA. Dlatego po zakończeniu trzeciego etapu niezajęte miejsce A może przyjąć nową cząsteczkę tRNA obciążoną innym aminokwasem, co oznacza, że cykl może rozpocząć się od nowa.
Bardzo energochłonny proces. Tworzeniu każdego nowego wiązania peptydowego towarzyszy układ czterech wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych. Dwa z nich służą do załadowania cząsteczki tRNA aminokwasem, a dwa do samej syntezy w cyklu reakcji zachodzących na rybosomie. Pod koniec cyklu transferaza peptydylowa przyłącza nie aminokwas, ale cząsteczkę H 2 O do peptydylo-tRNA, dzięki czemu koniec karboksylowy rosnącego łańcucha polipeptydowego oddziela się od cząsteczki tRNA - łańcuch białkowy jest wolny i wchodzi do cytoplazmy.
Tym samym nowo powstała komórka po podziale mitotycznym zostaje obdarzona ciągłością gatunkową materiału dziedzicznego, w wyniku jego przeniesienia w trakcie podziału w równych ilościach do obu komórek potomnych. Komórki potomne kontynuują ewolucyjnie utrwalony proces metabolizmu gatunkowego, uzyskując właściwości charakterystyczne dla populacji komórek tkanki. Dlatego w krótkim czasie nowo powstałe komórki ulegają specjalizacji (różnicowaniu) zgodnie z ich główną, genetycznie przypisaną przynależnością. Szereg właściwości staje się niezwykle wspólnych dla wszystkich komórek, niezależnie od układu tkankowego, w którym wykonują swój cykl życiowy. Aby wykonywać swoje funkcje, komórki są wyposażone w szereg wysoce wyspecjalizowanych właściwości.
Źródła:
Cytofizjologia / Łucenko M.T. // Nowosybirsk-Błagowieszczeńsk, 2011.
