Proteíny hrajú veľmi dôležitú úlohu v živote organizmov, vykonávajú ochranné, štrukturálne, hormonálne a energetické funkcie. Zabezpečuje rast svalového a kostného tkaniva. Proteíny informujú o stavbe bunky, jej funkciách a biochemických vlastnostiach a sú súčasťou hodnotných telu prospešných potravinových produktov (vajcia, mliečne výrobky, ryby, orechy, strukoviny, raž a pšenica). Stráviteľnosť takéhoto jedla sa vysvetľuje jeho biologickou hodnotou. Pri rovnakom množstve bielkovín bude produkt, ktorého hodnota je vyššia, ľahšie stráviteľný. Chybné polyméry sa musia z tela odstrániť a nahradiť novými. Tento proces sa vyskytuje počas syntézy proteínov v bunkách.
Čo sú to proteíny?
Látky pozostávajúce len zo zvyškov aminokyselín sa nazývajú jednoduché proteíny (proteíny). V prípade potreby sa využívajú ich energetické vlastnosti, takže ľudia vedúci zdravý životný štýl často navyše potrebujú príjem bielkovín. Komplexné bielkoviny, proteidy, obsahujú jednoduchú bielkovinu a nebielkovinovú časť. Desať aminokyselín v bielkovinách je esenciálnych, čo znamená, že si ich telo nevie syntetizovať samo, pochádzajú z potravy, pričom zvyšných desať je nahraditeľných, to znamená, že si ich môže vytvoriť z iných aminokyselín. Takto začína životne dôležitý proces pre všetky organizmy.
Hlavné fázy biosyntézy: odkiaľ pochádzajú proteíny?
Nové molekuly vznikajú biosyntézou, chemickou reakciou zlúčeniny. V bunke existujú dve hlavné fázy syntézy proteínov. Toto je prepis a vysielanie. K transkripcii dochádza v jadre. Ide o čítanie z DNA (deoxyribonukleovej kyseliny), ktorá nesie informáciu o budúcom proteíne, do RNA (ribonukleovej kyseliny), ktorá prenáša tieto informácie z DNA do cytoplazmy. Je to spôsobené tým, že DNA sa priamo nezúčastňuje biosyntézy, nesie iba informáciu, nemá schopnosť vstúpiť do cytoplazmy, kde sa syntetizuje proteín, a plní len funkciu nosiča genetickej informácie. Transkripcia vám umožňuje čítať údaje zo šablóny DNA do RNA podľa princípu komplementarity.
Úloha RNA a DNA v procese
Syntéza proteínov v bunkách je teda spúšťaná reťazcom DNA, ktorý nesie informácie o špecifickom proteíne a nazýva sa gén. Reťazec DNA sa pri transkripcii rozvinie, to znamená, že jeho špirála sa začne rozpadať na lineárnu molekulu. Z DNA sa informácie musia previesť na RNA. V tomto procese by sa adenín mal stať protiľahlým tymínom. Cytozín má guanínový pár, rovnako ako DNA. Na rozdiel od adenínu sa RNA stáva uracilom, pretože v RNA taký nukleotid ako tymín neexistuje, je jednoducho nahradený uracilovým nukleotidom. Cytozín susedí s guanínom. Opakom adenínu je uracil a spárovaný s tymínom je adenín. Tieto molekuly RNA, ktoré sú obrátené, sa nazývajú messenger RNA (mRNA). Sú schopné opustiť jadro cez póry do cytoplazmy a ribozómov, ktoré v skutočnosti vykonávajú funkciu syntézy proteínov v bunkách.
O komplexe jednoduchými slovami
Teraz je polypeptidový reťazec proteínu zostavený z aminokyselinových sekvencií. Transkripciu možno nazvať čítaním informácií o budúcom proteíne z templátu DNA na RNA. Toto možno definovať ako prvú fázu. Potom, čo RNA opustí jadro, musí cestovať do ribozómov, kde nastáva druhý krok, nazývaný translácia.
Translácia je už prechod RNA, teda prenos informácie z nukleotidov do molekuly proteínu, kedy RNA hovorí, aká sekvencia aminokyselín má byť v látke. V tomto poradí, messenger RNA vstupuje do cytoplazmy k ribozómom, ktoré vykonávajú syntézu proteínov v bunke: A (adenín) - G (guanín) - U (uracil) - C (cytozín) - U (uracil) - A (adenín).
Prečo sú potrebné ribozómy?
Na to, aby došlo k translácii a v dôsledku toho k vytvoreniu proteínu, sú potrebné komponenty ako samotná messenger RNA, transferová RNA a ribozómy ako „továreň“, v ktorej sa proteín vyrába. V tomto prípade fungujú dva typy RNA: informačná, ktorá sa vytvorila v jadre s DNA, a transportná. Druhá molekula kyseliny má vzhľad ďateliny. Táto „ďatelina“ na seba viaže aminokyselinu a prenáša ju do ribozómov. To znamená, že transportuje organické zlúčeniny priamo do „továrne“ na ich vytvorenie.
Ako funguje rRNA
Existujú aj ribozomálne RNA, ktoré sú súčasťou samotného ribozómu a vykonávajú syntézu proteínov v bunke. Ukazuje sa, že ribozómy sú nemembránové štruktúry; nemajú membrány, ako je jadro alebo endoplazmatické retikulum, ale pozostávajú jednoducho z proteínov a ribozomálnej RNA. Čo sa stane, keď sa sekvencia nukleotidov, teda messenger RNA, dostane k ribozómom?
Transferová RNA, ktorá sa nachádza v cytoplazme, ťahá aminokyseliny k sebe. Odkiaľ pochádzajú aminokyseliny v bunke? A vznikajú v dôsledku rozkladu bielkovín, ktoré sa prijímajú s jedlom. Tieto zlúčeniny sú transportované krvným obehom do buniek, kde sa produkujú bielkoviny potrebné pre telo.
Konečná fáza syntézy bielkovín v bunkách
Aminokyseliny plávajú v cytoplazme rovnako ako transferové RNA, a keď je polypeptidový reťazec zostavený priamo, tieto transferové RNA sa s nimi začnú spájať. Avšak nie v každej sekvencii a nie každá transferová RNA sa môže kombinovať so všetkými typmi aminokyselín. Existuje špecifické miesto, ku ktorému je pripojená požadovaná aminokyselina. Druhá časť transferovej RNA sa nazýva antikodón. Tento prvok pozostáva z troch nukleotidov, ktoré sú komplementárne k nukleotidovej sekvencii v messenger RNA. Jedna aminokyselina vyžaduje tri nukleotidy. Napríklad pre zjednodušenie, určitý proteín pozostáva len z dvoch aminokyselín. Je zrejmé, že proteíny majú vo všeobecnosti veľmi dlhú štruktúru a pozostávajú z mnohých aminokyselín. Reťazec A - G - U sa nazýva triplet alebo kodón a naviaže sa naň prenosová RNA vo forme ďateliny, na konci ktorej bude určitá aminokyselina. K ďalšiemu tripletu C - U - A sa pripojí ďalšia tRNA, ktorá bude obsahovať úplne inú aminokyselinu, komplementárnu k tejto sekvencii. V tomto poradí dôjde k ďalšiemu zostaveniu polypeptidového reťazca.
Biologický význam syntézy
Medzi dvoma aminokyselinami umiestnenými na koncoch ďateliny každého tripletu sa vytvorí peptidová väzba. V tomto štádiu sa transferová RNA dostáva do cytoplazmy. Triplety sú potom spojené ďalšou transferovou RNA s ďalšou aminokyselinou, ktorá tvorí polypeptidový reťazec s predchádzajúcimi dvoma. Tento proces sa opakuje, kým sa nedosiahne požadovaná sekvencia aminokyselín. Takto v bunke nastáva syntéza bielkovín, tvoria sa enzýmy, hormóny, krvné látky atď.. Nie každá bunka produkuje nejaký proteín. Každá bunka dokáže vytvoriť špecifický proteín. Napríklad hemoglobín sa bude tvoriť v červených krvinkách a bunky pankreasu budú syntetizovať hormóny a rôzne enzýmy, ktoré rozkladajú potravu, ktorá sa dostáva do tela.
Vo svaloch sa budú tvoriť proteíny aktín a myozín. Ako vidíte, proces syntézy bielkovín v bunkách je viacstupňový a zložitý, čo naznačuje jeho dôležitosť a nevyhnutnosť pre všetko živé.
Hlavnou otázkou genetiky je otázka syntézy bielkovín. Po zhrnutí údajov o štruktúre a syntéze DNA a RNA Crick v roku 1960. navrhol maticovú teóriu syntézy proteínov založenú na 3 princípoch:
1. Komplementarita dusíkatých báz DNA a RNA.
2. Lineárna sekvencia usporiadania génov v molekule DNA.
3. Prenos dedičnej informácie môže nastať len z nukleovej kyseliny na nukleovú kyselinu alebo na proteín.
Prenos dedičnej informácie z proteínu na proteín je nemožný. Matricou pre syntézu proteínov teda môžu byť iba nukleové kyseliny.
Na syntézu bielkovín potrebujete:
1. DNA (gény), na ktorých sa syntetizujú molekuly.
2. RNA – (i-RNA) alebo (m-RNA), r-RNA, t-RNA
V procese syntézy proteínov existujú štádiá: transkripcia a translácia.
Prepis– sčítanie (prepisovanie) informácií o štruktúre jadra z DNA na RNA (t-RNA, a RNA, r-RNA).
Čítanie dedičných informácií začína od určitej časti DNA nazývanej promótor. Promótor je umiestnený pred génom a obsahuje približne 80 nukleotidov.
Na vonkajšom reťazci molekuly DNA sa syntetizuje mRNA (intermediárna), ktorá slúži ako matrica pre syntézu proteínov a preto sa nazýva templát. Je to presná kópia nukleotidovej sekvencie na reťazci DNA.
Existujú úseky DNA, ktoré neobsahujú genetickú informáciu (intróny). Úseky DNA obsahujúce informácie sa nazývajú exóny.
V jadre sú špeciálne enzýmy, ktoré oddeľujú intróny, a fragmenty exónu sa „spájajú“ v prísnom poradí do spoločného vlákna, tento proces sa nazýva „zostrih“. Počas procesu zostrihu sa vytvorí zrelá m-RNA obsahujúca informácie potrebné na syntézu proteínov. Zrelá mRNA (messenger RNA) prechádza cez póry jadrovej membrány a vstupuje do kanálov endoplazmatického retikula (cytoplazmy) a tu sa spája s ribozómami.
Vysielanie– sekvencia usporiadania nukleotidov v mRNA je preložená do striktne usporiadanej sekvencie usporiadania aminokyselín v molekule syntetizovaného proteínu.
Translačný proces zahŕňa 2 stupne: aktiváciu aminokyselín a priamu syntézu proteínovej molekuly.
Jedna molekula mRNA sa spojí s 5-6 ribozómami a vytvorí polyzómy. Na molekule mRNA dochádza k syntéze bielkovín, pričom sa pozdĺž nej pohybujú ribozómy. Počas tohto obdobia sú aminokyseliny nachádzajúce sa v cytoplazme aktivované špeciálnymi enzýmami vylučovanými enzýmami vylučovanými mitochondriami, pričom každý z nich má svoj špecifický enzým.
Takmer okamžite sa aminokyseliny naviažu na iný typ RNA – nízkomolekulovú rozpustnú RNA, ktorá funguje ako nosič aminokyselín do molekuly m-RNA a nazýva sa transportná RNA (t-RNA). tRNA prenáša aminokyseliny do ribozómov na určité miesto, kde v tomto čase končí molekula mRNA. Potom sú aminokyseliny navzájom spojené peptidovými väzbami a vzniká molekula proteínu. Ku koncu syntézy proteínov molekula postupne opúšťa m-RNA.
Jedna molekula mRNA produkuje 10-20 proteínových molekúl a v niektorých prípadoch oveľa viac.
Najnejasnejšou otázkou v syntéze proteínov je, ako tRNA nájde zodpovedajúcu časť mRNA, ku ktorej by mala byť pripojená aminokyselina, ktorú prináša.
Postupnosť usporiadania dusíkatých báz v DNA, ktorá určuje umiestnenie aminokyselín v syntetizovanom proteíne – genetickom kóde.
Keďže tá istá dedičná informácia je „zaznamenaná“ v nukleových kyselinách štyrmi znakmi (dusíkové bázy) a v bielkovinách dvadsiatimi (aminokyseliny). Problém genetického kódu sa týka vytvorenia korešpondencie medzi nimi. Genetici, fyzici a chemici zohrali hlavnú úlohu pri rozlúštení genetického kódu.
Na rozlúštenie genetického kódu bolo potrebné najskôr zistiť, aký minimálny počet nukleotidov môže určovať (kódovať) vznik jednej aminokyseliny. Ak by každá z 20 aminokyselín bola kódovaná jednou bázou, potom by DNA musela mať 20 rôznych báz, ale v skutočnosti sú len 4. Je zrejmé, že kombinácia dvoch nukleotidov tiež nestačí na kódovanie 20 aminokyselín. Môže kódovať iba 16 aminokyselín: 4 2 = 16.
Potom bolo navrhnuté, že kód obsahuje 3 nukleotidy 4 3 = 64 kombinácií, a preto je schopný kódovať viac ako dostatok aminokyselín na vytvorenie akýchkoľvek proteínov. Táto kombinácia troch nukleotidov sa nazýva tripletový kód.
Kód má nasledujúce vlastnosti:
1. Trojitý genetický kód(každá aminokyselina je kódovaná tromi nukleotidmi).
2. Degenerácia– jedna aminokyselina môže byť kódovaná niekoľkými tripletmi, s výnimkou tryptofánu a metionínu.
3. V kodónoch pre jednu aminokyselinu sú prvé dva nukleotidy rovnaké, ale tretí sa mení.
4. Neprekrývajúce sa– trojčatá sa navzájom neprekrývajú. Jeden triplet nemôže byť súčasťou druhého, každý z nich nezávisle kóduje svoju vlastnú aminokyselinu. Preto v polypeptidovom reťazci môžu byť v blízkosti umiestnené akékoľvek dve aminokyseliny a je možná akákoľvek ich kombinácia, t.j. v sekvencii báz ABCDEFGHI prvé tri bázy kódujú 1 aminokyselinu (ABC-1), (DEF-2) atď.
5. univerzálny, tie. Vo všetkých organizmoch sú kodóny pre určité aminokyseliny rovnaké (od harmančeka po človeka). Univerzálnosť kódu svedčí o jednote života na zemi.
6. Kolinearita– zhoda umiestnenia kodónov v mRNA s poradím aminokyselín v syntetizovanom polypeptidovom reťazci.
Kodón je triplet nukleotidov kódujúcich 1 aminokyselinu.
7. Nezmyselné– nekóduje žiadnu aminokyselinu. Syntéza bielkovín je v tomto bode prerušená.
V posledných rokoch sa ukázalo, že univerzálnosť genetického kódu je v mitochondriách narušená, štyri kodóny v mitochondriách zmenili svoj význam, napríklad kodón UGA - zodpovedá tryptofánu namiesto "STOP" - zastavenie syntézy bielkovín. AUA – zodpovedá metionínu – namiesto „izoleucínu“.
Objav nových kodónov v mitochondriách môže poskytnúť dôkaz, že kód sa vyvinul a že sa tak náhle nestal.
Nech je dedičná informácia z génu do molekuly proteínu vyjadrená schematicky.
DNA – RNA – proteín
Štúdium chemického zloženia buniek ukázalo, že rôzne tkanivá toho istého organizmu obsahujú rôzny súbor proteínových molekúl, hoci majú rovnaký počet chromozómov a rovnakú genetickú dedičnú informáciu.
Všimnime si túto okolnosť: napriek tomu, že v každej bunke sú prítomné všetky gény celého organizmu, v jednotlivej bunke funguje len veľmi málo génov – od desatín až po niekoľko percent z celkového počtu. Zvyšné oblasti sú „tiché“, sú blokované špeciálnymi proteínmi. Je to pochopiteľné, prečo napríklad fungujú gény hemoglobínu v nervovej bunke? Spôsob, akým bunka diktuje, ktoré gény sú tiché a ktoré fungujú, by sa malo predpokladať, že bunka má nejaký dokonalý mechanizmus, ktorý reguluje aktivitu génov a určuje, ktoré gény by mali byť v danom momente aktívne a ktoré by mali byť neaktívne ( represívny) štát. Tento mechanizmus sa podľa francúzskych vedcov F. Jacoba a J. Monoda nazýva indukcia a represia.
Indukcia- stimulácia syntézy bielkovín.
Represia- potlačenie syntézy bielkovín.
Indukcia zabezpečuje fungovanie tých génov, ktoré syntetizujú proteín alebo enzým, ktorý je v tomto štádiu bunkového života nevyhnutný.
U zvierat hrajú hormóny bunkovej membrány dôležitú úlohu v procese génovej regulácie; v rastlinách - podmienky prostredia a iné vysoko špecializované induktory.
Príklad: keď sa do média pridá hormón štítnej žľazy, pulce sa rýchlo premenia na žaby.
Pre normálne fungovanie baktérie E (Coli) je nevyhnutný mliečny cukor (laktóza). Ak prostredie, v ktorom sa baktérie nachádzajú, neobsahuje laktózu, sú tieto gény v represívnom stave (teda nefungujú). Laktóza zavedená do média je induktor, ktorý aktivuje gény zodpovedné za syntézu enzýmov. Po odstránení laktózy z média sa syntéza týchto enzýmov zastaví. Úlohu represora teda môže plniť látka, ktorá sa syntetizuje v bunke, a ak jej obsah prekročí normu alebo sa spotrebuje.
Na syntéze proteínov alebo enzýmov sa podieľajú rôzne typy génov.
Všetky gény sa nachádzajú v molekule DNA.
Vo svojich funkciách nie sú rovnaké:
- štrukturálne – gény ovplyvňujúce syntézu niektorého enzýmu alebo proteínu sa nachádzajú v molekule DNA postupne za sebou v poradí ich vplyvu na priebeh syntéznej reakcie, alebo možno povedať aj štrukturálne gény - sú to gény, ktoré nesú informáciu o sekvencia aminokyselín.
- akceptor– gény nenesú dedičnú informáciu o štruktúre proteínu, ale regulujú fungovanie štruktúrnych génov.
Pred skupinou štrukturálnych génov je pre ne spoločný gén - operátor, a pred ním - promótor. Vo všeobecnosti sa táto funkčná skupina nazýva operený
Celá skupina génov jedného operónu je zahrnutá do procesu syntézy a súčasne je od neho vypnutá. Zapínanie a vypínanie štrukturálnych génov je podstatou celého regulačného procesu.
Funkciu zapínania a vypínania vykonáva špeciálna sekcia molekuly DNA - génový operátor. Operátorový gén je východiskovým bodom syntézy proteínov alebo, ako sa hovorí, „čítania“ genetickej informácie. Ďalej v tej istej molekule v určitej vzdialenosti sa nachádza gén - regulátor, pod ktorého kontrolou vzniká proteín nazývaný represor.
Zo všetkého, čo bolo povedané, je jasné, že syntéza bielkovín je veľmi zložitá. Genetický systém bunky pomocou mechanizmov represie a indukcie dokáže prijímať signály o potrebe začať a ukončiť syntézu konkrétneho enzýmu a uskutočniť tento proces danou rýchlosťou.
Problém regulácie pôsobenia génov vo vyšších organizmoch má veľký praktický význam v chove zvierat a medicíne. Stanovenie faktorov regulujúcich syntézu proteínov by otvorilo široké možnosti kontroly ontogenézy, čím by sa vytvorili vysoko produktívne zvieratá, ako aj zvieratá odolné voči dedičným chorobám.
Kontrolné otázky:
1.Vymenujte vlastnosti génov.
2.Čo je to gén?
3.Vymenujte biologický význam DNA a RNA.
4.Vymenujte štádiá syntézy bielkovín
5.Vymenujte vlastnosti genetického kódu.
Proces biosyntézy bielkovín je pre bunku mimoriadne dôležitý. Keďže bielkoviny sú komplexné látky, ktoré hrajú hlavnú úlohu v tkanivách, sú nevyhnutné. Z tohto dôvodu sa v bunke realizuje celý reťazec procesov biosyntézy bielkovín, ktorý sa vyskytuje vo viacerých organelách. To zaručuje bunkovú reprodukciu a možnosť existencie.
Podstata procesu biosyntézy bielkovín
Jediným miestom pre syntézu proteínov je drsné miesto, kde sa nachádza väčšina ribozómov, ktoré sú zodpovedné za tvorbu polypeptidového reťazca. Pred začatím fázy translácie (proces syntézy proteínov) je však potrebná aktivácia génu, ktorý uchováva informácie o štruktúre proteínu. Potom je potrebné skopírovať túto časť DNA (alebo RNA, ak sa uvažuje o bakteriálnej biosyntéze).
Po skopírovaní DNA je potrebný proces vytvorenia messengerovej RNA. Na jeho základe sa uskutoční syntéza proteínového reťazca. Navyše všetky štádiá, ktoré sa vyskytujú za účasti nukleových kyselín, musia prebehnúť v. Toto však nie je miesto, kde dochádza k syntéze bielkovín. kde prebieha príprava na biosyntézu.
Biosyntéza ribozomálnych proteínov
Hlavným miestom, kde dochádza k syntéze bielkovín, je bunková organela, pozostávajúca z dvoch podjednotiek. Takýchto štruktúr je v bunke obrovské množstvo a nachádzajú sa najmä na membránach hrubého endoplazmatického retikula. Samotná biosyntéza prebieha nasledovne: messengerová RNA vytvorená v bunkovom jadre vystupuje cez jadrové póry do cytoplazmy a stretáva sa s ribozómom. mRNA sa potom vtlačí do medzery medzi ribozomálnymi podjednotkami, po čom sa fixuje prvá aminokyselina.
Aminokyseliny sú dodávané na miesto, kde dochádza k syntéze bielkovín pomocou Jedna takáto molekula môže priniesť jednu aminokyselinu naraz. Sú pripojené postupne v závislosti od kodónovej sekvencie messengerovej RNA. Syntéza sa tiež môže na nejaký čas zastaviť.
Pri pohybe pozdĺž mRNA môže ribozóm vstúpiť do oblastí (intrónov), ktoré nekódujú aminokyseliny. V týchto miestach sa ribozóm jednoducho pohybuje pozdĺž mRNA, ale do reťazca sa nepridávajú žiadne aminokyseliny. Akonáhle ribozóm dosiahne exón, to znamená oblasť, ktorá kóduje kyselinu, potom sa znova pripojí k polypeptidu.
Postsyntetická modifikácia proteínov
Keď ribozóm dosiahne stop kodón messenger RNA, proces priamej syntézy je dokončený. Výsledná molekula má však primárnu štruktúru a ešte nemôže vykonávať funkcie, ktoré sú pre ňu vyhradené. Aby mohla molekula plne fungovať, musí byť organizovaná do určitej štruktúry: sekundárna, terciárna alebo ešte zložitejšia – kvartérna.
Štrukturálna organizácia bielkovín
Sekundárna štruktúra je prvým stupňom štrukturálnej organizácie. Aby sa to dosiahlo, primárny polypeptidový reťazec sa musí zvinúť (vytvoriť alfa helixy) alebo zložiť (vytvoriť beta listy). Potom, aby po dĺžke zabrala ešte menej miesta, sa molekula ďalej stiahne a zvinie do gule v dôsledku vodíkových, kovalentných a iónových väzieb, ako aj medziatómových interakcií. Tak dostaneme guľový
Kvartérna proteínová štruktúra
Kvartérna štruktúra je najkomplexnejšia zo všetkých. Skladá sa z niekoľkých sekcií s globulárnou štruktúrou, spojených fibrilárnymi vláknami polypeptidu. Okrem toho môže terciárna a kvartérna štruktúra obsahovať sacharidový alebo lipidový zvyšok, ktorý rozširuje rozsah funkcií proteínu. Najmä glykoproteíny, bielkoviny a sacharidy sú imunoglobulíny a plnia ochrannú funkciu. Glykoproteíny sa tiež nachádzajú na bunkových membránach a fungujú ako receptory. Molekula sa však nemodifikuje tam, kde dochádza k syntéze proteínov, ale v hladkom endoplazmatickom retikule. Tu existuje možnosť pripojenia lipidov, kovov a uhľohydrátov na proteínové domény.
Schopnosť buniek udržiavať vysoko usporiadanú organizáciu závisí od genetickej informácie, ktorá sa realizuje, ukladá, reprodukuje alebo zlepšuje v štyroch genetických procesoch: syntéza RNA a proteínov, oprava DNA, replikácia DNA a genetická rekombinácia. Proteíny zvyčajne tvoria viac ako polovicu suchej hmoty bunky a ich syntéza hrá hlavnú úlohu v procesoch, ako je rast a diferenciácia buniek, udržiavanie ich štruktúry a funkcie.
Závisí od kombinovaného pôsobenia niekoľkých tried molekúl RNA. Po prvé, v dôsledku kopírovania DNA, ktorá nesie informácie o syntetizovanom proteíne, sa vytvorí molekula messenger RNA (mRNA). Na každú z 20 aminokyselín, z ktorých je proteín vybudovaný, je pripojená špecifická molekula transferovej RNA (tRNA) a na podjednotky ribozómu, na ktorých prebieha syntéza, sú pripojené niektoré pomocné proteínové faktory.
Za začiatok syntézy bielkovín v bunke sa považuje moment, kedy sa tieto zložky v cytoplazme spoja a vytvoria funkčný ribozóm. Ako sa mRNA pohybuje krok za krokom cez ribozóm, jej nukleotidová sekvencia je translatovaná (transportovaná) do zodpovedajúcej aminokyselinovej sekvencie, čo vedie k vytvoreniu špecifického proteínového reťazca.
Syntéza RNA na templáte DNA sa nazýva transkripcia. V dôsledku transkripcie sa vytvárajú molekuly mRNA, ktoré nesú informácie pre syntézu proteínov v bunke, ako aj transportné, ribozomálne a iné typy molekúl RNA, ktoré vykonávajú štrukturálne a katalytické funkcie. Syntéza týchto molekúl RNA - kópií nukleotidových sekvencií úsekov molekuly DNA - je katalyzovaná enzýmami nazývanými RNA polymerázy.
Väzba RNA polymerázy sa ukáže ako veľmi silná, ak sa RNA polymeráza naviaže na špecifickú sekvenciu DNA, takzvaný promótor, ktorý obsahuje štartovací signál pre syntézu RNA, teda na miesto, odkiaľ by táto syntéza mala začať. Reakcie, ktoré z toho vyplývajú, sú charakterizované nasledujúcimi znakmi: po pripojení k promótoru RNA polymeráza rozvinie svoju časť dvojitej špirály, čím obnaží nukleotidy na krátkom segmente každého z dvoch reťazcov DNA. Jeden z týchto dvoch oddelených reťazcov by sa mal stať templátom pre komplementárne párovanie hlavnej DNA s bázami prichádzajúcich monomérov – ribonukleozidtrifosfátmi. Polymeráza spája prvé dva prichádzajúce monoméry a tým iniciuje syntetizovaný reťazec RNA. Potom RNA polymeráza, pohybujúca sa krok za krokom pozdĺž DNA, rozvinie špirálu DNA pred sebou, pričom zakaždým odkryje novú časť templátu pre komplementárne párovanie báz. Pridávaním po jednom nukleotide do rastúceho reťazca RNA postupne zväčšuje reťazec.
Proces predlžovania reťazca RNA pokračuje dovtedy, kým enzým na svojej ceste nenarazí na inú špecifickú nukleotidovú sekvenciu v reťazci DNA, a to signál ukončenia transkripcie (stop signál). Po dosiahnutí tohto bodu sa polymeráza oddelí od templátovej DNA aj od novo syntetizovaného vlákna RNA. Keď sa enzým pohybuje pozdĺž templátového vlákna, v jeho aktívnom centre sa vytvorí dvojitá špirála RNA-DNA. Za molekulou polymerázy, ktorá dokončila svoju prácu na syntéze DNA-RNA, sa špirála DNA-RNA okamžite obnoví a RNA sa vytesní. Každé dokončené vlákno RNA je oddelené od templátu DNA ako voľná jednovláknová molekula, v ktorej sa počet nukleotidov pohybuje od 70 do 10 000.
Spravidla sa prepisuje jeden z reťazcov DNA. Ktorý z dvoch reťazcov bude transkribovaný, je určený promótorom, ktorého nukleotidová sekvencia je orientovaná tak, aby smerovala RNA polymerázu do jednej alebo druhej dráhy.
Je tiež známe, že špeciálne proteíny, ktoré regulujú aktivitu génov, hrajú dôležitú úlohu pri určovaní, ktoré úseky DNA budú transkribované RNA polymerázou. Práve na nich primárne závisí, aké bielkoviny bude bunka produkovať. Ďalej, v eukaryotických bunkách väčšina RNA transkriptov DNA opustí bunkové jadro a presunie sa do cytoplazmy vo forme mRNA, kde prechádzajú významnými zmenami - prechádzajú zostrihom.
Všetky bunky obsahujú súbor transferových RNA (tRNA) – malých molekúl, ktorých veľkosť sa pohybuje od 70 do 90 nukleotidov. Tieto RNA spojením jedného konca so špecifickým kodónom mRNA a druhým pripojením aminokyseliny kódovanej týmto tripletom umožňujú aminokyselinám zoradiť sa v poradí diktovanom nukleotidovou sekvenciou mRNA.
Každá tRNA môže niesť iba jednu z 20 aminokyselín používaných pri syntéze bielkovín. Transferová RNA, ktorá prenáša glycín, sa označuje ako Gly tRNA atď. Pre každú z 20 aminokyselín existuje jeden typ tRNA. Je dôležité, aby každá aminokyselina bola kovalentne pripojená k tRNA obsahujúcej správny antikodón – trojnukleotidovú sekvenciu komplementárnu k trojnukleotidovému kodónu, ktorý definuje túto aminokyselinu v molekule mRNA. Párovanie kodón-antikodón umožňuje, aby sa každá aminokyselina začlenila do rastúceho proteínového reťazca v poradí, ktoré určuje nukleotidová sekvencia mRNA. Takže genetický kód sa používa na preklad (preklad) nukleotidových sekvencií nukleových kyselín do aminokyselinových sekvencií proteínov.
vlákno mRNA je sfarbené do červena, ribozómy - modré, rastúce polypeptidové reťazce - zelené. (Foto Dr. Elena Kiseleva).
Spojením aminokyseliny na jednom konci a párovaním s kodónom na druhom, tRNA konvertuje sekvenciu nukleotidov na sekvenciu aminokyselín. Funkcia tRNA závisí od trojrozmernej štruktúry jej molekuly. Kde presne bude daná aminokyselina pripojená k rastúcemu polypeptidovému reťazcu, nezávisí od samotnej aminokyseliny, ale od molekuly tRNA, ktorá ju pripojila. Molekula tRNA je kovalentne pripojená presne k tej aminokyseline zo všetkých dvadsiatich aminokyselín, ktorá je jej skutočným partnerom. Tento mechanizmus je spojený s účasťou enzýmov nazývaných aminoacyl-tRNA syntázy, ktoré pripájajú aminokyselinu na zodpovedajúci súbor molekúl tRNA. Každá aminokyselina má svoju špeciálnu syntetázu (takýchto syntetáz je celkovo 20): jedna pridáva napríklad glycín k tRNA Gly, iná alanín atď. Molekuly tRNA teda zohrávajú úlohu konečných adaptérov, ktoré prekladajú informácie obsiahnuté v nukleotidovej sekvencii nukleovej kyseliny do reči proteínu.
Reakcie syntézy proteínov vyžadujú komplexný katalytický stimul. Rastúci koniec polypeptidového reťazca musí byť určitým spôsobom prispôsobený molekule mRNA, aby sa každý nasledujúci kodón mRNA presne spojil s antikodónom tRNA bez preskočenia jediného nukleotidu. V opačnom prípade to povedie k posunu v postupnosti čítania.
Viac ako polovicu hmotnosti ribozómu tvorí RNA (rRNA), ktorá hrá kľúčovú úlohu v katalytickej aktivite ribozómu. V ribozóme sú tri rôzne miesta, na ktoré sa RNA viaže – jedno pre mRNA a dve pre tRNA. Jedna z posledných dvoch oblastí obsahuje molekulu tRNA pripojenú k rastúcemu koncu polypeptidového reťazca, takže sa nazýva väzbové miesto peptidyl-tRNA alebo P-miesto.
Druhá časť slúži na uchovanie iba prichádzajúcej molekuly tRNA naplnenej aminokyselinou. Nazýva sa aminoacyl-tRNA-väzbové miesto alebo A-miesto. Molekula tRNA je pevne pripojená k obom miestam iba vtedy, ak sa jej antikodón spáruje s komplementárnym kodónom mRNA. Miesta A a P sú umiestnené veľmi blízko seba, takže dve s nimi spojené molekuly tRNA sa spárujú s dvoma susednými kodónmi v molekule mRNA.
Proces rastu polypeptidového reťazca na ribozómoch možno považovať za cyklus pozostávajúci z troch samostatných etáp:
- Molekula aminoacyl-tRNA sa viaže na voľné miesto ribozómu susediace s obsadeným miestom P. K väzbe dochádza spárovaním nukleotidov antikodónu s tromi nukleotidmi mRNA umiestnenej v A-mieste.
- V druhom štádiu sa karboxylový koniec polypeptidového reťazca v P-mieste oddelí od molekuly tRNA a vytvorí sa peptidová väzba s aminokyselinou pripojenou k molekule tRNA v A-mieste.
- Nová peptidylová tRNA sa prenesie do P miesta ribozómu, zatiaľ čo ribozóm sa pohybuje pozdĺž molekuly mRNA presne o tri nukleotidy.
Translokačný proces, ktorý predstavuje tretí stupeň, tiež zahŕňa návrat voľnej molekuly tRNA oddelenej od polypeptidového reťazca v oblasti P počas druhej fázy zásoby cytoplazmatickej tRNA. Preto po dokončení tretieho štádia môže neobsadené A-miesto prijať novú molekulu tRNA nabitú inou aminokyselinou, to znamená, že cyklus môže začať odznova.
Veľmi energeticky náročný proces. Vznik každej novej peptidovej väzby je sprevádzaný usporiadaním štyroch vysokoenergetických fosfátových väzieb. Dve z nich sa vynaložia na naplnenie molekuly tRNA aminokyselinou a dve sa vynaložia na samotnú syntézu v cykle reakcií prebiehajúcich na ribozóme. Na konci cyklu peptidyltransferáza nepripojí na peptidyl-tRNA aminokyselinu, ale molekulu H 2 O, vďaka čomu sa karboxylový koniec rastúceho polypeptidového reťazca oddelí od molekuly tRNA – proteínový reťazec je voľný a vstupuje do cytoplazmy.
Novovytvorená bunka po mitotickom delení je teda vybavená druhovou kontinuitou dedičného materiálu, v dôsledku jeho prenosu počas delenia v rovnakých množstvách do oboch dcérskych buniek. Dcérske bunky pokračujú v evolučne zafixovanom procese metabolizmu druhov a získavajú vlastnosti charakteristické pre bunkovú populáciu tkanivového pôvodu. Preto novovzniknuté bunky v krátkom čase prechádzajú špecializáciou (diferenciáciou) podľa ich hlavnej geneticky pridelenej príslušnosti. Množstvo vlastností sa stáva mimoriadne spoločným pre všetky bunky bez ohľadu na tkanivový systém, v ktorom vykonávajú svoj životný cyklus. Na vykonávanie svojich funkcií sú bunky vybavené množstvom vysoko špecializovaných vlastností.
Zdroje:
Cytofyziológia / Lutsenko M.T. // Novosibirsk-Blagoveshchensk, 2011.
