СИНТЕЗ БІЛКА: ЕТАПИ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКА - БІОЛОГІЯ - 2025

Синтез білка є біологічне подія , яке відбувається в практично всіх живих істот. Клітини постійно приймають інформацію, яка зберігається в ДНК, і завдяки наявності високо складних спеціалізованих машин перетворюють її в білкові молекули.

Однак 4-буквений код, зашифрований у ДНК, не перекладається безпосередньо в білки. Молекула РНК, яка функціонує як посередник, звана месенджерною РНК, бере участь у процесі.

Синтез білка.
Джерело: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Коли клітинам потрібен конкретний білок, нуклеотидна послідовність відповідної порції ДНК копіюється в РНК - процес, який називається транскрипцією - і це, в свою чергу, перетворюється на білок, про який йде мова.

Описаний інформаційний потік (ДНК до месенджерної РНК та повідомлення РНК білкам) відбувається від дуже простих істот, таких як бактерії для людини. Ця серія кроків була названа центральною «догмою» біології.

Машиною, відповідальною за синтез білка, є рибосоми. Ці невеликі клітинні структури знаходяться значною мірою в цитоплазмі та прикріплені до ендоплазматичного ретикулуму.

Що таке білки?

Білки - це макромолекули, що складаються з амінокислот. Вони складають майже 80% протоплазми цілої зневодненої клітини. Всі білки, що входять до складу організму, називаються "протеомами".

Його функції різноманітні та різноманітні: від структурних ролей (колаген) до транспорту (гемоглобін), каталізаторів біохімічних реакцій (ферменти), захисту від збудників (антитіла), серед інших.

Існує 20 видів природних амінокислот, які поєднуються пептидними зв’язками для утворення білків. Кожна амінокислота характеризується наявністю певної групи, яка надає їй особливих хімічних та фізичних властивостей.

Етапи та характеристики

Спосіб, яким клітині вдається інтерпретувати повідомлення ДНК, відбувається через дві основні події: транскрипцію та трансляцію. Багато копій РНК, скопійованих з одного і того ж гена, здатні синтезувати значну кількість однакових білкових молекул.

Кожен ген транскрибується та перекладається диференційовано, що дозволяє клітині виробляти різну кількість найрізноманітніших білків. Цей процес включає різні клітинні регуляторні шляхи, які, як правило, включають контроль виробництва РНК.

Перший крок, який повинна зробити клітина, щоб почати виробництво білка, - це прочитати повідомлення, написане на молекулі ДНК. Ця молекула є універсальною і містить всю інформацію, необхідну для побудови та розвитку органічних істот.

Далі ми розповімо, як відбувається синтез білка, починаючи цей процес «зчитування» генетичного матеріалу і закінчуючи виробництвом білків як такої.

Транскрипція: від ДНК до месенджерної РНК

Повідомлення про подвійну спіраль ДНК записується чотирибуквеним кодом, що відповідає основам аденіну (A), гуаніну (G), цитозину (C) та тиміну (T).

Ця послідовність букв ДНК слугує шаблоном для побудови еквівалентної молекули РНК.

І ДНК, і РНК є лінійними полімерами, що складаються з нуклеотидів. Однак вони відрізняються хімічно в двох основних аспектах: нуклеотиди в РНК - це рибонуклеотиди, а замість основного тиміну РНК має урацил (U), який поєднується з аденіном.

Процес транскрипції починається з відкриття подвійної спіралі в певній області. Один з двох ланцюгів виконує роль "шаблону" або шаблону для синтезу РНК. Нуклеотиди будуть додані, дотримуючись базових правил спарювання, C з G і A з U.

Основним ферментом, що бере участь у транскрипції, є РНК-полімераза. Він відповідає за каталізацію утворення фосфодіефірних зв'язків, які приєднуються до нуклеотидів ланцюга. Ланцюг простягається в напрямку 5 'до 3'.

Зростання молекули включає різні білки, відомі як "фактори подовження", які відповідають за підтримання зв'язування полімерази до кінця процесу.

Спланування месенджерної РНК

Джерело: За BCSteve, з Wikimedia Commons У еукаріотів гени мають специфічну структуру. Послідовність переривається елементами, що не входять до складу білка, називаються інтронами. Термін протистоїть екзону, який включає частини гена, які будуть переведені на білки.

Сплайсинг - це фундаментальна подія, яка полягає у виведенні інтронів молекули месенджера, щоб пролити молекулу, побудовану виключно екзонами. Кінцевим продуктом є зріла месенджерна РНК. Фізично це відбувається в сплайсосомі, складній та динамічній машині.

Крім сплайсингу, месенджер РНК зазнає додаткового кодування перед перекладом. Додається «капюшон», хімічна природа якого є модифікованим нуклеотидом гуаніну, а на 5 'кінці та хвостом декількох аденінів на іншому кінці.

РНК-типи

У клітині виробляються різні типи РНК. Деякі гени в клітині продукують месенджерну молекулу РНК, і це переводиться на білок - як ми побачимо далі. Однак є гени, кінцевим продуктом яких є сама молекула РНК.

Наприклад, у геномі дріжджів приблизно 10% генів дріжджів мають молекули РНК як їх кінцевий продукт. Важливо згадати їх, оскільки ці молекули відіграють фундаментальну роль, коли мова йде про синтез білка.

- Рибосомальна РНК: рибосомальна РНК є частиною серця рибосом, ключових структур для синтезу білків.

Джерело: Джейн Річардсон (Dcrjsr), з Wikimedia Commons Переробка рибосомних РНК та їх подальша збірка в рибосоми відбувається в дуже помітній структурі ядра, хоча воно не обмежене мембраною - під назвою ядерце.

- Трансферна РНК: вона функціонує як адаптер, який вибирає конкретну амінокислоту і разом з рибосомою включає амінокислотний залишок у білок. Кожна амінокислота пов'язана з молекулою переносної РНК.

У еукаріотів є три типи полімераз, які, хоча структурно дуже схожі між собою, грають різні ролі.

РНК-полімераза I та III транскрибує гени, кодуючі для перенесення РНК, рибосомальну РНК та деякі невеликі РНК. РНК-полімераза II націлена на трансляцію генів, кодуючих білки.

- Малі РНК, пов'язані з регуляцією: Інші короткотривалі РНК беруть участь у регуляції експресії генів. До них відносяться мікроРНК та малі інтерферуючі РНК.

МікроРНК регулює експресію, блокуючи конкретне повідомлення, а невеликі перешкоджаючі вимкнення експресії виводять через пряму деградацію месенджера. Так само є невеликі ядерні РНК, які беруть участь у процесі сплайсингу месенджерної РНК.

Переклад: від месенджерної РНК до білків

Як тільки месенджерна РНК дозріває в процесі сплайсингу і проходить від ядра до клітинної цитоплазми, починається синтез білка. Цей експорт опосередковується ядерно-пористим комплексом - серією водних каналів, розташованих у мембрані ядра, які безпосередньо з'єднують цитоплазму та нуклеоплазму.

У повсякденному житті ми використовуємо термін «переклад» для позначення перетворення слів з однієї мови на іншу.

Наприклад, ми можемо перекласти книгу з англійської на іспанську. На молекулярному рівні переклад передбачає перехід від мови РНК до білка. Якщо бути точнішим, це перехід від нуклеотидів до амінокислот. Але як відбувається ця зміна діалекту?

Генетичний код

Нуклеотидна послідовність гена може бути перетворена в білки, дотримуючись правил, встановлених генетичним кодом. Це було розшифровано на початку 1960-х.

Як читач зможе зробити висновок, переклад не може бути одним або одним, оскільки є лише 4 нуклеотиди та 20 амінокислот. Логіка така: об'єднання трьох нуклеотидів відоме як "триплети", і вони пов'язані з певною амінокислотою.

Оскільки може бути 64 можливих трійки (4 x 4 x 4 = 64), генетичний код є зайвим. Тобто одна і та ж амінокислота кодується більш ніж одним триплетом.

Наявність генетичного коду є універсальним і використовується всіма живими організмами, які сьогодні мешкають на землі. Це широке використання - одна з найяскравіших молекулярних гомологій природи.

З'єднання амінокислоти для перенесення РНК

Кодони або триплети, знайдені в молекулі месенджерної РНК, не мають здатності безпосередньо розпізнавати амінокислоти. На відміну від цього, трансляція месенджерної РНК залежить від молекули, яка може розпізнати та зв’язати кодон та амінокислоту. Ця молекула є передавальною РНК.

Переносна РНК може скластись у складну тривимірну структуру, що нагадує конюшину. У цій молекулі є область, яка називається "антикодон", утворена трьома послідовними нуклеотидами, які з'єднуються з послідовними комплементарними нуклеотидами ланцюгової ланцюга РНК.

Як ми вже згадували в попередньому розділі, генетичний код є надлишковим, тому деякі амінокислоти мають більше однієї переносної РНК.

Виявлення та злиття правильної амінокислоти до переносної РНК - це процес, опосередкований ферментом, який називається аміноацил-тРНК синтетазою. Цей фермент відповідає за зв'язування обох молекул через ковалентний зв’язок.

Повідомлення РНК декодується рибосомами

Для утворення білка амінокислоти пов'язані між собою через пептидні зв’язки. Процес зчитування месенджерної РНК та зв'язування специфічних амінокислот відбувається в рибосомах.

Рибосоми

Рибосоми - це каталітичні комплекси, що складаються з понад 50 молекул білка та різних видів рибосомної РНК. У еукаріотичних організмах середня клітина містить в середньому мільйони рибосом у цитоплазматичному середовищі.

Структурно рибосома складається з великої та малої субодиниці. Роль малої частини полягає в тому, щоб передавальна РНК була правильно сполучена з месенджерною РНК, тоді як велика субодиниця каталізує утворення пептидної зв'язку між амінокислотами.

Коли процес синтезу не активний, дві субодиниці, що складають рибосоми, відокремлюються. На початку синтезу месенджерна РНК приєднується до обох субодиниць, як правило, поблизу 5 'кінця.

У цьому процесі подовження поліпептидного ланцюга відбувається шляхом додавання нового амінокислотного залишку на наступних стадіях: зв'язування переносної РНК, утворення пептидної зв'язку, транслокація субодиниць. Результатом цього останнього кроку є рух всієї рибосоми і починається новий цикл.

Подовження поліпептидного ланцюга

У рибосомах розрізняють три ділянки: ділянки E, P і A (див. Головне зображення). Процес подовження починається тоді, коли деякі амінокислоти вже були ковалентно пов'язані і на ділянці Р є молекула перенесення РНК.

Трансферна РНК, яка має наступну амінокислоту, яка буде включена, зв'язується з сайтом А шляхом спарювання бази з РНК месенджера. Потім карбоксильна кінцева частина пептиду вивільняється з переносної РНК на ділянці Р шляхом розриву високоенергетичної зв'язку між переносною РНК та амінокислотою, яку він несе.

Вільна амінокислота приєднується до ланцюга, і утворюється новий пептидний зв’язок. Центральна реакція у всьому цьому процесі опосередковується ферментом пептидил трансфераза, який знаходиться у великій субодиниці рибосом. Таким чином, рибосома подорожує через месенджерну РНК, переводячи діалект від амінокислот до білків.

Як і в транскрипції, фактори подовження також беруть участь під час трансляції білка. Ці елементи підвищують швидкість та ефективність процесу.

Завершення перекладу

Процес трансляції закінчується, коли рибосома стикається з стоп-кодонами: UAA, UAG або UGA. Вони не розпізнаються жодною переносною РНК і не зв'язують амінокислот.

У цей час білки, відомі як фактори вивільнення, зв'язуються з рибосомою і викликають каталіз молекули води, а не амінокислоти. Ця реакція звільняє кінцевий карбоксильний кінець. Нарешті, пептидна ланцюг вивільняється в цитоплазму клітини.

Список літератури

1. Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Стриєр Л. (2002). Біохімія. 5-е видання. Нью-Йорк: WH Freeman.
2. Кертіс, Х., Шнек, А. (2006). Запрошення на біологію. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Молекулярна клітинна біологія. Нью-Йорк: Наукові американські книги.
4. Холл, JE (2015). Гайтон та Холл підручник з електронної книги з медичної фізіології. Науки про здоров’я Ельзев'є.
5. Левін, Б. (1993). Гени Том 1. Переверніть.
6. Лодиш, Х. (2005). Клітинна та молекулярна біологія. Panamerican Medical Ed.
7. Рамакришнан, В. (2002). Будова рибосоми та механізм перекладу. Клітка, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Вступ до мікробіології. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). Будова та функції еукаріотичної рибосоми. Перспективи холодного весняного порту в біології, 4 (5), a011536.