Кой откри биосинтезата на протеини. Основно място на биосинтеза на протеини

Информация за първичната структура на протеиновата молекула се съдържа в ДНК, която се намира в ядрото на еукариотната клетка. Една верига или верига от ДНК може да съдържа информация за много протеини. Генът е част (фрагмент) от ДНК, която носи информация за структурата на един протеин. Молекулата на ДНК съдържа код за последователността от аминокиселини в протеина под формата на специфична последователност от нуклеотиди. В този случай всяка аминокиселина в бъдещата протеинова молекула съответства на участък от три нуклеотида (триплет) в молекулата на ДНК.

Процес протеинова биосинтезавключва поредица от последователни събития:

репликация на ДНК (в клетъчното ядро) транскрипцияинформационна РНК (в цитоплазмата с помощта на рибозоми) транслация на протеини

Синтезът на информационна РНК (mRNA) се извършва в ядрото. Осъществява се по една от веригите на ДНК с помощта на ензими и като се вземе предвид принципът на комплементарност на азотните бази. Процесът на пренаписване на информацията, съдържаща се в ДНК гените, в синтезирана иРНК молекула се нарича транскрипция. Очевидно информацията се транскрибира като последователност от РНК нуклеотиди. ДНК веригата в този случай действа като матрица. В процеса на своето образуване РНК молекулата включва урация вместо азотната основа тимин.

G - C - A - A - C - T – фрагмент от една от веригите на ДНК молекулата
- C - G - U - U - G - A – фрагмент от молекула информационна РНК.

РНК молекулите са индивидуални, всяка от тях носи информация за един ген. След това молекулите на иРНК напускат клетъчното ядро ​​през порите на ядрената мембрана и се насочват в цитоплазмата към рибозомите. Аминокиселините също се доставят тук с помощта на трансферна РНК (тРНК). Молекулата на тРНК се състои от 70-80 нуклеотида. Обща формаМолекулата прилича на лист детелина.

Най-отгоре има атикодон (кодов триплет от нуклеотиди), който съответства на определена аминокиселина. Следователно всяка аминокиселина има своя специфична тРНК. Процесът на сглобяване на протеинова молекула се случва в рибозомите и се нарича излъчване. Няколко рибозоми са разположени последователно върху една иРНК молекула. Функционалният център на всяка рибозома може да побере два триплета иРНК. Кодовият триплет от нуклеотиди - t-RNA молекула, която се приближава до мястото на протеинов синтез, съответства на триплета от i-RNA нуклеотиди, разположени в този моментвъв функционалния център на рибозомата. След това рибозомата прави стъпка по веригата на иРНК, равна на три нуклеотида. се отделя от t-RNA и се превръща във верига от протеинови мономери. Освободената т-РНК се премества настрани и след известно време може отново да се свърже с определена киселина, която ще бъде транспортирана до мястото протеинов синтез. Така последователността от нуклеотиди в триплета на ДНК съответства на последователността от нуклеотиди в триплета на иРНК.

В сложния процес на биосинтеза на протеини се реализират функциите на много вещества и клетъчни органели.

Биосинтезата на протеини се извършва във всички органи, тъкани и клетки. Най-голямо количествоПротеинът се синтезира в черния дроб. Рибозомите извършват биосинтеза на протеини. По химическа природа рибозомите са нуклеопротеини, състоящи се от РНК (50-65%) и протеини (35-50%). са компонентигранулиран, където се извършва биосинтезата и движението на синтезираните протеинови молекули.

Рибозомите в клетката се намират под формата на клъстери от 3 до 100 единици - полизоми (полирибозоми). Рибозомите обикновено са свързани помежду си чрез вид нишка, видима под електронен микроскоп - i-RNA.

Всяка рибозома е способна самостоятелно да синтезира една полипептидна верига; група може да синтезира няколко такива вериги и протеинови молекули.

Етапи на биосинтеза на протеини

Активиране на аминокиселини. Аминокиселините навлизат в хиалоплазмата от междуклетъчната течност в резултат на дифузия, осмоза или активен трансфер. Всеки вид амино и иминокиселини взаимодействат с отделен ензим – аминоацил синтетаза. Реакцията се активира от магнезиеви, манганови и кобалтови катиони. Появява се активирана аминокиселина.

Биосинтеза на протеин (втори етап) - взаимодействие и свързване на активирана аминокиселина с t-RNA. Активираните аминокиселини (аминоацил аденилат) се прехвърлят от ензими към тРНК на цитоплазмата. Процесът се катализира от аминоацил-РНК синтетази. Аминокиселинният остатък е свързан чрез карбоксилна група към хидроксилната група на втория въглероден атом на рибозния нуклеотид на тРНК.

Биосинтеза на протеин (трети етап) - транспорт на комплекс от активирани аминокиселини с t-RNA в рибозомите на клетката. Аминокиселината се свързва с тРНК и се прехвърля от хиалоплазмата към рибозомата. Процесът се катализира от специфични ензими, които в тялото са най-малко 20. Някои аминокиселини се транспортират от няколко тРНК (например валин и левцин - от три тРНК). Този процес използва енергията на GTP и ATP. Четвъртият етап от биосинтезата се характеризира със свързването на аминоацил-t-РНК към комплекса иРНК-рибозома. Аминоацил-тРНК, приближавайки се до рибозомата, взаимодейства с иРНК. Всяка тРНК има участък, състоящ се от три нуклеотида - антикодон. В иРНК той съответства на участък с три нуклеотида - кодон. Всеки кодон съответства на tRNA антикодон и една аминокиселина. По време на биосинтезата аминокиселините се добавят към рибозомите под формата на аминоацил-tRNA, които впоследствие се образуват в полипептидна верига в реда, определен от разположението на кодоните в иРНК.

Следващият етап от биосинтезата на протеина е инициирането на полипептидната верига. След като две съседни аминоацил-тРНК съединят иРНК кодоните с техните антикодони, се създават условия за синтез на полипептидната верига. Образува се пептидна връзка. Тези процеси се катализират от пептидни синтетази и се активират от Mg катиони и протеинови иницииращи фактори F1, F2, F3. Източник химична енергияе гуанозин трифосфатна киселина.

Терминиране на полипептидна верига. Рибозомата, на повърхността на която е синтезирана полипептидната верига, достига края на i-RNA веригата и впоследствие „скача“ от нея. Към противоположния край на иРНК на нейно място се прикрепя нова рибозома, която осъществява синтеза на следващата полипептидна молекула. Полипептидната верига се отделя от рибозомата и се освобождава в хиалоплазмата. Тази реакция се осъществява от специфичен фактор на освобождаване (R фактор), който е свързан с рибозомата и улеснява хидролизата на естерната връзка между полипептида и tRNA.

В хиалоплазмата от полипептидни вериги се образуват прости и вторични, третични и в много случаи молекули. Така се осъществява биосинтезата на протеини в клетката.

Биосинтеза на протеини.

Пластичният метаболизъм (асимилация или анаболизъм) е набор от реакции на биологичен синтез. Името на този вид обмен отразява неговата същност: от вещества, влизащи в клетката отвън, се образуват вещества, подобни на веществата на клетката.

Нека разгледаме една от най-важните форми на пластичния метаболизъм - биосинтезата на протеини. Биосинтеза на протеиниизвършва се във всички про- и еукариотни клетки. Информацията за първичната структура (реда на аминокиселините) на протеиновата молекула е кодирана от последователност от нуклеотиди в съответния участък на ДНК молекулата - гена.

Генът е част от ДНК молекула, която определя реда на аминокиселините в протеиновата молекула. Следователно редът на аминокиселините в полипептида зависи от реда на нуклеотидите в гена, т.е. нейната първична структура, от която на свой ред зависят всички други структури, свойства и функции на белтъчната молекула.

Системата за запис на генетична информация в ДНК (и РНК) под формата на специфична последователност от нуклеотиди се нарича генетичен код. Тези. Единица генетичен код (кодон) е триплет от нуклеотиди в ДНК или РНК, който кодира една аминокиселина.

Общо генетичният код включва 64 кодона, от които 61 са кодиращи и 3 са некодиращи (терминаторни кодони, показващи края на процеса на транслация).

Терминаторни кодони в i - РНК: UAA, UAG, UGA, в ДНК: ATT, ATC, ACT.

Началото на процеса на транслация се определя от иницииращия кодон (AUG, в ДНК - TAC), кодиращ аминокиселината метионин. Този кодон е първият, който влиза в рибозомата. Впоследствие метионинът, ако не е осигурен като първа аминокиселина на даден протеин, се отцепва.

Генетичният код има характерни свойства.

1. Универсалност - кодът е еднакъв за всички организми. Същият триплет (кодон) във всеки организъм кодира една и съща аминокиселина.

2. Специфичност – всеки кодон кодира само една аминокиселина.

3. Дегенерация - повечето аминокиселини могат да бъдат кодирани от няколко кодона. Изключение правят 2 аминокиселини - метионин и триптофан, които имат само един вариант на кодон.

4. Между гените има "препинателни знаци" - три специални триплета (UAA, UAG, UGA), всеки от които показва спирането на синтеза на полипептидната верига.

5. Вътре в гена няма "препинателни знаци".

За да бъде синтезиран протеин, информацията за нуклеотидната последователност в неговата първична структура трябва да бъде доставена до рибозомите. Този процес включва два етапа - транскрипция и транслация.

Транскрипция(пренаписване) на информация се получава чрез синтезиране върху една от веригите на ДНК молекулата на едноверижна РНК молекула, чиято нуклеотидна последователност съвпада точно с нуклеотидната последователност на матрицата - полинуклеотидната верига на ДНК.

Тя (и - РНК) е посредник, който предава информация от ДНК до мястото на сглобяване на протеинови молекули в рибозомата. Синтезът на i-RNA (транскрипция) се осъществява по следния начин. Ензим (РНК полимераза) разделя двойната верига на ДНК и нуклеотидите на РНК се подреждат в една от нейните вериги (кодиращи) според принципа на комплементарност. Синтезираната по този начин РНК молекула (матричен синтез) навлиза в цитоплазмата, като в единия край се нанизват малки рибозомни субединици.

Вторият етап от биосинтезата на протеина е излъчване- е транслацията на последователността от нуклеотиди в молекула и - РНК в последователността от аминокиселини в полипептид. При прокариотите, които нямат оформено ядро, рибозомите могат да се свържат с новосинтезирана молекула и - РНК веднага след отделянето й от ДНК или дори преди нейния синтез да завърши. При еукариотите РНК трябва първо да бъде доставена през ядрената обвивка в цитоплазмата. Трансферът се осъществява от специални протеини, които образуват комплекс с РНК молекулата. В допълнение към функциите за прехвърляне, тези протеини защитават и - РНК от вредните ефекти на цитоплазмените ензими.

В цитоплазмата рибозома навлиза в един от краищата на РНК (а именно този, от който започва синтезата на молекулата в ядрото) и започва синтезата на полипептида. Докато се движи надолу по молекулата на РНК, рибозомата транслира триплет след триплет, като последователно добавя аминокиселини към нарастващия край на полипептидната верига. Точното съвпадение на аминокиселината с кода на триплета и - РНК се осигурява от t - РНК.

Трансферните РНК (тРНК) „довеждат“ аминокиселините до голямата субединица на рибозомата. Молекулата тРНК има сложна конфигурация. В някои части от него се образуват водородни връзки между комплементарни нуклеотиди и молекулата има форма на лист детелина. На върха му има триплет от свободни нуклеотиди (антикодон), който съответства на определена аминокиселина, а основата служи за място на прикрепване на тази аминокиселина (фиг. 1).

Ориз. 1. Схема на структурата на трансферната РНК: 1 - водородни връзки; 2 - антикодон; 3 - място на свързване на аминокиселината.

Всяка tRNA може да носи само своя собствена аминокиселина. Т-РНК се активира от специални ензими, прикрепя своята аминокиселина и я транспортира до рибозомата. Вътре в рибозомата във всеки един момент има само два кодона на иРНК. Ако t-RNA антикодонът е комплементарен на i-RNA кодона, тогава t-RNA с аминокиселина е временно прикрепена към i-RNA. Втората тРНК е прикрепена към втория кодон, носейки своята аминокиселина. Аминокиселините са разположени една до друга в голямата субединица на рибозомата и с помощта на ензими между тях се установява пептидна връзка. В същото време връзката между първата аминокиселина и нейната t-RNA се разрушава и t-RNA напуска рибозомата след следващата аминокиселина. Рибозомата премества един триплет и процесът се повтаря. По този начин постепенно се изгражда полипептидна молекула, в която аминокиселините са подредени в строго съответствие с реда на кодиращите ги триплети (матричен синтез) (фиг. 2).

Ориз. 2. Схема на бисинтеза на протеини: 1 - иРНК; 2 - рибозомни субединици; 3 - t-RNA с аминокиселини; 4 - t-RNA без аминокиселини; 5 - полипептид; 6 - иРНК кодон; 7-антикодон t-RNA.

Една рибозома е способна да синтезира пълна полипептидна верига. Въпреки това, често няколко рибозоми се движат по една иРНК молекула. Такива комплекси се наричат ​​полирибозоми. След завършване на синтеза полипептидната верига се отделя от матрицата - молекулата на иРНК, навива се спираловидно и придобива характерната си (вторична, третична или кватернерна) структура. Рибозомите работят много ефективно: в рамките на 1 s бактериалната рибозома образува полипептидна верига от 20 аминокиселини.

Генетичната информация във всички организми се съхранява под формата на специфична последователност от ДНК нуклеотиди (или РНК при РНК вируси). Прокариотите съдържат генетична информация под формата на една единствена ДНК молекула. В еукариотните клетки генетичният материал е разпределен в няколко ДНК молекули, организирани в хромозоми.

ДНК се състои от кодиращи и некодиращи области. Кодиращи региони кодират РНК. Некодиращите области на ДНК изпълняват структуренфункция, позволяваща участъци от генетичен материал да бъдат пакетирани по определен начин, или регулаторенфункция чрез участие в включването на гени, които насочват протеиновия синтез.

Кодиращите области на ДНК са гени. ген- участък от ДНК молекула, кодиращ синтеза на една иРНК (и, съответно, полипептид), рРНК или тРНК.

Областта на хромозомата, където се намира генът, се нарича локус. Наборът от гени в клетъчното ядро ​​е генотип, набор от гени на хаплоиден набор от хромозоми - геном, набор от екстрануклеарни ДНК гени (митохондрии, пластиди, цитоплазма) - плазмон.

Внедряването на информацията, записана в гените, чрез протеинов синтез се нарича изразяване(проява) на гени. Генетичната информация се съхранява като специфична последователност от ДНК нуклеотиди и се внедрява като последователност от аминокиселини в протеин. Посредници, носители на информация, са РНК, т.е. внедряването на генетична информация става по следния начин:

ДНК → РНК → протеин

Етапи на биосинтеза на протеини

Процесът на биосинтеза на протеин включва два етапа: транскрипция и транслация.

Транскрипция(от лат. транскрипция- пренаписване) - синтез на РНК с помощта на ДНК като шаблон. В резултат на това се образуват иРНК, тРНК и рРНК. Процесът на транскрипция изисква много енергия под формата на АТФ и се осъществява от ензима РНК полимераза.

В същото време не се транскрибира цялата ДНК молекула, а само нейните отделни сегменти. Такъв сегмент ( транскрипция) започва промоутър(частта от ДНК, където РНК полимеразата се прикрепя и където започва транскрипцията) и завършва терминатор(част от ДНК, съдържаща сигнал за край на транскрипция). Транскриптонът е ген от гледна точка на молекулярната биология.

Транскрипцията, подобно на репликацията, се основава на способността на азотните бази на нуклеотидите да се свързват комплементарно. По време на транскрипцията двойната верига на ДНК се разкъсва и синтезът на РНК се извършва по протежение на една верига на ДНК.

По време на процеса на транслация нуклеотидната последователност на ДНК се транскрибира върху синтезираната иРНК молекула, която действа като шаблон в процеса на биосинтеза на протеини.

Прокариотните гени се състоят само от кодиращи нуклеотидни последователности. Еукариотните гени се състоят от редуващо се кодиране ( екзони) и некодиращи ( интрони) парцели. След транскрипцията части от иРНК, съответстващи на интроните, се отстраняват по време на сплайсинг, което е неразделна част от обработката. Обработка- процесът на образуване на зряла иРНК от нейния прекурсор пре-иРНК.

Той включва две основни събития:

1. прикрепване на къси последователности от нуклеотиди към краищата на иРНК, показващи началото и края на транслацията;
2. снаждане— отстраняване на неинформативни mRNA последователности, съответстващи на ДНК интрони. В резултат на снаждане молекулна масаиРНК намалява 10 пъти.

Излъчване(от лат. превод- транслация) - синтез на полипептидна верига с използване на иРНК като матрица.

И трите вида РНК участват в транслацията:

• иРНК служи като информационна матрица;
• тРНК доставят аминокиселини и разпознават кодони;
• rRNA заедно с протеини образуват рибозоми, които държат иРНК;
• tRNA и протеинът осъществяват синтеза на полипептидната верига.

иРНК се транслира не от една, а едновременно от няколко (до 80) рибозоми. Такива групи рибозоми се наричат полирибозоми (полизоми). Включването на една аминокиселина в полипептидна верига изисква енергията на четири АТФ.

Генетичен код

Информацията за структурата на протеините е "записана" в ДНК под формата на последователност от нуклеотиди. По време на процеса на транскрипция, той се копира върху синтезираната иРНК молекула, която действа като матрица в процеса на протеинова биосинтеза. Определена комбинация от ДНК нуклеотиди и следователно иРНК съответства на определена аминокиселина в полипептидната верига на протеина. Тази кореспонденция се нарича генетичен код. Една аминокиселина се определя от три нуклеотида, комбинирани в триплет (кодон). Тъй като има четири вида нуклеотиди, комбинирайки три в триплет, те дават 4 3 = 64 вариантни триплета (докато само 20 аминокиселини са кодирани). От тях три са „стоп кодони“, които спират транслацията, останалите 61 са кодиращи. Кодират се различни аминокиселини различни числатройки: от 1 до 6.

Бележки:

1. Първата азотна основа в триплета е в левия вертикален ред, втората е в горния хоризонтален ред, а третата е в десния вертикален ред.
2. В пресечната точка на линиите на три бази се разкрива желаната аминокиселина.
3. Азотните бази извън скобите са част от иРНК, азотните бази в скобите са част от ДНК.

Свойства на генетичния код:

1. кодът е триплет- една аминокиселина е кодирана от три нуклеотида (триплет) в молекула на нуклеинова киселина;
2. кодът е универсален- всички живи организми от вируси до хора използват един генетичен код;
3. кодът е недвусмислен (специфичен)- триплетът съответства на една единствена аминокиселина.
4. кодът е излишен- една аминокиселина е кодирана от повече от един триплет;
5. кодът не се припокрива- един нуклеотид не може да бъде част от няколко кодона във веригата на нуклеинова киселина;
6. кодът е колинеарен— последователността на аминокиселините в синтезираната протеинова молекула съвпада с последователността на vmRNA триплетите.

Етапи на излъчване

Преводът се състои от три етапа: начало, удължаване и прекратяване.

1. Посвещение- сглобяване на комплекс, участващ в синтеза на полипептидната верига. Малката рибозомна субединица се свързва с инициацията мет-tRNA, а след това с mRNA, след което се образува цяла рибозома, състояща се от малки и големи субчастици.
2. Удължение- удължаване на полипептидната верига. Рибозомата се движи по иРНК, което е придружено от многократни повторения на цикъла на добавяне на следващата аминокиселина към нарастващата полипептидна верига.
3. Прекратяване на договора- завършване на синтеза на полипептидната молекула. Рибозомата достига един от трите стоп кодона на иРНК и тъй като няма тРНК с антикодони, комплементарни на стоп кодоните, синтезът на полипептидната верига спира. Той се освобождава и отделя от рибозомата. Рибозомните субчастици се дисоциират, отделят се от иРНК и могат да участват в синтеза на следващата полипептидна верига.

Реакции на шаблонен синтез

Реакциите на матричен синтез включват:

• самоудвояване на ДНК (репликация);
• образуване на тРНК, тРНК и рРНК върху ДНК молекула (транскрипция);
• биосинтеза на протеин в иРНК (транслация).

Общото между всички тези реакции е, че ДНК молекула в един случай или иРНК молекула в друг действа като матрица, върху която се образуват идентични молекули. Способността на живите организми да възпроизвеждат собствения си вид се основава на реакциите на матричен синтез.

Регулиране на генната експресия

Тяло многоклетъчен организъмсъставен от различни типове клетки. Те се различават по структура и функция, т.е. диференциран. Разликите се проявяват във факта, че в допълнение към протеините, необходими за всяка клетка на тялото, клетките от всеки тип синтезират и специализирани протеини: кератинът се образува в епидермиса, хемоглобинът се образува в еритроцитите и др. Клетъчната диференциация се причинява от промяна в набора от експресирани гени и не е придружена от необратими промени в структурата на самите ДНК последователности.

Защо имаме нужда от катерици?

Всички знаем колко важни са протеините за живия организъм, защото именно от тях са изградени тъканите на нашето тяло. Преобладаващата част от биохимичните реакции в него се катализират от протеини (ензими). Тези сложни вещества са част от клетъчните мембрани (транспорт) и осигуряват защита на целия организъм от чужди агенти (имуноглобулини).

С тяхна помощ ние смиламе храната (храносмилателни ензими) и се движим (протеини на мускулната тъкан), те работят в кръвоносна система, осигуряващи съсирването на кръвта, и са продукт на ендокринната система, регулираща всички процеси в организма.

Как действа протеинът и къде се създава?

Белтъчната молекула се състои от органични съединения- аминокиселини. Всяка клетка на тялото трябва да „може“ да произвежда протеин както за собствените си нужди, така и за целия организъм. Процесът на това „производство“ се нарича протеинова биосинтеза. Къде отива вътре в живата клетка За да създава протеинови молекули, всяка най-малка част от тялото има „протеинови синтетични станции“ - рибозоми. Това са малки вътреклетъчни органели, единствената им функция е биосинтезата на протеини. Те правят това доста ефективно: една рибозома създава протеинова верига от 20 аминокиселини за една секунда.

Етапи на биосинтеза на протеини

За да започне "сглобяването" на протеинова молекула, както вече беше споменато, рибозомата трябва да получи информация как да направи това и аминокиселините, от които ще "конструира" протеина. Целият процес започва с „пренаписване“ на информация за структурата на бъдещата протеинова молекула от ДНК към информационна РНК (mRNA). Последният в еукариотна клетка претърпява обработка - узряване. Състои се от образуване на по-къса молекула чрез „изрязване“ на неинформативни секции. Следващият етап също е характерен само за еукариотната "единица на живата материя" - прехвърлянето на иРНК от ядрото към цитоплазмата. Успоредно с това, в последния, трансферните РНК (тРНК) се свързват чрез ензими със съответната аминокиселина. И накрая, това, което следва, е етапът на транслация - това всъщност е биосинтезата на протеини, която се случва на рибозомата. Последният етап от целия сложен процес е "узряването" на протеина. Той придобива необходимата вторична и третична структура и към него се добавят непротеинови компоненти (например хем, метални молекули, липиди, нуклеотиди, витамини). „Готовата“ протеинова молекула се използва от клетката или се освобождава от нея.