SYNTÉZA PROTEÍNOV: ŠTÁDIÁ A ICH VLASTNOSTI - BIOLÓGIE - 2025

Syntézu bielkovín je biologická udalosť, ktorá sa vyskytuje v takmer všetkých živých bytostí. Bunky neustále berú informácie uložené v DNA a vďaka prítomnosti komplexných špecializovaných strojov ich transformujú na proteínové molekuly.

4-písmenový kód šifrovaný v DNA sa však priamo neprekladá na proteíny. Do tohto procesu je zapojená molekula RNA, ktorá funguje ako sprostredkovateľ, nazývaná messengerová RNA.

Syntézy bielkovín.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Keď bunky potrebujú konkrétny proteín, nukleotidová sekvencia vhodnej časti DNA sa skopíruje do RNA - v procese, ktorý sa nazýva transkripcia - a to sa následne prevádza do príslušného proteínu.

Opisovaný tok informácií (DNA na prenos RNA a prenos RNA na proteíny) sa vyskytuje od veľmi jednoduchých bytostí, ako sú baktérie pre človeka. Táto séria krokov sa nazýva centrálna „dogma“ biológie.

Stroje zodpovedné za syntézu proteínov sú ribozómy. Tieto malé bunkové štruktúry sa vo veľkej miere nachádzajú v cytoplazme a sú ukotvené v endoplazmatickom retikule.

Čo sú to proteíny?

Proteíny sú makromolekuly vyrobené z aminokyselín. Tieto tvoria takmer 80% protoplazmy celej dehydratovanej bunky. Všetky proteíny, ktoré tvoria organizmus, sa nazývajú „proteóm“.

Jeho funkcie sú rozmanité a rôznorodé, od štrukturálnych úloh (kolagén) po transport (hemoglobín), katalyzátory biochemických reakcií (enzýmy), ochrana proti patogénom (protilátky).

Existuje 20 typov prírodných aminokyselín, ktoré sú kombinované peptidovými väzbami za vzniku proteínov. Každá aminokyselina je charakterizovaná tým, že má konkrétnu skupinu, ktorá jej dáva konkrétne chemické a fyzikálne vlastnosti.

Etapy a charakteristiky

Spôsob, akým bunka dokáže interpretovať správu DNA, nastáva prostredníctvom dvoch základných udalostí: transkripcie a translácie. Mnoho kópií RNA, ktoré boli skopírované z rovnakého génu, sú schopné syntetizovať významný počet identických proteínových molekúl.

Každý gén je transkribovaný a translatovaný odlišne, čo umožňuje bunke produkovať rôzne množstvá širokej škály proteínov. Tento proces zahŕňa rôzne bunkové regulačné cesty, ktoré všeobecne zahŕňajú kontrolu produkcie RNA.

Prvým krokom, ktorý musí bunka urobiť na zahájenie produkcie proteínu, je prečítanie správy napísanej na molekule DNA. Táto molekula je univerzálna a obsahuje všetky informácie potrebné na konštrukciu a vývoj organických bytostí.

Ďalej popíšeme, ako dochádza k syntéze proteínov, počnúc týmto procesom „čítania“ genetického materiálu a končiacim samotnou produkciou proteínov.

Prepis: z DNA na messenger RNA

Správa na dvojzávitnici DNA je napísaná štvorpísmenovým kódom zodpovedajúcim bázam adenínu (A), guanínu (G), cytozínu (C) a tymínu (T).

Táto sekvencia písmen DNA slúži ako templát na vytvorenie ekvivalentnej molekuly RNA.

DNA aj RNA sú lineárne polyméry tvorené nukleotidmi. Chemicky sa však líšia v dvoch základných ohľadoch: nukleotidy v RNA sú ribonukleotidy a namiesto bázického tymínu má RNA uracil (U), ktorý sa páruje s adenínom.

Proces transkripcie sa začína otvorením dvojitej špirály v konkrétnej oblasti. Jeden z týchto dvoch reťazcov pôsobí ako „templát“ alebo templát pre syntézu RNA. Nukleotidy sa pridajú podľa základných pravidiel párovania, C s G a A s U.

Hlavným enzýmom podieľajúcim sa na transkripcii je RNA polymeráza. Je zodpovedný za katalyzovanie tvorby fosfodiesterových väzieb, ktoré sa pripájajú k nukleotidom reťazca. Reťaz sa rozprestiera v smere 5 'až 3'.

Rast molekuly zahŕňa rôzne proteíny známe ako „elongačné faktory“, ktoré sú zodpovedné za udržiavanie väzby polymerázy až do konca procesu.

Zostrih messengerovej RNA

Zdroj: Autor: BCSteve, z Wikimedia Commons V eukaryotoch majú gény špecifickú štruktúru. Sekvencia je prerušená prvkami, ktoré nie sú súčasťou proteínu, nazývajú sa intróny. Tento výraz je na rozdiel od exónu, ktorý obsahuje časti génu, ktoré sa budú translatovať na proteíny.

Zostrih je základnou udalosťou, ktorá spočíva v odstránení intrónov molekuly posla, aby sa zbavila molekuly vytvorenej výlučne exónmi. Konečným produktom je zrelá messengerová RNA. Fyzicky sa odohráva v spliceozóme, komplexnom a dynamickom strojovom zariadení.

Okrem zostrihu sa messengerová RNA pred prekladom podrobuje aj ďalším kódovaniu. Pridá sa „kapucňa“, ktorej chemická podstata je modifikovaný guanínový nukleotid a na 5 'konci a chvostom niekoľkých adenínov na druhom konci.

RNA typy

V bunke sa produkujú rôzne typy RNA. Niektoré gény v bunke produkujú molekulu messengerovej RNA a táto sa prenáša na proteín - ako uvidíme neskôr. Existujú však gény, ktorých konečným produktom je samotná molekula RNA.

Napríklad v kvasinkovom genóme má asi 10% kvasinkových génov molekuly RNA ako svoj konečný produkt. Je dôležité ich spomenúť, pretože tieto molekuly hrajú pri syntéze proteínov zásadnú úlohu.

- Ribozomálna RNA: ribozomálna RNA je súčasťou srdca ribozómov, kľúčové štruktúry pre syntézu proteínov.

Zdroj: Jane Richardson (Dcrjsr), z Wikimedia Commons Spracovanie ribozomálnych RNA a ich následné zostavenie do ribozómov prebieha vo veľmi viditeľnej štruktúre jadra - hoci nie je ohraničené membránou - nazýva sa jadro.

- Prenosová RNA: funguje ako adaptér, ktorý vyberie konkrétnu aminokyselinu a spolu s ribozómom začlení aminokyselinový zvyšok do proteínu. Každá aminokyselina súvisí s molekulou transferovej RNA.

V eukaryotoch existujú tri typy polymeráz, ktoré, hoci sú navzájom štrukturálne veľmi podobné, hrajú rôzne úlohy.

RNA polymeráza I a III transkribujú gény, ktoré kódujú prenosovú RNA, ribozomálnu RNA a niektoré malé RNA. RNA polymeráza II sa zameriava na transláciu génov, ktoré kódujú proteíny.

- Malé RNA súvisiace s reguláciou: Iné RNA s krátkou dĺžkou sa podieľajú na regulácii génovej expresie. Patria sem mikroRNA a malé interferujúce RNA.

MikroRNA regulujú expresiu blokovaním špecifickej správy a malé interferujúce zastavujú expresiu priamou degradáciou posla. Podobne existujú malé jadrové RNA, ktoré sa zúčastňujú procesu zostrihu messengerovej RNA.

Preklad: z mediátora RNA na proteíny

Akonáhle messengerová RNA dozrie cez proces zostrihu a putuje z jadra do bunkovej cytoplazmy, začína sa syntéza proteínov. Tento vývoz je sprostredkovaný komplexom jadrových pórov - radom vodných kanálov umiestnených v membráne jadra, ktoré priamo spájajú cytoplazmu a nukleoplazmu.

V každodennom živote používame termín „preklad“, ktorý označuje konverziu slov z jedného jazyka do druhého.

Napríklad môžeme preložiť knihu z angličtiny do španielčiny. Na molekulárnej úrovni zahŕňa preklad zmenu z jazyka na RNA na proteín. Presnejšie povedané, ide o zmenu z nukleotidov na aminokyseliny. Ako sa však tento dialekt mení?

Genetický kód

Nukleotidová sekvencia génu sa môže transformovať na proteíny podľa pravidiel stanovených v genetickom kóde. Toto bolo dešifrované začiatkom 60. rokov.

Pretože čitateľ bude schopný odvodiť, translácia nemôže byť jedna alebo jedna, pretože existujú iba 4 nukleotidy a 20 aminokyselín. Logika je takáto: spojenie troch nukleotidov je známe ako „triplety“ a sú spojené s konkrétnou aminokyselinou.

Pretože môže existovať 64 možných trojíc (4 x 4 x 4 = 64), genetický kód je nadbytočný. To znamená, že rovnaká aminokyselina je kódovaná viac ako jedným tripletom.

Prítomnosť genetického kódu je univerzálna a používajú ju všetky živé organizmy, ktoré dnes obývajú Zem. Toto rozsiahle použitie je jednou z najvýraznejších molekulárnych homológií prírody.

Spojenie aminokyseliny na prenos RNA

Kodóny alebo triplety nájdené v molekule messenger RNA nemajú schopnosť priamo rozoznávať aminokyseliny. Naproti tomu translácia messengerovej RNA závisí od molekuly, ktorá dokáže rozoznať a viazať kodón a aminokyselinu. Táto molekula je prenosová RNA.

Prenosová RNA sa môže zložiť do zložitej trojrozmernej štruktúry, ktorá sa podobá ďateline. V tejto molekule je oblasť nazývaná „antikodón“, ktorá je tvorená tromi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi, ktoré sa spárujú s nasledujúcimi komplementárnymi nukleotidmi reťazca mediátora RNA.

Ako sme uviedli v predchádzajúcej časti, genetický kód je nadbytočný, takže niektoré aminokyseliny majú viac ako jednu prenosovú RNA.

Detekcia a fúzia správnej aminokyseliny s prenosovou RNA je proces sprostredkovaný enzýmom nazývaným aminoacyl-tRNA syntetáza. Tento enzým je zodpovedný za spojenie obidvoch molekúl prostredníctvom kovalentnej väzby.

Správa RNA je dekódovaná ribozómami

Aby sa vytvoril proteín, aminokyseliny sú spolu spojené peptidovými väzbami. V ribozómoch prebieha proces čítania messengerovej RNA a viazania špecifických aminokyselín.

ribozómy

Ribozómy sú katalytické komplexy zložené z viac ako 50 proteínových molekúl a rôznych typov ribozomálnej RNA. V eukaryotických organizmoch priemerná bunka obsahuje v priemere milióny ribozómov v cytoplazmatickom prostredí.

Štruktúrne je ribozóm tvorený veľkou a malou podjednotkou. Úlohou malej časti je zaistiť, aby transferová RNA bola správne spárovaná s messengerovou RNA, zatiaľ čo veľká podjednotka katalyzuje tvorbu peptidovej väzby medzi aminokyselinami.

Ak proces syntézy nie je aktívny, oddelia sa dve podjednotky, ktoré tvoria ribozómy. Na začiatku syntézy sa messengerová RNA pripojí k obidvom podjednotkám, zvyčajne blízko 5 'konca.

V tomto postupe nastáva predĺženie polypeptidového reťazca pridaním nového aminokyselinového zvyšku v nasledujúcich krokoch: väzba prenosovej RNA, tvorba peptidovej väzby, translokácia podjednotiek. Výsledkom tohto posledného kroku je pohyb celého ribozómu a začína nový cyklus.

Predĺženie polypeptidového reťazca

V ribozómoch sa rozlišujú tri miesta: miesto E, P a A (pozri hlavný obrázok). Proces predlžovania začína, keď už sú niektoré aminokyseliny kovalentne spojené a v mieste P je molekula transferovej RNA.

Transferová RNA, ktorá má obsahovať ďalšiu aminokyselinu, sa viaže na miesto A párovaním báz s messengerovou RNA. Karboxylová koncová časť peptidu sa potom uvoľní z prenosovej RNA v mieste P prerušením vysokoenergetickej väzby medzi prenosovou RNA a aminokyselinou, ktorú nesie.

Voľná ​​aminokyselina je pripojená k reťazcu a vytvorí sa nová peptidová väzba. Centrálna reakcia v tomto celom procese je sprostredkovaná enzýmom peptidyltransferáza, ktorá sa nachádza vo veľkej podjednotke ribozómov. Ribozóm teda putuje prostredníctvom messengerovej RNA, čím prekladá dialekt z aminokyselín na proteíny.

Rovnako ako pri transkripcii sa pri translácii proteínu podieľa aj elongačné faktory. Tieto prvky zvyšujú rýchlosť a efektívnosť procesu.

Dokončenie prekladu

Proces prekladu končí, keď ribozóm narazí na stop kodóny: UAA, UAG alebo UGA. Tieto nie sú rozpoznané žiadnou prenosovou RNA a neviažu sa na žiadne aminokyseliny.

V tomto čase sa proteíny známe ako faktory uvoľňovania viažu na ribozóm a spôsobujú katalýzu molekuly vody a nie aminokyseliny. Táto reakcia uvoľní terminálny karboxylový koniec. Nakoniec je peptidový reťazec uvoľňovaný do bunkovej cytoplazmy.

Referencie

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biochémie. 5. vydanie. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Pozvánka na biológiu. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, a Baltimore, D. (1990). Molekulárna bunková biológia. New York: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Guyton and Hall učebnica lekárskej fyziológie. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). gény Zväzok 1. Reverte.
6. Lodish, H. (2005). Bunková a molekulárna biológia. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribozómová štruktúra a mechanizmus translácie. Celí, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiológie. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, a Cate, JHD (2012). Štruktúra a funkcia eukaryotického ribozómu. Perspektívy Cold Spring Harbor v biológii, 4 (5), a011536.