СИНТЕЗ БЕЛКА: ЭТАПЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА - БИОЛОГИЯ - 2024

Синтез белка представляет собой биологическое событие , которое происходит в практически всех живых существ. Клетки постоянно берут информацию, которая хранится в ДНК, и, благодаря наличию очень сложных специализированных механизмов, преобразуют ее в белковые молекулы.

Однако 4-буквенный код, зашифрованный в ДНК, не транслируется напрямую в белки. В этом процессе участвует молекула РНК, которая функционирует как посредник, называемая информационной РНК.

Синтез белка.
Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Когда клеткам нужен конкретный белок, нуклеотидная последовательность подходящей части ДНК копируется в РНК - в процессе, называемом транскрипцией - и это, в свою очередь, транслируется в рассматриваемый белок.

Описанный информационный поток (ДНК к РНК-мессенджеру и РНК-мессенджер к белкам) происходит от очень простых существ, таких как бактерии, к людям. Эта серия шагов получила название центральной «догмы» биологии.

Механизмом, ответственным за синтез белка, являются рибосомы. Эти небольшие клеточные структуры обнаруживаются в значительной степени в цитоплазме и прикреплены к эндоплазматической сети.

Что такое белки?

Белки - это макромолекулы, состоящие из аминокислот. Они составляют почти 80% протоплазмы всей обезвоженной клетки. Все белки, составляющие организм, называются протеомами.

Его функции многочисленны и разнообразны, от структурных ролей (коллаген) до транспорта (гемоглобин), катализаторов биохимических реакций (ферменты), защиты от патогенов (антитела) и др.

Существует 20 типов природных аминокислот, которые соединяются пептидными связями с образованием белков. Каждая аминокислота характеризуется наличием определенной группы, которая придает ей особые химические и физические свойства.

Этапы и характеристики

То, как клетке удается интерпретировать сообщение ДНК, происходит посредством двух фундаментальных событий: транскрипции и трансляции. Многие копии РНК, скопированные с одного и того же гена, способны синтезировать значительное количество идентичных белковых молекул.

Каждый ген транскрибируется и транслируется по-разному, что позволяет клетке производить различные количества самых разных белков. Этот процесс включает в себя различные клеточные регуляторные пути, которые обычно включают контроль продукции РНК.

Первый шаг, который должна сделать клетка, чтобы начать производство белка, - это прочитать сообщение, написанное на молекуле ДНК. Эта молекула универсальна и содержит всю информацию, необходимую для построения и развития органических существ.

Далее мы опишем, как происходит синтез белка, начиная с этого процесса «чтения» генетического материала и заканчивая производством белков как таковых.

Транскрипция: от ДНК к информационной РНК

Сообщение на двойной спирали ДНК написано четырехбуквенным кодом, соответствующим основаниям аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T).

Эта последовательность букв ДНК служит шаблоном для построения эквивалентной молекулы РНК.

И ДНК, и РНК представляют собой линейные полимеры, состоящие из нуклеотидов. Однако они различаются химически в двух фундаментальных отношениях: нуклеотиды в РНК являются рибонуклеотидами, а вместо основного тимина в РНК есть урацил (U), который соединяется с аденином.

Процесс транскрипции начинается с открытия двойной спирали в определенной области. Одна из двух цепей действует как «матрица» или матрица для синтеза РНК. Нуклеотиды будут добавлены в соответствии с правилами спаривания оснований: C с G и A с U.

Основным ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Он отвечает за катализирование образования фосфодиэфирных связей, которые соединяют нуклеотиды цепи. Цепь тянется в направлении от 5 футов до 3 футов.

В росте молекулы задействованы различные белки, известные как «факторы удлинения», которые отвечают за поддержание связывания полимеразы до конца процесса.

Сплайсинг информационной РНК

Источник: BCSteve, Wikimedia Commons. У эукариот гены имеют особую структуру. Последовательность прерывается элементами, не входящими в состав белка, называемыми интронами. Этот термин противоположен экзону, который включает части гена, которые будут транслироваться в белки.

Сплайсинг - это фундаментальное событие, заключающееся в удалении интронов из молекулы-мессенджера с целью отделения молекулы, построенной исключительно из экзонов. Конечный продукт - зрелая информационная РНК. Физически это происходит в сплайсосоме, сложном и динамичном механизме.

Помимо сплайсинга, информационная РНК перед трансляцией подвергается дополнительному кодированию. Добавляется «капюшон», химическая природа которого представляет собой модифицированный гуаниновый нуклеотид, а на 5'-конце и хвост из нескольких аденинов на другом конце.

Типы РНК

В клетке продуцируются различные типы РНК. Некоторые гены в клетке производят молекулу информационной РНК, которая транслируется в белок, как мы увидим позже. Однако есть гены, конечным продуктом которых является сама молекула РНК.

Например, в геноме дрожжей около 10% генов дрожжей имеют молекулы РНК в качестве конечного продукта. Их важно упомянуть, поскольку эти молекулы играют фундаментальную роль в синтезе белков.

- Рибосомная РНК: рибосомная РНК является частью сердца рибосом, ключевых структур для синтеза белков.

Источник: Джейн Ричардсон (Dcrjsr), из Wikimedia Commons Процессинг рибосомных РНК и их последующая сборка в рибосомы происходит в очень заметной структуре ядра, называемой ядрышком, хотя оно и не ограничено мембраной.

- РНК переноса: она работает как адаптер, который выбирает конкретную аминокислоту и вместе с рибосомой включает аминокислотный остаток в белок. Каждая аминокислота связана с молекулой транспортной РНК.

У эукариот есть три типа полимераз, которые, хотя структурно очень похожи друг на друга, играют разные роли.

РНК-полимеразы I и III транскрибируют гены, кодирующие транспортную РНК, рибосомную РНК и некоторые малые РНК. РНК-полимераза II нацелена на трансляцию генов, кодирующих белки.

- Малые РНК, связанные с регуляцией: другие короткие РНК участвуют в регуляции экспрессии генов. К ним относятся микроРНК и малые интерферирующие РНК.

МикроРНК регулируют экспрессию, блокируя конкретное сообщение, а небольшие мешающие блокируют экспрессию за счет прямой деградации мессенджера. Точно так же есть небольшие ядерные РНК, которые участвуют в процессе сплайсинга информационной РНК.

Перевод: от информационной РНК к белкам

Когда информационная РНК созревает в процессе сплайсинга и перемещается из ядра в цитоплазму клетки, начинается синтез белка. Этот экспорт опосредуется комплексом ядерных пор - серией водных каналов, расположенных в мембране ядра, которые напрямую соединяют цитоплазму и нуклеоплазму.

В повседневной жизни мы используем термин «перевод» для обозначения перевода слов с одного языка на другой.

Например, мы можем перевести книгу с английского на испанский. На молекулярном уровне перевод включает в себя переход от языка к РНК и белку. Если быть более точным, это переход от нуклеотидов к аминокислотам. Но как происходит изменение этого диалекта?

Генетический код

Нуклеотидная последовательность гена может быть преобразована в белки в соответствии с правилами, установленными генетическим кодом. Это было расшифровано в начале 1960-х годов.

Как читатель сможет понять, перевод не может быть одним или одним, поскольку есть только 4 нуклеотида и 20 аминокислот. Логика такова: объединение трех нуклеотидов известно как «триплеты», и они связаны с определенной аминокислотой.

Поскольку может быть 64 возможных троек (4 x 4 x 4 = 64), генетический код является избыточным. То есть одна и та же аминокислота кодируется более чем одним триплетом.

Наличие генетического кода универсально и используется всеми живыми организмами, населяющими сегодня Землю. Такое широкое использование - одна из самых ярких молекулярных гомологий природы.

Связывание аминокислоты с переносом РНК

Кодоны или триплеты, обнаруженные в молекуле информационной РНК, не обладают способностью непосредственно распознавать аминокислоты. Напротив, трансляция информационной РНК зависит от молекулы, которая может распознавать и связывать кодон и аминокислоту. Эта молекула является транспортной РНК.

Трансферная РНК может складываться в сложную трехмерную структуру, напоминающую клевер. В этой молекуле есть область, называемая «антикодоном», образованная тремя последовательными нуклеотидами, которые соединяются с последовательными комплементарными нуклеотидами цепи информационной РНК.

Как мы упоминали в предыдущем разделе, генетический код является избыточным, поэтому некоторые аминокислоты имеют более одной транспортной РНК.

Обнаружение и слияние правильной аминокислоты с транспортной РНК - это процесс, опосредованный ферментом, называемым аминоацил-тРНК синтетазой. Этот фермент отвечает за связывание обеих молекул ковалентной связью.

Сообщение РНК декодируется рибосомами

Чтобы сформировать белок, аминокислоты связаны между собой пептидными связями. В рибосомах происходит процесс считывания информационной РНК и связывания определенных аминокислот.

Рибосомы

Рибосомы - это каталитические комплексы, состоящие из более чем 50 белковых молекул и различных типов рибосомных РНК. У эукариотических организмов средняя клетка содержит в среднем миллионы рибосом в цитоплазматической среде.

Структурно рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Роль малой части состоит в том, чтобы гарантировать, что передающая РНК правильно спарена с матричной РНК, в то время как большая субъединица катализирует образование пептидной связи между аминокислотами.

Когда процесс синтеза не активен, две субъединицы, составляющие рибосомы, разделяются. В начале синтеза информационная РНК присоединяется к обеим субъединицам, обычно около 5'-конца.

В этом процессе удлинение полипептидной цепи происходит за счет добавления нового аминокислотного остатка на следующих этапах: связывание передающей РНК, образование пептидной связи, транслокация субъединиц. Результатом этого последнего шага является движение всей рибосомы, и начинается новый цикл.

Удлинение полипептидной цепи

В рибосомах различают три сайта: сайт E, P и A (см. Основное изображение). Процесс удлинения начинается, когда некоторые аминокислоты уже были ковалентно связаны и в P-сайте имеется молекула транспортной РНК.

РНК-переносчик, имеющая следующую для включения аминокислоту, связывается с сайтом A путем спаривания оснований с матричной РНК. Карбоксиконцевая часть пептида затем высвобождается из транспортной РНК в Р-сайте за счет разрыва высокоэнергетической связи между переносящей РНК и аминокислотой, которую она несет.

К цепи присоединяется свободная аминокислота, и образуется новая пептидная связь. Центральная реакция во всем этом процессе опосредуется ферментом пептидилтрансферазой, который находится в большой субъединице рибосом. Таким образом, рибосома проходит через информационную РНК, переводя диалект с аминокислот на белки.

Как и в транскрипции, факторы элонгации также участвуют в трансляции белка. Эти элементы увеличивают скорость и эффективность процесса.

Завершение перевода

Процесс трансляции заканчивается, когда рибосома встречает стоп-кодоны: UAA, UAG или UGA. Они не распознаются какой-либо транспортной РНК и не связывают аминокислоты.

В это время белки, известные как факторы высвобождения, связываются с рибосомой и вызывают катализ молекулы воды, а не аминокислоты. Эта реакция высвобождает концевой карбоксильный конец. Наконец, пептидная цепь попадает в цитоплазму клетки.

Ссылки

1. Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия. 5-е издание. Нью-Йорк: WH Freeman.
2. Кертис, Х., и Шнек, А. (2006). Приглашение к биологии. Panamerican Medical Ed.
3. Дарнелл, Дж. Э., Лодиш, Х. Ф. и Балтимор, Д. (1990). Молекулярная клеточная биология. Нью-Йорк: Книги Scientific American.
4. Холл, Дж. Э. (2015). Электронная книга учебника медицинской физиологии Гайтона и Холла. Elsevier Health Sciences.
5. Левин, Б. (1993). Гены Том 1. Обратный.
6. Лодиш, Х. (2005). Клеточная и молекулярная биология. Panamerican Medical Ed.
7. Рамакришнан, В. (2002). Строение рибосом и механизм трансляции. Ячейка, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, и Case, CL (2007). Введение в микробиологию. Panamerican Medical Ed.
9. Уилсон, Д. Н., и Кейт, JHD (2012). Структура и функция рибосомы эукариот. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 4 (5), a011536.