SYNTEZA BIAŁEK: ETAPY I ICH CHARAKTERYSTYKA - BIOLOGIA - 2025

Synteza białka jest wydarzeniem biologiczny, który występuje w praktycznie wszystkich istot żywych. Komórki nieustannie pobierają informacje przechowywane w DNA i dzięki obecności wysoce złożonej wyspecjalizowanej maszynerii przekształcają je w cząsteczki białka.

Jednak czteroliterowy kod zaszyfrowany w DNA nie jest bezpośrednio tłumaczony na białka. W procesie bierze udział cząsteczka RNA, która pełni rolę pośrednika, zwana informacyjnym RNA.

Synteza białek.
Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Kiedy komórki potrzebują określonego białka, sekwencja nukleotydowa odpowiedniej części DNA jest kopiowana do RNA - w procesie zwanym transkrypcją - a to z kolei jest tłumaczone na dane białko.

Opisany przepływ informacji (DNA do informacyjnego RNA i wiadomość RNA do białek) zachodzi od bardzo prostych istot, takich jak bakterie, do ludzi. Ta seria kroków została nazwana centralnym „dogmatem” biologii.

Mechanizmem odpowiedzialnym za syntezę białek są rybosomy. Te małe struktury komórkowe znajdują się w dużej mierze w cytoplazmie i zakotwiczone w retikulum endoplazmatycznym.

Co to są białka?

Białka to makrocząsteczki zbudowane z aminokwasów. Stanowią one prawie 80% protoplazmy całej odwodnionej komórki. Wszystkie białka tworzące organizm nazywane są „proteomami”.

Jego funkcje są wielorakie i zróżnicowane, od ról strukturalnych (kolagen) po transport (hemoglobina), katalizatory reakcji biochemicznych (enzymy), obronę przed patogenami (przeciwciała).

Istnieje 20 rodzajów naturalnych aminokwasów, które są połączone wiązaniami peptydowymi, tworząc białka. Każdy aminokwas charakteryzuje się posiadaniem określonej grupy, która nadaje mu określone właściwości chemiczne i fizyczne.

Etapy i charakterystyka

Sposób, w jaki komórka potrafi zinterpretować wiadomość DNA, zachodzi poprzez dwa podstawowe zdarzenia: transkrypcję i translację. Wiele kopii RNA, które zostały skopiowane z tego samego genu, jest zdolnych do syntezy znacznej liczby identycznych cząsteczek białka.

Każdy gen podlega transkrypcji i translacji w różny sposób, umożliwiając komórce wytwarzanie różnych ilości różnorodnych białek. Proces ten obejmuje różne szlaki regulacyjne w komórkach, które generalnie obejmują kontrolę wytwarzania RNA.

Pierwszym krokiem, który komórka musi zrobić, aby rozpocząć produkcję białka, jest przeczytanie wiadomości zapisanej na cząsteczce DNA. Ta cząsteczka jest uniwersalna i zawiera wszystkie informacje niezbędne do budowy i rozwoju istot organicznych.

Następnie opiszemy, jak zachodzi synteza białek, rozpoczynając ten proces „czytania” materiału genetycznego, a kończąc na produkcji białek jako takich.

Transkrypcja: od DNA do informacyjnego RNA

Wiadomość na podwójnej helisie DNA jest zapisana czteroliterowym kodem odpowiadającym zasadom adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) i tyminy (T).

Ta sekwencja liter DNA służy jako szablon do budowy równoważnej cząsteczki RNA.

Zarówno DNA, jak i RNA są liniowymi polimerami zbudowanymi z nukleotydów. Jednak różnią się chemicznie pod dwoma podstawowymi względami: nukleotydy w RNA są rybonukleotydami, a zamiast podstawowej tyminy RNA ma uracyl (U), który łączy się w pary z adeniną.

Proces transkrypcji rozpoczyna się od otwarcia podwójnej helisy w określonym regionie. Jeden z dwóch łańcuchów działa jako „matryca” lub matryca do syntezy RNA. Nukleotydy zostaną dodane zgodnie z zasadami parowania zasad, C z G i A z U.

Głównym enzymem uczestniczącym w transkrypcji jest polimeraza RNA. Odpowiada za katalizowanie powstawania wiązań fosfodiestrowych, które łączą nukleotydy łańcucha. Łańcuch rozciąga się w kierunku od 5 'do 3'.

Wzrost cząsteczki obejmuje różne białka zwane „czynnikami wydłużającymi”, które są odpowiedzialne za utrzymanie wiązania polimerazy do końca procesu.

Łączenie informacyjnego RNA

Źródło: BCSteve, z Wikimedia Commons U eukariotów geny mają określoną strukturę. Sekwencja jest przerywana elementami, które nie są częścią białka, zwanymi intronami. Termin ten jest przeciwieństwem egzonu, który obejmuje części genu, które zostaną przetłumaczone na białka.

Splicing jest podstawowym zdarzeniem, które polega na eliminacji intronów cząsteczki przekaźnikowej w celu zrzucenia cząsteczki zbudowanej wyłącznie przez egzony. Produktem końcowym jest dojrzały informacyjny RNA. Fizycznie zachodzi w spliceosomie, złożonej i dynamicznej maszynie.

Oprócz składania, informacyjny RNA podlega dodatkowemu kodowaniu przed translacją. Dodaje się „kaptur”, którego chemiczną naturą jest zmodyfikowany nukleotyd guaniny, a na końcu 5 'i ogon kilku adenin na drugim końcu.

Rodzaje RNA

W komórce wytwarzane są różne typy RNA. Niektóre geny w komórce wytwarzają informacyjną cząsteczkę RNA, która jest tłumaczona na białko - jak zobaczymy później. Istnieją jednak geny, których produktem końcowym jest sama cząsteczka RNA.

Na przykład w genomie drożdży około 10% genów drożdży ma cząsteczki RNA jako produkt końcowy. Warto o nich wspomnieć, ponieważ te cząsteczki odgrywają fundamentalną rolę w syntezie białek.

- Rybosomalne RNA: rybosomalne RNA jest częścią serca rybosomów, kluczowych struktur w syntezie białek.

Źródło: Jane Richardson (Dcrjsr), z Wikimedia Commons Przetwarzanie rybosomalnego RNA i ich późniejsze łączenie w rybosomy zachodzi w bardzo widocznej strukturze jądra - choć nie jest ono ograniczone przez błonę - zwanej jąderkiem.

- Transfer RNA: działa jako adapter, który wybiera określony aminokwas i wraz z rybosomem włącza resztę aminokwasową do białka. Każdy aminokwas jest powiązany z cząsteczką transferowego RNA.

U eukariontów istnieją trzy typy polimeraz, które chociaż strukturalnie są do siebie bardzo podobne, odgrywają różne role.

Polimeraza RNA I i III dokonują transkrypcji genów kodujących transferowe RNA, rybosomalne RNA i niektóre małe RNA. Polimeraza RNA II jest ukierunkowana na translację genów kodujących białka.

- Małe RNA związane z regulacją: inne RNA o krótkiej długości uczestniczą w regulacji ekspresji genów. Należą do nich mikroRNA i małe interferujące RNA.

MikroRNA regulują ekspresję poprzez blokowanie określonej wiadomości, a małe zakłócające blokują ekspresję poprzez bezpośrednią degradację przekaźnika. Podobnie istnieją małe jądrowe RNA, które uczestniczą w procesie składania informacyjnego RNA.

Tłumaczenie: od informacyjnego RNA do białek

Gdy informacyjny RNA dojrzewa w procesie składania i przemieszcza się z jądra do cytoplazmy komórki, rozpoczyna się synteza białek. Ten eksport odbywa się za pośrednictwem kompleksu porów jądrowych - szeregu wodnych kanałów znajdujących się w błonie jądra, które bezpośrednio łączą cytoplazmę i nukleoplazmę.

W życiu codziennym używamy terminu „tłumaczenie” w odniesieniu do konwersji słów z jednego języka na inny.

Na przykład możemy przetłumaczyć książkę z angielskiego na hiszpański. Na poziomie molekularnym translacja obejmuje zmianę języka z RNA na białko. Mówiąc dokładniej, jest to zmiana z nukleotydów na aminokwasy. Ale jak zachodzi ta zmiana dialektu?

Kod genetyczny

Sekwencja nukleotydów genu może zostać przekształcona w białka zgodnie z regułami ustalonymi przez kod genetyczny. Zostało to rozszyfrowane na początku lat 60.

Jak czytelnik będzie w stanie wywnioskować, tłumaczenie nie może być jedno lub jedno, ponieważ są tylko 4 nukleotydy i 20 aminokwasów. Logika jest następująca: połączenie trzech nukleotydów jest znane jako „triplety” i są one związane z określonym aminokwasem.

Ponieważ może istnieć 64 możliwych trojaczków (4 x 4 x 4 = 64), kod genetyczny jest zbędny. Oznacza to, że ten sam aminokwas jest kodowany przez więcej niż jedną tryplet.

Obecność kodu genetycznego jest powszechna i jest wykorzystywana przez wszystkie żywe organizmy zamieszkujące dzisiejszą ziemię. To szerokie zastosowanie jest jedną z najbardziej uderzających homologii molekularnych w naturze.

Sprzęganie aminokwasów w celu przeniesienia RNA

Kodony lub trojaczki znalezione w cząsteczce informacyjnego RNA nie mają zdolności do bezpośredniego rozpoznawania aminokwasów. Natomiast translacja informacyjnego RNA zależy od cząsteczki, która może rozpoznać i związać kodon i aminokwas. Ta cząsteczka jest transferowym RNA.

Transfer RNA może złożyć się w złożoną trójwymiarową strukturę przypominającą koniczynę. W tej cząsteczce znajduje się region zwany „antykodonem”, utworzony przez trzy kolejne nukleotydy, które łączą się w pary z kolejnymi komplementarnymi nukleotydami informacyjnego łańcucha RNA.

Jak wspomnieliśmy w poprzedniej sekcji, kod genetyczny jest zbędny, więc niektóre aminokwasy mają więcej niż jeden transferowy RNA.

Wykrywanie i łączenie prawidłowego aminokwasu z przenoszącym RNA jest procesem, w którym pośredniczy enzym zwany syntetazą aminoacylo-tRNA. Enzym ten jest odpowiedzialny za sprzęganie obu cząsteczek poprzez wiązanie kowalencyjne.

Wiadomość RNA jest dekodowana przez rybosomy

Aby utworzyć białko, aminokwasy są połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Proces odczytywania informacyjnego RNA i wiązania określonych aminokwasów zachodzi w rybosomach.

Rybosomy

Rybosomy to kompleksy katalityczne zbudowane z ponad 50 cząsteczek białek i różnych typów rybosomalnego RNA. W organizmach eukariotycznych przeciętna komórka zawiera średnio miliony rybosomów w środowisku cytoplazmatycznym.

Strukturalnie rybosom składa się z dużej i małej podjednostki. Rolą małej części jest zapewnienie, że przenoszący RNA jest prawidłowo sparowany z informacyjnym RNA, podczas gdy duża podjednostka katalizuje tworzenie wiązania peptydowego między aminokwasami.

Gdy proces syntezy nie jest aktywny, dwie podjednostki tworzące rybosomy są rozdzielane. Rozpoczynając syntezę, informacyjny RNA łączy obie podjednostki, zwykle w pobliżu końca 5 '.

W tym procesie wydłużenie łańcucha polipeptydowego następuje poprzez dodanie nowej reszty aminokwasowej w następujących etapach: wiązanie przenoszącego RNA, tworzenie wiązania peptydowego, translokacja podjednostek. Rezultatem tego ostatniego kroku jest ruch całego rybosomu i rozpoczyna się nowy cykl.

Wydłużenie łańcucha polipeptydowego

W rybosomach wyróżnia się trzy miejsca: miejsce E, P i A (patrz zdjęcie główne). Proces elongacji rozpoczyna się, gdy niektóre aminokwasy są już połączone kowalencyjnie iw miejscu P. znajduje się cząsteczka przenoszącego RNA.

Transferowy RNA zawierający następny wprowadzany aminokwas wiąże się z miejscem A przez parowanie zasad z informacyjnym RNA. Część peptydu na końcu karboksylowym jest następnie uwalniana z transferowego RNA w miejscu P przez zerwanie wysokoenergetycznego wiązania między przenoszącym RNA i aminokwasem, który on przenosi.

Wolny aminokwas jest przyłączany do łańcucha i tworzy się nowe wiązanie peptydowe. W centralnej reakcji w tym całym procesie pośredniczy enzym peptydylotransferaza, który znajduje się w dużej podjednostce rybosomów. W ten sposób rybosom wędruje przez informacyjny RNA, tłumacząc dialekt z aminokwasów na białka.

Podobnie jak w przypadku transkrypcji, podczas translacji białek zaangażowane są również czynniki elongacyjne. Elementy te zwiększają szybkość i efektywność procesu.

Zakończenie tłumaczenia

Proces translacji kończy się, gdy rybosom napotka kodony stop: UAA, UAG lub UGA. Nie są one rozpoznawane przez żadne transferowe RNA i nie wiążą żadnych aminokwasów.

W tym czasie białka znane jako czynniki uwalniające wiążą się z rybosomem i powodują katalizę cząsteczki wody, a nie aminokwasu. Ta reakcja uwalnia końcowy koniec karboksylowy. Ostatecznie łańcuch peptydowy jest uwalniany do cytoplazmy komórki.

Bibliografia

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biochemia. 5. edycja. Nowy Jork: WH Freeman.
2. Curtis, H. i Schnek, A. (2006). Zaproszenie na biologię. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF i Baltimore, D. (1990). Biologia komórki molekularnej. Nowy Jork: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Guyton and Hall podręcznik fizjologii medycznej e-Book. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). Geny Tom 1. Przywróć.
6. Lodish, H. (2005). Biologia komórkowa i molekularna. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Struktura rybosomu i mechanizm translacji. Celi, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR i Case, CL (2007). Wprowadzenie do mikrobiologii. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN i Cate, JHD (2012). Struktura i funkcja eukariotycznego rybosomu. Perspektywy Cold Spring Harbor w biologii, 4 (5), a011536.