Sekwencja nukleotydów DNA (czyli genów), czyli kod genetyczny, to system zapisu informacji o sekwencji aminokwasów w białkach, a właściwie kod zapewniający biosyntezę białek.
Informacja genetyczna, zgodnie z kodem genetycznym, w pewnym momencie zostaje przepisana z DNA, jak z matrycy, na sekwencję nukleotydową nici informacyjny RNA (mRNA). Następnie określa sekwencję składania aminokwasów odpowiedniej cząsteczki białka.
Należy pamiętać, że kod genetyczny jest uniwersalny dla wszystkich organizmów istniejących na Ziemi. Ta właściwość uniwersalności kodu pozwala nam wyciągnąć ważny wniosek ideologiczny o jedności pochodzenia wszystkich żywych organizmów - prokariotów, eukariontów i wirusów.
Obecnie odszyfrowano trojaczki dla wszystkich 20 aminokwasów tworzących 8 naturalnych białek. Kod genetyczny został rozszyfrowany w latach 60. XX wieku. XX wiek Dokonali tego biochemicy. X. Koran, M.Nirenberg I R. Holly. Za odszyfrowanie kodu genetycznego i jego roli w syntezie białek naukowcy ci otrzymali w 1968 roku Nagrodę Nobla.
W biosyntezie aktywnie uczestniczy wiele elementów strukturalnych komórki: różne cząsteczki RNA, rybosomy i cząsteczki różnych aminokwasów, z których zbudowana jest cząsteczka białka polimerowego. Choć plan budowy białek jest zakodowany w DNA, sam w sobie nie bierze udziału w syntezie cząsteczek białka, a jedynie służy matryca do syntezy informacyjnego RNA (mRNA). Dlatego proces syntezy białek składa się z dwóch etapów: tworzenie mRNA I składanie cząsteczki białka na podstawie informacji zawartej w tej cząsteczce mRNA.
Synteza cząsteczek białka zachodzi w sposób ciągły. Postępuje z dużą szybkością: w ciągu 1 minuty powstaje od 50 do 60 tysięcy wiązań peptydowych. Synteza jednej cząsteczki trwa zwykle 3-4 sekundy. Średnia długość życia białek wynosi około dwóch dni, chociaż poszczególne białka nie ulegają degradacji przez kilka miesięcy. W rezultacie połowa białek organizmu człowieka (w sumie około 17 kg białka) odnawia się w ciągu około 80 dni. Materiał ze strony
Proces biosyntezy na wszystkich jego etapach zachodzi przy udziale wielu enzymów i wiąże się z nieuniknionym zużyciem dużych ilości energii.
Jasna sekwencja zachodzących procesów, ich macierzowa organizacja oraz rozkład funkcji pomiędzy wszystkimi zaangażowanymi w nie składnikami prowadzą do wniosku, że biosynteza białek jest integralnym układem molekularnym przeprowadzającym złożone reakcje, zapewniającym powstanie substancji niezbędnych do życia.
Biosynteza białek jest plastyczną częścią metabolizmu komórkowego. Charakteryzuje się matrycową podstawą składania cząsteczek białka. Synteza zachodzi w rybosomach przy bezpośrednim udziale mRNA, tRNA, rRNA oraz monomerów – aminokwasów. W przeciwieństwie do fotosyntezy, biosynteza białek zachodzi pod ścisłą kontrolą informacji genetycznej skopiowanej przez mRNA z kodu genetycznego DNA. Proces biosyntezy cząsteczki białka przebiega w dwóch etapach: transkrypcji (odpisu) i translacji (transmisji).
We wszystkich żywych komórkach białka są syntetyzowane przez rybosomy . Rybosom to duża makrocząsteczka o złożonej asymetrycznej strukturze czwartorzędowej, zbudowana z kwasów rybonukleinowych (rybosomalnego RNA) i białek. Aby syntetyzować białko, rybosom musi być wyposażony w:
1. Program określający kolejność naprzemienności reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym białka.
2. Materiał aminokwasowy, z którego ma być zbudowane białko.
3. Energia.
Sam rybosom pełni funkcję katalityczną (enzymatyczną), odpowiedzialną za tworzenie wiązań peptydowych i odpowiednio polimeryzację reszt aminokwasowych w łańcuch polipeptydowy białka.
Program ustalający kolejność naprzemienności reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym białka pochodzi z kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), czyli z genomu komórki. Poszczególne odcinki dwuniciowego DNA, zwane genami, stanowią matrycę do syntezy na nich jednoniciowych łańcuchów RNA. Zsyntetyzowane nici RNA są komplementarne do jednej z nici DNA, a zatem dokładnie odtwarzają sekwencję dezoksyrybonukleotydową drugiej nici DNA w ich sekwencji rybonukleotydowej. Proces takiego kopiowania genów, przeprowadzany przez enzym polimerazę RNA, nazywany jest transkrypcją. RNA w trakcie i po syntezie, szczególnie w komórkach eukariotycznych, może ulegać szeregowi dodatkowych zmian zwanych obróbką, podczas której można z niego wyciąć określone fragmenty sekwencji nukleotydowej. Powstały RNA następnie wchodzi do rybosomów jako program określający sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym białku. Nazywa się to informacyjnym RNA (mRNA). Zatem to transkrypcja genów i tworzenie mRNA zapewnia przepływ informacji z DNA do rybosomów.
Materiałem wyjściowym, z którego zbudowane są białka, są aminokwasy. Jednakże wolne aminokwasy nie są wykorzystywane przez rybosom.Aby służyć jako substrat dla rybosomu, aminokwas musi zostać aktywowany poprzez sprzężone rozszczepienie ATP i zaakceptowany (przyłączony kowalencyjnie) przez specjalną cząsteczkę RNA zwaną transferowym lub transferowym RNA (tRNA), wykorzystując enzym syntezę aminoacylo-tRNA. Powstały aminoacylo-tRNA wchodzi do rybosomu jako substrat do syntezy białek. Ponadto energia wiązania chemicznego pomiędzy resztą aminokwasową a tRNA jest wykorzystywana do tworzenia wiązania peptydowego w rybosomie. Zatem aktywacja aminokwasów i tworzenie aminoacylo-tRNA zapewniają przepływ zarówno materiału, jak i energii do syntezy białek rybosomalnych.
Te trzy strumienie (informacja, materiał i energia) spotykają się w rybosomie. Dostrzegając je, rybosom tłumaczy lub tłumaczy informację genetyczną z języka sekwencji nukleotydowej mRNA na język sekwencji aminokwasowej syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego białka. Jeśli wyobrazimy sobie to w kategoriach molekularnych, to rybosom sekwencyjnie skanuje łańcuch mRNA (porusza się wzdłuż niego), a także sekwencyjnie wybiera aminoacylo-tRNA ze środowiska, w wyniku czego specyficzność reszty aminoacylowej aminoacylo-tRNA jest wybierana przez rybosom jest każdorazowo określany na podstawie specyficzności kombinacji nukleotydów aktualnie odczytywanych przez rybosomalny fragment mRNA. Powstaje zatem problem kodu genetycznego: jakie kombinacje nukleotydów determinują, czyli kodują, każdy z 20 aminokwasów, z których zbudowane są cząsteczki białka?
Ruch rybosomu wzdłuż łańcucha mRNA (lub innymi słowy przejście łańcucha mRNA przez rybosom) ustala ścisły porządek czasowy wejścia różnych aminoacylo-tRNA do rybosomu zgodnie z kolejnością kodowania kombinacje nukleotydów wzdłuż mRNA. Reszta aminoacylowa wybranego aminoacylo-tRNA jest za każdym razem kowalencyjnie przyłączana przez rybosom do rosnącego łańcucha polipeptydowego. Deacylowany tRNA jest uwalniany z rybosomu do roztworu. W ten sposób łańcuch polipeptydowy białka jest budowany sekwencyjnie, krok po kroku (patrz Schemat 1).
© A.S. Spirin
BIOSYNTEZA BIAŁEK, ŚWIAT RNAI POCHODZENIE ŻYCIA
JAK. Spirin
Spirin Aleksander Siergiejewicz- Akademik, dyrektor Instytutu Białka Rosyjskiej Akademii Nauk, członek Prezydium Rosyjskiej Akademii Nauk.
Prawie pół wieku temu, w 1953 roku, D. Watson i F. Crick odkryli zasadę strukturalnej (molekularnej) organizacji substancji genowej – kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Struktura DNA zapewniła klucz do mechanizmu dokładnej reprodukcji – reduplikacji – substancji genowej. Tak powstała nowa nauka – biologia molekularna. Sformułowano tzw. centralny dogmat biologii molekularnej: DNA 1 RNA 1 białko. Oznacza to, że informacja genetyczna zapisana w DNA realizowana jest w postaci białek, ale nie bezpośrednio, lecz poprzez pokrewny polimer – kwas rybonukleinowy (RNA), a ta droga od kwasów nukleinowych do białek jest nieodwracalna. Zatem DNA jest syntetyzowane na DNA, zapewniając własną reduplikację, czyli reprodukcję oryginalnego materiału genetycznego przez pokolenia; RNA jest syntetyzowany z DNA, co powoduje przepisanie, czyli transkrypcję informacji genetycznej w postaci wielu kopii RNA; Cząsteczki RNA służą jako szablony do syntezy białek – informacja genetyczna przekładana jest na postać łańcuchów polipeptydowych. W szczególnych przypadkach RNA można transkrybować do postaci DNA („odwrotna transkrypcja”), a także kopiować w postaci RNA (replikacja), ale białko nigdy nie może być matrycą dla kwasów nukleinowych (więcej szczegółów zob.) .
Zatem to DNA określa dziedziczność organizmów, czyli zbiór białek i związanych z nimi cech, które są odtwarzane przez pokolenia. Biosynteza białek jest centralnym procesem materii żywej, a kwasy nukleinowe zapewniają jej z jednej strony program określający cały zestaw i specyficzność syntetyzowanych białek, a z drugiej mechanizm dokładnego odtwarzania tego programu przez pokolenia . W konsekwencji powstanie życia w jego współczesnej formie komórkowej sprowadza się do pojawienia się mechanizmu dziedzicznej biosyntezy białek.
BIOSYNTEZA BIAŁEK
Centralny dogmat biologii molekularnej postuluje jedynie drogę przekazywania informacji genetycznej z kwasów nukleinowych do białek, a w konsekwencji do właściwości i cech żywego organizmu. Badanie mechanizmów realizacji tego szlaku na przestrzeni dziesięcioleci, które nastąpiły po sformułowaniu centralnego dogmatu, ujawniło znacznie bardziej zróżnicowane funkcje RNA niż tylko bycie nośnikiem informacji z genów (DNA) do białek i służenie jako szablon do syntezy białek .
Na ryc. Rycina 1 przedstawia ogólny schemat biosyntezy białek w komórce. informacyjny RNA(RNA informacyjny, informacyjny RNA, mRNA), który koduje białka, o czym była mowa powyżej, to tylko jedna z trzech głównych klas komórkowych RNA. Większość z nich (około 80%) składa się z innej klasy RNA - rybosomalny RNA, które tworzą szkielet strukturalny i centra funkcjonalne uniwersalnych cząstek syntetyzujących białka - rybosomów. To rybosomalne RNA są odpowiedzialne – zarówno strukturalnie, jak i funkcjonalnie – za tworzenie ultramikroskopowych maszyn molekularnych zwanych rybosomami. Rybosomy odbierają informację genetyczną w postaci cząsteczek mRNA i będąc zaprogramowanymi jako ostatnie, tworzą białka dokładnie według tego programu.
Jednak do syntezy białek nie wystarczy sama informacja czy program – potrzebny jest także materiał, z którego można je wykonać. Materiał do syntezy białek trafia do rybosomów poprzez trzecią klasę komórkowych RNA – Nośniki RNA(transferowy RNA, transferowy RNA, tRNA). Kowalencyjnie wiążą - akceptują - aminokwasy, które służą jako materiał budulcowy białek i wchodzą do rybosomów w postaci aminoacylo-tRNA. W rybosomach aminoacylo-tRNA oddziałuje z kodonami – kombinacjami trzech nukleotydów – mRNA, w wyniku czego kodony są dekodowane podczas translacji.
KWASY RYBONUKLEINOWE
Mamy więc przed sobą zestaw głównych komórkowych RNA, które determinują główny proces współczesnej żywej materii - biosyntezę białek. Są to mRNA, rybosomalny RNA i tRNA. RNA jest syntetyzowany na DNA za pomocą enzymów - polimeraz RNA, które przeprowadzają transkrypcję - przepisując pewne odcinki (segmenty liniowe) dwuniciowego DNA w postać jednoniciowego RNA. Sekcje DNA kodujące białka komórkowe są przepisywane w postaci mRNA, natomiast do syntezy licznych kopii rybosomalnego RNA i tRNA służą specjalne odcinki genomu komórkowego, z których następuje intensywne przepisywanie bez późniejszej translacji na białka.
Struktura chemiczna RNA.
Pod względem chemicznym RNA jest bardzo podobne do DNA. Obie substancje są liniowymi polimerami nukleotydów. Każdy monomer – nukleotyd – jest fosforylowanym N-glikozydem, zbudowanym z pięciowęglowej reszty cukrowej – pentozy, zawierającej grupę fosforanową na grupie hydroksylowej piątego atomu węgla (wiązanie estrowe) i zasadę azotową przy pierwszym atomie węgla ( wiązanie N-glikozydowe). Główna różnica chemiczna między DNA i RNA polega na tym, że resztą cukrową monomeru RNA jest ryboza, natomiast resztą cukrową monomeru DNA jest deoksyryboza, która jest pochodną rybozy pozbawioną grupy hydroksylowej przy drugim atomie węgla (Rysunek 2). ).
 Ryż. 2. Wzory chemiczne reszt jeden z rybonukleotydów - urydyl kwas (U) i jego homologia deoksyrybonukleotyd - kwas tymidylowy (dT) |
Zarówno w DNA, jak i RNA występują cztery rodzaje zasad azotowych: dwie puryny – adenina (A) i guanina (G) – oraz dwie pirymidyny – cytozyna (C) i uracyl (U) lub jego metylowana pochodna tymina (T). Uracyl jest charakterystyczny dla monomerów RNA, a tymina jest charakterystyczna dla monomerów DNA i to jest druga różnica między RNA a DNA. Monomery – rybonukleotydy RNA lub deoksyrybonukleotydy DNA – tworzą łańcuch polimerowy tworząc mostki fosfodiestrowe pomiędzy resztami cukrowymi (między piątym a trzecim atomem węgla pentozy). Zatem łańcuch polimerowy kwasu nukleinowego – DNA lub RNA – można przedstawić jako liniowy szkielet cukrowo-fosforanowy z zasadami azotowymi jako grupami bocznymi. Struktura makromolekularna RNA. Podstawowa różnica makrostrukturalna między dwoma typami kwasów nukleinowych polega na tym, że DNA jest pojedynczą podwójną helisą, to znaczy makrocząsteczką złożoną z dwóch komplementarnych związanych nici polimerowych skręconych spiralnie wokół wspólnej osi (patrz [, ]), a RNA jest pojedynczą- skręcony polimer. Jednocześnie interakcje grup bocznych - zasad azotowych - ze sobą, a także z fosforanami i grupami hydroksylowymi szkieletu cukrowo-fosforanowego, prowadzą do tego, że jednoniciowy polimer RNA zwija się i skręca w zwartą strukturę, podobną do składania łańcucha polipeptydowego białka w zwartą kulkę. W ten sposób unikalne sekwencje nukleotydów RNA mogą tworzyć unikalne struktury przestrzenne. |
Specyficzną strukturę przestrzenną RNA po raz pierwszy wykazano podczas rozszyfrowania struktury atomowej jednego z tRNA w 1974 r. [, ] (ryc. 3). Pofałdowanie łańcucha polimeru tRNA, składającego się z 76 monomerów nukleotydowych, prowadzi do powstania bardzo zwartego kulistego rdzenia, z którego wystają pod kątem prostym dwa występy. Są to krótkie podwójne helisy podobne do DNA, ale zorganizowane poprzez interakcję odcinków tego samego łańcucha RNA. Jeden z występów jest akceptorem aminokwasów i bierze udział w syntezie łańcucha polipeptydowego białka na rybosomie, a drugi ma za zadanie komplementarne oddziaływanie z tripletem kodującym (kodonem) mRNA w tym samym rybosomie. Tylko taka struktura jest w stanie specyficznie oddziaływać z białkiem enzymatycznym przyłączającym aminokwas do tRNA oraz z rybosomem podczas translacji, czyli będąc przez nie specyficznie „rozpoznawanym”.
Ryż. 3. Modele atomowe (po lewej) i szkieletowe (po prawej) tRNA fenyloalaniny drożdży
Badanie wyizolowanych rybosomalnych RNA dostarczyło następującego uderzającego przykładu tworzenia zwartych, specyficznych struktur z jeszcze dłuższych liniowych polimerów tego typu. Rybosom składa się z dwóch nierównych części - dużej i małej podjednostki (podjednostki) rybosomu. Każda subcząstka zbudowana jest z jednego wysokopolimerowego RNA i szeregu różnych białek rybosomalnych. Długość łańcuchów rybosomalnego RNA jest bardzo znacząca: na przykład RNA małej podjednostki rybosomu bakteryjnego zawiera ponad 1500 nukleotydów, a RNA dużej podjednostki zawiera około 3000 nukleotydów. U ssaków, w tym ludzi, te RNA są jeszcze większe – odpowiednio około 1900 nukleotydów i ponad 5000 nukleotydów w małej i dużej podjednostce.
Wykazano, że izolowane rybosomalne RNA, oddzielone od swoich partnerów białkowych i otrzymane w czystej postaci, same są zdolne do samorzutnego fałdowania się w zwarte struktury podobne pod względem wielkości i kształtu do subcząstek rybosomalnych. Kształt dużych i małych subcząstek jest inny, a kształt dużych i małych rybosomalnych RNA jest odpowiednio inny (ryc. 4). Zatem liniowe łańcuchy rybosomalnego RNA samoorganizują się w specyficzne struktury przestrzenne, które determinują rozmiar, kształt i najwyraźniej wewnętrzną strukturę subcząstek rybosomu, a w konsekwencji całego rybosomu.
Drobne RNA. Kiedy badaliśmy składniki żywej komórki i poszczególne frakcje całkowitego komórkowego RNA, stało się jasne, że sprawa nie ogranicza się do trzech głównych typów RNA. Okazało się, że w przyrodzie istnieje wiele innych typów RNA. Są to przede wszystkim tzw. „małe RNA”, które zawierają do 300 nukleotydów, często o nieznanych funkcjach. Z reguły są one związane z jednym lub większą liczbą białek i są prezentowane w komórce w postaci rybonukleoprotein - „małych RNP”.
Małe RNA są obecne we wszystkich częściach komórki, w tym w cytoplazmie, jądrze, jąderku i mitochondriach. Większość z tych małych RNP, których funkcje są znane, bierze udział w mechanizmach potranskrypcyjnego przetwarzania głównych typów RNA (przetwarzanie RNA) - konwersji prekursorów mRNA do dojrzałych mRNA (splicing), edycji mRNA, biogenezy tRNA i rybosomalnego RNA dojrzewanie. Jeden z najliczniejszych typów małych RNP (SRP) w komórkach odgrywa kluczową rolę w transporcie syntetyzowanych białek przez błonę komórkową. Znane są typy małych RNA, które pełnią funkcje regulacyjne w procesie translacji. Specjalny mały RNA jest częścią najważniejszego enzymu odpowiedzialnego za utrzymanie replikacji DNA w pokoleniach komórek – telomerazy. Należy powiedzieć, że ich rozmiary molekularne są porównywalne z rozmiarami komórkowych białek globularnych. Zatem stopniowo staje się jasne, że o funkcjonowaniu żywej komórki decyduje nie tylko różnorodność syntetyzowanych w niej białek, ale także obecność bogatego zestawu różnorodnych RNA, z których małe RNA w dużej mierze imitują zwartość i wielkość białek.
Rybozymy. Całe aktywne życie opiera się na metabolizmie - metabolizmie, a wszelkie reakcje biochemiczne metabolizmu zachodzą z szybkościami odpowiednimi do zapewnienia życia tylko dzięki wysoce skutecznym specyficznym katalizatorom stworzonym przez ewolucję. Przez wiele dziesięcioleci biochemicy byli przekonani, że kataliza biologiczna jest zawsze i wszędzie prowadzona przez białka zwane enzymy, Lub enzymy. I tak w latach 1982-1983. Wykazano, że w przyrodzie istnieją typy RNA, które podobnie jak białka wykazują wysoce specyficzną aktywność katalityczną [,]. Takie katalizatory RNA nazwano rybozymy. Idea wyłączności białek w katalizie reakcji biochemicznych dobiegła końca.
Obecnie rybosom jest również uważany za rybozym. Rzeczywiście, wszystkie dostępne dane eksperymentalne wskazują, że synteza łańcucha polipeptydowego białka w rybosomie jest katalizowana przez rybosomalny RNA, a nie przez białka rybosomalne. Zidentyfikowano region katalityczny dużego rybosomalnego RNA, odpowiedzialny za katalizowanie reakcji transpeptydacji, w wyniku której łańcuch polipeptydowy białka ulega zwiększeniu podczas translacji.
Jeśli chodzi o replikację wirusowego DNA, jej mechanizm nie różni się zbytnio od reduplikacji materiału genetycznego – DNA – samej komórki. W przypadku wirusowego RNA realizowane są procesy, które są tłumione lub całkowicie nieobecne w normalnych komórkach, gdzie cały RNA jest syntetyzowany wyłącznie na DNA jako matrycy. W przypadku zakażenia wirusami RNA sytuacja może być dwojaka. W niektórych przypadkach DNA jest syntetyzowane na wirusowym RNA jako matryca („odwrotna transkrypcja”), po czym na tym DNA ulegają transkrypcji liczne kopie wirusowego RNA. W innych, najciekawszych dla nas przypadkach, na wirusowym RNA syntetyzowana jest komplementarna nić RNA, która służy jako matryca do syntezy – replikacji – nowych kopii wirusowego RNA. W ten sposób podczas infekcji wirusami zawierającymi RNA realizowana jest podstawowa zdolność RNA do decydowania o reprodukcji własnej struktury, podobnie jak w przypadku DNA.
Wielofunkcyjność RNA. Podsumowanie i przegląd wiedzy na temat funkcji RNA pozwala mówić o niezwykłej wszechstronności tego polimeru w przyrodzie żywej. Można podać poniższą listę głównych znanych funkcji RNA.
Genetyczna funkcja replikacyjna: strukturalna zdolność do kopiowania (replikacji) liniowych sekwencji nukleotydowych poprzez sekwencje komplementarne. Funkcja ta realizowana jest podczas infekcji wirusowych i jest zbliżona do głównej funkcji DNA w życiu organizmów komórkowych – reduplikacji materiału genetycznego.Ogólnie rzecz biorąc, RNA jawi się nam jako tak niesamowity polimer, że, jak się wydaje, ani ewolucja Wszechświata, ani inteligencja Stwórcy nie powinny wystarczyć do jego wynalezienia. Jak widać, RNA jest w stanie pełnić funkcje obu polimerów fundamentalnie ważnych dla życia - DNA i białek. Nic dziwnego, że nauka stanęła przed pytaniem: czy pojawienie się i samowystarczalne istnienie świata RNA mogło poprzedzać pojawienie się życia w jego nowoczesnej formie DNA-białka?Funkcja kodująca: programowanie syntezy białek poprzez liniowe sekwencje nukleotydów. Jest to ta sama funkcja co DNA. Zarówno w DNA, jak i RNA te same trójki nukleotydów kodują 20 aminokwasów białek, a sekwencja trójek w łańcuchu kwasu nukleinowego jest programem sekwencyjnego ułożenia 20 rodzajów aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym białka.
Funkcja strukturotwórcza: tworzenie unikalnych struktur trójwymiarowych. Kompaktowo złożone małe cząsteczki RNA są zasadniczo podobne do trójwymiarowych struktur białek globularnych, a dłuższe cząsteczki RNA mogą tworzyć większe cząstki biologiczne lub ich jądra.
Funkcja rozpoznawania: wysoce specyficzne oddziaływania przestrzenne z innymi makrocząsteczkami (w tym białkami i innymi RNA) oraz z małymi ligandami. Ta funkcja jest prawdopodobnie główną funkcją białek. Opiera się na zdolności polimeru do unikalnego zwijania się i tworzenia specyficznych trójwymiarowych struktur. Funkcja rozpoznawania jest podstawą specyficznej katalizy.
Funkcja katalityczna: specyficzna kataliza reakcji chemicznych przez rybozymy. Funkcja ta jest podobna do funkcji enzymatycznej białek enzymatycznych.
POCHODZENIE ŻYCIA
Teoria koacerwatu białkowego Oparina. Być może pierwszą naukową, przemyślaną teorię pochodzenia życia za pomocą środków abiogennych zaproponował biochemik A.I. Oparin już w latach 20. ubiegłego wieku [,]. Teoria opierała się na założeniu, że wszystko zaczęło się od białek i na możliwości, pod pewnymi warunkami, spontanicznej syntezy chemicznej monomerów białkowych – aminokwasów – i polimerów białkowych (polipeptydów) w sposób abiogenny. Publikacja teorii zapoczątkowała liczne eksperymenty w wielu laboratoriach na całym świecie, które wykazały realność takiej syntezy w sztucznych warunkach. Teoria szybko stała się powszechnie akceptowana i niezwykle popularna.
Jego głównym postulatem było, aby związki białkowe, które spontanicznie pojawiły się w pierwotnym „bulionie”, zostały połączone „w krople koacerwatu - izolowane układy koloidalne (zole) unoszące się w bardziej rozcieńczonym roztworze wodnym. Stanowiło to główny warunek pojawienia się organizmów - izolacja pewnego układu biochemicznego od środowiska, jego przedziałacja.Ponieważ niektóre białkowe związki kropelek koacerwatu mogły mieć aktywność katalityczną, możliwe stało się poddanie reakcjom syntezy biochemicznej wewnątrz kropelek - powstało pozory asymilacji, a zatem wzrost koacerwatu z późniejszym jego rozpadem na części - rozmnażanie Asymilacja, wzrost i rozmnażanie przez podział Koacerwat uznano za prototyp żywej komórki (ryc. 5).
Ryż. 5. Schematyczne przedstawienie pochodzenia życia
zgodnie z teorią białka-koacerwatu A.I. Oparina
Wszystko było doskonale przemyślane i naukowo uzasadnione w teorii, z wyjątkiem jednego problemu, na który przez długi czas przymykali oczy prawie wszyscy specjaliści w dziedzinie pochodzenia życia. Jeśli spontanicznie, w drodze losowej syntezy bez matrycy, w koacerwacie powstały pojedyncze udane projekty cząsteczek białka (na przykład skuteczne katalizatory, które zapewniają danemu koacerwatowi przewagę we wzroście i reprodukcji), to w jaki sposób można je skopiować w celu dystrybucji w obrębie koacerwatu, a tym bardziej w przypadku przeniesienia na potomstwo koacerwatu? Okazało się, że teoria ta nie jest w stanie zaoferować rozwiązania problemu dokładnego odtwarzania – w obrębie koacerwatu i pokoleń – pojedynczych, losowo pojawiających się efektywnych struktur białkowych.
Świat RNA jako prekursor współczesnego życia. Nagromadzenie wiedzy na temat kodu genetycznego, kwasów nukleinowych i biosyntezy białek doprowadziło do zatwierdzenia całkowicie nowego pomysłu na temat TOM, mówiącego, że wszystko zaczęło się nie od białek, ale od RNA [-]. Kwasy nukleinowe to jedyny rodzaj polimerów biologicznych, których makrocząsteczkowa budowa, dzięki zasadzie komplementarności podczas syntezy nowych łańcuchów (więcej szczegółów patrz), zapewnia możliwość kopiowania własnego liniowego ciągu jednostek monomeru, czyli innymi słowy, zdolność do odtwarzania (replikacji) polimeru i jego mikrostruktury. Dlatego materiałem genetycznym, czyli powtarzalnymi cząsteczkami, które przez pokolenia powtarzają swoją specyficzną mikrostrukturę, mogą być jedynie kwasy nukleinowe, a nie białka.
Z wielu powodów to RNA, a nie DNA, mógł reprezentować pierwotny materiał genetyczny.
Po pierwsze, zarówno w syntezie chemicznej, jak iw reakcjach biochemicznych rybonukleotydy poprzedzają deoksyrybonukleotydy; deoksyrybonukleotydy są produktami modyfikacji rybonukleotydów (patrz ryc. 2).
Po drugie, W najstarszych, uniwersalnych procesach metabolizmu życiowego szeroko reprezentowane są rybonukleotydy, a nie deoksyrybonukleotydy, w tym główne nośniki energii, takie jak polifosforany rybonukleozydów (ATP itp.).
Trzeci, Replikacja RNA może zachodzić bez udziału DNA, a mechanizm replikacji DNA nawet we współczesnym świecie żywym wymaga obowiązkowego udziału startera RNA w inicjacji syntezy łańcucha DNA.
Czwarty, Posiadając te same funkcje matrycowe i genetyczne co DNA, RNA jest również zdolny do wykonywania szeregu funkcji właściwych dla białek, w tym katalizy reakcji chemicznych. Zatem istnieją podstawy, aby uważać DNA za późniejszy nabytek ewolucyjny – za modyfikację RNA wyspecjalizowaną do pełnienia funkcji odtwarzania i przechowywania unikalnych kopii genów jako części genomu komórkowego bez bezpośredniego udziału w biosyntezie białek.
Po odkryciu katalitycznie aktywnych RNA idea prymatu RNA w początkach życia otrzymała silny impuls rozwojowy i sformułowano koncepcję samowystarczalny świat RNA, poprzedzające współczesne życie [,]. Możliwy schemat powstania świata RNA pokazano na ryc. 6.
Abiogenna synteza rybonukleotydów i ich kowalencyjne połączenie w oligomery i polimery, takie jak RNA, może zachodzić w przybliżeniu w tych samych warunkach i w tym samym środowisku chemicznym, które postulowano przy tworzeniu aminokwasów i polipeptydów. Niedawno A.B. Chetverin i jego współpracownicy (Instytut Białka Rosyjskiej Akademii Nauk) wykazali eksperymentalnie, że przynajmniej niektóre polirybonukleotydy (RNA) w normalnym środowisku wodnym są zdolne do spontanicznej rekombinacji, to znaczy wymiany segmentów łańcucha, poprzez transestryfikację. Zamiana odcinków krótkich na długie powinna prowadzić do wydłużenia polirybonukleotydów (RNA), a sama taka rekombinacja powinna przyczynić się do zróżnicowania strukturalnego tych cząsteczek. Mogą wśród nich powstawać także katalitycznie aktywne cząsteczki RNA.
Nawet niezwykle rzadkie pojawienie się pojedynczych cząsteczek RNA, które były zdolne do katalizowania polimeryzacji rybonukleotydów lub łączenia (splicingu) oligonukleotydów na nici komplementarnej jako matrycy [, ], oznaczało ustanowienie mechanizmu replikacji RNA. Replikacja samych katalizatorów RNA (rybozymów) powinna spowodować pojawienie się samoreplikujących się populacji RNA. Tworząc swoje kopie, RNA rozmnażały się. Nieuniknione błędy w kopiowaniu (mutacjach) i rekombinacji w samoreplikujących się populacjach RNA stworzyły coraz bardziej zróżnicowany świat. Zatem proponowany starożytny świat RNA jest „samowystarczalny świat biologiczny, w którym cząsteczki RNA funkcjonują zarówno jako materiał genetyczny, jak i katalizatory podobne do enzymów” .
Pojawienie się biosyntezy białek. Ponadto, w oparciu o świat RNA, tworzenie mechanizmów biosyntezy białek, pojawienie się różnych białek o odziedziczonej strukturze i właściwościach, podział systemów biosyntezy białek i zestawów białek, prawdopodobnie w postaci koacerwatów, oraz ewolucję tych ostatnich w struktury komórkowe - powinny powstać żywe komórki (patrz ryc. 6).
Problem przejścia od starożytnego świata RNA do współczesnego świata syntezy białek jest najtrudniejszy nawet do rozwiązania czysto teoretycznego. Możliwość abiogennej syntezy polipeptydów i substancji białkowych nie pomaga w rozwiązaniu problemu, gdyż nie widać konkretnej ścieżki, w jaki sposób synteza ta mogłaby zostać sprzężona z RNA i podlegać kontroli genetycznej. Genetycznie kontrolowana synteza polipeptydów i białek musiała rozwijać się niezależnie od pierwotnej syntezy abiogennej, na swój sposób, w oparciu o istniejący już świat RNA. W literaturze zaproponowano kilka hipotez na temat pochodzenia współczesnego mechanizmu biosyntezy białek w świecie RNA, jednak być może żadnej z nich nie można uznać za całkowicie przemyślaną i nienaganną z punktu widzenia możliwości fizykochemicznych. Przedstawię moją wersję procesu ewolucji i specjalizacji RNA, prowadzącego do powstania aparatu do biosyntezy białek (ryc. 7), ale nie pretenduje ona do kompletności.
Zaproponowany hipotetyczny schemat zawiera dwa istotne punkty, które wydają się fundamentalne.
Po pierwsze, Postuluje się, że abiogennie syntetyzowane oligorybonukleotydy aktywnie rekombinują poprzez mechanizm spontanicznej nieenzymatycznej transestryfikacji, prowadząc do powstania wydłużonych łańcuchów RNA i dając początek ich różnorodności. W ten sposób w populacji oligonukleotydów i polinukleotydów mogły pojawić się zarówno katalitycznie aktywne typy RNA (rybozymy), jak i inne typy RNA o wyspecjalizowanych funkcjach (patrz ryc. 7). Co więcej, nieenzymatyczna rekombinacja oligonukleotydów komplementarnie wiążących się z matrycą polinukleotydową może zapewnić sieciowanie (składanie) fragmentów komplementarnych do tej matrycy w pojedynczy łańcuch. To właśnie w ten sposób, a nie poprzez katalizowaną polimeryzację mononukleotydów, można było przeprowadzić pierwotne kopiowanie (reprodukcję) RNA. Oczywiście, jeśli pojawiały się rybozymy posiadające aktywność polimerazy, wówczas wydajność (dokładność, szybkość i produktywność) kopiowania była komplementarna. matryca musiała znacznie wzrosnąć.
Ryż. 7. Schemat ewolucji i specjalizacji cząsteczek RNA
w procesie przejścia od starożytnego świata RNA do świata współczesnego
genetycznie zdeterminowana biosynteza białek
Drugi Zasadniczym punktem mojej wersji jest to, że pierwotny aparat biosyntezy białek powstał na bazie kilku typów wyspecjalizowanych RNA przed pojawieniem się enzymatycznego (polimerazy) aparatu replikacyjnego materiału genetycznego - RNA i DNA. To podstawowe urządzenie zawierało katalitycznie aktywny prorybosomalny RNA o aktywności transferazy peptydylowej; zestaw pro-tRNA, które specyficznie wiążą aminokwasy lub krótkie peptydy; inny prorybosomalny RNA, zdolny do jednoczesnego oddziaływania z katalitycznym prorybosomalnym RNA, pro-mRNA i pro-tRNA (patrz ryc. 7). Taki system mógłby już syntetyzować łańcuchy polipeptydowe dzięki katalizowanej przez niego reakcji transpeptydacji. Wśród innych białek aktywnych katalitycznie – enzymów pierwotnych (enzymów), pojawiły się także białka katalizujące polimeryzację nukleotydów – replikazy, czyli polimerazy NK.
Możliwe jednak, że hipoteza o starożytnym świecie RNA jako poprzedniku współczesnego świata żywego nie będzie mogła znaleźć wystarczającego uzasadnienia, aby pokonać główną trudność - naukowo wiarygodny opis mechanizmu przejścia od RNA i jego replikacja do biosyntezy białek. Istnieje atrakcyjna i przemyślana alternatywna hipoteza A.D. Altsteina (Instytut Biologii Genów Rosyjskiej Akademii Nauk), który postuluje, że replikacja materiału genetycznego i jego translacja – synteza białek – powstały i ewoluowały jednocześnie i koniugująco, zaczynając od oddziaływania abiogennie syntetyzowanych oligonukleotydów i aminoacylonukleotydylanów – mieszanych bezwodników aminokwasów i nukleotydów. Ale to już następna historia... „I Szeherezada złapała poranek i przerwała dozwolone przemówienie”.)
Literatura
1. Watson J.D., Crick F.H.C. Struktura molekularna kwasów nukleinowych // Natura. 1953. V. 171. S. 738-740. 2. Watson J.D., Crick F.H.C. Genetyczne implikacje struktury kwasu nukleinowego deoksyrybozy // Nature 1953 V. 171. P. 964-967. 3. Spirin A.S. Nowoczesna biologia i bezpieczeństwo biologiczne // Biuletyn Rosyjskiej Akademii Nauk. 1997. Nr 7. 4. Spirin A.S. O strukturze makrocząsteczkowej natywnego, wysokopolimerowego kwasu rybonukleinowego w roztworze // Journal of Molecular Biology. 1960. V. 2. s. 436-446. 5. Kirn S.H., Suddath F.L., Quigley G.J. i in. Trójwymiarowa trzeciorzędowa struktura RNA przenoszącego fenyloalaninę z drożdży // Science. 1974. V. 185. S. 435-40. 6. Robertas J.D., Ladner J.E., Finch J.T. i in. Struktura tRNA fenyloalaniny drożdży w rozdzielczości 3 A // Natura. 1974. V. 250. S. 546-551. 7. Wasiliew V.D., Serdyuk I.N., Gudkov A.T., SPIRin A.S. Samoorganizacja rybosomalnego RNA // Struktura, funkcja i genetyka rybosomów / wyd. Hardesty B. i Kramer G. Nowy Jork: Springer-Verlag, 1986. s. 129-142. 8. Baserga S.J., Steitz J.A. Zróżnicowany świat małych rybonukleoprotein // Świat RNA / wyd. Gesteland R.F. i Atkins J.F. Nowy Jork: Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, 1993, s. 359–381. 9. Kruger K., Grabowski PJ., Zaug AJ. i in. Samosplatający się RNA: autowycięcie i autocyklizacja sekwencji interweniującej rybosomalnego RNA Tetrahymena// Komórka. 1982. V. 31. S. 147-157. 10. Guerrier-Takada S., Gardiner K., Marsh T. i in. Ugrupowanie RNA rybonukleaz P jest katalityczną podjednostką enzymu // Cell. 1983. V. 35. s. 849-857. 11. Oparin A.I. Pochodzenie życia. M.: Robotnik moskiewski, 1924. 12. Oparin A.I. Pojawienie się życia na Ziemi (wyd. 3). M.: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1957. 13. Woese S. Ewolucja kodu genetycznego // Kod genetyczny. Nowy Jork: Harper & Row, 1967. s. 179–195. 14. Crick FHC Pochodzenie kodu genetycznego // Journal of Molecular Biology. 1968. V. 38. S. 367-379. 15. Orgel L.E. Ewolucja aparatu genetycznego // Journal of Molecular Biology. 1968. V. 38. S. 381-393. 16. Gilbert W.Świat RNA // Natura. 1986. V 319 s. 618. 17. Joyce G.F., Orgel L.E. Perspektywy zrozumienia pochodzenia świata RNA // Świat RNA / wyd. Gesteland R.F. i Atkins J.F. Nowy Jork: Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, 1993, str. 1–25. 18. Chetverina H.V., Demidenko A.A., Ugarov V.I., Chetverin A.B. Spontaniczne rearanżacje w sekwencjach RNA // FEBS Letters. 1999. V. 450. S. 89-94. 19. Bartel D.P., Szostak J.W. Izolacja nowych rybozymów z dużej puli sekwencji losowych // Nauka. 1993. V. 261. S. 1411-1418. 20. Ekland E.H., Bartel D.P. Katalizowana RNA Polimeryzacja RNA przy użyciu trifosforanów nukleozydów // Natura. 1996 V. 382. S. 373-376. 21. Orgel L.E. Pochodzenie życia - przegląd faktów i spekulacji //Trendy w naukach biochemicznych. 1998. V. 23. s. 491-495. 22. Altshtein A.D. Pochodzenie układu genetycznego: hipoteza potomstwa // Biologia molekularna. 1987. T. 21. s. 309-322.
Biosynteza białek.
Metabolizm plastyczny (asymilacja lub anabolizm) to zespół reakcji syntezy biologicznej. Nazwa tego rodzaju wymiany oddaje jego istotę: z substancji wchodzących do komórki z zewnątrz powstają substancje podobne do substancji komórki.
Rozważmy jedną z najważniejszych form metabolizmu tworzyw sztucznych - biosyntezę białek. Biosynteza białek przeprowadzane we wszystkich komórkach pro- i eukariotycznych. Informacja o strukturze pierwszorzędowej (kolejności aminokwasów) cząsteczki białka jest kodowana przez sekwencję nukleotydów w odpowiedniej części cząsteczki DNA – genie.
Gen to odcinek cząsteczki DNA, który określa kolejność aminokwasów w cząsteczce białka. W konsekwencji kolejność aminokwasów w polipeptydzie zależy od kolejności nukleotydów w genie, tj. jego pierwotna struktura, od której z kolei zależą wszystkie inne struktury, właściwości i funkcje cząsteczki białka.
System zapisu informacji genetycznej w DNA (i RNA) w postaci określonej sekwencji nukleotydów nazywany jest kodem genetycznym. Te. Jednostka kodu genetycznego (kodon) to trójka nukleotydów w DNA lub RNA, która koduje jeden aminokwas.
W sumie kod genetyczny zawiera 64 kodony, z czego 61 to kodony, a 3 niekodujące (kodony terminatorowe wskazujące koniec procesu translacji).
Kodony terminatora w i - RNA: UAA, UAG, UGA, w DNA: ATT, ATC, ACT.
Początek procesu translacji wyznacza kodon inicjatorowy (AUG, w DNA – TAC), kodujący aminokwas metioninę. Ten kodon jako pierwszy wchodzi do rybosomu. Następnie metionina, jeśli nie jest dostarczona jako pierwszy aminokwas danego białka, ulega odszczepieniu.
Kod genetyczny ma charakterystyczne właściwości.
1. Uniwersalność – kod jest taki sam dla wszystkich organizmów. Ten sam triplet (kodon) w dowolnym organizmie koduje ten sam aminokwas.
2. Specyficzność – każdy kodon koduje tylko jeden aminokwas.
3. Degeneracja – większość aminokwasów może być kodowana przez kilka kodonów. Wyjątkiem są 2 aminokwasy – metionina i tryptofan, które mają tylko jeden wariant kodonu.
4. Pomiędzy genami znajdują się „znaki interpunkcyjne” - trzy specjalne trójki (UAA, UAG, UGA), z których każda wskazuje na zaprzestanie syntezy łańcucha polipeptydowego.
5. Wewnątrz genu nie ma „znaków interpunkcyjnych”.
Aby białko mogło zostać zsyntetyzowane, do rybosomów musi zostać dostarczona informacja o sekwencji nukleotydów w jego strukturze pierwszorzędowej. Proces ten składa się z dwóch etapów – transkrypcji i translacji.
Transkrypcja(przepisywanie) informacja następuje poprzez syntezę na jednym z łańcuchów cząsteczki DNA jednoniciowej cząsteczki RNA, której sekwencja nukleotydowa dokładnie odpowiada sekwencji nukleotydowej matrycy - łańcucha polinukleotydowego DNA.
To (i - RNA) jest pośrednikiem przekazującym informację z DNA do miejsca złożenia cząsteczek białka w rybosomie. Synteza i - RNA (transkrypcja) przebiega w następujący sposób. Enzym (polimeraza RNA) rozcina podwójną nić DNA, a nukleotydy RNA są ułożone na jednym z jego łańcuchów (kodując) zgodnie z zasadą komplementarności. Tak zsyntetyzowana cząsteczka RNA (synteza szablonu) przedostaje się do cytoplazmy, gdzie na jednym końcu nawleczone są małe podjednostki rybosomu.
Drugim etapem syntezy białek jest audycja- jest translacją sekwencji nukleotydów w cząsteczce i - RNA na sekwencję aminokwasów w polipeptydzie. U prokariotów, które nie mają utworzonego jądra, rybosomy mogą związać się z nowo zsyntetyzowaną cząsteczką i - RNA natychmiast po jego oddzieleniu od DNA lub nawet przed zakończeniem jego syntezy. U eukariontów RNA musi najpierw zostać dostarczone przez otoczkę jądrową do cytoplazmy. Transfer odbywa się za pomocą specjalnych białek, które tworzą kompleks z cząsteczką RNA. Oprócz funkcji przenoszących, białka te chronią i - RNA przed szkodliwym działaniem enzymów cytoplazmatycznych.
W cytoplazmie rybosom wchodzi na jeden z końców RNA (czyli ten, od którego rozpoczyna się synteza cząsteczki w jądrze) i rozpoczyna się synteza polipeptydu. W miarę przesuwania się w dół cząsteczki RNA rybosom dokonuje translacji tripletu za tripletem, sekwencyjnie dodając aminokwasy do rosnącego końca łańcucha polipeptydowego. Dokładne dopasowanie aminokwasu do kodu tripletu i - RNA zapewnia t - RNA.
Transferowe RNA (tRNA) „przenoszą” aminokwasy do dużej podjednostki rybosomu. Cząsteczka tRNA ma złożoną konfigurację. W niektórych jego częściach tworzą się wiązania wodorowe pomiędzy komplementarnymi nukleotydami, a cząsteczka ma kształt liścia koniczyny. Na jego szczycie znajduje się triplet wolnych nukleotydów (antykodon), który odpowiada konkretnemu aminokwasowi, a zasada służy jako miejsce przyłączenia tego aminokwasu (ryc. 1).
Ryż. 1. Schemat struktury transferowego RNA: 1 - wiązania wodorowe; 2 - antykodon; 3 - miejsce przyłączenia aminokwasu.
Każdy tRNA może przenosić tylko swój własny aminokwas. T-RNA jest aktywowany przez specjalne enzymy, przyłącza swój aminokwas i transportuje go do rybosomu. Wewnątrz rybosomu w danym momencie znajdują się tylko dwa kodony mRNA. Jeśli antykodon t-RNA jest komplementarny do kodonu i-RNA, wówczas t-RNA z aminokwasem jest tymczasowo przyłączony do i-RNA. Drugi tRNA jest przyłączony do drugiego kodonu, niosąc jego aminokwas. Aminokwasy znajdują się obok siebie w dużej podjednostce rybosomu i za pomocą enzymów tworzy się między nimi wiązanie peptydowe. Jednocześnie wiązanie pomiędzy pierwszym aminokwasem a jego t-RNA ulega zniszczeniu, a t-RNA opuszcza rybosom po kolejnym aminokwasie. Rybosom przesuwa się o jedną trójkę i proces się powtarza. W ten sposób stopniowo buduje się cząsteczka polipeptydu, w której aminokwasy ułożone są ściśle według kolejności kodujących je tripletów (synteza matrix) (ryc. 2).
Ryż. 2. Schemat bisyntezy białek: 1 - mRNA; 2 - podjednostki rybosomalne; 3 - tRNA z aminokwasami; 4 - tRNA bez aminokwasów; 5 - polipeptyd; 6 - kodon mRNA; 7- antykodon tRNA.
Jeden rybosom jest zdolny do syntezy całego łańcucha polipeptydowego. Często jednak kilka rybosomów porusza się wzdłuż jednej cząsteczki mRNA. Takie kompleksy nazywane są polirybosomami. Po zakończeniu syntezy łańcuch polipeptydowy oddziela się od matrix - cząsteczki mRNA, składa w spiralę i uzyskuje swoją charakterystyczną (wtórną, trzeciorzędową lub czwartorzędową) strukturę. Rybosomy działają bardzo wydajnie: w ciągu 1 sekundy rybosom bakteryjny tworzy łańcuch polipeptydowy składający się z 20 aminokwasów.
Biosynteza białek w komórkach to sekwencja reakcji typu matrix, podczas których sekwencyjne przenoszenie informacji dziedzicznej z jednego typu cząsteczki na inny prowadzi do powstania polipeptydów o genetycznie zdeterminowanej strukturze.
Biosynteza białek jest początkowym etapem realizacji lub ekspresji informacji genetycznej. Do głównych procesów macierzowych zapewniających biosyntezę białek zalicza się transkrypcję DNA i translację mRNA. Transkrypcja DNA polega na kopiowaniu informacji z DNA do mRNA (posłańca lub informacyjnego RNA). Translacja mRNA polega na przeniesieniu informacji z mRNA na polipeptyd. Sekwencję reakcji matrycowych podczas biosyntezy białek można przedstawić w formie diagramu.
nietranskrypcyjna nić DNA
transkrybowana nić DNA
Transkrypcja DNA
kodony mRNA
translacja mRNA
Antykodony tRNA
aminokwasy białkowe
metionina
Diagram pokazuje, że informacja genetyczna o strukturze białka jest przechowywana w postaci sekwencji tripletów DNA. W tym przypadku tylko jeden z łańcuchów DNA służy jako matryca do transkrypcji (taki łańcuch nazywa się transkrybowanym). Druga nić jest komplementarna do transkrybowanej i nie uczestniczy w syntezie mRNA.
Cząsteczka mRNA służy jako matryca do syntezy polipeptydów na rybosomach. Trójki mRNA kodujące konkretny aminokwas nazywane są kodonami. Cząsteczki tRNA biorą udział w translacji. Każda cząsteczka tRNA zawiera antykodon, triplet rozpoznawania, w którym sekwencja nukleotydów jest komplementarna do określonego kodonu mRNA. Każda cząsteczka tRNA może przenosić ściśle określony aminokwas. Połączenie tRNA z aminokwasem nazywa się aminoacylo-tRNA.
Ogólna konformacja cząsteczki tRNA przypomina liść koniczyny na ogonku. Na „wierzchołku liścia” znajduje się antykodon. Istnieje 61 typów tRNA z różnymi antykodonami. Do „szypułki liściowej” przyłączony jest aminokwas (20 aminokwasów bierze udział w syntezie polipeptydu na rybosomach). Każda cząsteczka tRNA ze specyficznym antykodonem odpowiada ściśle określonemu aminokwasowi. Jednocześnie określony aminokwas zwykle odpowiada kilku typom tRNA z różnymi antykodonami. Aminokwas jest kowalencyjnie przyłączany do tRNA za pomocą enzymów – syntetaz aminoacylo-tRNA. Reakcja ta nazywa się aminoacylacją tRNA.
Na rybosomach antykodon odpowiedniej cząsteczki aminoacylo-tRNA jest przyłączony do specyficznego kodonu mRNA przy użyciu określonego białka. To wiązanie mRNA i aminoacylo-tRNA nazywa się zależne od kodonów. Na rybosomach aminokwasy są połączone ze sobą za pomocą wiązań peptydowych, a uwolnione cząsteczki tRNA wyruszają w poszukiwaniu wolnych aminokwasów.
Rozważmy bardziej szczegółowo główne etapy biosyntezy białek.
Scena 1. Transkrypcja DNA. Na transkrybowanej nici DNA komplementarna nić mRNA jest kompletowana przy użyciu zależnej od DNA polimerazy RNA. Cząsteczka mRNA jest dokładną kopią nietranskrypcyjnego łańcucha DNA, z tą różnicą, że zamiast deoksyrybonukleotydów zawiera rybonukleotydy, które zamiast tyminy zawierają uracyl.
Etap 2. Przetwarzanie (dojrzewanie) mRNA. Zsyntetyzowana cząsteczka mRNA (transkrypt pierwotny) ulega dodatkowym przekształceniom. W większości przypadków oryginalna cząsteczka mRNA jest cięta na pojedyncze fragmenty. Niektóre fragmenty – introny – są rozszczepiane na nukleotydy, podczas gdy inne – eksony – są łączone w dojrzały mRNA. Nazywa się proces łączenia eksonów „bez węzłów”. łączenie.
Splicing jest charakterystyczny dla eukariontów i archebakterii, ale czasami występuje u prokariotów. Istnieje kilka rodzajów łączenia. Istotą alternatywnego splicingu jest to, że te same regiony pierwotnego mRNA mogą być zarówno intronami, jak i eksonami. Wtedy ten sam region DNA odpowiada kilku typom dojrzałego mRNA i odpowiednio kilku różnym formom tego samego białka. Istotą transsplicingu jest łączenie eksonów kodowanych przez różne geny (czasami nawet z różnych chromosomów) w jedną dojrzałą cząsteczkę mRNA.
Etap 3. Tłumaczenie mRNA. Translacja (jak wszystkie procesy macierzowe) obejmuje trzy etapy: inicjację (początek), elongację (kontynuację) i zakończenie (koniec).
Inicjacja. Istotą inicjacji jest utworzenie wiązania peptydowego pomiędzy dwoma pierwszymi aminokwasami polipeptydu.
Początkowo tworzy się kompleks inicjacyjny, w skład którego wchodzą: mała podjednostka rybosomu, specyficzne białka (czynniki inicjujące) oraz specjalny inicjatorowy tRNA metioniny z aminokwasem metioniną – Met-tRNAMet. Kompleks inicjujący rozpoznaje początek mRNA, przyłącza się do niego i przesuwa się do punktu inicjacji (początku) biosyntezy białka: w większości przypadków jest to kodon start AUG. Pomiędzy kodonem start mRNA a antykodonem tRNA metioniny następuje wiązanie zależne od kodonów wraz z utworzeniem wiązań wodorowych. Następnie następuje przyłączenie dużej podjednostki rybosomu.
Kiedy podjednostki łączą się, powstaje kompletny rybosom, który zawiera dwa centra aktywne (miejsca): miejsce A (aminoacyl, które służy do przyłączenia aminoacylo-tRNA) i miejsce P (transferaza peptydylowa, które służy do tworzenia wiązania peptydowego pomiędzy aminokwasy).
Początkowo Met-tRNAMet znajduje się w miejscu A, ale następnie przenosi się do miejsca P. Zwolnione miejsce A otrzymuje aminoacylo-tRNA z antykodonem, który jest komplementarny do kodonu mRNA następującego po kodonie AUG. W naszym przykładzie jest to Gly-tRNAGly z antykodonem CCG, który jest komplementarny do kodonu GHC. W wyniku wiązania zależnego od kodonów powstają wiązania wodorowe pomiędzy kodonem mRNA i antykodonem aminoacylo-tRNA. Zatem do rybosomu przylegają dwa aminokwasy, pomiędzy którymi tworzy się wiązanie peptydowe. Wiązanie kowalencyjne pomiędzy pierwszym aminokwasem (metioniną) a jego tRNA zostaje zerwane.
Po utworzeniu wiązania peptydowego pomiędzy dwoma pierwszymi aminokwasami rybosom przesuwa się o jedną trójkę. W rezultacie translokacja (ruch) inicjującego tRNAMet metioniny zachodzi poza rybosomem. Wiązanie wodorowe pomiędzy kodonem start i antykodonem startowego tRNA zostaje zerwane. W rezultacie wolny tRNAMet zostaje odszczepiony i wyrusza w poszukiwaniu swojego aminokwasu.
Drugie tRNA wraz z aminokwasem (w naszym przykładzie Gly-tRNAGly) w wyniku translokacji trafia do miejsca P, a miejsce A zostaje uwolnione.
Wydłużenie. Istotą wydłużania jest dodawanie kolejnych aminokwasów, czyli wydłużanie łańcucha polipeptydowego. Cykl pracy rybosomu podczas wydłużania składa się z trzech etapów: zależnego od kodonów wiązania mRNA i aminoacylo-tRNA w miejscu A, utworzenia wiązania peptydowego pomiędzy aminokwasem a rosnącym łańcuchem polipeptydowym oraz translokacji z uwolnieniem Strona.
Zwolnione miejsce A otrzymuje aminoacylo-tRNA z antykodonem odpowiadającym kolejnemu kodonowi mRNA (w naszym przykładzie jest to Tyr-tRNATyr z antykodonem AUA, który jest komplementarny do kodonu UAA).
W pobliżu rybosomu znajdują się dwa aminokwasy, pomiędzy którymi tworzy się wiązanie peptydowe. Połączenie pomiędzy poprzednim aminokwasem i jego tRNA (w naszym przykładzie pomiędzy glicyną i tRNAGly) zostaje zerwane.
Następnie rybosom zostaje zastąpiony innym tripletem i w wyniku translokacji tRNA znajdujący się w miejscu P (w naszym przykładzie tRNAGly) trafia na zewnątrz rybosomu i zostaje oddzielony od mRNA. Miejsce A zostaje uwolnione i cykl pracy rybosomu rozpoczyna się od nowa.
Zakończenie. Polega na dokończeniu syntezy łańcucha polipeptydowego.
Ostatecznie rybosom dociera do kodonu mRNA, który nie pasuje do żadnego tRNA (ani aminokwasu). Istnieją trzy takie kodony nonsensowne: UAA („ochra”), UAG („bursztyn”), UGA („opal”). W tych kodonach mRNA cykl pracy rybosomu zostaje przerwany i zatrzymuje się wzrost polipeptydu. Rybosom pod wpływem pewnych białek ponownie dzieli się na podjednostki.
Modyfikacja białek. Zazwyczaj zsyntetyzowany polipeptyd ulega dalszym przemianom chemicznym. Oryginalną cząsteczkę można pociąć na osobne fragmenty; następnie niektóre fragmenty ulegają sieciowaniu, inne hydrolizują do aminokwasów. Proste białka mogą łączyć się z szeroką gamą substancji, tworząc glikoproteiny, lipoproteiny, metaloproteiny, chromoproteiny i inne złożone białka. Ponadto aminokwasy znajdujące się już w polipeptydzie mogą ulegać przemianom chemicznym. Na przykład aminokwas prolina, który jest częścią białka prokolagenu, ulega utlenieniu do hydroksyproliny. W efekcie z prokolagenu – głównego białkowego składnika tkanki łącznej, powstaje kolagen.
Reakcje modyfikacji białek nie są reakcjami typu szablonowego. Takie reakcje biochemiczne nazywane są krokowymi.
Energia biosyntezy białek. Biosynteza białek jest procesem bardzo energochłonnym. Podczas aminoacylowania tRNA zużywana jest energia jednego wiązania cząsteczki ATP, podczas zależnego od kodonów wiązania aminoacylo-tRNA zużywana jest energia jednego wiązania cząsteczki GTP, a gdy rybosom porusza się o jeden triplet, energia jedno wiązanie innej cząsteczki GTP zostaje zużyte. W rezultacie około 90 kJ/mol zużywa się na przyłączenie aminokwasu do łańcucha polipeptydowego. Kiedy wiązanie peptydowe ulega hydrolizie, uwalniane jest tylko 2 kJ/mol. Zatem podczas biosyntezy większość energii jest bezpowrotnie tracona (rozpraszana w postaci ciepła).
Kod genetyczny, jego główne właściwości
Podczas reakcji syntezy matrixu na podstawie kodu genetycznego syntetyzowany jest polipeptyd o dziedzicznie określonej strukturze. Kawałek DNA zawierający informację o strukturze konkretnego polipeptydu nazywany jest genem.
Jednakże, gen - to nie jest tylko odcinek DNA, ale jednostka informacji dziedzicznej, której nośnikiem są kwasy nukleinowe. Ustalono, że gen ma złożoną strukturę.
W większości przypadków regiony kodujące (egzony) są oddzielone regionami niekodującymi (introny). Jednocześnie, dzięki alternatywnemu splicingowi, podział odcinka DNA na kodujący i niekodujący okazuje się warunkowy. Niektóre odcinki DNA mogą przemieszczać się względem siebie – nazywane są ruchomymi elementami genetycznymi (MGE). Wiele genów jest reprezentowanych przez kilka kopii – wówczas to samo białko jest kodowane przez różne odcinki DNA. Informacja genetyczna wirusów jest jeszcze bardziej złożona. Wiele z nich ma nakładające się geny: ten sam odcinek DNA można transkrybować z różnych punktów początkowych.
Proces ekspresji genów jest elastyczny: jeden odcinek DNA może odpowiadać kilku polipeptydom; jeden polipeptyd może być kodowany przez różne odcinki DNA. Ostateczna modyfikacja białek następuje za pomocą enzymów, które są kodowane przez różne odcinki DNA.
Ogólne właściwości kodu genetycznego
Odbicie niektórych obiektów przy użyciu innych nazywa się kodowaniem. Odbicie struktury białek w postaci trójek DNA nazywane jest kodem DNA lub kodem genetycznym. Dzięki kodowi genetycznemu ustalana jest unikalna zgodność między sekwencjami nukleotydowymi kwasów nukleinowych i aminokwasami tworzącymi białka. Kod genetyczny ma następujące podstawowe właściwości:
1. Kod genetyczny jest tripletowy: każdy aminokwas jest kodowany przez triplet nukleotydów DNA i odpowiadający mu triplet mRNA. W tym przypadku kodony nie są w żaden sposób od siebie oddzielone (nie ma „przecinków”).
2. Kod genetyczny jest zbędny (zdegenerowany): prawie wszystkie aminokwasy mogą być kodowane przez różne kodony. Tylko dwa aminokwasy odpowiadają jednemu kodonowi: metionina (AUG) i tryptofan (UGG). Ale leucyna, seryna i arginina odpowiadają 6 różnym kodonom.
3. Kod genetyczny nie nakłada się: każda para nukleotydów należy tylko do jednego kodonu (wyjątki występują w wirusach).
4. Kod genetyczny jest taki sam dla zdecydowanej większości systemów biologicznych. Istnieją jednak wyjątki, na przykład w orzęskach i mitochondriach różnych organizmów. Dlatego kod genetyczny nazywany jest quasi-uniwersalnym.
