SYNTÉZA PROTEINŮ: STADIA A JEJICH VLASTNOSTI - BIOLOGIE - 2025

Syntézu bílkovin je biologická událost, která se vyskytuje v téměř všech živých bytostí. Buňky neustále berou informace uložené v DNA a díky přítomnosti vysoce komplexního specializovaného strojního zařízení je transformují na proteinové molekuly.

4-písmenový kód šifrovaný v DNA však není přímo převeden na proteiny. Do tohoto procesu je zapojena molekula RNA, která funguje jako prostředník, nazývaná messengerová RNA.

Proteosyntéza.

Zdroj:

Když buňky potřebují konkrétní protein, zkopíruje se nukleotidová sekvence vhodné části DNA do RNA - v procesu nazývaném transkripce - a to se zase převede na příslušný protein.

Popisovaný tok informací (DNA k messenger RNA a RNA RNA k proteinům) se vyskytuje od velmi jednoduchých bytostí, jako jsou bakterie pro člověka. Tato série kroků byla nazývána ústředním „dogmatem“ biologie.

Stroje zodpovědné za syntézu proteinů jsou ribozomy. Tyto malé buněčné struktury se do značné míry nacházejí v cytoplazmě a jsou ukotveny v endoplazmatickém retikulu.

Co jsou to proteiny?

Proteiny jsou makromolekuly tvořené aminokyselinami. Ty tvoří téměř 80% protoplazmy celé dehydratované buňky. Všechny proteiny, které tvoří organismus, se nazývají „proteom“.

Jeho funkce jsou rozmanité a různorodé, od strukturálních rolí (kolagen) po transport (hemoglobin), katalyzátory pro biochemické reakce (enzymy), obranu proti patogenům (protilátky).

Existuje 20 typů přírodních aminokyselin, které jsou kombinovány peptidovými vazbami za vzniku proteinů. Každá aminokyselina je charakterizována tím, že má určitou skupinu, která jí dává zvláštní chemické a fyzikální vlastnosti.

Fáze a charakteristiky

Způsob, jakým buňka dokáže interpretovat zprávu DNA, nastává prostřednictvím dvou základních událostí: transkripce a translace. Mnoho kopií RNA, které byly zkopírovány ze stejného genu, je schopno syntetizovat významné množství identických proteinových molekul.

Každý gen je transkribován a překládán odlišně, což umožňuje buňce produkovat různá množství široké škály proteinů. Tento proces zahrnuje různé buněčné regulační cesty, které obecně zahrnují kontrolu produkce RNA.

Prvním krokem, který musí buňka udělat pro zahájení produkce proteinu, je přečíst zprávu napsanou na molekule DNA. Tato molekula je univerzální a obsahuje všechny informace potřebné pro konstrukci a vývoj organických bytostí.

Dále popíšeme, jak dochází k syntéze proteinů, počínaje tímto procesem „čtení“ genetického materiálu a končící produkcí proteinů per se.

Přepis: z DNA na messenger RNA

Zpráva na dvojité šroubovici DNA je zapsána ve čtyřpísmenném kódu odpovídajícím základům adenin (A), guanin (G), cytosin (C) a thymin (T).

Tato sekvence písmen DNA slouží jako šablona k vytvoření ekvivalentní molekuly RNA.

DNA i RNA jsou lineární polymery tvořené nukleotidy. Chemicky se však liší ve dvou základních ohledech: nukleotidy v RNA jsou ribonukleotidy a namísto základního thyminu má RNA uracil (U), který se páruje s adeninem.

Proces transkripce začíná otevřením dvojité šroubovice v konkrétní oblasti. Jeden ze dvou řetězců působí jako „templát“ nebo templát pro syntézu RNA. Nukleotidy budou přidány podle základních párovacích pravidel, C s G a A s U.

Hlavním enzymem zapojeným do transkripce je RNA polymeráza. Má na starosti katalyzování tvorby fosfodiesterových vazeb, které se připojují k nukleotidům řetězce. Řetěz se rozprostírá ve směru 5 'až 3'.

Růst molekuly zahrnuje různé proteiny známé jako "elongační faktory", které jsou zodpovědné za udržování vazby polymerázy až do konce procesu.

Sestřih messengerové RNA

Zdroj: Autor: BCSteve, z Wikimedia Commons V eukaryotech mají geny specifickou strukturu. Sekvence je přerušena prvky, které nejsou součástí proteinu, nazývané introny. Tento termín je na rozdíl od exonu, který zahrnuje části genu, které budou převedeny na proteiny.

Sestřih je základní událost, která spočívá v odstranění intronů z molekuly posla, aby se zbavila molekuly vytvořené výhradně exony. Konečným produktem je zralá messengerová RNA. Fyzicky se odehrává ve spliceosomu, složitém a dynamickém strojním zařízení.

Kromě sestřihu podléhá messenger RNA ještě před přeložením dalším kódování. Přidá se „kapuce“, jejíž chemická povaha je modifikovaný guaninový nukleotid a na 5 'konci a na konci několika adeninů na druhém konci.

RNA typy

V buňce jsou produkovány různé typy RNA. Některé geny v buňce produkují messengerovou molekulu RNA a to se převádí na protein - jak uvidíme později. Existují však geny, jejichž konečným produktem je samotná molekula RNA.

Například v kvasinkovém genomu má asi 10% kvasinkových genů molekuly RNA jako jejich konečný produkt. Je důležité je zmínit, protože tyto molekuly hrají zásadní roli při syntéze proteinů.

- Ribozomální RNA: ribozomální RNA je součástí srdce ribosomů, klíčových struktur pro syntézu proteinů.

Zdroj: Jane Richardson (Dcrjsr), z Wikimedia Commons Zpracování ribozomálních RNA a jejich následné sestavení do ribozomů probíhá ve velmi nápadné struktuře jádra - ačkoli není ohraničeno membránou - nazývá se jadro.

- Přenosová RNA: funguje jako adaptér, který vybírá konkrétní aminokyselinu a spolu s ribozomem inkorporuje zbytek aminokyseliny do proteinu. Každá aminokyselina je příbuzná molekule transferové RNA.

V eukaryotech existují tři typy polymeráz, které, i když jsou strukturně velmi podobné, hrají různé role.

RNA polymeráza I a III přepisují geny, které kódují přenosovou RNA, ribozomální RNA a některé malé RNA. RNA polymeráza II se zaměřuje na translaci genů, které kódují proteiny.

- Malé RNA související s regulací: Jiné RNA s krátkou délkou se účastní regulace genové exprese. Patří mezi ně mikroRNA a malé interferující RNA.

MikroRNA regulují expresi blokováním specifické zprávy a malé interferující zastavují expresi přímou degradací posla. Podobně existují malé jaderné RNA, které se účastní procesu sestřihu messengerové RNA.

Překlad: z messengerové RNA na proteiny

Jakmile messengerová RNA zraje procesem sestřihu a putuje z jádra do buněčné cytoplazmy, začíná syntéza proteinu. Tento export je zprostředkován komplexem jaderných pórů - řadou vodných kanálů umístěných v membráně jádra, které přímo spojují cytoplazmu a nukleoplasmu.

V běžném životě používáme termín „překlad“ k převodu slov z jednoho jazyka do druhého.

Například můžeme přeložit knihu z angličtiny do španělštiny. Na molekulární úrovni zahrnuje překlad změnu jazyka z RNA na protein. Přesněji řečeno jde o změnu z nukleotidů na aminokyseliny. Jak se však tento dialekt mění?

Genetický kód

Nukleotidová sekvence genu může být transformována na proteiny podle pravidel stanovených genetickým kódem. Toto bylo dešifrováno na začátku šedesátých let.

Jak čtenář bude moci odvodit, translace nemůže být jedna nebo jedna, protože existují pouze 4 nukleotidy a 20 aminokyselin. Logika je následující: spojení tří nukleotidů je známo jako „triplety“ a jsou spojeny s konkrétní aminokyselinou.

Protože může existovat 64 možných trojic (4 x 4 x 4 = 64), genetický kód je nadbytečný. To znamená, že stejná aminokyselina je kódována více než jedním tripletem.

Přítomnost genetického kódu je univerzální a používají ji všechny živé organismy, které dnes obývají Zemi. Toto rozsáhlé použití je jednou z nejvýraznějších molekulárních homologií přírody.

Spojení aminokyseliny k přenosu RNA

Kodony nebo triplety nalezené v molekule messenger RNA nemají schopnost přímo rozpoznávat aminokyseliny. Naproti tomu translace messengerové RNA závisí na molekule, která dokáže rozeznat a vázat kodon a aminokyselinu. Tato molekula je přenosová RNA.

Přenosová RNA se může skládat do složité trojrozměrné struktury, která připomíná jetel. V této molekule je oblast zvaná "antikodon", tvořená třemi po sobě jdoucími nukleotidy, které se spárují s po sobě jdoucími komplementárními nukleotidy řetězce messenger RNA.

Jak jsme zmínili v předchozí části, genetický kód je nadbytečný, takže některé aminokyseliny mají více než jednu přenosovou RNA.

Detekce a fúze správné aminokyseliny na přenosovou RNA je proces zprostředkovaný enzymem zvaným aminoacyl-tRNA syntetáza. Tento enzym je zodpovědný za spojení obou molekul prostřednictvím kovalentní vazby.

Zpráva RNA je dekódována ribozomy

Pro vytvoření proteinu jsou aminokyseliny spojeny dohromady prostřednictvím peptidových vazeb. Proces čtení messengerové RNA a vázání specifických aminokyselin probíhá v ribozomech.

Ribosomy

Ribosomy jsou katalytické komplexy složené z více než 50 molekul proteinu a různých typů ribozomální RNA. V eukaryotických organismech obsahuje průměrná buňka v cytoplazmatickém prostředí průměrně miliony ribozomů.

Strukturálně je ribosom tvořen velkou a malou podjednotkou. Úlohou malé části je zajistit, aby přenosová RNA byla správně spárována s messengerovou RNA, zatímco velká podjednotka katalyzuje tvorbu peptidové vazby mezi aminokyselinami.

Pokud proces syntézy není aktivní, jsou odděleny dvě podjednotky, které tvoří ribozomy. Na začátku syntézy se messengerová RNA spojí s oběma podjednotkami, obvykle blízko 5 'konce.

V tomto procesu dochází k prodloužení polypeptidového řetězce přidáním nového aminokyselinového zbytku v následujících krocích: vazba transferové RNA, tvorba peptidové vazby, translokace podjednotek. Výsledkem tohoto posledního kroku je pohyb celého ribozomu a začíná nový cyklus.

Prodloužení polypeptidového řetězce

V ribozomech se rozlišují tři místa: místo E, P a A (viz hlavní obrázek). Proces protažení začíná, když některé aminokyseliny již byly kovalentně spojeny a v místě P je molekula transferové RNA.

Přenosová RNA mající další zabudovanou aminokyselinu se váže na místo A párováním bází s messengerovou RNA. Karboxylová koncová část peptidu je poté uvolněna z přenosové RNA v místě P přerušením vysokoenergetické vazby mezi přenosovou RNA a aminokyselinou, kterou nese.

Volná aminokyselina je připojena k řetězci a vytvoří se nová peptidová vazba. Centrální reakce v tomto celém procesu je zprostředkována enzymem peptidyltransferáza, která se nachází ve velké podjednotce ribozomů. Ribosom tedy cestuje přes messengerovou RNA a převádí dialekt z aminokyselin na proteiny.

Stejně jako v případě transkripce se během translace proteinu podílejí i faktory prodloužení. Tyto prvky zvyšují rychlost a efektivitu procesu.

Dokončení překladu

Proces překladu končí, když ribosom narazí na stop kodony: UAA, UAG nebo UGA. Tyto nejsou rozpoznávány žádnou přenosovou RNA a neváže žádné aminokyseliny.

V této době se proteiny známé jako faktory uvolňování vážou na ribozom a způsobují katalýzu molekuly vody a nikoliv aminokyseliny. Tato reakce uvolní koncový karboxylový konec. Nakonec je peptidový řetězec uvolňován do buněčné cytoplazmy.

Reference

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biochemie. 5. vydání. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Pozvánka k biologii. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, a Baltimore, D. (1990). Biologie molekulárních buněk. New York: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Guyton a Hall učebnice lékařské fyziologické e-knihy. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). Geny Svazek 1. Reverte.
6. Lodish, H. (2005). Buněčná a molekulární biologie. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomová struktura a mechanismus translace. Cell, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiologie. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, a Cate, JHD (2012). Struktura a funkce eukaryotického ribozomu. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii, 4 (5), a011536.