PROTEINSYNTESE: STADIER OG DERES EGENSKAPER - BIOLOGI - 2026

Den proteinsyntesen er en biologisk hendelse som inntreffer i nesten alle levende vesener. Celler tar stadig informasjonen som er lagret i DNA, og takket være tilstedeværelsen av meget komplekse spesialiserte maskiner, transformerer den til proteinmolekyler.

Imidlertid er 4-bokstavskoden som er kryptert i DNA, ikke direkte oversatt til proteiner. Et RNA-molekyl som fungerer som et mellomledd, kalt messenger RNA, er involvert i prosessen.

Protein syntese.
Kilde: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Når celler trenger et bestemt protein, kopieres nukleotidsekvensen til en passende del av DNA til RNA - i en prosess som kalles transkripsjon - og dette blir igjen oversatt til det aktuelle proteinet.

Informasjonsflyten som er beskrevet (DNA til messenger RNA og melding RNA til proteiner) forekommer fra veldig enkle vesener som bakterier til mennesker. Denne trinnserien har blitt kalt biologiens sentrale "dogme".

Maskinene som er ansvarlig for proteinsyntese er ribosomer. Disse små cellulære strukturer finnes i stor grad i cytoplasma og forankret til endoplasmatisk retikulum.

Hva er proteiner?

Proteiner er makromolekyler som består av aminosyrer. Disse utgjør nesten 80% av protoplasmaen til en hel dehydrert celle. Alle proteiner som utgjør en organisme kalles "proteom."

Funksjonene er flere og varierte, fra strukturelle roller (kollagen) til transport (hemoglobin), katalysatorer for biokjemiske reaksjoner (enzymer), forsvar mot patogener (antistoffer), blant andre.

Det er 20 typer naturlige aminosyrer som kombineres av peptidbindinger for å danne proteiner. Hver aminosyre er preget av å ha en bestemt gruppe som gir den spesielle kjemiske og fysiske egenskaper.

Stadier og kjennetegn

Måten cellen klarer å tolke DNA-meldingen skjer gjennom to grunnleggende hendelser: transkripsjon og oversettelse. Mange kopier av RNA, som er kopiert fra det samme genet, er i stand til å syntetisere et betydelig antall identiske proteinmolekyler.

Hvert gen blir transkribert og oversatt differensialt, slik at cellen kan produsere varierende mengder av en lang rekke proteiner. Denne prosessen involverer forskjellige cellulære reguleringsveier, som generelt inkluderer kontroll av RNA-produksjon.

Det første trinnet cellen må gjøre for å begynne proteinproduksjon er å lese meldingen skrevet på DNA-molekylet. Dette molekylet er universelt og inneholder all den informasjonen som er nødvendig for konstruksjon og utvikling av organiske vesener.

Deretter beskriver vi hvordan proteinsyntese oppstår, og begynner denne prosessen med å "lese" det genetiske materialet og slutte med produksjonen av proteiner per se.

Transkripsjon: fra DNA til messenger RNA

Meldingen på den doble heliksen av DNA er skrevet i en firbokstavkode som tilsvarer basene adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og timin (T).

Denne sekvensen av DNA-bokstaver fungerer som en mal for å bygge et ekvivalent RNA-molekyl.

Både DNA og RNA er lineære polymerer som består av nukleotider. Imidlertid skiller de seg kjemisk på to grunnleggende punkter: nukleotidene i RNA er ribonukleotider, og i stedet for basetymin har RNA uracil (U), som pares med adenin.

Transkripsjonsprosessen begynner med åpningen av dobbelt helix i et bestemt område. En av de to kjedene fungerer som en "mal" eller mal for RNA-syntese. Nukleotider vil bli tilsatt etter baseparringsreglene, C med G og A med U.

Hovedenzym involvert i transkripsjon er RNA-polymerase. Det er ansvarlig for å katalysere dannelsen av fosfodiesterbindinger som blir med i nukleotidene i kjeden. Kjeden strekker seg i retning 5 'til 3'.

Veksten av molekylet involverer forskjellige proteiner kjent som "forlengelsesfaktorer" som er ansvarlige for å opprettholde bindingen av polymerasen til slutten av prosessen.

Spleising av messenger RNA

Kilde: Av BCSteve, fra Wikimedia Commons I eukaryoter har gener en spesifikk struktur. Sekvensen blir avbrutt av elementer som ikke er en del av proteinet, kalt introner. Begrepet er i motsetning til exon, som inkluderer delene av genet som vil bli oversatt til proteiner.

Spleising er en grunnleggende hendelse som består i eliminering av intronene til messenger-molekylet, for å kaste et molekyl bygget eksklusivt av eksoner. Sluttproduktet er den modne messenger RNA. Fysisk foregår det i spleisosomet, et komplekst og dynamisk maskineri.

I tillegg til skjøting gjennomgår messenger RNA ytterligere kodinger før de blir oversatt. Det tilsettes en "hette" hvis kjemiske natur er et modifisert guaninnukleotid, og i 5'-enden og en hale med flere adeniner i den andre enden.

RNA-typer

I cellen produseres forskjellige typer RNA. Noen gener i cellen produserer et messenger-RNA-molekyl, og dette blir oversatt til protein - som vi vil se senere. Imidlertid er det gener hvis sluttprodukt er selve RNA-molekylet.

For eksempel i gjærgenomet har omtrent 10% av gjærgenene RNA-molekyler som deres sluttprodukt. Det er viktig å nevne dem, siden disse molekylene spiller en grunnleggende rolle når det gjelder proteinsyntese.

- Ribosomalt RNA: ribosomalt RNA er en del av hjertet av ribosomer, viktige strukturer for syntesen av proteiner.

Kilde: Jane Richardson (Dcrjsr), fra Wikimedia Commons Behandlingen av ribosomale RNAer og deres påfølgende montering til ribosomer skjer i en veldig iøynefallende struktur i kjernen - selv om den ikke er avgrenset av membran - kalt kjernen.

- Overfør RNA: den fungerer som en adapter som velger en spesifikk aminosyre og sammen med ribosomet, inkorporerer aminosyrerestene i proteinet. Hver aminosyre er relatert til et overførings-RNA-molekyl.

I eukaryoter er det tre typer polymeraser som, selv om de strukturelt sett er veldig like hverandre, spiller forskjellige roller.

RNA-polymerase I og III transkriberer genene som koder for overføring av RNA, ribosomalt RNA, og noen små RNA. RNA-polymerase II målretter oversettelsen av gener som koder for proteiner.

- Små RNA relatert til regulering: Andre kortvarige RNA deltar i reguleringen av genuttrykk. Disse inkluderer mikroRNA og små forstyrrende RNA.

MicroRNAs regulerer uttrykk ved å blokkere en spesifikk melding, og små forstyrrende dem stenger uttrykk gjennom direkte forringelse av messenger. Tilsvarende er det små kjernefysiske RNA som deltar i spleiseprosessen til messenger-RNA.

Oversettelse: fra messenger RNA til proteiner

Når messenger-RNA modnes gjennom prosessen med skjøting og reiser fra kjernen til cytoplasmaen, begynner proteinsyntesen. Denne eksporten er formidlet av kjerneporekomplekset - en serie vandige kanaler som ligger i membranen til kjernen som direkte forbinder cytoplasma og nukleoplasma.

I hverdagen bruker vi begrepet "oversettelse" for å referere til konvertering av ord fra et språk til et annet.

For eksempel kan vi oversette en bok fra engelsk til spansk. På molekylært nivå innebærer oversettelse endringen fra språk til RNA til protein. For å være mer presis, er det endringen fra nukleotider til aminosyrer. Men hvordan forekommer denne dialektendringen?

Den genetiske koden

Nukleotidsekvensen til et gen kan omdannes til proteiner etter reglene som er fastsatt av den genetiske koden. Dette ble dechiffrert på begynnelsen av 1960-tallet.

Som leseren vil kunne utlede, kan ikke oversettelsen være en eller en, siden det bare er 4 nukleotider og 20 aminosyrer. Logikken er som følger: foreningen av tre nukleotider er kjent som "trillinger", og de er assosiert med en bestemt aminosyre.

Siden det kan være 64 mulige tripletter (4 x 4 x 4 = 64), er den genetiske koden overflødig. Det vil si at den samme aminosyren er kodet av mer enn en triplett.

Tilstedeværelsen av den genetiske koden er universell og brukes av alle levende organismer som bor på jorden i dag. Denne enorme bruken er en av naturens mest slående molekylære homologier.

Kobling av aminosyre for å overføre RNA

Kodonene eller triplettene som finnes i messenger-RNA-molekylet, har ikke muligheten til å gjenkjenne aminosyrer direkte. I kontrast er oversettelsen av messenger-RNA avhengig av et molekyl som kan gjenkjenne og binde kodonet og aminosyren. Dette molekylet er overførings-RNA.

Overførings-RNA kan brettes inn i en kompleks tredimensjonal struktur som ligner en kløver. I dette molekylet er det en region som kalles "antikodon", dannet av tre påfølgende nukleotider som kobles sammen med de påfølgende komplementære nukleotider i messenger-RNA-kjeden.

Som vi nevnte i forrige seksjon, er den genetiske koden overflødig, så noen aminosyrer har mer enn ett overførings-RNA.

Deteksjon og fusjon av riktig aminosyre til overførings-RNA er en prosess formidlet av et enzym kalt aminoacyl-tRNA-syntetase. Dette enzymet er ansvarlig for å koble begge molekylene gjennom en kovalent binding.

RNA-melding dekodes av ribosomer

For å danne et protein, kobles aminosyrer sammen gjennom peptidbindinger. Prosessen med å lese messenger-RNA og binde spesifikke aminosyrer forekommer i ribosomer.

ribosomer

Ribosomer er katalytiske komplekser som består av mer enn 50 proteinmolekyler og forskjellige typer ribosomalt RNA. I eukaryote organismer inneholder en gjennomsnittlig celle i gjennomsnitt millioner av ribosomer i det cytoplasmatiske miljøet.

Strukturelt består en ribosom av en stor og en liten underenhet. Rollen til den lille delen er å sikre at overførings-RNA er riktig sammenkoblet med messenger-RNA, mens den store underenheten katalyserer dannelsen av peptidbindingen mellom aminosyrer.

Når synteseprosessen ikke er aktiv, skilles de to underenhetene som utgjør ribosomer. I begynnelsen av syntesen blir messenger-RNA sammen med begge underenheter, vanligvis nær 5'-enden.

I denne prosessen skjer forlengelsen av polypeptidkjeden ved tilsetning av en ny aminosyrerest i de følgende trinn: binding av overførings-RNA, dannelse av peptidbindingen, translokasjon av underenhetene. Resultatet av dette siste trinnet er bevegelsen av hele ribosomet og en ny syklus begynner.

Forlengelse av polypeptidkjeden

I ribosomer skilles tre steder: sted E, P og A (se hovedbilde). Forlengelsesprosessen begynner når noen aminosyrer allerede er kovalent koblet og det er et overførings-RNA-molekyl på P-stedet.

Overfør RNA som har den neste aminosyren som skal inkorporeres, binder seg til sted A ved baseparring med messenger-RNA. Den karboksylterminale delen av peptidet blir deretter frigjort fra overførings-RNA på P-stedet ved å bryte en høyenergibinding mellom overførings-RNA og aminosyren det bærer.

Den frie aminosyren er festet til kjeden, og en ny peptidbinding dannes. Den sentrale reaksjonen i hele denne prosessen er formidlet av enzymet peptidyltransferase, som finnes i den store underenheten av ribosomer. Dermed reiser ribosomet gjennom messenger-RNA, og oversetter dialekten fra aminosyrer til proteiner.

Som ved transkripsjon er også forlengelsesfaktorer involvert under proteinoversettelse. Disse elementene øker hastigheten og effektiviteten i prosessen.

Fullføre oversettelsen

Oversettelsesprosessen avsluttes når ribosomet møter stoppkodonene: UAA, UAG eller UGA. Disse blir ikke gjenkjent av noe overførings-RNA og binder ingen aminosyrer.

På dette tidspunktet binder proteiner kjent som frigjøringsfaktorer seg til ribosomet og forårsaker katalyse av et vannmolekyl og ikke en aminosyre. Denne reaksjonen frigjør den terminale karboksylenden. Til slutt frigjøres peptidkjeden i cytoplasmaet.

referanser

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biokjemi. 5. utgave. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitasjon til biologi. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Molekylær cellebiologi. New York: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Guyton og Hall lærebok for medisinsk fysiologi e-bok. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). gener Volum 1. Gå tilbake.
6. Lodish, H. (2005). Cellulær og molekylærbiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomstruktur og oversettelsesmekanismen. Cell, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introduksjon til mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). Strukturen og funksjonen til det eukaryote ribosomet. Cold Spring Harbor-perspektiver i biologi, 4 (5), a011536.