Σύνθεση των πρωτεϊνικών σταδίων και των χαρακτηριστικών τους



Το πρωτεϊνικής σύνθεσης είναι ένα βιολογικό γεγονός που συμβαίνει σχεδόν σε όλα τα έμβια όντα. Συνεχώς τα κύτταρα παίρνουν τις πληροφορίες που αποθηκεύονται στο DNA και, χάρη στην παρουσία πολύ περίπλοκων εξειδικευμένων μηχανημάτων, το μετασχηματίζουν σε πρωτεϊνικά μόρια.

Ωστόσο, ο κωδικός τεσσάρων γραμμάτων κρυπτογραφημένος στο DNA δεν μεταφράζεται άμεσα σε πρωτεΐνες. Στη διαδικασία εμπλέκεται ένα μόριο RNA που λειτουργεί ως ενδιάμεσος, που ονομάζεται αγγελιαφόρο RNA.

Όταν τα κύτταρα χρειάζονται μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη, η αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενός κατάλληλου τμήματος στο DNA αντιγράφεται στο RNA - σε μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή - και αυτή με τη σειρά της μεταφράζεται στην εν λόγω πρωτεΐνη.

Η ροή των πληροφοριών που περιγράφονται (μήνυμα DNA σε messenger RNA και RNA σε πρωτεΐνες) προκύπτει από πολύ απλά όντα όπως τα βακτήρια στους ανθρώπους. Αυτή η σειρά βημάτων έχει ονομαστεί το κεντρικό «δόγμα» της βιολογίας.

Οι μηχανές που είναι υπεύθυνες για τις πρωτεΐνες σύνθεσης είναι ριβοσώματα. Αυτές οι μικρές κυτταρικές δομές βρίσκονται σε μεγάλο ποσοστό στο κυτταρόπλασμα και αγκυροβολούνται στο ενδοπλασματικό δίκτυο.

Ευρετήριο

  • 1 Τι είναι οι πρωτεΐνες?
  • 2 Στάδια και χαρακτηριστικά
    • 2.1 Μεταγραφή: από το DNA στο αγγελιαφόρο RNA
    • 2.2 Συγκόλληση του αγγελιαφόρου RNA
    • 2.3 Τύποι RNA
    • 2.4 Μετάφραση: από αγγελιαφόρο RNA σε πρωτεΐνες
    • 2.5 Ο γενετικός κώδικας
    • 2.6 Σύζευξη του αμινοξέος με το RNA μεταφοράς
    • 2.7 Το μήνυμα RNA αποκωδικοποιείται από τα ριβοσώματα
    • 2.8 Επιμήκυνση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας
    • 2.9 Ολοκλήρωση της μετάφρασης
  • 3 Αναφορές

Τι είναι οι πρωτεΐνες?

Οι πρωτεΐνες είναι μακρομόρια που σχηματίζονται από αμινοξέα. Αυτά αποτελούν σχεδόν το 80% του πρωτοπλάσματος ενός ολόκληρου αφυδατωμένου κυττάρου. Όλες οι πρωτεΐνες που αποτελούν έναν οργανισμό ονομάζονται "πρωτεόνο".

Οι λειτουργίες του είναι πολλαπλές και ποικίλες, από τους δομικούς ρόλους (κολλαγόνο) μέχρι τη μεταφορά (αιμοσφαιρίνη), καταλύτες βιοχημικών αντιδράσεων (ένζυμα), άμυνα κατά παθογόνων (αντισωμάτων), μεταξύ άλλων.

Υπάρχουν 20 τύποι φυσικών αμινοξέων που συνδυάζονται με πεπτιδικούς δεσμούς για να δημιουργήσουν πρωτεΐνες. Κάθε αμινοξύ χαρακτηρίζεται από το ότι έχει μια συγκεκριμένη ομάδα που δίνει ιδιαίτερες χημικές και φυσικές ιδιότητες.

Στάδια και χαρακτηριστικά

Ο τρόπος με τον οποίο το κύτταρο καταφέρνει να ερμηνεύσει το μήνυμα του DNA συμβαίνει μέσω δύο θεμελιωδών συμβάντων: μεταγραφή και μετάφραση. Πολλά αντίγραφα RNA, τα οποία έχουν αντιγραφεί από το ίδιο γονίδιο, είναι ικανά να συνθέσουν ένα σημαντικό αριθμό ταυτόσημων πρωτεϊνικών μορίων.

Κάθε γονίδιο μεταγράφεται και μεταφράζεται διαφορικά, επιτρέποντας στο κύτταρο να παράγει ποικίλες ποσότητες μιας ευρείας ποικιλίας πρωτεϊνών. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει διάφορες οδούς κυτταρικής ρύθμισης, οι οποίες γενικά περιλαμβάνουν τον έλεγχο στην παραγωγή RNA.

Το πρώτο βήμα που πρέπει να κάνει το κύτταρο για να ξεκινήσει η παραγωγή πρωτεϊνών είναι να διαβάσει το μήνυμα που είναι γραμμένο στο μόριο DNA. Αυτό το μόριο είναι καθολικό και περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την κατασκευή και την ανάπτυξη οργανικών όντων.

Στη συνέχεια, θα περιγράψουμε πώς συμβαίνει η σύνθεση πρωτεϊνών, ξεκινώντας τη διαδικασία "ανάγνωσης" του γενετικού υλικού και λήγοντας με την παραγωγή πρωτεϊνών. αφ 'εαυτού.

Μεταγραφή: από το DNA στο αγγελιαφόρο RNA

Το μήνυμα στην διπλή έλικα του DNA γράφεται σε ένα τετραψήφιο κωδικό που αντιστοιχεί στις βάσεις αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ).

Αυτή η αλληλουχία γραμμάτων DNA χρησιμοποιείται για να μετριάσει ένα ισοδύναμο μόριο RNA.

Τόσο το DNA όσο και το RNA είναι γραμμικά πολυμερή που σχηματίζονται από νουκλεοτίδια. Ωστόσο, διαφέρουν χημικά σε δύο βασικές απόψεις: τα νουκλεοτίδια στο RNA είναι ριβονουκλεοτίδια και αντί της βάσης θυμίνης, το RNA παρουσιάζει την ουρακίλη (U), η οποία ζευγαρώνει με την αδενίνη.

Η διαδικασία της μεταγραφής αρχίζει με το άνοιγμα της διπλής έλικας σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Μία από τις δύο αλυσίδες δρα ως "πρότυπο" ή ψυχρότης για σύνθεση RNA. Τα νουκλεοτίδια θα προστεθούν ακολουθώντας τους κανόνες του ζευγαρώματος βάσεων, C με G και A με U.

Το κύριο ένζυμο που εμπλέκεται στη μεταγραφή είναι η RNA πολυμεράση. Είναι υπεύθυνη για την κατάλυση του σχηματισμού δεσμών φωσφοδιεστέρα που ενώνουν τα νουκλεοτίδια της αλυσίδας. Η αλυσίδα επεκτείνεται στην κατεύθυνση 5 'προς 3'.

Η ανάπτυξη του μορίου περιλαμβάνει διαφορετικές πρωτεΐνες γνωστές ως "παράγοντες επιμήκυνσης" που είναι υπεύθυνοι για τη διατήρηση της δέσμευσης της πολυμεράσης μέχρι το τέλος της διαδικασίας.

Συγκόλληση του αγγελιαφόρου RNA

Στα ευκαρυωτικά, τα γονίδια έχουν μια ειδική δομή. Η αλληλουχία διακόπτεται από στοιχεία που δεν είναι μέρος της πρωτεΐνης, που ονομάζονται ιντρόνια. Ο όρος είναι αντίθετος με αυτόν του εξονίου, ο οποίος περιλαμβάνει τα τμήματα του γονιδίου που θα μεταφραστούν σε πρωτεΐνες.

Το μάτισμα είναι ένα θεμελιώδες γεγονός που συνίσταται στην εξάλειψη των ιντρονίων του αγγελιαφόρου μορίου, για να εκτοξεύσουμε ένα μόριο που κατασκευάζεται αποκλειστικά από εξόνια. Το τελικό προϊόν είναι το ώριμο αγγελιοφόρο RNA. Φυσικά, ένα σύνθετο και δυναμικό μηχανισμό λαμβάνει χώρα στο σπληνόσωμα.

Εκτός από τη συναρμολόγηση, το αγγελιαφόρο RNA υφίσταται πρόσθετες κωδικοποιήσεις πριν μεταφραστεί. Προστίθεται μία «κουκούλα» της οποίας η χημική φύση είναι τροποποιημένο νουκλεοτίδιο γουανίνης και στο 5 'άκρο και μια ουρά αρκετών αδενινών στο άλλο άκρο.

Τύποι RNA

Στο κύτταρο παράγονται διάφοροι τύποι RNA. Μερικά γονίδια στο κύτταρο παράγουν ένα μόριο αγγελιαφόρου RNA και αυτό μεταφράζεται σε πρωτεΐνη - όπως θα δούμε αργότερα. Ωστόσο, υπάρχουν γονίδια των οποίων το τελικό προϊόν είναι το ίδιο το μόριο RNA.

Για παράδειγμα, στο γονιδίωμα της ζύμης, περίπου το 10% των γονιδίων αυτού του μύκητα έχουν μόρια RNA ως τελικό τους προϊόν. Είναι σημαντικό να τα αναφέρουμε, καθώς αυτά τα μόρια διαδραματίζουν θεμελιώδη ρόλο όταν πρόκειται για τη σύνθεση πρωτεϊνών.

- Ribosomal RNA: το ριβοσωμικό RNA είναι μέρος της καρδιάς των ριβοσωμάτων, βασικές δομές για τη σύνθεση πρωτεϊνών.

Η επεξεργασία των ριβοσωμικών RNA και η συνακόλουθη συναρμολόγηση τους σε ριβοσώματα συμβαίνει σε μια πολύ εμφανή δομή του πυρήνα - αν και δεν οριοθετείται από μια μεμβράνη - που ονομάζεται πυρήνας.

- Μεταφορά RNA: Λειτουργεί ως προσαρμογέας που επιλέγει ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και μαζί με το ριβόσωμα ενσωματώνουν το κατάλοιπο αμινοξέων στην πρωτεΐνη. Κάθε αμινοξύ σχετίζεται με ένα μόριο RNA μεταφοράς.

Στα ευκαρυωτικά υπάρχουν τρεις τύποι πολυμεράσεων οι οποίοι, αν και δομικά πολύ παρόμοιοι μεταξύ τους, παίζουν διαφορετικούς ρόλους.

Η RNA πολυμεράση Ι και ΙΙΙ μεταγράφει τα γονίδια που κωδικοποιούν το RNA μεταφοράς, το ριβοσωμικό RNA και μερικά μικρά RNAs. Η RNA πολυμεράση II επικεντρώνεται στη μετάφραση γονιδίων που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες.

- Μικρά RNA που σχετίζονται με τη ρύθμιση: oΆλλα RNA μικρού μήκους συμμετέχουν στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Ανάμεσά τους είναι τα microRNAs και τα μικρά παρεμβαλλόμενα RNAs.

Τα microRNA ρυθμίζουν την έκφραση παρεμποδίζοντας ένα συγκεκριμένο μήνυμα και τα μικρά παρεμβολές απενεργοποιούν την έκφραση μέσω της άμεσης υποβάθμισης του αγγελιοφόρου. Ομοίως, υπάρχουν μικρά πυρηνικά RNAs που συμμετέχουν στη διαδικασία του μάτισμα του αγγελιαφόρου RNA.

Μετάφραση: από αγγελιοφόρο RNA σε πρωτεΐνες

Μόλις το αγγελιοφόρο RNA ωριμάσει στη διαδικασία του μάτισμα και ταξιδεύει από τον πυρήνα στο κυτταρικό κυτόπλασμα, αρχίζει η σύνθεση των πρωτεϊνών. Αυτή η εξαγωγή διαμεσολαβείται από το σύμπλεγμα πυρηνικών πόρων - μια σειρά από υδατικά κανάλια που βρίσκονται στη μεμβράνη του πυρήνα που συνδέει άμεσα το κυτταρόπλασμα και το νουκλεοπλάστη.

Στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιούμε τον όρο "μετάφραση" για να αναφερθούμε στη μετατροπή των λέξεων από τη μία γλώσσα στην άλλη.

Για παράδειγμα, μπορούμε να μεταφράσουμε ένα βιβλίο από τα αγγλικά στα ισπανικά. Στο μοριακό επίπεδο, η μετάφραση συνεπάγεται την αλλαγή της γλώσσας από το RNA σε πρωτεΐνη. Για να είμαστε ακριβέστεροι, είναι η αλλαγή των νουκλεοτιδίων σε αμινοξέα. Αλλά πώς συμβαίνει αυτή η αλλαγή διαλέκτου;?

Ο γενετικός κώδικας

Η νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός γονιδίου μπορεί να μετασχηματιστεί σε πρωτεΐνες ακολουθώντας τους κανόνες που καθορίζονται από τον γενετικό κώδικα. Αυτό αποκρυπτογραφήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '60.

Καθώς ο αναγνώστης θα είναι σε θέση να συμπεράνει, η μετάφραση δεν μπορεί να είναι μία ή μία, αφού υπάρχουν μόνο 4 νουκλεοτίδια και 20 αμινοξέα. Η λογική είναι η ακόλουθη: η ένωση τριών νουκλεοτιδίων είναι γνωστή ως «τριπλέτες» και συνδέονται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.

Δεδομένου ότι μπορεί να υπάρχουν 64 πιθανές τριάδες (4 x 4 x 4 = 64), ο γενετικός κώδικας είναι περιττός. Δηλαδή, το ίδιο αμινοξύ κωδικοποιείται από περισσότερες από μία τριάδες.

Η παρουσία του γενετικού κώδικα είναι καθολική και χρησιμοποιείται από όλους τους ζώντες οργανισμούς που ζουν σήμερα στη γη. Αυτή η πολύ ευρεία χρήση είναι μία από τις πιο εκπληκτικές μοριακές ομολογίες της φύσης.

Σύζευξη του αμινοξέος με το RNA μεταφοράς

Τα κωδικόνια ή τριάδες που βρίσκονται στο μόριο RNA αγγελιοφόρου δεν έχουν την ικανότητα να αναγνωρίζουν άμεσα τα αμινοξέα. Αντίθετα, η μετάφραση του αγγελιαφόρου RNA εξαρτάται από ένα μόριο που καταφέρνει να αναγνωρίσει και να δεσμεύσει το κωδικόνιο και το αμινοξύ. Αυτό το μόριο είναι το RNA μεταφοράς.

Το RNA μεταφοράς μπορεί να διπλωθεί σε μια πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή που μοιάζει με τριφύλλι. Σε αυτό το μόριο υπάρχει μια περιοχή που ονομάζεται "αντικωδικό", που σχηματίζεται από τρία διαδοχικά νουκλεοτίδια που ζευγαρώνουν με τα διαδοχικά συμπληρωματικά νουκλεοτίδια της αγγελιαφόρου αλυσίδας RNA.

Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα, ο γενετικός κώδικας είναι περιττός, έτσι ορισμένα αμινοξέα έχουν περισσότερα από ένα RNA μεταφοράς.

Η ανίχνευση και σύντηξη του σωστού αμινοξέος στο RNA μεταφοράς είναι μια διαδικασία που προκαλείται από ένα ένζυμο που ονομάζεται αμινοακυλο-tRNA συνθετάση. Αυτό το ένζυμο είναι υπεύθυνο για τη σύζευξη και των δύο μορίων μέσω ενός ομοιοπολικού δεσμού.

Το μήνυμα RNA αποκωδικοποιείται από τα ριβοσώματα

Για να σχηματίσουν μια πρωτεΐνη, τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς. Η διαδικασία ανάγνωσης του αγγελιαφόρου RNA και η σύνδεση συγκεκριμένων αμινοξέων συμβαίνει σε ριβοσώματα.

Τα ριβοσώματα είναι καταλυτικά σύμπλοκα που σχηματίζονται από περισσότερα από 50 μόρια πρωτεΐνης και διάφορους τύπους ριβοσωμικού RNA. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, ένα μέσο κύτταρο περιέχει, κατά μέσον όρο, εκατομμύρια ριβοσώματα στο κυτταροπλασματικό περιβάλλον.

Δομικά, ένα ριβόσωμα αποτελείται από μια μεγάλη υπομονάδα και μια μικρή υπομονάδα. Η λειτουργία του μικρού τμήματος είναι να εξασφαλίσει ότι το RNA μεταφοράς έχει αντιστοιχηθεί σωστά με αγγελιοφόρο RNA, ενώ η μεγάλη υπομονάδα καταλύει σχηματισμό πεπτιδικού δεσμού μεταξύ των αμινοξέων.

Όταν η διαδικασία σύνθεσης δεν είναι ενεργή, διαχωρίζονται οι δύο υπομονάδες που σχηματίζουν τα ριβοσώματα. Στην αρχή της σύνθεσης, το αγγελιοφόρο RNA δεσμεύει και τις δύο υπομονάδες, συνήθως κοντά στο 5 'άκρο..

Σε αυτή τη διαδικασία, η επιμήκυνση πολυπεπτιδική αλυσίδα λαμβάνει χώρα με την προσθήκη ενός νέου υπολείμματος αμινοξέος με τα ακόλουθα βήματα: σύνδεση της RNA μεταφοράς, σχηματισμό πεπτιδικού δεσμού, μετατόπιση των υπομονάδων. Το αποτέλεσμα αυτού του τελευταίου βήματος είναι η κίνηση του πλήρους ριβοσώματος και ξεκινά ένας νέος κύκλος.

Επιμήκυνση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας

Τρεις περιοχές διακρίνονται στα ριβοσώματα: τοποθεσίες Ε, Ρ και Α (βλ. Κύρια εικόνα). Η διαδικασία επιμήκυνσης αρχίζει όταν μερικά αμινοξέα έχουν ήδη συνδεθεί ομοιοπολικά και υπάρχει ένα μόριο RNA μεταφοράς στη θέση Ρ.

Το RNA μεταφοράς που έχει το επόμενο αμινοξύ που πρόκειται να ενσωματωθεί δεσμεύεται στη θέση Α με σύζευξη βάσης με το αγγελιοφόρο RNA. Στη συνέχεια, το τερματικό τμήμα καρβοξυλίου του πεπτιδίου απελευθερώνεται από RNA μεταφοράς στη θέση Ρ, από τη ρήξη ενός υψηλής ενέργειας δεσμό μεταξύ RNA μεταφοράς και η οποία φέρει αμινοξέων.

Το ελεύθερο αμινοξύ δεσμεύεται στην αλυσίδα και σχηματίζεται ένας νέος πεπτιδικός δεσμός. Η κεντρική αντίδραση αυτής της όλης διαδικασίας διεγείρεται από το ένζυμο πεπτιδυλ τρανσφεράση, το οποίο βρίσκεται στην μεγάλη υπομονάδα των ριβοσωμάτων. Έτσι, το ριβόσωμα κινείται μέσω του αγγελιαφόρου RNA, μεταφράζοντας τη διάλεκτο αμινοξέων σε πρωτεΐνες.

Όπως και στην μεταγραφή, εμπλέκονται επίσης παράγοντες επιμήκυνσης κατά τη διάρκεια της μετάφρασης των πρωτεϊνών. Αυτά τα στοιχεία αυξάνουν την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας.

Ολοκλήρωση της μετάφρασης

Η διαδικασία μετάφρασης ολοκληρώνεται όταν το ριβόσωμα εντοπίζει τα κωδικόνια στάσης: UAA, UAG ή UGA. Αυτά δεν αναγνωρίζονται από κανένα RNA μεταφοράς και δεν δεσμεύουν κανένα αμινοξύ.

Τότε, πρωτεΐνες γνωστές ως παράγοντες απελευθέρωσης δεσμεύονται στο ριβόσωμα και παράγουν την κατάλυση ενός μορίου νερού και όχι ενός αμινοξέος. Αυτή η αντίδραση απελευθερώνει το τελικό άκρο του καρβοξυλίου. Τέλος, η πεπτιδική αλυσίδα απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων.

Αναφορές

  1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Βιοχημεία 5η έκδοση. Νέα Υόρκη: W H Freeman.
  2. Curtis, Η., & Schnek, Α. (2006). Πρόσκληση στη Βιολογία. Ed. Panamericana Medical.
  3. Darnell, J. Ε., Lodish, Η. F., & Baltimore, D. (1990). Βιολογία των μοριακών κυττάρων. Νέα Υόρκη: Επιστημονικά Αμερικανικά Βιβλία.
  4. Hall, J. Ε. (2015). Guyton και Hall βιβλίο της ιατρικής φυσιολογίας e-Book. Elsevier Health Sciences.
  5. Lewin, Β. (1993). Γονίδια Τόμος 1. Επαναστροφή.
  6. Lodish, Η. (2005). Κυτταρική και μοριακή βιολογία. Ed. Panamericana Medical.
  7. Ramakrishnan, V. (2002). Η δομή του ριβοσώματος και ο μηχανισμός μετάφρασης. Cell, 108(4), 557-572.
  8. Tortora, G.J., Funke, Β. R., & Case, C.L. (2007). Εισαγωγή στη μικροβιολογία. Ed. Panamericana Medical.
  9. Wilson, D. Ν., & Cate, J. Η. D. (2012). Η δομή και η λειτουργία του ευκαρυωτικού ριβοσώματος. Cold Spring Harbor προοπτικές στη βιολογία, 4(5), a011536.