Informacije

S2018_Predavanje22_Čitanje - Biologija

S2018_Predavanje22_Čitanje - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Sinteza proteina

Uvod

Proces prevod u biologiji je dekodiranje mRNA poruke u polipeptidni proizvod. Drugim riječima, poruka napisana hemijskim jezikom nukleotida se "prevodi" u hemijski jezik aminokiselina. Aminokiseline su linearno nanizane kovalentnim vezama (koje se nazivaju peptidne veze) između amino i karboksilnih krajeva susjednih aminokiselina. Proces dekodiranja i "vezivanja" katalizira ribonukleoproteinski kompleks koji se naziva ribozomi i može rezultirati lancima aminokiselina dužine u rasponu od desetina do više od 1.000.

Dobijeni proteini su toliko važni za ćeliju da njihova sinteza troši više energije ćelije nego bilo koji drugi metabolički proces. Poput replikacije i transkripcije DNK, prevođenje je složen molekularni proces kojem možemo pristupiti koristeći rubrike Energetska priča i Dizajn izazova. Opisivanje cjelokupnog procesa, ili koraka u procesu, zahtijeva obračun materije i energije prije procesa i nakon procesa i opis kako se ta materija transformiše i energija prenosi tokom procesa. Sa stanovišta Design Challenge-a, možemo – čak i prije nego što dalje kopamo u ono što se razumije ili ne razumije o prevođenju – pokušati zaključiti neka od osnovnih pitanja na koja ćemo morati odgovoriti u vezi s ovim procesom.

Počnimo sa razmatranjem osnovnog problema. Imamo lanac RNK (zvan mRNA) i gomilu aminokiselina i moramo nekako dizajnirati mašinu koja će:

(a) dekodirati hemijski jezik nukleotida u jezik aminokiselina,
(b) spajanje aminokiselina na vrlo specifičan način,
(c) završiti ovaj proces sa razumnom tačnošću, i
(d) učiniti to razumnom brzinom. Razumno, naravno definisano prirodnom selekcijom.

Kao i ranije, možemo identifikovati podprobleme

(a) Kako naša molekularna mašina određuje gdje i kada treba početi raditi?
(b) Kako molekularna mašina koordinira dekodiranje i formiranje veza?
(c) odakle dolazi energija za ovaj proces i koliko?
(d) kako mašina zna gdje da se zaustavi?

Ostala pitanja i funkcionalni problemi/izazovi zasigurno će se pojaviti dok dublje kopamo.

Poenta je, kao i uvijek, da čak i bez poznavanja bilo kakvih specifičnosti o prevođenju možemo koristiti svoju maštu, radoznalost i zdrav razum da zamislimo neke zahtjeve za proces o kojima ćemo morati više naučiti. Razumijevanje ovih pitanja kao konteksta za ono što slijedi je ključno.

Peptidna veza povezuje karboksilni kraj jedne aminokiseline s amino krajem druge, izbacujući jedan molekul vode. R1 i R.2 oznaka se odnosi na bočni lanac aminokiseline dvije aminokiseline.
Atribucija: Marc T. Facciotti (originalno djelo).

Mašine za sintezu proteina

Komponente koje ulaze u proces

Mnogo različitih molekula i makromolekula doprinosi procesu prevođenja. Dok tačan sastav "igrača" u procesu može varirati od vrste do vrste - na primjer, ribozomi se mogu sastojati od različitog broja rRNA (ribosomske RNK) i polipeptidi ovisno o organizmu - opće funkcije stroja za sintezu proteina usporedive su od bakterija do ljudskih stanica. Fokusiramo se na ove sličnosti. Za prijevod je potrebno najmanje mRNA šablon, amino kiseline, ribozomi, tRNA, izvor energije i razne dodatne pomoćne enzime i male molekule.

Podsjetnik: aminokiseline

Sjetimo se samo da se osnovna struktura aminokiselina sastoji od okosnice sastavljene od amino grupe, središnjeg ugljika (zvanog α-ugljik) i karboksilne skupine. Uz α-ugljik vezana je varijabilna grupa koja pomaže u određivanju nekih kemijskih svojstava i reaktivnosti aminokiseline.

Generička aminokiselina.
Atribucija: Marc T. Facciotti (vlastiti rad)

20 uobičajenih aminokiselina.
Atribucija: Marc T. Facciotti (vlastiti rad)

Ribosomi

A ribozom je složena makromolekula sastavljena od strukturnih i katalitičkih rRNA i mnogih različitih polipeptida. Kad počnemo pokušavati razmišljati o računovodstvu energije u ćeliji, valja napomenuti da ribosomi ne dolaze "besplatni". Čak i prije nego što se mRNA prevede, stanica mora uložiti energiju da izgradi svaki od svojih ribozoma. U E. coli, u svakoj ćeliji je u svakom trenutku prisutno između 10.000 i 70.000 ribosoma.

Ribosomi postoje u citoplazmi kod bakterija i arheja i u citoplazmi i na grubom endoplazmatskom retikulumu kod eukariota. Mitohondrije i hloroplasti također imaju svoje ribosome u matriksu i stromi, koji izgledaju sličnije bakterijskim ribosomima (i imaju sličnu osjetljivost na lijekove), nego ribozomi koji se nalaze neposredno izvan njihovih vanjskih membrana u citoplazmi. Ribosomi se disociraju na velike i male podjedinice kada ne sintetiziraju proteine ​​i ponovo se povezuju tokom inicijacije translacije. coli, mala podjedinica je opisana kao 30S, a velika podjedinica je 50S. Ribosomi sisara imaju malu 40S podjedinicu i veliku 60S podjedinicu. Mala podjedinica odgovorna je za vezivanje mRNA predloška, ​​dok velika podjedinica sekvencijalno veže tRNA. Svaki molekul mRNA se simultano prevodi od strane mnogih ribozoma, svi sintetiziraju protein u istom smjeru: čitajući mRNA od 5' do 3' i sintetizirajući polipeptid od N kraja do C kraja. Kompletna struktura mRNA/poli-ribosoma naziva se a polizom.

Mašina za sintezu proteina uključuje velike i male podjedinice ribozoma, mRNA i tRNA.
Izvor: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m.../ribosome.html

TRNA

tRNA su strukturni RNA molekuli koji su transkribovani iz gena. Ovisno o vrsti, u citoplazmi postoji 40 do 60 vrsta tRNA. Služeći kao adapteri, specifične tRNA se vezuju za sekvence na šablonu mRNA i dodaju odgovarajuću aminokiselinu u polipeptidni lanac. Prema tome, tRNA su molekuli koji zapravo "prevode" jezik RNK u jezik proteina.

Od 64 moguće mRNA kodoni—Ili tripletne kombinacije A, U, G i C, tri navode prekid sinteze proteina, a 61 dodavanje aminokiselina u polipeptidni lanac. Od ovih 61, jedan kodon (AUG) također kodira početak translacije. Svaka tRNA antikodon može upariti baze s jednim od kodona mRNA i dodati aminokiselinu ili prekinuti translaciju, u skladu s genetskim kodom. Na primjer, ako bi se sekvenca CUA pojavila na šablonu mRNA u odgovarajućem okviru za čitanje, vezala bi tRNA koja eksprimira komplementarnu sekvencu, GAU, koja bi bila povezana s aminokiselinom leucin.

Preklopljena sekundarna struktura tRNA. Označena je antikodonska petlja i stablo akceptora aminokiselina.
Izvor: http: //mol-biol4masters.masters.grkr...ansfer_RNA.htm

Aminoacil tRNA sintetaze

Proces pre-tRNA sinteze pomoću RNA polimeraze III samo stvara RNA dio molekula adaptera. Odgovarajuća aminokiselina se mora dodati kasnije, kada se tRNA obradi i izveze u citoplazmu. Procesom „punjenja“ tRNA, svaki molekul tRNA je povezan sa svojom ispravnom aminokiselinom pomoću grupe enzima tzv. aminoacil tRNA sintetaze. Najmanje jedna vrsta aminoacil tRNA sintetaze postoji za svaku od 20 aminokiselina; tačan broj aminoacil tRNA sintetaza varira od vrste do vrste. Ovi enzimi prvo vežu i hidroliziraju ATP da bi katalizirali visokoenergetsku vezu između aminokiseline i adenozin monofosfata (AMP); u ovoj reakciji izbacuje se molekul pirofosfata. Aktivirana aminokiselina se zatim prenosi u tRNA i oslobađa AMP.

Mehanizam sinteze proteina

Kao i kod sinteze mRNA, sinteza proteina može se podijeliti u tri faze: iniciranje, produženje i završetak. Proces prevođenja sličan je kod bakterija, arheja i eukariota.

Pokretanje prevođenja

Općenito, sinteza proteina započinje stvaranjem inicijacijskog kompleksa. Mala ribosomalna podjedinica će se vezati za mRNA na ribosomsko vezivno mjesto. Ubrzo nakon toga, metionin-tRNA će se vezati za početni kodon AUG (putem komplementarnog vezivanja sa svojim antikodonom). Ovom kompleksu se zatim pridružuje velika ribosomska podjedinica. Ovaj inicijacijski kompleks tada regrutira drugu tRNA i tako počinje prevođenje.

Prevođenje počinje kada tRNA antikodon prepozna kodon na mRNK. Velika ribosomska podjedinica pridružuje se maloj podjedinici i regrutuje se druga tRNA. Kako se mRNA pomiče u odnosu na ribosom, nastaje polipeptidni lanac. Unošenjem faktora oslobađanja na A mjesto prekida se prevođenje i komponente disociraju.

Bakterijska ili eukariotska inicijacija

U E. coli mRNA, sekvenca uzvodno od prvog AUG kodona, nazvana Shine-Dalgarno sekvenca (AGGAGG), stupa u interakciju s molekulom rRNA. Ova interakcija učvršćuje 30S ribosomalnu podjedinicu na ispravnoj lokaciji na mRNA šablonu. Zastanite na trenutak da biste cijenili ponavljanje mehanizma na koji ste ranije naišli. U ovom slučaju, pridobijanje proteinskog kompleksa za povezivanje - u odgovarajućem registru - s polimerom nukleinske kiseline postiže se poravnavanjem dva antiparalelna lanca komplementarnih nukleotida jedan s drugim. To smo vidjeli i u funkciji telomeraze.

Umjesto da se veže na Shine-Dalgarno sekvenci, eukariotski inicijacijski kompleks prepoznaje 7-metilguanozinsku kapu na 5 'kraju mRNA. Protein koji veže kapu (CBP) pomaže kretanje ribosoma do 5 'kape. Jednom kad je zatvoren, kompleks inicijacije prati duž mRNA u smjeru 5 'do 3', tražeći početni kodon AUG -a. Mnoge eukariotske mRNA su prevedene iz prvog AUG-a, ali to nije uvijek slučaj. Prema Kozakova pravila, nukleotidi oko AUG pokazuju da li je to ispravan startni kodon. Kozakova pravila kažu da se sljedeća konsenzusna sekvenca mora pojaviti oko AUG gena kralježnjaka: 5'-gccRccAUGG-3'. R (za purin) označava mjesto koje može biti ili A ili G, ali ne može biti C ili U. U suštini, što je sekvenca bliža ovom konsenzusu, to je veća efikasnost translacije.

Translation Elongation

Tokom produženja translacije, šablon mRNA pruža specifičnost. Kako se ribosom kreće duž mRNA, svaki kodon mRNA dolazi u vidokrug i osigurava se specifično vezivanje s odgovarajućim nabijenim tRNA antikodonom. Da mRNA nije prisutna u kompleksu elongacije, ribosom bi nespecifično vezao tRNA. Opet primijetimo upotrebu uparivanja baze između dva antiparalelna lanca komplementarnih nukleotida za dovođenje i održavanje naše molekularne mašine u registru, a u ovom slučaju i za obavljanje posla "prevođenja" između jezika nukleotida i aminokiselina.

Velika ribosomalna podjedinica sastoji se od tri odjeljka: A mjesto veže dolazne nabijene tRNA (tRNA sa svojim vezanim specifičnim aminokiselinama), P mjesto veže nabijene tRNA koje nose aminokiseline koje su formirale veze s rastućim polipeptidnim lancem, ali još nisu disocirane od njihova odgovarajuća tRNA i E mjesto koje oslobađa disocirane tRNA tako da se mogu napuniti drugom slobodnom amino kiselinom.

Elongacija se nastavlja sa nabijenim tRNA koje ulaze na A mjesto, a zatim se prebacuju na P mjesto, nakon čega slijedi E mjesto sa svakim jednokodonskim "korakom" ribosoma. Ribosomski koraci su inducirani konformacijskim promjenama koje pomaknu ribozom za tri baze u smjeru 3'. Energiju za svaki korak ribosoma donira faktor produženja koji hidrolizira GTP. Peptidne veze se formiraju između amino grupe aminokiseline vezane za tRNA na A-mjestu i karboksilne grupe aminokiseline vezane za tRNA na P-mjestu. Formiranje svake peptidne veze katalizira peptidil transferaza, enzim baziran na RNK koji je integriran u 50S ribosomalnu podjedinicu. Energija za stvaranje svake peptidne veze je izvedena iz GTP hidrolize, koja je katalizirana posebnim faktorom elongacije. Aminokiselina vezana za tRNA na P-mjestu je također povezana sa rastućim polipeptidnim lancem. Kako ribosom prelazi preko mRNA, bivša tRNA na P-mjestu ulazi u E mjesto, odvaja se od aminokiseline i izbacuje. Ribosom se kreće duž mRNA, jedan po jedan kodon, katalizirajući svaki proces koji se dogodi na tri mjesta. Sa svakim korakom, nabijena tRNA ulazi u kompleks, polipeptid postaje za jednu aminokiselinu duži, a nenapunjena tRNA odlazi. Začudo, ovaj proces se brzo odvija u ćeliji, tj E. coli aparatu za prevođenje potrebno je samo 0,05 sekundi za dodavanje svake aminokiseline, što znači da se polipeptid od 200 aminokiselina može prevesti za samo 10 sekundi.

Predložena diskusija

Mnogi antibiotici inhibiraju bakterijsku sintezu proteina. Na primjer, tetraciklin blokira A mjesto na bakterijskom ribosomu, a kloramfenikol blokira prijenos peptidila. Kakav specifičan učinak biste očekivali da će svaki od ovih antibiotika imati na sintezu proteina?

Genetski kod

Da rezimiramo ono što znamo do sada, ćelijski proces transkripcije stvara messenger RNA (mRNA), mobilnu molekularnu kopiju jednog ili više gena sa abecedom A, C, G i uracila (U). Prevođenje predloška mRNA pretvara genetske informacije zasnovane na nukleotidima u proteinski proizvod. Proteinske sekvence se sastoje od 20 uobičajenih aminokiselina; stoga se može reći da se proteinska abeceda sastoji od 20 slova. Svaka aminokiselina definirana je sekvencom od tri nukleotida koja se naziva triplet kodon. Odnos između nukleotidnog kodona i njegove odgovarajuće aminokiseline naziva se genetski kod. S obzirom na različit broj „slova“ u mRNA i proteinskim „abecedama“, znači da postoji ukupno 64 (4 × 4 × 4) moguća kodona; stoga, data aminokiselina (ukupno 20) mora biti kodirana za više od jednog kodona.

Tri od 64 kodona okončavaju sintezu proteina i oslobađaju polipeptid iz stroja za prevođenje. Ove trojke se zovu stop kodoni. Drugi kodon, AUG, također ima posebnu funkciju. Osim što specificira aminokiselinu metionin, služi i kao start codon da započne prevod. Okvir čitanja za prevođenje postavlja početni kodon AUG blizu 5 'kraja mRNA. Genetski kod je univerzalan. Uz nekoliko iznimaka, gotovo sve vrste koriste isti genetski kod za sintezu proteina, što je snažan dokaz da sav život na Zemlji ima zajedničko porijeklo.

Ova slika prikazuje genetski kod za prevođenje svakog nukleotidnog tripleta ili kodona u mRNA u aminokiselinu ili signal za prekid u proteinu u nastajanju. (zasluge: modifikacija rada od strane NIH)
Suvišan, nije dvosmislen

Podaci u genetskom kodu su suvišni. Više kodona kodira istu aminokiselinu. Na primjer, koristeći gornju tablicu, možete pronaći 4 različita kodona koji kodiraju za valin, isto tako, postoje dva kodona koja kodiraju za leucin, itd. Ali kod nije dvosmislen, što znači da ako biste dobili kodon, znati definitivno za koju aminokiselinu kodira, kodon će kodirati samo određenu aminokiselinu. Na primjer, GUU će uvijek kodirati za Valine, a AUG će uvijek kodirati za Metionin. Ovo je važno, od vas će biti zatraženo da prevedete mRNA u protein koristeći grafikon kodona poput onog prikazanog iznad.

Prestanak prevođenja

Prestanak prevođenja dolazi kada se naiđe na zaustavni kodon (UAA, UAG ili UGA). Kada ribosom naiđe na stop kodon, tRNA ne ulazi u A mjesto. Umjesto toga protein poznat kao a faktor oslobađanja vezuje se za kompleks. Ova interakcija destabilizira mehanizam prevođenja, uzrokujući oslobađanje polipeptida i disocijaciju podjedinica ribosoma iz mRNA. Nakon što su mnogi ribozomi završili translaciju, mRNA se razgrađuje tako da se nukleotidi mogu ponovo koristiti u drugoj reakciji transkripcije.

Predložena diskusija

Koje su prednosti i nedostaci višestrukog prevođenja jedne mRNA?

Veza između transkripcije i prevođenja

Kao što je ranije rečeno, bakterije i arheje ne moraju transportirati svoje RNK transkripte između jezgre vezane za membranu i citoplazme. RNA polimeraza stoga transkribira RNK direktno u citoplazmu. Ovdje se ribosomi mogu vezati za RNA i započeti proces prevođenja, u nekim slučajevima dok se transkripcija još uvijek događa. Spajanje ova dva procesa, pa čak i degradacija mRNA, je olakšano ne samo zato što se transkripcija i translacija dešavaju u istom odjeljku, već i zato što se oba procesa dešavaju u istom smjeru - sinteza RNA transkripta se dešava u 5' do 3 ' smjer i prijevod čita transkript u smjeru 5' do 3'. Ovo "sprezanje" transkripcije s translacijom događa se i u bakterijama i u arhejama i zapravo je u nekim slučajevima bitno za pravilnu ekspresiju gena.

Više polimeraza može transkribovati jedan bakterijski gen dok brojni ribozomi istovremeno prevode mRNA transkripte u polipeptide. Na taj način određeni protein može brzo dostići visoku koncentraciju u bakterijskoj ćeliji.

Sortiranje proteina

U kontekstu dizajnerskog izazova sinteze proteina, također možemo postaviti pitanje/problem kako proteini stižu tamo gdje bi trebali ići. Znamo da su neki proteini namijenjeni plazma membrani, drugi u eukariotskim stanicama trebaju biti usmjereni na različite organele, neke proteine, poput hormona ili proteina za uklanjanje hranjivih tvari, treba izlučivati ​​stanice, dok će druge možda trebati usmjeravati na dijelove citosola da služi strukturnim ulogama. Kako se to događa?

Budući da su otkriveni različiti mehanizmi, pojedinosti ovog procesa nije lako sažeti u kratki pasus ili dva. Međutim, mogu se spomenuti neki ključni zajednički elementi svih mehanizama. Prvo, potreba za specifičnom "oznakom" koja može pružiti neke molekularne informacije o tome gdje je protein od interesa namijenjen. Ova oznaka obično ima oblik kratkog niza aminokiselina - takozvanog signalnog peptida - koji može kodirati informacije o tome gdje bi protein trebao završiti. Druga potrebna komponenta mašinerije za sortiranje proteina mora biti sistem za stvarno čitanje i sortiranje proteina. U bakterijskim i arhealnim sistemima ovo se obično sastoji od proteina koji mogu identificirati signalni peptid tokom translacije, vezati se za njega i usmjeriti sintezu proteina u nastajanju na plazma membranu. U eukariotskim sistemima, sortiranje je prema potrebi složenije i uključuje prilično razrađen skup mehanizama prepoznavanja signala, modifikacije proteina i prometa mjehurića između organela ili membrane. Ovi biokemijski koraci započinju u endoplazmatskom retikulumu i dalje se "oplemenjuju" u Golgijevom aparatu gdje se proteini modificiraju i pakiraju u vezikule vezane za različite dijelove stanice.

Vaš instruktor na času može razgovarati o nekim od različitih specifičnih mehanizama. Ključno za sve učenike je da tako cijene problem i da imaju opštu predstavu o zahtjevima visokog nivoa koje su ćelije usvojile da ih riješe.

Post-translacijska modifikacija proteina

Nakon translacije pojedinačne aminokiseline mogu biti hemijski modifikovane. Ove modifikacije dodaju kemijske varijacije i nova svojstva koja su ukorijenjena u hemiji funkcionalnih grupa koje se dodaju. Uobičajene modifikacije uključuju fosfatne grupe, metilne, acetatne i amidne grupe. Neki proteini, obično ciljani na membrane, bit će lipidirani - dodat će se lipid. Ostali proteini će biti glikozilirani - dodat će se šećer. Još jedna uobičajena posttranslacijska modifikacija je cijepanje ili povezivanje dijelova samog proteina. Signalni peptidi se mogu cijepati, dijelovi se mogu izrezati iz sredine proteina ili se mogu stvoriti nove kovalentne veze između cisteina ili drugih aminokiselinskih bočnih lanaca. Gotovo sve modifikacije će biti katalizirane enzimima i sve će promijeniti funkcionalno ponašanje proteina.

Sažetak odjeljka

mRNA se koristi za sintezu proteina procesom translacije. Genetski kod je korespondencija između tri nukleotidnog mRNA kodona i aminokiseline. Genetski kod je "preveden" pomoću tRNA molekula, koji povezuju određeni kodon sa specifičnom aminokiselinom. Genetski kod je degeneriran jer 64 tripletna kodona u mRNA određuju samo 20 aminokiselina i tri stop kodona. To znači da više od jednog kodona odgovara aminokiselini. Gotovo svaka vrsta na planeti koristi isti genetski kod.


Igrači u prevođenju uključuju šablon mRNA, ribosome, tRNK i različite enzimske faktore. Mala ribosomska podjedinica veže se za šablon mRNA. Prevođenje počinje pri pokretanju AUG -a na mRNA. Formiranje veza se dešava između sekvencijalnih aminokiselina određenih mRNA šablonom prema genetskom kodu. Ribosom prihvata nabijene tRNA i dok korača duž mRNA, katalizuje vezu između nove aminokiseline i kraja rastućeg polipeptida. Cijela mRNA je prevedena u tri nukleotidna „koraka“ ribosoma. Kada se naiđe na stop kodon, faktor oslobađanja veže i rastavlja komponente i oslobađa novi protein.