PROTEINSYNTES: STADIER OCH DERAS EGENSKAPER - BIOLOGI - 2025

Den proteinsyntesen är en biologisk händelse som inträffar i så gott som alla levande varelser. Celler tar ständigt den information som lagras i DNA och, tack vare närvaron av mycket komplexa specialiserade maskiner, omvandlar den till proteinmolekyler.

Den 4-bokstavskod som är krypterad i DNA översätts emellertid inte direkt till proteiner. En RNA-molekyl som fungerar som en mellanhand, kallad messenger RNA, är involverad i processen.

Proteinsyntes.
Källa: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

När celler behöver ett visst protein, kopieras nukleotidsekvensen för en lämplig del av DNA till RNA - i en process som kallas transkription - och detta i sin tur översätts till det ifrågavarande proteinet.

Det beskrivna informationsflödet (DNA till budbärar-RNA och meddelande-RNA till proteiner) sker från mycket enkla varelser såsom bakterier till människor. Denna serie steg har kallats biologiens centrala "dogme".

Maskinerna som ansvarar för proteinsyntes är ribosomer. Dessa små cellstrukturer finns i stor utsträckning i cytoplasma och förankrade till den endoplasmiska retikulum.

Vad är proteiner?

Proteiner är makromolekyler som består av aminosyror. Dessa utgör nästan 80% av protoplasman i en hel dehydratiserad cell. Alla proteiner som utgör en organisme kallas "proteom".

Dess funktioner är flera och varierade, från strukturella roller (kollagen) till transport (hemoglobin), katalysatorer för biokemiska reaktioner (enzymer), försvar mot patogener (antikroppar), bland andra.

Det finns 20 typer av naturliga aminosyror som kombineras med peptidbindningar för att bilda proteiner. Varje aminosyra kännetecknas av att ha en viss grupp som ger den särskilda kemiska och fysikaliska egenskaper.

Stadier och egenskaper

Det sätt på vilket cellen lyckas tolka DNA-meddelandet sker genom två grundläggande händelser: transkription och översättning. Många kopior av RNA, som har kopierats från samma gen, kan syntetisera ett betydande antal identiska proteinmolekyler.

Varje gen transkriberas och translateras differentiellt, vilket gör att cellen kan producera olika mängder av en mängd olika proteiner. Denna process involverar olika cellulära regleringsvägar, som i allmänhet inkluderar kontroll av RNA-produktion.

Det första steget som cellen måste göra för att påbörja proteinproduktion är att läsa meddelandet skrivet på DNA-molekylen. Denna molekyl är universell och innehåller all information som är nödvändig för konstruktion och utveckling av organiska varelser.

Därefter kommer vi att beskriva hur proteinsyntes inträffar, och börjar denna process för att "läsa" det genetiska materialet och avslutas med produktion av proteiner i sig.

Transkription: från DNA till messenger RNA

Meddelandet på den dubbla helixen av DNA skrivs i en fyra bokstavskod motsvarande baserna adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T).

Denna sekvens av DNA-bokstäver tjänar som en mall för att bygga en ekvivalent RNA-molekyl.

Både DNA och RNA är linjära polymerer som består av nukleotider. De skiljer sig emellertid kemiskt i två grundläggande avseenden: nukleotiderna i RNA är ribonukleotider och i stället för bastyminet har RNA uracil (U), som parar med adenin.

Transkriptionsprocessen börjar med öppningen av den dubbla spiralen i ett specifikt område. En av de två kedjorna fungerar som en "mall" eller mall för RNA-syntes. Nukleotider läggs till enligt basparparreglerna, C med G och A med U.

Det huvudsakliga enzymet som är involverat i transkription är RNA-polymeras. Det ansvarar för att katalysera bildningen av fosfodiesterbindningarna som sammanfogar kedjans nukleotider. Kedjan sträcker sig i riktningen 5 'till 3'.

Tillväxten av molekylen involverar olika proteiner kända som "töjningsfaktorer" som är ansvariga för att bibehålla bindningen av polymeraset till slutet av processen.

Skarvning av messenger RNA

Källa: Av BCSteve, från Wikimedia Commons I eukaryoter har gener en specifik struktur. Sekvensen avbryts av element som inte ingår i proteinet, som kallas introner. Termen motsätter sig exon, som inkluderar de delar av genen som kommer att översättas till proteiner.

Skarvning är en grundläggande händelse som består av eliminering av intronerna i messenger-molekylen, för att kasta en molekyl byggd uteslutande av exoner. Slutprodukten är den mogna messenger RNA. Fysiskt sker det i spliceosomen, en komplex och dynamisk maskin.

Förutom skarvning genomgår messenger-RNA ytterligare kodningar innan de översätts. En "huva" läggs till vars kemiska natur är en modifierad guaninnukleotid och vid 5'-änden och en svans av flera adeniner i den andra änden.

RNA-typer

I cellen produceras olika typer av RNA. Vissa gener i cellen producerar en messenger-RNA-molekyl och detta översätts till protein - som vi kommer att se senare. Det finns emellertid gener vars slutprodukt är själva RNA-molekylen.

Till exempel i jästgenomet har cirka 10% jästgener RNA-molekyler som sin slutprodukt. Det är viktigt att nämna dem, eftersom dessa molekyler spelar en grundläggande roll när det gäller proteinsyntes.

- Ribosomalt RNA: ribosomalt RNA är en del av hjärtat av ribosomer, nyckelstrukturer för syntes av proteiner.

Källa: Jane Richardson (Dcrjsr), från Wikimedia Commons Bearbetningen av ribosomala RNA och deras efterföljande sammansättning till ribosomer sker i en mycket iögonfallande struktur i kärnan - även om den inte är begränsad av membran - kallad kärnan.

- Överför RNA: det fungerar som en adapter som väljer en specifik aminosyra och, tillsammans med ribosomen, integrerar aminosyraresten i proteinet. Varje aminosyra är relaterad till en överförande RNA-molekyl.

I eukaryoter finns det tre typer av polymeraser som, även om de strukturellt sett är mycket lik varandra, spelar olika roller.

RNA-polymeras I och III transkriberar generna som kodar för överföring av RNA, ribosomalt RNA och några små RNA. RNA-polymeras II riktar sig mot översättningen av gener som kodar för proteiner.

- Små RNA relaterade till reglering: Andra kortlängda RNA deltar i regleringen av genuttryck. Dessa inkluderar mikroRNA och små störande RNA.

MicroRNA reglerar uttryck genom att blockera ett specifikt meddelande, och små störande uttryck stänger uttrycket genom direkt nedbrytning av messenger. På liknande sätt finns det små kärnkrafts-RNA som deltar i skarvningsprocessen för messenger-RNA.

Översättning: från messenger-RNA till proteiner

När budbärarens RNA mognar genom skarvningsprocessen och reser från kärnan till cellcytoplasma börjar proteinsyntesen. Denna export förmedlas av kärnporekomplexet - en serie vattenhaltiga kanaler belägna i membranet i kärnan som direkt förbinder cytoplasma och nukleoplasma.

I vardagen använder vi termen "översättning" för att hänvisa till konvertering av ord från ett språk till ett annat.

Vi kan till exempel översätta en bok från engelska till spanska. På molekylnivå innebär översättning övergången från språk till RNA till protein. För att vara mer exakt är det övergången från nukleotider till aminosyror. Men hur inträffar denna dialektförändring?

Den genetiska koden

En gens nukleotidsekvens kan omvandlas till proteiner enligt reglerna fastställda genom den genetiska koden. Detta dekrypterades i början av 1960-talet.

Som läsaren kan dra slutsatsen kan översättningen inte vara en eller en, eftersom det bara finns fyra nukleotider och 20 aminosyror. Logiken är som följer: föreningen av tre nukleotider kallas "tripletter" och de är associerade med en viss aminosyra.

Eftersom det kan finnas 64 möjliga tripletter (4 x 4 x 4 = 64) är den genetiska koden redundant. Det vill säga samma aminosyra kodas av mer än en triplett.

Förekomsten av den genetiska koden är universell och används av alla levande organismer som bor på jorden idag. Denna stora användning är en av naturens mest slående molekylhomologier.

Koppling av aminosyra för överföring av RNA

Kodonerna eller tripletterna som finns i messenger-RNA-molekylen har inte förmågan att direkt känna igen aminosyror. Däremot beror översättningen av messenger-RNA på en molekyl som kan känna igen och binda kodon och aminosyra. Denna molekyl är överförings-RNA.

Överför RNA kan vikas in i en komplex tredimensionell struktur som liknar en klöver. I denna molekyl finns det en region som kallas "antikodon", bildad av tre på varandra följande nukleotider som parar ihop med de på varandra följande komplementära nukleotiderna i messenger-RNA-kedjan.

Som vi nämnde i det föregående avsnittet är den genetiska koden överflödig, så vissa aminosyror har mer än ett överförings-RNA.

Detektion och fusion av rätt aminosyra till överförings-RNA är en process medierad av ett enzym som kallas aminoacyl-tRNA-syntetas. Detta enzym ansvarar för att koppla båda molekylerna genom en kovalent bindning.

RNA-meddelande avkodas av ribosomer

För att bilda ett protein kopplas aminosyror samman genom peptidbindningar. Processen att läsa messenger-RNA och binda specifika aminosyror förekommer i ribosomer.

ribosomer

Ribosomer är katalytiska komplex som består av mer än 50 proteinmolekyler och olika typer av ribosomalt RNA. I eukaryota organismer innehåller en genomsnittlig cell i genomsnitt miljoner ribosomer i den cytoplasmiska miljön.

Strukturellt består en ribosom av en stor och en liten underenhet. Den lilla portionens roll är att säkerställa att överförings-RNA är korrekt parat med messenger-RNA, medan den stora underenheten katalyserar bildningen av peptidbindningen mellan aminosyror.

När syntesprocessen inte är aktiv, separeras de två underenheterna som utgör ribosomer. I början av syntesen ansluter budbäraren RNA till båda underenheterna, vanligtvis nära 5'-änden.

I denna process sker förlängningen av polypeptidkedjan genom tillsats av en ny aminosyrarest i följande steg: bindning av överförings-RNA, bildning av peptidbindningen, translokation av underenheterna. Resultatet av detta sista steg är rörelsen av hela ribosomen och en ny cykel börjar.

Förlängning av polypeptidkedjan

I ribosomer skiljer sig tre ställen: plats E, P och A (se huvudbild). Förlängningsprocessen börjar när vissa aminosyror redan har kopplats kovalent och det finns en överförings-RNA-molekyl på P-stället.

Överför RNA som har den nästa aminosyran som ska införlivas binder till plats A genom basparring med messenger-RNA. Den karboxylterminala delen av peptiden frisätts sedan från överförings-RNA vid P-stället genom att bryta en högenergibindning mellan överförings-RNA och den aminosyra som den bär.

Den fria aminosyran är bunden till kedjan och en ny peptidbindning bildas. Den centrala reaktionen i hela denna process förmedlas av enzymet peptidyltransferas, som finns i den stora subenheten av ribosomer. Således reser ribosomen genom budbärarens RNA och översätter dialekten från aminosyror till proteiner.

Liksom vid transkription är förlängningsfaktorer också involverade under proteinöversättning. Dessa element ökar processens hastighet och effektivitet.

Slutför översättningen

Översättningsprocessen slutar när ribosomen möter stoppkodonerna: UAA, UAG eller UGA. Dessa känns inte igen av något överförings-RNA och binder inga aminosyror.

För närvarande binder proteiner kända som frisättningsfaktorer till ribosomen och orsakar katalys av en vattenmolekyl och inte en aminosyra. Denna reaktion frigör den terminala karboxyländen. Slutligen frisätts peptidkedjan i cellcytoplasma.

referenser

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biokemi. 5: e upplagan. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Inbjudan till biologi. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Molekylär cellbiologi. New York: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Guyton och Halls lärobok för medicinsk fysiologi e-bok. Elsevier Health Sciences.
5. Lewin, B. (1993). gener Volym 1. Återgå.
6. Lodish, H. (2005). Cellulär och molekylärbiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomstruktur och översättningsmekanismen. Cell, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introduktion till mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). Strukturen och funktionen av den eukaryota ribosomen. Cold Spring Harbor-perspektiv i biologi, 4 (5), a011536.