Цели на обучението
- Обяснете процеса, чрез който клетката изгражда протеини, използвайки ДНК кода
До края на този раздел ще можете да:
- Обяснете как генетичният код в ДНК определя образуваните протеини
- Опишете процеса на транскрипция
- Обяснете процеса на превод
- Обсъдете функцията на рибозомите
Тълкуването на гените работи по следния начин. Спомнете си, че протеините са полимери или вериги от много аминокиселинни градивни елементи. Последователността на основите в гена (т.е. неговата последователност от A, T, C, G нуклеотиди) се превръща в аминокиселинна последователност. A триплет е раздел от три последователни бази на ДНК, които кодират конкретна аминокиселина. Например, ДНК триплет САС (цитозин, аденин и цитозин) определя аминокиселината валин. Следователно, ген, който е съставен от множество триплети в уникална последователност, осигурява код за изграждане на цял протеин, с множество аминокиселини в правилната последователност (Фигура 3.4.1). Механизмът, чрез който клетките превръщат ДНК кода в протеинов продукт, е двустепенен процес, с междинно съединение РНК молекула.
От ДНК към РНК: Транскрипция
ДНК се помещава в ядрото, а протеиновият синтез се осъществява в цитоплазмата, поради което трябва да има някакъв междинен пратеник, който напуска ядрото и управлява протеиновия синтез. Този междинен пратеник е пратеник РНК (иРНК), (Фигура 3.29), едноверижна нуклеинова киселина, която носи копие на генетичния код за отделен ген извън ядрото и в цитоплазмата, където се използва за производство на протеини.
Има няколко различни типа РНК, всеки от които има различни функции в клетката. Структурата на РНК е подобна на ДНК с няколко малки изключения. От една страна, за разлика от ДНК, повечето видове РНК, включително иРНК, са едноверижни и не съдържат комплементарна верига. Второ, рибозната захар в РНК съдържа допълнителен кислороден атом в сравнение с ДНК. И накрая, вместо основния тимин, РНК съдържа основния урацил. Това означава, че аденинът винаги ще се сдвоява с урацил по време на процеса на протеинов синтез.
Експресията на гени започва с наречения процес транскрипция, което представлява синтез на верига от иРНК, която е комплементарна на гена, който ни интересува. Този процес се нарича транскрипция, тъй като иРНК е като транскрипция или копие на ДНК кода на гена. Транскрипцията започва по начин, подобен на репликацията на ДНК, тъй като регионът на ДНК се отвива и двете нишки се разделят, но само тази малка част от ДНК ще бъде разделена. Триплетите в гена на този участък от ДНК молекулата се използват като шаблон за транскрибиране на комплементарната верига на РНК (Фигура 3.4.2). A кодон е трибазна последователност на иРНК, така наречена, защото те директно кодират аминокиселини. Подобно на репликацията на ДНК, има три етапа на транскрипция: иницииране, удължаване и прекратяване.
Фигура 3.4.2 - Транскрипция: от ДНК в иРНК: В първия от двата етапа на получаване на протеин от ДНК, ген върху ДНК молекулата се транскрибира в комплементарна иРНК молекула.
В първия от двата етапа на получаване на протеин от ДНК, ген върху ДНК молекулата се транскрибира в комплементарна иРНК молекула.
Етап 1: Иницииране. Регион в началото на гена, наречен промотор - определена последователност от нуклеотиди - задейства началото на транскрипцията.
Етап 2: Удължаване. Транскрипцията започва, когато РНК полимеразата размотава ДНК сегмента. Една верига, наричана кодираща верига, се превръща в шаблон с гените, които трябва да бъдат кодирани. След това полимеразата подравнява правилната нуклеинова киселина (A, C, G или U) с нейната комплементарна основа върху кодиращата верига на ДНК. РНК полимеразата е ензим, който добавя нови нуклеотиди към нарастващата верига на РНК. Този процес изгражда верига от иРНК.
Етап 3: Прекратяване. Когато полимеразата достигне края на гена, един от трите специфични триплета (UAA, UAG или UGA) кодира сигнал „стоп“, който задейства ензимите да прекратят транскрипцията и да освободят транскрипта на иРНК.
Процесът на транскрипция се регулира от клас протеини, наречен транскрипционни фактори, които се свързват с генната последователност и или насърчават, или инхибират тяхната транскрипция. (преместете фигура 3.35 тук).
Преди молекулата на иРНК да напусне ядрото и да премине към синтеза на протеин, тя се модифицира по редица начини. Поради тази причина на този етап тя често се нарича пре-иРНК. Например, вашата ДНК и по този начин допълваща иРНК, съдържа дълги области, наречени некодиращи региони, които не кодират аминокиселини. Тяхната функция все още е загадка, но процесът извика снаждане премахва тези некодиращи региони от пре-иРНК транскрипта (Фигура 3.4.3). A сплицеозома—Структура, съставена от различни протеини и други молекули — се прикрепя към иРНК и „снажда“ или изрязва некодиращите области. Премахнатият сегмент от преписа се нарича интрон. Останалите екзони се поставят заедно. An екзон е сегмент от РНК, който остава след сплайсинг. Интересното е, че някои интрони, които се отстраняват от иРНК, не винаги са некодиращи. Когато се разделят различни кодиращи области на иРНК, в крайна сметка ще се получат различни вариации на протеина, с разлики в структурата и функцията. Този процес води до много по-голямо разнообразие от възможни протеини и протеинови функции. Когато транскриптът на иРНК е готов, той излиза от ядрото и навлиза в цитоплазмата.
Външен уебсайт
Това видео ще ви покаже важните ензими и биомолекули, участващи в процеса на транскрипция, процеса на получаване на иРНК молекула от ДНК.
От РНК към протеин: Превод
Подобно на превода на книга от един език на друг, кодоните на нишка от иРНК трябва да бъдат преведени в аминокиселинната азбука на протеините. Превод е процесът на синтезиране на верига от аминокиселини, наречена полипептид. Преводът изисква две основни помощни средства: първо, „преводач“, молекулата, която ще проведе транслацията, и второ, субстрат, върху който иРНК веригата се трансформира в нов протеин, като „бюрото“ на преводача. И двете изисквания се изпълняват от други видове РНК. Субстратът, върху който се осъществява транслацията, е рибозомата.
Не забравяйте, че много от рибозомите на клетката са свързани с грубата ER и извършват синтеза на протеини, предназначени за апарата на Голджи. Рибозомна РНК (rRNA) е вид РНК, който заедно с протеините съставя структурата на рибозомата. Рибозомите съществуват в цитоплазмата като два отделни компонента, малка и голяма субединица. Когато молекулата на иРНК е готова за транслация, двете субединици се обединяват и се свързват с иРНК. Рибозомата осигурява субстрат за транслация, обединявайки и подравнявайки молекулата на иРНК с молекулните „транслатори“, които трябва да дешифрират нейния код.
Другото основно изискване за протеиновия синтез са транслаторните молекули, които физически „четат“ кодоните на иРНК. Прехвърляне на РНК (tRNA) е вид РНК, който фериботира подходящите съответни аминокиселини към рибозомата и свързва всяка нова аминокиселина към последната, изграждайки полипептидната верига един по един. По този начин тРНК прехвърля специфични аминокиселини от цитоплазмата към нарастващ полипептид. Молекулите на тРНК трябва да могат да разпознават кодоните на иРНК и да ги съчетават с правилната аминокиселина. TRNA е модифицирана за тази функция. В единия край на структурата му има място за свързване на определена аминокиселина. От другата страна е базовата последователност, която съответства на кодона, указвайки конкретната му аминокиселина. Тази последователност от три бази на молекулата на тРНК се нарича an антикодон. Например, тРНК, отговорна за преместването на аминокиселината глицин, съдържа свързващо място за глицин в единия край. От другата страна съдържа антикодон, който допълва глициновия кодон (GGA е кодон за глицин и така антикодонът на тРНК ще чете CCU). Оборудвана със своя специфичен товар и съответстващ антикодон, молекула на тРНК може да отчете разпознатия си иРНК кодон и да донесе съответната аминокиселина в нарастващата верига (Фигура 3.4.4).
Фигура 3.4.4 - Превод от РНК на протеин: По време на транслацията транскриптът на иРНК се „чете“ от функционален комплекс, състоящ се от рибозомата и молекулите на тРНК. тРНК довеждат съответните аминокиселини последователно до нарастващата полипептидна верига, като съчетават своите антикодони с кодони на иРНК веригата.
Подобно на процесите на репликация и транскрипция на ДНК, транслацията се състои от три основни етапа: иницииране, удължаване и прекратяване. Инициирането става със свързването на рибозома с иРНК транскрипт. Етапът на удължаване включва разпознаване на tRNA антикодон със следващия mRNA кодон в последователността. След като антикодоновите и кодоновите последователности са свързани (не забравяйте, че те са комплементарни базови двойки), тРНК представя своя аминокиселинен товар и нарастващата полипептидна верига е прикрепена към тази следваща аминокиселина. Тази привързаност се осъществява с помощта на различни ензими и изисква енергия. След това молекулата на тРНК освобождава веригата на иРНК, веригата на иРНК премества един кодон в рибозомата, а следващата подходяща тРНК пристига със съответстващия си антикодон. Този процес продължава, докато се достигне окончателният кодон на иРНК, който предоставя съобщение „стоп“, което сигнализира за прекратяване на транслацията и задейства освобождаването на пълния, новосинтезиран протеин. По този начин ген в молекулата на ДНК се транскрибира в иРНК, която след това се трансформира в протеинов продукт (Фигура 3.4.5).
Външен уебсайт
Това видео ще ви покаже важните ензими и биомолекули, участващи в процеса на транслация, който използва иРНК за кодиране на протеин.
Обикновено транскрипцията на иРНК ще се транслира едновременно от няколко съседни рибозоми. Това повишава ефективността на протеиновия синтез. Една рибозома може да транслира молекула на иРНК за приблизително една минута; така че множество рибозоми на борда на един транскрипт могат да произведат многократно броя на един и същ протеин за една и съща минута. Полирибозома е низ от рибозоми, транслиращи единична иРНК верига.
Външен уебсайт
Гледайте това видео, за да научите повече за рибозомите. Рибозомата се свързва с иРНК молекулата, за да започне транслация на нейния код в протеин. Какво се случва с малките и големите рибозомни субединици в края на транслацията?
Преглед на глава
ДНК съхранява информацията, необходима за инструктиране на клетката да изпълнява всичките си функции. Клетките използват генетичния код, съхраняван в ДНК, за изграждане на протеини, които в крайна сметка определят структурата и функцията на клетката. Този генетичен код се крие в конкретната последователност от нуклеотиди, които изграждат всеки ген по протежение на ДНК молекулата. За да „прочете“ този код, клетката трябва да извърши две последователни стъпки. В първата стъпка, транскрипция, ДНК кодът се преобразува в РНК код. Молекула на РНК, която допълва специфичен ген, се синтезира в процес, подобен на репликацията на ДНК. Молекулата на иРНК предоставя кода за синтезиране на протеин. В процеса на транслация иРНК се прикрепя към рибозома. След това молекулите на тРНК пренасочват подходящите аминокиселини към рибозомата, една по една, кодирана от последователни триплет кодони върху иРНК, докато протеинът се синтезира напълно. Когато приключи, иРНК се отделя от рибозомата и протеинът се освобождава. Обикновено множество рибозоми се свързват едновременно с една иРНК молекула, така че множество млечни протеини могат да бъдат произведени едновременно от иРНК.