Informacija

10.2.4: Baltymų sintezė (vertimas) - biologija


Mokymosi tikslai

  • Apibūdinkite genetinį kodą ir paaiškinkite, kodėl jis laikomas beveik universaliu
  • Paaiškinkite vertimo procesą ir vertimo molekulinės mašinos funkcijas
  • Palyginkite vertimus eukariotuose ir prokariotuose

Baltymų sintezė sunaudoja daugiau ląstelės energijos nei bet kuris kitas medžiagų apykaitos procesas. Jie atlieka beveik visas ląstelės funkcijas, tarnauja ir kaip funkciniai (pvz., Fermentai), ir kaip struktūriniai elementai. Vertimo procesas arba baltymų sintezė, antroji genų ekspresijos dalis, apima mRNR pranešimo ribosomos dekodavimą į polipeptido produktą.

Genetinis kodas

Išvertus mRNR šabloną, nukleotidais pagrįsta genetinė informacija paverčiama aminorūgščių „kalba“, kad būtų sukurtas baltyminis produktas. Baltymų seka susideda iš 20 dažniausiai pasitaikančių amino rūgščių. Kiekvieną amino rūgštį mRNR apibrėžia nukleotidų tripletas, vadinamas kodonu. Ryšys tarp mRNR kodono ir jį atitinkančios aminorūgšties vadinamas genetiniu kodu.

Trijų nukleotidų kodas reiškia, kad iš viso yra 64 galimi deriniai (43, turintys keturis skirtingus nukleotidus kiekvienoje iš trijų skirtingų kodono vietų). Šis skaičius yra didesnis už aminorūgščių skaičių, o tam tikrą aminorūgštį koduoja daugiau nei vienas kodonas (pav. ( PageIndex {1} )). Šis genetinio kodo perteklius vadinamas degeneracija. Paprastai pirmosios dvi kodono pozicijos yra svarbios nustatant, kuri aminorūgštis bus įtraukta į augančią polipeptidą, tačiau trečioji padėtis, vadinama svyravimo padėtimi, yra mažiau svarbi. Kai kuriais atvejais, jei nukleotidas trečioje padėtyje yra pakeistas, ta pati aminorūgštis vis tiek yra įtraukta.

Kadangi 61 iš 64 galimų tripletų koduoja aminorūgštis, trys iš 64 kodonų nekoduoja aminorūgščių; jie nutraukia baltymų sintezę ir išskiria polipeptidą iš vertimo mašinos. Jie vadinami stop kodonus arba nesąmonių kodonass. Kitas kodonas, AUG, taip pat turi ypatingą funkciją. Be to, kad nurodo aminorūgštį metioniną, ji taip pat paprastai tarnauja kaip pradinis kodonas vertimui inicijuoti. Skaitymo rėmas, būdas, kaip mRNR nukleotidai yra sugrupuoti į kodonus, vertimui nustato AUG pradžios kodonas, esantis netoli 5 mRNR galo. Kiekvienas trijų nukleotidų rinkinys po šio pradžios kodono yra kodonas mRNR pranešime.

Genetinis kodas yra beveik universalus. Išskyrus kelias išimtis, praktiškai visos rūšys baltymų sintezei naudoja tą patį genetinį kodą, o tai yra galingas įrodymas, kad visa gyvybė žemėje turi bendrą kilmę. Tačiau archeose ir bakterijose pastebėtos neįprastos aminorūgštys, tokios kaip selenocisteinas ir pirolizinas. Selenocisteino atveju naudojamas UGA kodonas (paprastai stop kodonas). Tačiau UGA gali koduoti selenocisteiną, naudodami kamieninės kilpos struktūrą (žinomą kaip selenocisteino įterpimo seka arba SECIS elementas), kuri randama 3 'neišverstame mRNR regione. Pirolizinas naudoja kitą stop kodoną UAG. Norint įtraukti piroliziną, reikia pylS genas ir unikali perdavimo RNR (tRNR) su CUA antikodonu.

Pratimas ( PageIndex {1} )

  1. Kiek bazių yra kiekviename kodone?
  2. Kokią aminorūgštį koduoja AAU kodonas?
  3. Kas atsitinka, kai pasiekiamas stop kodonas?

Baltymų sintezės mašina

Be mRNR šablono, daugelis molekulių ir makromolekulių prisideda prie vertimo proceso. Kiekvieno komponento sudėtis įvairiuose taksonuose skiriasi; Pavyzdžiui, ribosomas gali sudaryti skirtingas ribosomų RNR (rRNR) ir polipeptidų skaičius, priklausomai nuo organizmo. Tačiau bendros baltymų sintezės mašinos struktūros ir funkcijos yra panašios nuo bakterijų iki žmogaus ląstelių. Vertimui reikia įvesti mRNR šabloną, ribosomas, tRNR ir įvairius fermentinius veiksnius.

Ribosomos

Ribosoma yra sudėtinga makromolekulė, susidedanti iš katalizinių rRNR (vadinamų ribozimais) ir struktūrinių rRNR, taip pat daugelio skirtingų polipeptidų. Subrendusios rRNR sudaro apie 50% kiekvienos ribosomos. Prokariotuose yra 70S ribosomos, o eukariotuose - 80S ribosomos citoplazmoje ir šiurkščiame endoplazminiame tinklelyje, o 70S ribosomos - mitochondrijose ir chloroplastuose. Ribosomos išsiskiria į didelius ir mažus subvienetus, kai jie nesintetina baltymų, ir vėl susieja inicijuojant vertimą. In E. coli, mažas subvienetas yra apibūdinamas kaip 30S (kuriame yra 16S rRNR subvienetas), o didelis subvienetas - 50S (kuriame yra 5S ir 23S rRNR subvienetai), iš viso 70S (Svedbergo vienetai nėra priedas). Eukariotų ribosomos turi mažą 40S subvienetą (kuriame yra 18S rRNR subvienetas) ir didelį 60S subvienetą (kuriame yra 5S, 5.8S ir 28S rRNR subvienetai), iš viso 80S. Mažas subvienetas yra atsakingas už mRNR šablono surišimą, o didelis subvienetas suriša tRNR (aptarta kitame poskyryje).

Kiekvieną mRNR molekulę vienu metu verčia daugelis ribosomų, visos sintetina baltymus ta pačia kryptimi: skaito mRNR nuo 5 ’iki 3’ ir sintezuoja polipeptidą nuo N galo iki C galo. Visa struktūra, turinti mRNR su daugybe susijusių ribosomų, vadinama poliribosoma (arba polisoma). Tiek bakterijose, tiek archeose, prieš transkripcijos nutraukimą, kiekvienas baltymus koduojantis nuorašas jau naudojamas daugelio koduojamo (-ų) polipeptido (-ų) kopijų sintezei pradėti, nes transkripcijos ir vertimo procesai gali vykti vienu metu, susidaro poliribosomos ( PageIndex {2} )). Priežastis, kodėl transkripcija ir vertimas gali įvykti vienu metu, yra ta, kad abu šie procesai vyksta ta pačia 5 ’ - 3’ kryptimi, jie abu vyksta ląstelės citoplazmoje ir todėl, kad RNR transkriptas nėra apdorojamas, kai jis yra perrašomas. Tai leidžia prokariotinei ląstelei labai greitai reaguoti į aplinkos signalą, kuriam reikia naujų baltymų. Priešingai, eukariotinėse ląstelėse vienu metu transkripcija ir vertimas neįmanomi. Nors poliribosomos taip pat susidaro eukariotuose, jos to negali padaryti, kol RNR sintezė nėra baigta ir RNR molekulė nėra modifikuota ir išnešta iš branduolio.

Perkelti RNR

Perkėlimo RNR (tRNR) yra struktūrinės RNR molekulės ir, priklausomai nuo rūšies, citoplazmoje yra daug skirtingų tipų tRNR. Bakterijų rūšys paprastai yra nuo 60 iki 90 rūšių. Tarnaujant kaip adapteriai, kiekvienas tRNR tipas jungiasi prie specifinio kodono mRNR šablone ir prideda atitinkamą aminorūgštį prie polipeptido grandinės. Todėl tRNR yra molekulės, kurios iš tikrųjų „verčia“ RNR kalbą į baltymų kalbą. Kaip transliacijos adapterio molekulės, stebina tai, kad tRNR gali sutalpinti tiek specifiškumo į tokią mažą pakuotę. TRNR molekulė sąveikauja su trimis veiksniais: aminoacil tRNR sintetazėmis, ribosomomis ir mRNR.

Subrendusios tRNR įgauna trimatę struktūrą, kai vienalytės RNR molekulės vandenilio jungtyje veikia papildomos bazės ( paveikslėlis ( PageIndex {3} )). Ši forma nustato aminorūgščių surišimo vietą, vadinamą CCA aminorūgščių surišimo galu, kuri yra citozino-citozino-adenino seka tRNR 3 ’gale, o antikodonatas-kitame gale. Antikodonas yra trijų nukleotidų seka, kuri jungiasi su mRNR kodonu, papildydama bazę.

Aminorūgštis pridedama prie tRNR molekulės galo per tRNR „įkrovimo“ procesą, kurio metu kiekviena tRNR molekulė yra susieta su savo teisinga ar gimininga aminorūgštimi fermentų grupe, vadinama aminoacil tRNR sintetazėmis. Kiekvienoje iš 20 aminorūgščių yra bent vieno tipo aminoacil tRNR sintetazė. Šio proceso metu amino rūgštis pirmiausia suaktyvinama pridedant adenozino monofosfato (AMP), o po to perkeliama į tRNR, todėl ji tampa įkrauta tRNR, ir AMP išsiskiria.

Pratimas ( PageIndex {2} )

  1. Apibūdinkite prokariotinės ribosomos struktūrą ir sudėtį.
  2. Kokia kryptimi skaitomas mRNR šablonas?
  3. Apibūdinkite tRNR struktūrą ir funkciją.

Baltymų sintezės mechanizmas

Vertimas yra panašus prokariotuose ir eukariotuose. Čia panagrinėsime, kaip vyksta vertimas E. coli, reprezentatyvus prokariotas, ir nurodykite visus skirtumus tarp bakterijų ir eukariotų vertimo.

Iniciacija

Baltymų sintezės pradžia prasideda nuo iniciacijos komplekso susidarymo. coliŠis kompleksas apima mažą 30S ribosomą, mRNR šabloną, tris iniciacijos veiksnius, padedančius teisingai surinkti ribosomą, guanozino trifosfatą (GTP), kuris veikia kaip energijos šaltinis, ir specialų iniciatorių tRNR, N-formilmetioninas (fMet-tRNRfMet) (Paveikslas ( PageIndex {4} )). Iniciatoriaus tRNR sąveikauja su mRNR pradžios kodonu AUG ir neša formilintą metioniną (fMet). Dėl dalyvavimo inicijavime fMet įterpiamas į kiekvienos polipeptidinės grandinės, susintetintos E. coli. coli mRNR, lyderio seka prieš pirmąjį AUG kodoną, vadinama Shine-Dalgarno seka (taip pat žinoma kaip ribosomų surišimo vieta AGGAGG), sąveikauja papildomai susiejant bazę su rRNR molekulėmis, sudarančiomis ribosomą. Ši sąveika įtvirtina 30S ribosomų subvienetą tinkamoje mRNR šablono vietoje. Šiuo metu 50S ribosomų subvienetas prisijungia prie iniciacijos komplekso, sudarydamas nepažeistą ribosomą.

Eukariotuose iniciacijos komplekso susidarymas yra panašus, tačiau yra šie skirtumai:

  • Iniciatoriaus tRNR yra kitokia specializuota tRNR, nešanti metioniną, vadinama Met-tRNR
  • Užuot prisijungęs prie mRNR Shine-Dalgarno seka, eukariotinis iniciacijos kompleksas atpažįsta 5 colių eukariotinės mRNR dangtelį, tada seka išilgai mRNR 5 '-3' kryptimi, kol bus atpažintas AUG pradžios kodonas. Šiuo metu 60S subvienetas jungiasi prie Met-tRNAi, mRNR ir 40S subvieneto komplekso.

Pailgėjimas

Prokariotuose ir eukariotuose vertimo pailgėjimo pagrindai yra vienodi. coli, 50S ribosomų subvieneto rišimasis, kad susidarytų nepažeista ribosoma, sudaro tris funkciškai svarbias ribosomų vietas: A (aminoacilo) vieta suriša gaunamas įkrautas aminoacilo tRNR. P (peptidilo) vieta jungia įkrautas tRNR, turinčias aminorūgščių, kurios suformavo peptidinius ryšius su augančia polipeptidine grandine, bet dar neatsiskyrė nuo atitinkamos tRNR. E (išėjimo) vieta išskiria atskirtas tRNR, kad jas būtų galima papildyti laisvomis amino rūgštimis. Yra viena pastebima šios tRNR surinkimo linijos išimtis: inicijuojant kompleksą, bakterinė fMet -tRNRfMet arba eukariotinis Met-tRNRi patenka į P vietą tiesiogiai, prieš tai neįeinant į A vietą, suteikiant laisvą A vietą, pasirengusią priimti tRNR, atitinkančią pirmąjį kodoną po AUG.

Pailgėjimas vyksta ribosomos vieno kodono judesiais, kiekvienas vadinamas translokacijos įvykiu. Kiekvieno perkėlimo metu įkrautos tRNR patenka į A vietą, tada pereina į P vietą ir galiausiai į E vietą pašalinimui. Ribosomų judesius arba žingsnius sukelia konformaciniai pokyčiai, kurie ribosomą perkelia trimis bazėmis 3 kryptimi. Peptidiniai ryšiai susidaro tarp aminorūgšties amino grupės, prijungtos prie A-vietos tRNR, ir aminorūgšties karboksilo grupės, prijungtos prie P-vietos tRNR. Kiekvienos peptidinės jungties susidarymą katalizuoja peptidiltransferazė-RNR pagrindu veikiantis ribozimas, integruotas į 50S ribosomų subvienetą. Amino rūgštis, susieta su P-vietos tRNR, taip pat yra susijusi su augančia polipeptido grandine. Kai ribosoma eina per mRNR, buvusi P-vietos tRNR patenka į E vietą, atsiskiria nuo aminorūgšties ir yra pašalinama. Keletas pailgėjimo etapų, įskaitant įkrauto aminoacilo tRNR surišimą prie A vietos ir perkėlimą, reikalauja energijos, gautos iš GTP hidrolizės, kurią katalizuoja specifiniai pailgėjimo veiksniai. Nuostabu, kad E. coli vertimo aparatui reikia tik 0,05 sekundės, kad būtų pridėta kiekviena amino rūgštis, o tai reiškia, kad 200 aminorūgščių baltymas gali būti išverstas tik per 10 sekundžių.

Nutraukimas

Vertimas nutraukiamas, kai susiduriama su nesąmoningu kodonu (UAA, UAG arba UGA), kuriam nėra papildomos tRNR. Derindamiesi su A vieta, šie nesąmoningi kodonai atpažįstami pagal prokariotų ir eukariotų išsiskyrimo faktorius, dėl kurių P-vietos aminorūgštis atsiskiria nuo jos tRNR, išlaisvinant naujai pagamintą polipeptidą. Maži ir dideli ribosomų subvienetai atsiskiria nuo mRNR ir vienas nuo kito; jie beveik iš karto verbuojami į kitą vertimo inicijavimo kompleksą.

Apibendrinant galima pasakyti, kad yra keletas pagrindinių bruožų, skiriančių prokariotų genų ekspresiją nuo eukariotų. Jie iliustruoti paveikslėlyje ( PageIndex {5} ) ir išvardyti paveikslėlyje ( PageIndex {6} ).

Baltymų taikymas, lankstymas ir keitimas

Transliacijos metu ir po jo gali prireikti modifikuoti polipeptidus, kol jie bus biologiškai aktyvūs. Pakeitimai po vertimo apima:

  1. pašalintos išverstos signalinės sekos - trumpos aminorūgščių uodegos, padedančios nukreipti baltymą į tam tikrą ląstelių skyrių
  2. tinkamas polipeptido „sulankstymas“ ir kelių polipeptidų subvienetų susiejimas, kurį dažnai palengvina chaperono baltymai, į atskirą trimatę struktūrą
  3. neaktyvaus polipeptido proteolitinis apdorojimas aktyviam baltymų komponentui išlaisvinti ir
  4. įvairios atskirų aminorūgščių cheminės modifikacijos (pvz., fosforilinimas, metilinimas ar glikozilinimas).
  • Kokie yra inicijavimo komplekso komponentai, skirti vertimui prokariotuose?
  • Kokie yra du skirtumai tarp prokariotinio ir eukariotinio vertimo pradžios?
  • Kas vyksta kiekvienoje iš trijų aktyvių ribosomos vietų?
  • Kas lemia vertimo nutraukimą?

Pagrindinės sąvokos ir santrauka

  • In vertimas, polipeptidai sintezuojami naudojant mRNR sekas ir ląstelių mašinas, įskaitant tRNR, atitinkančias mRNR kodonai į specifines aminorūgštis ir ribosomas, sudarytas iš RNR ir baltymų, katalizuojančių reakciją.
  • The genetinis kodas yra išsigimęs kai keli mRNR kodonai koduoja tas pačias aminorūgštis. Genetinis kodas yra beveik universalus tarp gyvų organizmų.
  • Prokariotinės (70S) ir citoplazminės eukariotinės (80S) ribosomos susideda iš didelio subvieneto ir mažo įvairaus dydžio subvieneto tarp dviejų grupių. Kiekvienas subvienetas susideda iš rRNR ir baltymų. Organelių ribosomos eukariotinėse ląstelėse primena prokariotines ribosomas.
  • Bakterijose yra apie 60–90 rūšių tRNR. Kiekviena tRNR turi tris nukleotidus antikodonas taip pat įrišimo vieta a giminingą aminorūgštį. Visos tRNR, turinčios specifinį antikodoną, turės tą pačią aminorūgštį.
  • Iniciacija vertimas įvyksta, kai mažas ribosomų subvienetas jungiasi su pradžios veiksniai ir tRNR iniciatorius pradėti kodoną mRNR, po to prisijungimas prie didelio ribosomų subvieneto iniciacijos komplekso.
  • Prokariotinėse ląstelėse pradinis kodonas koduoja N-formilmetioniną, kurį perneša specialus iniciatorius tRNR. Eukariotinėse ląstelėse metionino pradžios kodonas koduoja specialų iniciatorių tRNR. Be to, nors ribosominį mRNR surišimą prokariotuose palengvina Shine-Dalgarno seka mRNR, eukariotinės ribosomos jungiasi prie 5 colių mRNR dangtelio.
  • Metu pailgėjimas vertimo etapas, a įkrauta tRNR jungiasi prie mRNR Svetainė ribosomos; peptidinis ryšys katalizuojamas tarp dviejų gretimų aminorūgščių, nutraukiant ryšį tarp pirmosios aminorūgšties ir jos tRNR; ribosoma perkelia vieną kodoną išilgai mRNR; ir pirmoji tRNR perkeliama iš P svetainė nuo ribosomos iki E svetainė ir palieka ribosomų kompleksą.
  • Nutraukimas vertimas įvyksta, kai ribosoma susiduria su a stop kodonas, kuris nekoduoja tRNR. Išsiskyrimo veiksniai sukelia polipeptido išsiskyrimą, o ribosomų kompleksas išsiskiria.
  • Prokariotuose transkripcija ir transliacija gali būti susieti, o mRNR molekulės vertimas prasideda iškart, kai transkripcija leidžia pakankamai eksponuoti mRNR, kad būtų galima surišti ribosomą, prieš nutraukiant transkripciją. Transkripcija ir vertimas nėra susieti eukariotuose, nes transkripcija vyksta branduolyje, tuo tarpu transliacija vyksta citoplazmoje arba kartu su grubiu endoplazminiu tinklu.
  • Polipeptidams dažnai reikia vieno ar kelių modifikacijos po vertimo tapti biologiškai aktyviu.

Keli pasirinkimai

Kuris iš šių yra trijų bazių sekos pavadinimas mRNR, kuris jungiasi prie tRNR molekulės?

A. P svetainė
B. kodonas
C. antikodonas
D. CCA surišimo vieta

B

Kuris komponentas paskutinis prisijungia prie iniciacijos komplekso inicijuojant vertimą?

A. mRNR molekulė
B. mažas ribosomų subvienetas
C. didelis ribosomų subvienetas
D. iniciatorius tRNR

C

Kurios ribosominės vietos metu, vertimo pailgėjimo metu, jungiasi įeinanti įkrauta tRNR molekulė?

A. Svetainė
B. P svetainė
C. E svetainė
D. B svetainė

A

Kuri iš šių aminorūgščių yra visų naujai išverstų prokariotinių ir eukariotinių polipeptidų N-gale?

A. triptofanas
B. metioninas
C. selenocisteinas
D. glicinas

B

Kuris iš šių atvejų atsiranda, kai ribosoma pasiekia nesąmoningą kodoną?

A. įterpiamas metioninas
B. polipeptidas išsiskiria
C. susidaro peptidinis ryšys
D. A vieta jungiasi prie įkrautos tRNR

B

Užpildyti lapą

Trečioji kodono padėtis, kurios pokyčiai dažnai lemia tos pačios aminorūgšties įtraukimą į augančią polipeptidą, vadinama ________.

svyravimo padėtis

Fermentas, pridedantis amino rūgštį prie tRNR molekulės, vadinamas ________.

aminoacil-tRNR sintetazė

Tiesa/melas

Kiekvienas genetinio kodo kodonas koduoja skirtingą aminorūgštį.

Netiesa

Trumpas atsakymas

Kodėl vertimas baigiasi, kai ribosoma pasiekia stop kodoną? Kas atsitinka?

Kuo skiriasi prokariotų ir eukariotų vertimo procesas?

Ką reiškia genetinis kodas, kuris yra beveik universalus?

Žemiau yra antisense DNR seka. Išverskite mRNR molekulę, susintetintą naudojant genetinį kodą, įrašydami gautą aminorūgščių seką, nurodydami N ir C galus.

Antisense DNR grandinė: 3'-T A C T G A C T G A C G A T C-5 '

Kritinis mąstymas

Paveiksle pažymėkite šiuos ženklus: ribosominės E, P ir A vietos; mRNR; kodonai; antikodonai; augantis polipeptidas; gaunamos aminorūgštys; perkėlimo kryptis; mažas ribosomų vienetas; didelis ribosominis vienetas.

Prieš išaiškinant genetinį kodą, žinomi mokslininkai, įskaitant Francisą Cricką, numatė, kad kiekvienas mRNR kodonas, koduojantis vieną iš 20 aminorūgščių, turi būti bent trijų nukleotidų ilgio. Kodėl kodonai negali būti trumpesni?


Žiūrėti video įrašą: Pečių traumos, reabilitacija, prevencija (Sausis 2022).