Formarea unei legături peptidice în ribozom. Curs „Bazele moleculare ale proceselor vieții. Proprietățile unei legături peptidice sunt
Ribozomi- organite intracelulare cu diametrul de 20-22 nm, efectuând biosinteza proteinelor. Se găsesc în celulele tuturor organismelor vii. Forma ribozomilor este aproape sferică. Pentru celulele procariotelor (bacterii, alge albastre-verzi), precum și pentru cloroplaste și mitocondriile eucariotelor, ribozomii 70 S sunt caracteristici; Ribozomii 80 S au fost găsiți în citoplasma tuturor eucariotelor. S este viteza de sedimentare (sedimentare), decât mai mult număr S, cu cât rata de depunere este mai mare. Localizarea ribozomilor în citoplasmă poate fi liberă, dar cel mai adesea aceștia sunt asociați cu EPS, formând polizomi (combinații de ri-barozomii din citoplasmă pot fi liberi, dar cel mai adesea sunt asociați cu EPS, formând polizomi (combinații de ribozomi folosind ARN mesager).
Compoziția și structura ribozomilor. Ribozomii sunt formați din două subunități: mari și mici. Subunitatea mare a fiecărui ribozom este atașată de membrana celui mai dur ER, în timp ce subunitatea mică iese în matricea citoplasmatică. Cel mic combină 1 moleculă de ARNr și 33 de molecule de diverse proteine, în timp ce cel mare combină trei molecule de ARNr și aproximativ 40 de proteine. ARNr (ribozomal) îndeplinește funcția de schelă pentru proteine (îndeplinește un rol structural și enzimatic), și asigură, de asemenea, legarea ribozomilor de o secvență specifică de nucleotide a ARNm (informația ARN K). Educaţie
Ribozomii din celule se desfășoară prin auto-asamblare din ARN și proteine presintetizate. Precursorii de ARN ribozomal sunt sintetizați în nucleol pe ADN-ul nucleolar.
Funcțiile ribozomului:
. legarea și reținerea specifică a componentelor sistemului de sinteză a proteinelor (ARN mesager; ARN de transfer, (GTP) și factori de translație a proteinelor);
. funcții catalitice (formarea unei legături peptidice, hidroliza trifosfatului de guanozină);
. funcțiile de mișcare mecanică a substraturilor (ARN mesager și de transport) sau de translocare.
Difuzare- procesul de formare a unui lanț polipeptidic pe o matrice și ARN. Sinteza moleculelor proteice are loc pe ribozomi localizați fie liber în citoplasmă, fie pe un RE grosier.
Etapele translației (Fig. 13):
Orez. 13. Schema de traducere
Etape succesive ale sintezei polipeptidelor:
. subunitatea mică a ribozomului se leagă de met-ARNt, apoi de ARNm;
. ribozomul se deplasează de-a lungul și ARN, care este însoțit de repetarea repetată a ciclului de adăugare a următorului aminoacid la lanțul polipeptidic în creștere;
. ribozomul ajunge la unul dintre codonii stop ARNm, lanțul polipeptidic este eliberat și separat de ribozom.
Activarea aminoacizilor. Fiecare dintre cei 20 de aminoacizi ai unei proteine este conectat legaturi covalente la un ARNt specific folosind energia ATP. Reacția este catalizată de o enzimă specializată care necesită prezența ionilor de magneziu - aminoacil-ARNt sintetaza.
inițierea lanțului proteic. În subunitatea mică a ribozomului, un centru funcțional se distinge cu două situsuri - peptidil (situl P) și aminoacil (situl A). Prima poziție este ARNt care poartă un aminoacid specific, a doua poziție este ARNt, care este încărcat cu un lanț de aminoacizi. Capătul de 5" al ARNm, care conține informații despre această proteină, se leagă de situsul P al unei particule mici a ribozomului și de aminoacidul de inițiere (formilmetionina la procariote; metionina la eucariote) atașat la ARNt-ul corespunzător. este complementar cu tripletul care face parte din ARNm, semnalând începutul unui lanț proteic.
Alungirea este un eveniment recurent ciclic în care are loc alungirea peptidei. Lanțul polipeptidic este prelungit prin atașarea secvenţială a aminoacizilor, fiecare dintre care este livrat la ribozom și inserat într-o poziție specifică utilizând ARNt-ul corespunzător. Se formează o legătură peptidică între aminoacidul din lanțul peptidic și aminoacidul conectat la ARNt. Ribozomul se deplasează de-a lungul ARNm, iar ARNt cu lanțul de aminoacizi intră în situsul A. Această secvență de evenimente se repetă până când ribozomul intră într-un codon terminator pentru care nu există ARNt corespunzător.
Încetarea. După finalizarea sintezei lanțului, așa cum este indicat de așa-numitul. Codonul stop ARNm (UAA, UAG, UGA). În acest caz, apa este atașată de ultimul aminoacid din lanțul peptidic și capătul său carboxil este separat de ARNt, iar ribozomul se descompune în două subparticule.
Sinteza peptidei nu are loc de către un ribozom, ci cu câteva mii, care formează un complex - un polizom.
Pliere și prelucrare. Pentru a-și lua forma obișnuită, proteina trebuie să se plieze, formând o anumită configurație spațială. Înainte sau după pliere, polipeptida poate suferi procesare de către enzime și constând în îndepărtarea excesului de aminoacizi, adăugarea de fosfat, metil și alte grupări etc.
Pentru a traduce informațiile scrise sub forma unei secvențe de nucleotide în limbajul secvenței de aminoacizi a unei proteine, există cod genetic. Fiecare aminoacid corespunde la trei nucleotide adiacente ( triplet, codon). Aproape fiecare dintre cei 20 de aminoacizi proteinogeni este codificat de mai multe triplete, de ex. codul genetic este degenerat. Cod genetic universal; cu rare excepții, în toate organismele aceiași aminoacizi sunt codificați de aceleași tripleți.
Pentru ca un aminoacid să fie folosit de ribozomi pentru sinteza proteinelor, acesta trebuie atașat la o moleculă. transfer ARN(ARNt). Adăugarea este catalizată de enzima aminoacil-ARNt sintetaza. Un aminoacid se poate atasa doar de ARNt-ul sau specific. Molecula de ARNt are o dimensiune mică (74-95 nt), formează o structură secundară caracteristică sub forma unei „frunze de trifoi” datorită interacțiunilor intra-complementare. O secțiune specifică a moleculei de ARNt conține anticodon– un triplet corespunzător aminoacidului acceptat și complementar codonului ARNm pentru acest aminoacid (Fig. 27). Molecula de aminoacid este atașată la capătul 3’-acceptor al moleculei sale de ARNt de către enzima aminoacil-ARNt sintetaza. Adică, datorită structurii moleculei de ARNt, fiecare aminoacid este adus în linie cu un triplet specific. Astfel, molecula de ARNt este „translatorul” care „decodifică” codul genetic, traducându-l într-o secvență de aminoacizi.
Orez. 27. Structura moleculei de ARNt
Sinteza proteinelor are loc pe ribozomi. Ribozomul este un complex nucleoproteic complex format din două subunități, mici și mari.
Procesul de sinteză a proteinelor cuprinde trei etape: inițiere, alungire și terminare. Ribozomul se leagă de ARNm și se deplasează de-a lungul acestuia până la codonul de inițiere, din care începe imediat sinteza proteinelor. Cel mai comun codon inițiator este codonul AUG (mai rar GUG sau UUG). Sinteza lanțului polipeptidic începe cu aminoacidul metionină. O serie de factori proteici și molecula GTP participă, de asemenea, la inițierea translației. După adăugarea aminoacidului metionină, ribozomul se deplasează de-a lungul matricei, adăugând secvenţial reziduuri de aminoacizi la lanţul polipeptidic în creştere. Schema ciclului de elogare a ribozomului, care constă din procesele de legare, transpeptidare și translocare, este prezentată în Fig. 28. Subunitatea mică a ribozomului conține două situsuri de legare: A (legarea aminoacil-ARNt) și P (legarea peptidil-ARNt). În situsul A are loc legarea moleculei de ARNt care poartă aminoacidul, în situsul P există un ARNt asociat cu lanțul polipeptidic în creștere. În stadiul de legare, o moleculă de ARNt intră în situsul A, purtând aminoacidul corespunzător codonului de ARNm situat în acest situs. Antidonul ARNt se combină cu acest codon conform principiului complementarității. Legarea conduce la o situație în care aminoacidul nou sosit se apropie de lanțul polipeptidic în creștere situat în situsul P. În acest caz, subunitatea mare a ribozomului catalizează reacția de transpeptidare (formarea unei legături peptidice). Ca urmare, lanțul polipeptidic în creștere este situat în situsul A (atașat la molecula de ARN nou sosită), pentru a elibera acest site și a plasa următorul codon în el, are loc o reacție de translocare. ARNt-ul liber este îndepărtat și polipeptida în creștere se deplasează la situsul P. Ribozomul trece parcă în starea anterioară, dar pe următorul codon al matricei. Translația întregii molecule de proteine reprezintă repetarea unor astfel de cicluri. Procesul de alungire implică proteine speciale, factori de alungire (EF) și, în plus, procesul de alungire necesită costuri energetice. Pentru formarea unei legături peptidice, se consumă două molecule GTP. (Energia stocată în molecula GTP este echivalentă cu energia molecule de ATP).
Orez. 28. Schema ciclului de alungire a ribozomului: A- situsul de legare a aminoacil-ARNt al ribozomului, R– situsul de legare a peptidil-ARNt al ribozomului
Când ribozomul avansează, capătul de 5 ¢ al șablonului este eliberat și următorul ribozom poate ateriza pe el. Structura în care ARNm este conectat la mulți ribozomi se numește polizom. Când ribozomul atinge un codon stop (UAA, UAG sau UGA), are loc terminarea. Terminarea necesită factori de terminare a proteinei; acest proces este însoțit de hidroliza GTP.
Prima legătură peptidică apare datorită reacției de transpeptidare, în timpul căreia metionina este transferată de la ARNt inițiator la gruparea a-amino a ARNt-aa din centrul A cu formarea ARNt-dipeptidil. Catalizează reacția peptidil transferază a ARNr a subunității mari a ribozomului.
Translocarea. ÎNÎn această etapă, datorită energiei GTP și cu participarea factorului de alungire EF2, ribozomul mișcă un codon în direcția de la capătul 5’ la capătul 3’ al ARNm. Ca rezultat, dipeptidil-ARNt din centrul A intră în centrul P, iar următorul codon apare în centrul A. tRNAMet părăsește ribozomul. În plus, procesul continuă conform schemei descrise, repetând pașii 1-»2-»3.
Încetarea traducerea are loc după includerea în centrul A a unuia dintre codonii de terminare: UAG, UGA, UAA. Cu participarea proteinelor speciale -3 factori de terminare (RF1, RF2 și RF3) - are loc scindarea hidrolitică a polipeptidei sintetizate din ARNt. ARNt este eliberat din ribozom prin hidroliza GTP, iar ribozomul „gol” se disociază cu ușurință în subunități.
În timpul translației, subunitățile mici și mari ale ribozomului funcționează diferite funcții subunitate mică atașează ARNm și decodifică informații folosind tARN și mecanismul de translocare, subunitate mare responsabil pentru formarea legăturilor peptidice. Principala contribuție la organizarea și manifestarea activității peptidiltransferazei o are ARNr.
Mulți ribozomi pot participa simultan la traducerea unui ARNm. Fiecare ribozom ocupă un loc egal cu aproximativ 80 de nucleotide de ARNm. Astfel, ribozomii sunt localizați pe ARNm la intervale de aproximativ 100 de nucleotide, formând un complex numit polizom.
Proteinele active din punct de vedere funcțional se formează ca urmare a modificări post-traduce lanţuri polipeptidice sintetizate pe ribozomi. Aceste modificări includ:
A. Proteoliză parţială.
B. Modificări ale aminoacizilor: carboxilare, fosforilare, iodare, hidroxilare, acilare și glicozilare.
B. Formarea unei structuri spațiale, sau pliere, la care participă proteinele chaperone, asigurând plierea corectă a lanțului polipeptidic.
D. Formarea de legături disulfurice între reziduurile de cisteină implicate în formarea structurii tridimensionale a proteinei.
E. Atașarea grupelor protetice.
E. Formarea structurilor oligomerice, care se realizează și cu participarea însoțitorilor
Suprimarea biosintezei matricei poate fi realizată fie prin modificarea structurală a matricei și a ribozomilor, fie prin inactivarea enzimatică. Oprirea sintezei ADN-ului, ARN-ului sau proteinelor provoacă moartea tuturor celulelor, prin urmare mulți inhibitori ai biosintezei matricei sunt otrăvuri pentru corpul uman.
a-Amanitin- o toxină care este conținută în corpul ciupercii albe Amanita phalloides și inhibă ARN polimerazele eucariote, în special ARN polimeraza II. Enterotoxina agentul cauzal al difteriei este un inhibitor specific al translației la eucariote, blocând unul dintre factorii de alungire.
antibiotice, inhibitori ai procesului de transcripție și translație și specifici pentru sistemul de sinteză a proteinelor al procariotelor pot fi utilizați ca medicamente antibacteriene, în timp ce antibioticele care perturbă funcția șablon ADN și-au găsit aplicație în tratamentul neoplasmelor maligne și sunt medicamente antitumorale (de exemplu, doxorubicină, daunomicină).
ÎN anul trecut sunt în curs de desfășurare studii pentru a crea medicamente care să asigure livrarea inhibitorului numai la celulele tumorale. Acest lucru se realizează prin legarea antibioticelor citotoxice de proteine, receptorii cărora se găsesc în principal pe celulele tumorale.
Unele antibiotice sunt rifampicină, eritromicină, tetraciclinăși altele - inhibă selectiv sinteza ARN-ului sau a proteinei în celulele bacteriene, practic fără niciun efect asupra sintezei proteinelor în celulele de mamifere. Selectivitate ridicată Acest grup de compuși se explică prin diferențele în structura ARN polimerazelor și ribozomilor celulelor eucariote și procariote. De exemplu, eritromicina inhibă translocarea, tetraciclina inhibă legarea aa-ARNt la centrul A.
Mulți virusuri, cum ar fi virusurile variolei, gripei și poliomielitei, care intră în corpul uman, oprește sinteza ADN-ului, ARN-ului și proteinelor în celulele organismului gazdă și trec ARN-ul și aparatul de sinteză a proteinelor la reproducerea virusurilor virale. acizi nucleici si proteine.
Interferonii oferă protecție împotriva infecțiilor virale. O familie a acestor proteine este sintetizată în celulele eucariote ca răspuns la infecția cu virus. Ei, prin inhibarea factorului de inițiere eIF2, opresc activitatea aparatului de sinteză a proteinelor. Interferonii cresc activitatea ribonucleazei, care scindează matricea și celulele ARN ribozomal, ceea ce reduce, de asemenea, sinteza proteinelor în celulele infectate.
Adaptare organismelor la diverse influențe mediu inconjurator efectuate, în special, prin modificarea expresiei (activitatii) genelor. Acest proces, studiat în detaliu în bacterii și viruși, implică interacțiunea unor proteine specifice cu regiunile ADN din imediata vecinătate a locului de începere a transcripției. Celulele eucariote folosesc același principiu, deși alte mecanisme sunt realizate în reglarea expresiei genelor.
La procariote, anumite proteine se leagă de regiunile reglatoare ale operonului și previn sau sporesc legarea ARN polimerazei de promotor.
Dacă operonul este reglat prin mecanismul de inducţie(de exemplu, operonul de lactoză), apoi în absența unui inductor (lactoză), proteina represoare este asociată cu operatorul. Deoarece regiunile operatorului și promotorului se suprapun, atașarea represorului la operator previne legarea ARN polimerazei de promotor și nu are loc transcripția genelor structurale ale operonului. Când inductorul apare în mediu, acesta se atașează de proteina represoare, își schimbă conformația și reduce afinitatea pentru operator. ARN polimeraza se leagă de promotor și transcrie genele structurale.
Când operonul este reglat prin mecanismul de represiune(de exemplu, histidină sau operoni triptofan) proteina represoare nu are afinitate pentru operator. Atunci când o moleculă mică, un corepresor (histidină sau triptofan), este atașată de proteina represoare, ca urmare a modificărilor conformaționale care apar în molecula proteică, complexul proteină-represor-corepresor capătă afinitate pentru operator și oprește transcripția.
În celulele de mamifere, există două tipuri de reglare a biosintezei proteinelor:
Pe termen scurt, asigurând adaptarea organismului la posibilele schimbări ale mediului;
Pe termen lung, stabil, determinând diferențierea celulară și diverse compozitia proteinelor organe și țesuturi.
În cromatina diferitelor organe și țesuturi, împreună cu uriașe inactive din punct de vedere transcripțional sau zone reprimate stabil Sunt site-uri active sau potențial active. Cu câteva excepții (limfocite), fiecare celulă din organism conține același set de gene. Existența unor organe și țesuturi specializate depinde de expresia diferențială a genelor, ceea ce înseamnă că diferite regiuni ale cromatinei sunt transcrise în diferențierea celulelor diferitelor țesuturi.
Fig.4 Reglarea adaptivă a transcripției.
Reglarea adaptivă la organismele superioare diferă de reglarea transcripției la procariote printr-o varietate de semnale care controlează 1. începerea procesului asupra moleculei de ADN, 2. frecvența cu care are loc.
Regiunea TATA a promotorului atașează proteina de legare a TATA (factorul TATA), factorii de transcripție A și B, care asigură interacțiunea cu ARN polimeraza și determină punctul de pornire al transcripției (Fig. 4).
Sinteza minimă de ARNm devine posibilă după legarea ARN polimerazei la factorii de transcripție F, E, H.
Dacă, în plus față de componentele indicate, proteinele atașate la regiunile reglatoare ale ADN-ului formează un complex cu proteina de legare a TATA, atunci viteza de transcripție se modifică. Acesta va crește dacă acestea sunt proteine activatoare care asigură interacțiunea cu amplificatori (amplificatori) și va scădea dacă o proteină care interacționează cu site-ul de atenuare (stingerea transcripțională) se alătură proteinei de legare a TATA.
Regiunile de reglare ale ADN-ului - amplificatori și amortizoare - sunt diferite ca număr și locație pe molecula de ADN pentru diferite gene din diferite țesuturi, de exemplu. sunt caracteristici specifice țesuturilor. Ele pot fi localizate mii de perechi de nucleotide din punctul de pornire al transcripției înainte, după sau în interiorul genei, leagă complexe proteice cu metaboliți sau hormoni și influențează conformația genei.
selecţia naturală şi evolutie biologica sunt imposibile fără variabilitatea genetică, care apare din cauza mutațiilor și recombinărilor în procesul de meioză. În acest din urmă caz, segmentele de ADN sunt schimbate între cromozomii omologi ai părinților. Mutațiile sunt schimbări nereparate structura primara ADN, care apar în moleculă ca răspuns la defecte în funcționarea ADN polimerazelor sau a sistemului de reparare a ADN-ului, expunerea la mediul extern și intern. 2. Mutații punctuale sunt mai ales trei tipuri:
Substituții (acesta este cel mai frecvent tip de deteriorare a moleculei de ADN; (Există două tipuri de substituții de bază: tranziții și transversii. Sub tranziții înțelegeți înlocuirea bazelor purinice cu purine și a pirimidinelor cu pirimidine (T-C și A-G). Transversiunile sunt înlocuirea bazelor purinice cu baze pirimidinice și invers. Un alt motiv pentru substituția bazei este includerea eronată a unei baze modificate chimic (sau a unei baze modificate) în catena de ADN. Trebuie remarcat faptul că mutațiile genei de substituție a bazei apar fie înainte de replicare, fie în timpul replicării. Dacă aceste modificări nu sunt corectate în timpul procesului de reparare, atunci ele devin proprietatea întâi a uneia, și apoi a două catene de ADN. Prin urmare, sursa acestei categorii de mutații sunt erorile în procesele de replicare sau reparare).
inserții;
Deleții (sau abandonuri) de nucleotide
Fiecare tip de mutație provoacă efecte diferite. Deci, substituția de nucleotide:
Pot fi "tăcut"și să nu apară în proteină dacă tripletul codificator, în care se află nucleotida mutantă, din cauza degenerării codului, asigură faptul că același aminoacid este inclus în proteină ca și codonul original;
Poate fi însoțit de includerea unui aminoacid alterat în proteină (mutație missens). Mutațiile de acest tip apar sub acțiunea agenților de alchilare (gruparea alchil se atașează la N7 al inelului purinic al guaninei, modificându-i ionizarea și natura legării de o altă nucleotidă din perechea complementară. Ca urmare, timina se ridică în picioare. împotriva guaninei alchilate și, prin urmare, în următoarea generație a perechii G-Cînlocuit cu A-T).
Poate duce la formarea unui codon „terminator”. (mutație fără sens), pe care se va opri activitatea aparatului de sinteză a proteinelor și se formează o versiune scurtată a proteinei.
Ștergeri și inserări duce, de asemenea, la rezultate ambigue:
Dacă o nucleotidă sau un segment de ADN în care numărul de nucleotide nu este un multiplu de 3 este inclusă sau eliminată, atunci deplasarea cadrului de citire a informațiilor iar în timpul traducerii, toate informațiile situate în spatele site-ului mutației sunt citite incorect. Apare o proteină în care o secvență aleatorie de aminoacizi este localizată în spatele locului de mutație. Acest tip de mutație este cauzat de substanțele care se intercalează între bazele azotate ale moleculei de ADN;
Dacă un segment cu o lungime a lanțului divizibil cu 3 cade sau este inclus în ADN, atunci nu există nicio schimbare în cadrul de citire a informațiilor (diviziune sau inserarea fără deplasarea cadrului de citire al informaţiei). O proteină criptată cu un astfel de șablon va fi fie scurtată (când este divizată), fie prelungită (când este introdusă) cu unul sau mai mulți aminoacizi.
3. În majoritatea cazurilor mutațiile afectează expresia sau structura genelor, care se manifestă prin scăderea numărului sau modificarea structurii produs proteic si, in consecinta, activitatea sa functionala. Uneori, scăderea sau absența completă a unei proteine este rezultatul mutațiilor în regiunile reglatoare ale genelor.
Prin urmare, cu mutațiile genice, schema este următoarea: ca rezultat mutație genetică(defect molecular) apare un efect patologic primar, ceea ce duce la o cascadă de tulburări biochimice în celule, un organ și un organism. Această secvență de evenimente stă la baza bolilor genetice. Au fost notate 4 variante de efecte patologice primare.
Prima opțiune este asociată cu producerea unei cantități în exces de produs datorită activității crescute a genelor.
A doua opțiune este asociată cu producerea de proteine anormale. Acest lucru duce la o încălcare a sistemului, a cărei activitate este asigurată de această proteină.
De exemplu, (datorită înlocuirii unui aminoacid) cu anemia secerată, se sintetizează hemoglobina anormală, care are o solubilitate redusă, capacitatea de polimerizare. Ca urmare, cu o lipsă de oxigen, o astfel de hemoglobină se cristalizează rapid, celulele roșii din sânge iau forma unei seceri, se lipesc rapid împreună, ceea ce duce la blocarea capilarelor.
A treia opțiune este legată de lipsa produselor primare. Aceasta este cea mai comună opțiune. Ca urmare a absenței unei anumite proteine (cel mai adesea o enzimă), reacțiile biochimice cu participarea acesteia nu au loc. Aceasta duce la acumularea de produse precursoare, cel mai adesea toxice. De exemplu, cu fenilcetonurie, conversia fenilalaninei în tirozină nu are loc din cauza absenței enzimei corespunzătoare. Ca urmare, sinteza tecii de mielină în axonii sistemului nervos central este perturbată și la nivelul organismului se dezvoltă o formă severă de deficiență mentală. Un alt exemplu de absență a proteinelor este deficitul de enzime ale sistemului de reparare sau replicare. Acest lucru duce la dezvoltarea de neoplasme maligne.
A patra opțiune este producerea unei cantități reduse de produs, de exemplu, proteine. Acest lucru duce la deficiența lor în organism și la abateri ale metabolismului.
Traducerea este procesul de decodificare a ARNm, în urma căruia informațiile din limbajul secvenței de nucleotide din ARNm sunt traduse (traduse) în limbajul secvenței de aminoacizi din molecula polipeptidică. Decodificarea ARNm este efectuată în direcția 5'→3'. Există etape în procesul de traducere:
1) activarea aminoacizilor;
2) aminoacilarea ARNt;
3) difuzarea propriu-zisă.
Activarea aminoacizilor. Acesta este procesul de adăugare a unui aminoacid cu ajutorul grupării sale carboxil la ATP a-fosfat folosind o aminoacil-ARNt sintetază specifică (Fig. 3.10). Reacția este însoțită de eliberarea de pirofosfat anorganic și formarea de aminoaciladenilat (AA-AMP). Adenilatul de aminoacil este foarte reactiv și se stabilizează datorită legăturii puternice de enzimă. Acest proces este foarte specific: fiecare aminoacid are propriile sale enzime.
Aminoacilarea ARNt. Este transferul grupării aminoacil de la aminoacil-adenilatul asociat enzimei la gruparea 2’- sau 3’-OH a ribozei terminale a ARNt din ramura acceptor (Fig. 3.11).
Caracteristica cheie a reacției care duce la aminoacilarea ARNt este specificitatea enzimelor implicate. Atașarea la ARNt a fiecăruia dintre cei 20 de aminoacizi găsiți în proteine este catalizată de o aminoacil-ARNt sintetază specifică. Enzima trebuie să distingă un aminoacid de alți 19 și să-l transfere la unul sau mai mulți ARNt izoacceptori din cei aproximativ 75 de ARNt disponibile. În același timp, este necesar să se sublinieze asemănarea ridicată în structura multor aminoacizi (leucină, valină și izoleucină; valină și treonină; acizi aspartic și glutamic; etc.), precum și similitudinea uimitoare a secundar și structuri terțiare ale ARNt. Prin urmare, chiar și specificitatea foarte mare inerentă acestor enzime nu este suficientă pentru a preveni erorile, iar sintetazele pot corecta erorile care apar în timpul atașării. Acest lucru are loc la hidroliza legăturii dintre aminoacid și AMP din complexul enzimă-aminoacil-adenilat. În acest caz, formarea de ARNt aminoacilat eronat este împiedicată. Dimpotrivă, nu există niciun mecanism prin care un aminoacid incorect deja atașat la ARNt ar fi îndepărtat. În astfel de cazuri, aminoacidul ia o poziție greșită în proteină. Frecvența unor astfel de erori este foarte scăzută (de exemplu, în hemoglobina de iepure 10-5).
De fapt difuzat. Procesul de translație este efectuat pe ribozomi - organele celulare, care sunt un complex complex de proteine și molecule de ARN. Pe parcursul întregului proces de sinteză a proteinelor, lanțul polipeptidic în creștere, ARNm și următorul aminoacil-ARNt rămân atașați de ribozom. La procariote și eucariote, ribozomii diferă ca mărime și compoziție (Fig. 3.12). Coeficientul de sedimentare al ribozomilor procariotelor este 70S (S - Svedberg, o unitate de măsură a vitezei cu care o particulă se depune în timpul centrifugării; 1S=10 -13 s), în timp ce la eucariote pentru ribozomii aflați în citoplasmă, este de 80S. .
Ribozomii, în anumite condiții, se pot disocia în subparticule mari și mici, iar fiecare subparticulă, la rândul său, în molecule constitutive de proteine și ARN (Fig. 3.12). Toate aceste componente se pot asocia din nou cu formarea unui ribozom activ funcțional, dacă sunt create condițiile adecvate.
Studiile microscopice electronice ale ribozomilor 70S au arătat că subparticulele mici și mari sunt în contact în mai multe puncte și se formează o canelură între ele, care este necesară pentru plasarea ARNm în timpul translației. Două locuri importante din punct de vedere funcțional de pe ribozomul 70S sunt importante pentru înțelegerea procesului de traducere. Complot ( site-ul web) A servește la atașarea aminoacil-ARNt, iar un lanț peptidic în creștere se leagă de situsul P.
În procesul de traducere, pe lângă aminoacil-ARNt și ribozomi, un numar mare de proteine auxiliare-factori de inițiere, alungire și terminare a transcripției.
Esența procesului de traducere este decodificarea secvenţială a ARNm în direcţia 5'→3' cu ajutorul tARN-urilor aminoacilate, timp în care reziduurile de aminoacizi sunt condensate secvenţial, pornind de la capătul amino (N)-terminal al lanțului polipeptidic, spre capătul carboxil (C)-terminal . Principiul matricei al procesului este observat în recunoașterea nucleotidelor complementare în următorul codon ARNm și anticodon ARNt. Traducerea a fost studiată cel mai pe deplin la procariote, iar mecanismul acestui proces va fi luat în considerare folosind traducerea în E. coli ca exemplu.
Inițierea difuzării. Citirea ARNm începe cu codonul AUG, care marchează capătul 5’ al secvenței de codificare și determină aminoacidul N-terminal (primul) al polipeptidei sintetizate. Inițierea translației necesită prezența unei subunități 30S a ribozomului, care se leagă într-un complex cu proteine - factori de inițiere (IF1, IF2, IF3), GTP și Fmet-ARNt. Acest complex complet se leagă la capătul 5’ al secvenței de codificare ARNm din apropierea codonului AUG. Aparent, IF2 este capabil să distingă Fmet-ARNt (formil-metionină-ARNt) de met-ARNt, care se leagă de codonii AUG din partea interioară a ARNm, dar nu poate începe traducerea de la codonul de început AUG. Această specificitate este furnizată de gruparea N-formil, care este absentă din met-ARNt.
Codonul de pornire este recunoscut în felul următor. Legarea subunității 30S la ARNm este sub control strict al secvenței de nucleotide situată la aproximativ 10 nucleotide înainte de capătul 5’ al codonului de început. Interacțiunea este facilitată de împerecherea complementară a acestei secvențe bogate în purine cu un situs de polipirimidină găsit în ARNr 16S. Procesul de inițiere depinde de multe convenții în structura regiunilor care interacționează, inclusiv structura secundară a regiunii moleculei de ARNm în care se află codonul de început AUG. Acest lucru este important pentru reglarea eficienței sintezei proteinelor.
Astfel, la inițiere, acest complex se leagă de situsul P al subunității 30S a ribozomului, iar primul aminoacid din peptidă va fi formil metionina. Aceasta este urmată de atașarea subunității 50S a ribozomului și formarea complexului de inițiere a 70S (Fig. 3.13). Sursa de energie pentru inițierea sintezei proteinelor este scindarea GTP la GDP și Pi.
Alungirea translației. Pentru formarea primei legături peptidice, este necesar ca aminoacil-ARNt corespunzător următorului codon să ocupe situsul A al ribozomului. Pentru a face acest lucru, aminoacil-ARNt trebuie să lege mai întâi proteina EF-Tu (unul dintre factorii de alungire) și GTP. Complexul triplu rezultat (aminoacil-ARNt-) și furnizează aminoacil-ARNt la situl A. GTP este hidrolizat în acest moment și complexul (EF-Tu-GDP) este separat de ribozom. Când ambele situsuri, A și P, sunt ocupate, activitatea peptidil transferază a subunității 50S catalizează transferul grupării Fmet din ARNt-ul său la gruparea amino a aminoacil-ARNt situată în situsul A (Fig. 3.14). Ca rezultat, dipeptidil-ARNt se găsește în situsul A și ARNt liber este în situsul P (Fig. 3.13).
Activitatea peptidil transferază a ribozomilor este aparent asociată nu cu partea proteică a subunității 50S, ci cu una dintre componentele ARN, ribozimele.
Pentru a citi următorul codon și a extinde lanțul polipeptidic cu încă un aminoacid, întreaga serie de reacții trebuie repetată. Cu toate acestea, înainte ca acest lucru să se întâmple, ARNt-ul liber eliberează situsul P, dipeptidil-ARNt rezultat se deplasează către acesta de la situsul A (nu există nicio interacțiune a codonului cu anticodonul), iar ribozomul se deplasează brusc (cu 3 nucleotide) către ARNm la capătul 3'. Toate aceste procese sunt efectuate cu ajutorul factorului de alungire EF-G în GTP-dependent translocatii ribozomi. Ca urmare a acestor trei acte, situsul A este eliberat și următorul codon este expus, ceea ce permite să înceapă următorul ciclu de alungire (Fig. 3.13). Trebuie remarcat faptul că formarea fiecărei legături peptidice consumă energie egală cu patru echivalenți de energie (dacă energia formării legăturii fosfat este luată ca un echivalent): doi echivalenți de ATP sunt consumați în timpul aminoacilării ARNt și doi echivalenți de GTP sunt consumați în fiecare ciclu de alungire.
Terminarea traducerii. Procesul de traducere secvenţială a codonilor, în cele din urmă, ajunge în punctul în care unul dintre cei trei codoni de terminare - UAG, UAA sau UGA - apare în site-ul A. În natură, nu există astfel de ARNt ai căror anticodoni ar corespunde acestor codoni. Aici intră în joc factorii de terminare - RF-1 și RF-2, care catalizează desprinderea lanțului polipeptidic de ARNt, ARNt - din ribozom și 70S-ribozom - din ARNm.
După inițierea translației, ribozomul 70S se îndepărtează de locul de inițiere pe măsură ce este citit fiecare codon succesiv. Când distanța de la ribozom la locul de inițiere atinge 100-200 de nucleotide, poate apărea o nouă inițiere la acest loc. Mai mult, de îndată ce al doilea ribozom a parcurs aceeași distanță, poate apărea o a treia inițiere și așa mai departe.Astfel, mai mulți ribozomi pot traduce simultan aceeași secvență de ARNm care codifică proteine. Astfel de complexe translaționale multiribozomale se numesc poliribozomi sau polizomi.
ARN-urile mesager, constând din mai multe regiuni care codifică proteine, sunt adesea traduse secvenţial: când ribozomul ajunge la codonul de terminare în prima secvenţă, se separă de ARNm şi un nou complex se leagă de următorul situs de iniţiere. Uneori, acest lucru nu se întâmplă, iar ribozomul care traduce prima secvență de codificare se mișcă de-a lungul ARNm fără a se separa, inițiind traducerea în alte locuri.
În unele cazuri, translația primei secvențe de codificare poate începe și chiar poate fi finalizată înainte de sfârșitul transcripției secvențelor rămase, ca, de exemplu, în cazul operonilor lac sau trp de E. coli.
Caracteristicile traducerii la eucariote. Procesul de translație a ARNm eucariotic este practic similar cu cel al procariotelor. Cu toate acestea, există o serie de diferențe. În primul rând, aparatele de transcripție și translație la eucariote sunt separate în timp și spațiu, deoarece transcripția are loc în nucleu, iar translația are loc în citoplasmă. În al doilea rând, aminoacil-ARNt de inițiere la eucariote nu este ARNt-Fmet, ci un met-ARNt de inițiere special. În al treilea rând, la capetele 5’ și 3’ ale ARNm eucariote există structuri speciale - „caps” și „bucle” care participă la traducere. Este cunoscut faptul că factorii individuali de inițiere a translației recunosc regiunile acoperite pentru legarea la ARNm și inițierea procesului de traducere.
Cu aminoacil-ARNt format, resturile de aminoacizi necesare sintezei proteinelor intră în ribozomi, unde sunt sintetizate legăturile peptidice. S-a stabilit că ARNt-ul îndeplinește o funcție catalitică în furnizarea ribozomilor cu aminoacizi pentru a forma o proteină, deoarece după ce aminoacidul este transferat în ribozom, ARNt-ul eliberat se poate combina din nou cu reziduul de aminoacizi și poate fi utilizat pentru un nou act de transfer. Rata de rotație a ARNt, de exemplu, în cazul sintezei hemoglobinei pe ribozom, este de 30-40 de transferuri la 10 minute.
Sinteza unui lanț polipeptidic într-un ribozom începe cu atașarea aminoacidului N-terminal al proteinei nou formate la un anumit punct de pe ribozom. Pe Etapa I atașarea, are loc o interacțiune complementară a unei secțiuni a lanțului polinucleotidic a aminoacil-ARNt corespunzător cu o secțiune de ARNm situată în ribozom. Apoi se presupune că aminoacidul N-terminal rămâne liber în timpul sintezei proteinelor, iar fixarea lanțului polipeptidic sintetizat pe ribozom este efectuată de următorul ARNt, care aduce aminoacidul necesar în acest moment.
Procesul de biosinteză a proteinelor în ribozom se desfășoară în 3 etape, precum și în sinteza acizilor nucleici:
Etapa I– inițiere apare cu participarea a 3 factori proteici - IF-1, IF-2, IF-3 (factori de inițiere), care sunt proteine cu diferite greutate moleculară. Factorul IF-3 determină modificări conformaționale în subunitatea mică a ribozomului, care promovează legarea sa de formilmetionil-ARNt, care apoi asigură că primul aminoacid N-terminal, formilmetionina, pătrunde în ribozom, care deschide lanțul polipeptidic al oricărui proteine sintetizate în bacterii. Acest proces este asociat cu costurile energetice din cauza defalcării trifosfatului de guanozină:
GTP® HDF + H3PO4
Etapa II - alungire. Acest pas în biosinteza proteinelor celula bacteriana este deservită de trei factori de alungire a proteinei: EF-T U , EF-T S și EF-G. Procesul de alungire începe cu legarea unui aminoacil-ARNt care conține un rest de aminoacid, care trebuie să fie al doilea de la capătul N-terminal al proteinei sintetizate pe ribozom. Are loc o reacție în centrul peptidil între formilmetionil-ARNt și aminoacil-ARNt, datorită căreia restul de formilmetionină este transferat la gruparea amino liberă a restului de aminoacid, care este parte integrantă aminoacil-ARNt. Ca rezultat, apare dipeptidil-ARNt, adică prima legătură peptidică din viitoarea moleculă de proteină este închisă și se formează și formilmetionil-ARNt deacilat.
Acest proces se numește reacție de transpeptidare. Se repetă de multe ori până la finalizarea sintezei complete a moleculei proteice.
Etapa a III-a – rezilierea sinteza proteineiîn ribozom se efectuează, de asemenea, cu participarea a trei factori proteici - RF-1, RF-2 și RF-3 în bacterii și un factor proteic R - în organismele superioare. De îndată ce codonul de terminare ARNm ocupă locul potrivit în centrul aminoacil al ribozomului, unul dintre factorii de terminare este atașat de acesta, ceea ce blochează posibilitatea atașării următoarei molecule de aminoacil-ARNt. Codonii de terminație nu corespund cu niciunul dintre anticodonii ARNt. Atașarea factorului de terminare excită activitatea peptidilesterază a proteinelor ribozomale și acestea hidrolizează legătura esterică dintre polipeptida nou formată și ultimul ARNt situat în ribozom. Ca urmare, proteina sintetizată este separată de aceasta, ribozomul se descompune în subparticule, care intră în grupul general de subparticule ale celulei. GTP este implicat în terminarea sintezei proteinelor atât la bacterii, cât și la mamifere.
Se încarcă...
