Přenos a implementace dědičné informace jsou založeny na reakcích syntézy matrice. Existují pouze tři z nich: replikace DNA, transkripce a translace. Všechny tyto reakce patří k plastickým výměnným reakcím a vyžadují energetický výdej a účast enzymů.

Replikace.

Replikace– samoduplikace molekul DNA – je základem přenosu dědičné informace z generace na generaci. V důsledku replikace jedné mateřské molekuly DNA vznikají dvě dceřiné molekuly, z nichž každá je dvoušroubovicí, ve které je jeden řetězec DNA mateřským řetězcem a druhý je nově syntetizován. Replikace vyžaduje různé enzymy, nukleotidy a energii.

Pomocí speciálních enzymů se přeruší vodíkové vazby spojující komplementární báze dvou řetězců mateřské DNA. Řetězce DNA se rozcházejí. Molekuly enzymu DNA polymerázy se pohybují podél řetězců mateřské DNA a postupně spojují nukleotidy za vzniku dceřiných řetězců DNA. Proces přidávání nukleotidů se řídí principem komplementarity. V důsledku toho se vytvoří dvě molekuly DNA, identické s matkou a navzájem.

Biosyntéza bílkovin.

Biosyntéza bílkovin, tzn. Proces realizace dědičné informace probíhá ve dvou fázích. V první fázi se informace o primární struktuře proteinu zkopírují z DNA do mRNA. Tento proces se nazývá transkripce. Druhá fáze, translace, probíhá na ribozomech. Při translaci je protein syntetizován z aminokyselin v souladu se sekvencí zaznamenanou v mRNA, tzn. nukleotidová sekvence je translatována do aminokyselinové sekvence. Proces realizace dědičné informace lze tedy vyjádřit následujícím diagramem:

DNA → mRNA → protein → vlastnost, sign

Transkripce– syntéza messenger RNA na templátu DNA. K tomuto procesu dochází tam, kde je DNA. U eukaryot k transkripci dochází v jádře, mitochondriích a chloroplastech (u rostlin), u prokaryot přímo v cytoplazmě. Během transkripce je molekula DNA templátem a mRNA je reakčním produktem.

Transkripce začíná oddělením řetězců DNA, ke kterému dochází stejným způsobem jako při replikaci (vodíkové vazby jsou přerušovány enzymy). Poté enzym RNA polymeráza postupně podle principu komplementarity spojuje nukleotidy do řetězce a syntetizuje molekulu mRNA. Výsledná molekula mRNA je oddělena a odeslána do cytoplazmy „při hledání“ ribozomu.

Syntéza bílkovin na ribozomech se nazývá přenos. K translaci u eukaryot dochází na ribozomech, které se nacházejí v cytoplazmě, na povrchu ER, v mitochondriích a v chloroplastech (v rostlinách), u prokaryot na ribozomech v cytoplazmě. Translace zahrnuje mRNA, tRNA, ribozomy, aminokyseliny, molekuly ATP a enzymy.

· Aminokyseliny slouží jako materiál pro syntézu proteinových molekul.

· ATP je zdrojem energie pro propojení aminokyselin mezi sebou.

· Enzymy podílet se na adici aminokyselin k tRNA a na vzájemném spojení aminokyselin.

· Ribozomy sestávají z rRNA a proteinových molekul, které tvoří aktivní centrum, kde dochází k hlavním translačním událostem.

· Messenger RNA PROTI v tomto případě je matrice pro syntézu proteinových molekul. Nazývají se triplety mRNA, z nichž každá kóduje aminokyselinu kodony.

· Přeneste RNA přivádějí aminokyseliny do ribozomů a podílejí se na translaci nukleotidové sekvence do aminokyselinové sekvence. Transferové RNA, stejně jako jiné typy RNA, jsou syntetizovány na templátu DNA. Mají vzhled jetelového listu (obr. 28.3). Tvoří se tři nukleotidy umístěné v horní části centrální smyčky molekuly tRNA antikodon.

Průběh vysílání.

Translace začíná vazbou mRNA na ribozom. Ribozom se pohybuje podél mRNA a pokaždé se pohybuje o jeden triplet. Aktivní centrum ribozomu může současně obsahovat dva triplety (kodony) mRNA. Každému z těchto kodonů odpovídá tRNA, která má komplementární antikodon a nese specifickou aminokyselinu. Mezi kodony a antikodony se tvoří vodíkové vazby, které drží tRNA v aktivním místě. V této době se mezi aminokyselinami vytváří peptidová vazba. Rostoucí polypeptidový řetězec je „suspendován“ na tRNA, která vstoupila do aktivního centra tRNA. Ribozom se posune dopředu o jeden triplet, což vede k novému kodonu a odpovídající tRNA v aktivním centru. Uvolněná tRNA je oddělena od mRNA a odeslána pro novou aminokyselinu.

Jaké reakce probíhající v buňce jsou klasifikovány jako reakce syntézy matrice? Co slouží jako matrice pro takové reakce?

Maticová syntéza - specifická vlastnostžijící organismy. Matice je vzor, ​​podle kterého je vytvořena kopie. Syntéza matrice - syntéza pomocí matrice. Reakce syntézy šablon poskytují přesnou sekvenci monomerů pro vytvoření polymerů.

Reakce syntézy šablon probíhající v buňce zahrnují reakce duplikace DNA, syntézu RNA a syntézu proteinů. Templátem je DNA při syntéze mRNA a DNA nebo RNA při syntéze proteinů. Monomery templátové syntézy jsou nukleotidy a aminokyseliny. Monomery jsou fixovány k matrici principem komplementarity, zesíťovány a poté uvolněny z matrice. Reakce syntézy matrice jsou základem pro reprodukci vlastního druhu.

Jaké reakce probíhající v buňce jsou klasifikovány jako reakce syntézy matrice? Co slouží jako matrice pro takové reakce?

Hledáno na této stránce:

• monomery reakcí syntézy matrice v buňce jsou
• reakce syntézy matrice zahrnují
• jaké reakce jsou reakce syntézy matrice

Nukleové kyseliny.

Nukleové kyseliny (NA) poprvé objevil v roce 1869 švýcarský biochemik Friedrich Miescher.

NA jsou lineární, nerozvětvené heteropolymery, jejichž monomery jsou nukleotidy spojené fosfodiesterovými vazbami.

Nukleotid se skládá z:

dusíkaté báze

Puriny (adenin (A) a guanin (G) - jejich molekuly se skládají ze 2 kruhů: 5 a 6 členného),

Pyrimidin (cytosin (C), thymin (T) a uracil (U) - jeden šestičlenný kruh);

sacharid (5-uhlíkový cukerný kruh): ribóza nebo deoxyribóza;

zbytek kyseliny fosforečné.

Existují 2 typy NK: DNA a RNA. NK zajišťují ukládání, reprodukci a implementaci genetické (dědičné) informace. Tato informace je zakódována ve formě nukleotidových sekvencí. Nukleotidová sekvence odráží primární strukturu proteinů. Shoda mezi aminokyselinami a nukleotidovými sekvencemi, které je kódují, se nazývá genetický kód. Jednotka genetický kód DNA a RNA jsou trojice– sekvence tří nukleotidů.

Druhy dusíkatých bází	A, G, C, T	A, G, C, U
Typy pentóz	p,D-2-deoxyribóza	β,D-ribóza
Sekundární struktura	Regular, skládá se ze 2 komplementárních řetězců	Nepravidelné, některé části jednoho řetězce tvoří dvojitou šroubovici
Molekulová hmotnost (počet nukleotidových jednotek v primárním řetězci) nebo od 250 do 1,2x105 kDa (kilodalton)	Asi tisíce, miliony	Řádově desítky a stovky
Lokalizace v buňce	Jádro, mitochondrie, chloroplasty, centrioly	Nukleolus, cytoplazma, ribozomy, mitochondrie a plastidy
	Ukládání, přenos a reprodukce dědičných informací po generace	Implementace dědičné informace

DNA (deoxyribonukleová kyselina) je nukleová kyselina, jejíž monomery jsou deoxyribonukleotidy; je mateřským nositelem genetické informace. Tito. veškeré informace o struktuře, fungování a vývoji jednotlivých buněk i celého organismu jsou zaznamenávány ve formě nukleotidových sekvencí DNA.

Primární struktura DNA je jednovláknová molekula (fágy).

Další uspořádání makromolekuly polymeru se nazývá sekundární struktura. V roce 1953 objevili James Watson a Francis Crick sekundární strukturu DNA – dvojitou šroubovici. V této šroubovici jsou fosfátové skupiny na vnější straně šroubovice a báze jsou na vnitřní straně, rozmístěné v intervalech 0,34 nm. Řetězce jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami mezi bázemi a jsou stočeny kolem sebe a kolem společné osy.

Báze v antiparalelních vláknech tvoří komplementární (vzájemně komplementární) páry díky vodíkovým můstkům: A = T (2 připojení) a G ≡ C (3 připojení).

Fenomén komplementarity ve struktuře DNA objevil v roce 1951 Erwin Chargaff.

Chargaffovo pravidlo: počet purinových bází je vždy roven počtu pyrimidinových bází (A + G) = (T + C).

Terciární struktura DNA je další skládání dvouvláknové molekuly do smyček v důsledku vodíkových vazeb mezi sousedními závity šroubovice (supercoiling).

Kvartérní struktura DNA jsou chromatidy (2 řetězce chromozomu).

Rentgenové difrakční obrazce vláken DNA, které poprvé získali Morris Wilkins a Rosalind Franklin, ukazují, že molekula má spirálovitou strukturu a obsahuje více než jeden polynukleotidový řetězec.

Existuje několik rodin DNA: A, B, C, D, Z-formy. Forma B se obvykle nachází v buňkách. Všechny tvary kromě Z jsou pravotočivé spirály.

Replikace (samoduplikace) DNA - Jedná se o jeden z nejdůležitějších biologických procesů, které zajišťují reprodukci genetické informace. Replikace začíná oddělením dvou komplementárních řetězců. Každý řetězec se používá jako templát k vytvoření nové molekuly DNA. Enzymy se účastní procesu syntézy DNA. Každá ze dvou dceřiných molekul nutně zahrnuje jednu starou šroubovici a jednu novou. Nová molekula DNA je v nukleotidové sekvenci naprosto identická se starou. Tento způsob replikace zajišťuje přesnou reprodukci v dceřiných molekulách informace, která byla zaznamenána v mateřské molekule DNA.

V důsledku replikace jedné molekuly DNA se vytvoří dvě nové molekuly, které jsou přesnou kopií původní molekuly - matrice. Každá nová molekula se skládá ze dvou řetězců – jednoho mateřského a jednoho sesterského. Tento mechanismus replikace DNA se nazývá polokonzervativní.

Reakce, ve kterých jedna molekula heteropolymeru slouží jako templát (forma) pro syntézu jiné molekuly heteropolymeru s komplementární strukturou, se nazývají reakce typu matrice. Pokud se během reakce vytvoří molekuly stejné látky, které slouží jako matrice, pak se reakce nazývá autokatalytický. Pokud se během reakce vytvoří na matrici jedné látky molekuly jiné látky, pak se taková reakce nazývá heterokatalytický. Replikace DNA (tj. syntéza DNA na templátu DNA) je tedy autokatalytická reakce syntézy matrice.

Reakce typu matice zahrnují:

replikace DNA (syntéza DNA na templátu DNA),

transkripce DNA (syntéza RNA na templátu DNA),

Translace RNA (syntéza proteinů na templátu RNA).

Existují však i jiné reakce templátového typu, například syntéza RNA na templátu RNA a syntéza DNA na templátu RNA. Poslední dva typy reakcí jsou pozorovány, když jsou buňky infikovány určitými viry. Syntéza DNA na templátu RNA ( reverzní transkripce) je široce používán v genetickém inženýrství.

Všechny maticové procesy se skládají ze tří fází: iniciace (začátek), elongace (pokračování) a ukončení (konec).

Replikace DNA je složitý proces, kterého se účastní několik desítek enzymů. Mezi nejvýznamnější z nich patří DNA polymerázy (několik typů), primázy, topoizomerázy, ligázy a další. Hlavním problémem replikace DNA je, že v různých řetězcích jedné molekuly jsou zbytky kyseliny fosforečné směrovány různými směry, ale prodloužení řetězce může nastat pouze od konce, který končí OH skupinou. Proto v replikované oblasti, která je tzv replikační vidlice, proces replikace probíhá v různých řetězcích odlišně. Na jednom z řetězců, nazývaném vedoucí řetězec, probíhá kontinuální syntéza DNA na templátu DNA. Na druhém řetězci, který se nazývá zaostávající řetězec, dochází nejprve k vazbě základní nátěr– specifický fragment RNA. Primer slouží jako primer pro syntézu fragmentu DNA tzv fragment Okazaki. Následně je primer odstraněn a Okazakiho fragmenty jsou spojeny do jednoho řetězce enzymu DNA ligázy. Replikace DNA je doprovázena reparace– oprava chyb, které nevyhnutelně vznikají během replikace. Existuje mnoho opravných mechanismů.

K replikaci dochází před dělením buněk. Díky této schopnosti DNA dochází k přenosu dědičné informace z mateřské buňky do dceřiných buněk.

RNA (ribonukleová kyselina) je nukleová kyselina, jejíž monomery jsou ribonukleotidy.

V rámci jedné molekuly RNA je několik oblastí, které jsou vzájemně komplementární. Mezi takovými komplementárními oblastmi se tvoří vodíkové vazby. Díky tomu se v jedné molekule RNA střídají dvouvláknové a jednovláknové struktury a celková konformace molekuly připomíná jetelový list.

Dusíkaté báze, které tvoří RNA, jsou schopny tvořit vodíkové vazby s komplementárními bázemi v DNA i RNA. V tomto případě dusíkaté báze tvoří páry A=U, A=T a G≡C. Díky tomu lze přenášet informace z DNA do RNA, z RNA do DNA a z RNA do proteinů.

V buňkách se nacházejí tři hlavní typy RNA, které plní různé funkce:

1. Informace nebo matice RNA (mRNA nebo mRNA). Funkce: matrice pro syntézu proteinů. Tvoří 5 % buněčné RNA. Přenáší genetickou informaci z DNA do ribozomů během biosyntézy proteinů. V eukaryotických buňkách je mRNA (mRNA) stabilizována specifickými proteiny. To umožňuje, aby biosyntéza proteinu pokračovala, i když je jádro neaktivní.

mRNA je lineární řetězec s několika oblastmi s různými funkčními rolemi:

a) na 5" konci je čepička ("cap") - chrání mRNA před exonukleázami,

b) za ním následuje nepřeložená oblast, komplementární k úseku rRNA, který je součástí malé podjednotky ribozomu,

c) translace (čtení) mRNA začíná iniciačním kodonem AUG, kódujícím methionin,

d) po start kodonu následuje kódující část, která obsahuje informaci o sekvenci aminokyselin v proteinu.

2. Ribozomální nebo ribozomální RNA (rRNA). Tvoří 85 % buněčné RNA. V kombinaci s proteinem je součástí ribozomů a určuje tvar velké a malé ribozomální podjednotky (podjednotky 50-60S a 30-40S). Podílejí se na translaci - čtení informací z mRNA při syntéze proteinů.

Podjednotky a jejich složky rRNA jsou obvykle označeny jejich sedimentační konstantou. S - sedimentační koeficient, Svedbergovy jednotky. Hodnota S charakterizuje rychlost sedimentace částic během ultracentrifugace a je úměrná jejich molekulové hmotnosti. (Například prokaryotická rRNA se sedimentačním koeficientem 16 Svedbergových jednotek se označuje jako 16S rRNA).

Rozlišuje se tedy několik typů rRNA, které se liší délkou polynukleotidového řetězce, hmotností a lokalizací v ribozomech: 23-28S, 16-18S, 5S a 5,8S. Prokaryotické i eukaryotické ribozomy obsahují 2 různé vysokomolekulární RNA, jednu pro každou podjednotku, a jednu nízkomolekulární RNA - 5S RNA. Eukaryotické ribozomy také obsahují 5,8S RNA s nízkou molekulovou hmotností. Například prokaryota syntetizují 23S, 16S a 5S rRNA a eukaryota syntetizují 18S, 28S, 5S a 5,8S.

80S ribozom (eukaryotický)

Malá podjednotka 40S Velká podjednotka 60S

18SrRNA (~2000 nukleotidů), - 28SrRNA (~4000 nt),

5,8 SpRNA (~155 nt),

5SpRNA (~121 nt),

~30 bílkovin. ~45 bílkovin.

70S ribozom (prokaryotický)

Malá podjednotka 30S Velká podjednotka 50S

16SpRNA, - 23SpRNA,

~20 bílkovin. ~30 bílkovin.

Velká molekula vysoce polymerní rRNA (sedimentační konstanta 23-28S, lokalizovaná v 50-60S ribozomálních podjednotkách.

Malá molekula rRNA s vysokým obsahem polymeru (sedimentační konstanta 16-18S, lokalizovaná v 30-40S ribozomálních podjednotkách.

Ve všech ribozomech bez výjimky je přítomna nízkopolymerní 5S rRNA a je lokalizována v 50-60S ribozomálních podjednotkách.

Nízkopolymerní rRNA se sedimentační konstantou 5,8S je charakteristická pouze pro eukaryotické ribozomy.

Ribozomy tedy obsahují tři typy rRNA u prokaryot a čtyři typy rRNA u eukaryot.

Primární struktura rRNA je jeden polyribonukleotidový řetězec.

Sekundární strukturou rRNA je spirálovitost polyribonukleotidového řetězce na sebe (jednotlivé úseky řetězce RNA tvoří spirálové smyčky - „vlásenky“).

Terciární struktura vysokopolymerní rRNA - interakce helikálních prvků sekundární struktury.

3. Doprava RNA (tRNA). Tvoří 10 % buněčné RNA.

Přenáší aminokyselinu do místa syntézy bílkovin, tzn. na ribozomy. Každá aminokyselina má svou vlastní tRNA.

Primární strukturou tRNA je jeden polyribonukleotidový řetězec.

Sekundární struktura tRNA je model „čtyřlístku“, v této struktuře jsou 4 dvouvláknové a 5 jednovláknových oblastí.

Terciární struktura tRNA je stabilní, molekula se složí do struktury tvaru L (2 šroubovice téměř na sebe kolmé). Všechny typy RNA se tvoří jako výsledek reakcí syntézy templátu. Ve většině případů jeden z řetězců DNA slouží jako templát. Biosyntéza RNA na templátu DNA je tedy heterokatalytická reakce templátového typu. Tento proces se nazývá transkripce

a je řízena některými enzymy – RNA polymerázami (transkriptázami).

Syntéza RNA (transkripce DNA) zahrnuje kopírování informací z DNA do mRNA.

Rozdíly mezi syntézou RNA a syntézou DNA:

Asymetrie procesu: jako templát je použit pouze jeden řetězec DNA.

Konzervativní proces: molekula DNA se po dokončení syntézy RNA vrátí do původního stavu. Během syntézy DNA se molekuly napůl obnovují, díky čemuž je replikace semikonzervativní.

Syntéza RNA nevyžaduje k zahájení žádný primer, ale replikace DNA vyžaduje primer RNA.

1. Vysvětlete sled přenosu genetické informace: gen - protein - znak.

2. Pamatujte, jaká struktura proteinu určuje jeho strukturu a vlastnosti. Jak je tato struktura zakódována v molekule DNA?

3. Co je to genetický kód?

4. Popište vlastnosti genetického kódu.

7. Reakce syntézy matric. Transkripce

Kromě nosiče informace jsou potřeba látky, které by zajistily dodání aminokyselin do místa syntézy a určení jejich místa v polypeptidovém řetězci. Takovými látkami jsou transferové RNA, které zajišťují kódování a dodávání aminokyselin do místa syntézy. K syntéze bílkovin dochází na ribozomech, jejichž tělo je postaveno z ribozomální RNA. To znamená, že je potřeba jiný typ RNA – ribozomální.

Genetická informace se realizuje ve třech typech reakcí: syntéza RNA, syntéza proteinů a replikace DNA. V každém je informace obsažená v lineární sekvenci nukleotidů použita k vytvoření další lineární sekvence: buď nukleotidů (v molekulách RNA nebo DNA), nebo aminokyselin (v molekulách bílkovin). Experimentálně bylo prokázáno, že právě DNA slouží jako templát pro syntézu všech nukleových kyselin. Tyto biosyntetické reakce se nazývají syntéza matrice. Dostatečná jednoduchost matricové reakce a jejich jednorozměrnost umožnila podrobně studovat a porozumět jejich mechanismu, na rozdíl od jiných procesů probíhajících v buňce.

Transkripce

Proces biosyntézy RNA z DNA se nazývá transkripce. Tento proces probíhá v jádře. Na matrici DNA jsou syntetizovány všechny typy RNA – informační, transportní i ribozomální, které se následně podílejí na syntéze proteinů. Genetický kód na DNA je během procesu transkripce přepsán do messenger RNA. Reakce je založena na principu komplementarity.

Syntéza RNA má řadu funkcí. Molekula RNA je mnohem kratší a je kopií pouze malé části DNA. Jako matrice tedy slouží pouze určitý úsek DNA, kde se nachází informace o dané nukleové kyselině. Nově syntetizovaná RNA nikdy nezůstává spojena s původním templátem DNA, ale uvolňuje se po skončení reakce. Transkripční proces probíhá ve třech fázích.

První etapa - zahájení- začátek procesu. Syntéza kopií RNA začíná od určité zóny na DNA, která je tzv promotér Tato zóna obsahuje určitou sadu nukleotidů, které jsou startovací signály. Proces je katalyzován enzymy RNA polymerázy. Enzym RNA polymeráza se naváže na promotor, rozvine dvojitou šroubovici a přeruší vodíkové vazby mezi dvěma řetězci DNA. Ale pouze jeden z nich slouží jako templát pro syntézu RNA.

Druhá fáze - prodloužení. V této fázi probíhá hlavní proces. Na jednom vláknu DNA, jako na matrici, jsou nukleotidy uspořádány podle principu komplementarity (obr. 19). Enzym RNA polymeráza, pohybující se krok za krokem po řetězci DNA, spojuje nukleotidy mezi sebou, přičemž neustále dále rozvíjí dvoušroubovici DNA. V důsledku tohoto pohybu je syntetizována kopie RNA.

Třetí fáze - ukončení. Toto je poslední fáze. Syntéza RNA pokračuje až do brzdové světlo- specifická sekvence nukleotidů, která zastavuje pohyb enzymu a syntézu RNA. Polymeráza je oddělena od DNA a syntetizované kopie RNA. Současně je molekula RNA odstraněna z matrice. DNA obnovuje dvojitou šroubovici. Syntéza je dokončena. V závislosti na úseku DNA jsou tímto způsobem syntetizovány ribozomální, transportní a messengerové RNA.

Pouze jeden z řetězců DNA slouží jako templát pro transkripci molekuly RNA. Různé řetězce DNA však mohou sloužit jako templát pro dva sousední geny. Které z těchto dvou vláken bude použito pro syntézu, je určeno promotorem, který řídí enzym RNA polymerázu jedním nebo druhým směrem.

Po transkripci dochází k přeuspořádání molekuly messenger RNA eukaryotických buněk. Vyřízne nukleotidové sekvence, které nenesou informace o tomto proteinu. Tento proces se nazývá spojování. V závislosti na typu buňky a fázi vývoje lze odstranit různé části molekuly RNA. V důsledku toho jsou na jednom kusu DNA syntetizovány různé RNA, které nesou informace o různých proteinech. To umožňuje přenos významné genetické informace z jednoho genu a také usnadňuje genetickou rekombinaci.

Rýže. 19. Syntéza messenger RNA. 1 - řetězec DNA; 2 - syntetizovaná RNA

Otázky a úkoly pro sebeovládání

1. Jaké reakce patří k reakcím syntézy matrice?

2. Jaká je výchozí matrice pro všechny reakce syntézy matrice?

3. Jak se nazývá proces biosyntézy mRNA?

4. Jaké typy RNA se syntetizují na DNA?

5. Stanovte sekvenci fragmentu mRNA, pokud má odpovídající fragment na DNA sekvenci: AAGCTTCTGATTCTGATCGGACCTAATGA.

8. Biosyntéza bílkovin

Proteiny jsou základní složkou všech buněk, takže nejdůležitějším procesem metabolismu plastů je biosyntéza bílkovin. Vyskytuje se ve všech buňkách organismů. Jsou to jediné buněčné složky (kromě nukleových kyselin), jejichž syntéza probíhá pod přímou kontrolou genetického materiálu buňky. Celý genetický aparát buňky – DNA a různé typy RNA – konfigurovaná pro syntézu proteinů.

Gen je úsek molekuly DNA odpovědný za syntézu jedné molekuly proteinu. Pro syntézu proteinů je nutné, aby byl specifický gen z DNA zkopírován ve formě molekuly messenger RNA. Tento proces byl diskutován dříve. Syntéza bílkovin je komplexní vícestupňový proces a závisí na aktivitě různé typy RNA. Pro přímou biosyntézu proteinů jsou zapotřebí následující složky:

1. Messenger RNA je nositelem informace z DNA do místa syntézy. Molekuly mRNA jsou syntetizovány během procesu transkripce.

2. Ribozomy jsou organely, kde dochází k syntéze bílkovin.

3. Soubor nezbytných aminokyselin v cytoplazmě.

4. Přenést RNA, kódující aminokyseliny a transportovat je do místa syntézy na ribozomech.

5. ATP je látka, která poskytuje energii pro procesy kódování aminokyselin a syntézu polypeptidového řetězce.

Struktura transferové RNA a kódování aminokyselin

Transferové RNA (tRNA) jsou malé molekuly se 70 až 90 nukleotidy, které tvoří přibližně 15 % veškeré RNA v buňce. Funkce tRNA závisí na její struktuře. Studium struktury molekul tRNA ukázalo, že jsou určitým způsobem složené a mají tvar čtyřlístek(obr. 20). Molekula obsahuje smyčky a dvojité sekce spojené interakcí komplementárních bází. Nejdůležitější je centrální smyčka, která obsahuje antikodon - nukleotidový triplet odpovídající kódu pro konkrétní aminokyselinu. tRNA se svým antikodonem dokáže kombinovat s odpovídajícím kodonem na mRNA podle principu komplementarity.

Rýže. 20. Struktura molekuly tRNA: 1 - antikodon; 2 - místo připojení aminokyseliny

Každá tRNA může nést pouze jednu z 20 aminokyselin. To znamená, že pro každou aminokyselinu existuje alespoň jedna tRNA. Protože aminokyselina může mít několik tripletů, počet druhů tRNA se rovná počtu tripletů aminokyseliny. Celkový počet druhů tRNA tedy odpovídá počtu kodonů a je roven 61. Ani jedna tRNA neodpovídá třem stop kódům.

Na jednom konci molekuly tRNA je vždy guanin nukleotid (5" konec) a na druhém (3" konci) jsou vždy tři nukleotidy CCA. K tomuto účelu se přidává aminokyselina (obr. 21). Každá aminokyselina je připojena ke své specifické tRNA s odpovídajícím antikodonem. Mechanismus tohoto připojení je spojen s prací specifických enzymů - aminoacyl-tRNA syntetáz, které připojují každou aminokyselinu k odpovídající tRNA. Každá aminokyselina má svou vlastní syntetázu. Spojení aminokyseliny s tRNA se provádí pomocí energie ATP, přičemž vysokoenergetická vazba přechází ve vazbu mezi tRNA a aminokyselinou. Takto se aktivují a kódují aminokyseliny.

Etapy biosyntézy bílkovin. Proces syntézy polypeptidového řetězce prováděný na ribozomu se nazývá přenos. Messenger RNA (mRNA) je prostředníkem při přenosu informací o primární struktuře proteinu, tRNA přenáší kódované aminokyseliny do místa syntézy a zajišťuje sekvenci jejich spojení. Sestavení polypeptidového řetězce probíhá v ribozomech.

V metabolismu těla vedoucí roli mají proteiny a nukleové kyseliny.

Proteinové látky tvoří základ všech životně důležitých buněčných struktur, mají neobvykle vysokou reaktivitu a jsou vybaveny katalytickými funkcemi.

Nukleové kyseliny jsou součástí nejdůležitějšího orgánu buňky - jádra, dále cytoplazmy, ribozomů, mitochondrií atd. Nukleové kyseliny hrají důležitou, primární roli v dědičnosti, variabilitě těla a při syntéze bílkovin.

Plán syntézy protein je uložen v buněčném jádru a přímou syntézou se vyskytuje mimo jádro, proto je nutné Pomoc pro doručení zakódovaného plánu z jádra do místa syntézy. takhle Pomoc tvořené molekulami RNA.

Proces začíná v buněčném jádře:část „žebříčku“ DNA se odvíjí a otevírá. Díky tomu tvoří písmena RNA vazby s otevřené dopisy DNA jednoho z řetězců DNA. Enzym přenáší písmena RNA, aby je spojil do řetězce. Takto se písmena DNA „přepisují“ na písmena RNA. Nově vytvořený řetězec RNA se oddělí a „žebřík“ DNA se znovu otočí.

Po dalších úpravách je tento typ kódované RNA kompletní.

RNA vychází z jádra a jde do místa syntézy proteinů, kde jsou dešifrována písmena RNA. Každá sada tří písmen RNA tvoří „slovo“ představující jednu konkrétní aminokyselinu.

Jiný typ RNA najde tuto aminokyselinu, zachytí ji pomocí enzymu a dopraví ji do místa syntézy bílkovin. Jak je zpráva RNA čtena a překládána, řetězec aminokyselin roste. Tento řetězec se stáčí a skládá do jedinečného tvaru a vytváří jeden typ proteinu.
Pozoruhodný je i proces skládání proteinů: použití počítače k ​​výpočtu všech možností skládání průměrně velkého proteinu sestávajícího ze 100 aminokyselin by trvalo 10 27 let. A vytvoření řetězce 20 aminokyselin v těle netrvá déle než jednu sekundu – a tento proces probíhá nepřetržitě ve všech buňkách těla.

Geny, genetický kód a jeho vlastnosti.

Na Zemi žije asi 7 miliard lidí. Kromě 25-30 milionů párů jednovaječných dvojčat, geneticky všichni lidé jsou jiní: každý je jedinečný, má jedinečné dědičné vlastnosti, povahové rysy, schopnosti a temperament.

Tyto rozdíly jsou vysvětleny rozdíly v genotypech- soubory genů organismu; Každý z nich je jedinečný. Genetické vlastnosti konkrétního organismu jsou ztělesněny v proteinech- proto se struktura proteinu jednoho člověka liší, i když velmi nepatrně, od proteinu jiného člověka.

Neznamená tože žádní dva lidé nemají úplně stejné bílkoviny. Proteiny, které plní stejné funkce, mohou být stejné nebo se od sebe liší jen nepatrně jednou nebo dvěma aminokyselinami. Ale na Zemi nejsou žádní lidé (s výjimkou jednovaječných dvojčat), kteří by měli všechny stejné bílkoviny.

Informace o primární struktuře proteinu kódovaná jako sekvence nukleotidů v části molekuly DNA - gen – jednotka dědičné informace organismu. Každá molekula DNA obsahuje mnoho genů. Tvoří jej souhrn všech genů organismu genotyp .

Ke kódování dědičné informace dochází pomocí genetický kód , který je univerzální pro všechny organismy a liší se pouze střídáním nukleotidů tvořících geny a kódujících proteiny konkrétních organismů.

Genetický kód skládá se z triplety nukleotidů DNA se kombinuje různými způsoby sekvence(AAT, GCA, ACG, TGC atd.), z nichž každý kóduje specifické aminokyselina(který bude integrován do polypeptidového řetězce).

Aminokyseliny 20, A příležitosti pro kombinace čtyř nukleotidů ve skupinách po třech – 64 čtyři nukleotidy stačí ke kódování 20 aminokyselin

Proto jedna aminokyselina lze zakódovat několik trojčat.

Některé triplety nekódují aminokyseliny vůbec, ale Spustí nebo zastaví biosyntéza bílkovin.

Vlastně kód počítá sekvence nukleotidů v molekule mRNA, protože odstraňuje informaci z DNA (proces přepisy) a převádí ji na sekvenci aminokyselin v molekulách syntetizovaných proteinů (proces vysílání).

Složení mRNA zahrnuje ACGU nukleotidy, jejichž triplety se nazývají kodony: triplet na DNA CGT na mRNA se stane tripletem GCA a triplet DNA AAG se stane tripletem UUC.

Přesně mRNA kodony genetický kód se odráží v záznamu.

Tím pádem, genetický kód - jeden systém záznam dědičné informace v molekulách nukleové kyseliny ve formě sekvence nukleotidů. Genetický kód na základě o použití abecedy sestávající pouze ze čtyř písmen-nukleotidů, lišících se dusíkatými bázemi: A, T, G, C.

Základní vlastnosti genetického kódu :

1. Genetický kód je triplet. Triplet (kodon) je sekvence tří nukleotidů kódujících jednu aminokyselinu. Protože proteiny obsahují 20 aminokyselin, je zřejmé, že každá z nich nemůže být kódována jedním nukleotidem (protože v DNA jsou pouze čtyři typy nukleotidů, v tomto případě zůstává nekódováno 16 aminokyselin). Dva nukleotidy také nestačí ke kódování aminokyselin, protože v tomto případě může být kódováno pouze 16 aminokyselin. To znamená, že nejmenší počet nukleotidů kódujících jednu aminokyselinu jsou tři. (V tomto případě je počet možných nukleotidových tripletů 4 3 = 64).

2. Redundance (degenerace) Kód je důsledkem jeho tripletové povahy a znamená, že jedna aminokyselina může být kódována několika triplety (protože existuje 20 aminokyselin a 64 tripletů), s výjimkou methioninu a tryptofanu, které jsou kódovány pouze jedním tripletem. Některé triplety navíc plní specifické funkce: v molekule mRNA jsou triplety UAA, UAG, UGA stop kodony, tedy stop signály, které zastavují syntézu polypeptidového řetězce. Triplet odpovídající methioninu (AUG), umístěný na začátku řetězce DNA, nekóduje aminokyselinu, ale plní funkci iniciačního (vzrušujícího) čtení.

3. Spolu s redundancí má kód vlastnost jednoznačnost: Každý kodon odpovídá pouze jedné specifické aminokyselině.

4. Kód je kolineární, těch. sekvence nukleotidů v genu přesně odpovídá sekvenci aminokyselin v proteinu.

5. Genetický kód se nepřekrývá a je kompaktní, tedy neobsahuje „interpunkční znaménka“. To znamená, že proces čtení neumožňuje překrývání sloupců (tripletů) a počínaje určitým kodonem probíhá čtení kontinuálně, triplet po tripletu, dokud nezazní signál stop ( stop kodony).

6. Genetický kód je univerzální, tj. jaderné geny všech organismů kódují informace o proteinech stejným způsobem, bez ohledu na úroveň organizace a systematické postavení těchto organismů.

Existují tabulky genetického kódu pro dekódování mRNA kodonů a konstrukci řetězců proteinových molekul.

Reakce syntézy šablon.

Reakce neznámé v neživé přírodě se vyskytují v živých systémech - reakce syntéza matrice .

termín "matice"„V technologii označují formu používanou pro odlévání mincí, medailí a typografických písem: tvrzený kov přesně reprodukuje všechny detaily formy používané pro odlévání. Maticová syntéza připomíná odlévání na matrici: nové molekuly jsou syntetizovány přesně podle plánu stanoveného ve struktuře existujících molekul.

Princip matice spočívá v jádru nejdůležitější syntetické reakce buňky, jako je syntéza nukleových kyselin a proteinů. Tyto reakce zajišťují přesnou, přísně specifickou sekvenci monomerních jednotek v syntetizovaných polymerech.

Probíhá zde směrová akce. tahání monomerů na konkrétní místo buňky – na molekuly, které slouží jako matrice, kde probíhá reakce. Pokud by k takovým reakcím docházelo v důsledku náhodných srážek molekul, probíhaly by nekonečně pomalu. Syntéza komplexních molekul na principu templátu se provádí rychle a přesně.

Role matice makromolekuly nukleových kyselin DNA nebo RNA hrají v matricových reakcích.

Monomerní molekuly ze kterých je polymer syntetizován - nukleotidy nebo aminokyseliny - v souladu s principem komplementarity, jsou umístěny a fixovány na matrici v přesně definovaném, specifikovaném pořadí.

Pak se to stane "zesíťování" monomerních jednotek do polymerního řetězce a hotový polymer se vypustí z matrice.

Poté matrice je připravena k sestavení nové molekuly polymeru. Je jasné, že stejně jako na danou formu lze odlít pouze jednu minci nebo jedno písmeno, tak na danou molekulu matrice lze „sestavit pouze jeden polymer“.

Typ reakce matice- specifikum chemie živých soustav. Jsou základem základní vlastnosti všeho živého – jeho schopnost reprodukovat svůj vlastní druh.

NA reakce syntézy matrice zahrnout:

1. Replikace DNA - proces autoduplikace molekuly DNA, prováděný pod kontrolou enzymů. Na každém z řetězců DNA vzniklých po přetržení vodíkových vazeb je za účasti enzymu DNA polymerázy syntetizován dceřiný řetězec DNA. Materiálem pro syntézu jsou volné nukleotidy přítomné v cytoplazmě buněk.

Biologický význam replikace spočívá v přesném přenosu dědičné informace z mateřské molekuly na molekuly dceřiné, k čemuž běžně dochází při dělení somatických buněk.

Molekula DNA se skládá ze dvou komplementárních řetězců. Tyto řetězce jsou drženy pohromadě slabými vodíkovými vazbami, které mohou být rozbity enzymy.

Molekula je schopná samoduplikace (replikace) a na každé staré polovině molekuly se syntetizuje nová polovina.

Kromě toho lze na molekule DNA syntetizovat molekulu mRNA, která pak přenáší přijatou informaci z DNA do místa syntézy proteinů.

Přenos informace a syntéza proteinů probíhají podle matricového principu, srovnatelného s prací tiskařský lis v tiskárně. Informace z DNA jsou mnohokrát kopírovány. Pokud se při kopírování vyskytnou chyby, budou se opakovat ve všech následujících kopiích.

Pravda, některé chyby při kopírování informací molekulou DNA lze opravit – nazývá se proces eliminace chyb reparace. První z reakcí v procesu přenosu informace je replikace molekuly DNA a syntéza nových řetězců DNA.

2. transkripce – syntéza i-RNA na DNA, proces odstraňování informace z molekuly DNA, syntetizované na ní molekulou i-RNA.

I-RNA se skládá z jednoho řetězce a je syntetizována na DNA v souladu s pravidlem komplementarity za účasti enzymu, který aktivuje začátek a konec syntézy molekuly i-RNA.

Hotová molekula mRNA vstupuje do cytoplazmy na ribozomy, kde dochází k syntéze polypeptidových řetězců.

3. přenos - syntéza proteinů pomocí mRNA; proces převodu informace obsažené v nukleotidové sekvenci mRNA do sekvence aminokyselin v polypeptidu.

4 .syntéza RNA nebo DNA z RNA virů

Sled reakcí matrice během biosyntézy proteinů lze znázornit jako systém:

nepřepsaný řetězec DNA		A T G	G G C	T A T
transkribovaný řetězec DNA		T A C	Ts Ts G	A T A
DNA transkripce
mRNA kodony		A U G	G G C	U A U
translace mRNA
antikodony tRNA		U A C	Ts Ts G	A U A
proteinové aminokyseliny		methionin	glycin	tyrosin

Tím pádem, biosyntéza bílkovin- jedná se o jeden z typů plastické výměny, při které se dědičná informace zakódovaná v genech DNA implementuje do specifické sekvence aminokyselin v molekulách bílkovin.

Molekuly bílkovin jsou v podstatě polypeptidové řetězce složený z jednotlivých aminokyselin. Aminokyseliny však nejsou dostatečně aktivní, aby se navzájem kombinovaly samy o sobě. Než se tedy aminokyseliny spojí a vytvoří molekulu proteinu, musí aktivovat. K této aktivaci dochází působením speciálních enzymů.

V důsledku aktivace se aminokyselina stává labilnější a pod vlivem stejného enzymu se váže na tRNA. Každá aminokyselina přesně odpovídá specifická tRNA, který najde„její“ aminokyseliny a převody to do ribozomu.

V důsledku toho různé aktivované aminokyseliny spojené s jejich tRNA. Ribozom je jako dopravník sestavit proteinový řetězec z různých aminokyselin, které mu byly dodány.

Současně s t-RNA, na které „sedí“ její vlastní aminokyselina signál" z DNA, která je obsažena v jádře. V souladu s tímto signálem je v ribozomu syntetizován jeden nebo druhý protein.

Řídící vliv DNA na syntézu proteinů se neprovádí přímo, ale pomocí speciálního prostředníka - matice nebo messenger RNA (m-RNA nebo i-RNA), který syntetizované v jádře ovlivněna DNA, takže její složení odráží složení DNA. Molekula RNA je jako odlitek formy DNA. Syntetizovaná mRNA vstupuje do ribozomu a jakoby ji přenáší do této struktury plán- v jakém pořadí se musí aktivované aminokyseliny vstupující do ribozomu vzájemně kombinovat, aby se syntetizoval konkrétní protein? V opačném případě, genetická informace zakódovaná v DNA je přenesena do mRNA a poté do proteinu.

Molekula mRNA vstupuje do ribozomu a stehy její. Ten jeho segment, který je v tento moment v ribozomu, definované kodon (triplet), interaguje zcela specifickým způsobem s těmi, které jsou mu strukturálně podobné triplet (antikodon) v transferové RNA, která přinesla aminokyselinu do ribozomu.

Přeneste RNA s její aminokyselinou sedí ke specifickému kodonu mRNA a spojuje s ním; do další sousední oblasti mRNA je připojena další tRNA jinou aminokyselinu a tak dále, dokud není přečten celý řetězec i-RNA, dokud nejsou všechny aminokyseliny redukovány ve vhodném pořadí, čímž se vytvoří molekula proteinu.

A tRNA, která dodala aminokyselinu do určité části polypeptidového řetězce, zbavený své aminokyseliny a opouští ribozom.

Pak znovu v cytoplazmě může se k němu připojit požadovaná aminokyselina a znovu přenese to do ribozomu.

V procesu syntézy proteinů se současně neúčastní jeden, ale několik ribozomů - polyribozomů.

Hlavní fáze přenosu genetické informace:

syntéza na DNA jako templátu mRNA (transkripce)

syntéza polypeptidového řetězce v ribozomech podle programu obsaženého v mRNA (translace).

Stupně jsou univerzální pro všechny živé bytosti, ale časové a prostorové vztahy těchto procesů se u pro- a eukaryot liší.

U eukaryota transkripce a translace jsou přísně odděleny v prostoru a čase: v jádře dochází k syntéze různých RNA, po které musí molekuly RNA opustit jádro průchodem jadernou membránou. RNA jsou pak transportovány v cytoplazmě do místa syntézy proteinů – ribozomů. Teprve poté přichází další fáze – vysílání.

U prokaryot probíhá transkripce a translace současně.

Tedy,

místem syntézy bílkovin a všech enzymů v buňce jsou ribozomy - je to jako "továrny" protein, jako montážní dílna, kam jsou dodávány všechny materiály potřebné pro sestavení polypeptidového řetězce proteinu z aminokyselin. Povaha syntetizovaného proteinu závisí na struktuře i-RNA, na pořadí uspořádání nukleoidů v ní a struktura i-RNA odráží strukturu DNA, takže v konečném důsledku je specifická struktura proteinu, tj. pořadí uspořádání různých aminokyselin v něm, závisí na pořadí uspořádání nukleoidů v DNA, od struktury DNA.

Uvedená teorie biosyntézy bílkovin se nazývá maticová teorie. Matrix tuto teorii volal protožeže nukleové kyseliny hrají roli matric, ve kterých jsou zaznamenány všechny informace týkající se sekvence aminokyselinových zbytků v molekule proteinu.

Vytvoření maticové teorie biosyntézy proteinů a dekódování kódu aminokyselin je největší vědecký úspěch XX století, nejdůležitější krok k objasnění molekulárního mechanismu dědičnosti.

Tématické úkoly

A1. Které tvrzení je nepravdivé?

1) genetický kód je univerzální

2) genetický kód je zdegenerovaný

3) genetický kód je individuální

4) genetický kód je triplet

A2. Jeden triplet DNA kóduje:

1) sekvence aminokyselin v proteinu

2) jeden znak organismu

3) jedna aminokyselina

4) několik aminokyselin

A3. "Interpunkční znaménka" genetického kódu

1) spouští syntézu bílkovin

2) zastavit syntézu bílkovin

3) kódují určité proteiny

4) kódují skupinu aminokyselin

A4. Pokud je u žáby aminokyselina VALINE kódována tripletem GUU, pak u psa může být tato aminokyselina kódována triplety:

1) GUA a GUG

2) UTC a UCA

3) TsUTs a TsUA

4) UAG a UGA

A5. Syntéza bílkovin je v tuto chvíli dokončena

1) rozpoznávání kodonů antikodonem

2) vstup mRNA do ribozomů

3) výskyt „interpunkčního znaménka“ na ribozomu

4) připojení aminokyseliny k t-RNA

A6. Označte dvojici buněk, ve kterých jeden člověk obsahuje různé genetické informace?

1) jaterní a žaludeční buňky

2) neuron a leukocyt

3) svalové a kostní buňky

4) buňka jazyka a vejce

A7. Funkce mRNA v procesu biosyntézy

1) ukládání dědičných informací

2) transport aminokyselin do ribozomů

3) přenos informací do ribozomů

4) urychlení procesu biosyntézy

A8. Antikodon tRNA se skládá z UCG nukleotidů. Který triplet DNA je k němu komplementární?