Totalitatea reacțiilor de sinteză biologică se numește schimb plastic, sau asimilare. Denumirea acestui tip de schimb reflectă esența acestuia: din substanțe simple care intră în celulă din exterior, se formează substanțe asemănătoare cu substanțele celulei.
Luați în considerare una dintre cele mai importante forme de metabolism plastic - biosinteza proteinelor. Întreaga varietate de proprietăți ale proteinelor este determinată în cele din urmă de structura primară, adică de secvența de aminoacizi. Un număr mare de combinații unice de aminoacizi selectate prin evoluție sunt reproduse prin sinteza acizilor nucleici cu o astfel de secvență de baze azotate care corespunde secvenței de aminoacizi din proteine. Fiecare aminoacid din lanțul polipeptidic corespunde unei combinații de trei nucleotide - un triplet.
Procesul de realizare a informațiilor ereditare în biosinteză se desfășoară cu participarea a trei tipuri de acizi ribonucleici: informațional (matrice) - ARNm (ARNm), ribozomal - ARNr și transport - ARNt. Toți acizii ribonucleici sunt sintetizați în regiunile corespunzătoare ale moleculei de ADN. Sunt mult mai mici decât ADN-ul și sunt un singur lanț de nucleotide. Nucleotidele conțin un reziduu de acid fosforic (fosfat), un zahăr pentoză (riboză) și una dintre cele patru baze azotate - adenină, citozină, guanină și uracil. Baza azotată, uracilul, este complementară adeninei.
Procesul de biosinteză este complex și include o serie de etape - transcriere, splicing și traducere.
Prima etapă (transcripția) are loc în nucleul celulei: ARNm este sintetizat la locul unei anumite gene a moleculei de ADN. Această sinteză se realizează cu participarea unui complex de enzime, principala dintre acestea fiind ARN polimeraza dependentă de ADN, care se atașează la punctul inițial (inițial) al moleculei de ADN, desfășoară dubla helix și, deplasându-se de-a lungul uneia dintre catenele, sintetizează o catenă complementară de ARNm alături. Ca urmare a transcripției, ARNm conține informații genetice sub forma unei alternanțe secvențiale de nucleotide, a căror ordine este exact copiată din secțiunea corespunzătoare (gena) a moleculei de ADN.
Studii ulterioare au arătat că așa-numitul pro-ARNm este sintetizat în timpul transcripției, un precursor al ARNm matur implicat în traducere. Pro-ARNm are în mod semnificativ dimensiuni mariși conține fragmente care nu codifică pentru sinteza lanțului polipeptidic corespunzător. În ADN, împreună cu regiunile care codifică ARNr, ARNt și polipeptide, există fragmente care nu conțin informații genetice. Se numesc introni, spre deosebire de fragmentele codificatoare, care se numesc exoni. Intronii se găsesc în multe regiuni ale moleculelor de ADN. Deci, de exemplu, într-o genă - o regiune ADN care codifică ovalbumina de pui, există 7 introni, în gena albuminei serice de șobolan - 13 introni. Lungimea intronului variază de la două sute la o mie de perechi de nucleotide ADN. Intronii sunt citiți (transcriși) în același timp cu exonii, astfel încât pro-ARNm este semnificativ mai lung decât ARNm matur. În nucleul din pro-ARNm, intronii sunt tăiați de enzime speciale, iar fragmentele de exon sunt „splicate” împreună într-o ordine strictă. Acest proces se numește îmbinare. În procesul de splicing, se formează un ARNm matur, care conține doar informațiile necesare pentru sinteza polipeptidei corespunzătoare, adică partea informativă a genei structurale.
Semnificația și funcțiile intronilor nu au fost încă pe deplin elucidate, dar s-a stabilit că dacă numai porțiuni de exoni sunt citite în ADN, ARNm matur nu se formează. Procesul de splicing a fost studiat folosind gena ovalbuminei ca exemplu. Conține un exon și 7 introni. În primul rând, pro-ARNm care conține 7700 de nucleotide este sintetizat pe ADN. Apoi, în pro-ARNm, numărul de nucleotide scade la 6800, apoi la 5600, 4850, 3800, 3400 etc., până la 1372 de nucleotide corespunzătoare exonului. ARNm care conține 1372 de nucleotide părăsește nucleul în citoplasmă, intră în ribozom și sintetizează polipeptida corespunzătoare.
Următoarea etapă a biosintezei - traducerea - are loc în citoplasma pe ribozomi cu participarea ARNt.
ARN-urile de transfer sunt sintetizate în nucleu, dar funcționează în stare liberă în citoplasma celulei. O moleculă de ARNt conține 76-85 de nucleotide și are o structură destul de complexă, asemănătoare unei frunze de trifoi. Trei secțiuni ale ARNt au o importanță deosebită: 1) un anticodon, constând din trei nucleotide, care determină locul de atașare a ARNt la codonul complementar corespunzător (ARNm) de pe ribozom; 2) un situs care determină specificitatea ARNt, capacitatea unei molecule date de a se atașa numai la un aminoacid specific; 3) un situs acceptor de care este atașat un aminoacid. Este același pentru toate ARNt-urile și constă din trei nucleotide - C-C-A. Atașarea unui aminoacid la ARNt este precedată de activarea acestuia de către enzima aminoacil-ARNt sintetaza. Această enzimă este specifică fiecărui aminoacid. Aminoacidul activat se atașează de ARNt-ul corespunzător și este livrat de acesta la ribozom.
Locul central în translație aparține ribozomilor - organele ribonucleoproteice ale citoplasmei, care sunt prezente în multe din ele. Dimensiunea ribozomilor la procariote este în medie de 30x30x20 nm, la eucariote - 40x40x20 nm. De obicei, mărimile lor sunt determinate în unități de sedimentare (S) - viteza de sedimentare în timpul centrifugării în mediul adecvat. În bacteria Escherichia coli, ribozomul are o dimensiune de 70S și este format din două subparticule, dintre care una are o constantă de 30S, a doua 50S și conține 64% ARN ribozomal și 36% proteine.
Molecula de ARNm iese din nucleu în citoplasmă și se atașează la o subunitate mică a ribozomului. Traducerea începe cu așa-numitul codon de început (inițiator de sinteză) - A-U-G-. Când ARNt furnizează un aminoacid activat la ribozom, anticodonul său este legat de hidrogen de nucleotidele codonului complementar al ARNm. Capătul acceptor al ARNt cu aminoacidul corespunzător este atașat de suprafața subunității mari a ribozomului. După primul aminoacid, un alt ARNt furnizează următorul aminoacid și, astfel, un lanț polipeptidic este sintetizat pe ribozom. O moleculă de ARNm funcționează de obicei pe mai mulți (5-20) ribozomi simultan, conectați în polizomi. Începutul sintezei unui lanț polipeptidic se numește inițiere, creșterea sa se numește alungire. Secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic este determinată de secvența de codoni din ARNm. Sinteza lanțului polipeptidic se oprește atunci când unul dintre codonii terminatori apare pe ARNm - UAA, UAG sau UGA. Sfârșitul sintezei unui lanț polipeptidic dat se numește terminare.
S-a stabilit că în celulele animale lanțul polipeptidic se prelungește cu 7 aminoacizi într-o secundă, iar ARNm avansează pe ribozom cu 21 de nucleotide. La bacterii, acest proces se desfășoară de două până la trei ori mai repede.
În consecință, sinteza structurii primare a moleculei proteice - lanțul polipeptidic - are loc pe ribozom în conformitate cu ordinea alternanței nucleotidelor din matricea acidului ribonucleic - ARNm. Nu depinde de structura ribozomului.
Schița lecției
: „Sinteza proteinelor în celulă”(Pentru profilul clasa a X-a, durata lecției este de 2 ore)
Profesor: Anna Mastyukhina
MOU „Școala secundară numită după generalul Zakharkin I.G.”
Obiectivul lecției:
Educational:
exploracaracteristicile biosintezei proteinelor în celulă, invata concepte:genă, cod genetic, triplet, codon, anticodon, transcripție, traducere, polizom; Psă continue formarea cunoștințelor despre mecanismele biosintezei proteinelor folosind exemplul de traducere; elucidarea rolului ARN-urilor de transport în procesul de biosinteză a proteinelor; dezvăluie mecanismele sintezei matriceale a lanțului polipeptidic pe ribozomi.În curs de dezvoltare:
în scopul dezvoltării interesului cognitiv al elevilorpregătiți mesajele în avans« Fapte interesante despre genă”, „Cod genetic”, „Transcriere și traducere”). Pentru a dezvolta abilități de muncă practicăva face un syncwin. Pentru a dezvolta gândirea logicăinvata sa rezolvi problemele.Educational:
Pentru a forma o viziune științifică asupra lumii, pentru a demonstra importanța și semnificația sintezei proteinelor în celule, precum și necesitatea lor vitală.F.O.U.R
.: lecție.Tipul de lecție
: combinateTipul de lecție
: cu prezentarea „Sinteza proteinelor în celulă” și demonstrarea modelelor magnetice.Echipament:
prezentarea „Sinteza proteinelor în celulă”; tabelul „Cod genetic”; Schema „Formarea i-ARN pe matrița ADN (transcripție)”; Schema „Structura t-ARN”; Schema „Sinteza proteinelor în ribozomi (traducere)”; Schema „Sinteza proteinelor pe polizom”; Cărți cu sarcini și cuvinte încrucișate; modele magnetice.În timpul orelor:
Metode și tehnici metodologice:
eu
.Organizarea clasei.În lecțiile anterioare, am studiat substanțele numite acizi nucleici. Din cauza
pe care le-am considerat două dintre tipurile lor: ADN și ARN, s-au familiarizat cu structura și funcțiile lor. S-a constatat că compoziția fiecărui acizi nucleici include patru baze azotate diferite, care sunt conectate între ele conform principiului complementarității. Vom avea nevoie de toate aceste cunoștințe atunci când studiem noua temă de astăzi.
Așa că notează-i numele în cărțile de lucru „Sinteza proteinelor într-o celulă”.II
.Învățare material nou:1) Actualizare de cunoștințe:
Înainte de a trece la studiul unui nou subiect, să ne amintim: ce este metabolismul (metabolismul):
METABOLISM - totalitatea tuturor reacțiilor enzimatice ale celulei, legate între ele și cu Mediul extern constând din plastic
și schimburi de energie.
Să facem un syncwin, primul cuvânt al căruia este metabolism.
(1-metabolism2-plastic, energetic
3-curge, absoarbe, excretă
4-set de reacții enzimatice ale celulei
5-metabolism)
Biosinteza proteinelor
se referă la reacții de schimb plastic. Biosinteza proteinelor – cel mai important proces din natură. Aceasta este crearea de molecule de proteine bazate pe informații despre secvența de aminoacizi din structura sa primară conținută în structura ADN-ului.Sarcină: Completați propozițiile completând termenii lipsă.
1. Fotosinteza este...
(sinteza substanţelor organice în lumină).2. Procesul de fotosinteză se desfășoară în organelele celulei - ...
(cloroplaste).3. Oxigenul liber în timpul fotosintezei este eliberat în timpul divizării...
(apă).4. În ce stadiu al fotosintezei se formează oxigenul liber? Pe …
(ușoară).5. În timpul etapei de lumină... ATP.
(Sintetizat.)6. În stadiul întunecat, ... se formează în cloroplast.
(carbohidratul primar este glucoza).7. Când soarele contează pe clorofilă, ...
(excitația electronilor).8. Fotosinteza are loc în celule...
(plante verzi).9. Faza ușoară a fotosintezei are loc în...
(tilacoizi).10. Faza întunecată are loc la...
(orice) Partea zilei.Cel mai important proces de asimilare în celulă este
proteinele sale inerente.Fiecare celulă conține mii de proteine, inclusiv cele inerente numai această specie celule. Deoarece toate proteinele sunt distruse mai devreme sau mai târziu în cursul vieții, celula trebuie să sintetizeze continuu proteine pentru a-și restabili.
, organite etc. În plus, multe celule „fabrica” proteine pentru nevoile întregului organism, de exemplu, celulele glandelor endocrine care secretă hormoni proteici în sânge. În astfel de celule, sinteza proteinelor este deosebit de intensivă.2) Învățare material nou:
Sinteza proteinelor necesită multă energie.
Sursa acestei energii, ca și pentru toate procesele celulare, este
. Diversitatea funcțiilor proteinelor este determinată de structura lor primară, adică. secvența de aminoacizi din molecula lor. La rândul său, ereditar despre structura primară a proteinei constă în secvența nucleotidelor din molecula de ADN. Secțiunea de ADN care conține informații despre structura primară a unei singure proteine se numește genă. Un cromozom conține informații despre structura a multor sute de proteine.
Cod genetic.
Fiecare aminoacid dintr-o proteină
corespunde unei secvențe de trei nucleotide situate una după alta - un triplet. Până în prezent, a fost întocmită o hartă a codului genetic, adică se știe ce combinații triplete de nucleotide ADN corespund unuia sau altuia dintre cei 20 de aminoacizi care alcătuiesc proteinele (Fig. 33). După cum știți, patru baze azotate pot fi incluse în ADN: adenină (A), guanină (G), timină (T) și citozină (C). Numărul de combinații de la 4 la 3 este: 43 = 64, adică 64 de aminoacizi diferiți pot fi codificați, în timp ce doar 20 de aminoacizi sunt codificați. S-a dovedit că mulți aminoacizi corespund nu unuia, ci mai multor tripleți - codoni.Se presupune că această proprietate a codului genetic crește fiabilitatea stocării și transmiterii informațiilor genetice în timpul diviziunii celulare. De exemplu, 4 codoni corespund aminoacidului alanină: CGA, CHG, CHT, CHC și se dovedește că o eroare aleatorie în a treia nucleotidă nu poate afecta structura proteinei - va fi totuși un codon alanină.
Deoarece molecula de ADN conține sute de gene, include în mod necesar tripleți, care sunt „semne de punctuație” și indică începutul și sfârșitul unei anumite gene.
O proprietate foarte importantă a codului genetic este specificitatea, adică un triplet desemnează întotdeauna un singur aminoacid. Codul genetic este universal pentru toate organismele vii, de la bacterii la oameni.
Transcriere. Purtătorul tuturor informațiilor genetice este ADN-ul, situat în
Citoplasma trebuie să conțină un set de aminoacizi necesari sintezei proteinelor. Acești aminoacizi se formează ca urmare a descompunerii proteinelor alimentare. În plus, unul sau altul aminoacid poate ajunge la locul sintezei directe a proteinelor, adică în ribozom, numai prin atașarea la un ARN de transfer special (t-ARN).
ARN de transport.
Pentru transferul fiecărui tip de aminoacid la ribozom, este necesar un tip separat de ARNt. Deoarece există aproximativ 20 de aminoacizi în proteine, există tot atâtea tipuri de ARNt. Structura tuturor ARNt-urilor este similară (Fig. 35). Moleculele lor formează structuri deosebite care seamănă cu o frunză de trifoi. Tipurile de ARNt diferă în mod necesar prin tripletul de nucleotide situat „în partea de sus”. Acest triplet, numit anticodon, corespunde în codul său genetic cu aminoacidul pe care trebuie să îl transporte acest ARNt. O enzimă specială leagă de „pețiolul frunzei” aminoacidul codificat de tripletul complementar anticodonului.
Difuzare.
În citoplasmă, are loc ultima etapă a sintezei proteinelor - translația. La sfârșitul i-ARN-ului, de la care trebuie să înceapă sinteza proteinelor, este înșirat un ribozom (Fig. 36). Ribozomul se deplasează de-a lungul moleculei i-ARN intermitent, „sare”, zăbovind pe fiecare triplet timp de aproximativ 0,2 s. În acest moment, un t-ARN din mulți este capabil să „recunoaște” cu anticodonul său tripletul pe care se află ribozomul. Și dacă anticodonul este complementar acestui triplet ARNm, aminoacidul este desprins din „pețiolul frunzei” și este atașat printr-o legătură peptidică de lanțul proteic în creștere (Fig. 37). În acest moment, ribozomul se deplasează de-a lungul i-ARN până la următorul triplet, care codifică următorul aminoacid al proteinei sintetizate, iar următorul t-ARN „aduce” aminoacidul necesar, care formează lanțul proteic în creștere. Aceasta operatie se repeta de cate ori este numarul de aminoacizi pe care trebuie sa o contina proteina in constructie. Când ribozomul conține unul sau mai multe triplete, care este un „semnal de oprire” între gene, atunci nici un singur t-ARN nu se poate alătura unui astfel de triplet, deoarece t-ARN nu are anticodoni pentru ele. În acest moment, sinteza proteinelor se termină. Toate reacțiile descrise apar în intervale de timp foarte mici. Se estimează că sinteza unei molecule de proteine destul de mari durează doar aproximativ două minute.
Celula are nevoie nu de una, ci de multe molecule din fiecare proteină. Prin urmare, de îndată ce ribozomul, care a fost primul care a început sinteza proteinelor pe ARNm, se deplasează înainte, un al doilea ribozom, sintetizând aceeași proteină, este înșirat pe același ARNm. Apoi, al treilea și al patrulea ribozomi sunt înșirați secvențial pe i-ARN, etc. Toți ribozomii care sintetizează aceeași proteină codificată în acest i-ARN sunt numiți polizomi.
Când sinteza proteinelor este finalizată, ribozomul poate găsi un alt ARNm și poate începe să sintetizeze proteina a cărei structură este codificată în noul ARNm.
Astfel, translația este traducerea secvenței de nucleotide a unei molecule i-ARN în secvența de aminoacizi a proteinei sintetizate.
Se estimează că toate proteinele corpului unui mamifer pot fi codificate doar de două procente din ADN-ul conținut în celulele sale. Pentru ce sunt celelalte 98% din ADN? Se pare că fiecare genă este mult mai complicată decât se credea anterior și conține nu numai secțiunea în care este codificată structura unei proteine, ci și secțiuni speciale care pot „porni” sau „dezactiva” activitatea fiecărei gene. . De aceea, toate celulele, de exemplu corpul uman, având același set de cromozomi, sunt capabili să sintetizeze proteine diferite: în unele celule, sinteza proteinelor are loc cu ajutorul unor gene, în timp ce în altele sunt implicate gene complet diferite. Deci, în fiecare celulă este realizată doar o parte din informația genetică conținută în genele sale.
Sinteza proteinelor necesită participarea unui număr mare de enzime. Și pentru fiecare reacție individuală de sinteză a proteinelor, sunt necesare enzime specializate.
IV
.Material pentru fixare:Completați tabelul:
ÎN 1
Biosinteza proteinelor constă în două etape succesive: transcriere și translație.
Rezolva problema 1:
Se dau anticodoni ARNt: GAA, HCA, AAA, ACH. Folosind tabelul codului genetic, determinați secvența de aminoacizi din molecula de proteină, codonii ARNm și tripleții din fragmentul de genă care codifică această proteină.
Soluţie:
Codoni ARNm: TSUU - CGU - UUU - UGC.
Secvența de aminoacizi: leu - arg - fene - cis.
Tripleți ADN: GAA - HCA - AAA - ACH.
Sarcina 2
TGT-ACA-TTA-AAA-TsTsT. Determinați secvența de nucleotide ARNm și secvența de aminoacizi din proteina care este sintetizată sub controlul acestei gene.
Raspuns: ADN: TGT-ACA-TTA-AAA-CCT
ARNm: ACA-UGU-AAU-UUU-GGA
Proteine: tre---cis---asp---fen---gli.
ÎN 2
Rezolva problema 1:
Se dă un fragment dintr-o moleculă de ADN dublu catenar. Folosind tabelul codului genetic, determinați structura fragmentului moleculei de proteină codificată de acest segment de ADN:
AAA - TTT - YYY - CCC
TTT - AAA - CCC - YYY.
Soluţie:
Deoarece ARNm este întotdeauna sintetizat pe o singură catenă de ADN, care este de obicei descrisă în scris ca cea de sus, atunci
ARNm: UUU - AAA - CCC - GGY;
fragment proteic codificat lanț superior: uscator de par - liz - pro - gli.
Sarcina 2
: o secțiune de ADN are următoarea secvență de nucleotide:TGT-ACA-TTA-AAA-TsTsT. Determinați secvența de nucleotide a i-ARN și secvența de aminoacizi dintr-o proteină care este sintetizată sub controlul acestei gene.
Răspuns: ADN: AGG-TsT-TAT-YGG-TsGA
ARNm: UCC-GGA-AUA-CCC-GCU
Proteine: ser---gli---iso---pro---ala
Și acum haideți să ascultăm mesajele interesante pe care le-ați pregătit.
„Fapte interesante despre genă”
"Cod genetic"
„Transcriere și difuzare”
VI
.Rezumând lecția.1) Concluzie asupra lecției:
Unul dintre cele mai importante procese care au loc în celulă este sinteza proteinelor. Fiecare celulă conține mii de proteine, inclusiv cele inerente doar acestui tip de celulă. Deoarece în procesul vieții toate proteinele mai devreme sau mai târziusunt distruse, celula trebuie să sintetizeze continuu proteine pentru a-și reface membranele, organitele etc. În plus, multe celule produc proteine pentru nevoile întregului organism, de exemplu, celulele glandelor endocrine care secretă hormoni proteici în sânge. În astfel de celule, sinteza proteinelor este deosebit de intensivă. Sinteza proteinelor necesită multă energie. Sursa acestei energii, ca și pentru toate procesele celulare, este ATP.2) Rata muncă independentă elevii și munca lor la tablă. De asemenea, evaluați activitatea participanților la conversație și a vorbitorilor.
V
II . Teme pentru acasă:Repetați § 2.13.
Rezolva cuvintele încrucișate:
1. Secvența specifică de nucleotide situată la începutul fiecărei gene.
2. Tranziția secvenței de nucleotide a moleculei de ARNm în secvența AA a moleculei de proteină.
3. Semnul începutului emisiunii.
4. Un purtător de informații genetice situat în nucleul celulei.
5. O proprietate a codului genetic care crește fiabilitatea stocării și transmiterii informațiilor genetice în timpul diviziunii celulare.
6. O secțiune de ADN care conține informații despre structura primară a unei proteine.
7. O secvență de trei nucleotide ADN consecutive.
8. Toți ribozomii care sintetizează proteine pe o moleculă de ARNm.
9. Procesul de traducere a informațiilor despre secvența AK într-o proteină din „limbajul ADN” în „limbajul ARN”.
10. Un codon care nu codifică AA, ci indică doar că sinteza proteinelor trebuie să fie finalizată.
11. Structura, unde se determină secvența AK într-o moleculă de proteină.
12. Proprietate importantă cod genetic, care constă în faptul că un triplet codifică întotdeauna un singur AK.
13. „Semn de punctuație” în molecula de ADN, indicând faptul că sinteza ARNm trebuie oprită.
14. Cod genetic... pentru toate organismele vii de la bacterii la oameni.
- până la 2 minute
- discurs introductiv al profesorului
-35 de minute
-10 minute
-profesor
- la tabla 1 elev
elevii scriu în caiete
-profesor
- din loc
- diapozitivul 1 și 2
- slide 3
- slide 4
-diapozitivul 5
-diapozitivul 6
-diapozitivul 7 și 8
-diapozitivul 9 și 10
-diapozitivul 11 și 12
-diapozitivul 13
-diapozitivul 14
-diapozitivul 15 și 16
-diapozitivul 17 și 18
-diapozitivul 19 și 20
-tranzitie logica
-diapozitivul 21
-profesor
-25 de minute
-profesor
-profesor
-diapozitivul 22
-profesor
-diapozitivul 23
-diapozitivul 24
-diapozitivul 25
-15 minute
slide 27
-grupa numarul 1
-individual pe carduri
-grupa numarul 2
-individual pe carduri
-30 minute
- pregătit în avans
-diapozitivul 29
-10 minute (1 cont)
-10 minute (2 ac.)
-10 minute (3 credite)
-5 minute
-profesor
-3 minute
-diapozitivul 30
-pe cărți
Biosinteza proteinelor are loc în fiecare celulă vie. Este cel mai activ în celulele tinere în creștere, unde proteinele sunt sintetizate pentru construirea organelelor lor, precum și în celulele secretoare, unde sunt sintetizate proteinele enzimatice și proteinele hormonale.
Rolul principal în determinarea structurii proteinelor îi revine ADN-ului. O bucată de ADN care conține informații despre structura unei singure proteine se numește genă. O moleculă de ADN conține câteva sute de gene. O moleculă de ADN conține un cod pentru secvența de aminoacizi dintr-o proteină sub formă de nucleotide combinate definitiv. Codul ADN a fost descifrat aproape complet. Esența sa este următoarea. Fiecare aminoacid corespunde unei secțiuni a lanțului ADN din trei nucleotide adiacente.
De exemplu, secțiunea T-T-T corespunde aminoacidului lizină, segmentul A-C-A corespunde cistinei, C-A-A valinei etc. Există 20 de aminoacizi diferiți, numărul de combinații posibile de 4 nucleotide cu 3 este de 64. Prin urmare, există triplete mai mult decât suficiente pentru a codifica toți aminoacizii.
Sinteza proteinelor este un proces complex în mai multe etape care reprezintă un lanț de reacții sintetice care se desfășoară conform principiului sintezei matricei.
Deoarece ADN-ul este localizat în nucleul celulei, iar sinteza proteinelor are loc în citoplasmă, există un intermediar care transmite informații de la ADN la ribozomi. Un astfel de intermediar este ARNm. :
În biosinteza proteinelor, se determină următorii pași, care merg la părți diferite celule:
1. Prima etapă - sinteza i-ARN are loc în nucleu, timp în care informația conținută în gena ADN este rescrisă în i-ARN. Acest proces se numește transcriere (din latinescul „transcriere” – rescriere).
2. În a doua etapă, aminoacizii sunt legați de molecule de t-ARN, care constau secvenţial din trei nucleotide - anticodoni, cu ajutorul cărora se determină codonul lor triplet.
3. A treia etapă este procesul de sinteză directă a legăturilor polipeptidice, numită translație. Apare în ribozomi.
4. La a patra etapă are loc formarea structurii secundare și terțiare a proteinei, adică formarea structurii finale a proteinei.
Astfel, în procesul de biosinteză a proteinelor, se formează noi molecule de proteine în conformitate cu informațiile exacte încorporate în ADN. Acest proces asigură reînnoirea proteinelor, procesele metabolice, creșterea și dezvoltarea celulelor, adică toate procesele activității vitale a celulelor.
Cromozomii (din grecescul „chroma” – culoare, „soma” – corp) sunt structuri foarte importante ale nucleului celular. se joacă rol principalîn procesul de diviziune celulară, asigurând transferul informațiilor ereditare de la o generație la alta. Sunt catene subtiri de ADN atasate de proteine. Filamentele se numesc cromatide și sunt formate din ADN, proteine de bază (histone) și proteine acide.
Într-o celulă care nu se divide, cromozomii umplu întregul volum al nucleului și nu sunt vizibili la microscop. Înainte de a începe diviziunea, are loc spiralizarea ADN-ului și fiecare cromozom devine vizibil la microscop. În timpul spiralizării, cromozomii sunt reduse de zeci de mii de ori. În această stare, cromozomii arată ca două fire identice (cromatide) situate una lângă alta, conectate printr-un loc comun - centromerul.
Fiecare organism este caracterizat de un număr constant și de o structură de cromozomi. În celulele somatice, cromozomii sunt întotdeauna perechi, adică în nucleu există doi cromozomi identici care formează o pereche. Astfel de cromozomi se numesc omologi, iar seturile pereche de cromozomi din celulele somatice sunt numite diploide.
Deci, setul diploid de cromozomi la om este format din 46 de cromozomi, formând 23 de perechi. Fiecare pereche este formată din doi cromozomi identici (omologi).
Caracteristicile structurale ale cromozomilor fac posibilă distingerea celor 7 grupe ale acestora, care sunt notate cu literele latine A, B, C, D, E, F, G. Toate perechile de cromozomi au numere de serie.
Bărbații și femeile au 22 de perechi de cromozomi identici. Se numesc autozomi. Bărbații și femeile diferă într-o pereche de cromozomi, care se numesc cromozomi sexuali. Ele sunt desemnate prin litere - X mare (grupul C) și Y mic (grupul C). Corpul feminin are 22 de perechi de autozomi și o pereche (XX) de cromozomi sexuali. Bărbații au 22 de perechi de autozomi și o pereche (XY) de cromozomi sexuali.
Spre deosebire de celulele somatice, celulele germinale conțin jumătate din setul de cromozomi, adică conțin câte un cromozom din fiecare pereche! Un astfel de set se numește haploid. Setul haploid de cromozomi ia naștere în procesul de maturare celulară.
Proteinele joacă un rol foarte important în viața organismelor, îndeplinesc funcții de protecție, structurale, hormonale, energetice. Oferă creșterea țesutului muscular și osos. Proteinele informează despre structura celulei, despre funcțiile și proprietățile biochimice ale acesteia, fac parte din elementele valoroase, benefic pentru organism alimente (ouă, produse lactate, pește, nuci, leguminoase, secară și grâu). Digestibilitatea unui astfel de aliment se explică prin valoarea biologică. Cu un indicator egal al cantității de proteine, va fi mai ușor să digerați produsul a cărui valoare este mai mare. Polimerii defecte trebuie îndepărtați din corp și înlocuiți cu alții noi. Acest proces are loc în timpul sintezei proteinelor în celule.
Ce sunt proteinele
Substanțele care constau numai din reziduuri de aminoacizi sunt numite proteine simple (proteine). Dacă este necesar, folosiți-le proprietatea energetică Prin urmare, oamenii care duc un stil de viață sănătos au adesea nevoie de un aport suplimentar de proteine. Proteinele complexe, proteinele, sunt compuse dintr-o proteină simplă și o parte neproteică. Zece aminoacizi dintr-o proteină sunt esențiali, ceea ce înseamnă că organismul nu îi poate sintetiza singur, ei provin din alimente, în timp ce ceilalți zece sunt neesențiali, adică pot fi creați din alți aminoacizi. Așa începe procesul, vital pentru toate organismele.
Principalele etape ale biosintezei: de unde provin proteinele
Molecule noi sunt luate ca rezultat al biosintezei - reactie chimica conexiuni. Există două etape principale în sinteza proteinelor într-o celulă. Aceasta este transcrierea și traducerea. Transcrierea are loc în nucleu. Aceasta este o citire de la ADN (acid dezoxiribonucleic), care transportă informații despre viitoarea proteină, la ARN ( Acid ribonucleic), care transportă această informație de la ADN la citoplasmă. Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că ADN-ul nu participă direct la biosinteză, ci doar transportă informații, neputând pătrunde în citoplasmă unde este sintetizată proteina și îndeplinește doar funcția de purtător de informații genetice. Transcripția, pe de altă parte, face posibilă citirea datelor dintr-un șablon ADN în ARN conform principiului complementarității.
Rolul ARN-ului și ADN-ului în proces
Deci, începe sinteza proteinelor în celule printr-un lanț de ADN care poartă informații despre o anumită proteină și se numește genă. Lanțul de ADN se desfășoară în timpul transcripției, adică helixul său începe să se dezintegreze într-o moleculă liniară. Din ADN informațiile trebuie convertite în ARN. În acest proces, adenina ar trebui să devină opusă timinei. Citozina are guanina ca pereche, la fel ca ADN-ul. Opus adeninei, ARN-ul devine uracil, deoarece în ARN nu există o astfel de nucleotidă precum timina, ea este înlocuită pur și simplu de o nucleotidă uracil. Citozina este adiacentă guaninei. Opus adeninei este uracilul, iar asociat cu timina este adenina. Aceste molecule de ARN care stau vizavi se numesc ARN mesager (ARNm). Ei sunt capabili să iasă din nucleu prin pori în citoplasmă și ribozomi, care, de fapt, îndeplinesc funcția de sinteză a proteinelor în celule.
Despre complex în cuvinte simple
Acum, se face asamblarea secvențelor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic al proteinei. Transcripția poate fi numită citirea informațiilor despre viitoarea proteină din șablonul ADN în ARN. Aceasta poate fi definită ca prima etapă. După ce ARN-ul părăsește nucleul, trebuie să ajungă la ribozomi, unde are loc a doua etapă, numită translație.
Translația este deja tranziția ARN-ului, adică transferul de informații de la nucleotide la o moleculă proteică, atunci când ARN-ul spune ce secvență de aminoacizi ar trebui să fie în substanță. În această ordine, ARN-ul mesager intră în citoplasmă la ribozomi care sintetizează proteine în celulă: A (adenină) - G (guanină) - U (uracil) - C (citozină) - U (uracil) - A (adenină).
De ce sunt necesari ribozomi?
Pentru ca translația să aibă loc și să rezulte o proteină, sunt necesare componente precum ARN-ul mesager în sine, ARN-ul de transfer și ribozomii ca o „fabrică” în care este produsă proteina. În acest caz, funcționează două tipuri de ARN: informațional, care s-a format în nucleu cu ADN, și de transport. A doua moleculă de acid arată ca un trifoi. Acest „trifoi” atașează un aminoacid la sine și îl transportă la ribozomi. Adică, efectuează transportul compușilor organici direct la „fabrică” pentru formarea lor.
Cum funcționează ARNr-ul
Există, de asemenea, ARN-uri ribozomale care fac parte din ribozomul însuși și realizează sinteza proteinelor în celulă. Se pare că ribozomii sunt structuri non-membranare, nu au cochilii, cum ar fi nucleul sau reticulul endoplasmatic, ci pur și simplu constau din proteine și ARN ribozomal. Ce se întâmplă când o secvență de nucleotide, adică ARN mesager, ajunge la ribozomi?
ARN-ul de transfer, care este situat în citoplasmă, trage aminoacizii spre sine. De unde provin aminoacizii din celulă? Și se formează din cauza defalcării proteinelor care sunt ingerate cu alimente. Acești compuși sunt transportați de fluxul sanguin către celule, unde sunt produse proteinele necesare organismului.
Etapa finală în sinteza proteinelor în celule
Aminoacizii înoată în citoplasmă în același mod ca ARN-urile de transfer, iar atunci când asamblarea lanțului polipeptidic are loc direct, acești ARN-uri de transfer încep să se conecteze cu ei. Cu toate acestea, nu în orice secvență și nici ARN de transfer nu se poate combina cu toate tipurile de aminoacizi. Există un loc specific de care este atașat aminoacidul necesar. Al doilea segment al ARN-ului de transfer se numește anticodon. Acest element constă din trei nucleotide care sunt complementare cu secvența de nucleotide din ARN-ul mesager. Un aminoacid necesită trei nucleotide. De exemplu, orice proteină condiționată constă, pentru simplitate, doar din doi aminoacizi. Evident, majoritatea proteinelor au o structură foarte lungă, constând din mulți aminoacizi. Lanțul A - G - Y se numește triplet, sau codon, acesta va fi unit prin transfer de ARN sub formă de trifoi, la capătul căruia va fi un anumit aminoacid. Următorul triplet C-U-A va fi alăturat de un alt ARNt, care va conține un aminoacid complet diferit complementar acestei secvențe. În această ordine, va avea loc o asamblare ulterioară a lanțului polipeptidic.
Semnificația biologică a sintezei
Intre cei doi aminoacizi situati la capetele "trifoiilor" fiecarui triplet se formeaza o legatura peptidica. În această etapă, ARN-ul de transfer intră în citoplasmă. Apoi următorul ARN de transport cu un alt aminoacid se alătură tripleților, care formează un lanț polipeptidic cu cei doi anteriori. Acest proces se repetă până când se ajunge la secvența necesară de aminoacizi. Astfel, în celulă are loc sinteza proteinelor și se formează enzime, hormoni, substanțe din sânge etc.. Nu fiecare celulă produce vreo proteină. Fiecare celulă poate forma o proteină specifică. De exemplu, hemoglobina se va forma în eritrocite, iar hormonii și diverse enzime vor fi sintetizate de celulele pancreatice care descompun alimentele care intră în organism.
Proteinele actină și miozina se vor forma în mușchi. După cum se poate observa, procesul de sinteză a proteinelor în celule este în mai multe etape și complex, ceea ce indică importanța și necesitatea acestuia pentru toate ființele vii.
Capacitatea celulelor de a menține o organizare foarte ordonată depinde de informațiile genetice, care sunt realizate, stocate, reproduse sau îmbunătățite în patru procese genetice: sinteza ARN și proteinelor, repararea ADN-ului, replicarea ADN-ului și recombinarea genetică. Proteinele reprezintă de obicei mai mult de jumătate din masa uscată a celulei, iar sinteza lor joacă un rol major în procese precum creșterea și diferențierea celulelor, menținându-le structura și funcția.
Depinde de acțiunea comună a mai multor clase de molecule de ARN. În primul rând, ca rezultat al copierii ADN-ului care poartă informații despre proteina sintetizată, se formează o moleculă de ARN mesager (ARNm). O moleculă de ARN de transfer specific (ARNt) este atașată la fiecare dintre cei 20 de aminoacizi care alcătuiesc o proteină, iar unii factori proteici auxiliari sunt atașați la subunitățile ribozomului pe care are loc sinteza.
Începutul sintezei proteinelor într-o celulă este considerat momentul în care aceste componente se combină în citoplasmă, formând un ribozom funcțional. Pe măsură ce ARNm se deplasează prin ribozom pas cu pas, secvența sa de nucleotide este tradusă (transportată) în secvența adecvată de aminoacizi, rezultând un lanț proteic specific.
Sinteza ARN-ului pe un model de ADN se numește transcripție. Ca rezultat al transcripției, se formează molecule de ARNm care transportă informații pentru sinteza proteinelor în celulă, precum și molecule de transport, ribozomale și alte tipuri de molecule de ARN care îndeplinesc funcții structurale și catalitice. Sinteza acestor molecule de ARN - copii ale secvențelor de nucleotide ale secțiunilor moleculei de ADN - este catalizată de enzime numite ARN polimeraze.
Legătura ARN polimerază este foarte puternică dacă ARN polimeraza se atașează la o secvență specifică de ADN, la așa-numitul promotor care conține semnalul de start pentru sinteza ARN, adică la locul de la care ar trebui să înceapă această sinteză. Reacțiile care decurg din aceasta se caracterizează prin următoarele: având atașată la promotor, ARN polimeraza își desfășoară partea sa din dublu helix, expunând astfel nucleotidele pe un segment scurt din fiecare dintre cele două catene de ADN. Unul dintre aceste două lanțuri separate ar trebui să devină un șablon pentru împerecherea complementară a ADN-ului principal cu bazele monomerilor primiți - ribonucleozide trifosfați. Polimeraza conectează primii doi monomeri primiți și astfel inițiază lanțul de ARN sintetizat. Apoi ARN polimeraza, deplasându-se pas cu pas de-a lungul ADN-ului, desfășoară helixul ADN-ului în fața sa, expunând de fiecare dată o nouă secțiune a șablonului pentru împerecherea bazelor complementare. Adăugând o nucleotidă la lanțul de ARN în creștere, se formează treptat lanțul.
Procesul de alungire a lanțului de ARN continuă până când enzima întâlnește pe drum o altă secvență de nucleotide specifică în lanțul ADN și anume semnalul de terminare a transcripției (semnal stop). La atingerea acestui punct, polimeraza se separă atât de ADN-ul șablon, cât și de catena de ARN nou sintetizată. În timpul mișcării enzimei de-a lungul lanțului șablon, în centrul său activ se formează o dublă spirală ARN-ADN. În spatele moleculei de polimerază, care și-a încheiat activitatea de sinteză ADN-ARN, helixul ADN-ARN este imediat restaurat, iar ARN-ul este forțat să iasă. Fiecare lanț de ARN complet este separat de șablonul ADN ca o moleculă monocatenar liberă, în care numărul de nucleotide variază de la 70 la 10.000.
De regulă, una dintre firele de ADN este transcrisă. Care dintre cele două lanțuri va fi transcris este determinat de promotor, a cărui secvență de nucleotide este orientată în așa fel încât să direcționeze ARN polimeraza către una sau alta cale.
De asemenea, se știe că proteinele specifice care reglează activitatea genelor joacă un rol important în determinarea ce secțiuni de ADN vor fi transcrise de ARN polimeraza. De la ei, în primul rând, depinde ce proteine va produce celula. Mai mult, în celulele eucariote, majoritatea transcrierilor ADN ARN vor părăsi nucleul celulei și vor trece în citoplasmă sub formă de ARNm, suferind modificări semnificative - suferind splicing.
Toate celulele au un set de ARN de transfer (ARNt) - molecule mici ale căror dimensiuni variază de la 70 la 90 de nucleotide. Acești ARN, prin atașarea unui capăt la un codon ARNm specific și atașarea aminoacidului codificat de tripletul dat la celălalt capăt, permit aminoacizilor să se alinieze în ordinea dictată de secvența de nucleotide ARNm.
Fiecare ARNt poate transporta doar unul dintre cei 20 de aminoacizi folosiți în sinteza proteinelor. ARN-ul de transfer care poartă glicină este denumit ARNt Gly etc. Există un tip de ARNt pentru fiecare dintre cei 20 de aminoacizi. Este important ca fiecare aminoacid să fie atașat covalent de ARNt care conține anticodonul corect - o secvență de trei nucleotide complementară codonului de trei nucleotide care definește acest aminoacid într-o moleculă de ARNm. Împerecherea unui codon cu un anticodon permite ca fiecare aminoacid să fie inclus în lanțul proteic în creștere în ordinea dictată de secvența de nucleotide a ARNm. Deci codul genetic este folosit pentru a traduce (traduce) secvențele de nucleotide ale acizilor nucleici în secvențele de aminoacizi ale proteinelor.
catena de ARNm este colorată în roșu, ribozomii sunt albaștri, lanțurile polipeptidice în creștere sunt verzi. (Foto de Dr Elena Kiseleva).
Atașând un capăt la un aminoacid și împerechendu-se cu un codon la celălalt, ARNt traduce o secvență de nucleotide într-o secvență de aminoacizi. Funcția ARNt depinde de structura tridimensională a moleculei sale. Unde exact acest aminoacid va fi atașat la lanțul polipeptidic în creștere nu depinde de aminoacidul în sine, ci de molecula de ARNt care l-a atașat. Molecula de ARNt se leagă covalent de exact aminoacidul tuturor celor douăzeci de aminoacizi, care este partenerul său adevărat. Acest mecanism este asociat cu participarea enzimelor numite aminoacil-ARNt sintetaze, care atașează un aminoacid la setul adecvat de molecule de ARNt. Fiecare dintre aminoacizi are propria sa sintetază specială (există 20 de astfel de sintetaze): una se leagă, de exemplu, glicina la ARNt Gly, cealaltă se leagă alanina la tARN Ala etc. Astfel, moleculele de ARNt joacă rolul de adaptori terminali, traducând informațiile conținute în secvența de nucleotide a unui acid nucleic în limbajul unei proteine.
Reacțiile de sinteză a proteinelor necesită un stimul catalitic complex. Capătul în creștere al lanțului polipeptidic trebuie să se adapteze într-un anumit mod la molecula de ARNm pentru ca fiecare codon de ARNm ulterior să se conecteze cu precizie la anticodonul de ARNt fără a omite o singură nucleotidă. În caz contrar, acest lucru va duce la o schimbare în secvența de citire.
Mai mult de jumătate din masa ribozomului este ARN (ARNr), care joacă Rol cheieîn activitatea catalitică a ribozomului. Există trei situsuri diferite pe ribozom de care se leagă ARN - unul pentru ARNm și două pentru ARNt. Dintre ultimele două, un loc deține molecula de ARNt atașată la capătul în creștere al lanțului polipeptidic, deci este numit situsul de legare a peptidil-ARNt, sau situsul P.
Al doilea situs servește la reținerea doar a moleculei de ARNt sosite încărcată cu aminoacid. Se numește situl de legare a aminoacil-ARNt sau situsul A. O moleculă de ARNt este atașată ferm de ambele situsuri numai dacă anticodonul său se perechează cu codonul său complementar de ARNm. Siturile A și P sunt situate foarte aproape unul de celălalt - astfel încât cele două molecule de ARNt asociate cu ele se împerechează cu doi codoni adiacenți în molecula de ARNm.
Procesul de construire a unui lanț polipeptidic pe ribozomi poate fi considerat ca un ciclu format din trei etape separate:
- Molecula de aminoacil-ARNt se leagă de locul liber al ribozomului adiacent situsului P ocupat. Legarea este realizată prin împerecherea nucleotidelor anticodon cu trei nucleotide ARNm situate în situsul A.
- În a doua etapă, capătul carboxil al lanțului polipeptidic din situsul P este separat de molecula de ARNt și se formează o legătură peptidică cu aminoacidul atașat la molecula de ARNt din situsul A.
- Noul peptidil-ARNt este transferat la locul P al ribozomului, în timp ce ribozomul avansează exact trei nucleotide de-a lungul moleculei de ARNm.
Procesul de translocare, care este a treia etapă, include, de asemenea, întoarcerea unei molecule de ARNt liber care s-a separat de lanțul polipeptidic în situsul P în timpul celei de-a doua etape a pool-ului de ARNt citoplasmatic. Prin urmare, după finalizarea celei de-a treia etape, site-ul A neocupat poate accepta o nouă moleculă de ARNt încărcată cu următorul aminoacid, adică ciclul poate începe din nou.
Un proces foarte consumator de energie. Formarea fiecărei noi legături peptidice este însoțită de aranjarea a patru legături fosfat de înaltă energie. Două dintre ele sunt cheltuite pentru a încărca molecula de ARNt cu un aminoacid și două - pentru sinteza însăși în ciclul reacțiilor care au loc pe ribozom. La sfârșitul ciclului, peptidiltransferaza se leagă de peptidil-ARNt nu un aminoacid, ci o moleculă de H 2 O, datorită căreia capătul carboxil al lanțului polipeptidic în creștere este separat de molecula de ARNt - lanțul proteic este liber și intră. citoplasma.
Astfel, o celulă nou formată după diviziunea mitotică este înzestrată cu continuitatea speciei a materialului ereditar, ca urmare a transferului acesteia în procesul de diviziune în cantități egale la ambele celule fiice. Celulele fiice continuă procesul evolutiv fixat de metabolism al speciilor, dobândind proprietăți care sunt caracteristice unei populații celulare de țesut aparținând. Prin urmare, într-o perioadă scurtă, celulele nou formate suferă specializare (diferențiere) în funcție de afilierea lor principală fixată genetic. O serie de proprietăți devin extrem de comune pentru toate celulele, indiferent de sistemul de țesuturi în care acestea trebuie să își desfășoare ciclul de viață. Pentru a-și îndeplini funcțiile, celulele sunt înzestrate cu o serie de proprietăți înalt specializate.
Surse:
Citofiziologie / Lutsenko M.T. // Novosibirsk-Blagoveshchensk, 2011.