Az esszenciális aminosavak szintézise
A nagyobb növények képesek a fehérjeszintézishez szükséges összes aminosav szintetizálására, és erre a célra a megfelelő a-keto-savakat, valamint ammóniát vagy nitrátokat használhatják nitrogénforrásként. Az állatok és az emberek szervezete nem szintetizálja az összes szükséges aminosavat. Nem által szintetizált csak 10 a 20 szükséges, vagy esszenciális aminosavak: valin, leucin, izoleucin, treonin, metionin, fenil-alanin, triptofán, lizin, arginin, hisztidin.
Ezen aminosavak helyettesíthetetlensége az állatok és az emberek organizmusának növekedésére és fejlődésére a megfelelő a-keto-sav hiányával magyarázható, amelyből az aminálási eljárás során szintetizálhatnának.
Az egyes esszenciális aminosavak bioszintézisének sajátosságai vannak; sokkal bonyolultabb, mint a cserélhető aminosavak bioszintézise.
Mivel az egyes esszenciális aminosavak szintézisének sajátos sajátossága van, bizonyos általános rendelkezésekre korlátozódunk. Így a lizin, a treonin és a metionin három esszenciális aminosavát növényekben és mikroorganizmusokban szintetizálják aszparaginsavból.
Az izoleucin a treonin esszenciális aminosavából származó baktériumokból képződik. A fenilalanin növények többfokozatú szintézisét eritrosz-4-foszfátból és foszfopiruvátból hajtjuk végre; az utolsó előtti szakaszokban az aminocsoport a glutaminsavból származik. A hisztidin bioszintézisét, a gyermekek nélkülözhetetlen aminosavát baktériumokban és gombákban tanulmányozták. Az utolsó lépés a transzaminációs reakció, a glutaminsav pedig az aminocsoport donor szerepét is játssza. Nem vizsgálták a hisztidin bioszintézisének útját a magasabb rendű növényeknél. A fehérjék bioszintézisére a felcserélhető és pótolhatatlan aminosavakat használják.
A fehér bioszintézis mechanizmusának felfedezése a modern biokémia egyik legfontosabb és legérdekesebb problémája. Hozzávetődő számítások azt mutatják, hogy egy élő sejt több ezer különböző fehérjét tartalmaz, és az egész szervezetnek több tízezer egyedi fehérjemolekulát kell szintetizálnia.
Hogyan alakul ki tehát ilyen nagyszámú különböző fehérje a sejtben kis mennyiségű aminosav, és pontosan abban az időben és a szükséges mennyiségben? És hogyan vannak a fehérjék specifikus tulajdonságai generációról generációra? Az ilyen kérdések aggodalomra adnak okot a tudósok számára a világ minden tájáról. Az örökség átadásának alapjául szolgáló komplex életfolyamatok mechanizmusa csak az elmúlt 60 év során merült fel.
A fehérje bioszintézisének folyamata általánosnak bizonyult a Föld minden élőlényén - a legegyszerűbb baktériumsejtektől a magasabb növények, állatok és emberek felé. A sejtben lévő fehérje szintézise két olyan alapelvre épül, amelyek az élő rendszerekre jellemzőek, amelyek megkülönböztetik a biológiai rendszereket az élettelen természettől, a mátrix elvétől és a komplementaritás elvétől.
A mátrix elv szerint az interakció nem fordul elő olyan molekulák között, amelyek a rendszerben kaotikus mozgásban vannak, hanem a térben szervezett fix molekulák és rendszerek között.
Az egyik ilyen anyag szükségszerűen polimer, míg a másik lehet polimer vagy monomer. A mátrix szintézise alapvető minden olyan esetben, amikor az újonnan szintetizált biopolimerben előre meghatározott monomerek sorozatát kell biztosítani.
A mátrixszintézis elve a komplementaritás elvén keresztül valósul meg. Ez a komplementaritás, amely lehetővé teszi a mátrix számára ", hogy kiválassza a szükséges monomert, és helyezze a helyére a mátrixon."
Ennek eredményeként a kemény munka sok tudós lett telepítve a főszerepet bioszintézisének nukleinsavak és a fehérjék a mátrix mutatja szerepét az RNS a folyamat, amely lehetővé tette Crick, hogy dolgozzon ki álláspontot a genetikai információ átadását a sejtben.
A mátrix fehérje bioszintézisének szekvenciája három fő lépést tartalmaz.
1) DNS-replikáció - DNS-másolatok bioszintézise templátként már létező DNS-molekulák alkalmazásával.
2) transzkripció - az RNS bioszintézise (bármely tRNS, mRNS, rRNS) a DNS mátrixban. Az RNS-molekula nukleotidszekvenciája komplementer a DNS-molekula bizonyos helyén (génnel).
3) Translation - bioszintézisét a polipeptid-lánc a protein molekula, aminosav-szekvenciája, amely adott mRNS nukleotidszekvenciát részvételével tRNS és rRNS. Az MRNA mint sablon használható.
DNS - replikáció szintézise
Az ember mindig is érdekelt az örökletes tulajdonságok átvitelének kérdésében.
A 19. és 20. század fordulóján a genetikai és citológiai vizsgálatok arra a következtetésre jutottak, hogy a kromoszómák felelősek a tulajdonságok átadásához öröklés útján. Ugyanakkor kiderült, hogy egy bizonyos jelet továbbítanak a kromoszóma egy bizonyos szakasza - a genom.
Az összes kromoszómához tartozó gén - a genotípus - az összes testtípus (kék szem, sötét haj, egyenes orr stb.) Egészének felel meg.
Mivel a kromoszómák fehérjét és DNS-t tartalmaznak, felmerült a kérdés, hogy mely anyagokról van szó az örökletes tulajdonságok átadásában. A huszadik század 40-50-es évében sok kísérleti adat jelent meg, hogy az örökletes információk átadását a DNS-molekulák végzik.
Hogyan történik tehát a DNS-sokszorosítás, vagy ahogy gyakran mondják, a replikáció? A kérdésre adott válasz a Watson és Crick által 1953-ban kifejlesztett DNS-struktúra strukturális modellje alapján készült. A kettős hélix szerkezete lehetővé tette a következő DNS-replikációs mechanizmus képviseletét.
Amikor a DNS-molekulák a sejtosztódás során replikálódnak, a láncok közötti hidrogénkötések előbb megszakadnak, a kettős spirál lazul, a láncok eltérnek egymástól. A megfelelő enzimek hatására új nukleotidok kapcsolódnak az egyes láncok mindegyikéhez. Mivel azonban a nukleotidok kombinációja csak szigorúan definiálható, egy második komplementer láncot építenek minden egyes láncra, és ugyanazon összetételű új DNS-molekulákat alkotnak.
A DNS duplázásának folyamata az ábrán látható:
A DNS-szintézis reakcióját egy ilyen séma szemlélteti:
m (gATF + gTTP) + n (gGTP + gCTF)
Megjegyezzük a reakció legfontosabb jellemzőit:
1. Az aljzatok a dezoxiribonukleozidok trifoszfátjai. A reakció során mindegyikből leválik egy pirofoszfát maradék; ugyanakkor felszabadul az energia, amelyet az egyes monomereknek a DNS-molekulába való felvételére fordítanak.
2. A reakció a kész DNS jelenlétében folytatódik, amely templátként működik. Minden újonnan szintetizált DNS molekula elsődleges szerkezete azonos a DNS-mátrix primer struktúrájával.
3. Mivel a DNS-molekula nukleotid-maradékai AT párokat alkotnak; és az L-C, ugyanolyan mennyiségű dATP és dTTP, valamint azonos mennyiségű dGTP és dCTP fogyasztódik a reakcióban.
Mivel a DNS-molekula genetikai információ van rögzítve (azaz, amelyek fehérjéket kell szintetizálni a sejten belül), a folyamat a megduplázva a anyai DNS-t egy sejtben, és az azt követő megoszlása másolatok között egyenlő a utódsejtek semmi, mint az a genetikai információ átadását generációról generációra. Ezt a replikációs módszert semikonservatívnak nevezték. A replikáció egy komplex fehérjék együttesével történik, replicáló komplexet alkotva. Különösen olyan fehérjék tartoznak, amelyek egy DNS-spirálot fújnak, és így egy replikatív villát eredményeznek. Ezután DNS polimeráz (replikáz) részvételével új polinukleotid láncok képződnek. Az új láncok szintézise mindig az 5 ¢ - végtől a 3 ¢ végig halad. Ezért a replikatív villaág egyik ágában az új lánc folyamatosan növekszik, mivel a DNS mátrix felcserélhetetlen. A másik ágon, mivel a DNS nem folytatódik, az új lánc rövid fragmensei alakulnak ki - az okaukázia töredékei. Ezután a fragmensek végeit összekapcsoljuk a DNS ligáz hatásával (2.
2. ábra - A DNS-replikáció vázlata
Ez a diagram csak a replikáció fő szakaszait mutatja; valójában a replikációs szakaszok sokkal nagyobbak, speciális fehérjéket tartalmaznak. Jelenleg a replikációs komplex körülbelül tíz fehérje jön létre. Így a polinukleotidláncok komplementaritásának elve alapján egy kezdeti DNS-molekulából két teljesen azonos, új DNS-molekula keletkezik. A DNS azon képességének, hogy szigorúan meghatározza, hasonlóan magához, az új molekulák döntő szerepet játszanak az öröklődés jelenségében és a genetikai információ átadásában nemzedékről nemzedékre.
Más szavakkal, a rögzített adatok a DNS-t (a genotípus) biztosítja kialakulását fenotípusos tulajdonságok (virág színe, haja színe, az alakja a szárnyak, stb) a szervezet, átalakult fenotípust.
Az 1940-es és 1950-es években a genotípus és a fenotípus közötti kapcsolat ötletét kísérletileg megerősítették a különböző organizmusok számos enzimén és más fehérjében; az eredmények tükröződnek az aforisztikus formula egy génben - egy fehérje. A DNS elsősorban a magban koncentrálódik, ugyanazon fehérje szintézise máshol fordul elő (riboszómákban). A DNS-ből származó közbülső hordozó szerepét a fehérje szintézis helyén ribonukleinsavakkal hajtják végre. Szerepük a fehérje bioszintézis folyamatában más.
Az információáramlás iránya a sejtben a genotípustól a fenotípusig a következő:
DNS ® RNS ® fehérjék.
Más szavakkal, a DNS templátként szolgál az összes RNS szintéziséhez, és az RNS a fehérjék szintézisére szolgáló mátrix. Ezt a pozíciót a molekuláris biokémia alapvető posztulátumának nevezik.
RNS szintézise - transzkripció
Mindez jelentős nehézségeket okoz a ribonukleinsavak bioszintézisének tanulmányozásában. Úgy gondolják, hogy az RNS szintézise többféle módon is előfordulhat. Az egyiket, az úgynevezett DNS-függő RNS szintézisét vesszük figyelembe. Az örökletes információk átvitelének szempontjából a fehérje bioszintézis folyamatában a legfontosabb az RNS-molekulák szintézise a DNS-molekula régiójában, mint a mátrixon.
A bioszintézishez szükséges kiindulási anyagok a ribonukleozid-trifoszfátok (ATP, GTP, CTF, UTP); A szintézist az RNS-polimeráz enzim katalizálja, amely a DNS-polimeráz hatására hasonló. A bioszintézis-rendszer a következő:
Mint ismeretes, a DNS kettős hélix. Az RNS mátrix-szintézisében azonban csak az egyik két lánca, amelyet értelmesnek neveznek, "másol" a DNS-molekula helyén. Mátrixként szolgál.
Minden szintetizált RNS-molekulának olyan szerkezete van, amely kiegészíti a mátrixot (azaz a helyet - az egyik DNS-szál génjét).
Az RNS lánc kialakulásának megkezdése előtt az RNS polimeráz enzim a mátrixhoz nem kapcsolódik egyetlen helyen, hanem egy specifikus helyhez - a promoternek nevezik. A DNS-molekula ezen részében az RNS polimeráz által felismert nukleotidszekvenciák vannak.
Az RNS-polimeráz kötődése a promoterhez a nukleotidláncok helyi (helyi) divergenciájához vezet, ebben a DNS-régióban a DNS-lánc egyikének templátként szolgál.
Kapacitás RNS molekula fordul elő, azáltal, hogy a RNS-polimeráz mentén DNS összekapcsolásával egy másik ribonukleotid, dezoxiribonukleotid komplementer a DNS-t, amely jelenleg az aktív központban az RNS-polimeráz.
A DNS-molekulában nemcsak az RNS-szintézis kezdete, hanem az RNS-szintézis befejezését jelző nukleotidszekvenciák is kódoltak. Ezekkel a helyszínekkel nyilvánvaló, hogy bizonyos fehérjék megállítják az RNS polimeráz hatását. Így különálló RNS-molekulákat kapunk, amelyek mindegyike tartalmaz egy gén információját. Az RNS szintézise az 5 ¢ - végtől a 3 ¢ végig terjed.
A magasabb organizmusok sejtjeiben háromféle DNS-függő RNS polimeráz volt kimutatható. Ezek katalizálja a riboszomális, mátrixos és transzport RNS szintézisét.
Mindenféle RNS-t alakítanak ki a DNS-mátrixon, nagy prekurzor molekulák formájában, majd jelentős változásokon megy keresztül. Érleléskor az enzimek hatására fokozatosan hasadnak a felesleges nukleotidok, és tRNS-ben a bázisok egy részének metilezése és redukálása történik.
A fehérjék bioszintézisére vagy fordítás, azzal jellemezve, a bioszintézis a DNS és RNS (DNS-replikáció és transzlációját az RNS) két fő jellemzői: közötti mRNS (mátrix) fehérje, és egy peptid-lánc, amely szintetizált ebben a mátrixban, van egy komplementer megfelelő, azaz a ribonukleotidokat szerkezete (mátrix monomer) és aminosav (fehérje monomerek), például, hogy a szelektív kölcsönhatás közöttük, mint a kialakulását párok A ... T vagy T ... Zn lehetetlen, nincs összefüggés a monomerek száma - nukleotid a mátrix és a reakcióterméket (mRNS 4 különböző nukleotidok, a 20 különböző aminosav fehérjében);
Ezért a mátrix fehérje bioszintézishez való felhasználásának mechanizmusa eltér a replikáció és transzkripció mátrixainak használatától.
A fehérjék elsődleges szerkezetének a nukleinsavakban történő információinak rögzítésére szolgáló eljárást biológiai kódnak nevezik (genetikai, nukleotidnak, aminosavkódnak is nevezik).
A biológiai kód szerkezetének tisztázásakor felmerülő első kérdés egyike a kódszám kérdése; azaz azon nukleotidmaradékok számán, amelyek egy aminosavnak a fehérjébe történő felvételét kódolják. Nyilvánvaló, hogy a kódszám nem lehet egyenlő az egységgel, mivel ebben az esetben csak négy aminosavat lehet kódolni négy nukleotid alkalmazásával. A 2-es kódszámmal a különböző nukleotidpárok száma megegyezik a 2, vagyis a 4 2 = 16 négy elemének permutációinak számával, ami szintén nem elegendő az összes aminosav kódolásához. A nukleotidok különböző tripleteinek száma 4 3 = 64. Ez több mint háromszorosa a 20 aminosav kódolásához szükséges minimálisnak. Kísérletileg bebizonyosodott, hogy a biológiai kódban a kódszám három: egy aminosav felvételét kódoló nukleotidmaradék (triplet) tripletet kodonnak neveznek.
A 64 kodon (triplett) (1. táblázat) 61 kódolásához használatos aminosavakat, és három - UAA, UAG és UGA - jelöli a végén a mátrix: ezekben hármasok végződik tovább építeni a peptid-lánc - a stop kodonokat. Minden triplet egyetlen aminosavat kódol. A kód ezen tulajdonságát specifikusnak nevezik. Másrészt, egy aminosav lehet kódolt két vagy több (legfeljebb hat) különböző triplett, azaz a kód degenerált. de az első két nukleotid egy adott aminosav számára mindig ugyanaz. A folytonosság a kódot a fehérjeszintézis abban a tényben rejlik, hogy az összes alkotó kodonok találhatók a kódoló mRNS bioszintézisét egy specifikus fehérje szigorú sorrendben egymás mellett anélkül, hogy elválasztva más mono- vagy oligonukleotid betétekkel. Nem átfedő természetét a kód, hogy egyik a nukleotidok a kodon nem része egy másik (szomszédos) kodon.
Mostanáig a biológiai kódot minden biológiai tárgyban tanulmányozták (vírusoktól és baktériumoktól a magasabb állatokig). Minden esetben ugyanaz volt. A kód általánossága jelzi a Föld minden életformájának eredetét.
1. táblázat - Biológiai kód
Egy genetikai kód, amely 64 triplet-bázisból (kodonokból) és megfelelő aminosavakból áll
3.4 A genetikai információ átadásának rendszere
DNS-ről fehérjére
Tegyük fel, hogy a DNS-molekula egyik spiráljának bizonyos szakaszában, amelyen mRNS szintetizálódik, van egy bizonyos nukleotidszekvenciája. Az ezen a helyen előállított mRNS csak szekvenciálisan meghatározott, nukleotidok komplementer DNS-szekvenciáját (mivel az uracil RNS megfelel a timin DNS-nek). „Olvasva” kód mRNS nukleotid jobbról balra (az N-terminális a polipeptid a C-terminális), megkapjuk a specifikus aminosavak szekvenciája egy adott polipeptid, amelyek szintetizálhatok genetikai kontroll alatt ez a része a DNS-molekula.
A DNS-ből a fehérjékre vonatkozó információ átadása egy séma formájában ábrázolható: