Plantele mai înalte sunt capabile să sintetizeze toți aminoacizii necesari pentru sinteza proteinelor și pot utiliza în acest scop acizii a-ceto corespunzători, precum și amoniacul sau nitrații ca sursă de azot. Organismul animalelor și al oamenilor nu sintetizează toți aminoacizii necesari. Nu a fost sintetizat prin numai 10 din cele 20 necesare, sau aminoacizi esențiali: valină, leucină, izoleucină, treonină, metionină, fenilalanină, triptofan, lizina, arginina, histidina.
Neliminabilitatea acestor aminoacizi pentru creșterea și dezvoltarea organismului animalelor și oamenilor se explică prin absența acizilor a-ceto corespunzători, de la care ar putea fi sintetizați în timpul procesului de aminare.
Biosinteza fiecărui aminoacid esențial are caracteristici specifice; este mult mai complicat decât biosinteza aminoacizilor interschimbabili.
Întrucât sinteza fiecăruia dintre aminoacizii esențiali are propriile particularități, ne limităm la anumite prevederi generale. Astfel, trei aminoacizi esențiali ai lizinei, treoninei și metioninei în plante și microorganisme sunt sintetizați din acidul aspartic.
Izoleucina se formează în bacterii din aminoacizii esențiali ai treoninei. Sinteza în mai multe etape în plante de fenilalanină este efectuată din eritroso-4-fosfat și fosfo-piruvat; în etapele penultimate, gruparea amino este transferată din acidul glutamic. Biosinteza histidinei, un aminoacid indispensabil pentru copii, a fost complet studiată în bacterii și ciuperci. Etapa finală este reacția de transaminare, acidul glutamic joacă, de asemenea, rolul de donor al grupului amino. Calea de biosinteză a histidinei în plantele superioare nu a fost studiată. Aminoacizii sintetizați - interschimbabili și de neînlocuit sunt utilizați pentru biosinteza proteinelor.
Descoperirea mecanismului de biosinteză a proteinelor este una dintre cele mai importante și interesante probleme ale biochimiei moderne. Calculele aproximative arată că o celulă vie conține câteva mii de proteine diferite, iar organismul ca întreg trebuie să sintetizeze zeci de mii de molecule de proteine individuale.
Cum, deci, un număr atât de mare de proteine diferite formează un mic set de aminoacizi în celulă și exact în acel moment și în cantitatea necesară? Și cum sunt proprietățile specifice ale proteinelor transmise de la o generație la alta? Astfel de întrebări sunt de interes pentru oamenii de știință din întreaga lume. Mecanismul proceselor complexe de viață care stau la baza transmiterii eredității a început să fie descifrat numai în ultimii 60 de ani.
Procesul de biosinteză a proteinelor s-a dovedit a fi universal pentru toate lucrurile vii de pe Pământ - de la cea mai simplă celulă bacteriană până la plantele, animalele și oamenii. Sinteza proteinelor într-o celulă se bazează pe două principii fundamentale tipice pentru sistemele vii, sistemele biologice distinctive de la neanimat - principiul matricei și principiul complementarității.
Principiul matricei este că interacțiunea nu are loc între moleculele care sunt în sistem într-o mișcare haotică, ci între moleculele fixate și sistemele fixate spațial.
Una dintre aceste substanțe este în mod necesar un polimer, în timp ce cealaltă poate fi fie un polimer, fie un monomer. Sinteza matricilor este fundamentală în toate cazurile în care este necesară furnizarea unei secvențe predeterminate de monomeri în noul biopolimer sintetizat.
Principiul sintezei matricei se realizează prin principiul complementarității. Este complementaritatea care permite matricei "să selecteze monomerul necesar și să îl plaseze în locul potrivit pe matrice".
Ca rezultat al munca grea de mulți oameni de știință a fost instalat în rolul principal în biosinteza acizilor nucleici și proteinelor matricei arată rolul de ARN în proces, ceea ce a permis Crick să dezvolte o poziție privind transferul informației genetice în celulă.
Secvența biosintezei proteinelor matrice implică trei etape principale.
1) Replicarea ADN-ului - biosinteza copiilor ADN folosind molecule ADN deja existente ca șablon.
2) Transcripția - biosinteza ARN (orice tRNA, mRNA, rRNA) pe șablonul ADN. Secvența nucleotidică din molecula ARN este complementară la unele situsuri (gena) ale moleculei ADN.
3) Traducerea - biosinteza lanțului polipeptidic al moleculei de proteină, a cărei secvență de aminoacizi este dată secvența ARNm nucleotidică cu participarea ARNt și ARNr. MRNA este folosit ca șablon.
Sinteza replicării ADN - ului
O persoană a fost întotdeauna interesată de modul în care sunt transmise caracteristicile ereditare.
Și la sfârșitul secolelor al XIX-lea și al XX-lea, studiile genetice și citologice au dus la concluzia că cromozomii sunt responsabili pentru transmiterea caracteristicilor prin moștenire. În același timp, sa dovedit că un anumit semn este transmis cu o anumită secțiune a cromozomului - genomul.
Un set de gene pentru toți cromozomii - genotipul - corespunde întregului set de atribute ale corpului (ochi albaștri, păr întunecat, nas drept, etc.).
Din moment ce cromozomii conțin proteine și ADN, a apărut întrebarea care dintre substanțe este implicată în transmiterea trasaturilor ereditare. În anii 40-50 ai secolului al XX-lea, multe date experimentale au apărut că transferul de informații ereditare se realizează prin molecule de ADN.
Cum, prin urmare, apare dublarea ADN sau, așa cum se spune adesea, se repetă? Răspunsul la această întrebare a fost obținut pe baza modelului structural al structurii ADN dezvoltat de Watson și Crick în 1953. Structura șirului dublu a făcut posibilă reprezentarea următorului mecanism al replicării ADN-ului.
Atunci când moleculele ADN sunt replicate în timpul diviziunii celulare, legăturile de hidrogen dintre lanțuri se sparg prima dată, spiralele duble se desprind, lanțurile diferă. Sub acțiunea enzimelor corespunzătoare, noi nucleotide sunt atașate la fiecare lanț unic. Dar, deoarece combinația de nucleotide poate fi definită strict, este construit un al doilea lanț complementar pe fiecare lanț format, formând noi molecule de ADN cu aceeași compoziție.
Procesul de dublare a ADN-ului este prezentat pe diagrama:
Reacția sintezei ADN poate fi reprezentată de o astfel de schemă:
m (gATF + gTTP) + n (gGTP + gCTF)
Observăm cele mai importante caracteristici ale reacției:
1. Substraturile sunt trifosfați ai deoxiribonucleozidelor. În timpul reacției, se separă un reziduu pirofosfat din fiecare dintre acestea; în același timp, se eliberează energie, care se consumă pentru includerea fiecărui monomer în molecula ADN.
2. Reacția se desfășoară în prezența ADN-ului finit, care acționează ca un șablon. Toate moleculele de ADN nou sintetizate au o structură primară identică cu structura primară a matricei ADN.
3. Deoarece resturile de nucleotide din molecula ADN formează perechi AT; și L-C, aceeași cantitate de dATP și dTTP și aceeași cantitate de dGTP și dCTP sunt consumate în reacție.
Deoarece este înregistrată o moleculă de ADN a informației genetice (adică proteinele care trebuie să fie sintetizate în interiorul celulei), procesul de dublare a ADN-ului matern într-o celulă și distribuirea ulterioară a copiilor în mod egal între celulele fiice nu este nimic, ca transferul informației genetice de la o generație la alta. Această metodă de replicare a fost numită semiconservativă. Replicarea are loc cu participarea unui set complex de proteine, formând un complex replicativ. Aceasta, în special, include proteine care spală o spirală ADN, rezultând într-o furculiță replicativă. Apoi, cu participarea ADN polimerazei (replicase), se formează noi lanțuri de polinucleotide. Sinteza lanțurilor noi merge întotdeauna în direcția de la 5 ¢ - la capătul 3 ¢ - capăt. Prin urmare, pe una din ramurile furcii replicative, noul lanț crește continuu, deoarece matricea ADN-ului este neclarată. Pe cealaltă ramură, pe măsură ce ADN-ul este neclar, se formează fragmente scurte ale noului lanț - fragmente din Okaucasia. Apoi, capetele acestor fragmente sunt legate împreună ca rezultat al acțiunii ligandului ADN (figura 2).
Figura 2 - Schema de replicare ADN
Această diagramă arată doar principalele etape ale replicării; în fapt, etapele de replicare sunt mult mai mari, implică proteine speciale. În prezent, sunt stabilite aproximativ zece proteine ale complexului replicativ. Astfel, datorită principiului complementarității lanțurilor de polinucleotide de la o moleculă inițială de ADN, se formează două molecule de ADN noi complet identice. Capacitatea ADN-ului de a da molecule noi, strict definite, asemănătoare cu ea însăși, joacă un rol decisiv în fenomenul eredității și în transferul de informații genetice de la o generație la alta.
Cu alte cuvinte, informațiile înregistrate în ADN-ul (în genotipul), asigură formarea caracterelor fenotipice (flori de culoare, culoarea părului, forma aripilor etc.) ale organismului, transformat în fenotip.
În anii 1940 și 1950, această idee a relației dintre genotip și fenotip a fost confirmată experimental pe multe enzime și alte proteine de diferite organisme; rezultatele sunt reflectate în gena aforistică a unei gene - o proteină. ADN-ul este concentrat în principal în nucleu, sinteza aceleiași proteine are loc în altă parte (în ribozomi). Rolul unui purtător intermediar de informații de la ADN la locul de sinteză a proteinelor este realizat de acizi ribonucleici. Rolul lor în procesul de biosinteză a proteinelor este diferit.
Direcția fluxului de informații în celulă, de la genotip la fenotip, este după cum urmează:
Proteine ADN ® RNA ®.
Cu alte cuvinte, ADN-ul servește ca șablon pentru sinteza tuturor ARN-urilor, iar ARN-ul este o matrice pentru sinteza proteinelor. Această poziție este numită postulatul de bază al biochimiei moleculare.
Sinteza transcripției ARN
Toate acestea cauzează dificultăți considerabile în studierea biosintezei acizilor ribonucleici. Se crede că sinteza ARN poate avea loc în mai multe moduri. Vom lua în considerare una dintre ele, așa-numita sinteză a ARN dependentă de ADN. Din punctul de vedere al transferului informațiilor ereditare în procesul de biosinteză a proteinelor, cea mai mare importanță este sinteza moleculelor de ARN în regiunea moleculei ADN ca pe matrice.
Substanțele inițiale necesare pentru biosinteză sunt trifosfații ribonucleozidici (ATP, GTP, CTF, UTP); Sinteza este catalizată de către polimeraza ARN a enzimei, care este similară în efectul său cu ADN polimeraza. Schema de biosinteză este după cum urmează:
După cum se știe, ADN-ul este o dublă helix. Dar, în sinteza matricei de ARN, numai unul din cele două lanțuri, care se numește semnificativ, este "copiat" pe locul moleculei ADN. Servește ca o matrice.
Toate moleculele de ARN sintetizate au o structură care este complementară matricei (adică situsul - gena unuia dintre lanțurile ADN).
Înainte de începerea formării lanțului de ARN, enzima ARN polimerază este atașată la matrice nu în nici un loc, ci la un loc specific - numit promotor. În această parte a moleculei ADN există secvențe de nucleotide recunoscute de către polimeraza ARN.
Legarea ARN polimerazei la un promotor conduce la o divergență locală (locală) a lanțurilor de nucleotide, în această regiune a ADN-ului una dintre lanțurile ADN servește ca șablon.
Capacitatea molecula de ARN are loc prin deplasarea de-a lungul ARN polimeraza ADN-ului prin aderarea la un alt ribonucleotide, dezoxiribonucleotidică complementar ADN-ul, care este în prezent în centrul activ al ARN polimerazei.
În molecula ADN, sunt codificate nu numai regiunile din care începe sinteza ARN, ci și secvențele de nucleotide care semnalizează terminarea sintezei ARN. Cu aceste locuri, aparent, anumite proteine care opresc acțiunea ARN polimerazei se leagă. Astfel, se obțin molecule ARN separate, fiecare conținând informația unei gene. Sinteza ARN are loc în direcția de la 5 "la capătul 3".
În celulele organismelor superioare, au fost detectate trei tipuri de polimeraze ARN dependente de ADN. Ei catalizează sinteza ARN-ului ribozomal, matricei și transportului.
Toate tipurile de ARN se formează pe matricea ADN sub formă de molecule mari de precursori, care apoi suferă schimbări semnificative - maturizare. La maturizare, sub acțiunea enzimelor, excesul de nucleotide este scindat treptat de la ele, iar în ARNm, se produce metilarea și reducerea unei părți a bazelor.
Biosinteza proteinelor sau translație, caracterizată prin biosinteza ADN și ARN (replicarea ADN și translația ARN) două caracteristici principale: între ARNm proteină (matrice) și un lanț peptidic care este sintetizat în această matrice, există o potrivire complementară, adică structura ribonucleotide (monomer matrice) și aminoacizi (monomeri proteine) astfel încât selectiv interacțiunea dintre ele, cum ar fi formarea perechilor A ... T sau T ... Zn sunt imposibile, nu există o corespondență între numărul de monomeri - nucleotide în matrice și în produsul de reacție (ARNm 4 nucleotide diferite, în proteina de 20 aminoacizi diferiți);
Prin urmare, mecanismul de utilizare a matricei pentru biosinteza proteinelor diferă de utilizarea matricelor în replicare și transcripție.
Metoda de înregistrare a informațiilor despre structura primară a proteinelor în acizii nucleici se numește codul biologic (se mai numește și codul genetic, nucleotidul, codul de aminoacizi).
Una dintre primele întrebări care apar atunci când se clarifică structura unui cod biologic este chestiunea numărului de cod; și anume pe numărul de resturi de nucleotide care codifică includerea unui aminoacid în proteină. Evident, numărul de cod nu poate fi egal cu unitatea, deoarece în acest caz doar patru aminoacizi ar putea fi codificați folosind patru nucleotide. Cu numărul de cod 2, numărul de perechi de nucleotide diferite va fi egal cu numărul de permutări ale a patru elemente din 2, adică 4 2 = 16, care este, de asemenea, insuficientă pentru codarea tuturor aminoacizilor. Numărul de tripleți diferiți de nucleotide este 4 3 = 64. Aceasta este de peste trei ori minimul necesar pentru codificarea a 20 de aminoacizi. S-a demonstrat experimental că în codul biologic codul este de trei: un triplet de resturi de nucleotide (triplet) care codifică includerea unui aminoacid este numit codon.
Dintre cele 64 de codoni (triplete) (Tabelul 1) 61 este utilizat pentru a codifica aminoacizi și trei - UAA, UAG și UGA - denotă sfârșitul matricei: în aceste tripleți reziliază construi în continuare lanțul peptidic - codoni stop. Fiecare triplet codifică numai un singur aminoacid. Această proprietate a codului se numește specificitate. Pe de altă parte, un aminoacid poate fi codificat de două sau mai multe (până la șase) triplete diferite, adică E. codul este degenerat. dar primele două nucleotide pentru un anumit aminoacid sunt întotdeauna aceleași. Continuitatea codului sintezei proteinelor constă în faptul că toate codonii sale constitutive sunt situate în ARNm care codifică biosinteza unei proteine specifice într-o ordine strictă unul lângă altul, fără a fi separate de alte inserții mono- sau oligonucleotide. Natura care nu se suprapune codului este că nici una dintre nucleotidele unui codon nu este o parte integrantă a unui alt codon (în apropiere).
Până acum, codul biologic a fost studiat în toate obiectele biologice (de la virusuri și bacterii la animale superioare). În toate cazurile, a fost la fel. Această universalitate a codului indică unitatea originii tuturor formelor de viață de pe Pământ.
Tabelul 1 - Codul biologic
Un cod genetic constând din 64 tripleți - baze (codoni) și aminoacizi corespunzători
3.4 Schema de transfer de informații genetice
de la ADN la proteine
Să presupunem că într-o anumită secțiune a uneia dintre spiralele moleculei ADN pe care este sintetizat mRNA, avem o anumită secvență de nucleotide. ARNm-ul sintetizat la acest sit poate avea doar o secvență de nucleotide ADN complementară strict definită, cu strict definit (dat fiind că ARN-ul uracil corespunde ADN-ului de timină). „Prin citirea“ dreapta ARNm cod nucleotidă la stânga (de la capătul N-terminal al polipeptidei la capătul C-terminal), obținem o secvență specifică de aminoacizi într-o polipeptidă dată care pot fi sintetizate sub control genetic această porțiune a moleculei de ADN.
Transferul de informații de la ADN la proteine poate fi prezentat sub forma unei scheme: