Κάτω από Η μετάφραση στη βιολογία αναφέρεται στη σύνθεση πολυπεπτιδίων από αμινοξέαπου εμφανίζεται στο κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματαμε τη συμμετοχή 1) mRNAως μήτρα, 2) tRNAως φορέας αμινοξέων, καθώς και 3) έναν αριθμό πρωτεϊνικούς παράγοντες, εκτελώντας καταλυτική λειτουργία σε διαφορετικά στάδιαεπεξεργάζομαι, διαδικασία. Η μετάφραση συμβαίνει στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών· είναι μια θεμελιώδης διαδικασία της ζωντανής φύσης.
Από την άποψη της πληροφορίας, η μετάφραση μπορεί να οριστεί ως ένας μηχανισμός για τη μετάφραση μιας αλληλουχίας τριπλών mRNA σε μια αλληλουχία αμινοξέων πρωτεΐνης.
Η λειτουργία των ριβοσωμάτων είναι να συγκρατούν τους παράγοντες mRNA, tRNA και πρωτεΐνης στην επιθυμητή θέση μέχρι ένα ορισμένο χημική αντίδραση. Τις περισσότερες φορές αυτός είναι ο σχηματισμός ενός πεπτιδικού δεσμού μεταξύ γειτονικών αμινοξέων.
Μετάφραση και βιοσύνθεση πρωτεϊνώνΕΝΑσυνήθως σημαίνει το ίδιο πράγμα. Ωστόσο, όταν μιλάμε για βιοσύνθεση πρωτεϊνών, συχνά περιλαμβάνει μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις πολυπεπτιδίων (απόκτηση δευτεροταγών, τριτοταγών και τεταρτοταγών δομών) και μερικές φορές μπορεί επίσης να περιλαμβάνει τη διαδικασία της μεταγραφής. Από αυτή την άποψη, η μετάφραση θεωρείται ένα σημαντικό βήμα στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών.
Η διαδικασία μετάφρασης σε ευκαρυώτες και προκαρυώτες έχει μια σειρά από διαφορές, που σχετίζονται κυρίως με την ποικιλομορφία και τη δραστηριότητα των πρωτεϊνικών παραγόντων.
Μπορεί να υπάρχουν πολλά ριβοσώματα σε έναν κλώνο mRNA που σχηματίζονται πολυσωμα. Σε αυτή την περίπτωση, πολλά πανομοιότυπα πολυπεπτίδια συντίθενται ταυτόχρονα (αλλά το καθένα βρίσκεται στο δικό του στάδιο σύνθεσης).
Η σύνθεση μιας πρωτεΐνης συνήθως διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα.
Τα αμινοξέα από τα οποία συντίθεται το πολυπεπτίδιο υφίστανται αναγκαστικά ένα στάδιο ενεργοποίησης. Η ίδια η διαδικασία μετάφρασης περιλαμβάνει τρία στάδια: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.
Η διαδικασία μετάφρασης έχει την ιδιότητα της ιδιαιτερότητας. Πρώτον, συγκεκριμένα κωδικόνια mRNA έχουν τα δικά τους tRNA. Δεύτερον, τα αμινοξέα συνδέονται μόνο με τα «δικά τους» tRNA.
Ενεργοποίηση αμινοξέων
Η ενεργοποίηση των αμινοξέων είναι απαραίτητη, αφού μόνο σε αυτή την κατάσταση μπορούν να συνδυαστούν με το tRNA και αργότερα να σχηματίσουν πεπτιδικούς δεσμούς μεταξύ τους.
Το κυτταρόπλασμα των κυττάρων περιέχει πάντα ελεύθερα (δεν συνδυάζονται με άλλες ουσίες) αμινοξέα. Συγκεκριμένα ένζυμα, παρουσία ΑΤΡ, μετατρέπουν το αμινοξύ σε αμινοακυλαδενυλικό, το οποίο είναι ήδη ικανό να συνδεθεί με tRNA.
Υπάρχει μια κατηγορία ενζύμων - αμινοακυλο-tRNA συνθετάσημικρό, – τα οποία ενεργοποιούν τα αμινοξέα χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ATP. Κάθε αμινοξύ ενεργοποιείται από το δικό του ένζυμο, μετά από το οποίο προσκολλάται μόνο στο tRNA του. Σχηματίζεται ένα σύμπλεγμα αμινοξέων με tRNA - αμινοακυλο-tRNA (aa-tRNA).
Έναρξη εκπομπής
Η έναρξη της μετάφρασης περιλαμβάνει τα ακόλουθα διαδοχικά στάδια με τη συμμετοχή παραγόντων έναρξης:
Προσκόλληση του άκρου 5" του mRNA στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος. Σε αυτή την περίπτωση, το κωδικόνιο έναρξης (AUG) βρίσκεται στην ημιτελή (λόγω της απουσίας μεγάλης υπομονάδας) θέση P του ριβοσώματος.
Το σύμπλοκο aa-tRNA με το αντίστοιχο αντικωδικόνιο συνδέεται με το κωδικόνιο έναρξης του mRNA. Στους ευκαρυώτες, το κωδικόνιο AUG κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη, ενώ στους προκαρυώτες κωδικοποιεί τη φορμυλ-μεθειονίνη. Αυτά τα αρχικά αμινοξέα αποκόπτονται αργότερα από το τελικό πολυπεπτίδιο.
Οι ριβοσωμικές υπομονάδες ενώνονται, με αποτέλεσμα να συμπληρώνονται οι θέσεις Ρ και Α.
Έτσι, στο στάδιο της έναρξης, το ριβόσωμα αναγνωρίζει το κωδικόνιο έναρξης και προετοιμάζεται για την έναρξη της σύνθεσης.
Η προκύπτουσα σύνδεση μεταξύ του ριβοσώματος και του mRNA είναι αναστρέψιμη· μετά τη σύνθεση πολυπεπτιδίου, το mRNA μπορεί να αποσυνδεθεί από το ριβόσωμα. Στη συνέχεια, το mRNA χρησιμοποιείται ξανά ή καταστρέφεται από ειδικά ένζυμα.
Το κωδικόνιο έναρξης AUG διαφέρει από άλλα παρόμοια κωδικόνια στο μέσο του mRNA στο ότι προηγείται ένα κάλυμμα και ορισμένες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων. Χάρη σε αυτά το AUG αναγνωρίζεται ως εκκίνηση. (Αυτό ισχύει κυρίως για τους ευκαρυώτες.)
Επιμήκυνση εκπομπής
Σε αυτό το στάδιο, λαμβάνει χώρα άμεση σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η διαδικασία επιμήκυνσης αποτελείται από πολλούς κύκλους. Ένας κύκλος επιμήκυνσης είναι η προσθήκη ενός αμινοξέος σε μια αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα.
Ήδη στο στάδιο της έναρξης, η θέση P του ριβοσώματος καταλαμβάνεται από το πρώτο tRNA που φέρει το αμινοξύ μεθειονίνη. Στον πρώτο κύκλο επιμήκυνσης, το δεύτερο σύμπλεγμα aa-tRNA εισέρχεται στη θέση Α του ριβοσώματος. Αυτό θα είναι το tRNA του οποίου το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό με το επόμενο (μετά το αρχικό AUG) κωδικόνιο.
Οι θέσεις Α(αμινοακύλιο) και Ρ(πεπτιδύλιο) τοποθετούν τα σύμπλοκα aa-tRNA έτσι ώστε να λάβει χώρα μια χημική αντίδραση μεταξύ των αμινοξέων και να σχηματιστεί ένας πεπτιδικός δεσμός.
Μετά από αυτό, το πρώτο (που βρίσκεται στη θέση P) tRNA απελευθερώνεται από το αμινοξύ του. Ως αποτέλεσμα, το τελευταίο φαίνεται να συνδέεται μόνο με το δεύτερο αμινοξύ μέσω πεπτιδικού δεσμού. Το δεύτερο αμινοξύ συνδέεται με ένα δεύτερο tRNA που βρίσκεται στη θέση Α.
Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του κλώνου mRNA μία τριάδα. Σε αυτή την περίπτωση, το πρώτο tRNA καταλήγει στην Ε-θέση (έξοδος) του ριβοσώματος και μετά το αφήνει. Το δεύτερο tRNA, συνδεδεμένο με δύο αμινοξέα, πηγαίνει στη θέση P. Η θέση Α ελευθερώνεται για την είσοδο του τρίτου συμπλέγματος aa-tRNA.
Οι επόμενοι κύκλοι επιμήκυνσης προχωρούν παρόμοια με τον πρώτο. Όταν η θέση Α εκκενωθεί, ένα aa-tRNA μπορεί να εισέλθει σε αυτήν, του οποίου το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό με το κωδικόνιο mRNA που βρίσκεται επί του παρόντος στη θέση Α.
Τερματισμός εκπομπής
Ο τερματισμός είναι η ολοκλήρωση της σύνθεσης μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας και ο διαχωρισμός της. Ο τερματισμός συμβαίνει όταν το ριβόσωμα συναντά ένα από τα κωδικόνια τερματισμού (UAA, UAG, UGA), για τα οποία δεν υπάρχουν tRNA. Αυτά τα τμήματα του mRNA αναγνωρίζονται από ειδικές πρωτεΐνες - παράγοντες τερματισμού.
Ο πρώτος πεπτιδικός δεσμός εμφανίζεται λόγω της αντίδρασης διαπεπτιδοποίησης, κατά την οποία η μεθειονίνη από το tRNA έναρξης μεταφέρεται στην α-αμινο ομάδα του aa-tRNA στο κέντρο Α για να σχηματίσει διπεπτιδυλ-tRNA. Καταλύει την αντίδραση πεπτιδυλ τρανσφεράσης του rRNA της μεγάλης ριβοσωμικής υπομονάδας.
Μετατόπιση. ΣΕΣε αυτό το στάδιο, λόγω της ενέργειας του GTP και με τη συμμετοχή του παράγοντα επιμήκυνσης EF2, το ριβόσωμα μετακινεί ένα κωδικόνιο προς την κατεύθυνση από το 5" στο 3" άκρο του mRNA. Ως αποτέλεσμα, το διπεπτιδυλ-tRNA από το κέντρο Α εισέρχεται στο κέντρο P και το επόμενο κωδικόνιο εμφανίζεται στο κέντρο Α. Το tRNAMet φεύγει από το ριβόσωμα. Στη συνέχεια η διαδικασία συνεχίζεται σύμφωνα με το περιγραφόμενο σχήμα, επαναλαμβάνοντας τα στάδια 1-»2-»3.
ΛήξηΗ μετάφραση γίνεται μετά την συμπερίληψη ενός από τα κωδικόνια τερματισμού στο κέντρο Α: UAG, UGA, UAA. Με τη συμμετοχή ειδικών πρωτεϊνών - 3 παραγόντων τερματισμού (RF1, RF2 και RF3) - συμβαίνει υδρολυτική διάσπαση του συντιθέμενου πολυπεπτιδίου από το tRNA. Το tRNA απελευθερώνεται από το ριβόσωμα με υδρόλυση του GTP και το «άδειο» ριβόσωμα διασπάται εύκολα σε υπομονάδες.
Κατά τη μετάφραση, οι μικρές και μεγάλες υπομονάδες του ριβοσώματος εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. μικρή υπομονάδασυνδέει mRNA και αποκωδικοποιεί πληροφορίες χρησιμοποιώντας tRNA και τον μηχανισμό μετατόπισης, μεγάλη υπομονάδαυπεύθυνος για την εκπαίδευση πεπτιδικούς δεσμούς. Η κύρια συμβολή στην οργάνωση και την εκδήλωση της δράσης της πεπτιδυλ τρανσφεράσης γίνεται από το rRNA.
Πολλά ριβοσώματα μπορούν να συμμετέχουν ταυτόχρονα στη μετάφραση ενός mRNA. Κάθε ριβόσωμα καταλαμβάνει μια περιοχή ίση με περίπου 80 νουκλεοτίδια του mRNA. Έτσι, τα ριβοσώματα βρίσκονται στο mRNA σε διαστήματα περίπου 100 νουκλεοτιδίων, σχηματίζοντας ένα σύμπλεγμα που ονομάζεται πολυσωμα.
Ως αποτέλεσμα σχηματίζονται λειτουργικά ενεργές πρωτεΐνες μετα-μεταφραστικές τροποποιήσειςπολυπεπτιδικές αλυσίδες που συντίθενται σε ριβοσώματα. Αυτές οι τροποποιήσεις περιλαμβάνουν:
Α. Μερική πρωτεόλυση.
Β. Τροποποιήσεις αμινοξέων: καρβοξυλίωση, φωσφορυλίωση, ιωδίωση, υδροξυλίωση, ακυλίωση και γλυκοζυλίωση.
Β. Σχηματισμός χωρική δομή, ή αναδίπλωση, στην οποία συμμετέχουν πρωτεΐνες συνοδού, διασφαλίζοντας τη σωστή αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Δ. Σχηματισμός δισουλφιδικών δεσμών μεταξύ υπολειμμάτων κυστεΐνης που εμπλέκονται στο σχηματισμό της τρισδιάστατης δομής της πρωτεΐνης.
Δ. Προσθήκη προσθετικών ομάδων.
Ε. Σχηματισμός ολιγομερών δομών, που πραγματοποιείται και με τη συμμετοχή συνοδών
Η καταστολή της βιοσύνθεσης της μήτρας μπορεί να επιτευχθεί είτε με δομική τροποποίηση της μήτρας και των ριβοσωμάτων, είτε με αδρανοποίηση των ενζύμων. Η διακοπή της σύνθεσης DNA, RNA ή πρωτεΐνης προκαλεί τον θάνατο όλων των κυττάρων, επομένως πολλοί αναστολείς βιοσύνθεσης μήτρας είναι δηλητήρια για το ανθρώπινο σώμα.
α-Αμανιτίν- μια τοξίνη που περιέχεται στο σώμα της λευκής γριάς Amanita phalloides και αναστέλλει τις ευκαρυωτικές RNA πολυμεράσες, ιδιαίτερα την RNA πολυμεράση II. ΕντεροτοξίνηΟ αιτιολογικός παράγοντας της διφθερίτιδας είναι ένας ειδικός αναστολέας της μετάφρασης στους ευκαρυώτες, αναστέλλοντας έναν από τους παράγοντες επιμήκυνσης.
Αντιβιοτικά,Η καταστολή της διαδικασίας μεταγραφής και μετάφρασης και ειδικά για το σύστημα πρωτεϊνοσύνθεσης των προκαρυωτών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αντιβακτηριακά φάρμακα και τα αντιβιοτικά που διαταράσσουν τη λειτουργία της μήτρας του DNA έχουν βρει χρήση στη θεραπεία κακοήθων νεοπλασμάτων και είναι αντικαρκινικά φάρμακα (για παράδειγμα, δοξορουβικίνη, δαουνομυκίνη).
ΣΕ τα τελευταία χρόνιαΓίνεται έρευνα για τη δημιουργία φαρμάκων που διασφαλίζουν την παροχή του αναστολέα μόνο στα καρκινικά κύτταρα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη δέσμευση κυτταροτοξικών αντιβιοτικών σε πρωτεΐνες, υποδοχείς των οποίων βρίσκονται κυρίως στα καρκινικά κύτταρα.
Μερικά αντιβιοτικά - ριφαμπικίνη, ερυθρομυκίνη, τετρακυκλίνηκαι άλλα - αναστέλλουν επιλεκτικά τη σύνθεση RNA ή πρωτεΐνης σε βακτηριακά κύτταρα, χωρίς ουσιαστικά καμία επίδραση στη σύνθεση πρωτεϊνών σε κύτταρα θηλαστικών. Η υψηλή εκλεκτικότητα αυτής της ομάδας ενώσεων εξηγείται από τις διαφορές στη δομή των RNA πολυμερασών και των ριβοσωμάτων των ευκαρυωτικών και προκαρυωτικών κυττάρων. Για παράδειγμα, η ερυθρομυκίνη αναστέλλει τη μετατόπιση, η τετρακυκλίνη αναστέλλει τη σύνδεση του aa-tRNA στο κέντρο Α.
Πολλοί ιοί, όπως οι ιοί της ευλογιάς, της γρίπης και της πολιομυελίτιδας, όταν εισέρχονται στο ανθρώπινο σώμα, διακόπτουν τη σύνθεση DNA, RNA και πρωτεϊνών στα κύτταρα του σώματος του ξενιστή και αλλάζουν το RNA και τη συσκευή σύνθεσης πρωτεϊνών στην αναπαραγωγή ιού. νουκλεϊκά οξέακαι πρωτεΐνες.
Οι ιντερφερόνες προστατεύουν τον οργανισμό από ιογενείς λοιμώξεις. Αυτή η οικογένεια πρωτεϊνών συντίθεται σε ευκαρυωτικά κύτταρα ως απόκριση στη μόλυνση από τον ιό. Αυτά, μέσω της αναστολής του παράγοντα έναρξης eIF2, σταματούν τη λειτουργία της συσκευής σύνθεσης πρωτεϊνών. Οι ιντερφερόνες αυξάνουν τη δραστηριότητα της ριβονουκλεάσης, η οποία διασπά τη μήτρα και το ριβοσωμικό RNA στα κύτταρα, γεγονός που μειώνει επίσης την πρωτεϊνική σύνθεση σε μολυσμένα κύτταρα.
Προσαρμογήοργανισμών σε διάφορες επιρροές περιβάλλονπραγματοποιήθηκε, ειδικότερα, αλλάζοντας την έκφραση (δραστηριότητα) των γονιδίων.Αυτή η διαδικασία, που μελετήθηκε λεπτομερώς σε βακτήρια και ιούς, περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση συγκεκριμένων πρωτεϊνών με περιοχές DNA σε άμεση γειτνίαση με τη θέση έναρξης της μεταγραφής. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα χρησιμοποιούν την ίδια αρχή, αν και κάποιοι άλλοι μηχανισμοί εφαρμόζονται επίσης στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.
Στα προκαρυωτικά, ορισμένες πρωτεΐνες συνδέονται με ρυθμιστικές περιοχές του οπερονίου και αποτρέπουν ή ενισχύουν τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης στον προαγωγέα.
Εάν το οπερόνιο ρυθμίζεται από επαγωγικό μηχανισμό(για παράδειγμα, το οπερόνιο λακτόζης), στη συνέχεια, απουσία επαγωγέα (λακτόζη), η πρωτεΐνη καταστολέα συνδέεται με τον χειριστή. Δεδομένου ότι οι περιοχές χειριστή και προαγωγέα αλληλεπικαλύπτονται, η σύνδεση του καταστολέα στον χειριστή εμποδίζει τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης στον υποκινητή και τη μεταγραφή δομικά γονίδιατο οπερόνιο δεν λειτουργεί. Όταν εμφανίζεται ένας επαγωγέας στο περιβάλλον, δεσμεύεται με την πρωτεΐνη καταστολέα, αλλάζει τη διαμόρφωσή του και μειώνει τη συγγένειά του για τον χειριστή. Η RNA πολυμεράση συνδέεται με τον προαγωγέα και μεταγράφει τα δομικά γονίδια.
Όταν το οπερόνιο ρυθμίζεται από τον μηχανισμό της καταστολής(π.χ. οπερόνια ιστιδίνης ή τρυπτοφάνης) η πρωτεΐνη καταστολέα δεν έχει συγγένεια για τον χειριστή. Όταν προσκολλάται στην πρωτεΐνη καταστολέα μικρό μόριο- συνθλιπτικός παράγοντας (ιστιδίνη ή τρυπτοφάνη), στη συνέχεια, ως αποτέλεσμα των διαμορφωτικών αλλαγών που συμβαίνουν στο μόριο της πρωτεΐνης, το σύμπλεγμα πρωτεΐνης-καταστολέα-αντικατασταλτικό αποκτά συγγένεια για τον χειριστή και σταματά τη μεταγραφή.
Στα κύτταρα των θηλαστικών, υπάρχουν δύο τύποι ρύθμισης της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών:
Βραχυπρόθεσμα, διασφαλίζοντας την προσαρμογή του σώματος σε πιθανές περιβαλλοντικές αλλαγές.
Μακροπρόθεσμη, σταθερή, καθοριστική κυτταρική διαφοροποίηση και διαφορετική πρωτεϊνική σύνθεσηόργανα και ιστούς.
Στη χρωματίνη διαφόρων οργάνων και ιστών, μαζί με τεράστια μεταγραφικά ανενεργά ή σταθερά καταπιεσμένες περιοχέςδιαθέσιμος ενεργές ή δυνητικά ενεργές περιοχές.Με λίγες εξαιρέσεις (λεμφοκύτταρα), κάθε κύτταρο στο σώμα περιέχει το ίδιο σύνολο γονιδίων. Η ύπαρξη εξειδικευμένων οργάνων και ιστών εξαρτάται από τη διαφορική γονιδιακή έκφραση, που σημαίνει ότι σε κύτταρα διαφορετικών ιστών μεταγράφονται διαφορετικές περιοχές χρωματίνης.
Εικ.4Προσαρμοστική ρύθμιση της μεταγραφής.
Η προσαρμοστική ρύθμιση σε ανώτερους οργανισμούς διαφέρει από τη ρύθμιση της μεταγραφής σε προκαρυώτες από την ποικιλία των σημάτων που ελέγχουν 1. την έναρξη της διαδικασίας στο μόριο του DNA, 2. τη συχνότητα με την οποία εμφανίζεται.
Η περιοχή ΤΑΤΑ του προαγωγέα συνδέει την πρωτεΐνη δέσμευσης ΤΑΤΑ (παράγοντας ΤΑΤΑ), τους μεταγραφικούς παράγοντες Α και Β, οι οποίοι διασφαλίζουν την αλληλεπίδραση με την RNA πολυμεράση και καθορίζουν το σημείο εκκίνησης της μεταγραφής (Εικ. 4).
Η ελάχιστη σύνθεση του mRNA καθίσταται δυνατή μετά τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης με μεταγραφικούς παράγοντες F, E, H.
Εάν, εκτός από τα υποδεικνυόμενα συστατικά, πρωτεΐνες που συνδέονται με τις ρυθμιστικές περιοχές του DNA σχηματίσουν ένα σύμπλεγμα με την πρωτεΐνη που δεσμεύει το ΤΑΤΑ, τότε ο ρυθμός μεταγραφής αλλάζει. Θα αυξηθεί εάν πρόκειται για πρωτεΐνες ενεργοποιητές που διασφαλίζουν την αλληλεπίδραση με ενισχυτές (ενισχυτές) και θα μειωθεί εάν μια πρωτεΐνη που αλληλεπιδρά με τη θέση σιγαστήρα (απενεργοποιητής μεταγραφής) προσαρτηθεί στην πρωτεΐνη δέσμευσης ΤΑΤΑ.
Οι ρυθμιστικές ζώνες του DNA - ενισχυτές και σιγαστήρες - ποικίλλουν σε αριθμό και θέση στο μόριο DNA για διαφορετικά γονίδια σε διαφορετικούς ιστούς, π.χ. είναι χαρακτηριστικά του ιστού. Μπορούν να εντοπιστούν χιλιάδες ζεύγη νουκλεοτιδίων από το σημείο εκκίνησης της μεταγραφής πριν, μετά ή μέσα στο γονίδιο, δεσμεύουν πρωτεϊνικά σύμπλοκα με μεταβολίτες ή ορμόνες και επηρεάζουν τη διαμόρφωση του γονιδίου.
Φυσική επιλογή και βιολογική εξέλιξηείναι αδύνατες χωρίς γενετική μεταβλητότητα, η οποία προκύπτει λόγω μεταλλάξεων και ανασυνδυασμών κατά τη διαδικασία της μείωσης. Στην τελευταία περίπτωση, τα τμήματα DNA ανταλλάσσονται μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων των γονέων. Οι μεταλλάξεις είναι αλλαγές που δεν έχουν επιδιορθωθεί πρωτογενής δομή DNA,που εμφανίζεται σε ένα μόριο ως απόκριση σε ελαττώματα στη λειτουργία των πολυμερασών DNA ή του συστήματος επιδιόρθωσης του DNA, έκθεση σε εξωτερικούς και εσωτερικό περιβάλλον. 2.Σημειακές μεταλλάξειςκυρίως υπάρχουν τρεις τύποι:
Αντικαταστάσεις (αυτός είναι ο πιο κοινός τύπος βλάβης στο μόριο του DNA. (Υπάρχουν 2 τύποι αντικαταστάσεων βάσης: μεταβάσεις και μετατροπές. Μεταπτώσεις σημαίνουν την αντικατάσταση βάσεων πουρίνης με πουρινικές βάσεις και βάσεων πυριμιδίνης με βάσεις πυριμιδίνης (T-C και A-G). Οι μετατροπές είναι η αντικατάσταση βάσεων πουρινών με βάσεις πυριμιδίνης και αντίστροφα. Ένας άλλος λόγος για την υποκατάσταση βάσης είναι η εσφαλμένη συμπερίληψη μιας χημικά τροποποιημένης βάσης (ή τροποποιημένης βάσης) στον κλώνο DNA. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι γονιδιακές μεταλλάξεις όπως οι υποκαταστάσεις βάσεων συμβαίνουν είτε πριν από την αντιγραφή είτε κατά τη διάρκεια της αντιγραφής. Εάν αυτές οι αλλαγές δεν διορθωθούν κατά τη διαδικασία επιδιόρθωσης, τότε γίνονται ιδιοκτησία πρώτα ενός και μετά δύο κλώνων DNA. Κατά συνέπεια, η πηγή αυτής της κατηγορίας μεταλλάξεων είναι σφάλματα στις διαδικασίες αντιγραφής ή επιδιόρθωσης).
Ένθετα;
Διαγραφές (ή απώλεια) νουκλεοτιδίων
Κάθε τύπος μετάλλαξης προκαλεί διαφορετικές συνέπειες. Έτσι, μια αντικατάσταση νουκλεοτιδίου:
Μπορεί "σιωπηλός"και να μην εμφανίζεται στην πρωτεΐνη εάν η κωδικοποιητική τριάδα στην οποία βρίσκεται το μεταλλαγμένο νουκλεοτίδιο, λόγω του εκφυλισμού του κώδικα, εξασφαλίζει την συμπερίληψη στην πρωτεΐνη του ίδιου αμινοξέος με το αρχικό κωδικόνιο.
Μπορεί να συνοδεύεται από τη συμπερίληψη ενός τροποποιημένου αμινοξέος στην πρωτεΐνη (missense mutation).Αυτός ο τύπος μετάλλαξης συμβαίνει υπό τη δράση αλκυλιωτικών παραγόντων. (Μια αλκυλομάδα προσκολλάται στο Ν7 του πουρινικού δακτυλίου της γουανίνης, αλλάζοντας τον ιονισμό του και τη φύση της δέσμευσής του με ένα άλλο νουκλεοτίδιο στο συμπληρωματικό ζεύγος. Ως αποτέλεσμα, η θυμίνη στέκεται απέναντι από το αλκυλιωμένη γουανίνη, και ως εκ τούτου, στην επόμενη γενιά του ζεύγους G-Cαντικαταστάθηκε από το Α-Τ).
Μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό κωδικονίου λήξης (ανόητη μετάλλαξη),κατά την οποία θα σταματήσει η εργασία της συσκευής σύνθεσης πρωτεϊνών και θα σχηματιστεί μια συντομευμένη εκδοχή της πρωτεΐνης.
Διαγραφές και παρεμβολέςοδηγούν επίσης σε μικτά αποτελέσματα:
Εάν ένα τμήμα νουκλεοτιδίου ή DNA στο οποίο ο αριθμός των νουκλεοτιδίων δεν είναι πολλαπλάσιο του 3 συμπεριληφθεί ή παραλειφθεί, τότε μετατόπιση πλαισίου ανάγνωσηςκαι κατά τη μετάφραση, όλες οι πληροφορίες που βρίσκονται πίσω από τη θέση μετάλλαξης διαβάζονται λανθασμένα. Προκύπτει μια πρωτεΐνη στην οποία μια τυχαία αλληλουχία αμινοξέων βρίσκεται πίσω από τη θέση μετάλλαξης. Αυτός ο τύπος μετάλλαξης προκαλείται από ουσίες που παρεμβάλλονται μεταξύ των αζωτούχων βάσεων του μορίου του DNA.
Εάν μια περιοχή με μήκος αλυσίδας που είναι πολλαπλάσιο του 3 εγκαταλείψει ή συμπεριληφθεί στο DNA, τότε δεν συμβαίνει μια μετατόπιση στο πλαίσιο ανάγνωσης πληροφοριών (διαίρεση ή εισαγωγή χωρίς μετατόπιση του πλαισίου ανάγνωσης πληροφοριών).Μια πρωτεΐνη που είναι κρυπτογραφημένη από μια τέτοια μήτρα είτε θα βραχυνθεί (με διαίρεση) είτε θα επιμηκυνθεί (με την εισαγωγή) από ένα ή περισσότερα αμινοξέα.
3. Στις περισσότερες περιπτώσεις μεταλλάξεις επηρεάζουν την έκφραση ή τη δομή των γονιδίων,η οποία εκδηλώνεται με μείωση της ποσότητας ή αλλαγή στη δομή του πρωτεϊνικού προϊόντος και, κατά συνέπεια, στη λειτουργική του δραστηριότητα. Μερικές φορές η μείωση ή η πλήρης απουσία μιας πρωτεΐνης είναι αποτέλεσμα μεταλλάξεων στις ρυθμιστικές περιοχές των γονιδίων.
Κατά συνέπεια, με τις γονιδιακές μεταλλάξεις, το σχήμα έχει ως εξής: ως αποτέλεσμα μιας γονιδιακής μετάλλαξης (μοριακό ελάττωμα), εμφανίζεται ένα παθολογικό πρωτογενές αποτέλεσμα, αυτό οδηγεί σε έναν καταρράκτη βιοχημικών διαταραχών στα κύτταρα, τα όργανα και το σώμα. Αυτή η αλληλουχία γεγονότων αποτελεί τη βάση γενετικών ασθενειών. Σημειώθηκαν τέσσερις παραλλαγές παθολογικών πρωτογενών επιδράσεων.
Η πρώτη επιλογή σχετίζεται με την παραγωγή υπερβολικής ποσότητας προϊόντος λόγω αυξημένης γονιδιακής δραστηριότητας.
Η δεύτερη επιλογή σχετίζεται με την παραγωγή μη φυσιολογικών πρωτεϊνών. Αυτό οδηγεί σε διακοπή του συστήματος του οποίου η λειτουργία διασφαλίζεται από αυτή την πρωτεΐνη.
Για παράδειγμα, (λόγω αντικατάστασης ενός αμινοξέος) με δρεπανοκυτταρική αναιμία, συντίθεται ανώμαλη αιμοσφαιρίνη, η οποία έχει μειωμένη διαλυτότητα και ικανότητα πολυμερισμού. Ως αποτέλεσμα, με έλλειψη οξυγόνου, αυτή η αιμοσφαιρίνη κρυσταλλώνεται γρήγορα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια παίρνουν το σχήμα δρεπάνι και γρήγορα κολλάνε μεταξύ τους, γεγονός που οδηγεί σε απόφραξη των τριχοειδών αγγείων.
Η τρίτη επιλογή συνδέεται με την έλλειψη πρωτογενών προϊόντων. Αυτή είναι η πιο κοινή επιλογή. Ως αποτέλεσμα της απουσίας μιας ή άλλης πρωτεΐνης (συνήθως ενός ενζύμου), δεν λαμβάνουν χώρα βιοχημικές αντιδράσεις με τη συμμετοχή της. Αυτό οδηγεί στη συσσώρευση πρόδρομων προϊόντων, πιο συχνά τοξικών. Για παράδειγμα, με τη φαινυλκετονουρία, η μετατροπή της φαινυλαλανίνης σε τυροσίνη δεν συμβαίνει λόγω της έλλειψης του αντίστοιχου ενζύμου. Ως αποτέλεσμα, η σύνθεση του ελύτρου μυελίνης στους άξονες του κεντρικού νευρικού συστήματος διαταράσσεται και αναπτύσσεται μια σοβαρή μορφή νοητικής ανεπάρκειας σε επίπεδο σώματος. Ένα άλλο παράδειγμα ανεπάρκειας πρωτεΐνης είναι η ανεπάρκεια ενζύμων επιδιόρθωσης ή αντιγραφής. Αυτό οδηγεί στην ανάπτυξη κακοήθων νεοπλασμάτων.
Η τέταρτη επιλογή είναι η παραγωγή μειωμένης ποσότητας προϊόντος, για παράδειγμα, πρωτεϊνών. Αυτό οδηγεί σε ανεπάρκειά τους στο σώμα και σε μεταβολικές ανωμαλίες.
Με το προκύπτον αμινοακυλο-tRNA, τα υπολείμματα αμινοξέων που είναι απαραίτητα για την πρωτεϊνική σύνθεση εισέρχονται στα ριβοσώματα, όπου πραγματοποιείται η σύνθεση πεπτιδικών δεσμών. Έχει διαπιστωθεί ότι κατά την τροφοδοσία των ριβοσωμάτων με αμινοξέα για το σχηματισμό πρωτεΐνης, το tRNA εκτελεί καταλυτική λειτουργία, αφού μετά τη μεταφορά του αμινοξέος στο ριβόσωμα, το απελευθερωμένο tRNA μπορεί και πάλι να συνδυαστεί με το υπόλειμμα αμινοξέος και να χρησιμοποιηθεί για νέα πράξη μεταβίβασης. Ο ρυθμός ανακύκλωσης του tRNA, για παράδειγμα, στην περίπτωση σύνθεσης αιμοσφαιρίνης στο ριβόσωμα, είναι 30–40 μεταφορές ανά 10 λεπτά.
Η σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας στο ριβόσωμα ξεκινά με την προσκόλληση του Ν-τερματικού αμινοξέος της νεοσχηματισμένης πρωτεΐνης σε ένα ορισμένο σημείο του ριβοσώματος. Στο πρώτο στάδιο της προσκόλλησης, εμφανίζεται μια συμπληρωματική αλληλεπίδραση ενός τμήματος της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας του αντίστοιχου αμινοακυλο-tRNA με ένα τμήμα του mRNA που βρίσκεται στο ριβόσωμα. Στη συνέχεια θεωρείται ότι το Ν-τερματικό αμινοξύ παραμένει ελεύθερο κατά την πρωτεϊνοσύνθεση και η στερέωση της συντιθέμενης πολυπεπτιδικής αλυσίδας στο ριβόσωμα πραγματοποιείται μέσω του επόμενου tRNA, το οποίο φέρνει το επιθυμητό στο ριβόσωμα. αυτή τη στιγμήαμινοξέων.
Η διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών στο ριβόσωμα πραγματοποιείται σε 3 στάδια, καθώς και στη σύνθεση νουκλεϊκών οξέων:
Στάδιο Ι- την έναρξηεμφανίζεται με τη συμμετοχή 3 πρωτεϊνικών παραγόντων - IF-1, IF-2, IF-3 (παράγοντες έναρξης), οι οποίοι είναι πρωτεΐνες με διαφορετικά μοριακά βάρη. Ο παράγοντας IF-3 προκαλεί διαμορφωτικές αλλαγές στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος, διευκολύνοντας τη δέσμευσή του με φορμυλομεθειονυλο-tRNA, το οποίο στη συνέχεια εξασφαλίζει την είσοδο στο ριβόσωμα του πρώτου αμινοξέος - φορμυλομεθειονίνης, το οποίο ανοίγει την πολυπεπτιδική αλυσίδα οποιασδήποτε πρωτεΐνης συντίθεται σε βακτήρια. Αυτή η διαδικασία σχετίζεται με το ενεργειακό κόστος λόγω της διάσπασης της τριφωσφορικής γουανοσίνης:
GTP ® HDF + H 3 PO 4
Στάδιο II – επιμήκυνση. Αυτό το στάδιο της βιοσύνθεσης πρωτεΐνης σε ένα βακτηριακό κύτταρο εξυπηρετείται από τρεις παράγοντες επιμήκυνσης πρωτεΐνης: EF-T U, EF-T S και EF-G. Η διαδικασία επιμήκυνσης ξεκινά με τη δέσμευση του αμινοακυλο-tRNA που περιέχει ένα υπόλειμμα αμινοξέος, το οποίο θα πρέπει να είναι το δεύτερο από το Ν-άκρο του μορίου πρωτεΐνης που συντίθεται στο ριβόσωμα. Στο πεπτιδυλικό κέντρο, εμφανίζεται μια αντίδραση μεταξύ φορμυλομεθειονυλο-tRNA και αμινοακυλο-tRNA, λόγω της οποίας το υπόλειμμα φορμυλομεθειονίνης μεταφέρεται στην ελεύθερη αμινομάδα του υπολείμματος αμινοξέος, η οποία είναι αναπόσπαστο μέροςαμινοακυλο-tRNA. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται το διπεπτιδυλ-tRNA, δηλαδή, ο πρώτος πεπτιδικός δεσμός στο μελλοντικό μόριο πρωτεΐνης είναι κλειστός και σχηματίζεται επίσης αποακυλιωμένο φορμυλομεθειονυλο-tRNA.
Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αντίδραση διαπεπτιδοποίησης. Επαναλαμβάνεται πολλές φορές μέχρι να ολοκληρωθεί η πλήρης σύνθεση του μορίου της πρωτεΐνης.
Στάδιο III – τερματισμόςη πρωτεϊνική σύνθεση στο ριβόσωμα πραγματοποιείται επίσης με τη συμμετοχή τριών πρωτεϊνικών παραγόντων - RF-1, RF-2 και RF-3 σε βακτήρια και ενός παράγοντα πρωτεΐνης R – σε ανώτερους οργανισμούς. Μόλις το κωδικόνιο τερματισμού του mRNA πάρει την κατάλληλη θέση στο κέντρο αμινοακυλίου του ριβοσώματος, ένας από τους παράγοντες τερματισμού προσκολλάται σε αυτό, εμποδίζοντας έτσι τη δυνατότητα σύνδεσης του επόμενου μορίου αμινοακυλ-tRNA. Τα κωδικόνια λήξης δεν αντιστοιχούν σε κανένα από τα αντικωδικόνια tRNA. Η προσθήκη του παράγοντα τερματισμού διεγείρει τη δραστηριότητα της πεπτιδυλ εστεράσης των ριβοσωμικών πρωτεϊνών και υδρολύουν τον εστερικό δεσμό μεταξύ των νεοσχηματισθέντων πολυπεπτιδίων και του τελευταίου tRNA που βρίσκεται στο ριβόσωμα. Ως αποτέλεσμα, η συντιθέμενη πρωτεΐνη διαχωρίζεται από αυτήν, το ριβόσωμα διασπάται σε υποσωματίδια, τα οποία εισέρχονται στη γενική δεξαμενή υποσωματιδίων του κυττάρου. Το GTP εμπλέκεται στον τερματισμό της πρωτεϊνικής σύνθεσης τόσο στα βακτήρια όσο και στα θηλαστικά.
Επιμήκυνση, σχηματισμός πεπτιδικού δεσμού (αντίδραση transpeptidation). Μετατόπιση. Translocase. Λήξη. Ο ρόλος των πρωτεϊνικών παραγόντων σε κάθε στάδιο της μετάφρασης
Μετά την ολοκλήρωση της έναρξης, το ριβόσωμα βρίσκεται στο mRNA με τέτοιο τρόπο ώστε στο κέντρο P υπάρχει ένα κωδικόνιο έναρξης AUG με το Met-tRNAshMet συνδεδεμένο σε αυτό και στο κέντρο Α υπάρχει μια τριάδα που κωδικοποιεί την συμπερίληψη το πρώτο αμινοξύ της συντιθέμενης πρωτεΐνης. Στη συνέχεια, ξεκινά το μεγαλύτερο στάδιο της πρωτεϊνικής σύνθεσης - επιμήκυνση, κατά την οποία το ριβόσωμα, χρησιμοποιώντας aa-tRNA, "διαβάζει" διαδοχικά το mRNA με τη μορφή τριπλών νουκλεοτιδίων ακολουθώντας το κωδικόνιο έναρξης προς την κατεύθυνση από το 5" στο 3" τέλος, επεκτείνοντας την πολυπεπτιδική αλυσίδα πέρα από αυτό λόγω της διαδοχικής προσθήκης αμινοξέων.
Η ενσωμάτωση κάθε αμινοξέος στην πρωτεΐνη γίνεται σε 3 στάδια, κατά τα οποία: 1) το aa-tRNA κάθε αμινοξέος που περιλαμβάνεται στην πρωτεΐνη συνδέεται με το κέντρο Α του ριβοσώματος. 2) το πεπτίδιο από το πεπτιδυλ-tRNA που βρίσκεται στο κέντρο P ενώνεται με την ομάδα b-NH2 του υπολείμματος αμινοακυλίου του aa-tRNA του κέντρου Α για να σχηματίσει έναν νέο πεπτιδικό δεσμό. 3) Το πεπτιδυλο-tRNA, που εκτείνεται από ένα υπόλειμμα αμινοξέος, μετακινείται από το κέντρο Α στο κέντρο Ρ ως αποτέλεσμα της μετατόπισης του ριβοσώματος.
Σύνδεση αμινοακυλο-tRNA στη θέση Α. Το κωδικόνιο mRNA που βρίσκεται στο κέντρο Α δίπλα στο κωδικόνιο έναρξης καθορίζει τη φύση του aa1tRNAaa1 που θα συμπεριληφθεί στο κέντρο Α. Το aa1tRNAaa1 αλληλεπιδρά με το ριβόσωμα με τη μορφή ενός τριμερούς συμπλόκου που αποτελείται από παράγοντα επιμήκυνσης EF-1, aa1tRNAaa1 και GTP. Το σύμπλεγμα αλληλεπιδρά αποτελεσματικά με το ριβόσωμα μόνο εάν το αντικωδικόνιο aa-tRNAaa1 είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο με το κωδικόνιο mRNA στο κέντρο Α. Η ενσωμάτωση του aa-tRNAaa1 στο ριβόσωμα συμβαίνει λόγω της ενέργειας υδρόλυσης του GTP στο GDP και στα ανόργανα φωσφορικά. Σχηματισμός πεπτιδικού δεσμούεμφανίζεται αμέσως μετά τη διάσπαση του συμπλέγματος EF-1 και GDP από το ριβόσωμα. Αυτό το στάδιο της διαδικασίας ονομάζεται αντιδράσεις διαπεπτιδοποίησης
Κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, το υπόλειμμα μεθειονίνης Met-tRNAIMet συνδέεται με την α-αμινο ομάδα του πρώτου αμινοξέος που συνδέεται με tRNAaa1 και βρίσκεται στο κέντρο Α, σχηματίζεται ο πρώτος πεπτιδικός δεσμός.
Μετατόπιση -τρίτο στάδιο επιμήκυνσης. Ο παράγοντας επιμήκυνσης EF-2 προσκολλάται στο ριβόσωμα και, χρησιμοποιώντας την ενέργεια του GTP, ωθεί το ριβόσωμα κατά μήκος του mRNA ένα κωδικόνιο στο άκρο 3". Ως αποτέλεσμα, το διπεπτιδυλ-tRNA, το οποίο δεν αλλάζει τη θέση του σε σχέση με το mRNA , μετακινείται από το κέντρο Α στο κέντρο P. Το tRNAiMet χωρίς μεθειονίνη φεύγει από το ριβόσωμα και το επόμενο κωδικόνιο εισέρχεται στην περιοχή του κέντρου Α.
Με την ολοκλήρωση του τρίτου σταδίου επιμήκυνσης, το ριβόσωμα έχει διπεπτιδυλ-tRNA στο κέντρο P, και μια τριάδα που κωδικοποιεί τη συμπερίληψη του δεύτερου αμινοξέος στην πολυπεπτιδική αλυσίδα εισέρχεται στο κέντρο Α. Ξεκινά ο επόμενος κύκλος του σταδίου επιμήκυνσης, κατά τον οποίο τα προαναφερθέντα γεγονότα λαμβάνουν χώρα ξανά στο ριβόσωμα. Η επανάληψη τέτοιων κύκλων σύμφωνα με τον αριθμό των νοηματικών κωδικονίων στο mRNA ολοκληρώνει ολόκληρο το στάδιο επιμήκυνσης.
ΛήξηΗ μετάφραση συμβαίνει όταν ένα από τα κωδικόνια τερματισμού: UAG, UAA ή UGA εισέρχεται στο κέντρο Α του ριβοσώματος. Δεν υπάρχουν αντίστοιχα tRNA για κωδικόνια λήξης. Αντίθετα, 2 παράγοντες απελευθέρωσης πρωτεΐνης RF ή παράγοντες τερματισμού συνδέονται στο ριβόσωμα. Ένα από αυτά, χρησιμοποιώντας το κέντρο πεπτιδυλ τρανσφεράσης, καταλύει την υδρολυτική διάσπαση του συντιθέμενου πεπτιδίου από το tRNA. Το άλλο, λόγω της ενέργειας της υδρόλυσης GTP, προκαλεί τη διάσπαση του ριβοσώματος σε υπομονάδες
Έτσι, η φύση εκμαγείου της διαδικασίας μετάφρασης εκδηλώνεται στο γεγονός ότι η αλληλουχία εισόδου αμινοακυλο-tRNA στο ριβόσωμα για πρωτεϊνική σύνθεση προσδιορίζεται αυστηρά από το mRNA, δηλ. Η σειρά των κωδικονίων κατά μήκος της αλυσίδας mRNA καθορίζει μοναδικά τη δομή της συντιθέμενης πρωτεΐνης. Το ριβόσωμα σαρώνει την αλυσίδα mRNA με τη μορφή τριπλών και διαδοχικά επιλέγει τα «απαραίτητα» aa-tRNA από το περιβάλλον, απελευθερώνοντας αποακυλιωμένα tRNA κατά την επιμήκυνση.
Οι μικρές και μεγάλες υπομονάδες του ριβοσώματος εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες κατά τη μετάφραση: η μικρή υπομονάδα συνδέει το mRNA και αποκωδικοποιεί πληροφορίες χρησιμοποιώντας tRNA και τον μηχανισμό μετατόπισης και η μεγάλη υπομονάδα είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό πεπτιδικών δεσμών.
