Догма на молекулярната биология. Централната догма на молекулярната генетика
Структура клетъчно ядро
Клетъчно фракциониране , Понастоящем фракционирането позволява да се получат почти всички клетъчни органели и структури: ядра, нуклеоли, хроматин, ядрени мембрани, плазмена мембрана, вакуоли на ендоплазмен ретикулум и др.
Преди да се получат клетъчни фракции, клетките се разрушават чрез хомогенизиране. След това фракциите се отделят от хомогенатите. Основният метод за изолиране на клетъчни структури е разделителното центрофугиране. Основава се на факта, че по-тежките частици се утаяват по-бързо на дъното на центрофужната тръба.
При ниски ускорения (1-3 хиляди g) ядрата и неразрушените клетки се утаяват по-рано; при 15-30 хиляди g се утаяват повече големи частициили макрозоми, състоящи се от митохондрии, малки пластиди, пероксизоми, лизозоми и др., При 50 хиляди g се утаяват микрозоми, фрагменти от вакуоларната система на клетката. Когато смесените субфракции се центрофугират отново, се изолират чисти фракции. За по-фино разделяне на фракциите се използва центрофугиране в градиент на плътност на захароза. Получаването на отделни клетъчни компоненти дава възможност да се изучават техните биохимични и функционални характеристики и да се създават безклетъчни системи, напр.за рибозоми, които могат да синтезират протеин според информационната РНК, определена от експериментатора, или за пресъздаване на клетъчни супрамолекулни структури. Такива изкуствени системи помагат да се изследват фините процеси, протичащи в клетката.
Метод клетъчно инженерство. След специална обработкаразлични живи клетки могат да се слеят една с друга и да образуват двуядрена клетка или хетерокарион. Хетерокарионите, особено тези, образувани от тясно свързани клетки (например мишки и хамстери), могат да влязат в митоза и да доведат до истински хибридни клетки. Други техники позволяват да се конструират клетки от ядра и цитоплазма с различен произход.
Понастоящем клетъчно инженерствосе използват широко не само в експерименталната биология, но и в биотехнологиите. Например при получаване на моноклонални антитела.
Клетката има огромен бройразлични функции, основните работни механизми за изпълнение на тези функции са протеините или техните комплекси с други биологични макромолекули. Почти всички процеси на синтез, разграждане и пренареждане на различни протеини, нуклеинови киселини, липиди и въглехидрати протичат с участието на ензимни протеини. Контракцията, водеща до клетъчна подвижност или движение на вещества и структури в клетките, също се осъществява от специални контрактилни протеини. Много клетъчни реакции в отговор на външни фактори (вируси, хормони, чужди протеини и т.н.) започват с взаимодействието на тези фактори със специални клетъчни рецепторни протеини.
Протеините са основните компоненти на почти всички клетъчни структури. Структурата на всеки отделен белтък е строго специфична, което се изразява в спецификата на първичната им структура – в последователността на аминокиселините по полипептидната протеинова верига. Такава коректност при възпроизвеждането на недвусмислена последователност от аминокиселини в протеинова верига се определя от структурата на ДНК на генния регион, който в крайна сметка е отговорен за структурата и синтеза на даден протеин. Тази позиция е основният постулат молекулярна биологияили неговата „догма“. В допълнение, централната догма подчертава еднопосочността на трансфера на информация: само от ДНК към протеин (DNA ® mRNA ® протеин) и отрича обратните пътища - от протеин към нуклеинова киселина.
Въз основа на съвременните познания биосинтезата на протеини е както следва схематична диаграма.
Основната роля в определянето на специфичната структура на протеините принадлежи на ДНК. Молекулата на ДНК, състояща се от две усукани полимерни вериги, е линейна структура, чиито мономери са четири вида дезоксирибонуклеотиди, чието редуване или последователност по веригата е уникално и специфично за всяка ДНК молекула и всеки от нейните участъци. За синтезата на всеки протеин е отговорен специфичен участък от молекулата на ДНК. Част от ДНК молекула, която съдържа цялата информация за структурата на съответния протеин. наречен цистрон. Понастоящем понятието цистрони се счита за еквивалентно на понятието ген.
Известно е, че за разлика от други компоненти на протеин-синтезиращия апарат, ДНК на еукариотните организми се намира в клетките на клетъчното ядро. При нисшите (прокариотни) организми, които нямат оформено клетъчно ядро, ДНК също е отделена от останалата част от протоплазмата под формата на един или повече компактни нуклеотиди.
Макромолекулната структура на ДНК се основава на така наречения принцип на комплементарност. Това означава, че противоположните нуклеотиди на две усукани ДНК вериги взаимно се допълват със своята пространствена структура. Такива допълващи се нуклеотидни двойки са A-T двойката (аденин-тимин) и G-C двойка(гуанин-цитозин).
Синтезът на нови ДНК молекули в клетката се извършва само на базата на съществуващи ДНК молекули. В този случай двете вериги на оригиналната ДНК молекула започват да се разминават в единия край и във всеки от разминаващите се едноверижни участъци втората верига започва да се сглобява от наличните в околната среда свободни нуклеотиди в строго съответствие с принципа на взаимно допълване. Във всяка „дъщерна“ ДНК молекула една верига е изцяло получена от оригиналната, а другата е новосинтезирана.
Трябва да се подчертае, че потенциалната способност за точно възпроизвеждане е присъща на двойноверижната комплементарна структура на самата ДНК и откриването на това е едно от основните постижения на биологията.
За осъществяване на процеса на синтез и възпроизвеждане на ДНК съгласно описаната по-горе схема е необходима активността на специален ензим, наречен ДНК полимераза. Именно този ензим извършва последователния процес на разминаване на две вериги от единия край на молекулата на ДНК до другия с едновременна полимеризация на свободни нуклеотиди върху тях според принципа на допълване.
Следователно ДНК, подобно на матрица, само определя реда на подреждане на нуклеотидите в синтезираните вериги, а самият процес се извършва от протеина. Самата ДНК и нейните отделни функционални участъци, които носят информация за структурата на протеините, не участват пряко в процеса на създаване на протеинови молекули. Първата стъпка към осъзнаването на тази информация е така нареченият процес на транскрипция или „пренаписване“. В този процес синтезът на химически свързан полимер, рибонуклеинова киселина (РНК), се извършва върху веригата на ДНК, като върху матрица. Молекулата на РНК е едноверижна, чиито мономери са четири вида рибонуклеотиди. Последователността на разположение на четирите вида рибонуклеотиди в получената РНК верига точно повтаря последователността на разположение на съответните дезоксирибонуклеотиди на една от двете ДНК вериги. Благодарение на това информацията, записана в структурата на даден ген, се пренаписва напълно в РНК. Теоретично неограничен брой "копия" - РНК молекули - могат да бъдат направени от всеки ген. РНК молекулите комуникират с протеин-синтезиращите частици на клетката и участват пряко в синтеза на протеинови молекули. С други думи, те прехвърлят информация от местата на нейното съхранение до местата на нейното внедряване. Ето защо тези РНК се наричат информационни или информационни РНК, съкратено като иРНК или иРНК.
Синтезиращата верига на информационната РНК директно използва съответния ДНК участък като шаблон. В този случай синтезираната иРНК верига точно копира една от двете ДНК вериги в нейната нуклеотидна последователност (урацил (U) в РНК съответства на нейното производно тимин (Т) в ДНК). Всичко се случва въз основа на същия принцип на комплементарност, който определя редупликацията на ДНК. В резултат на това информацията се „пренаписва“ или транскрибира от ДНК в РНК. „Пренаписаните“ комбинации от РНК нуклеотиди директно определят подредбата на аминокиселините, които те кодират в протеиновата верига.
Сега как се създава протеинът? Известно е, че мономерите на една протеинова молекула са аминокиселини, от които има 20 различни разновидности. За всеки тип аминокиселина в клетката има специфични адапторни РНК молекули, които свързват само този тип аминокиселина. Под формата си върху РНК аминокиселините навлизат в протеино-синтезиращи частици - рибозоми и там под диктовката на информационната РНК се подреждат във веригата на синтезирания протеин.
Основното в биосинтезата на протеините е сливането на два вътреклетъчни потока в рибозомите - потока информация и потока материал. Рибозомите са биохимични „машини“ с молекулен размер, в които специфични протеини се сглобяват от входящи аминокиселинни остатъци, съгласно плана, съдържащ се в информационната РНК. Всяка клетка съдържа хиляди реброми; интензивността на ребрата се определя от броя им в клетката. протеинов синтез. По свой начин химическа природаРибозомата принадлежи към рибонуклеопротеините и се състои от специална рибозомна РНК и рибозомни протеинови молекули. Рибозомите имат способността да четат информацията, съдържаща се във веригата на иРНК, и да я внедряват под формата на готова протеинова молекула. Същността на процеса е, че линейното подреждане на 20 вида аминокиселини в протеинова верига се определя от местоположението на четири вида нуклеотиди във веригата на напълно различен полимер - нуклеинова киселина (mRNA). Следователно този процес, протичащ в рибозомата, обикновено се обозначава с термина „превод“ или „превод“ - превод от 4-буквена азбука на вериги на нуклеинова киселина към 20-буквена азбука на протеинови (полипептидни) вериги. IN този процесИ трите известни класа РНК участват в транслацията: информационна РНК, която е обект на транслация, рибозомна РНК, която играе ролята на рибозомен организатор, и адапторна РНК, която изпълнява функцията на транслатор.
Процесът на синтез на протеини започва с образуването на аминокиселинни съединения с адаптерни РНК молекули. В този случай аминокиселината първо се „активира“ енергийно поради ензимната си реакция с молекулата на аденозин трифосфат (АТФ), а след това „активираната“ аминокиселина се свързва към края на относително къса тРНК верига, нарастването в химическата енергия на активираната аминокиселина се съхранява под формата на енергията на химическата връзка между аминокиселината и тРНК.
Трябва да се добави, че реакцията между аминокиселина и тРНК молекула се осъществява от ензима аминоацил-тРНК синтетаза. Всяка от 20-те аминокиселини има свои собствени ензими, които извършват реакция, включваща само тази аминокиселина
Синтез на протеини
1. Транскрипция(пренаписване на информация от ДНК в иРНК). В определен участък от ДНК водородните връзки се разкъсват, което води до две единични вериги. На една от тях иРНК е изградена на принципа на комплементарността. След това се отделя и отива в цитоплазмата, а ДНК веригите отново се свързват една с друга.
2. Обработка(само при еукариоти) – съзряване на иРНК: премахване на непротеинови кодиращи региони от нея, както и добавяне на контролни региони.
3. Експорт на иРНК от ядрото към цитоплазмата(само при еукариоти). Възниква през ядрени пори; общо приблизително 5% от общ бройиРНК в ядрото.
4. Синтез на аминоацил-тРНК.В цитоплазмата има 61 аминоацил-тРНК синтетази. Той комплементарно разпознава аминокиселината и тРНК, които трябва да я носят, и ги свързва помежду си, консумирайки 1 ATP.
5. Транслация (синтез на протеини).Вътре в рибозомата тРНК антикодони са прикрепени към иРНК кодоните според принципа на комплементарност. Рибозомата свързва аминокиселините, донесени от tRNA заедно, за да образуват протеин.
6. Узряване на протеини.Изрязване на ненужни фрагменти от протеин, прикрепване на непротеинови компоненти (например хем), свързване на няколко полипептида в кватернерна структура.
http://biokhimija.ru/lekcii-po-biohimii/21-matrichnye-biosintezy/95-transljacija.html
Има три процеса на молекулярната биология
Основната фигура в матричната биосинтеза са нуклеиновите киселини РНК и ДНК. Те са полимерни молекули, които съдържат пет вида азотни бази, два вида пентози и остатъци от фосфорна киселина. Азотните бази в нуклеиновите киселини могат да бъдат пуринови ( аденин, гуанин) и пиримидин ( цитозин,урацил(само в РНК), тимин(само в ДНК)). В зависимост от структурата на въглехидратите те се делят на рибонуклеинови киселини– съдържат рибоза (РНК) и дезоксирибонуклеинови киселини– съдържат дезоксирибоза (ДНК).
Терминът " матрични биосинтези" се отнася до способността на клетката да синтезира полимерни молекули като нуклеинова киселинаИ катерици, базирано на шаблон – матрици. Това гарантира прецизен трансфер на най-сложната структура от съществуващи молекули към новосинтезирани.
Основен постулат на молекулярната биология
В по-голямата част от случаите предаване наследствена информацияот майчината клетка към дъщерната клетка се извършва с помощта на ДНК ( репликация). За използване генетична информациясамата клетка изисква РНК, образувана върху ДНК матрицата ( транскрипция). Освен това РНК участва пряко във всички етапи на синтеза на протеинови молекули ( излъчване), осигуряващи структурата и дейността на клетката.
Централна догма на молекулярната биология
Структура на клетъчното ядро
Клетъчно фракциониране , Днес фракционирането прави възможно получаването на почти всички клетъчни органели и структури: ядра, нуклеоли, хроматин, ядрени мембрани, плазмена мембрана, вакуоли на ендоплазмен ретикулум и др.
Специални методи
Преди да се получат клетъчни фракции, клетките се разрушават чрез хомогенизиране. След това фракциите се отделят от хомогенатите. Основният метод за изолиране на клетъчни структури е разделителното центрофугиране. Основава се на факта, че по-тежките частици се утаяват по-бързо на дъното на центрофужната тръба.
При ниски ускорения (1-3 хиляди g) ядрата и неразрушените клетки се установяват по-рано, при 15-30 хиляди g, по-големите частици или макрозоми, състоящи се от митохондрии, малки пластиди, пероксизоми, лизозоми и др., се установяват по-рано, при 50 хиляди g, микрозоми, фрагменти от вакуоларната система на клетката, се утаяват. Когато смесените субфракции се центрофугират отново, се изолират чисти фракции. За по-фино разделяне на фракциите се използва центрофугиране в градиент на плътност на захароза. Получаването на отделни клетъчни компоненти дава възможност да се изучават техните биохимични и функционални характеристики и да се създават безклетъчни системи, например,за рибозоми, които могат да синтезират протеин според информационната РНК, определена от експериментатора, или за пресъздаване на клетъчни супрамолекулни структури.
Публикувано на реф.рф
Такива изкуствени системи помагат да се изследват фините процеси, протичащи в клетката.
Метод клетъчно инженерство. След специална обработка различни живи клетки могат да се слеят една с друга и да образуват двуядрена клетка или хетерокарион. Хетерокарионите, особено тези, образувани от тясно свързани клетки (например мишки и хамстери), могат да влязат в митоза и да доведат до истински хибридни клетки. Други техники позволяват да се конструират клетки от ядра и цитоплазма с различен произход.
Днес клетъчното инженерство се използва широко не само в експерименталната биология, но и в биотехнологиите. Например при получаване на моноклонални антитела.
Клетката има огромен брой разнообразни функции; основните работни механизми за изпълнение на тези функции са протеини или техните комплекси с други биологични макромолекули. Почти всички процеси на синтез, разграждане, преструктуриране на различни протеини, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати протичат с участието на ензимни протеини. Контракцията, водеща до клетъчна подвижност или движение на вещества и структури в клетките, също се осъществява от специални контрактилни протеини. Много клетъчни реакции в отговор на външни фактори (вируси, хормони, чужди протеини и т.н.) започват с взаимодействието на тези фактори със специални клетъчни рецепторни протеини.
Протеините са основните компоненти на почти всички клетъчни структури.
Публикувано на реф.рф
Структурата на всеки отделен белтък е строго специфична, което се изразява в спецификата на първичната им структура – в последователността на аминокиселините по полипептидната протеинова верига. Такава коректност при възпроизвеждането на недвусмислена последователност от аминокиселини в протеинова верига се определя от структурата на ДНК на генния регион, който в крайна сметка е отговорен за структурата и синтеза на даден протеин. Тази позиция е основният постулат на молекулярната биология или нейната „догма“. В допълнение, централната догма подчертава еднопосочността на трансфера на информация: само от ДНК към протеин (DNA ® mRNA ® протеин) и отрича обратните пътища - от протеин към нуклеинова киселина.
Въз основа на съвременните познания биосинтезата на протеини е представена чрез следната принципна диаграма.
Основната роля в определянето на специфичната структура на протеините принадлежи на ДНК. Молекулата на ДНК, състояща се от две усукани полимерни вериги, е линейна структура, чиито мономери са четири вида дезоксирибонуклеотиди, чието редуване или последователност по веригата е уникално и специфично за всяка ДНК молекула и всеки от нейните участъци. За синтезата на всеки протеин е отговорен специфичен участък от молекулата на ДНК. Част от ДНК молекула, която съдържа цялата информация за структурата на съответния протеин. наречен цистрон. Днес понятието цистрони се счита за еквивалентно на понятието ген.
Известно е, че за разлика от други компоненти на апарата за синтез на протеини, ДНК на еукариотните организми се намира в клетките на клетъчното ядро. При нисшите (прокариотни) организми, които нямат оформено клетъчно ядро, ДНК също е отделена от останалата част от протоплазмата под формата на един или повече компактни нуклеотиди.
В основата на макромолекулната структура на ДНК лежи така нареченият принцип на комплементарност. Това означава, че противоположните нуклеотиди на две усукани ДНК вериги взаимно се допълват със своята пространствена структура. Такива комплементарни - нуклеотидни двойки са A-T двойката (аденин-тимин) и G-C двойката (гуанин-цитозин).
Синтезът на нови ДНК молекули в клетката се извършва само на базата на съществуващи ДНК молекули. В този случай двете вериги на оригиналната ДНК молекула започват да се разминават в единия край и във всеки от разминаващите се едноверижни участъци втората верига започва да се сглобява от наличните в околната среда свободни нуклеотиди в строго съответствие с принципа на взаимно допълване. Във всяка „дъщерна“ ДНК молекула една верига е изцяло получена от оригиналната, а другата е новосинтезирана.
Трябва да се подчертае, че потенциалната способност за точно възпроизвеждане е присъща на двойноверижната комплементарна структура на самата ДНК и откриването на това е едно от основните постижения на биологията.
За осъществяване на процеса на синтез и възпроизвеждане на ДНК съгласно описаната по-горе схема е необходима активността на специален ензим, наречен ДНК полимераза. Именно този ензим извършва последователния процес на разминаване на две вериги от единия край на молекулата на ДНК до другия с едновременна полимеризация на свободни нуклеотиди върху тях според принципа на допълване.
Следователно ДНК, подобно на матрица, само определя реда на подреждане на нуклеотидите в синтезираните вериги, а самият процес се извършва от протеина. Самата ДНК и нейните отделни функционални участъци, които носят информация за структурата на протеините, не участват пряко в процеса на създаване на протеинови молекули. Първата стъпка по пътя към осъзнаването на тази информация е така нареченият процес на транскрипция или „пренаписване“. В този процес синтезът на химически свързан полимер, рибонуклеинова киселина (РНК), се извършва върху веригата на ДНК, като върху матрица. Молекулата на РНК е едноверижна, чиито мономери са четири вида рибонуклеотиди. Последователността на разположение на четирите вида рибонуклеотиди в получената РНК верига точно повтаря последователността на разположение на съответните дезоксирибонуклеотиди на една от двете ДНК вериги. Благодарение на това информацията, записана в структурата на даден ген, се пренаписва напълно в РНК. Теоретично неограничен брой „копия“ – РНК молекули – могат да бъдат направени от всеки ген. РНК молекулите комуникират с протеин-синтезиращите частици на клетката и участват пряко в синтеза на протеинови молекули. С други думи, те прехвърлят информация от местата на нейното съхранение до местата на нейното внедряване. Ето защо тези РНК се наричат информационни или информационни РНК, съкратено като иРНК или иРНК.
Синтезиращата верига на информационната РНК директно използва съответния ДНК участък като шаблон. В този случай синтезираната иРНК верига точно копира една от двете ДНК вериги в нейната нуклеотидна последователност (урацил (U) в РНК съответства на нейното производно тимин (Т) в ДНК). Всичко се случва на базата на същия принцип на комплементарност, който определя редупликацията на ДНК. В резултат на това се получава „пренаписване“ или транскрипция на информация от ДНК към РНК. „Пренаписаните“ комбинации от РНК нуклеотиди директно определят подредбата на аминокиселините, които те кодират в протеиновата верига.
Сега как се създава протеинът? Известно е, че мономерите на една протеинова молекула са аминокиселини, от които има 20 различни разновидности. За всеки тип аминокиселина в клетката има специфични адапторни РНК молекули, които свързват само този тип аминокиселина. Под формата си върху РНК аминокиселините навлизат в протеино-синтезиращи частици - рибозоми и там под диктовката на информационната РНК се подреждат във веригата на синтезирания протеин.
Основното в биосинтезата на протеините е сливането на два вътреклетъчни потока в рибозомите - потока информация и потока материал. Рибозомите са биохимични „машини“ с молекулен размер, в които специфични протеини се сглобяват от входящи аминокиселинни остатъци, съгласно плана, съдържащ се в информационната РНК. Всяка клетка съдържа хиляди рибзоми, интензивността на протеиновия синтез се определя от броя им в клетката. По своята химическа природа рибозомата принадлежи към рибонуклеопротеините и се състои от специална рибозомна РНК и рибозомни протеинови молекули. Рибозомите имат способността да четат информацията, съдържаща се във веригата на иРНК, и да я внедряват под формата на готова протеинова молекула. Същността на процеса по същество се състои в това, че линейното подреждане на 20 вида аминокиселини в протеинова верига се определя от местоположението на четири вида нуклеотиди във веригата на напълно различен полимер - нуклеинова киселина (mRNA). Поради тази причина този процес, протичащ в рибозомата, обикновено се нарича "транслация" или "транслация" - превод от 4-буквена азбука на вериги на нуклеинова киселина към 20-буквена азбука на протеинови (полипептидни) вериги. И трите известни класа РНК участват в този процес на транслация: информационна РНК, която е обект на транслация, рибозомна РНК, която играе ролята на организатор на рибозома, и адапторна РНК, която функционира като транслатор.
Процесът на синтез на протеини започва с образуването на аминокиселинни съединения с адаптерни РНК молекули. В този случай, първо, енергийното „активиране“ на аминокиселината възниква поради нейната ензимна реакция с молекулата на аденозин трифосфат (АТФ), а след това „активираната“ аминокиселина се свързва към края на относително къса верига от tRNA , нарастването на химическата енергия на активираната аминокиселина се съхранява под формата на енергия на химическата връзка между аминокиселината и tRNA.
Трябва да се добави, че реакцията между аминокиселина и тРНК молекула се осъществява от ензима аминоацил-тРНК синтетаза. Всяка от 20-те аминокиселини има свои собствени ензими, които извършват реакция, включваща само тази аминокиселина
Централната догма на молекулярната биология е концепцията и видовете. Класификация и характеристики на категорията "Централна догма на молекулярната биология" 2017, 2018.
Информация, съдържаща се в биологични последователности
Биополимерите са (биологични) полимери, синтезирани от живи същества. ДНК, РНК и протеините са линейни полимери, т.е. всеки мономер, който съдържат, е свързан с поне два други мономера. Последователността на мономерите кодира информация, чиито правила за предаване са описани от централната догма. Информацията се прехвърля с висока точност, детерминистично и един биополимер се използва като шаблон за сглобяването на друг полимер с последователност, която е напълно определена от последователността на първия полимер.
Универсални методи за предаване на биологична информация
В живите организми има три вида хетерогенни, тоест състоящи се от различни полимерни мономери - ДНК, РНК и протеин. Преносът на информация между тях може да се извърши по 3 × 3 = 9 начина. Централната догма разделя тези 9 вида трансфер на информация на три групи:
- Обща – среща се в повечето живи организми;
- Специални - срещат се по изключение, във вируси и подвижни геномни елементи или в условията на биологичен експеримент;
- Неизвестно - не е намерено.
ДНК репликация (ДНК → ДНК)
ДНК е основният начин за предаване на информация между поколенията живи организми, така че точното дублиране (репликация) на ДНК е много важно. Репликацията се извършва от комплекс от протеини, които развиват хроматина, след това двойната спирала. След това ДНК полимеразата и свързаните с нея протеини изграждат идентично копие на всяка от двете вериги.
Транскрипция (ДНК → РНК)
транскрипция - биологичен процес, в резултат на което информацията, съдържаща се в участък от ДНК, се копира върху синтезираната иРНК молекула. Транскрипцията се осъществява от транскрипционни фактори и РНК полимераза. В еукариотна клетка първичният транскрипт (пре-иРНК) често се редактира. Този процес се нарича снаждане.
Схематична диаграма на внедряването на генетична информация в про- и еукариоти.ПРОКАРИОТИ. При прокариотите протеиновият синтез от рибозомата (транслация) не е пространствено отделен от транскрипцията и може да се случи дори преди завършването на синтеза на иРНК от РНК полимеразата. Прокариотните иРНК често са полицистронни, което означава, че съдържат няколко независими гена.
ЕУКАРИОТИ. Еукариотната иРНК се синтезира като прекурсор, пре-иРНК, която след това претърпява комплексно поетапно съзряване - обработка, включително прикрепването на капачка към 5" края на молекулата, прикрепването на няколко десетки аденинови остатъци към нейния 3" край (полиаденилиране), изрязване на незначителни участъци - интрони и свързващи значими участъци - екзони - един към друг (сплайсинг). В този случай може да се осъществи свързването на екзони на същата пре-иРНК различни начини, което води до образуването на различни зрели иРНК и в крайна сметка различни вариантипротеин (алтернативен сплайсинг). Само иРНК, която успешно е претърпяла обработка, се изнася от ядрото в цитоплазмата и участва в транслацията.
Транслация (РНК → протеин)
РНК репликация (РНК → РНК)
РНК репликацията е копиране на РНК верига върху комплементарна РНК верига с помощта на ензима РНК-зависима РНК полимераза. Вируси, съдържащи едноверижна (например пикорнавируси, които включват вируса на шап) или двойноверижна РНК, се репликират по подобен начин.
Директен превод на протеин върху ДНК матрица (ДНК → протеин)
Директната транслация е демонстрирана в клетъчни екстракти от Escherichia coli, които съдържат рибозоми, но не и иРНК. Такива екстракти синтезират протеини от въведена в системата ДНК, а антибиотикът неомицин засилва този ефект.
Епигенетични промени
Епигенетичните промени са промени в експресията на гени, които не са причинени от промени в генетичната информация (мутации). Епигенетичните промени възникват в резултат на модификации в нивото на генна експресия, тоест тяхната транскрипция и/или транслация. Най-изследваният тип епигенетична регулация е ДНК метилирането с помощта на ДНК метилтрансферазни протеини, което води до временно инактивиране на метилирания ген, в зависимост от условията на живот на организма. Въпреки това, тъй като първичната структура на ДНК молекулата не се променя, това изключение не може да се счита за истински пример за трансфер на информация от протеин към ДНК.
Приони
Прионите са протеини, които съществуват в две форми. Една от формите (конформациите) на протеина е функционална, обикновено разтворима във вода. Втората форма образува неразтворими във вода агрегати, често под формата на молекулярни полимерни тръби. Мономер - протеинова молекула - в тази конформация е в състояние да се свърже с други подобни протеинови молекули, прехвърляйки ги във втора, подобна на прион, конформация. При гъбите такива молекули могат да бъдат наследени. Но, както в случая с метилирането на ДНК, първичната структура на протеина в в такъв случайостава същата и не се извършва трансфер на информация към нуклеиновите киселини.
Историята на термина "догма"
Оригинален текст(Английски)
Моето мнение беше, че догмата е идея, за която няма разумни доказателства. Виждаш ли?!“ И Крик изрева от възторг. „Просто не знаех какво означава догмата. И можех също така да я нарека „Централна хипотеза“ или – разбирате ли. Което имах предвид кажи, че догмата беше просто уловна фраза
В допълнение, в своята автобиографична книга What Mad Pursuit, Крик пише за избора на думата „догма“ и проблемите, причинени от този избор:
„Подозирам, че нарекох тази идея централната догма по две причини. Вече бях използвал думата хипотеза в хипотезата на последователността и освен това исках да предположа, че това ново предположение е по-централно и по-силно... Както се оказа, използването на термина догма причини повече проблеми, отколкото си струваше. .. Много години по-късно Жак Моно ми каза, че Очевидно не съм разбрал какво се има предвид под думата догма, която означава част от вярата, която не подлежи на съмнение. Бях смътно предпазлив от това значение на думата, но тъй като вярвах, че всички религиозни вярвания са без основа, използвах думата така, както я разбирах, а не както повечето други хора я разбираха, прилагайки я към голяма хипотеза, която, въпреки доверието, което вдъхна, се основаваше на малко количество преки експериментални данни."
Оригинален текст(Английски)
Нарекох тази идея централната догма по две причини, предполагам. Вече бях използвал очевидната дума хипотеза в хипотезата за последователността и в допълнение исках да предположа, че това ново предположение е по-централно и по-мощно. ... Както се оказа, използването на думата догма причини почти повече проблеми, отколкото си струваше... Много години по-късно Жак Моно ми посочи, че изглежда не разбирам правилното използване на думата догма, което е вяра, която не подлежи на съмнение. Разбирах това по някакъв смътен начин, но тъй като смятах, че всички религиозни вярвания са без основа, използвах думата по начина, по който аз самият го мислех за нея, а не както прави по-голямата част от света, и просто я приложих към голяма хипотеза това, колкото и да е правдоподобно, имаше малка пряка експериментална подкрепа.
Вижте също
Бележки
Връзки
- Б. Дж. Маккарти, Дж. Дж. Холанд.Денатурирана ДНК като директен шаблон за инвитроСинтез на протеин // PNAS. - 1965. - Т. 54. - С. 880-886.
- Вернер, Е.Семантика на генома, многоклетъчни системи In Silico и централната догма // Писма FEBS. - 2005. - V. 579. - P. 1779-1782. PMID 15763551
- Хорас Фрийланд Джъдсън.Глава 6: Умът ми беше, че догмата е идея, за която няма разумни доказателства. Виждаш ли?! // Осмият ден на сътворението: Създателите на революцията в биологията (25-то юбилейно издание). - 1996 г.
Лекция №
Брой часове: 2
Централна догма на молекулярната биология
1) Транскрипция
2) Излъчване
В началото на 50-те години Ф. Крик формулира централната догма на молекулярната биология. Според тази концепция генетичната информация от ДНК към протеините се предава чрез РНК съгласно следната схема: ДНК - РНК - протеин.
Първият етап от биосинтезата протича в ядрото и се нарича транскрипции (пренаписване).
Транскрипция- биосинтеза на РНК молекули върху ДНК матрица. Този процес се катализира от ензима РНК полимераза. Ензимът разпознава началния знактранскрипции - промоутър- и се присъединява към него. Промоторът е ориентиран по такъв начин, че РНК полимеразата преминава през дадена генетична област в определена посока. Ензимът развива двойната спирала на ДНК и копира, започвайки от промотора, една от нейните вериги. Докато РНК полимеразата се движи, нарастващата РНК верига се отдалечава от матрицата и двойната спирала на ДНК зад ензима се възстановява. По време на процеса на транскрипция се синтезира про-m-RNA - предшественикът на зрялата m-RNA, участваща в транслацията. Pro-m-RNA има големи размерии съдържа фрагменти, които не кодират синтеза на полипептидната верига. Тези фрагменти се наричат интрони, кодиращите фрагменти се извикват екзони.Процесът на изрязване на интрони и снаждане на екзони в строг ред се нарича снаждане.По време на процеса на сливане се образува зряла m-RNA.Транспортът на m-RNA от ядрото до цитоплазмата се осъществява през ядрените пори. Зрелите еукариотни тРНК обикновено кодират само една полипептидна верига.
Следващият етап от биосинтезата се извършва в цитоплазмата на рибозомите и се нарича транслация.
Излъчване- синтез на полипептидни вериги на протеини върху m-RNA матрица съгласно генетичен код. По време на процеса на транслация информацията за структурата на протеина се превежда от нуклеотидния код на m-RNA в специфична последователност от аминокиселини в синтезираните протеини. Биосинтезата на протеини се осъществява от сложен макромолекулен комплекс. Аминокиселините се доставят до рибозомите чрез тРНК. По време на протеиновия синтез m-RNA е част от полирибозома (от няколко до 100 рибозоми се синтезират едновременно върху нея).
По този начин транскрипцията и транслацията са пространствено разделени. Транскрипцията се извършва в ядрото, а транслацията - в цитоплазмата.
Клетката като такава има огромен брой разнообразни функции, както вече казахме, някои от тях са общоклетъчни, други са специални, характерни за специални видове клетки. Основните работни механизми за изпълнение на тези функции са протеините или техните комплекси с други биологични макромолекули, като нуклеинови киселини, липиди и полизахариди. По този начин е известно, че процесите на транспортиране в клетката на различни вещества, от йони до макромолекули, се определят от работата на специални протеини или липопротеинови комплекси в плазмата и други клетъчни мембрани. Почти всички процеси на синтез, разграждане и пренареждане на различни протеини, нуклеинови киселини, липиди и въглехидрати възникват в резултат на активността на протеинови ензими, специфични за всяка отделна реакция. Синтезите на отделни биологични мономери, нуклеотиди, аминокиселини, мастни киселини, захари и др. също се извършват от огромен брой специфични ензими - протеини. Контракцията, водеща до клетъчна подвижност или движение на вещества и структури в клетките, също се осъществява от специални контрактилни протеини. Много клетъчни реакции в отговор на външни фактори (вируси, хормони, чужди протеини и т.н.) започват с взаимодействието на тези фактори със специални клетъчни рецепторни протеини.
Протеините са основните компоненти на почти всички клетъчни структури. Множеството химични реакции в клетката се определят от много ензими, всеки от които извършва една или повече отделни реакции. Структурата на всеки отделен белтък е строго специфична, което се изразява в спецификата на първичната им структура – в последователността на аминокиселините по полипептидната протеинова верига. Освен това специфичността на тази аминокиселинна последователност се повтаря безпогрешно във всички молекули на даден клетъчен протеин.
Такава коректност при възпроизвеждането на недвусмислена последователност от аминокиселини в протеинова верига се определя от структурата на ДНК на генния регион, който в крайна сметка е отговорен за структурата и синтеза на даден протеин. Тези идеи служат като основен постулат на молекулярната биология, нейната „догма“. Информацията за бъдещата протеинова молекула се предава до местата на нейния синтез (рибозоми) чрез посредник - информационна РНК (mRNA), чийто нуклеотиден състав отразява състава и последователността на нуклеотидите на генната област на ДНК. В рибозомата е изградена полипептидна верига, последователността на аминокиселините в която се определя от последователността на нуклеотидите в иРНК, последователността на техните триплети. По този начин централната догма на молекулярната биология подчертава еднопосочността на трансфера на информация: само от ДНК към протеин, с помощта на междинен продукт, иРНК (ДНК® иРНК ® протеин). За някои вируси, съдържащи РНК, веригата за предаване на информация може да следва схемата РНК – иРНК – протеин. Това не променя същността на въпроса, тъй като определящата, определяща връзка тук също е нуклеиновата киселина. Обратните пътища на определяне от протеин към нуклеинова киселина до ДНК или РНК са неизвестни.
За да преминем към изучаването на клетъчните структури, свързани с всички етапи на протеиновия синтез, трябва накратко да се спрем на основните процеси и компоненти, които определят това явление.
В момента въз основа на модерни идеиотносно биосинтезата на протеините, можем да дадем следната обща схематична диаграма на този сложен и многоетапен процес (фиг. 16).
Основната, "командна" роля в определянето на специфичната структура на протеините принадлежи на дезоксирибонуклеиновата киселина - ДНК. Молекулата на ДНК е изключително дълга линейна структура, състояща се от две преплетени полимерни вериги. Съставните елементи - мономери - на тези вериги са четири вида дезоксирибонуклеотиди, чието редуване или последователност по дължината на веригата е уникално и специфично за всяка ДНК молекула и всеки неин участък. Различни доста дълги участъци от молекулата на ДНК са отговорни за синтеза на различни протеини. Така една ДНК молекула може да определи синтеза на голям брой функционално и химически различни клетъчни протеини. Само определен участък от молекулата на ДНК е отговорен за синтеза на всеки вид протеин. Такъв участък от ДНК молекулата, свързан със синтеза на един определен протеин в клетката, често се нарича "цистрон". Понастоящем понятието цистрони се счита за еквивалентно на понятието ген. Уникалната структура на гена - специфичното последователно подреждане на неговите нуклеотиди по веригата - съдържа цялата информация за структурата на съответния протеин.
От общата схема на протеиновия синтез става ясно (виж фиг. 16), че началната точка, от която започва потокът от информация за биосинтезата на протеините в клетката, е ДНК. Следователно ДНК е тази, която съдържа първичния запис на информация, която трябва да се съхранява и възпроизвежда от клетка на клетка, от поколение на поколение.
Засягайки накратко въпроса къде се съхранява генетичната информация, т.е. За локализацията на ДНК в клетката може да се каже следното. Отдавна е известно, че за разлика от всички други компоненти на апарата за синтез на протеини, ДНК има специална, много ограничена локализация: нейното местоположение в клетките на висшите (еукариотни) организми ще бъде клетъчното ядро. При нисшите (прокариотни) организми, които нямат оформено клетъчно ядро, ДНК също се смесва от останалата част от протоплазмата под формата на едно или няколко компактни нуклеотидни образувания. В пълно съответствие с това, ядрото на еукариотите или нуклеоидът на прокариотите отдавна се разглежда като вместилище за гени, като уникален клетъчен органел, който контролира изпълнението на наследствените характеристики на организмите и тяхното предаване през поколенията.
Основният принцип, залегнал в макромолекулната структура на ДНК, е така нареченият принцип на комплементарност (фиг. 17). Както вече споменахме, молекулата на ДНК се състои от две усукани вериги. Тези вериги са свързани една с друга чрез взаимодействието на техните противоположни нуклеотиди. Освен това, поради структурни причини, съществуването на такава двойноверижна структура е възможно само ако противоположните нуклеотиди на двете вериги са пространствено комплементарни, т.е. ще се допълват взаимно с пространствената си структура. Такива комплементарни - нуклеотидни двойки са A-T двойката (аденин-тимин) и G-C двойката (гуанин-цитозин).
Следователно, според този принцип на комплементарност, ако в една верига на ДНК молекула имаме определена последователност от четири вида нуклеотиди, то във втората верига последователността от нуклеотиди ще бъде уникално определена, така че всеки А от първата верига ще съответства на T във втората верига, всяко T от първата верига ще съответства на A във втората верига, на всяко G от първата верига - C във втората верига и на всяко C от първата верига - G във втората верига.
Вижда се, че посоченият структурен принцип, залегнал в основата на двойноверижната структура на ДНК молекулата, улеснява разбирането на точното възпроизвеждане на оригиналната структура, т.е. точно възпроизвеждане на информация, записана във веригите на една молекула под формата на специфична последователност от 4 вида нуклеотиди. Всъщност синтезът на нови ДНК молекули в клетката се извършва само на базата на съществуващи ДНК молекули. В този случай двете вериги на оригиналната ДНК молекула започват да се разминават в единия край и във всеки от разминаващите се едноверижни участъци втората верига започва да се сглобява от наличните в околната среда свободни нуклеотиди в строго съответствие с принципа на взаимно допълване. Процесът на разминаване на двете вериги на оригиналната ДНК молекула продължава и съответно двете вериги се допълват от комплементарни вериги. В резултат на това, както се вижда на диаграмата, вместо една се появяват две ДНК молекули, напълно идентични с оригиналната. Във всяка получена „дъщерна“ ДНК молекула едната верига изглежда е изцяло получена от оригиналната, докато другата е новосинтезирана.
Основното нещо, което трябва да се подчертае още веднъж, е, че потенциалната способност за точно възпроизвеждане е присъща на двуверижната комплементарна структура на самата ДНК и откриването на това, разбира се, представлява едно от основните постижения на биологията.
Въпреки това, проблемът с възпроизвеждането (редупликацията) на ДНК не се ограничава до посочване на потенциалната способност на нейната структура да възпроизвежда точно нейната нуклеотидна последователност. Факт е, че самата ДНК изобщо не е самовъзпроизвеждаща се молекула. За осъществяване на процеса на синтез и възпроизвеждане на ДНК съгласно описаната по-горе схема е необходима активността на специален ензимен комплекс, наречен ДНК полимераза. Очевидно този ензим извършва последователния процес на разделяне на две вериги от единия край на молекулата на ДНК до другия с едновременна полимеризация на свободни нуклеотиди върху тях според принципа на допълване. По този начин ДНК, подобно на матрица, само задава реда на подреждане на нуклеотидите в синтезираните вериги, а самият процес се осъществява от протеина. Работата на ензима по време на редупликацията на ДНК е един от най-интересните проблеми днес. Очевидно ДНК полимеразата активно пълзи по двуверижната ДНК молекула от единия край до другия, оставяйки след себе си раздвоена, дублирана „опашка“. Физическите принципи на действие на този протеин все още не са ясни.
Но самата ДНК и нейните отделни функционални участъци, които носят информация за структурата на протеините, не участват пряко в процеса на създаване на протеинови молекули. Първата стъпка към реализацията на тази информация, записана в ДНК вериги, е така нареченият процес на транскрипция или „пренаписване“. В този процес синтезът на химически свързан полимер, рибонуклеинова киселина (РНК), се извършва върху веригата на ДНК, като върху матрица. Молекулата на РНК е единична верига, чиито мономери са четири вида рибонуклеотиди, които се считат за лека модификация на четирите вида дезоксирибонуклеотиди на ДНК. Последователността на разположение на четирите вида рибонуклеотиди в получената РНК верига точно повтаря последователността на разположение на съответните дезоксирибонуклеотиди на една от двете ДНК вериги. По този начин нуклеотидната последователност на гените се копира под формата на РНК молекули, т.е. информацията, записана в структурата на даден ген, се транскрибира изцяло в РНК. Голям, теоретично неограничен брой такива „копия“ - РНК молекули - могат да бъдат премахнати от всеки ген. Тези молекули, пренаписани в много копия като „копия“ на гени и следователно носещи същата информация като гените, се разпръскват из клетката. Те вече са в пряк контакт с белтъчно-синтезиращите частици на клетката и вземат „лично“ участие в процесите на създаване на протеинови молекули. С други думи, те преместват информация от мястото, където се съхранява, до местата, където се прилага. Съответно тези РНК се означават като информационни или информационни РНК, съкратено като иРНК (или иРНК).
Установено е, че информационната РНК верига се синтезира директно, използвайки съответния ДНК участък като шаблон. В този случай синтезираната иРНК верига точно копира една от двете ДНК вериги в нейната нуклеотидна последователност (ако приемем, че урацил (U) в РНК съответства на нейното производно тимин (Т) в ДНК). Това се случва на базата на същия структурен принцип на комплементарност, който определя редупликацията на ДНК (фиг. 18). Оказа се, че когато иРНК се синтезира върху ДНК в клетка, само една ДНК верига се използва като шаблон за образуване на иРНК верига. Тогава всяко G от тази ДНК верига ще съответства на C в изграждащата се РНК верига, всяко C от ДНК веригата ще съответства на G в РНК веригата, всяко T от ДНК веригата ще съответства на A в РНК веригата и всеки A от ДНК веригата ще съответства на Y в РНК веригата. В резултат на това получената РНК верига ще бъде строго комплементарна на матричната ДНК верига и, следователно, идентична по нуклеотидна последователност (като T = Y) на втората ДНК верига. По този начин информацията се „пренаписва“ от ДНК на РНК, т.е. транскрипция. „Пренаписаните“ комбинации от нуклеотиди във веригата на РНК вече директно определят подредбата на съответните аминокиселини, които те кодират в протеиновата верига.
Тук, както когато се разглежда редупликацията на ДНК, е необходимо да се посочи нейната ензимна природа като един от най-значимите аспекти на процеса на транскрипция. ДНК, която е матрицата в този процес, напълно определя местоположението на нуклеотидите в синтезираната иРНК верига, цялата специфика на получената РНК, но самият процес се осъществява от специален протеин - ензим. Този ензим се нарича РНК полимераза. Неговата молекула има сложна организация, която й позволява активно да се движи по дължината на ДНК молекулата, като същевременно синтезира РНК верига, комплементарна на една от ДНК веригите. Молекулата на ДНК, която служи като шаблон, не се изразходва или променя, оставайки в оригиналната си форма и винаги готова за такова пренаписване от нея на неограничен брой „копия“ - иРНК. Потокът на тези иРНК от ДНК към рибозомите съставлява потока от информация, който осигурява програмирането на протеиновия синтезиращ апарат на клетката, целия набор от нейни рибозоми.
По този начин разглежданата част от диаграмата описва потока от информация, идваща от ДНК под формата на молекули на иРНК към вътреклетъчни частици, които синтезират протеини. Сега се обръщаме към друг вид поток - към потока на материала, от който трябва да бъде създаден протеинът. Елементарните единици - мономери - на протеиновата молекула са аминокиселини, от които има 20 различни разновидности. За да се създаде (синтезира) протеинова молекула, свободните аминокиселини, присъстващи в клетката, трябва да бъдат включени в съответния поток, влизащ в протеин-синтезиращата частица, и там те са подредени във верига по определен уникален начин, продиктуван от информационната РНК. Това участие на аминокиселини - градивните елементи за създаването на протеини - се осъществява чрез прикрепването на свободни аминокиселини към специални РНК молекули с относително малък размер. Тези РНК, които служат за свързване на свободни аминокиселини към тях, няма да бъдат информационни, но носят различна адапторна функция, чието значение ще се види по-нататък. Аминокиселините са прикрепени към единия край на малки вериги на трансферна РНК (тРНК), една аминокиселина на РНК молекула.
За всеки тип аминокиселина в клетката има специфични адапторни РНК молекули, които свързват само този тип аминокиселина. В тази форма, посещавайки РНК, аминокиселините влизат в протеин-синтезиращи частици.
Централната точка на процеса на протеинова биосинтеза е сливането на тези два вътреклетъчни потока - потока от информация и потока от материали - в протеин-синтезиращите частици на клетката. Тези частици се наричат рибозоми. Рибозомите са ултрамикроскопични биохимични „машини“ с молекулен размер, където специфични протеини се сглобяват от входящи аминокиселинни остатъци, според плана, съдържащ се в информационната РНК. Въпреки че тази диаграма (фиг. 19) показва само една частица, всяка клетка съдържа хиляди рибзоми. Броят на рибозомите определя общата интензивност на протеиновия синтез в клетката. Диаметърът на една рибозомна частица е около 20 nm. По своята химическа природа рибозомата е рибонуклеопротеин: тя се състои от специална рибозомна РНК (това е третият клас РНК, познат ни в допълнение към информационната и адапторната РНК) и молекули на структурен рибозомен протеин. Заедно тази комбинация от няколко десетки макромолекули образува идеално организирана и надеждна „машина“, която има способността да чете информацията, съдържаща се във веригата на иРНК, и да я внедрява под формата на готова протеинова молекула със специфична структура. Тъй като същността на процеса е, че линейното подреждане на 20 вида аминокиселини в протеинова верига се определя еднозначно от местоположението на четири вида нуклеотиди във веригата на химически напълно различен полимер - нуклеинова киселина (mRNA), този процес срещащи се в рибозомата обикновено се наричат „транслация“ или „транслация“ - транслация, така да се каже, от 4-буквена азбука на вериги на нуклеинова киселина към 20-буквена азбука на протеинови (полипептидни) вериги. Както се вижда, в процеса на транслация участват и трите познати класа РНК: информационна РНК, която е обект на транслация, рибозомна РНК, която играе ролята на организатор на протеин-синтезиращата рибонуклеопротеинова частица - рибозома, и адапторна РНК. , който изпълнява функцията на преводач.
Процесът на синтез на протеини започва с образуването на аминокиселинни съединения с адапторни РНК молекули или тРНК. В този случай аминокиселината първо се „активира“ енергийно поради ензимната си реакция с молекулата на аденозин трифосфат (АТФ), а след това „активираната“ аминокиселина се свързва към края на относително къса тРНК верига, нарастването в химическата енергия на активираната аминокиселина се съхранява под формата на енергията на химическата връзка между аминокиселината и тРНК.
Но в същото време се решава и втората задача. Факт е, че реакцията между аминокиселина и тРНК молекула се осъществява от ензим, обозначен като аминоацил-тРНК синтетаза. За всеки от 20-те вида аминокиселини има специални ензими, които осъществяват реакция, включваща само тази аминокиселина. По този начин има най-малко 20 ензима (аминоацил-тРНК синтетаза), всеки от които е специфичен за един вид аминокиселина. Всеки от тези ензими може да реагира не с която и да е тРНК молекула, а само с тези, които носят строго определена комбинация от нуклеотиди във веригата си. По този начин, поради съществуването на набор от такива специфични ензими, които разграничават, от една страна, природата на аминокиселината и, от друга, нуклеотидната последователност на тРНК, всеки от 20-те вида аминокиселини се оказва да се “приписва” само на определена тРНК с дадена характерна нуклеотидна комбинация.
Схематично някои аспекти на процеса на биосинтеза на протеини, доколкото ги представяме днес, са дадени на фиг. 19.
Тук, на първо място, е ясно, че молекулата на информационната РНК е свързана с рибозомата или, както се казва, рибозомата е „програмирана“ от информационната РНК. Във всеки един момент само относително къс сегмент от веригата на иРНК се намира директно в самата рибозома. Но точно този сегмент, с участието на рибозомата, може да взаимодейства с адаптерните РНК молекули. И тук отново основна роля играе принципът на комплементарността, разгледан вече два пъти по-горе.
Това е обяснението на механизма защо една строго определена аминокиселина съответства на даден триплет от веригата на иРНК. Може да се види, че необходимата междинна връзка или адаптер, когато всяка аминокиселина "разпознае" своя триплет върху иРНК, е адапторната РНК (тРНК).
По-нататък на диаграмата (виж Фиг. 19) е ясно, че в рибозомата, в допълнение към току-що обсъдената tRNA молекула с прикрепена аминокиселина, има друга tRNA молекула. Но за разлика от молекулата на тРНК, обсъдена по-горе, тази молекула на тРНК е прикрепена в своя край към края на протеинова (полипептидна) верига, която е в процес на синтез. Тази ситуация отразява динамиката на събитията, протичащи в рибозомата по време на синтеза на протеинова молекула. Тази динамика може да си представим по следния начин. Нека започнем с определен междинен момент, отразен на диаграмата и характеризиращ се с наличието на протеинова верига, която вече е започнала да се изгражда, тРНК, прикрепена към нея и която току-що е навлязла в рибозомата и се е свързала с триплета на нова тРНК молекула с съответната му аминокиселина. Очевидно самият акт на свързване на молекула на тРНК към триплет на иРНК, разположен на дадено място на рибозомата, води до такава взаимна ориентация и близък контакт между аминокиселинния остатък и изграждащата се протеинова верига, че между тях възниква ковалентна връзка. Връзката се осъществява по такъв начин, че краят на протеиновата верига в процес на изграждане, прикрепен към тРНК в диаграмата, се прехвърля от тази тРНК към аминокиселинния остатък на входящата аминоацил-тРНК. В резултат на това „дясната“ тРНК, която играе ролята на „донор“, ще бъде свободна и протеиновата верига ще бъде прехвърлена към „акцептора“ - „лявата“ (пристигнала) аминоацил-тРНК, в резултат на това протеиновата верига ще бъде удължена с една аминокиселина и ще бъде прикрепена към „лявата“ » тРНК. След това "лявата" tRNA, заедно с триплета от иРНК нуклеотиди, свързани с нея, се прехвърля "надясно", след което предишната "донорна" tRNA молекула ще бъде изместена оттук и ще напусне рибозомите, на нейно място a ще се появи нова тРНК с протеинова верига в процес на изграждане, удължена с един аминокиселинен остатък, и веригата на иРНК ще бъде напреднала с един триплет надясно спрямо рибозомата. В резултат на движението на веригата на иРНК един триплет надясно, следващият вакантен триплет (UUU) ще се появи в рибозомата и съответната тРНК с аминокиселина (фенилаланил-тРНК) веднага ще се присъедини към него според комплементарния принцип. Това отново ще доведе до образуването на ковалентна (пептидна) връзка между изграждащата се протеинова верига и фенилаланиновия остатък и последващо движение на веригата на иРНК един триплет надясно с всички произтичащи от това последствия и т.н. По този начин веригата на информационната РНК се изтегля последователно, триплет по триплет, през рибозомата, в резултат на което веригата иРНК се „чете” от рибозомата като цяло, от началото до края. В същото време и във връзка с това се получава последователно, аминокиселина по аминокиселина, растеж на протеиновата верига. Съответно молекулите на tRNA с аминокиселини влизат в рибозомата една след друга, а молекулите на tRNA без аминокиселини излизат. Намирайки се в разтвор извън рибозомата, свободните tRNA молекули отново се комбинират с аминокиселини и отново ги пренасят в рибозомата, като по този начин се въртят без разрушаване или промяна.
КлетъченЯДРО
1. Обща характеристика на интерфазното ядро. Функции на ядрото
2.
3.
4.
1. Обща характеристика на интерфазното ядро
Ядрото е най-важно компонентклетка, която се среща в почти всички клетки на многоклетъчните организми. Повечето клетки имат едно ядро, но има двуядрени и многоядрени клетки (например набраздени мускулни влакна). Двуядрените и многоядрените се определят от функционални характеристики или патологично състояниеклетки. Формата и размерът на ядрото са много променливи и зависят от вида на организма, вида, възрастта и функционалното състояние на клетката. Средно обемът на ядрото е приблизително 10% от общия обем на клетката. Най-често ядрото е кръгло или овална формас размери от 3 до 10 микрона в диаметър. Минималният размер на ядрото е 1 микрон (при някои протозои), максималният е 1 mm (яйцата на някои риби и земноводни). В някои случаи има зависимост на формата на ядрото от формата на клетката. Ядрото обикновено заема централно положение, но в диференцираните клетки може да бъде изместено към периферната част на клетката. Почти цялата ДНК на еукариотната клетка е концентрирана в ядрото.
Основните функции на ядрото са:
1) Съхранение и трансфер на генетична информация;
2) Регулиране на протеиновия синтез, метаболизма и енергията в клетката.
По този начин ядрото е не само хранилището на генетичен материал, но и мястото, където този материал функционира и се възпроизвежда. Следователно нарушаването на някоя от тези функции ще доведе до клетъчна смърт. Всичко това показва водещото значение на ядрените структури в процесите на синтез на нуклеинови киселини и протеини.
Един от първите учени, които демонстрират ролята на ядрото в живота на клетката, е немският биолог Хамерлинг. Hammerling използва големи едноклетъчни водорасли като експериментален обект Ацетобулариясредиземно море и А.° Сренулата. Тези тясно свързани видове са ясно разграничени един от друг по формата на тяхната „шапка“. В основата на дръжката е ядрото. При някои експерименти шапката е отделена от долната част на стъблото. В резултат на това беше установено, че за нормалното развитие на капачката е необходимо ядро. В други експерименти стъбло с ядро от един вид водорасли беше свързано със стъбло без ядро от друг вид. Получените химери винаги развиват шапка, типична за вида, към който принадлежи ядрото.
Общата структура на интерфазното ядро е еднаква във всички клетки. Ядрото се състои от ядрена обвивка, хроматин, нуклеоли, ядрен протеинов матрикс и кариоплазма (нуклеоплазма).Тези компоненти се намират в почти всички неделящи се клетки на еукариотни едно- и многоклетъчни организми.
2. Ядрена обвивка, структура и функционална стойност
Ядрена обвивка (кариолема, кариотека) се състои от външна и вътрешна ядрена мембрана с дебелина 7 nm. Между тях се намира перинуклеарно пространствоширина от 20 до 40 nm. Основните химични компоненти на ядрената обвивка са липиди (13-35%) и протеини (50-75%). Малки количества ДНК (0-8%) и РНК (3-9%) също се намират в ядрените мембрани. Ядрените мембрани се характеризират относително ниско съдържаниехолестерол и високи фосфолипиди. Ядрената обвивка е пряко свързана с ендоплазмения ретикулум и съдържанието на ядрото. Мрежовидни структури са съседни на него от двете страни. Мрежовидната структура, покриваща вътрешната ядрена мембрана, има вид на тънка обвивка и се нарича ядрена ламина.Ядрената ламина поддържа мембраната и контактува с хромозоми и ядрени РНК. Подобната на мрежа структура, обграждаща външната ядрена мембрана, е много по-малко компактна. Външната ядрена мембрана е обсипана с рибозоми, участващи в синтеза на протеини. Ядрената обвивка съдържа множество пори с диаметър около 30-100 nm. Броят на ядрените пори зависи от типа клетка, етапа на клетъчния цикъл и специфичната хормонална ситуация. Така че колкото по-интензивни са синтетичните процеси в клетката, толкова повече пори има в ядрената мембрана. Ядрените пори са доста лабилни структури, т.е. в зависимост от външни влияния те могат да променят своя радиус и проводимост. Отворът на порите е изпълнен със сложно организирани глобуларни и фибриларни структури. Съвкупността от мембранни перфорации и тези структури се нарича комплекс от ядрени пори. Сложният комплекс от пори има осмоъгълна симетрия. По протежение на границата на кръглия отвор в ядрената обвивка има три реда гранули, по 8 броя във всеки: единият ред съдържа средство за конструиране на концептуални модели на ядрената страна, другият е средство за конструиране на концептуални модели на цитоплазмената страна , третият се намира в централната част на порите. Размерът на гранулите е около 25 nm. От гранулите се простират фибриларни процеси. Такива фибрили, простиращи се от периферните гранули, могат да се сближат в центъра и да създадат, така да се каже, преграда, диафрагма, през порите. В центъра на дупката често можете да видите така наречената централна гранула.
Ядрено-цитоплазмен транспорт
Процесът на транслокация на субстрат през ядрена пора (в случай на внос) се състои от няколко етапа. На първия етап транспортиращият комплекс е закотвен върху фибрила, обърната към цитоплазмата. След това фибрилата се огъва и премества комплекса към входа на канала на ядрената пора. Настъпва действителната транслокация и освобождаване на комплекса в кариоплазмата. Известен е и обратният процес – преминаване на веществата от ядрото в цитоплазмата. Това се отнася преди всичко за транспортирането на РНК, синтезирана изключително в ядрото. Съществува и друг начин за транспортиране на вещества от ядрото до цитоплазмата. Свързва се с образуването на израстъци на ядрената мембрана, които могат да бъдат отделени от ядрото под формата на вакуоли, след което съдържанието им се излива или освобождава в цитоплазмата.
По този начин обменът на вещества между ядрото и цитоплазмата се извършва по два основни начина: през порите и чрез връзки.
Функции на ядрената мембрана:
1. Бариера.Тази функция е да отдели съдържанието на ядрото от цитоплазмата. В резултат на това процесите на синтеза на РНК/ДНК и синтеза на протеини стават пространствено разделени.
2. транспорт.Ядрената обвивка активно регулира транспорта на макромолекули между ядрото и цитоплазмата.
3. Организиране.Една от основните функции на ядрената обвивка е нейното участие в създаването на вътрешноядрен ред.
3. Структура и функции на хроматина и хромозомите
Наследственият материал може да присъства в клетъчното ядро в две структурни и функционални състояния:
1. Хроматин.Това е декондензирано, метаболитно активно състояние, предназначено да поддържа процесите на транскрипция и редупликация в интерфазата.
2. Хромозоми.Това е максимално кондензирано, компактно, метаболитно неактивно състояние, предназначено за разпространение и транспорт на генетичен материал до дъщерните клетки.
Хроматин.В клетъчното ядро се идентифицират зони от плътна материя, които са добре оцветени с основни багрила. Тези структури се наричат "хроматин" (от гръцки "chromo"– цвят, боя). Хроматинът на интерфазните ядра представлява хромозоми, които са в декондензирано състояние. Степента на хромозомна декондензация може да варира. Наричат се зони на пълна декондензация еухроматин.При непълна декондензация се появяват участъци от кондензиран хроматин, наречени хетерохроматин.Степента на декондензация на хроматина в интерфазата отразява функционалното натоварване на тази структура. Колкото по-"дифузно" е разпределен хроматинът в интерфазното ядро, толкова по-интензивни са синтетичните процеси в него. НамаляванеСинтезът на РНК в клетките обикновено се придружава от увеличаване на зоните на кондензиран хроматин.Максимална кондензация на кондензиран хроматин се постига по време на митотично клетъчно делене. През този период хромозомите не изпълняват никакви синтетични функции.
Химически хроматинът се състои от ДНК (30-45%), хистони (30-50%), нехистонови протеини (4-33%) и малко количество РНК.ДНК на еукариотните хромозоми е линейна молекула, състояща се от репликони, подредени в тандем (един след друг) различни размери. Средният размеррепликонът е около 30 µm. Репликоните са участъци от ДНК, които се синтезират като независими единици. Репликоните имат начална точка и крайна точка за синтеза на ДНК. РНК представлява всички известни клетъчни типове РНК, които са в процес на синтез или узряване. Хистоните се синтезират върху полизоми в цитоплазмата и този синтез започва малко по-рано от редупликацията на ДНК. Синтезираните хистони мигрират от цитоплазмата към ядрото, където се свързват с участъци от ДНК.
Структурно, хроматинът е нишковиден комплекс от дезоксирибонуклеопротеинови (DNP) молекули, който се състои от ДНК, свързана с хистони. Хроматиновата нишка е двойна спирала от ДНК, заобикаляща хистоново ядро. Състои се от повтарящи се единици - нуклеозоми. Броят на нуклеозомите е огромен.
Хромозоми(от гръцки chromo и soma) са органели на клетъчното ядро, които са носители на гени и определят наследствените свойства на клетките и организмите.
Хромозомите са пръчковидни структури с различна дължина с относително постоянна дебелина. Те имат първична зона на стесняване, която разделя хромозомата на две рамена.Хромозомите с равни се наричат метацентричен, с рамене с неравна дължина - субметацентричен.Наричат се хромозоми с много късо, почти незабележимо второ рамо акроцентричен.
В областта на първичната констрикция има центромер, който представлява дисковидна ламеларна структура. Снопове от микротубули на митотичното вретено са прикрепени към центромера, вървящи към центриолите. Тези снопове от микротубули участват в движението на хромозомите към полюсите на клетката по време на митоза. Някои хромозоми имат вторична констрикция. Последният обикновено се намира близо до дисталния край на хромозомата и отделя малка област, сателит. Вторичните стеснения се наричат нуклеоларни организатори. Тук е локализирана ДНК, отговорна за синтеза на рРНК. Хромозомните рамена завършват в теломерите, крайните области. Теломерните краища на хромозомите не могат да се свържат с други хромозоми или техни фрагменти. Обратно, счупените краища на хромозомите могат да бъдат прикрепени към същите счупени краища на други хромозоми.
Размерът на хромозомите варира в широки граници сред различните организми. По този начин дължината на хромозомите може да варира от 0,2 до 50 микрона. Най-малките хромозоми се намират в някои протозои и гъбички. Най-дългите се срещат при някои правокрили насекоми, земноводни и лилии. Дължината на човешките хромозоми е в диапазона 1,5-10 микрона.
Броят на хромозомите в различните обекти също варира значително, но е типичен за всеки вид животно или растение. При някои радиоларии броят на хромозомите достига 1000-1600. Рекордьорът сред растенията по брой хромозоми (около 500) е тревната папрат с 308 хромозоми. черница. Най-малък брой хромозоми (2 на диплоиден набор) се наблюдава при маларийния плазмодий, конски кръгъл червей. При хората броят на хромозомите е 46,при шимпанзета, хлебарки и чушки– 48, дрозофила – 8, домашна муха – 12, шаран – 104, смърч и бор – 24, гълъб – 80.
Кариотип (от гръцки Karion - ядро, ядро на орех, оператори - модел, форма) е набор от характеристики на хромозомния набор (брой, размер, форма на хромозомите), характерен за определен вид.
Индивиди от различен пол (особено животни) от един и същи вид могат да се различават по броя на хромозомите (разликата най-често е една хромозома). Дори при тясно свързани видове хромозомните набори се различават един от друг или по броя на хромозомите, или по размера на поне една или повече хромозоми.Следователно структурата на кариотипа може да бъде таксономична характеристика.
През втората половина на 20 век започна да се въвежда хромозомен анализ методи за диференциално оцветяване на хромозоми.Смята се, че способността на отделните хромозомни региони да се оцветяват е свързана с техните химически различия.
4. Нуклеол. Кариоплазма. Ядрена протеинова матрица
Ядрото (nucleolus) е основен компонент на клетъчното ядро на еукариотните организми. Все пак има някои изключения. По този начин ядрата отсъстват във високоспециализирани клетки, по-специално в някои кръвни клетки. Ядрото е плътно, закръглено тяло с размери 1-5 микрона. За разлика от цитоплазмените органели, ядрото няма мембрана, която обгражда съдържанието му. Размерът на ядрото отразява степента на неговата функционална активност, която варира в широки граници различни клетки. Ядрото е производно на хромозомата. Ядрото се състои от протеин, РНК и ДНК. Концентрацията на РНК в нуклеолите винаги е по-висока от концентрацията на РНК в други компоненти на клетката. Така концентрацията на РНК в ядрото може да бъде 2-8 пъти по-висока, отколкото в ядрото, и 1-3 пъти по-висока, отколкото в цитоплазмата. Благодарение на високо съдържаниеРНК и нуклеолите са добре оцветени с основни багрила. ДНК в ядрото образува големи бримки, наречени „нуклеоларни организатори“. От тях зависи образуването и броят на нуклеолите в клетките. Ядрото е разнородно по своята структура. Той разкрива два основни компонента: гранулиран и фибриларен. Диаметърът на гранулите е около 15-20 nm, дебелината на фибрилите– 6-8 nm. Фибриларният компонент може да бъде концентриран в централната част на ядрото, а грануларният компонент - по периферията. Често грануларният компонент образува нишковидни структури - нуклеолонеми с дебелина около 0,2 μm. Фибриларният компонент на нуклеолите са рибонуклеопротеиновите вериги на рибозомните прекурсори, а гранулите са зреещите рибозомни субединици. Функцията на ядрото е образуването на рибозомна РНК (рРНК) и рибозоми, върху които се извършва синтеза на полипептидни вериги в цитоплазмата. Механизмът на образуване на рибозома е следният: рРНК прекурсор се образува върху ДНК на нуклеоларния организатор, който е покрит с протеин в нуклеоларната зона. В нуклеоларната зона се извършва сглобяването на рибозомни субединици. В активно функциониращи нуклеоли се синтезират 1500-3000 рибозоми в минута. Рибозомите от ядрото навлизат в мембраните на ендоплазмения ретикулум през порите в ядрената обвивка. Броят и образуването на нуклеоли се свързва с дейността на нуклеоларните организатори. Промени в броя на нуклеолите могат да възникнат поради сливането на нуклеолите или поради промени в хромозомния баланс на клетката. Ядрата обикновено съдържат няколко нуклеоли. Ядрата на някои клетки (овоцити на тритон) съдържат голям бройнуклеоли. Това явление се нарича усилване.Състои се в организирането на системи за управление на качеството, така че да се получи свръхрепликация на зоната на нуклеоларния организатор, множество копия се отклоняват от хромозомите и стават допълнително работещи нуклеоли. Този процес е необходим за натрупването на огромен брой рибозоми на яйце. Това осигурява развитието на ембриона в ранните етапи дори при липса на синтез на нови рибозоми. Излишните нуклеоли изчезват след узряването на яйцеклетката.
Съдбата на ядрото по време на клетъчното делене. Тъй като синтезът на r-RNA се разпада в профазата, ядрото се разхлабва и готовите рибозоми се освобождават в кариоплазмата и след това в цитоплазмата. По време на хромозомната кондензация, фибриларният компонент на ядрото и част от гранулите са тясно свързани с тяхната повърхност, образувайки основата на матрицата на митотичните хромозоми. Този фибриларно-гранулиран материал се пренася от хромозоми към дъщерни клетки. В ранната телофаза компонентите на матрицата се освобождават, когато хромозомите декондензират. Неговата фибриларна част започва да се сглобява в множество малки асоциирани - пренуклеуси, които могат да се обединяват помежду си. Когато синтезът на РНК се възобнови, пренуклеолите се трансформират в нормално функциониращи нуклеоли.
Кариоплазма(от гръцки< карион > – ядка, ядро на ядка), или ядрен сок, под формата на безструктурна полутечна маса обгражда хроматина и нуклеолите. Ядреният сок съдържа протеини и различни РНК.
Ядрена протеинова матрица (ядрен скелет) - рамкова вътрешноядрена система, която служи за поддържане на общата структура на интерфазното ядро, комбинирайки всички ядрени компоненти. Това е неразтворим материал, оставащ в ядрото след биохимични екстракции. Няма ясна морфологична структура и се състои от 98% протеини.
- Викторини за празника Най-интересните въпроси за викторина по женски теми
- Орден на Светата равна на апостолите Велика княгиня Олга Позиция на Ордена на княгиня Олга
- Амвросий Нефтекамски и Бирски епископ Амвросий Нефтекамски и Бирски
- Какво представляват паронимите? Примери за пароними. Пароними Какво е пароним