סינתזת חלבון: שלבים ומאפייניהם - ביולוגיה - 2025

סינתזת החלבון הוא אירוע ביולוגי המתרחשת בשנת כמעט כל היצורים החיים. תאים לוקחים כל העת את המידע המאוחסן ב- DNA ובזכות נוכחות מכונות מיוחדות מורכבות מאוד הופכים אותו למולקולות חלבון.

עם זאת, הקוד בן 4 האותיות המוצפנים ב- DNA אינו מתורגם ישירות לחלבונים. מולקולה RNA המתפקדת כמתווך, הנקראת RNA messenger, מעורבת בתהליך.

סינתזת חלבונים.
מקור: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

כאשר תאים זקוקים לחלבון מסוים, רצף הנוקלאוטידים של חלק מתאים של DNA מועתק ל- RNA - בתהליך שנקרא תעתיק - וזה בתורו מתורגם לחלבון המדובר.

זרימת המידע המתוארת (DNA ל- RNA שליח והודעת RNA לחלבונים) מתרחשת מיצורים פשוטים מאוד כמו חיידקים לבני אדם. סדרת הצעדים הזו נקראה "הדוגמה" המרכזית של הביולוגיה.

המכונות האחראיות על סינתזת חלבון הן ריבוזומים. מבנים תאיים קטנים אלה נמצאים במידה רבה בציטופלזמה ומעוגנים לתכנית הרשת האנדופלסמית.

מהם חלבונים?

חלבונים הם מקרולולולות המורכבות מחומצות אמינו. אלה מהווים כמעט 80% מהפרוטופלזמה של תא מיובש שלם. כל החלבונים המרכיבים אורגניזם נקראים "פרוטאום".

תפקידיו רבים ומגוונים, החל מתפקידים מבניים (קולגן) להובלה (המוגלובין), זרזים לתגובות ביוכימיות (אנזימים), הגנה מפני פתוגנים (נוגדנים), בין היתר.

ישנם 20 סוגים של חומצות אמינו טבעיות שמשולבות באמצעות קשרי פפטיד ליצירת חלבונים. כל חומצת אמינו מאופיינת בכך שיש קבוצה מסוימת המעניקה לה תכונות כימיות ופיזיות מסוימות.

שלבים ומאפיינים

האופן בו התא מצליח לפרש את הודעת ה- DNA מתרחש באמצעות שני אירועים מהותיים: שעתוק ותרגום. עותקים רבים של RNA, שהועתקו מאותו גן, מסוגלים לסנתז מספר משמעותי של מולקולות חלבון זהות.

כל גן מועתק ומתורגם באופן דיפרנציאלי, ומאפשר לתא לייצר כמויות משתנות של מגוון רחב של חלבונים. תהליך זה כולל נתיבי רגולציה שונים, הכוללים בדרך כלל שליטה בייצור RNA.

הצעד הראשון שהתא צריך לעשות כדי להתחיל בייצור חלבונים הוא לקרוא את ההודעה שנכתבה על מולקולת ה- DNA. מולקולה זו היא אוניברסלית ומכילה את כל המידע הדרוש לבנייה ופיתוח של יצורים אורגניים.

בשלב הבא נתאר כיצד מתרחשת סינתזת חלבון, החל בתהליך זה של "קריאה" של החומר הגנטי ומסתיים בייצור חלבונים כשלעצמם.

תמלול: מ- DNA ל- RNA messenger

ההודעה על הסליל הכפול של ה- DNA נכתבת בקוד בן ארבע אותיות המתאים לבסיסים אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ותימין (T).

רצף זה של אותיות DNA משמש כתבנית לבניית מולקולת RNA שקולה.

גם ה- DNA וגם ה- RNA הם פולימרים לינאריים המורכבים מנוקלאוטידים. עם זאת, הם נבדלים זה מזה מבחינה כימית בשני הבחינות היסודיות: הנוקלאוטידים ב- RNA הם ריבונוקליאוטידים ובמקום התימין הבסיסי, ל- RNA יש אורציל (U), המזדווג עם אדנין.

תהליך התמלול מתחיל בפתיחת הסליל הכפול באזור ספציפי. אחת משתי השרשראות משמשת "תבנית" או תבנית לסינתזת RNA. נוקלאוטידים יתווספו בהתאם לכללי ההתאמה הבסיסית, C עם G ו- A עם U.

האנזים העיקרי המעורב בתעתיק הוא פולימראז RNA. זה אחראי על זרז היווצרות קשרי הפוספודיאסטר המצטרפים לגרעינים של השרשרת. השרשרת נמשכת בכיוון 5 'עד 3'.

צמיחת המולקולה כוללת חלבונים שונים המכונים "גורמי התארכות" האחראים על שמירת עקדת הפולימראז עד סוף התהליך.

שחבור של RNA שליח

מקור: מאת BCSteve, מתוך Wikimedia Commons באוקריוטים, לגנים יש מבנה מסוים. הרצף מופרע על ידי אלמנטים שאינם חלק מהחלבון, המכונים אינטרונים. המונח מתנגד לאקסון, הכולל את חלקי הגן שיתורגמו לחלבונים.

שחבור הוא אירוע מהותי המורכב מחיסול האינטרונים של מולקולת המסנג'ר, כדי להשיל מולקולה שנבנתה אך ורק על ידי אקסונים. התוצר הסופי הוא ה- RNA של המסר הבוגר. מבחינה פיזית זה מתרחש בספליזוזום, מכונות מורכבות ודינאמיות.

בנוסף לשחבור, RNA של המסנגרים עובר קידודים נוספים לפני שתורגמו. מתווסף "מכסה המנוע" שאופיו הכימי הוא נוקלאוטיד גואנין שונה, ובקצה 5 'וזנב של כמה אדנינים בקצה השני.

סוגי RNA

בתא מיוצרים סוגים שונים של RNA. חלק מהגנים בתא מייצרים מולקולת RNA של שליח וזה מתורגם לחלבון - כפי שנראה בהמשך. עם זאת, ישנם גנים שהתוצר הסופי שלהם הוא מולקולת ה- RNA עצמה.

לדוגמה, בגנום השמרים, כ -10% מגנים שמרים יש מולקולות RNA כתוצר הסופי שלהם. חשוב להזכיר אותם, מכיוון שמולקולות אלו ממלאות תפקיד מהותי בכל הקשור לסינתזת חלבונים.

- RNA ריבוזומלי: RNA ריבוזומלי הוא חלק מלב ריבוזומים, מבני מפתח לסינתזה של חלבונים.

מקור: ג'יין ריצ'רדסון (Dcrjsr), מתוך Wikimedia Commons עיבוד RNAs ריבוזומליים והרכבתם לאחר מכן לריבוזומים מתרחש במבנה בולט מאוד של הגרעין - אם כי אינו מוגבל על ידי קרום - המכונה הגרעין.

- העברת RNA: זה עובד כמתאם הבוחר חומצה אמינית ספציפית, יחד עם הריבוזום, משלב את שאריות חומצות האמינו בחלבון. כל חומצת אמינו קשורה למולקולת RNA העברה.

באוקריוטים ישנם שלושה סוגים של פולימראזות, שלמרות שהם דומים מאוד למבנית, הם ממלאים תפקידים שונים.

RNA פולימראז I ו- III מתמללים את הגנים המקודדים להעברת RNA, RNA ריבוזומלי, וכמה RNAים קטנים. RNA פולימראז II מכוון לתרגום של גנים המקודדים לחלבונים.

- RNAs קטנים הקשורים לוויסות: RNAs אחרים באורך קצר משתתפים בוויסות ביטוי הגנים. אלה כוללים מיקרו-רנ"א ו- RNA מתערערים קטנים.

MicroRNAs מסדירים את הביטוי על ידי חסימת הודעה ספציפית, והפרעות קטנות שמפריעות מכבות את הביטוי דרך השפלה ישירה של המסנג'ר. באופן דומה, ישנם RNA גרעיני קטנים שמשתתפים בתהליך השחבור של RNA שליח.

תרגום: מ- RNA שליח לחלבונים

ברגע שה- RNA של השליח מתבגר בתהליך השחבור ועובר מהגרעין לציטופלסמה של התא, מתחילה סינתזת החלבון. ייצוא זה מתווך על ידי מתחם הנקבוביות הגרעיניות - סדרה של תעלות מימיות הממוקמות בקרום הגרעין המחברים ישירות את הציטופלזמה והגרעין.

בחיי היומיום אנו משתמשים במונח "תרגום" כדי להתייחס להמרה של מילים משפה לשפה.

לדוגמה, אנו יכולים לתרגם ספר מאנגלית לספרדית. ברמה המולקולרית, תרגום כרוך בשינוי משפה לשפה RNA לחלבון. ליתר דיוק, זהו השינוי מ נוקלאוטידים לחומצות אמינו. אך כיצד מתרחש שינוי ניב זה?

הקוד הגנטי

ניתן להפוך את רצף הנוקלאוטידים של גן לחלבונים בעקבות הכללים שנקבעו על ידי הקוד הגנטי. זה פוענח בראשית שנות השישים.

כפי שהקורא יוכל להסיק, התרגום לא יכול להיות אחד או אחד, מכיוון שיש רק 4 נוקלאוטידים ו 20 חומצות אמינו. ההיגיון הוא כדלקמן: איחוד של שלושה נוקליאוטידים ידוע בכינויו "שלישיות" והם קשורים לחומצה אמינית מסוימת.

מכיוון שיכולים להיות 64 שלישיות אפשריות (4 x 4 x 4 = 64), הקוד הגנטי מיותר. כלומר, אותה חומצת אמינו מקודדת על ידי יותר משלישייה.

נוכחות הקוד הגנטי היא אוניברסלית ומשמשת את כל האורגניזמים החיים המאכלסים את כדור הארץ כיום. שימוש עצום זה הוא אחד ההומולוגיות המולקולריות הבולטות בטבע.

צימוד של חומצת אמינו להעברת RNA

לקודונים או לשלשות הנמצאות במולקולת ה- RNA של המסנג'ר אין את היכולת לזהות ישירות חומצות אמינו. לעומת זאת, התרגום של RNA שליח תלוי במולקולה שיכולה לזהות ולקשור את הקודון ואת חומצת האמינו. מולקולה זו היא ה- RNA העובר.

העברת RNA יכולה להתקפל למבנה תלת ממדי מורכב שדומה לתלתן. במולקולה זו יש אזור המכונה "אנטיקודון", שנוצר על ידי שלושה נוקליאוטידים רצופים המתאימים עם נוקליאוטידים משלימים רצופים של שרשרת ה- RNA המסנג'רית.

כפי שהזכרנו בסעיף הקודם, הקוד הגנטי אינו מיותר, כך שלחלק מחומצות האמיניות יש יותר מ- RNA העברה אחד.

איתור ואיחוי של חומצת האמינו הנכונה ל RNA ההעברה הוא תהליך המתווך על ידי אנזים הנקרא סינתזהase aminoacyl-tRNA. אנזים זה אחראי על חיבור שתי המולקולות דרך קשר קוולנטי.

הודעת RNA מפענחת על ידי ריבוזומים

ליצירת חלבון, חומצות אמינו מקושרות זו לזו דרך קשרי פפטיד. תהליך קריאת RNA שליח וקשירת חומצות אמינו ספציפיות מתרחש בריבוזומים.

ריבוזומים

ריבוזומים הם קומפלקסים קטליטים המורכבים ביותר מ- 50 מולקולות חלבון וסוגים שונים של RNA ריבוזומלי. באורגניזמים אקולוגיים תא ממוצע מכיל בממוצע מיליוני ריבוזומים בסביבה הציטופלסמית.

מבחינה מבנית, ריבוזום מורכב מיחידה תת קטנה וגדולה. תפקידו של החלק הקטן הוא להבטיח ש- RNA ההעברה משויך נכון עם ה- RNA של המסנג'ר, ואילו יחידת המשנה הגדולה מזרזת את היווצרות הקשר של הפפטיד בין חומצות אמינו.

כאשר תהליך הסינתזה אינו פעיל, מופרדות שתי יחידות המשנה המרכיבות ריבוזומים. בתחילת הסינתזה, ה- RNA של המסנגר מצטרף לשתי יחידות המשנה, בדרך כלל בסמוך לסוף 5 '.

בתהליך זה התארכות שרשרת הפוליפפטיד מתרחשת על ידי תוספת של שארית חומצה אמינית חדשה בשלבים הבאים: כריכה של ה- RNA ההעברה, היווצרות קשר הפפטיד, טרנסלוקציה של יחידות המשנה. התוצאה של שלב אחרון זה היא תנועת כל הריבוזום ומתחיל מחזור חדש.

התארכות שרשרת הפוליפפטיד

ברבוזומים נבדלים שלושה אתרים: אתר E, P ו- A (ראה תמונה ראשית). תהליך ההארכה מתחיל כשחומצות אמינו מסוימות כבר נקשרו בקו-קוואליות ויש מולקולת RNA העברה באתר P.

העבר RNA עם חומצת האמינו הבאה שתוכל לשלב נקשר לאתר A על ידי זיווג בסיס עם RNA שליח. החלק הקרבוקסיל-טרמינלי של הפפטיד משוחרר לאחר מכן מ- RNA ההעברה באתר P על ידי שבירת קשר בעל אנרגיה גבוהה בין RNA ההעברה לבין חומצת האמינו שהוא נושא.

חומצת האמינו החופשית מחוברת לשרשרת, ונוצר קשר פפטיד חדש. התגובה המרכזית בכל התהליך הזה מתווכת על ידי האנזים פפטידיל טרנספרז, שנמצא בתת היחידה הגדולה של ריבוזומים. לפיכך, הריבוזום עובר דרך ה- RNA המסנג'ר, ומתרגם את הניב מחומצות אמינו לחלבונים.

כמו בתמלול, גורמי התארכות מעורבים גם במהלך תרגום חלבונים. אלמנטים אלה מגדילים את המהירות והיעילות של התהליך.

השלמת התרגום

תהליך התרגום מסתיים כאשר הריבוזום נתקל בקודוני העצירה: UAA, UAG או UGA. אלה אינם מוכרים על ידי אף RNA העברה ואינם קשורים לחומצות אמינו.

נכון לעכשיו, חלבונים הידועים כגורמי שחרור נקשרים לריבוזום וגורמים לקטליזה של מולקולת מים ולא חומצה אמינית. תגובה זו משחררת את קצה הקרבוקסיל הסופי. לבסוף, שרשרת הפפטיד משתחררת לציטופלסמה של התא.

הפניות

1. ברג JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). בִּיוֹכִימִיָה. מהדורה 5. ניו יורק: WH פרימן.
2. קרטיס, ח., ושנק, א '(2006). הזמנה לביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, and Baltimore, D. (1990). ביולוגיה מולקולרית של התא. ניו יורק: ספרים מדעיים אמריקאיים.
4. הול, JE (2015). ספר לימוד של גייטון והול לפיזיולוגיה רפואית. מדעי הבריאות Elsevier.
5. לוין, ב '(1993). גנים כרך 1. חזרה.
6. Lodish, H. (2005). ביולוגיה תאית ומולקולרית. פנמריקנית רפואית אד.
7. רמאקרישנן, ו '(2002). מבנה ריבוזום ומנגנון התרגום. תא, 108 (4), 557-572.
8. טורטורה, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). מבוא למיקרוביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.
9. וילסון, ד.נ., וקייט, ג'ה.ד (2012). המבנה והתפקוד של הריבוזום האוקריוטי. פרספקטיבות של קפיץ ספרינג הארבור בביולוגיה, 4 (5), a011536.