Informacija

Koji su neki primjeri gena koji kodiraju više proteina?

Koji su neki primjeri gena koji kodiraju više proteina?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Naslov prilično govori sve. Općenito se uči da bi gen u eukariotskom sustavu mogao proizvesti više od jednog proteina zbog post-transkripcijske modifikacije, ali ne vjerujem da sam naišao na neke posebne primjere toga. Jesu li poznati takvi sustavi? Ili je ovo više teoretsko?


Odgovor nije jednostavan - @shigeta je spomenula nekoliko mehanizama koji vode do odnosa pojedinačnih gena prema više proteina - a odgovor zasigurno nije kratak (postoji na tisuće ovih gena).

No u svakom slučaju čini se da je "alternativno spajanje" primarni mehanizam prema ovaj članak, pa umjesto da nabrajamo sve alternativno spojene gene, evo baza podataka (+veze):

Alternativna baza gena za spajanje (kliknite na plavo za vezu):

EDAS: EST izvedena alternativna baza podataka za spajanje

U12DB: Baza podataka U12 spliceosomalnih introna

FASTdb: Prijateljska alternativna baza spajanja i prijepisa

BIPASS: Bioinformatički cjevovod za alternativno spajanje

ASAP II: Alternativna baza podataka za spajanje

ASTD: Baza podataka o alternativnom spajanju i prepisivanju raznolikosti

H-DBAS: Ljudska baza podataka alternativnog spajanja

Hollywood: Alternativno spojena baza podataka mRNA

Ecgene: Oznaka genoma za alternativno spajanje

SpliceMiner: Zbirka spojnih varijanti za ljudske gene


Postoji veliki broj načina na koji se proteinska varijanta može proizvesti posttranslacijskom modifikacijom. Možda se pitanje čini očitim, ali je doista široko.

Mogu započeti s ovim. Sumnjam da znam sve načine na koje jedan transkript može proizvesti različite proteine. Detaljan opis mogao bi više nalikovati preglednom članku nego odgovoru.

Prvo, vrlo su rijetki slučajevi eukariotske polikistronske mRNA: mRNA koja kodira više od jednog proteina. U ovom slučaju, nakon translacije, mRNA se obrađuje kako bi nastala višestruka monocistronska RNA.

Zatim postoje proteini s molekulama dodani kovalentnom vezom na protein. Glikoproteini su notorno promjenjivi. Mnoge druge male molekule mogu se vezati za protein kako bi napravile varijantu ove vrste: ubikvitinizacija, N-acetilacija, SUMO domene, metilacija lizina samo su neke od uobičajenih kovalentnih modifikacija proteina.

Postoje uređivanje RNK koje uklanja dio kodirajuće RNK kako bi se napravila alternativna spojena RNA.

Lista se nastavlja i nastavlja. Pa približava li se išta od ovoga onome što ste htjeli znati?


Radi ravnoteže, evo primjera jednog proteina koji je konstruiran od dva primarna genska proizvoda (uključena su dva odvojena gena) spajanjem proteina.


Spajanje gena je post-transkripcijska modifikacija u kojoj jedan gen može kodirati više proteina. Spajanje gena vrši se u eukariota, prije translacije mRNA, diferencijalnim uključivanjem ili isključivanjem regija pre-mRNA. Spajanje gena važan je izvor raznolikosti bjelančevina. Tijekom tipičnog događaja spajanja gena, pre-mRNA prepisana iz jednog gena može dovesti do različitih zrelih molekula mRNA koje stvaraju više funkcionalnih proteina. Dakle, spajanje gena omogućuje jednom genu da poveća svoj kodirajući kapacitet, dopuštajući sintezu proteinskih izoformi koje su strukturno i funkcionalno različite. Spajanje gena uočeno je u velikom udjelu gena. U ljudskim stanicama poznato je da oko 40-60% gena pokazuje alternativno spajanje.


Ekspresija gena prokariota nasuprot eukariota

Da bismo razumjeli kako je regulirana ekspresija gena, prvo moramo razumjeti kako gen postaje funkcionalni protein u stanici. Proces se događa i u prokariotskim i u eukariotskim stanicama, samo na malo drugačiji način.

Budući da prokariotskim organizmima nedostaje stanična jezgra, procesi transkripcije i translacije odvijaju se gotovo istodobno. Kad protein više nije potreban, transkripcija prestaje. Kao rezultat toga, primarna metoda za kontrolu vrste i količine proteina izražene u prokariotskoj stanici je regulacija transkripcije DNA u RNA. Svi sljedeći koraci odvijaju se automatski. Kad je potrebno više proteina, dolazi do veće transkripcije. Stoga je u prokariotskim stanicama kontrola ekspresije gena gotovo u potpunosti na razini transkripcije.

Prvi primjer takve kontrole otkriven je pomoću E. coli 1950 -ih i 1960 -ih od strane francuskih istraživača i naziva se lac operon. The lac operon je dio DNK s tri susjedna gena koji kodiraju proteine ​​koji sudjeluju u apsorpciji i metabolizmu laktoze, izvora hrane za E. coli. Kada laktoza nije prisutna u okruženju bakterije, lac geni se prepisuju u malim količinama. Kad je prisutna laktoza, geni se prepisuju i bakterija može koristiti laktozu kao izvor hrane. Operon također sadrži promotorsku sekvencu na koju se veže RNA polimeraza za početak transkripcije između promotora i tri gena, regija koja se naziva operatorom. Kada nema prisutne laktoze, protein poznat kao represor veže se za operatora i sprječava vezanje RNA polimeraze za promotor, osim u rijetkim slučajevima. Tako se stvara vrlo malo proteinskih proizvoda triju gena. Kad je prisutna laktoza, krajnji produkt metabolizma laktoze veže se za protein represor i sprječava njegovo vezanje za operatora. To omogućuje da se RNA polimeraza veže za promotor i slobodno transkribira tri gena, dopuštajući organizmu da metabolizira laktozu.

Nasuprot tome, eukariotske stanice imaju unutarstanične organele i mnogo su složenije. Podsjetimo da se u eukariotskim stanicama DNK nalazi unutar jezgre stanice i tamo se prepisuje u mRNA. Novo sintetizirana mRNA se zatim transportira iz jezgre u citoplazmu, gdje ribosomi prevode mRNA u protein. Procesi transkripcije i translacije fizički su odvojeni nuklearnom membranom. Transkripcija se događa samo unutar jezgre, a translacija se događa samo izvan jezgre u citoplazmi. Regulacija ekspresije gena može se dogoditi u svim fazama procesa (slika 1). Regulacija se može dogoditi kada se DNK otkotrlja i otpusti iz nukleosoma da veže transkripcijske faktore (epigenetska razina), kada se RNA transkribira (transkripcijska razina), kada se RNA obrađuje i izvozi u citoplazmu nakon što se transkribira (post-transkripcijska razina) , kada se RNA prevede u protein (translacijska razina) ili nakon što je protein napravljen (posttranslacijska razina).

Slika 1: Ekspresija eukariotskog gena regulirana je tijekom transkripcije i obrade RNA, koje se odvijaju u jezgri, kao i tijekom translacije proteina, koja se odvija u citoplazmi. Daljnja regulacija može se dogoditi post-translacijskim modifikacijama proteina.

Razlike u regulaciji ekspresije gena između prokariota i eukariota sažete su u tablici 1.

  • Transkripcija RNA događa se prije translacije proteina i odvija se u jezgri. U citoplazmi dolazi do translacije RNA u protein.
  • Postprocesiranje RNA uključuje dodavanje poklopca 5 ′, poli-A repa i izrezivanje introna i spajanje egzona.

"Riječi" za dvostruku upotrebu

Prvo višenamjensko čudo nije teško razumjeti ako nastavite jezičnu analogiju. Baš kao što DNK ima četiri "slova", ta su slova spojena u "riječi" od tri slova, koje se nazivaju kodoni. Ove su riječi spojene u rečenice i odlomke koji na kraju tvore cjelovite upute za izradu proteina ili njihovu regulaciju.

To postaje još kompliciranije jer se izvorne upute čuvaju u središnjoj biblioteci stanice ili jezgri. Budući da DNK obično ne napušta jezgru, upute se prvo moraju kopirati u posredni "dokument" poznat kao RNA. Ovaj kodirani dokument napušta jezgru i prenosi se u tvornice stanice, gdje se čitaju upute za sastavljanje proteina.

Vjerovalo se da kodoni imaju samo jednu svrhu - prenijeti upute za izgradnju proteina. Nedavna istraživanja okrenula su ovu ideju s glave. Mogu imati dvije druge svrhe.

Reguliranje brzine kopiranja DNK u RNK

Znanstvenici su otkrili da neki kodoni također mogu igrati ulogu u reguliranju brzine kopiranja središnje biblioteke iz DNA u RNA. Procjenjuje se da 15% kodona (koji se nazivaju duoni) služe ovoj dvostrukoj svrsi.

Jedan od istraživača, dr. John Stamatoyannopoulos, izjavio je svoje iznenađenje: „Više od 40 godina pretpostavljamo da promjene DNK koje utječu na genetski kod utječu samo na način na koji se proteini proizvode. Sada znamo da je ovoj osnovnoj pretpostavci o čitanju ljudskog genoma promakla polovica slike. ” Umjesto da bude proizvod slučajnih, slučajnih procesa, DNK nosi obilježje nevjerojatnog dizajna.

Pauziranje proizvodnje proteina radi stvaranja pravih nabora

Kako stanica okuplja proteine, rastući protein počinje se slagati. Pravilno savijanje vrlo je važno za funkciju proteina. Pogrešno savijeni proteini ne rade ispravno. Znanstvenici su otkrili da neki kodoni imaju drugu dvostruku ulogu: pritisnuli su gumb "pauza" tijekom izgradnje proteina kako bi omogućili pravilno savijanje.

Ovo otkriće razjašnjava misteriju u genetici. Činilo se da nekoliko riječi (kodoni) imaju isto značenje. Na primjer, svi kodoni CCA, CCG i CCC kodiraju istu aminokiselinu, prolin. U svim mojim godinama školovanja i poučavanja, uvijek smo učili i učili da je ovaj višak uzrokovao jači kod. Mutacija koja mijenja CCA u CCC ne mora nužno promijeniti aminokiselinu koju proizvodi, pa se smatralo da promjena ima mali ili nikakav štetan utjecaj.

Nedavna istraživanja pokazala su da različite kombinacije kodona nanizanih zajedno (nazvanih heksameri) doista nose upute. Poput zareza u rečenici, oni mogu proizvesti "stanku" u kodu. Svaki protein mora se zaustaviti u pravo vrijeme tijekom svog formiranja, inače se neće pravilno saviti. Promjena iz CCA u CCC, u našem primjeru, neće promijeniti prolin, ali bi mogla ukloniti neophodnu stanku i promijeniti "značenje".

Znanstvenici uključeni u ovo istraživanje izjavili su: "Suvišno mapiranje kodona u aminokiseline, dakle, sve je samo ne suvišno ili degenerirano." Još jednom vidimo dokaze da DNK nije nasumično sastavljena tijekom eona, već ju je namjerno sastavio Bog Stvoritelj.


Broj slova u kodu

Čitajući molekulu mRNA s jednog određenog kraja, samo jedna od četiri različite baze, A, U, G ili C, može se pronaći na svakom položaju. Dakle, da su riječi dugačke jedno slovo, bile bi moguće samo četiri riječi. Ovaj rječnik ne može biti genetski kod, jer moramo imati riječ za svaku od 20 aminokiselina koje se obično nalaze u staničnim proteinima. Da su riječi dugačke dva slova, tada bi bile moguće 4 2   = � riječi, na primjer, AU, CU ili CC. Ovaj rječnik još uvijek nije dovoljno velik.

Ako su riječi dugačke tri slova, moguće su 4 3   = � riječi, na primjer, AUU, GCG ili UGC. Ovaj rječnik nudi više nego dovoljno riječi za opis aminokiselina. Možemo zaključiti da se kodna riječ mora sastojati od najmanje tri para nukleotida. Međutim, ako su sve riječi ȁkripci ”, tada imamo znatan višak mogućih riječi u odnosu na 20 potrebnih za imenovanje uobičajenih aminokiselina.


Svojstva genetskog koda: 7 svojstva

Ovaj članak baca svjetlo na sedam svojstava genetskog koda. Sedam nekretnina su:

(1) Kôd koji se ne preklapa (2) Izuzeci od Koda (3) Prijenos informacija putem genetskog koda (4) Okvir čitanja niza (5) Start/Stop kodoni (6) Degeneracija genetskog koda i (6) 7) Varijacije standardnog genetskog koda.

U tijelu nam je potrebno nekoliko tisuća različitih proteina. Genetski materijal, DNK, u našim stanicama daje informacije potrebne za proizvodnju svih ovih proteina. Iako linearni slijed nukleotida u DNA sadrži podatke o proteinskim sljedovima, proteini se ne stvaraju izravno iz DNK. Umjesto toga, iz DNK se sintetizira molekula glasničke RNA (mRNA) koja usmjerava stvaranje proteina.

RNA se sastoji od četiri nukleotida: adenina (A), gvanina (G), citozina (C) i uracila (U). Tri susjedna nukleotida čine jedinicu poznatu kao kodon, koja kodira aminokiselinu. Genetski kod sastoji se od 64 trojke nukleotida (slika 6.1). Ove trojke se zovu kodoni. Uz tri iznimke, svaki kodon kodira jednu od 20 aminokiselina koje se koriste u sintezi proteina.

Većina aminokiselina kodirana je s više kodona. Dešifriranje genetskog koda uspjeli su početkom 1960 -ih američki biokemičari Marshall W. Nirenberg, Robert W. Holley i Har Gobind Khorana. Kodoni za svaku aminokiselinu dešifrirani su upotrebom različitih sintetičkih poliribonukleotida#8217, koji su dodani u sustav za sintezu proteina izoliran iz E. coli.

U sustav su dodane radioaktivne aminokiseline i nadziran je sintetizirani protein, npr. Poli A tj. AAAAAAA doveo je do stvaranja poli lizina, npr. Poli C, tj. CCCCCCCC doveo je do stvaranja poliprolina, pa su AAA kodovi za lys i CCC kodovi za prolin. Razvoj ove tehnike omogućio je dešifriranje potpunog genetskog koda.

Svojstva genetskog koda:

1. Kôd se čita u nepreklapajućim skupinama od tri nukleotida mRNA. Svaka se skupina naziva kodonom.

2. Nema razmaka ili zareza koji odvajaju susjedne kodone. Ovo je kao da imate rečenicu na engleskom koja se u potpunosti sastoji od riječi od 3 slova gdje nema razmaka između riječi. Ovo svojstvo posebno je važno za razumijevanje učinaka mutacija na proteine.

3. Genetski kod je suvišan. Postoji 64 moguća kodona, ali samo 20 aminokiselina.

4. Postoji početni kodon koji odgovara aminokiselini metionin. Kad počinje prevođenje, prva aminokiselina je uvijek metionin. Nakon translacije ova se aminokiselina uklanja kao dio uređivanja proteina.

Napomena: metionin se može ugraditi tijekom produženja peptidnog lanca i može se pojaviti u proteinu (slika 6.2).

5. Postoje tri nekodirajuća stop ili besmislena kodona. Oni govore strojevima za prevođenje da je kraj proteina dosegnut.

6. Nemaju sve aminokiseline jednak broj kodona koji ga kodiraju. Uočite da triptofan ima jedan kodon, dok arginin ima šest kodona.

7. Kôd je gotovo univerzalan. Međutim, određene bakterije, mitohondriji i protista imaju male varijacije u svojim kodovima. Gotovo univerzalnost koda sugerira da je kôd nastao vrlo rano u evoluciji života.

Svojstvo # 1. Kôd koji se ne preklapa:

Genetski kod čita se u skupinama (ili “ riječi ”) od tri nukleotida. Nakon čitanja jedne trojke, okvir za čitanje “ čitanja ” pomiče se za tri slova, a ne samo za jedno ili dva. U sljedećem primjeru kod se ne bi čitao CAT, ATG. Umjesto toga, kôd bi se čitao ACA, TGA (slika 6.3).

Nekretnina # 2. Izuzeci od Kodeksa:

Genetski kod je gotovo univerzalan. Isti kodoni dodijeljeni su istim aminokiselinama i istim signalima START i STOP u velikoj većini gena životinja, biljaka i mikroorganizama. Međutim, pronađene su neke iznimke. Većina njih umjesto toga dodjeljuje jedan ili dva od tri STOP kodona aminokiselini.

Nekretnina # 3. Prijenos informacija putem genetskog koda:

Genom nekog organizma upisan je u DNK, ili u neke viruse RNK. Dio genoma koji kodira protein ili RNA naziva se gen. Ti geni koji kodiraju proteine ​​sastavljeni su od tri nukleotidnih jedinica koje se zovu kodoni, od kojih svaka kodira jednu aminokiselinu. Svaki gen koji kodira protein transkribira se u molekulu uzorka srodne polimerne RNA, poznate kao glasnička RNA ili mRNA. To se pak na ribosomu prevodi u lanac aminokiselina ili polipeptid.

Proces translacije zahtijeva prijenosne RNA specifične za pojedine aminokiseline s kovalentno vezanim aminokiselinama, gvanozin trifosfat kao izvor energije i niz translacijskih faktora. tRNA imaju antikodone komplementarne kodonima u mRNA i mogu se “napuniti ” kovalentno s aminokiselinama na njihovim 3 ′ terminalnim krajevima CCA.

Pojedinačne tRNA nabijene su specifičnim aminokiselinama pomoću enzima poznatih kao aminoacil tRNA sintetaze koje imaju visoku specifičnost i za srodne aminokiseline i za tRNA. Visoka specifičnost ovih enzima glavni je razlog zašto se održava vjernost translacije proteina. Standardni genetski kod prikazan je na slici 6.1.

Nekretnina # 4. Okvir čitanja niza:

Imajte na umu da je kodon definiran početnim nukleotidom iz kojeg počinje translacija. Na primjer, niz GGGAAACCC, ako se čita s prve pozicije, sadrži kodone GGG AAA i CCC, a ako se čita s drugog položaja, sadrži kodone GGA i AAC ako se čita s treće pozicije, GAA i ACC.

Djelomični kodoni su zanemareni u ovom primjeru. Stoga se svaki niz može čitati u tri okvira za čitanje, od kojih će svaki proizvesti drugačiji niz aminokiselina (u danom primjeru, Gly-Lys-Pro, Gly-Asp ili Glu-Thr).

S dvolančanom DNA postoji šest mogućih okvira za čitanje, tri u prednjoj orijentaciji na jednoj niti i tri natrag (na suprotnoj niti). Stvarni okvir u koji se proteinska sekvenca prevodi određen je početnim kodonom, obično prvim kodonom AUG u sekvenci mRNA.

Nekretnina # 5. Start/Stop kodoni:

Prijevod započinje kodonom inicijacije lanca (start kodonom). Za razliku od stop kodona, sam kodon nije dovoljan za početak procesa. Za početak prevođenja potrebni su i obližnji slijedovi i faktori inicijacije. Postoji samo jedan početni kodon: AUG, koji kodira metionin, pa svaki lanac aminokiselina mora započeti s metioninom.

Tri stop kodona dobila su imena: UAG je jantar, UGA je opal (ponekad se naziva i umber), a UAA je oker. “Amber ” nazvali su otkrivači Richard Epstein i Charles Steinberg po svom prijatelju Harrisu Bernsteinu, čije prezime na njemačkom znači “amber ”. Druga dva stop kodona nazvana su “ochre ” i “opal ” kako bi se zadržala tema “boja ”.

Stop kodoni se nazivaju i završni kodoni i oni daju signal za oslobađanje novonastalog polipeptida iz ribosoma. To je posljedica vezanja faktora oslobađanja u odsutnosti srodnih tRNA s antikodonima komplementarnim ovim signalima zaustavljanja.

Nekretnina # 6. Degeneracija genetskog koda:

Genetski kod ima suvišnost, ali nema dvosmislenosti. Na primjer, iako kodoni GAA i GAG specificiraju glutaminsku kiselinu (redundancija), niti jedan od njih ne navodi nijednu drugu aminokiselinu (nema nejasnoća). Degenerirani kodoni mogu se razlikovati na svojim trećim položajima, npr. I GAA i GAG kod za aminokiselinu glutaminsku kiselinu.

Za kodon se kaže da je četverostruko degeneriran ako bilo koji nukleotid na svom trećem položaju navodi istu aminokiselinu, kaže se da je dvostruko degeneriran ako samo dva od četiri moguća nukleotida na svom trećem položaju određuju istu aminokiselinu.

U dvostruko degeneriranim kodonima, ekvivalentni nukleotidi trećeg položaja uvijek su ili dva purina (A/G) ili dva pirimidina ’s (C/T). Samo su dvije aminokiseline specificirane jednim kodonom. Jedna od njih je aminokiselina metionin, određena kodonom AUG koji također određuje početak prevođenja, a druga je triptofan, naveden u kodonu UGG.

Degeneracija nastaje jer trojni kod označava 20 aminokiselina i stop kodon. Budući da postoje četiri baze, tripletni kodoni potrebni su za stvaranje najmanje 21 različitog koda. Na primjer, ako postoje dvije baze po kodonu, tada bi se moglo kodirati samo 16 aminokiselina (4 = 16). Budući da je potreban najmanje 21 kôd, tada 4 daje 64 moguća kodona, što znači da mora postojati neka degeneracija. Ova svojstva genetskog koda čine ga otpornijim na greške za točkaste mutacije.

Postoji 64 različita tripletna kodona i samo 20 aminokiselina. Ako neke aminokiseline nisu navedene u više kodona, neki kodoni bi bili potpuno besmisleni. Stoga je u sustav ugrađen neki višak: neke aminokiseline kodiraju više kodona.

U nekim slučajevima, suvišni kodoni međusobno su povezani nizom, na primjer, leucin je specificiran kodonom CUU, CUA, CUC i CUG. Zapazite kako su kodoni isti, osim za treći nukleotidni položaj. Ovaj treći položaj poznat je kao položaj kodona “vrljanje ” (slika 6.4). To je zato što se u brojnim slučajevima identitet baze na trećoj poziciji može pokolebati, a ista aminokiselina će i dalje biti navedena (tablica 6.1). Ovo svojstvo omogućuje određenu zaštitu od mutacije ako se mutacija dogodi na trećoj poziciji kodona, postoji velika vjerojatnost da se aminokiselina navedena u kodiranom proteinu neće promijeniti.

Godine 1966. Francis Crick predložio je koncept njihanja kako bi objasnio ovaj fenomen. Pravila njihanja ne dopuštaju niti jednoj molekuli tRNA da prepozna četiri različita kodona. Ovi se kodoni mogu prepoznati samo kada inozin zauzima prvo (5 ′) mjesto antikodona.

Nekretnina # 7. Varijacije standardnog genetskog koda:

Istraživači su uočili male varijacije u standardnom kodu proučavajući ljudske mitohondrijske gene. Otkrili su da mitohondrijski geni koriste neke alternativne kodove. Takve male varijante također su viđene u organizmima kao što je mikoplazma koja prevodi kodon UGA kao triptofan. U bakterija i arheja, GUG i UUG su uobičajeni početni kodoni. Međutim, u rijetkim slučajevima, određeni specifični proteini mogu koristiti alternativne inicijacijske (startne) kodone koje ta vrsta obično ne koristi.

U nekim proteinima, nestandardne aminokiseline su supstituirane za standardne stop kodone, ovisno o pridruženim signalnim nizovima u RNA glasnika: UGA može kodirati selenocistein, a UAG može kodirati pirolizin. Selenocistein se sada smatra 21. aminokiselinom, a pirolizin 22..


Molekularna biologija

Dva gena preklapaju se na suptilniji način kada se isti slijed DNA dijeli između dva nehomologno bjelančevine. Ova situacija nastaje kada se isti slijed DNK prevede u više od jednog okvira za čitanje. U staničnim genima, DNK sekvenca obično se čita samo u jednom od tri potencijalna okvira čitanja, ali u nekim virusnim i mitohondrijskim genima postoji preklapanje između dva susjedna gena koji se čitaju u različitim okvirima čitanja. Ovo stanje ilustrirano je na slici 2.18. Udaljenost preklapanja obično je relativno kratka, tako da većina slijeda koji predstavlja protein zadržava jedinstvenu funkciju kodiranja.

15% u muha i crva, ali ima mnogo veće učinke na čovjeka, gdje

60% gena može imati alternativne načine izražavanja (vidjeti 3.11. Ljudski genom ima manje gena nego što se očekivalo). Oko 80% alternativnih događaja spajanja rezultira promjenom proteinske sekvence.


Geni

DNK je genetski materijal odgovoran za nasljeđivanje i prenosi se s roditelja na potomstvo za cijeli život na Zemlji. Da bi se očuvao integritet ove genetske informacije, DNK se mora replicirati s velikom točnošću, uz minimalne pogreške koje unose promjene u sekvencu DNA. Genom sadrži potpuni komplement DNK unutar stanice i organiziran je u manje, diskretne jedinice nazvane gene koji su raspoređeni na kromosomima i plazmidima.

Gen se sastoji od DNA koja je "ldquoread" ili transkribirana kako bi proizvela molekulu RNA tijekom procesa transkripcije. Jedna od glavnih vrsta molekula RNA, nazvana messenger RNA (mRNA), daje informacije ribosomu da katalizira sintezu proteina u procesu koji se naziva translacija. Procesi transkripcije i translacije zajedno se nazivaju ekspresija gena. Ekspresija gena je sinteza specifičnog proteina sa nizom aminokiselina koji je kodiran u genu. Protok genetskih informacija od DNA do RNA do proteina opisan je središnjom dogmom (slika 11.1.111.1.1). Svaki od procesa replikacije, transkripcije i translacije uključuje faze 1) iniciranja, 2) produženja (polimerizacije) i 3) prestanka. Ove će faze biti detaljnije opisane u ovom poglavlju.

Slika 11.1.111.1.1: Središnja dogma kaže da DNA kodira messenger RNA, koja, pak, kodira protein.

Stanični & rsquos genotip je potpuna zbirka gena koje sadrži, dok je njegov fenotip skup uočljivih karakteristika koje proizlaze iz tih gena. Fenotip je proizvod niza bjelančevina koje stanica proizvodi u određenom trenutku, na što utječe genotip stanice & rsquos, kao i interakcije s staničnim & rsquos okruženjem. Geni kodiraju proteine ​​koji imaju funkciju u stanici. Iako genotip stanice ostaje konstantan, ne koriste se svi geni za istovremenu proizvodnju njihovih proteina. Stanice pažljivo reguliraju ekspresiju svojih gena, koristeći samo gene za stvaranje specifičnih proteina kada su ti proteini potrebni (slika 11.1.211.1.2). Stoga se njihov fenotip mijenja s vremenom.

Slika 11.1.211.1.2: Fenotip je određen specifičnim genima unutar genotipa koji su izraženi u posebnim uvjetima. Iako više stanica može imati isti genotip, one mogu pokazivati ​​širok raspon fenotipova koji proizlaze iz razlika u obrascima ekspresije gena kao odgovor na različite uvjete okoliša.


Sažetak

Dizajnerske aminokiseline, izvan kanonskih 20 koje stanice normalno koriste, sada se mogu specifično za mjesto kodirati u proteine ​​u stanicama i organizmima. To se postiže upotrebom 'ortogonalnih' parova aminoacil-tRNA sintetaza-tRNA koji usmjeravaju ugradnju aminokiselina kao odgovor na jantarni stop kodon (UAG) smješten u gen od interesa. Koristeći ovaj pristup, sada je moguće proučavati biologiju in vitro i in vivo s povećanom razinom molekularne preciznosti. To je omogućilo nove biološke uvide u konformacijske promjene proteina, interakcije proteina, elementarne procese u transdukciji signala i ulogu post-translacijskih modifikacija.


19.1: Prijevod - sinteza proteina

Postupak prijevod u biologiji je dekodiranje mRNA poruke u polipeptidni proizvod. Drugim riječima, poruka napisana kemijskim jezikom nukleotida je "prevedena" u kemijski jezik aminokiselina. Aminokiseline su linearno nanizane kovalentnim vezama (koje se nazivaju peptidne veze) između amino i karboksilnih krajeva susjednih aminokiselina. Proces dekodiranja i "povezivanja" kataliziran je ribonukleoproteinskim kompleksom koji se naziva ribosomi i može rezultirati lancima aminokiselina duljine od desetaka do više od 1.000.

Dobiveni proteini toliko su važni za stanicu da njihova sinteza troši više stanične & rsquos energije nego bilo koji drugi metabolički proces. Poput replikacije i transkripcije DNA, translacija je složen molekularni proces kojem možemo pristupiti koristeći rubrike Energy Story i Design Challenge. Opisivanje cjelokupnog procesa ili koraka u procesu zahtijeva računovodstvo tvari i energije prije procesa i nakon procesa te opis načina na koji se ta tvar transformira i energija prenosi tijekom procesa. Sa stajališta izazova u dizajnu, možemo - čak i prije nego što detaljnije istražimo ono što se u prijevodu razumije ili ne razumije - pokušati zaključiti neka od osnovnih pitanja na koja ćemo morati odgovoriti u vezi s ovim procesom.

Počnimo razmatranjem osnovnog problema. Imamo lanac RNK (zvan mRNA) i hrpu aminokiselina i moramo nekako dizajnirati stroj koji će:

(a) dekodirati kemijski jezik nukleotida u jezik aminokiselina,
(b) pridružiti aminokiseline na vrlo specifičan način,
(c) dovršiti ovaj proces s razumnom točnošću, i
(d) učiniti to razumnom brzinom. Razumno, naravno, definirano je prirodnom selekcijom.

Kao i prije, možemo identificirati podprobleme

(a) Kako naš molekularni stroj određuje gdje i kada početi raditi?
(b) Kako molekularni stroj koordinira dekodiranje i stvaranje veze?
(c) odakle dolazi energija za ovaj proces i koliko?
(d) kako stroj zna gdje stati?

Ostala pitanja i funkcionalni problemi/izazovi zasigurno će se pojaviti pri dubljem kopanju.

Poanta je, kao i uvijek, u tome da čak i bez poznavanja pojedinosti o prijevodu možemo upotrijebiti svoju maštu, znatiželju i zdrav razum kako bismo zamislili neke zahtjeve za proces o kojima ćemo morati više naučiti. Ključno je razumijevanje ovih pitanja kao konteksta za ono što slijedi.

Peptidna veza povezuje karboksilni kraj jedne aminokiseline s amino krajem druge, izbacujući jednu molekulu vode. R1 i R.2 oznaka odnosi se na bočni lanac aminokiselina dvije aminokiseline.
Atribucija: Marc T. Facciotti (izvorno djelo).

Strojevi za sintezu proteina

Komponente koje idu u proces

Mnogo različitih molekula i makromolekula pridonosi procesu prevođenja. Iako se točan sastav "igrača" u procesu može razlikovati od vrste do vrste - na primjer, ribosomi se mogu sastojati od različitog broja (ribosomskih RNA) i polipeptida ovisno o organizmu - opće funkcije stroja za sintezu proteina usporedive su s bakterijama do ljudskih stanica. Usredotočujemo se na ove sličnosti. Za prijevod je potrebno najmanje mRNA predložak, aminokiseline, ribosomi, tRNA, izvor energije i razni dodatni pomoćni enzimi i male molekule.

Podsjetnik: Aminokiseline

Sjetimo se samo da se osnovna struktura aminokiselina sastoji od okosnice sastavljene od amino skupine, središnjeg ugljika (zvanog & alfa-ugljik) i karboksilne skupine. Uz alfa-ugljik vezana je varijabilna skupina koja pomaže u određivanju nekih kemijskih svojstava i reaktivnosti aminokiseline.

Generička aminokiselina.
Atribucija: Marc T. Facciotti (vlastito djelo)

20 uobičajenih aminokiselina.
Atribucija: Marc T. Facciotti (vlastito djelo)

Ribosomi

A ribosoma je složena makromolekula sastavljena od strukturnih i katalitičkih rRNA i mnogih različitih polipeptida. Kad počnemo pokušavati razmišljati o računovodstvu energije u stanici, vrijedno je napomenuti da ribosomi ne dolaze "bez energije". Čak i prije nego što se mRNA prevede, stanica mora uložiti energiju za izgradnju svakog od svojih ribosoma. U E coli, u svakoj se stanici u svakom trenutku nalazi između 10.000 i 70.000 ribosoma.

Ribosomi postoje u citoplazmi u bakterija i arheja te u citoplazmi i na grubom endoplazmatskom retikulumu kod eukariota. Mitohondriji i kloroplasti također imaju svoje vlastite ribosome u matrici i stromi, koji su sličniji bakterijskim ribosomima (i imaju sličnu osjetljivost na lijekove), nego ribosomi neposredno izvan njihovih vanjskih membrana u citoplazmi. Ribosomi se disociraju na velike i male podjedinice kada ne sintetiziraju proteine ​​i ponovno se udružuju tijekom početka translacije. U E coli, mala podjedinica je opisana kao 30S, a velika podjedinica je 50S. Ribosomi sisavaca imaju malu 40S podjedinicu i veliku 60S podjedinicu. The small subunit is responsible for binding the mRNA template, whereas the large subunit sequentially binds tRNAs. Each mRNA molecule is simultaneously translated by many ribosomes, all synthesizing protein in the same direction: reading the mRNA from 5' to 3' and synthesizing the polypeptide from the N terminus to the C terminus. The complete mRNA/poly-ribosome structure is called a polysome.

The protein synthesis machinery includes the large and small subunits of the ribosome, mRNA, and tRNA.
Source: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m. /ribosome.html

TRNAs

tRNAs are structural RNA molecules that were transcribed from genes. Depending on the species, 40 to 60 types of tRNAs exist in the cytoplasm. Služeći kao adapteri, specifične tRNA se vežu za sekvence na predlošku mRNA i dodaju odgovarajuću aminokiselinu u polipeptidni lanac. Therefore, tRNAs are the molecules that actually &ldquotranslate&rdquo the language of RNA into the language of proteins.

Of the 64 possible mRNA kodoni&mdashor triplet combinations of A, U, G, and C, three specify the termination of protein synthesis and 61 specify the addition of amino acids to the polypeptide chain. Of these 61, one codon (AUG) also encodes the initiation of translation. Each tRNA antikodon can base pair with one of the mRNA codons and add an amino acid or terminate translation, according to the genetic code. For instance, if the sequence CUA occurred on an mRNA template in the proper reading frame, it would bind a tRNA expressing the complementary sequence, GAU, which would be linked to the amino acid leucine.

The folded secondary structure of a tRNA. The anticodon loop and amino acid acceptor stem are indicated.
Source: http://mol-biol4masters.masters.grkr. ansfer_RNA.htm

Aminoacyl tRNA Synthetases

The process of pre-tRNA synthesis by RNA polymerase III only creates the RNA portion of the adaptor molecule. The corresponding amino acid must be added later, once the tRNA is processed and exported to the cytoplasm. Through the process of tRNA &ldquocharging,&rdquo each tRNA molecule is linked to its correct amino acid by a group of enzymes called aminoacyl tRNA synthetases. At least one type of aminoacyl tRNA synthetase exists for each of the 20 amino acids the exact number of aminoacyl tRNA synthetases varies by species. These enzymes first bind and hydrolyze ATP to catalyze a high-energy bond between an amino acid and adenosine monophosphate (AMP) a pyrophosphate molecule is expelled in this reaction. The activated amino acid is then transferred to the tRNA, and AMP is released.

Mehanizam sinteze proteina

Baš kao i kod sinteze mRNA, sintezu proteina možemo podijeliti u tri faze: iniciranje, produženje i završetak. The process of translation is similar in bacteria, archaea and eukaryotes.

Translation Initiation

In general, protein synthesis begins with the formation of an initiation complex. The small ribosomal subunit will bind to the mRNA at the ribosomal binding site. Soon after, the methionine-tRNA will bind to the AUG start codon (through complementary binding with its anticodon). This complex is then joined by large ribosomal subunit. This initiation complex then recruits the second tRNA and thus translation begins.

Translation begins when a tRNA anticodon recognizes a codon on the mRNA. The large ribosomal subunit joins the small subunit, and a second tRNA is recruited. As the mRNA moves relative to the ribosome, the polypeptide chain is formed. Entry of a release factor into the A site terminates translation and the components dissociate.

Bacterial vs Eukaryotic initiation

U E coli mRNA, a sequence upstream of the first AUG codon, called the Shine-Dalgarno sequence (AGGAGG), interacts with a rRNA molecule. This interaction anchors the 30S ribosomal subunit at the correct location on the mRNA template. Stop for a moment to appreciate the repetition of a mechanism you've encountered before. In this case, getting a protein complex to associate - in proper register - with a nucleic acid polymer is accomplished by aligning two antiparallel strands of complementary nucleotides with one another. We also saw this in the function of telomerase.

Instead of binding at the Shine-Dalgarno sequence, the eukaryotic initiation complex recognizes the 7-methylguanosine cap at the 5' end of the mRNA. A cap-binding protein (CBP) assists the movement of the ribosome to the 5' cap. Once at the cap, the initiation complex tracks along the mRNA in the 5' to 3' direction, searching for the AUG start codon. Many eukaryotic mRNAs are translated from the first AUG, but this is not always the case. Prema Kozak&rsquos rules, the nucleotides around the AUG indicate whether it is the correct start codon. Kozak&rsquos rules state that the following consensus sequence must appear around the AUG of vertebrate genes: 5'-gccRccAUGG-3'. The R (for purine) indicates a site that can be either A or G, but cannot be C or U. Essentially, the closer the sequence is to this consensus, the higher the efficiency of translation.

Translation Elongation

During translation elongation, the mRNA template provides specificity. As the ribosome moves along the mRNA, each mRNA codon comes into 'view', and specific binding with the corresponding charged tRNA anticodon is ensured. If mRNA were not present in the elongation complex, the ribosome would bind tRNAs nonspecifically. Note again the use of base pairing between two antiparallel strands of complementary nucleotides to bring and keep our molecular machine in register and in this case also to accomplish the job of "translating" between the language of nucleotides and amino acids.

The large ribosomal subunit consists of three compartments: the A site binds incoming charged tRNAs (tRNAs with their attached specific amino acids), the P site binds charged tRNAs carrying amino acids that have formed bonds with the growing polypeptide chain but have not yet dissociated from their corresponding tRNA, and the E site which releases dissociated tRNAs so they can be recharged with another free amino acid.

Elongation proceeds with charged tRNAs entering the A site and then shifting to the P site followed by the E site with each single-codon &ldquostep&rdquo of the ribosome. Ribosomal steps are induced by conformational changes that advance the ribosome by three bases in the 3' direction. The energy for each step of the ribosome is donated by an elongation factor that hydrolyzes GTP. Peptide bonds form between the amino group of the amino acid attached to the A-site tRNA and the carboxyl group of the amino acid attached to the P-site tRNA. The formation of each peptide bond is catalyzed by peptidyl transferase, an RNA-based enzyme that is integrated into the 50S ribosomal subunit. The energy for each peptide bond formation is derived from GTP hydrolysis, which is catalyzed by a separate elongation factor. The amino acid bound to the P-site tRNA is also linked to the growing polypeptide chain. As the ribosome steps across the mRNA, the former P-site tRNA enters the E site, detaches from the amino acid, and is expelled. The ribosome moves along the mRNA, one codon at a time, catalyzing each process that occurs in the three sites. Svakim korakom nabijena tRNA ulazi u kompleks, polipeptid postaje za jednu aminokiselinu dulji, a nenapunjena tRNA odlazi. Amazingly, this process occurs rapidly in the cell, the E coli aparatu za prevođenje potrebno je samo 0,05 sekundi za dodavanje svake aminokiseline, što znači da se polipeptid od 200 aminokiselina može prevesti za samo 10 sekundi.

Many antibiotics inhibit bacterial protein synthesis. For example, tetracycline blocks the A site on the bacterial ribosome, and chloramphenicol blocks peptidyl transfer. What specific effect would you expect each of these antibiotics to have on protein synthesis?

Genetski kod

Da rezimiramo ono što do sada znamo, stanični proces transkripcije stvara messenger RNA (mRNA), mobilnu molekularnu kopiju jednog ili više gena sa abecedom A, C, G i uracil (U). Prijevod predloška mRNA pretvara genetske informacije temeljene na nukleotidima u proteinski proizvod. Protein sequences consist of 20 commonly occurring amino acids therefore, it can be said that the protein alphabet consists of 20 letters. Each amino acid is defined by a three-nucleotide sequence called the triplet kodon. The relationship between a nucleotide codon and its corresponding amino acid is called the genetski kod. Given the different numbers of &ldquoletters&rdquo in the mRNA and protein &ldquoalphabets,&rdquo means that there are a total of 64 (4 × 4 × 4) possible codons therefore, a given amino acid (20 total) must be encoded for by more than one codon.

Tri od 64 kodona prekidaju sintezu proteina i oslobađaju polipeptid iz stroja za prevođenje. Ove trojke se zovu stop codons. Drugi kodon, AUG, također ima posebnu funkciju. Osim što navodi aminokiselinu metionin, ona također služi kao start codeon da započne prijevod. The reading frame for translation is set by the AUG start codon near the 5' end of the mRNA. Genetski kod je univerzalan. Uz nekoliko iznimaka, gotovo sve vrste koriste isti genetski kod za sintezu proteina, što je snažan dokaz da sav život na Zemlji ima zajedničko podrijetlo.

This figure shows the genetic code for translating each nucleotide triplet, or codon, in mRNA into an amino acid or a termination signal in a nascent protein. (credit: modification of work by NIH)

Redundant, not Ambiguous

The information in the genetic code is redundant. Multiple codons code for the same amino acid. For example, using the chart above, you can find 4 different codons that code for Valine, likewise, there are two codons that code for Leucine, etc. But the code is not ambiguous, meaning, that if you were given a codon you would know definitively which amino acid it is coding for, a codon will only code for a specific amino acid. For example, GUU will always code for Valine, and AUG will always code for Methionine. This is important, you will be asked to translate an mRNA into a protein using a codon chart like the one shown above.

Translation Termination

Prevođenje se prekida kada se nađe zaustavni kodon (UAA, UAG ili UGA). When the ribosome encounters the stop codon no tRNA enters into the A site. Instead a protein know as a release factor binds to the complex. This interaction destabilizes the translation machinery, causing the release of the polypeptide and the dissociation of the ribosome subunits from the mRNA. Nakon što su mnogi ribosomi dovršili translaciju, mRNA se razgrađuje pa se nukleotidi mogu ponovno upotrijebiti u drugoj reakciji transkripcije.

What are the benefits and drawbacks to translating a single mRNA multiple times?

Coupling between Transcription and Translation

As discussed previously, bacteria and archaea do not need to transport their RNA transcripts between a membrane bound nucleous and the cytoplasm. The RNA polymerase is therefore transcribing RNA directly into the cytoplasm. Here ribosomes can bind to the RNA and begin the process of translation, in some instances while transciption is still occurring. The coupling of these two processes, and even mRNA degradation, is facilitated not only because transcription and translation happen in the same compartment but also because both of the processes happen in the same direction - synthesis of the RNA transcript happens in the 5' to 3' direction and translation reads the transcript in the 5' to 3' direction. This "coupling" of transcription with translation occurs in both bacteria and archaea and is, in fact, essential for proper gene expression in some instances.

Multiple polymerases can transcribe a single bacterial gene while numerous ribosomes concurrently translate the mRNA transcripts into polypeptides. In this way, a specific protein can rapidly reach a high concentration in the bacterial cell.

Protein Sorting

In context of a protein synthesis Design Challenge we can also raise the question/problem of how proteins get to where they are supposed to go. We know that some proteins are destined for the plasma membrane, others in eukaryotic cells need to be directed to various organelles, some proteins, like hormones or nutrient scavenging proteins, are intended to be secreted by cells while others may need to be directed to parts of the cytosol to serve structural roles. How does this happen?

Since various mechanisms have been uncovered, the details of this process are not easily summarized in a brief paragraph or two. However, some key common elements of all mechanisms can be mentioned. First, is the need for a specific "tag" that can provide some molecular information about where the protein of interest is destined. This tag usually takes the form of a short string of amino acids - a so called signal peptide - that can encode information about where the protein is intended to end up. The second required component of the protein sorting machinery must be a system to actually read and sort the proteins. In bacterial and archaeal systems this usually consists of proteins that can identify the signal peptide during translation, bind to it, and direct the synthesis of the nascent protein to the plasma membrane. In eukaryotic systems, the sorting is by necessity more complex, and involves a rather elaborate set of mechanisms of signal recognition, protein modification, and trafficking of vesicles between organelles or the membrane. These biochemical steps are initiated in the endoplasmic reticulum and further "refined" in the Golgi apparatus where proteins are modified and packaged into vesicles bound for various parts of the cell.

Some of the various specific mechanisms may be discussed by your instructor in class. The key for all students it so appreciate the problem and to have a general idea of the high-level requirements that cells have adopted to solve them.

Post-translational Protein Modification

After translation individual amino acids may be chemically modified. These modifications add chemical variation and new properties that are rooted in the chemistries of the functional groups that are being added. Common modifications include phosphate groups, methyl, acetate, and amide groups. Some proteins, typically targeted to membranes will be lipidated - a lipid will be added. Other proteins will be glycosylated - a sugar will be added. Another common post-translational modification is cleavage or linking of parts of the protein itself. Signal-peptides may be cleaved, parts may be excised from the middle of the protein, or new covalent linkages may be made between cysteine or other amino acid side chains. Nearly all modifications will be catalyzed by enzymes and all change the functional behavior of the protein.

Sažetak odjeljka

mRNA se koristi za sintezu proteina procesom translacije. Genetski kod je korespondencija između kodona mRNA s tri nukleotida i aminokiseline. The genetic code is &ldquotranslated&rdquo by the tRNA molecules, which associate a specific codon with a specific amino acid. Genetski kod je degeneriran jer 64 tripletna kodona u mRNA određuju samo 20 aminokiselina i tri stop kodona. To znači da više od jednog kodona odgovara jednoj aminokiselini. Gotovo svaka vrsta na planeti koristi isti genetski kod.


Igrači u prevođenju uključuju šablonu mRNA, ribosome, tRNA i različite enzimske čimbenike. Mala ribosomska podjedinica veže se na predložak mRNA. Prijevod počinje pri pokretanju AUG -a na mRNA. Do stvaranja veza dolazi između sekvencijalnih aminokiselina specificiranih šablonom mRNA prema genetskom kodu. Ribosom prihvaća nabijene tRNA i koračajući duž mRNA katalizira vezu između nove aminokiseline i kraja rastućeg polipeptida. The entire mRNA is translated in three-nucleotide &ldquosteps&rdquo of the ribosome. Kad se nađe stop kodon, faktor oslobađanja veže i disocira komponente i oslobađa novi protein.


Gledaj video: KOLIKO PROTEINA TREBAMO UNOSITI ZA MASUDEFINICIJU (Kolovoz 2022).