(Biosíntesis de proteínas)
Las moléculas de proteínas están compuestas por muchos aminoácidos. En diferentes moléculas de proteínas, los aminoácidos están dispuestos en un orden específico. Este orden no es aleatorio, sino que está estrictamente determinado por el orden de las bases en el gen que codifica la proteína. La información genética de un gen se transfiere del ADN al ARNm durante el proceso de transcripción y luego el ARNm expresa la información genética en la secuencia de aminoácidos de la proteína. El proceso se llama traducción. El proceso de traducción es también el proceso de biosíntesis de moléculas de proteínas, que requiere más de 200 macromoléculas biológicas, incluidos ribosomas, ARNm, ARNt y muchos factores proteicos. El proceso de traducción básico se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Principios básicos del proceso de traducción
Sustancias implicadas en la biosíntesis de proteínas
(1) Materias primas sintéticas
Codificación del ARNm en naturaleza Hay 20 tipos de aminoácidos y solo estos aminoácidos pueden usarse como materia prima directa para la biosíntesis de proteínas. Algunas moléculas de proteínas también contienen hidroxiprolina, hidroxilisina, ácido γ-carboxiglutámico, etc. Estos aminoácidos especiales se forman durante el procesamiento y modificación de la cadena peptídica después de la síntesis.
(2) El ARNm es el molde directo para la síntesis de proteínas.
En los procariotas, cada molécula de ARNm suele llevar múltiples informaciones de codificación de proteínas, dispuestas de forma policistrónica. Durante el proceso de traducción se pueden sintetizar varias proteínas simultáneamente, mientras que en los organismos eucariotas, cada ARNm generalmente sólo lleva. la información de codificación de una proteína y existe en forma monocistrónica. El ARNm transporta la información genética transmitida por el ADN en la secuencia de nucleótidos de su molécula y sirve como plantilla directa para la biosíntesis de proteínas, determinando la secuencia de aminoácidos en las moléculas de proteínas. Diferentes proteínas tienen diferentes ARNm, que no solo contienen regiones codificantes, sino que también contienen regiones no codificantes en ambos extremos. La región no codificante es necesaria para la actividad molde del ARNm, especialmente la región no codificante del extremo 5', que se considera el sitio de unión del ribosoma en la síntesis de proteínas. Ver Figura 2.
Figura 2 (a) El ARNm procariótico es policistrónico.
(b) El ARNm eucariota es monocistrónico.
En la dirección 5’→3’ de la molécula de ARNm, cada tres nucleótidos consecutivos a partir de AUG forman un codón, y las cuatro bases del ARNm pueden formar 64 codones. Estos códigos no sólo representan los 20 aminoácidos, sino que también determinan dónde comienza y termina el proceso de traducción. Cada aminoácido tiene al menos un codón y hasta seis codones. Pasar de inferir las propiedades del código genético a determinar el significado de cada codón y dilucidar completamente el código genético es uno de los logros más notables de la ciencia. Los científicos diseñaron excelentes experimentos de genética y bioquímica y compilaron un diccionario del código genético en 1966. Ver Tabla 1.
Tabla 1 Código de aminoácidos (código)
La base media (segunda base) en el extremo 5' (base 1)
terminal 3' (tres Base)
Universidad de California, Los Ángeles
Fenilpropil (Pne) Silk Cheese (Tyr) y Cisteína (Cys) C U
Benceno (Pne ) Seda (Ser) Queso (Tyr) Cisteína (Cys) C
Brillante (Leu) Línea L (Ser) señal terminal señal terminal a.
Brillante (Leu) Filamento (Ser) Color de señal terminal (Trp) G
c Brillante (Leu) Fruta en conserva (Pro) P Grupo (His) H Esencia (arg) R Ud.
Leu (Leu) Preservada (Pro) Grupo (His) Esencia (Arg) C
Leu (Uranio Poco Enriquecido) Preservada (Pro) Glutamina (Gin) Q Esencia (Arginina) A
Preservación brillante (Uranio bajo enriquecido) (Pro) Esencia de glutamina (oro) (Arginina) Gramo
A
Aplicación de asparagina en alambres
Longitud igual (ILe) Thr (Asn) Filamento (Ser) C
Isobrillante (ILe) Thr lai (Lys)K fragancia (Arg)R A
* huevo ( Met)M(señal de inicio)Thr (Lys) esencia (arg) g.
G
Valeriana (Val) V Propil (Ala) Día (Asp) D Glicina (Gly) G U
Valina, Alanina y Glicina
Val, Ala, Glu, E, Gly, a.
Glutamato de propilo
* AUG se localiza en el sitio de inicio del ARNm y es la señal de inicio para la síntesis de cadenas peptídicas a partir de aminoácidos. En los eucariotas representados por los mamíferos, este codón representa la metionina; en los procariotas representados por los microorganismos representa la formilmetionina.
El código genético tiene las siguientes características:
(1) Código inicial y código de terminación:
El codón AUG es el código de inicio y representa el primer código en la cadena peptídica sintética. Están ubicados en el extremo 5' del ARNm y también son los codones de la metionina. Por tanto, el primer aminoácido sintetizado en la cadena polipeptídica de procariotas y eucariotas es la metionina. Por supuesto, también hay algunas bacterias que utilizan GUG como código de inicio. En eucariotas, CUG se utiliza ocasionalmente como codón para iniciar la metionina. Los codones UAA, UAG y UGA son los codones de terminación de la cadena peptídica y no representan ningún aminoácido. Están presentes individualmente o juntos en el extremo 3' del ARNm. Por lo tanto, la traducción avanza en la dirección 5′→3′ de la molécula de ARNm.
(2) El código no tiene puntuación: no hay ningún nucleótido separado por un día entre los dos codones, por lo que a partir del código de inicio AUG, hay un aminoácido en tres generaciones de bases, formando una secuencia continua. Lea el cuadro hasta el código final. Si se inserta o elimina una base en el medio del marco de lectura, se producirá una mutación por desplazamiento del marco, lo que dará como resultado una disposición incorrecta de los aminoácidos aguas abajo del sitio de mutación.
(3) Degeneración de codones:
El fenómeno de que un aminoácido tenga varios conjuntos de codones, o de que varios conjuntos de codones representen un aminoácido, se llama degeneración de codones. Esta degeneración está causada principalmente por el fenómeno de oscilación de la tercera base del codón, es decir, la especificidad del codón está determinada principalmente por las dos primeras bases. Incluso si la tercera base muta, aún se puede traducir el aminoácido correcto, lo cual es de cierta importancia para garantizar la estabilidad de la especie. Por ejemplo, GCU, GCC, GCC y GCG significan alanina.
(4) Universalidad de las contraseñas:
Una gran cantidad de hechos demuestran que el mundo vivo utiliza un conjunto de contraseñas de menor a mayor. En otras palabras, el código genético ha evolucionado. durante un largo período de tiempo permanecen sin cambios durante el proceso. Entonces esta tabla de códigos es biológicamente universal. Sorprendentemente, sin embargo, hay muchos codones en las mitocondrias eucariotas que difieren del código universal. Por ejemplo, en las mitocondrias humanas, UGA no es un codón de parada, sino un codón de triptófano. AGA y AGG no son codones de arginina, sino un codón de parada. Junto con UAA y UAG en el código universal, existen cuatro conjuntos de codones de parada en las mitocondrias. Hay dos codones de metionina internos, a saber, AUG y AUG; hay cuatro conjuntos de codones de metionina iniciales, a saber, AUN.
La estructura de codones y el análisis de la cadena lateral de aminoácidos también tienen cierta relación. ①La polaridad de la cadena lateral de aminoácidos está determinada en la mayoría de los casos por la segunda base del plano de truncamiento. Cuando la segunda base es una pirimidina (Y), la cadena lateral del aminoácido es no polar, y cuando la segunda base es una purina, la cadena lateral del aminoácido es polar. ②Cuando la primera base es U o A, la segunda base es C y la tercera base no es específica, la cadena lateral del aminoácido determinada es polar y no tiene carga.
③Cuando la primera base no es U y la segunda base es P, la cadena lateral del aminoácido está cargada. Bajo esta premisa, si uno es C o A, significa un aminoácido cargado positivamente, y si la primera y segunda bases son G y A, el aminoácido está cargado negativamente, pero existen algunas excepciones a la relación anterior.
El hecho de que un aminoácido esté codificado por múltiples codones hace pensar: ¿Se utilizan con la misma frecuencia un conjunto de codones para un mismo aminoácido? Muchos experimentos han confirmado que los procariotas y los eucariotas superiores utilizan el mismo conjunto de codones con diferentes frecuencias. Los codones de alta frecuencia existen en genes de proteínas altamente expresados, como genes de proteínas ribosómicas, genes de proteínas RecA, etc. Tabla 2. Esta frecuencia de uso se correlaciona con los diferentes contenidos de ARNt de un conjunto de ARNt en la célula.
(3) el ARNt es el portador de aminoácidos;
El ARNt desempeña un papel clave en la biosíntesis de proteínas. La información genética impulsada por el ARNm se traduce en la estructura primaria de la proteína, pero no existe una correspondencia directa entre la molécula de ARNm y la molécula de aminoácido. Esto requiere que un tercero lo "introduzca", y las moléculas de ARNt desempeñan este papel. El ARNt es una pequeña molécula similar al ARN, de 73 a 94 nucleótidos de longitud. Las moléculas de ARNt son ricas en bases raras y bases modificadas. El extremo 3' de la molécula de ARNt es una secuencia CCA y las moléculas de aminoácidos se combinan mediante * * * enlaces de valencia. La estructura aquí también se llama brazo de aminoácidos. Cada aminoácido tiene de 2 a 6 ARNt específicos y su especificidad es reconocida por la aminoacil ARNt sintetasa. De esta forma, un grupo de ARNt con los mismos aminoácidos pero diferentes anticodones se denominan ARNt isodinámicos. Tienen más o menos diferencias en la síntesis intracelular y se denominan ARNt primarios y ARNt secundarios respectivamente. Los anticodones del ARNt primario reconocen codones de alta frecuencia en el ARNt, mientras que los anticodones del ARNt secundario reconocen codones de baja frecuencia en el ARNm. Sólo hay una aminoacil-ARNt sintetasa para cada aminoácido. Por lo tanto, hay 20 aminoacil-ARNt sintetasas en las células.
Figura 3 La interacción entre codones y anticodones
También hay un bucle de anticodón en la molécula de ARNt. Los tres anticodones de este bucle funcionan según el principio de emparejamiento de formas. enlaces de hidrógeno con los codones de la molécula de ARNm para lograr el reconocimiento mutuo. Pero cuando el codón se combina con el anticodón, hay una cierta oscilación, es decir, el par de ácidos entre la tercera base del codón y la primera base del anticodón no es estricto, como se muestra en la Figura 3. La oscilación del emparejamiento está completamente determinada por la estructura espacial del anticodón del ARNt. La hipoxantina I aparece a menudo en la base 1 del anticódigo y puede formar enlaces de hidrógeno con A, C y U. Este es el fenómeno de oscilación más común. Este fenómeno de oscilación permite que los aminoácidos transportados por un ARNt se organicen en 2 o 3 codones diferentes, de modo que cuando la tercera base del codón sufre un cierto grado de mutación, no afecta al ARNt que lleva el aminoácido correcto.
Tabla 3 El fenómeno de oscilación del emparejamiento de bases anti-cripto y criptográficas
La base en el anti-cripto es A C G U 1
La tercera base de la cripto es U G C, U A , G A, C, U.
En el proceso de biosíntesis de proteínas, los ARNt que reconocen específicamente el codón de inicio en el ARNm se denominan ARNt iniciador y participan en el inicio de la síntesis de la cadena polipeptídica. Otros ARNt que transportan aminoácidos en la extensión de la cadena polipeptídica se denominan colectivamente ARNt extendidos.
Ribosomas
Los ribosomas son partículas subcelulares compuestas por ARNr y decenas de proteínas ubicadas en el citoplasma. Se puede dividir en dos tipos: uno está adherido al retículo endoplásmico rugoso y participa principalmente en la síntesis de proteínas secretoras como la albúmina y la insulina; el otro está libre en el citoplasma y participa principalmente en la síntesis de proteínas celulares. Los ribosomas son uno de los componentes principales de las células. En una bacteria vigorosa no hay más de 20.000 ribosomas, de los cuales la proteína representa el 65.438 00% de la proteína celular total y el ARN representa el 80% del ARN celular total.
Los ribosomas de cualquier organismo están compuestos por dos subunidades, la grande y la pequeña. Los componentes proteicos y los componentes de ARN de los ribosomas de E. coli y los ribosomas de hepatocitos de rata se enumeran en la Tabla 4. En 1968 se estudió el autoensamblaje in vitro de pequeñas subunidades de E. coli.
Al agregar ARNr 16s y proteínas 21, se puede formar una subunidad pequeña 30s naturalmente activa. A través de estos estudios, las personas pueden comprender mejor las funciones específicas del ARNr y las proteínas en la subunidad pequeña y la subunidad grande. El ribosoma es un sistema muy complejo y sus componentes individuales o componentes locales no pueden funcionar como un todo. Por tanto, es necesario estudiar la estructura espacial y la posición de las proteínas y el ARN en los ribosomas para comprender completamente el proceso específico de síntesis de proteínas. En el pasado, se creía que el ARNr desempeñaba principalmente un papel estructural y las proteínas desempeñaban un papel catalítico. Pero ahora se cree que la región funcional del ribosoma compuesta de ARNr y proteína es una parte importante de la función del ribosoma, como la región funcional de la GTPasa, la región funcional de la transpeptidasa, la región funcional del ARNm, etc.
Tabla 4 Composición y características de los ribosomas
Fuente Diámetro (nm) Peso (Dalton) Contiene rRNA () Contiene proteína Subunidad () Contiene rRNA Contiene proteína Número de especies por célula.
Peso molecular de las especies
Citosol de células eucariotas 20 ~ 223,6×106554577s ~ 80s 40s (pequeño) 18S-70 700000 ~ 34106 ~ 107.
60S (grande) 5S
5.8S
28 años ~ 29 años
30000
40000
140 ~ 18.000
~40
Citosol de células procariotas 18 2,6×106 60 ~ 6530 ~ 3570s (pequeño) 11,5× 104.
50S (grande) 5S
23S
40000
165438 millones
Nota: Eucariotas La composición y Las propiedades de los ribosomas en las mitocondrias son idénticas a las del citoplasma de las células procarióticas.
Como sitio de síntesis de proteínas, los ribosomas tienen las siguientes funciones:
(1) sitio de unión de ARNm: ubicado en la cabeza de la subunidad pequeña 30, donde se forman varias proteínas. dominio. La unión de C negativo al ARNm, específicamente el extremo 3' del 16 SRRNA que es complementario a la secuencia que precede al AUG del ARNm, es esencial para esta unión, como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5 Complementariedad entre la secuencia SD de la región aguas arriba de la codificación de inicio del ARNm de Escherichia coli y el ARNr 16s
ARNr 16s
Proteína de cubierta MS2
Replicasa MS2
Proteína MS2A
λCro
A burst
β-lactamasa
Lipoproteína
Proteína ribosomal S12
ARN polimerasa β
trpE
3 ' HOAU uccuccuag……5 '
5 '...UCAACC ggaguugaaucaug...3 '
5 '...CAAACAU gagguacccaug...3 '
5 '...UCCU AGGAGGUUUGACCUGUG...3 '
5 '...AUGUAC UAAGGAGGUUGUAUG...3 '
5 '...AGCCUAAU GGAGCGAAUUAUG...3 '
5 '...UAUUGAAA aaggaagagaguaug...3 '
5 '...AUCUA GAGGGUAUUAAUAAUG...3 '
5 '...aaaacacgaggagcuauuuaaug...3 '
5 '...AGCGAGCU GAGGAACCCUAUG...3 '
5 '...caaauuagagaauaacaaug...3 '
(2)Sitio P: (cadena peptídica)
También conocido como sitio peptidil tRNA o sitio donante. La mayor parte se ubica en la subunidad pequeña, y una pequeña parte se ubica en la subunidad grande, que es la posición que se une al ARNt inicial y le da el aminoácido a la posición A (Figura 4).
Figura 4 Diagrama esquemático del ribosoma durante la traducción
(3) Sitio A: (sitio aminoacil-tRNA)
Se llama aminoácido acil-tRNA sitio o receptor. La mayor parte se encuentra en la subunidad grande y una pequeña parte se encuentra en la subunidad pequeña, que es la posición donde se une un nuevo aminoacil ARNt (consulte la siguiente sección).
(4) El sitio activo de la transpeptidasa:
Está situado en la unión de la posición p y la posición a.
(5) Se une al factor de iniciación (IF), al factor de elongación (EF) y al factor de terminación o factor de liberación (RF) implicados en la síntesis de proteínas.