Πρωτεϊνοσύνθεση:Διαφορετικά RNA &Βήματα

Μέχρι τις δεκαετίες του 1950 και του 1960, η έρευνα επεσήμανε το γεγονός ότι το DNA ήταν απαραίτητο για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες μπορούν να λειτουργήσουν ως ένζυμα και δομικά συστατικά στα κύτταρα, μεταξύ άλλων. Η πρωτεΐνη, για παράδειγμα, συνθέτει την ορμόνη ινσουλίνη και τις μυϊκές ίνες στους ανθρώπους.

Η διαδικασία πρωτεϊνοσύνθεσης απαιτεί πολλά κρίσιμα συστατικά, συμπεριλαμβανομένης της παροχής των 20 αμινοξέων που αποτελούν τις περισσότερες πρωτεΐνες. Θα απαιτηθεί επίσης ένα σύνολο ενζύμων για να λειτουργήσει στη διαδικασία. Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) απαιτούνται για τη σύνθεση πρωτεϊνών.

Τι είναι η Πρωτεϊνοσύνθεση;

Πριν προχωρήσουμε, είναι σημαντικό να καταλάβουμε τι είναι η πρωτεϊνοσύνθεση. Είναι η διαδικασία μέσω της οποίας δημιουργούνται πρωτεϊνικά μόρια. Περιλαμβάνει τη σύνθεση αμινοξέων, τη μεταγραφή, τη μετάφραση και τα μετα-μεταφραστικά γεγονότα σε ζωντανούς οργανισμούς.

Προϋποθέσεις για τη διαδικασία πρωτεϊνοσύνθεσης

Το πώς συνδέονται τα αμινοξέα είναι ζωτικής σημασίας για τη δομή ενός μορίου πρωτεΐνης. Η αλληλουχία αμινοξέων είναι μια μορφή κωδικοποίησης που διαφοροποιεί το μόριο πρωτεΐνης από άλλα. Αυτός ο κωδικός αμινοξέος καθορίζεται από ένα κομμάτι γενετικής πληροφορίας στο DNA. Η αλληλουχία των αζωτούχων νουκλεοτιδίων στο DNA αποτελεί τον γενετικό κώδικα. Η κύρια ιδέα της πρωτεϊνικής σύνθεσης βασίζεται στη μετατροπή της αζωτούχου βάσης σε μια αλληλουχία αμινοξέων.

Στο κυτταρόπλασμα λαμβάνει χώρα η διαδικασία πρωτεϊνοσύνθεσης. Το RNA μεταφέρει πληροφορίες από το DNA στο κυτταρόπλασμα. Το RNA είναι συγκρίσιμο με το DNA με λίγες διαφορές. Το σάκχαρο στο RNA είναι ριβόζη αντί για δεοξυριβόζη και η πυριμιδίνη ουρακίλη υπάρχει στα νουκλεοτίδια RNA αντί για θυμίνη.

Διαφορετικά RNA

Τρεις παραλλαγές του RNA εμπλέκονται στη σύνθεση πρωτεϊνών. Είναι: 

1. Ριβοσωμικό RNA (rRNA) 
2. Αγγελιοφόρος RNA (mRNA)
3. Μεταφορά RNA (tRNA)

Το ριβοσωμικό RNA (rRNA) χρησιμοποιείται στην παραγωγή ριβοσωμάτων. Τα ριβοσώματα είναι μικροσκοπικά μόρια rRNA και πρωτεΐνης. Τα βήματα της σύνδεσης αμινοξέων για το σχηματισμό πρωτεϊνών λαμβάνουν χώρα μέσα στα ριβοσώματα. Τα ριβοσώματα είναι άφθονα κατά μήκος του ενδοπλασματικού δικτύου καθώς και στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου.

Το RNA μεταφοράς είναι μια άλλη σημαντική μορφή RNA (tRNA). Το RNA μεταφοράς βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων και μεταφέρει αμινοξέα στα ριβοσώματα για παραγωγή πρωτεΐνης. Τα ένζυμα δεσμεύουν μονάδες tRNA με αμινοξέα με πολύ ακριβή τρόπο κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Για παράδειγμα, το μόριο Χ του tRNA θα συνδεθεί μόνο με το αμινοξύ Χ, ενώ το μόριο Υ του tRNA θα δεσμευτεί μόνο με το αμινοξύ Υ. 

Το mRNA, συχνά γνωστό ως αγγελιοφόρο RNA, είναι ένα μονόκλωνο μόριο RNA. Είναι ανάλογο με το DNA και περιέχει τα ίδια γενετικά δεδομένα με το DNA. Η διαδικασία της μετάφρασης έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό πρωτεϊνών. Το κωδικόνιο τριών βάσεων που περιέχεται στο mRNA μεταφράζεται σε αμινοξέα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πρωτεϊνών. Στους ευκαρυώτες, η σύνθεση mRNA λαμβάνει χώρα στον πυρήνα και στη συνέχεια μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, όπου λαμβάνει χώρα μετάφραση ή σύνθεση πρωτεϊνών.

Η σύνθεση mRNA, tRNA και rRNA συμβαίνει στη διαδικασία του ενζύμου RNA πολυμεράση.

Βήματα πρωτεϊνοσύνθεσης 

Τα στάδια της πρωτεϊνοσύνθεσης είναι δύο:μεταγραφή και μετάφραση. Κάθε ένα θα συζητηθεί λεπτομερώς παρακάτω.

Μεταγραφή

Η μεταγραφή είναι το πρώτο από τα βήματα της πρωτεϊνοσύνθεσης. Είναι ένα θεμελιώδες αξίωμα της μοριακής βιολογίας (γνωστό ως κεντρικό δόγμα):DNA -> RNA. Είναι η διαδικασία μέσω της οποίας η γενετική πληροφορία στο DNA μεταφέρεται στο mRNA. Η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, σχηματίζεται ένας κλώνος mRNA που είναι συμπληρωματικός σε ένα μόριο έλικος DNA γνωστό ως γονίδιο. Η αλληλουχία DNA μπορεί εύκολα να αναγνωρίσει ένα γονίδιο. Ένα γονίδιο έχει τρεις θεμελιώδεις περιοχές:έναν προαγωγέα, μια κωδικοποιητική αλληλουχία (πλαίσιο ανάγνωσης) και έναν τερματιστή.

 Βήματα που εμπλέκονται στη μεταγραφή

Υπάρχουν τρία βήματα που εμπλέκονται στη μεταγραφή:έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.

1. Η έναρξη της μεταγραφής ονομάζεται έναρξη. Συμβαίνει όταν το ένζυμο RNA πολυμεράση προσκολλάται στον προαγωγέα ενός γονιδίου. Αυτό προκαλεί το ξετύλιγμα του DNA, επιτρέποντας στο ένζυμο να «διαβάσει» τις βάσεις αζώτου σε μια αλυσίδα DNA. Η RNA πολυμεράση είναι τώρα έτοιμη να κατασκευάσει έναν κλώνο mRNA με μια ισοδύναμη αλληλουχία βάσης. Ο προαγωγέας δεν περιλαμβάνεται στο mRNA που προκύπτει.
2. Η επιμήκυνση είναι η προσθήκη νουκλεοτιδίων στο αγγελιοφόρο RNA (mRNA).
3. Ο τερματισμός αναφέρεται στην ολοκλήρωση της μεταγραφής. Το ένζυμο διασπάται από το DNA καθώς μεταγράφει τον τερματιστή. Μετά από αυτό το βήμα, παράγεται ο κλώνος mRNA.

Η σύνθεση του mRNA τελειώνει όταν επιτευχθεί το κωδικόνιο «stop». Το mRNA διαχωρίζεται από το μόριο DNA, το οποίο επαναφέρεται για να δημιουργήσει μια διπλή έλικα. Εν τω μεταξύ, το μόριο mRNA ταξιδεύει μέσω ενός κενού στον πυρήνα και στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, όπου πηγαίνει προς το κυτταροπλασματικό ή τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο και προσκολλάται στα ριβοσώματα.

Επεξεργασία 

Το πρόσφατα παραγόμενο mRNA ή το πρωτογενές αντίγραφο είναι γνωστό ως hnRNA και πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία πριν μετατραπεί σε ώριμο mRNA. Αυτό ονομάζεται μετα-μεταγραφική επεξεργασία του hnRNA.

Τα εξόνια και τα εσώνια, τα οποία είναι κωδικοποιητικά και μη τμήματα, βρίσκονται και τα δύο στο hnRNA. Περνάει από το μάτισμα, το πώμα και την ουρά.

• Το μάτισμα είναι η διαδικασία με την οποία τα εσώνια από την κύρια μεταγραφή διαγράφονται και τα εξόνια συνδέονται μεταξύ τους.
• Η κάλυψη συνεπάγεται την προσθήκη ενός καλύμματος ενός ασυνήθιστου νουκλεοτιδίου στις θέσεις 5' του hnRNA (συνήθως τριφωσφορική μεθυλγουανοσίνη).
• Η ουρά είναι η προσθήκη 200-300 αδενυλικών υπολειμμάτων στο 3'-άκρο της διαδικασίας. Η ουρά προστατεύει το RNA από την καταστροφή των εξωνουκλεασών και είναι σημαντική για τη διακοπή της μεταγραφής, τη μεταφορά mRNA και τη μετάφραση.

Μετά την επεξεργασία του hnRNA, το mRNA παραδίδεται στο κυτταρόπλασμα και υφίσταται τη διαδικασία μετάφρασης.

 Μετάφραση

Το Translational είναι το δεύτερο συστατικό του κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας:RNA -> Πρωτεΐνη. Είναι η διαδικασία ανάγνωσης της γενετικής πληροφορίας στο mRNA για τη δημιουργία μιας πρωτεΐνης. Αφού φύγει από τον πυρήνα, το mRNA πηγαίνει σε ένα ριβόσωμα που αποτελείται από rRNA και πρωτεΐνες. Το ριβόσωμα αναγνωρίζει το μοτίβο του κωδικονίου στο mRNA και τα μόρια tRNA μεταφέρουν αμινοξέα με τη σωστή σειρά στο ριβόσωμα.

Όπως και η μεταγραφή, η διαδικασία μετάφρασης χωρίζεται σε τρία στάδια:έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.

• Έναρξη:

Το mRNA φεύγει από τον πυρήνα μέσω ενός πυρηνικού πόρου και φτάνει στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου μετά τη μεταγραφή. Τα συστατικά του ριβοσώματος προσκολλώνται στο mRNA στην περιοχή που περιέχει το καπάκι μεθυλίωσης και το κωδικόνιο START. Αυτά στη συνέχεια συνδέονται με ένα tRNA που περιλαμβάνει αντικωδικόνια που ταιριάζουν με το κωδικόνιο START του mRNA. Ένα σύμπλεγμα έναρξης είναι μια συλλογή από αυτά τα τρία μόρια (mRNA, ριβόσωμα, tRNA).

• Εκτέλεση:

Το tRNA συνεχίζει να παρέχει αμινοξέα στο αναπτυσσόμενο πολυπεπτίδιο μέσω συμπληρωματικού ζεύγους βάσεων που περιλαμβάνει κωδικόνια mRNA και αντικωδικόνια tRNA. Καθώς ένα tRNA εισέρχεται στο ριβόσωμα, ένα αμινοξύ προστίθεται στο αναπτυσσόμενο πολυπεπτίδιο. Όταν ολοκληρωθεί αυτή η ανταλλαγή, το tRNA εξέρχεται από το ριβόσωμα. Το ριβόσωμα προχωρά κατά μία απόσταση κωδικονίου κατά μήκος του mRNA και εισέρχεται ένα tRNA αντικατάστασης με το κατάλληλο αμινοξύ του. Το πολυπεπτίδιο διαστέλλεται όταν επαναλαμβάνεται αυτή η διαδικασία.

• Τερματισμός:

Ένα κωδικόνιο τερματισμού τερματίζει το στάδιο επιμήκυνσης μετά την κωδικοποίηση του mRNA. Το κωδικόνιο λήξης δεν απαιτεί tRNA αλλά μάλλον παράγοντα απελευθέρωσης, ο οποίος προκαλεί την αποσυναρμολόγηση της πλήρους μονάδας (mRNA, ριβόσωμα, tRNA και πολυπεπτίδιο), απελευθερώνοντας όλα τα περιεχόμενα.

Μετά την πρωτεϊνική σύνθεση, λαμβάνεται από το ριβόσωμα για περισσότερη σύνθεση και δράση. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη μπορεί να κρατηθεί στη συσκευή Golgi πριν από την εκκένωση του κυττάρου ή θα μπορούσε να διατηρηθεί ως ένζυμο πέψης. Μια πρωτεΐνη μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί ως δομικό στοιχείο στο κύτταρο είτε να παραχθεί ως ορμόνη, όπως η ινσουλίνη. Μετά τη σύνθεση, η μονάδα mRNA αποσυντίθεται και τα νουκλεοτίδια επιστρέφουν στους πυρήνες. Οι ενώσεις tRNA υποχωρούν στο κυτταρόπλασμα για να ενωθούν με άλλα αμινοξέα, ενώ το ριβόσωμα προετοιμάζεται για την έλευση ενός φρέσκου μορίου mRNA.

 Συμπέρασμα

Τι είναι η πρωτεϊνοσύνθεση; Η πρωτεϊνοσύνθεση αναφέρεται στη διαδικασία μέσω της οποίας τα κύτταρα παράγουν πρωτεΐνες. Η μεταγραφή και η μετάφραση είναι τα δύο βήματα.

Η μεταγραφή είναι η διαδικασία μέσω της οποίας γενετικές εντολές στο DNA μεταφέρονται σε mRNA στον πυρήνα. Χωρίζεται σε τρία στάδια:έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός. Μετά τη μεταγραφή, το mRNA μεταφέρει τις πληροφορίες σε ένα ριβόσωμα.

Το ριβόσωμα, που αποτελείται από rRNA και πεπτίδια, είναι όπου λαμβάνει χώρα η μετάφραση. Οι εντολές στο mRNA διαβάζονται κατά τη μετάφραση και το tRNA μεταφέρει τη σωστή σειρά αμινοξέων στο ριβοσωμικό μόριο.

Μετά τη σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας, μπορεί να υποβληθεί σε περαιτέρω επεξεργασία για τη δημιουργία της ολοκληρωμένης πρωτεΐνης.

 Συχνές ερωτήσεις 

 1. Αναφέρετε τον ρόλο των ριβοσωμάτων.

Α. Τα ριβοσώματα έχουν τις ακόλουθες λειτουργίες:

• Τα ριβοσώματα είναι υπεύθυνα για την παραγωγή πρωτεϊνών ή πολυπεπτιδίων.
• Τα ριβοσώματα περιλαμβάνουν ριβοσωμικά RNA, τα οποία είναι θέσεις προσκόλλησης για mRNA και tRNA.
• Προστατεύει τις πρόσφατα παραγόμενες πρωτεΐνες από κυτταροπλασματικά ένζυμα παγιδεύοντάς τες στη σχισμή μιας μεγαλύτερης υπομονάδας.

2. Γιατί δεν αντιγράφονται και οι δύο κλώνοι του DNA κατά τη διαδικασία της μεταγραφής; Εξηγώ.

A. I) Εάν και οι δύο κλώνοι κωδικοποιούν για RNA, θα δημιουργηθούν δύο μόρια RNA και δύο ξεχωριστές πρωτεΐνες, περιπλέκοντας τη γενετική σύνθεση.

1. II) Καθώς τα μόρια RNA είναι ομόλογα, θα σπειρωθούν μεταξύ τους για να παράγουν δίκλωνο RNA χωρίς να υποστούν μετάφραση, υπονοώντας ότι η μεταγραφή είναι άσκοπη.

 3. Ποιες είναι οι τρεις μορφές RNA και ποια λειτουργία παίζουν στη σύνθεση πρωτεϊνών;

Α. Υπάρχουν τρία είδη RNA:

• Αγγελιοφόρο RNA (mRNA):το mRNA μετατρέπει τα γενετικά δεδομένα του DNA σε μια μορφή που μπορεί να υποστεί επεξεργασία και να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πρωτεϊνών. Το mRNA μεταφέρει γενετικά δεδομένα από τον πυρήνα ενός κυττάρου στο κυτταρόπλασμά του.
• rRNA σημαίνει ριβοσωμικό RNA:το rRNA υπάρχει στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου, μέσα στο οποίο υπάρχουν ριβοσώματα. Η σύνθεση του mRNA σε πρωτεΐνες κατευθύνεται από το rRNA.
• tRNA σημαίνει Transfer RNA:Το tRNA, όπως και το rRNA, βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα και είναι απαραίτητο για την παραγωγή πρωτεϊνών. Το RNA μεταφοράς μεταφέρει αμινοξέα στο ριβόσωμα. Τα αμινοξέα θα μπορούσαν στη συνέχεια να συνδυαστούν και να συναρμολογηθούν για να παράγουν πρωτεΐνες.