Жасуша ішіндегі ақуыз синтезі

Кіріспе

Биологиялық жасушалар ішіндегі ақуыздарды құрастыру

Ақуыз биосинтезі (немесе ақуыз синтезі) – жасушалар ішіндегі маңызды биологиялық процесс, ол жаңа ақуыздар өндірілу арқылы жасушалық ақуыздардың жоғалуын (деградация немесе экспорт арқылы) теңестіреді. Ақуыздар ферменттер, құрылымдық ақуыздар немесе гормондар ретінде көптеген маңызды функцияларды атқарады. Ақуыз синтезі прокариоттар мен эукариоттар үшін өте ұқсас процесс, бірақ кейбір ерекшеліктер бар. Ақуыз синтезін екі негізгі кезеңге бөлуге болады: транскрипция және трансляция. Транскрипция кезінде ген деп аталатын ақуызды кодтайтын ДНК бөлігі хабаршы РНК (мРНК) деп аталатын матрицалық молекулаға көшіріледі. Бұл көшіруді РНК полимераза деп аталатын ферменттер жасуша ядросында жүзеге асырады. Эукариоттарда мРНК бастапқыда жартылай пішінде (pre-mRNA) түзіледі, ол транскрипциядан кейінгі модификацияларға ұшырап, толық пішкен мРНК-ны құрайды. Толық пішкен мРНК жасуша ядросынан ядролық тесіктер арқылы жасуша цитоплазмасына трансляция үшін экспортталады. Трансляция кезінде рибосомалар мРНК-ны оқиды және аминокислоталардың тізбегін анықтау үшін мРНК-ның нуклеотидтік тізбегін пайдаланады. Рибосомалар кодталған аминокислоталар арасында ковалентті пептидтік байланыстардың қалыптасуын катализдейді, нәтижесінде полипептидтік тізбек түзіледі. Трансляциядан кейін полипептидтік тізбек функционалды ақуызды құру үшін дұрыс бүктелуі керек; мысалы, фермент ретінде жұмыс істеу үшін полипептидтік тізбек функционалды активті ортаны құру үшін дұрыс бүктелуі керек. Функционалды үш өлшемді пішінге ие болу үшін полипептидтік тізбек алдымен екінші құрылымдар деп аталатын кішірек құрылымдардың тізбегін құруы керек. Бұл екіншілік құрылымдардағы полипептидтік тізбек жалпы 3D үшіншілік құрылымды құру үшін бүктеледі. Дұрыс бүктеліп болғаннан кейін ақуыз әртүрлі трансляциялық модификациялар арқылы одан әрі жетілуі мүмкін, бұл ақуыздың функциялық қабілетін, жасушадағы орналасуын (мысалы, цитоплазма немесе ядро) және басқа ақуыздармен өзара әрекеттесу қабілетін өзгерте алады. Ақуыз биосинтезі ауруларда маңызды рөл атқарады, себебі осы процестегі өзгерістер мен қателер, ДНК мутациялары немесе ақуыздың дұрыс бүктеле алмауы аурудың себебі болуы мүмкін. ДНК мутациялары мРНК тізбегін өзгертеді, ал ол мРНК кодтайтын аминокислоталар тізбегін өзгертеді. Мутациялар полипептидтік тізбекті қысқартуы мүмкін, трансляцияны ерте аяқтауға себеп болатын тоқтау кодонын тудырады. Сонымен қатар, мРНК тізбегіндегі мутация полипептидтік тізбектің сол орнында кодталатын нақты аминокислотаны өзгертеді. Бұл аминокислотаның өзгеруі ақуыздың функциясына немесе дұрыс бүктелуіне әсер етуі мүмкін. Дұрыс бүктеле алмаған ақуыздар тығыз ақуыз жиынтығын құруға бейім, бұл жиынтықтар ауруларға, әсіресе неврологиялық ауруларға, мысалы Альцгеймер және Паркинсон ауруларына байланысты болуы мүмкін.

Protein biosynthesis (or protein synthesis) is a core biological process, occurring inside cells, balancing the loss of cellular proteins (via degradation or export) through the production of new proteins. Proteins perform a number of critical functions as enzymes, structural proteins or hormones. Protein synthesis is a very similar process for both prokaryotes and eukaryotes but there are some distinct differences. Protein synthesis can be divided broadly into two phases: transcription and translation. During transcription, a section of DNA encoding a protein, known as a gene, is converted into a template molecule called messenger RNA (mRNA). This conversion is carried out by enzymes, known as RNA polymerases, in the nucleus of the cell. In eukaryotes, this mRNA is initially produced in a premature form (pre mRNA) which undergoes post transcriptional modifications to produce mature mRNA. The mature mRNA is exported from the cell nucleus via nuclear pores to the cytoplasm of the cell for translation to occur. During translation, the mRNA is read by ribosomes which use the nucleotide sequence of the mRNA to determine the sequence of amino acids. The ribosomes catalyze the formation of covalent peptide bonds between the encoded amino acids to form a polypeptide chain. Following translation the polypeptide chain must fold to form a functional protein; for example, to function as an enzyme the polypeptide chain must fold correctly to produce a functional active site. To adopt a functional three dimensional shape, the polypeptide chain must first form a series of smaller underlying structures called secondary structures. The polypeptide chain in these secondary structures then folds to produce the overall 3D tertiary structure. Once correctly folded, the protein can undergo further maturation through different post translational modifications, which can alter the protein's ability to function, its location within the cell (e. g. cytoplasm or nucleus) and its ability to interact with other proteins. Protein biosynthesis has a key role in disease as changes and errors in this process, through underlying DNA mutations or protein misfolding, are often the underlying causes of a disease. DNA mutations change the subsequent mRNA sequence, which then alters the mRNA encoded amino acid sequence. Mutations can cause the polypeptide chain to be shorter by generating a stop sequence which causes early termination of translation. Alternatively, a mutation in the mRNA sequence changes the specific amino acid encoded at that position in the polypeptide chain. This amino acid change can impact the protein's ability to function or to fold correctly. Misfolded proteins have a tendency to form dense protein clumps, which are often implicated in diseases, particularly neurological disorders including Alzheimer's and Parkinson's disease.

Жазба көшірмесі

Транскрипция ДНҚ-ны үлгі ретінде пайдалана отырып, ядрода мРНК-ны өндіру үшін жүзеге асады. Эукариоттарда бұл мРНК молекуласы пре-мРНК деп аталады, себебі ол жетілген мРНК молекуласын өндіру үшін ядрода транскрипциядан кейінгі модификацияларға ұшырайды. Дегенмен, прокариоттарда транскрипциядан кейінгі модификациялар қажет болмайды, сондықтан жетілген мРНК молекуласы транскрипция арқылы бірден түзіледі. ДНК және РНК екеуінің де ішкі бағыттылығы бар, яғни молекуланың екі бөлек ұшы болады. Бұл бағыттылық қасиеті пентоза қантының бір жағында фосфат тобы, екінші жағында негіз орналасқан асимметриялық нуклеотидтік құрылымдық бірліктерге байланысты. Пентоза қантының бес көміртегі 1' (мұнда ' – прайм) дейін 5' ретімен нөмірленеді. Сондықтан нуклеотидтерді байланыстыратын фосфодиэстерлік байланыстар, бір нуклеотидтің 3' көміртегіндегі гидроксил тобының, екінші нуклеотидтің 5' көміртегіндегі фосфат тобымен қосылуы арқылы қалыптасады. Осылайша, ДНҚ-ның кодтаушы тізбегі 5' бағытынан 3' бағытына қарай, ал толықтырғыш, үлгілік ДНҚ тізбегі 3' бағытынан 5' бағытына қарай, кері бағытта жүреді.

Аударма

Трансляция кезінде рибосомалар мРНК үлгілік молекулаларынан полипептидтік тізбектерді синтездейді. Эукариоттарда трансляция клетканың цитоплазмасында жүреді, онда рибосомалар бос қалқып немесе эндоплазмалық торға бекітілген күйде орналасады. Ядросы жоқ прокариоттарда транскрипция және трансляция процестерінің екеуі де цитоплазмада жүреді. Рибосомалар – ақуыз және рибосомалық РНК қоспасынан тұратын күрделі молекулалық машиналар, олар екі кіші бөлімге (ірі және кіші бөлім) жиналған, және мРНК молекуласын қоршайды. Рибосома мРНК молекуласын 5'→3' бағытта оқиды және оны полипептидтік тізбектегі аминқышқылдарының ретін анықтау үшін үлгі ретінде пайдаланады. мРНК молекуласын трансляциялау үшін рибосома дұрыс аминқышқылдарын рибосомаға жеткізу үшін трансферлік РНК (тРНК) деп аталатын шағын молекулаларды пайдаланады. Әрбір тРНК 70-80 нуклеотидтен тұрады және молекуладағы нуклеотидтер арасындағы сутекті байланыстардың нәтижесінде ерекше жапырақша тәрізді құрылымға ие болады. Шамамен 60 түрлі тРНК бар, әр тРНК мРНК молекуласындағы үш нуклеотидтен (кодон деп аталады) тұратын белгілі бір тізбекке байланысады және белгілі бір аминқышқылын жеткізеді. Рибосома бастапқыда мРНК-ға бастапқы кодон (AUG) арқылы бекінеді және молекуланы трансляциялауды бастайды. мРНК нуклеотидтік тізбегі үштіктер түрінде оқылады; мРНК молекуласындағы үш тікелей жатқан нуклеотид бір кодонға сәйкес келеді. Әрбір тРНК-да үш нуклеотидтен тұратын ашық тізбек болады, ол антикодон деп аталады, және ол мРНК-да кездесетін белгілі бір кодонның тізбегіне толықтырады. Мысалы, алғашқы кездесетін кодон – AUG нуклеотидтерінен тұратын бастапқы кодон. Дұрыс тРНК, антикодонмен (толықтыратын 3 нуклеотидтік тізбек UAC) рибосома арқылы мРНК-мен байланысады. Бұл тРНК мРНК кодонына сәйкес келетін дұрыс аминқышқылын жеткізеді, ал бастапқы кодон болған жағдайда – бұл метионин аминқышқылы. Келесі кодон (бастапқы кодонға іргелес) дұрыс тРНК-мен, толықтыратын антикодон арқылы байланысады, келесі аминқышқылын рибосомаға жеткізеді. Содан кейін рибосома өзінің пептидилтрансфераза ферменттік белсенділігін екі іргелес аминқышқылдары арасындағы ковалентті пептидтік байланыстың қалыптасуын катализдеу үшін пайдаланады.

During translation, ribosomes synthesize polypeptide chains from mRNA template molecules. In eukaryotes, translation occurs in the cytoplasm of the cell, where the ribosomes are located either free floating or attached to the endoplasmic reticulum. In prokaryotes, which lack a nucleus, the processes of both transcription and translation occur in the cytoplasm. Ribosomes are complex molecular machines, made of a mixture of protein and ribosomal RNA, arranged into two subunits (a large and a small subunit), which surround the mRNA molecule. The ribosome reads the mRNA molecule in a 5' 3' direction and uses it as a template to determine the order of amino acids in the polypeptide chain. To translate the mRNA molecule, the ribosome uses small molecules, known as transfer RNAs (tRNA), to deliver the correct amino acids to the ribosome. Each tRNA is composed of 70 80 nucleotides and adopts a characteristic cloverleaf structure due to the formation of hydrogen bonds between the nucleotides within the molecule. There are around 60 different types of tRNAs, each tRNA binds to a specific sequence of three nucleotides (known as a codon) within the mRNA molecule and delivers a specific amino acid. The ribosome initially attaches to the mRNA at the start codon (AUG) and begins to translate the molecule. The mRNA nucleotide sequence is read in triplets; three adjacent nucleotides in the mRNA molecule correspond to a single codon. Each tRNA has an exposed sequence of three nucleotides, known as the anticodon, which are complementary in sequence to a specific codon that may be present in mRNA. For example, the first codon encountered is the start codon composed of the nucleotides AUG. The correct tRNA with the anticodon (complementary 3 nucleotide sequence UAC) binds to the mRNA using the ribosome. This tRNA delivers the correct amino acid corresponding to the mRNA codon, in the case of the start codon, this is the amino acid methionine. The next codon (adjacent to the start codon) is then bound by the correct tRNA with complementary anticodon, delivering the next amino acid to ribosome. The ribosome then uses its peptidyl transferase enzymatic activity to catalyze the formation of the covalent peptide bond between the two adjacent amino acids.

Аудармадан кейінгі оқиғалар

Белсенің биосинтезінен кейін протеолиз және белок қалыптасу сияқты процестер жүреді. Протеолиз – протеаза ферменттерінің әсерімен белоктардың кесілуі және ферменттердің іс-қимылы арқылы белоктардың аминқышқылдарына ыдырауы.

Химиялық топтарды қосу

Трансляциядан кейін кішкентай химиялық топтар пісіп-жетілген ақуыз құрылымындағы аминқышқылдарына қосылуы мүмкін. Нысаналы белокқа химиялық топтарды қосатын процестерге метилдену, ацетилдену және фосфорилирлеу жатады. Метилирлеу – метил топтарының метилтрансфераза ферменттері катализдейтін аминқышқылына қайтымды қосылуы. Метилирлеу 20 жалпы аминқышқылының кем дегенде 9-ында болады, бірақ негізінен лизин және аргинин аминқышқылдарында кездеседі. Әдетте метилирленген белоктың бір мысалы – гистон. Гистон – жасуша ядросында орналасқан ақуыз. ДНҚ гистондармен тығыз оралған және басқа белоктармен, сондай-ақ ДНҚ-дағы теріс зарядтар мен гистондағы оң зарядтар арасындағы өзара әрекеттесу арқылы ұсталады. Гистон ақуыздарындағы аминқышқылдарының метилирленуінің ерекше үлгісі ДНҚ-ның қай аймақтары тығыз оралған және транскрипцияланбайтынын, ал қай аймақтары бос оралған және транскрипциялана алатынын анықтау үшін қолданылады. Гистонға негізделген ДНҚ транскрипциясының реттелуі де ацетилдену арқылы өзгертіледі. Ацетилдену – ацетилтрансфераза ферментімен лизин аминқышқылына ацетил тобын қайтымды ковалентті қосу. Ацетил тобы ацетил кофермент А деп аталатын донор молекуласынан алынып, мақсатты белокқа беріледі. Гистондар лизин қалдықтары бойынша гистон ацетилтрансферазасы деп аталатын ферменттер арқылы ацетилденуден өтеді. Ацетилденудің әсері гистон мен ДНҚ арасындағы зарядты өзара әрекеттесуді әлсіретіп, ДНҚ-дағы гендерді транскрипцияға қолжетімді етеді. Соңғы, кең таралған трансляциядан кейінгі химиялық топтың модификациясы – фосфорилирлеу. Фосфорилирлеу – белоктың ішіндегі белгілі бір аминқышқылдарына (серин, треонин және тирозин) фосфат тобын қайтымды ковалентті қосу. Фосфат тобы донор молекуласы АТФ-тан протеинкиназа арқылы алынып, мақсатты аминқышқылының гидроксилдік тобына көшіріледі, нәтижесінде аденозин дифосфаты қосалқы өнім ретінде түзіледі. Бұл процесті кері қайтаруға болады және фосфат тобын фермент протеин фосфатазасымен алып тастауға болады. Фосфорилирлеу фосфорилдалған белокқа байланысу орнын құра алады, бұл оған басқа белоктармен өзара әрекеттесуге және үлкен, көп белокты кешендерді құруға мүмкіндік береді. Балама ретінде, фосфорилирлеу белоктың субстратқа байланысу қабілетін өзгертіп, белок белсенділігінің деңгейін өзгерте алады. Серпілі жасушалы анемиясы бар науқастарда гемоглобиннің B суббірлігінің полипептидтік тізбектерін кодтайтын генінде қате немесе алмастыру мутациясы болады. Миссенс мутациясы – нуклеотидтік мутация кодонның жалпы триплетін өзгертеді, нәтижесінде жаңа кодонмен басқа аминқышқылы жұптасады. Серпілі жасушалы анемия жағдайында ең көп таралған миссенс мутациясы – гемоглобиннің B суббірлігінің геніндегі тиминнен аденине дейінгі бір нуклеотидтік мутация. Бұл 6-кодонды глютамин қышқылын кодтаудан валиннің кодтауына ауыстырады.

Following translation, small chemical groups can be added onto amino acids within the mature protein structure. Examples of processes which add chemical groups to the target protein include methylation, acetylation and phosphorylation. Methylation is the reversible addition of a methyl group onto an amino acid catalyzed by methyltransferase enzymes. Methylation occurs on at least 9 of the 20 common amino acids, however, it mainly occurs on the amino acids lysine and arginine. One example of a protein which is commonly methylated is a histone. Histones are proteins found in the nucleus of the cell. DNA is tightly wrapped round histones and held in place by other proteins and interactions between negative charges in the DNA and positive charges on the histone. A highly specific pattern of amino acid methylation on the histone proteins is used to determine which regions of DNA are tightly wound and unable to be transcribed and which regions are loosely wound and able to be transcribed. Histone based regulation of DNA transcription is also modified by acetylation. Acetylation is the reversible covalent addition of an acetyl group onto a lysine amino acid by the enzyme acetyltransferase. The acetyl group is removed from a donor molecule known as acetyl coenzyme A and transferred onto the target protein. Histones undergo acetylation on their lysine residues by enzymes known as histone acetyltransferase. The effect of acetylation is to weaken the charge interactions between the histone and DNA, thereby making more genes in the DNA accessible for transcription. The final, prevalent post translational chemical group modification is phosphorylation. Phosphorylation is the reversible, covalent addition of a phosphate group to specific amino acids (serine, threonine and tyrosine) within the protein. The phosphate group is removed from the donor molecule ATP by a protein kinase and transferred onto the hydroxyl group of the target amino acid, this produces adenosine diphosphate as a byproduct. This process can be reversed and the phosphate group removed by the enzyme protein phosphatase. Phosphorylation can create a binding site on the phosphorylated protein which enables it to interact with other proteins and generate large, multi protein complexes. Alternatively, phosphorylation can change the level of protein activity by altering the ability of the protein to bind its substrate. Patients with sickle cell anemia have a missense or substitution mutation in the gene encoding the hemoglobin B subunit polypeptide chain. A missense mutation means the nucleotide mutation alters the overall codon triplet such that a different amino acid is paired with the new codon. In the case of sickle cell anemia, the most common missense mutation is a single nucleotide mutation from thymine to adenine in the hemoglobin B subunit gene. This changes codon 6 from encoding the amino acid glutamic acid to encoding valine.

Қатерлі ісік

Қатерлі ісіктер гендердегі мутациялармен қатар, белоктердің дұрыс емес трансляциясы нәтижесінде пайда болады. Қатерлі ісік жасушаларының қалыптан тыс көбеюімен бірге, олар антиапоптоздық немесе проапоптоздық гендер мен белоктардың экспрессиясын басады. Көптеген қатерлі ісік жасушаларында жасушаларда сигналды қосу/өшіру транстүкторы ретінде жұмыс істейтін Ras сигналдық белоктың мутациясы кездеседі. Қатерлі ісік жасушаларында RAS белгілі бір реттеудің болмауынан клетканың көбеюін қамтамасыз ететін тұрақты түрде белсенді болады. Сонымен қатар, көптеген қатерлі ісік жасушалары зақымдалған гендердің "қақпашысы" ретінде әрекет ететін және қатерлі жасушаларда апоптозды іске қосатын p53 регуляторлық генінің екі мутантты көшірмесін тасымалдайды. Бұл геннің жоқтығында жасуша апоптозды іске қоса алмайды немесе басқа жасушаларға өзін жоюға сигнал бере алмайды. Ісік жасушалары көбейген кезде, олар бір аймақта ғана қалып, қатерсіз ісік деп аталады немесе дененің басқа аймақтарына таралатын қатерлі жасушаларға айналады. Көбінесе, бұл қатерлі жасушалар тіндердің жасушадан тыс матрицасын ыдырататын протеазалар бөліп шығарады. Бұл ракқа метастаз деп аталатын соңғы сатыға өтуге мүмкіндік береді, онда жасушалар қан тамырларына немесе лимфа жүйесіне еніп, дененің басқа бөлігіне жетеді.