התא של כל אורגניזם הוא מפעל אחד גדול לייצור כימיקלים. כאן מתרחשות תגובות בביוסינתזה של שומנים, חומצות גרעין, פחמימות וכמובן חלבונים. חלבונים ממלאים תפקיד עצום בחיי התא, שכן הם מבצעים תפקידים רבים: אנזימטיים, איתותים, מבניים, מגנים ואחרים.
ביוסינתזה של חלבונים: תיאור התהליך
בניית מולקולות חלבון היא תהליך מורכב רב-שלבי המתרחש בפעולה של מספר רב של אנזימים ובנוכחות מבנים מסוימים.
סינתזה של כל חלבון מתחילה בגרעין. מידע על מבנה המולקולה נרשם ב-DNA של התא, ממנו הוא נקרא. כמעט כל גן באורגניזם מקודד מולקולת חלבון ייחודית אחת.
מה תפקידה של הציטופלזמה בביוסינתזה של חלבון? העובדה היא שהציטופלזמה של התא היא "בריכה" עבור מונומרים של חומרים מורכבים, כמו גם מבנים שאחראים על תהליך סינתזת החלבון. כמו כן, לסביבה הפנימית של התא יש חומציות קבועה ותכולת יונים, הממלאת תפקיד חשוב בתגובות ביוכימיות.
ביוסינתזה של חלבונים מתרחשת בשני שלבים: תמלול ותרגום.
תמלול
שלב זה מתחיל בגרעין התא. כאן את התפקיד העיקרי ממלאים חומצות גרעין כמו DNA ו-RNA (חומצות דיאוקסי וריבונוקלאיות). באאוקריוטים, יחידת התעתיק היא התעתיק, בעוד שבפרוקריוטים, ארגון זה של DNA נקרא אופרון. ההבדל בין שעתוק בפרוקריוטים לאאוקריוטים הוא שאופרון הוא קטע של מולקולת DNA המקודדת למספר מולקולות חלבון, כאשר התעתיק נושא מידע על גן חלבון אחד בלבד.
המשימה העיקרית של התא בשלב התעתיק היא סינתזה של RNA שליח (mRNA) על תבנית ה-DNA. לשם כך, אנזים כמו RNA פולימראז נכנס לגרעין. הוא מעורב בסינתזה של מולקולת mRNA חדשה, המשלימה לאתר החומצה הדאוקסיריבונוקלאית.
עבור תגובות שעתוק מוצלחות, יש צורך בנוכחות של גורמי שעתוק, המקוצרים גם כ-TF-1, TF-2, TF-3. מבנים חלבוניים מורכבים אלה מעורבים בחיבור של RNA פולימראז עם הפרומוטור על מולקולת ה-DNA.
הסינתזה של mRNA נמשכת עד שהפולימראז מגיע לאזור הקצה של התעתיק, הנקרא terminator.
המפעיל, כאזור תפקודי נוסף של התמלול, אחראי לעיכוב שעתוק או להיפך, להאצת העבודה של RNA פולימראז. אחראי לויסות העבודה של אנזימי שעתוק חלבונים מיוחדים-מעכבי או חלבונים-מפעילים, בהתאמה.
שידור
לאחר ש-mRNA עבר סינתזה בגרעין התא, הוא נכנס לציטופלזמה. כדי לענות על השאלה לגבי תפקידה של הציטופלזמה בביוסינתזה של חלבונים, כדאי לנתח ביתר פירוט את גורלה הנוסף של מולקולת חומצת הגרעין בשלב התרגום.
התרגום מתרחש בשלושה שלבים: התחלה, התארכות וסיום.
ראשית, mRNA חייב להיצמד לריבוזומים. ריבוזומים הם מבנים קטנים שאינם ממברניים של התא, המורכבים משתי יחידות משנה: קטנות וגדולות. ראשית, החומצה הריבו-נוקלאית מתחברת לתת-היחידה הקטנה, ולאחר מכן תת-היחידה הגדולה סוגרת את כל הקומפלקס הטרנסילי כך שה-mRNA נמצא בתוך הריבוזום. למעשה, זהו סוף שלב החניכה.
מה תפקידה של הציטופלזמה בביוסינתזה של חלבון? קודם כל, זה מקור לחומצות אמינו - המונומרים העיקריים של כל חלבון. בשלב ההתארכות מתרחשת הצטברות הדרגתית של שרשרת הפוליפפטיד, החל בקודון ההתחלה מתיונין, אליו מחוברות חומצות האמינו הנותרות. הקודון במקרה זה הוא שלישייה של נוקלאוטידים mRNA המקודד לחומצת אמינו אחת.
בשלב זה, סוג אחר של חומצה ריבונוקלאית מחובר לעבודה - העברה RNA, או tRNA. הם אחראים על אספקת חומצות אמינו לקומפלקס ה-mRNA-ריבוזום על ידי יצירת קומפלקס aminoacyl-tRNA. זיהוי tRNA מתרחש באמצעות משליםאינטראקציות של האנטיקודון של מולקולה זו עם הקודון על ה-mRNA. לפיכך, חומצת האמינו מועברת לריבוזום ומחוברת לשרשרת הפוליפפטיד המסונתז.
סיום תהליך התרגום מתרחש כאשר ה-mRNA מגיע לקטעי קודון העצירה. קודונים אלו נושאים מידע על סוף סינתזת הפפטידים, שלאחריו מושמד קומפלקס הריבוזום-RNA, והמבנה הראשוני של החלבון החדש נכנס לציטופלזמה לצורך טרנספורמציות כימיות נוספות.
גורמי התחלת חלבון מיוחדים IF וגורמי התארכות EF מעורבים בתהליך התרגום. הם מסוגים שונים, ומשימתם היא להבטיח חיבור נכון של RNA עם תת-יחידות ריבוזום, וכן בסינתזה של שרשרת הפוליפפטיד עצמה בשלב ההתארכות.
מה תפקידה של הציטופלזמה בביוסינתזה של חלבונים: בקצרה על המרכיבים העיקריים של הביוסינתזה
לאחר שה-mRNA עוזב את הגרעין לתוך הסביבה הפנימית של התא, המולקולה חייבת ליצור קומפלקס תרגום יציב. אילו מרכיבים של הציטופלזמה חייבים להיות נוכחים בשלב התרגום?
1. ריבוזומים.
2. חומצות אמינו.
3. tRNA.
חומצות אמינו - מונומרים חלבונים
לסינתזה של שרשרת חלבון, נוכחות בציטופלזמה של המרכיבים המבניים של מולקולת הפפטידים - חומצות אמינו. לחומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך בהרכבם יש קבוצת אמינו NH2 ושארית חומצה COOH. מרכיב נוסף של המולקולה - הרדיקל - הוא סימן ההיכר של כל חומצת אמינו בנפרד. מה תפקידה של הציטופלזמהביוסינתזה של חלבון?
AA מתרחשים בתמיסות בצורת זוויטרונים, שהן אותן מולקולות התורמות או מקבלות פרוטוני מימן. כך, קבוצת האמינו של חומצות האמינו הופכת ל-NH3+, וקבוצת הקרבוניל ל-COO-.
בסך הכל, יש 200 AA בטבע, מתוכם רק 20 יוצרי חלבון. ביניהם ישנה קבוצה של חומצות אמינו חיוניות שאינן מסונתזות בגוף האדם ונכנסות לתא רק עם מזון שנבלע, וחומצות אמינו לא חיוניות שהגוף יוצר בעצמו.
כל ה-AA מקודדים על ידי קודון כלשהו שמתאים לשלושה נוקלאוטידים mRNA, ולעתים קרובות ניתן לקודד חומצת אמינו אחת על ידי כמה רצפים כאלה בו-זמנית. קודון המתיונין בפרו-ואוקריוטים הוא הקודון ההתחלתי, משום זה מתחיל את הביוסינתזה של שרשרת הפפטידים. קודוני עצירה כוללים רצפי נוקלאוטידים UAA, UGA ו-UAG.
מהם ריבוזומים?
איך הריבוזומים אחראים לביו-סינתזה של חלבונים בתא ומה תפקידם של מבנים אלו? קודם כל, מדובר בתצורות שאינן ממברנות, המורכבות משתי יחידות משנה: גדולה וקטנה. תפקידן של תת-יחידות אלו הוא להחזיק את מולקולת ה-mRNA ביניהן.
יש אתרים בריבוזומים שבהם נכנסים קודוני mRNA. בסך הכל, שתי שלישיות כאלה יכולות להתאים בין תת-היחידה הקטנה לגדולה.
מספר ריבוזומים יכולים להצטבר לפוליזום אחד גדול, שבגלל זה קצב הסינתזה של שרשרת הפפטידים עולה, וניתן לקבל את הפלט מידמספר עותקים של החלבון. הנה התפקיד של הציטופלזמה בביוסינתזה של חלבון.
סוגי RNA
חומצות ריבונוקלאיות ממלאות תפקיד חשוב בכל שלבי התמלול. ישנן שלוש קבוצות גדולות של RNA: תחבורה, ריבוזומלית ומידע.
mRNAs מעורבים בהעברת מידע על הרכב שרשרת הפפטידים. tRNAs הם מתווכים בהעברת חומצות אמינו לריבוזומים, אשר מושגת על ידי יצירת קומפלקס aminoacyl-tRNA. התקשרות של חומצת אמינו מתרחשת רק עם האינטראקציה המשלימה של האנטיקודון של ה-Transfer RNA עם הקודון על ה-Messenger RNA.
rRNA מעורבים ביצירת ריבוזומים. הרצפים שלהם הם אחת הסיבות לכך ש-mRNA מוחזק בין יחידות המשנה הקטנות והגדולות. RNA ריבוזומליים מיוצרים בנוקלאולים.
משמעות של חלבונים
ביוסינתזה של חלבונים וחשיבותה עבור התא הם עצומים: רוב האנזימים בגוף הם בעלי אופי פפטידי, הודות לחלבונים, חומרים מועברים דרך ממברנות התא.
חלבונים מבצעים גם פונקציה מבנית כשהם חלק מרקמות שרירים, עצבים ורקמות אחרות. תפקיד האיתות הוא להעביר מידע על התהליכים המתרחשים, למשל, כאשר אור נופל על הרשתית. חלבוני הגנה - אימונוגלובולינים - הם הבסיס למערכת החיסון האנושית.
