Genetikai információ és fehérjeszintézis

A DNS fehérjéket kódoló géneket hordoz

Tartalomjegyzék

Genetikai kód

A gének olyan DNS-nukleotidok szekvenciái, amelyek hordozzák és továbbítják a fehérjeszintézishez szükséges aminosav-szekvenciákat meghatározó információkat. Minden DNS-molekula sok gént tartalmaz. A genom együttesen a sejtben kódolt összes genetikai információra vonatkozik. A reproduktív sejtek kivételével minden emberi sejt 46 DNS-molekulát tartalmaz minden sejtmagban. Minden DNS-molekula megfelel egy kromoszómának. Minden kromoszóma csomagolva van hiszton nevű fehérjékkel. A kromoszóma és hiszton komplexet nukleoszómának nevezzük.

Az RNS-molekulák felelősek az információk DNS-ből a fehérjeszintézis helyére történő átviteléért. Maguk az RNS-molekulák szintetizálódnak a DNS-ben kódolt információk szerint.
átírás fordítása

DNS -> mRNS -> fehérje

Emlékezzünk vissza arra, hogy a DNS nukleotidok hosszú bázisláncokból állnak. A triplettkód három bázis szekvenciája a DNS egyetlen szála mentén. Minden hármas kódot „olvasnak”, és egy adott aminosavat igényel. Emlékezzünk vissza arra, hogy a DNS-ben 4 bázis (guanin, adenin, citozin, timin) és 20 aminosav található, amelyek különböző elrendezésekben kapcsolódnak egymáshoz, és így különböző fehérjék keletkeznek. A 4 bázis 64 különböző triplett kódba rendezhető (három bázis szekvenciája). A kódok közül hatvanegy (61) egyezik a 20 aminosav egyikével, egy adott aminosavat egynél több triplett kóddal lehet meghatározni, míg a fennmaradó három triplett kód stop jelként működik, és inkább a fehérje láncot fejezi be. mint aminosav hozzáadása. A triplett kódok kiolvasása során a megfelelő aminosavat hozzáadjuk a növekvő lánchoz, a végeredmény a DNS információ alapján meghatározott fehérje. A genetikai kód univerzális minden sejtben.

Protein szintézis

Transzkripció: mRNS szintézis

Fordítás: polipeptid szintézis

Az intronok eltávolítása után az mRNS a sejtmag pórusain keresztül kimozdul a citoplazmába, és egy riboszómához kötődik. Mindegyik riboszóma fehérjékből és egy RNS-csoportból áll, amelyet riboszomális RNS-nek (rRNS) neveznek, amely szál átíródik a nukleolusban lévő DNS-ből.

A transzfer RNS (tRNS) az aminosav és annak mRNS kodonja közötti kapcsolat, mivel a tRNS lóhere levelű alakú molekulája kombinálódhat mindkettővel. A transzfer RNS szintetizálódik a magban, mielőtt az kimozdulna a citoplazmába. Az aminoacil-tRNS szintetáz nevű enzim (ezekből 20 van, mindegyik aminosavra specifikus) specifikus aminosavakat kapcsol a tRNS molekulákhoz. A tRNS-molekulát és az aminosavat ezután bázissal párosítják az mRNS-hez egy három bázisú szekvenciával, amelyet anti-kodonnak neveznek. Az anti-kodon meghatározza az aminosavat.

A fehérje összeszerelése háromlépcsős folyamat:

A polipeptidlánc megkezdése azzal kezdődik, hogy egy aminosav-tRNS-komplexben lévő anti-kodont kötünk az mRNS -riboszóma-komplex megfelelő kodonjához. Ezt a kezdeti kötődést az úgynevezett iniciációs faktorok vezérlik; ezen enzimatikus faktorok aktivitása szabályozza a fehérjeszintézis sebességét. A beavatási szakasz a leglassabb az összeszerelés három fázisa közül.
A második fázis a polipeptidlánc megnyúlása. A tRNS-molekulán a láncba juttatott minden aminosav peptidkötéssel kapcsolódik a növekvő fehérje-lánc végéhez; a szabad tRNS ezután felszabadul a riboszómából, és egy másik aminosavhoz kapcsolódik.
A riboszóma „olvasóként” működik, és amikor az mRNS-ben eljut egy terminációs szekvenciához, megszakad a kapcsolat a polipeptidlánc és a tRNS között. A teljes fehérjét ezután felszabadítják a riboszómából, és a riboszóma rendelkezésre áll a következő, a sejtmagból érkező mRNS-szál számára.

Amint a riboszómából kis fehérje jelenik meg, összecsukódnak. A nagyobb fehérjék összecsukódnak egy kicsi, üreges fehérjeskamra mélyedésében, az úgynevezett chaperonéknak. Ha valamit hozzá akarunk adni a fehérje lánchoz, például szénhidrátot vagy lipidszármazékot, akkor ezek a chaperone helyén fordulnak elő. Végül az mRNS-molekulákat a citoplazmatikus enzimek nukleotidokká bontják.

A mitokondriális DNS-nek nincsenek intronjai. A mitokondriumok mindegyike rendelkezik a saját fehérjéinek előállításához szükséges teljes géppel, a magot a DNS biztosítja a többivel.

A fehérjeszintézis szabályozása

A sejten belülről vagy kívülről érkező jelek be- vagy kikapcsolhatják a gének transzkripcióját. Ezt a szabályozást az enzimek osztályának, az úgynevezett transzkripciós faktoroknak az alloszterikus vagy kovalens modulációjával hajtják végre. A promóter régió előtti iniciációs komplex képezi ezeket a tényezőket, és aktiválja vagy elnyomja az iniciációs folyamatot (például a DNS-szálak szétválasztása, az RNS-polimeráz aktiválása).

Fehérje szekréció

A sejtből szekretálódó fehérjék olyan szignálszekvenciával rendelkeznek, amely a granulált endoplazmatikus retikulum felszínén egy specifikus membránfehérjéhez kötődik, és annak lumenébe kerül, amelyen belül a szignálszekvencia eltávolításra kerül, és szénhidrátcsoportok kapcsolódnak (szinte az összes kiválasztott fehérje) glikoproteinek). A retikulum egyes részei leválnak, így a fehérjéket tartalmazó vezikulák képződnek. A vezikulák a Golgi-készülékbe vándorolnak és összeolvadnak a Golgi-membránnal. A Golgiban belül csoportok adhatók hozzá vagy távolíthatók el a fehérjék végső rendeltetési helyétől függően. A fehérjéket ezután vezikulákba csomagolják, amelyek leválnak a Golgi-membrán felszínéről és a plazmamembránhoz jutnak, ahol az exocitózisnak nevezett folyamat révén egyesülnek és felszabadítják tartalmukat az extracelluláris folyadékban.

Genetikai információk replikálása és kifejezése

Minden sejt 44 autoszómával rendelkezik, olyan kromoszómákkal, amelyek olyan géneket tartalmaznak, amelyek előállítják a sejtek szerkezetét és működését szabályozó fehérjéket, valamint 2 nemi kromoszómával, amelyek tartalmazzák a nemet meghatározó géneket. Mindegyik szülő hozzájárul ezen (22) autoszóma és (1) nemi kromoszóma feléhez. Minden autoszómapár homológ génje ugyanazt a fehérjét kódolja.

Valahányszor egy sejt megoszlik, mind a 46 kromoszómát, amelyek mindegyike egy-egy DNS-molekulának felel meg, meg kell szaporítani, és azonos másolatokat kell átadni az új leánysejtekhez. Ezért minden sejtben (a spermiumok és a petesejtek kivételével) azonos a DNS-készlet (és ezért a gének). Mi különbözteti meg az egyik sejtet a másiktól, az a különböző génkészletek differenciális expressziója.

DNS replikáció

A DNS az egyetlen molekula a sejtben, amely képes másolni önmagát, anélkül, hogy valamilyen más sejtkomponens információja származna. A replikáció során a kettős spirál két szála elválik egymástól, és mindegyik exponált szál templátként működik, amelyhez a szabad dezoxiribonukleotid-trifoszfátok bázispárosodnak. Az enzim DNS-polimeráz ezután összekapcsolja a szabad nukleotidokat, és az egyes templátszálakkal komplementer szálat alkot, és két azonos DNS-molekulát alkot.

A replikációban segítséget nyújtó enzimek közvetlenül a szálak elválasztási helye előtt vannak rögzítve a DNS-hez. Annak érdekében, hogy az enzimek lehorgonyzó helyet találjanak, amikor a replikációs folyamat eléri a DNS-molekula terminális szegmensét, a telomeráz nevű enzim egy ismétlődő szekvenciát, úgynevezett telomert ad hozzá a DNS-molekula végéhez. Telomeráz hiányában minden replikáció a DNS-molekula rövidülését eredményezi. A replikáció során az alapsorrendben fellépő esetleges hibákat az úgynevezett korrektúra javítja.

Sejtosztás és sejtciklus

Az egyik osztás vége és a következő osztás kezdete közötti időszakot interfázisnak nevezzük. Egy sejt idejének nagy részét interfázisban tölti, amely tovább osztható:

Gl (1. rés): Az egyik osztás végétől az S fázisig tartó időszak.
S (szintézis): A DNS replikációja a G1 fázis után.
G2 (2. rés): Rövid időköz az S fázis vége és a tényleges sejtosztódás között.

Az M fázis a tényleges sejtosztódás, amely egy mag osztódásból, mitózisból és egy citoplazmatikus osztódásból, citokinezisből áll.

A sejtciklus előrehaladását vezérlő két kritikus ellenőrzési pont a GI - S és a G2 - M határ.

Egyes sejtek, például őssejtek, folyamatosan osztódnak és folyamatosan haladnak az egymást követő sejtciklusokon keresztül, míg egyes sejtek, például az idegsejtek, ritkán osztódnak és töltik idejük nagy részét egy G0 nevű fázisban, amely egy letartóztatott G1, az S-be nem lépve fázis. A Go lehet átmeneti fázis, és a sejtek újból be tudják vezetni az aktív sejtciklust, ha megfelelő jeleket kapnak az enzimek, a sejtosztódási ciklus kinázok (cdc kinázok) és a ciklinek szintézisének nevezett növekedési faktorokból.

Egy DNS-molekula replikációja két azonos láncot eredményez, testvérkromatidákat; a centromérának nevezett ponton egyesültek. Közvetlenül a sejtosztódás előtt 46 kromoszóma van, amelyek mindegyike két kromatidából áll. A magmembrán megszakad, a kromoszómák centromerái összekapcsolódnak a mikrotubulusokból álló orsószálakkal, amelyek a centroszómából kerülnek ki. A centroszóma 2 centriolája megoszlik, és egy pár a sejt ellentétes oldalára mozog.

A testvérkromatidok a centroméránál elválnak és az ellentétes centriolák felé mozognak. A citokinézis végül két részre osztja a sejtet. Az orsószálak feloldódnak, a magmembrán újra megjelenik, és a kromatidák tekercselni.

Mutáció

A DNS-nukleotid-szekvencia bármilyen változása, amelyet mutagéneknek neveznek, és amelyek megszakítják a kémiai kötéseket a DNS-ben, és szegmensek elvesztését vagy beépülését eredményezik. Természetesen előfordul a replikáció során fellépő hibák miatt is.

A mutációk típusai:

Pontmutáció - Az egyetlen alapot egy másik váltja fel. Lehet, hogy megváltoztathatja az aminosav-szekvenciát a genetikai kód redundanciája miatt.
Hozzáadás/törlés - A DNS egész szakaszait hozzáadják vagy törlik, ami egy kód hibás olvasását vagy egy génkészlet elvesztését eredményezi.

A mutációnak nincs hatása, ha:

A mutáció egy intronszegmensen belül történik
A megváltozott aminosav nem befolyásolja a polipeptid szerkezetét és működését
A homológ gén érintetlen és képes intakt fehérjét termelni
Az aminosav külső forrásból nyerhető.

A sperma vagy a petesejt mutációja nem az egyént érinti, hanem az utódokat.

A mutációk a variáció bevezetésével járulhatnak hozzá, amelyek némelyike versenyképesebb lehet.

DNS-javító mechanizmusok

A sejtek számos enzimatikus mechanizmussal rendelkeznek, amelyek képesek helyrehozni egy megváltozott DNS-szálat a sértetlen szál által biztosított templát alapján.

Génállomány

Az allélok ugyanazon gén variánsai. Minden szülőtől minden génhez egy allélt kapnak. Ha mindkét allél megegyezik, akkor az adott gén esetében az egyén homozigóta, ha a kettő különbözik, akkor az egyed heterozigóta. Az egyén allélkészletét genotípusának nevezzük. A genotípusok expresszióját specifikus strukturális és funkcionális formát termelő fehérjékben fenotípusnak nevezzük.

Egy gén minden homológ allélja (kivéve a nemi kromoszómákban található géneket) fehérjévé alakítható. Ha csak az egyik allél aktív és termel karaktert, akkor domináns allélnak nevezzük. Ha mindkét allélnak aktívnak kell lennie egy adott karakter előállításához, ezeket az allélokat recesszíveknek nevezzük.

A genetikai betegség a mutáns gének öröklődéséből származhat, amelyek abnormális szerkezetet vagy működést eredményeznek. A családi hiperkoleszterinémia, cisztás fibrózis, sarlósejtes vérszegénység, hemofília, izomdisztrófia egygénes betegségek. A poligén betegségek több hibás génből származnak, amelyek mindegyikének önmagában kevés hatása van. Ilyenek például a cukorbetegség, a magas vérnyomás és a rák.

A kromoszómabetegségek a kromoszómák egészének vagy részeinek hozzáadásából vagy törléséből származnak a meiózis során. Ilyen például a Down-szindróma vagy a 21-es triszómia, amelyben a petesejtnek van egy extra kópiája a 21-es kromoszómáról.

Rák

A rák genetikai rendellenesség, amely általában nem öröklődik. A szomatikus sejtekben mutációk következnek be. A sejtosztódást szabályozó kontrollrendszer kudarcát eredményezi, és ellenőrizetlen növekedést eredményez.
Az onkogéneknek nevezett domináns ráktermelő gének a sejtfelszíni receptorok kóros formáit kódolják, amelyek megkötik a növekedési faktorokat és folyamatos növekedési jelet produkálnak. A recesszív rákot termelő gének, az úgynevezett tumor szupresszor gének, nem képesek olyan fehérjéket előállítani, amelyek gátolják a sejtek replikációjának különböző lépéseit.
A sejtek rendellenes replikációja daganatnak nevezett szövettömeget képez. Ha ezek a sejtek lokalizálódnak, jóindulatú daganatnak nevezik, ha behatolnak a környező szövetbe, akkor rosszindulatú daganatnak.

A hámsejtekben kialakuló rákokat karcinómának, az izomsejtekben szarkómának, a fehérvérsejtekben limfómának nevezik. A tüdő, a vastagbél és az emlő a leggyakrabban érintett szervek. A rák előfordulása az életkor előrehaladtával növekszik a hibás mutációk felhalmozódása miatt.
Azokat a mutagéneket, amelyek növelik a sejt rákos transzformációjának valószínűségét, karcinogénnek nevezzük.

Génmanipuláció

A DNS-molekula bázisszekvenciájának módosítása bázisok hozzáadásával vagy törlésével. Magában foglalja:

A DNS-szálak vágása meghatározott helyeken, úgynevezett restrikciós helyeken, baktériumenzimekkel, úgynevezett restrikciós nukleázokkal.
A kapott érdekes fragmensek összekapcsolása egy másik DNS-molekulával egy ligáz nevű enzim segítségével.
A DNS egyik szervezetből a másikba történő átvitelének folyamatát transzfekciónak nevezzük, és azt a szervezetet, amelybe ilyen átvitel történt, transzgenikus organizmusnak nevezzük.

A baktériumokat transzfektálhatjuk emberi génekkel, hogy nagy mennyiségű emberi fehérjét állítsunk elő. Bevezeti az intronok nélküli DNS-t, amelyet komplementer DNS-nek (cDNS) neveznek, egy reverz transzkriptáz nevű vírusenzim felhasználásával egy mRNS-templáton. A cDNS-re vonatkozó követelmény abból adódik, hogy a baktérium DNS-nek nincsenek intronjai, és nem az a mechanizmus sem, hogy ezeket összekapcsolják.