Abychom nejen porozuměli významu strukturních znaků buňky, ale také, co je nejdůležitější, porozuměli funkčním funkcím jejích jednotlivých složek a celé buňky jako celku, abychom spojili studium morfologie buňky s hlavní biochemické a genetické rysy její struktury a práce, abychom mohli přesně studovat buňku s pozicemi moderní buněčné biologie, je nutné alespoň stručně připomenout hlavní molekulárně biologické vzorce, ještě jednou krátce odkázat na obsah centrálního dogmatu molekulární biologie.

Buňka jako taková plní mnoho různých funkcí. Jak jsme již řekli, některé z nich jsou obecně buněčné, některé jsou speciální, charakteristické pro zvláštní typy buněk. Hlavními pracovními mechanismy pro tyto funkce jsou proteiny nebo jejich komplexy s jinými biologickými makromolekulami, jako jsou nukleové kyseliny, lipidy a polysacharidy. Například je známo, že procesy transportu různých látek v buňce, od iontů po makromolekuly, jsou určovány prací speciálních proteinů nebo lipoproteinových komplexů, které jsou součástí plazmy a dalších buněčné membrány. Téměř všechny procesy syntézy, rozpadu, přeskupování různých proteinů, nukleové kyseliny lipidy, sacharidy vznikají jako výsledek aktivity proteinových enzymů specifických pro každou jednotlivou reakci. Syntézy jednotlivých biologických monomerů, nukleotidů, aminokyselin, mastné kyseliny, cukry a další sloučeniny jsou také prováděny obrovským množstvím specifických enzymů - bílkovin. Kontrakce, která vede k buněčné pohyblivosti nebo k pohybu látek a struktur uvnitř buněk, je také prováděna speciálními kontraktilními proteiny. Mnoho buněčných reakcí v reakci na vnější faktory (viry, hormony, cizí proteiny atd.) začíná interakcí těchto faktorů se speciálními buněčnými receptorovými proteiny.

Proteiny jsou hlavní složkou téměř všech buněčných struktur. hromada chemické reakce uvnitř buňky je určeno mnoha enzymy, z nichž každý vede jednu nebo více samostatných reakcí. Struktura každého jednotlivého proteinu je přísně specifická, což se projevuje ve specifičnosti jejich primární struktury - v sekvenci aminokyselin podél polypeptidového, proteinového řetězce. Navíc specifičnost této aminokyselinové sekvence se neomylně opakuje ve všech molekulách tohoto buněčného proteinu.

Taková správnost reprodukce jednoznačné sekvence aminokyselin v proteinovém řetězci je určena strukturou DNA této genové oblasti, která je v konečném důsledku zodpovědná za strukturu a syntézu tohoto proteinu. Tyto myšlenky slouží jako hlavní postulát molekulární biologie, její „dogma“. Informace o budoucí molekule proteinu je přenášena do míst její syntézy (do ribozomů) prostředníkem - messenger RNA (mRNA), jejíž nukleotidové složení odráží složení a sekvenci nukleotidů oblasti genu DNA. V ribozomu je vybudován polypeptidový řetězec, jehož sekvence aminokyselin je určena sekvencí nukleotidů v mRNA, sekvencí jejich tripletů. Ústřední dogma molekulární biologie tedy zdůrazňuje jednosměrný přenos informace: pouze z DNA do proteinu pomocí meziproduktu – mRNA (DNA → mRNA → protein). U některých virů obsahujících RNA může řetězec přenosu informace sledovat schéma RNA → mRNA → protein. To nic nemění na podstatě věci, protože určujícím článkem je zde také nukleová kyselina. Reverzní cesty stanovení od proteinu k nukleové kyselině, k DNA nebo RNA nejsou známy.

Abychom postoupili dále ke studiu buněčných struktur spojených se všemi fázemi syntézy proteinů, musíme se krátce zastavit u hlavních procesů a složek, které určují tento jev.

V současné době na základě současné myšlenky o biosyntéze proteinů můžeme uvést následující obecný schematický diagram tohoto složitého a vícestupňového procesu (obr. 16).

Hlavní, „velitelská“ role při určování specifické struktury bílkovin patří deoxyribonukleové kyselině – DNA. Molekula DNA je extrémně dlouhá lineární struktura sestávající ze dvou propletených polymerních řetězců. Základními prvky - monomery - těchto řetězců jsou čtyři typy deoxyribonukleotidů, jejichž střídání nebo sekvence podél řetězce je jedinečná a specifická pro každou molekulu DNA a každý její úsek. Různé dostatečně dlouhé úseky molekuly DNA jsou zodpovědné za syntézu různých proteinů. Jedna molekula DNA tedy může určit syntézu velký počet funkčně a chemicky odlišné buněčné proteiny. Za syntézu každého jednoho typu proteinu je zodpovědná pouze určitá část molekuly DNA. Taková oblast molekuly DNA, spojená se syntézou jednoho konkrétního proteinu v buňce, je často označována termínem "cistron". V současné době je pojem cistron považován za ekvivalent pojmu gen. Jedinečná struktura genu – v určitém sekvenčním uspořádání jeho nukleotidů podél řetězce – obsahuje všechny informace o struktuře jednoho odpovídajícího proteinu.

Z obecné schéma syntézy proteinů, je vidět (viz obr. 16), že výchozím bodem, ze kterého začíná tok informací pro biosyntézu proteinů v buňce, je DNA. V důsledku toho je to DNA, která obsahuje primární záznam informací, který musí být zachován a reprodukován z buňky na buňku, z generace na generaci.

Stručně se věnuje problematice skladování genetické informace, tj. o lokalizaci DNA v buňce můžeme říci následující. Již dlouho je známo, že na rozdíl od všech ostatních součástí aparátu syntetizujícího proteiny má DNA zvláštní, velmi omezenou lokalizaci: její umístění v buňkách vyšších (eukaryotických) organismů bude buněčné jádro. U nižších (prokaryotických) organismů, které nemají dobře vytvořené buněčné jádro, dochází také ke smíchání DNA ze zbytku protoplazmy ve formě jednoho nebo více kompaktních nukleotidových útvarů. V plném souladu s tím bylo jádro eukaryot nebo nukleoid prokaryot dlouho považováno za schránku pro geny, za jedinečnou buněčnou organelu, která řídí realizaci dědičných znaků organismů a jejich přenos v generacích.

Hlavním principem makromolekulární struktury DNA je tzv. princip komplementarity (obr. 17). Jak již bylo zmíněno, molekula DNA se skládá ze dvou propletených řetězců. Tyto řetězce jsou navzájem spojeny prostřednictvím interakce jejich opačných nukleotidů. Přitom ze strukturálních důvodů je existence takové dvouvláknové struktury možná pouze tehdy, jsou-li opačné nukleotidy obou řetězců stericky komplementární, tzn. bude jejich prostorová struktura vzájemně se doplňují. Takové komplementární - komplementární - páry nukleotidů jsou pár A-T(adenin-thymin) a dvojice G-C (guanin-cytosin).

Pokud tedy podle tohoto principu komplementarity máme v jednom řetězci molekuly DNA určitou sekvenci čtyř typů nukleotidů, pak ve druhém řetězci bude sekvence nukleotidů jednoznačně určena, takže každé A prvního řetězce bude odpovídat T ve druhém řetězci, každý T prvního řetězce - A ve druhém řetězci, každý G prvního řetězce - C ve druhém řetězci a každý C prvního řetězce - G ve druhém řetězci.

Tento strukturální princip, který je základem dvouvláknové struktury molekuly DNA, umožňuje snadno pochopit přesnou reprodukci původní struktury, tzn. přesná reprodukce informace zaznamenané v řetězcích molekuly ve formě specifické sekvence čtyř typů nukleotidů. K syntéze nových molekul DNA v buňce skutečně dochází pouze na základě existujících molekul DNA. V tomto případě se dva řetězce původní molekuly DNA začnou rozcházet z jednoho z konců a na každém z oddělených jednořetězcových úseků se druhý řetězec začne skládat z volných nukleotidů přítomných v médiu v přísném souladu s princip komplementarity. Pokračuje proces divergence dvou řetězců původní molekuly DNA a podle toho jsou oba řetězce doplněny řetězci komplementárními. V důsledku toho (jak je vidět na obr. 17) se místo jedné molekuly DNA objevují dvě molekuly DNA, přesně totožné s původní. V každé výsledné „dceřiné“ molekule DNA je jeden řetězec zcela odvozen od původního a druhý je nově syntetizován.

Je třeba zdůraznit, že potenciál pro přesnou reprodukci je vlastní dvouvláknové komplementární struktuře DNA jako takové a její objev je samozřejmě jedním z hlavních úspěchů biologie.

Problém reprodukce (reduplikace) DNA se však neomezuje na konstatování potenciální schopnosti její struktury přesně reprodukovat vlastní nukleotidová sekvence. Faktem je, že samotná DNA vůbec není samoreprodukující se molekula. Pro realizaci procesu syntézy - reprodukce DNA podle výše popsaného schématu - je nezbytná aktivita speciálního enzymatického komplexu zvaného DNA polymeráza. Je to tento enzym, který postupně postupuje od jednoho konce molekuly DNA k druhému, procesem separace dvou řetězců se současnou polymerací volných nukleotidů na nich podle komplementárního principu. DNA tedy jako matrice pouze určuje pořadí nukleotidů v syntetizovaných řetězcích a samotný proces provádí protein. Práce enzymu při replikaci DNA je v současnosti jedním z nejzajímavějších problémů. Je pravděpodobné, že DNA polymeráza se aktivně plazí podél dvouvláknové molekuly DNA z jednoho konce na druhý a zanechává za ní rozeklaný zdvojený „ocásek“. Fyzikální principy takové práce tohoto proteinu nejsou dosud jasné.

DNA a její jednotlivé funkční oblasti, které nesou informace o struktuře proteinů, se však samy o sobě přímo neúčastní procesu tvorby molekul proteinů. Prvním krokem k realizaci této informace zaznamenané ve vláknech DNA je takzvaný proces transkripce neboli „přepisování“. V tomto procesu se na jednom řetězci DNA, jako na matrici, syntetizuje chemicky příbuzný polymer, ribonukleová kyselina (RNA). Molekula RNA je jednoduchý řetězec, jehož monomery jsou čtyři druhy ribonukleotidů, které jsou považovány za mírnou modifikaci čtyř druhů deoxyribonukleotidů DNA. Sekvence uspořádání čtyř typů ribonukleotidů ve výsledném řetězci RNA přesně opakuje pořadí uspořádání odpovídajících deoxyribonukleotidů jednoho ze dvou řetězců DNA. Takto se zkopíruje nukleotidová sekvence genů ve formě molekul RNA, tzn. informace zaznamenaná ve struktuře daného genu se kompletně zkopíruje do RNA. Z každého genu lze odstranit velké, teoreticky neomezené množství takových „kopií“ – molekul RNA. Tyto molekuly, přepsané v mnoha kopiích jako "kopie" genů, a tudíž nesoucí stejnou informaci jako geny, se rozptýlí po celé buňce. Již přímo vstupují do komunikace s částicemi buňky syntetizujícími bílkoviny a „osobně“ se účastní procesů tvorby molekul bílkovin. Jinými slovy, přenášejí informace z místa, kde jsou uloženy, do míst, kde jsou realizovány. V souladu s tím jsou tyto RNA označovány jako messenger (mRNA) nebo messenger (mRNA).

Bylo zjištěno, že řetězec mRNA je syntetizován přímo s použitím odpovídající oblasti DNA jako templátu. Syntetizovaný řetězec mRNA přesně kopíruje jeden ze dvou řetězců DNA ve své nukleotidové sekvenci (za předpokladu, že uracil (U) v RNA odpovídá jeho derivátu thyminu (T) v DNA). K tomu dochází na základě stejného strukturálního principu komplementarity, který určuje reduplikaci DNA (obr. 18). Ukázalo se, že když je mRNA syntetizována na DNA v buňce, je jako templát pro tvorbu řetězce mRNA použit pouze jeden řetězec DNA. Potom každý G tohoto řetězce DNA bude odpovídat C v řetězci RNA ve výstavbě, každý C řetězce DNA - G v řetězci RNA, každý T řetězce DNA - A v řetězci RNA a každý A řetězce DNA - Y v řetězci RNA. Výsledkem je, že výsledný řetězec RNA bude přísně komplementární k řetězci templátu DNA, a proto bude identický v nukleotidové sekvenci (za předpokladu T = Y) s druhým řetězcem DNA. Informace se tedy „přepisují“ z DNA na RNA, tzn. transkripce. „Přepsané“ kombinace nukleotidů v řetězci RNA již přímo určují uspořádání jimi kódovaných odpovídajících aminokyselin v proteinovém řetězci.

Zde, stejně jako v případě reduplikace DNA, musí být jedním z nejvýznamnějších aspektů procesu transkripce její enzymatický charakter. DNA, která je v tomto procesu templátem, zcela určuje uspořádání nukleotidů v syntetizovaném řetězci mRNA, veškerou specifičnost výsledné RNA, ale samotný proces provádí speciální protein - enzym. Tento enzym se nazývá RNA polymeráza. Jeho molekula má složitou organizaci, která mu umožňuje aktivně se pohybovat po molekule DNA a současně syntetizovat řetězec RNA komplementární k jednomu z řetězců DNA. Molekula DNA, která slouží jako matrice, se nespotřebovává a nemění, zůstává ve své původní podobě a vždy připravena k takovému přepsání z ní neomezeného počtu „kopií“ – mRNA. Tok těchto mRNA z DNA do ribozomů představuje tok informací, který zajišťuje naprogramování proteinového syntetizujícího aparátu buňky, celku jejích ribozomů.

Uvažovaná část schématu tedy popisuje tok informací z DNA ve formě molekul mRNA k intracelulárním částicím syntetizujícím proteiny. Nyní přejdeme k jinému druhu proudění – k proudění materiálu, ze kterého musí být protein vytvořen. Elementárními jednotkami - monomery - molekuly proteinu jsou aminokyseliny, kterých je asi 20. Pro vytvoření (syntézu) molekuly proteinu se volné aminokyseliny přítomné v buňce musí zapojit do odpovídajícího toku vstupujícího do proteinu syntetizujícího. částice a již tam jsou uspořádány v řetězci určitým jedinečným způsobem diktovaným messengerovou RNA. Toto zapojení aminokyselin stavební materiál k vytvoření proteinu - se provádí navázáním volných aminokyselin na speciální molekuly RNA o relativně malé velikosti. Tyto RNA, které slouží k navázání volných aminokyselin na ně, přitom nejsou informační, mají jinou – adaptorovou – funkci, jejíž význam uvidíme později. Aminokyseliny jsou připojeny k jednomu konci malých řetězců transferové RNA (tRNA), jedna aminokyselina na molekulu RNA. Pro každou takovou aminokyselinu v buňce existují specifické adaptorové molekuly RNA, které připojují pouze tyto aminokyseliny. V takové formě zavěšené na RNA vstupují aminokyseliny do částic syntetizujících proteiny.

Ústředním momentem procesu biosyntézy proteinů je fúze těchto dvou intracelulárních toků - toku informací a toku materiálu - v částicích buňky syntetizujících protein. Tyto částice se nazývají ribozomy. Ribozomy jsou ultramikroskopické biochemické „stroje“ molekulárních rozměrů, kde se z příchozích aminokyselinových zbytků sestavují specifické proteiny podle plánu obsaženého v messenger RNA. Ačkoli na Obr. 19 ukazuje pouze jednu částici, každá buňka bude obsahovat tisíce ribsomů. Počet ribozomů určuje celkovou intenzitu syntézy bílkovin v buňce. Průměr jedné ribozomální částice je asi 20 nm. Svým způsobem chemická povaha ribozom - ribonukleoprotein: skládá se ze speciální ribozomální RNA (jedná se o třetí nám známou třídu RNA vedle informační a adaptorové RNA) a strukturních molekul ribozomálních proteinů. Tato kombinace několika desítek makromolekul tvoří dohromady ideálně organizovaný a spolehlivý „stroj“, který má schopnost číst informace obsažené v řetězci mRNA a realizovat je ve formě hotové molekuly proteinu specifické struktury. Jelikož podstatou procesu je, že lineární uspořádání 20 různých aminokyselin v proteinovém řetězci je jednoznačně určeno uspořádáním čtyř různých nukleotidů v řetězci chemicky zcela odlišného polymeru – nukleové kyseliny (mRNA), tento proces, který se vyskytuje v ribozomu, je běžně označován jako "translace" nebo "translace" - translace, jak to bylo, ze čtyřpísmenné abecedy řetězců nukleových kyselin do dvacetipísmenné abecedy proteinových (polypeptidových) řetězců. Jak vidíte, do procesu překladu se zapojují všichni tři. slavná třída RNA: messenger RNA, která je předmětem translace; ribozomální RNA, která hraje roli organizátora ribonukleoproteinové částice syntetizující protein – ribozomu; a adaptorové RNA, které plní funkci překladatele.

Rýže. 19. Schéma funkčního ribozomu

Proces syntézy proteinů začíná tvorbou aminokyselinových sloučenin s adaptorovými molekulami RNA neboli tRNA. V tomto případě nejprve dochází k energetické „aktivaci“ aminokyseliny díky její enzymatické reakci s molekulou adenosintrifosfátu (ATP) a poté je „aktivovaná“ aminokyselina připojena na konec relativně krátkého řetězce tRNA, zatímco přírůstek chemické energie aktivované aminokyseliny je uložen ve formě energie chemická vazba mezi aminokyselinami a tRNA.

Zároveň je vyřešen druhý úkol. Faktem je, že reakci mezi aminokyselinou a molekulou tRNA provádí enzym označovaný jako aminoacyl-tRNA syntetáza. Každá z 20 aminokyselin má své speciální enzymy, které provádějí reakci za účasti pouze této aminokyseliny. Existuje tedy alespoň 20 enzymů (aminoacyl-tRNA syntetáza), z nichž každý je specifický pro jednu konkrétní aminokyselinu. Každý z těchto enzymů nemůže reagovat s žádnou molekulou tRNA, ale pouze s těmi, které ve svém řetězci nesou přesně definovanou kombinaci nukleotidů. Díky existenci sady takových specifických enzymů, které rozlišují na jedné straně povahu aminokyseliny a na druhé straně nukleotidovou sekvenci tRNA, je každá z 20 aminokyselin „přiřazena“ pouze na určité tRNA s danou charakteristickou kombinací nukleotidů.

Schematicky jsou některé momenty procesu biosyntézy proteinů, pokud je dnes prezentujeme, uvedeny na Obr. 19. Zde je především vidět, že molekula messenger RNA je spojena s ribozomem, nebo, jak se říká, ribozom je „naprogramován“ messenger RNA. Přímo v samotném ribozomu se v každém okamžiku nachází pouze relativně krátký segment řetězce mRNA. Ale je to tento segment, za účasti ribozomu, který může interagovat s adaptorovými molekulami RNA. Zde opět hraje hlavní roli princip komplementarity.

To je vysvětlení mechanismu, proč daný triplet řetězce mRNA odpovídá přesně definované aminokyselině. Adaptérová RNA (tRNA) je nezbytný mezičlánek neboli adaptor, kdy každá aminokyselina „rozpoznává“ svůj triplet na mRNA.

Na Obr. Obrázek 19 ukazuje, že kromě molekuly tRNA s připojenou aminokyselinou je v ribozomu ještě jedna molekula tRNA. Ale na rozdíl od molekuly tRNA diskutované výše je tato molekula tRNA připojena svým koncem ke konci proteinového (polypeptidového) řetězce, který je v procesu syntézy. Tato poloha odráží dynamiku událostí probíhajících v ribozomu během syntézy molekuly proteinu. Tuto dynamiku si lze představit následovně. Začněme nějakým mezilehlým bodem, znázorněným na obr. 19 a je charakterizována přítomností proteinového řetězce, který se již začal budovat, na něj navázaná tRNA a která právě vstoupila do ribozomu a asociovala se s tripletem nové molekuly tRNA s odpovídající aminokyselinou. Zřejmě samotný akt připojení molekuly tRNA na triplet mRNA umístěný v daném místě ribozomu vede k takové vzájemné orientaci a těsnému kontaktu mezi zbytkem aminokyseliny a budovaným proteinovým řetězcem, že kovalentní vazba. Ke spojení dochází tak, že konec budovaného proteinového řetězce (na obr. 19 připojený k tRNA) je přenesen z této tRNA na aminokyselinový zbytek příchozí aminoacyl-tRNA. V důsledku toho bude „správná“ tRNA, která hrála roli „dárce“, volná a proteinový řetězec- převedena na "akceptor", tzn. na "levé" (příchozí) aminoacyl-tRNA. V důsledku toho bude proteinový řetězec prodloužen o jednu aminokyselinu a připojen k "levé" tRNA. Následuje přesun „levé“ tRNA spolu s tripletem nukleotidů mRNA s ní spojeným doprava, poté se odtud vytěsní bývalá „dárcovská“ molekula tRNA a opustí ribozomy. Na jejím místě se objeví nová tRNA s rozestavěným proteinovým řetězcem, rozšířeným o jeden aminokyselinový zbytek a řetězec mRNA bude posunut o jeden triplet doprava vzhledem k ribozomu. V důsledku posunutí řetězce mRNA o jeden triplet doprava se v ribozomu objeví další prázdný triplet (UUU) a k němu se podle komplementárního principu okamžitě připojí odpovídající tRNA s aminokyselinou (fenylalanyl-tRNA). To opět způsobí vznik kovalentní (peptidové) vazby mezi budovaným proteinovým řetězcem a fenylalaninovým zbytkem a poté se řetězec mRNA posune o jeden triplet doprava se všemi z toho vyplývajícími důsledky atd. Tímto způsobem je postupně, triplet po tripletu, řetězec informační RNA tažen přes ribozom, v důsledku čehož je řetězec mRNA „čten“ ribozomem jako celkem, od začátku do konce. Současně a ve spojení s tím dochází k postupnému hromadění proteinového řetězce aminokyselinou po aminokyselině. V souladu s tím molekuly tRNA s aminokyselinami vstupují do ribozomu jedna po druhé a molekuly tRNA bez aminokyselin vystupují. Volné molekuly tRNA, které se ocitnou v roztoku mimo ribozom, se opět spojí s aminokyselinami a znovu je přenesou do ribozomu, takže samy cyklicky cirkulují bez destrukce a změny.

Informace obsažené v biologických sekvencích

Biopolymery jsou (biologické) polymery syntetizované živými bytostmi. DNA, RNA a proteiny jsou lineární polymery, to znamená, že každý monomer, který obsahují, se kombinuje s alespoň dvěma dalšími monomery. Sekvence monomerů kóduje informace, jejichž pravidla přenosu popisuje centrální dogma. Informace jsou přenášeny s vysokou přesností, deterministicky a jeden biopolymer se používá jako šablona pro sestavení dalšího polymeru se sekvencí, která je zcela určena sekvencí prvního polymeru.

Univerzální způsoby přenosu biologických informací

V živých organismech existují tři typy heterogenních, to znamená, že se skládají z různých polymerních monomerů - DNA, RNA a proteinu. Přenos informací mezi nimi lze provést 3 × 3 = 9 způsoby. Centrální dogma rozděluje těchto 9 typů přenosu informací do tří skupin:

• Obecný – nachází se ve většině živých organismů;
• Speciální - nachází se výjimečně ve virech a v mobilních prvcích genomu nebo v podmínkách biologického experimentu;
• Neznámý – nenalezen.

replikace DNA (DNA → DNA)

DNA je hlavním způsobem přenosu informací mezi generacemi živých organismů, proto je velmi důležitá přesná duplikace (replikace) DNA. Replikace je prováděna komplexem proteinů, které odvíjejí chromatin a poté dvojitou šroubovici. Poté DNA polymeráza a její přidružené proteiny vytvoří identickou kopii na každém ze dvou vláken.

Transkripce (DNA → RNA)

Transkripce je biologický proces, v jehož důsledku se informace obsažené v segmentu DNA zkopírují na syntetizovanou molekulu mRNA. Transkripce je prováděna transkripčními faktory a RNA polymerázou. V eukaryotické buňce se často upravuje primární transkript (pre-mRNA). Tento proces se nazývá spojování.

Schematický diagram realizace genetické informace u pro- a eukaryot.
PROKARYOTA. U prokaryot není syntéza proteinů ribozomem (translace) prostorově oddělena od transkripce a může nastat ještě před dokončením syntézy mRNA pomocí RNA polymerázy. Prokaryotické mRNA jsou často polycistronické, což znamená, že obsahují několik nezávislých genů.
EUKARYOTY. eukaryotická mRNA je syntetizována jako prekurzor, pre-mRNA, která následně prochází složitým etapovitým zráním - zpracováním, včetně připojení cap struktury na 5" konec molekuly, připojení několika desítek adeninových zbytků na její 3" konec (polyadenylaci), štěpení nevýznamných úseků - intronů a vzájemné spojení významných úseků - exonů (sestřih). V tomto případě může dojít ke spojení exonů stejné pre-mRNA různé způsoby, což vede k tvorbě různých zralých mRNA a nakonec různých proteinových variant (alternativní sestřih). Pouze úspěšně zpracovaná mRNA je exportována z jádra do cytoplazmy a zapojena do translace.

Translace (RNA → protein)

Replikace RNA (RNA → RNA)

Replikace RNA - kopírování řetězce RNA na jeho komplementární řetězec RNA pomocí enzymu RNA-dependentní RNA polymerázy. Viry obsahující jednovláknovou (například pikornaviry, mezi které patří virus slintavky a kulhavky) nebo dvouvláknovou RNA se replikují podobným způsobem.

Přímá translace proteinu na templátu DNA (DNA → protein)

Živá translace byla prokázána v buněčných extraktech E. coli, které obsahovaly ribozomy, ale žádnou mRNA. Takové extrakty syntetizovaly proteiny z DNA zavedené do systému a antibiotikum neomycin tento účinek zesílilo.

Epigenetické změny

Epigenetické změny jsou změny v expresi genů, které nejsou způsobeny změnami genetické informace (mutacemi). Epigenetické změny nastávají v důsledku modifikace úrovně genové exprese, tedy jejich transkripce a/nebo translace. Nejstudovanějším typem epigenetické regulace je metylace DNA pomocí proteinů DNA metyltransferázy, která vede k dočasné, na životě závislé inaktivaci metylovaného genu. Protože se však primární struktura molekuly DNA nemění, nelze tuto výjimku považovat za skutečný příklad přenosu informace z proteinu do DNA.

priony

Priony jsou proteiny, které existují ve dvou formách. Jedna z forem (konformací) proteinu je funkční, obvykle rozpustná ve vodě. Druhá forma tvoří ve vodě nerozpustné agregáty, často ve formě trubic z molekulárního polymeru. Monomer - molekula proteinu - v této konformaci je schopen se spojit s jinými podobnými molekulami proteinu a převést je na druhou, prionovou konformaci. U hub mohou být takové molekuly zděděny. Ale stejně jako v případě methylace DNA zůstává primární struktura proteinu v tomto případě stejná a nedochází k přenosu informace na nukleové kyseliny.

Historie pojmu "dogma"

původní text(Angličtina)

Myslel jsem si, že dogma je myšlenka, pro kterou neexistují žádné rozumné důkazy. Vidíš?!" A Crick zařval radostí. "Jen jsem nevěděl, co znamená dogma. A stejně dobře jsem to mohl nazvat "Centrální hypotéza" nebo - víš. Což jsem chtěl říct říkají, že dogma byla jen fráze

Crick navíc ve své autobiografické knize What a Mad Pursuit napsal o volbě slova „dogma“ a problémech, které tato volba způsobila:

„Tuto myšlenku jsem nazval centrálním dogmatem, tuším, ze dvou důvodů. Slovo hypotéza jsem již použil v sekvenční hypotéze, kromě toho jsem chtěl naznačit, že tento nový předpoklad je centrálnější a silnější... Jak se ukazuje, použití termínu dogma způsobilo více problémů, než stálo za to... Mnoho po letech mi Jacques Monod řekl, že zjevně nerozumím tomu, co je míněno slovem dogma, což znamená část víry, která nepodléhá pochybnostem. Měl jsem nejasné obavy z tohoto významu toho slova, ale protože jsem věřil, že všechna náboženská přesvědčení nemají žádný základ, použil jsem slovo tak, jak jsem mu rozuměl, a ne většina ostatních lidí, aplikoval jsem ho na grandiózní hypotézu, že navzdory důvěře inspirovaný, byl založen na malém množství přímých experimentálních dat.

původní text(Angličtina)

Nazval jsem tuto myšlenku ústředním dogmatem, mám podezření ze dvou důvodů. Již jsem použil zřejmé slovo hypotéza v sekvenční hypotéze a navíc jsem chtěl naznačit, že tento nový předpoklad je centrálnější a silnější. ... Jak se ukázalo, použití slova dogma způsobilo téměř více problémů, než stálo za to... O mnoho let později mě Jacques Monod upozornil na to, že jsem zřejmě nerozuměl a správné použití slova dogma, což je přesvědčení, o kterém nelze pochybovat. Chápal jsem to vágním způsobem, ale protože jsem si myslel, že všechna náboženská přesvědčení jsou neopodstatněná, použil jsem to slovo tak, jak jsem si o něm sám myslel, ne jako většina světa, a jednoduše jsem ho použil na velkou hypotézu. který, jakkoli věrohodný, měl malou přímou experimentální podporu.

viz také

Poznámky

Odkazy

1. B. J. McCarthy, J. J. Holland. Denaturovaná DNA jako přímá šablona pro in vitro Proteosyntéza // PNAS. - 1965. - T. 54. - S. 880-886.
2. Werner, E. Sémantika genomu, mnohobuněčné systémy In Silico a centrální dogma // FEBS dopisy. - 2005. - V. 579. - S. 1779-1782. PMID 15763551
3. Horace Freeland Judson. Kapitola 6: Myslel jsem, že dogma je myšlenka, pro kterou neexistují žádné rozumné důkazy. Vidíš?! // Osmý den stvoření: Tvůrci revoluce v biologii (25. výročí). - 1996.

Centrální dogma molekulární biologie

Struktura buněčného jádra

Frakcionace buněk.Dnes frakcionace umožňuje získat téměř jakékoliv buněčné organely a struktury: jádra, jadérka, chromatin, jaderné membrány, plazmatickou membránu, vakuoly endoplazmatického retikula atd.

Speciální metody

Před získáním buněčných frakcí jsou buňky zničeny homogenizací. Dále se z homogenátů izolují frakce. Separační centrifugace je hlavní metodou pro izolaci buněčných struktur. Vychází z toho, že těžší částice se rychleji usazují na dně zkumavky odstředivky.

Při nízkých zrychleních (1-3 tis.g) se jádra a neporušené buňky usazují dříve, při 15-30 tis.g se větší částice nebo makrosomy, skládající se z mitochondrií, malých plastidů, peroxisomů, lysozomů atd., usazují při 50 tis.g , usazují se mikrozomy, fragmenty vakuolárního systému buňky. Při opětovném odstředění smíšených dílčích frakcí se izolují čisté frakce. Pro jemnější separaci frakcí se používá centrifugace v hustotním gradientu sacharózy. Získávání jednotlivých buněčných složek umožňuje studovat jejich biochemii a funkční vlastnosti, tvořit bezbuněčné systémy, např. pro ribozomy, které mohou syntetizovat protein podle messenger RNA specifikované experimentátorem, nebo pro znovuvytvoření buněčných supramolekulárních struktur.
Hostováno na ref.rf
Takové umělé systémy pomáhají studovat jemné procesy probíhající v buňce.

Metoda buněčné inženýrství. Po speciální úpravě se mohou různé živé buňky vzájemně sloučit a vytvořit binukleární buňku nebo heterokaryon. Heterokaryony, zejména ty, které se tvoří z blízce příbuzných buněk (například myší a křečků), mohou vstoupit do mitózy a dát vznik skutečným hybridním buňkám. Jiné techniky umožňují konstruovat buňky z jader a cytoplazmy různého původu.

Buněčné inženýrství je dnes široce využíváno nejen v experimentální biologii, ale také v biotechnologii. Například při získávání monoklonálních protilátek.

Buňka má obrovské množství různorodých funkcí, hlavními pracovními mechanismy pro provádění těchto funkcí jsou proteiny nebo jejich komplexy s jinými biologickými makromolekulami. Téměř všechny procesy syntézy, rozpadu, přeskupení různých proteinů, nukleových kyselin, lipidů, sacharidů probíhají za účasti enzymových proteinů. Kontrakce, která vede k buněčné pohyblivosti nebo k pohybu látek a struktur uvnitř buněk, je také prováděna speciálními kontraktilními proteiny. Mnoho buněčných reakcí v reakci na vnější faktory (viry, hormony, cizí proteiny atd.) začíná interakcí těchto faktorů se speciálními buněčnými receptorovými proteiny.

Proteiny jsou hlavní složkou téměř všech buněčných struktur.
Hostováno na ref.rf
Struktura každého jednotlivého proteinu je přísně specifická, což se projevuje ve specifičnosti jejich primární struktury - v sekvenci aminokyselin podél polypeptidového, proteinového řetězce. Taková správnost reprodukce jednoznačné sekvence aminokyselin v proteinovém řetězci je určena strukturou DNA této genové oblasti, která je v konečném důsledku zodpovědná za strukturu a syntézu tohoto proteinu. Tato pozice je hlavním postulátem molekulární biologie nebo jejího ʼʼdogmaʼʼ. Centrální dogma navíc zdůrazňuje jednosměrný přenos informací: pouze z DNA do proteinu (protein DNA ® mRNA ® ) a popírá zpětné cesty – od proteinu k nukleové kyselině.

Na základě současných znalostí je biosyntéza proteinů následující schematický diagram.

hlavní roli při určování specifické struktury proteinů náleží DNA. Molekula DNA, sestávající ze dvou propletených polymerních řetězců, je lineární struktura, jejíž monomery jsou čtyři typy deoxyribonukleotidů, jejichž střídání nebo sekvence podél řetězce je jedinečná a specifická pro každou molekulu DNA a každý její úsek. Za syntézu každého proteinu je zodpovědná specifická oblast molekuly DNA. Úsek molekuly DNA, který obsahuje všechny informace o struktuře jednoho odpovídajícího proteinu. zvaný cistron. Dnes je pojem cistron považován za ekvivalent pojmu gen.

Je známo, že na rozdíl od jiných složek aparátu syntetizujícího proteiny je umístěním DNA eukaryotických organismů v buňkách buněčné jádro. U nižších (prokaryotických) organismů, které nemají dobře utvořené buněčné jádro, dochází také k oddělení DNA od zbytku protoplazmy ve formě jednoho nebo více kompaktních nukleotidů.

Základem makromolekulární struktury DNA je takzvaný princip komplementarity. Znamená to, že opačné nukleotidy dvou propletených řetězců DNA se svou prostorovou strukturou doplňují. Takovými komplementárními - komplementárními - nukleotidovými páry jsou pár A-T (adenin-thymin) a pár G-C (guanin-cytosin).

Syntéza nových molekul DNA v buňce probíhá pouze na základě existujících molekul DNA. V tomto případě se dva řetězce původní molekuly DNA začnou rozcházet z jednoho z konců a na každém z oddělených jednořetězcových úseků se druhý řetězec začne skládat z volných nukleotidů přítomných v médiu v přísném souladu s princip komplementarity. V každé „dceřiné“ molekule DNA je jeden řetězec zcela odvozen od původního a druhý je nově syntetizován.

Je třeba zdůraznit, že potenciál pro přesnou reprodukci je vlastní dvouřetězcové komplementární struktuře samotné DNA a její objev je jedním z hlavních úspěchů biologie.

K provedení procesu syntézy - reprodukce DNA podle výše popsaného schématu je nezbytná aktivita speciálního enzymu nazývaného DNA polymeráza. Je to tento enzym, který postupně postupuje od jednoho konce molekuly DNA k druhému, procesem separace dvou řetězců se současnou polymerací volných nukleotidů na nich podle komplementárního principu.

V důsledku toho DNA, stejně jako matrice, pouze určuje pořadí nukleotidů v syntetizovaných řetězcích a samotný proces je prováděn proteinem. DNA a její jednotlivé funkční oblasti, které nesou informace o struktuře bílkovin, se samy o sobě přímo nepodílejí na procesu tvorby molekul bílkovin. Prvním krokem k realizaci těchto informací je takzvaný proces transkripce neboli ʼʼpřepisováníʼʼ. V tomto procesu se na řetězci DNA, jako na matrici, syntetizuje chemicky příbuzný polymer, ribonukleová kyselina (RNA). Molekula RNA je jeden řetězec, jehož monomery jsou čtyři typy ribonukleotidů. Sekvence uspořádání čtyř typů ribonukleotidů ve výsledném řetězci RNA přesně opakuje pořadí uspořádání odpovídajících deoxyribonukleotidů jednoho ze dvou řetězců DNA. Díky tomu se informace zaznamenané ve struktuře tohoto genu zcela zkopírují do RNA. Z každého genu lze odstranit teoreticky neomezený počet ʼʼkopiíʼʼ – molekul RNA. Molekuly RNA vstupují do komunikace s částicemi buňky syntetizujícími bílkoviny a přímo se podílejí na syntéze molekul bílkovin. Jinými slovy přenášejí informace z míst jejího uložení do míst její realizace. Proto se tyto RNA označují jako messenger nebo messenger RNA, zkráceně mRNA nebo mRNA.

Syntetizovaný řetězec messenger RNA přímo používá odpovídající oblast DNA jako templát. V tomto případě syntetizovaný řetězec mRNA přesně kopíruje jeden ze dvou řetězců DNA ve své nukleotidové sekvenci (uracil (U) v RNA odpovídá jeho derivátu thyminu (T) v DNA). Vše se děje na základě stejného principu komplementarity, který určuje reduplikaci DNA. V důsledku toho dochází k ʼʼpřepisuʼʼ neboli přepisu informace z DNA do RNA. ʼʼPřepsanéʼʼ kombinace RNA nukleotidů již přímo určují uspořádání jimi kódovaných aminokyselin v proteinovém řetězci.

Jak se nyní vyrábí protein? Je známo, že typy monomerů molekuly proteinu jsou aminokyseliny, kterých existuje 20 různých odrůd. Pro každý typ aminokyseliny v buňce existují specifické adaptorové molekuly RNA, které připojují pouze tento typ aminokyselin. Ve formě navštívené na RNA vstupují aminokyseliny do částic syntetizujících proteiny - ribozomy, a již tam jsou pod diktátem messenger RNA umístěny do řetězce syntetizovaného proteinu.

Hlavní věcí v biosyntéze bílkovin je fúze dvou intracelulárních toků v ribozomech – toku informací a toku materiálu. Ribozomy jsou biochemické „stroje“ molekulárních rozměrů, ve kterých jsou z příchozích aminokyselinových zbytků sestavovány specifické proteiny podle plánu obsaženého v messenger RNA. Každá buňka obsahuje tisíce ribsomů, intenzita syntézy bílkovin je dána jejich počtem v buňce. Svou chemickou povahou patří ribozom k ribonukleoproteinům a skládá se ze speciální ribozomální RNA a molekul ribozomálních proteinů. Ribozomy mají schopnost číst informace obsažené v řetězci mRNA a realizovat je ve formě hotové molekuly proteinu. Podstata procesu spočívá v tom, že lineární uspořádání 20 typů aminokyselin v proteinovém řetězci je určeno uspořádáním čtyř typů nukleotidů v řetězci zcela jiného polymeru - nukleové kyseliny (mRNA). Z tohoto důvodu je tento proces probíhající v ribozomu běžně označován jako ʼʼtranslationʼʼ nebo ʼʼtranslationʼʼ - překlad ze 4písmenné abecedy řetězců nukleových kyselin do 20písmenné abecedy proteinových (polypeptidových) řetězců. Na tomto translačním procesu se podílejí všechny tři známé třídy RNA: messenger RNA, která je předmětem translace, ribozomální RNA, která hraje roli organizátora ribozomu, a adaptorová RNA, která funguje jako překladatel.

Proces syntézy proteinů začíná tvorbou aminokyselinových sloučenin s adaptorovými molekulami RNA. V tomto případě nejprve nastává energetická ʼʼaktivaceʼʼ aminokyseliny v důsledku její enzymatické reakce s molekulou adenosintrifosfátu (ATP) a poté je ʼʼaktivovanáʼʼ aminokyselina připojena na konec relativně krátkého řetězce tRNA, zatímco přírůstek chemická energie aktivované aminokyseliny je uložena ve formě energie chemické vazby mezi aminokyselinou a tRNA.

Je třeba dodat, že reakci mezi aminokyselinou a molekulou tRNA provádí enzym aminoacyl-tRNA syntetáza. Každá z 20 aminokyselin má své vlastní enzymy, které provádějí reakci za účasti pouze této aminokyseliny.

Ústředním dogmatem molekulární biologie je pojem a typy. Klasifikace a znaky kategorie "Centrální dogma molekulární biologie" 2017, 2018.

Hlavní postavou biosyntézy matrice jsou nukleové kyseliny RNA a DNA. Jsou to polymerní molekuly, které zahrnují pět typů dusíkatých bází, dva typy pentóz a zbytky kyseliny fosforečné. Dusíkaté báze v nukleových kyselinách mohou být purin (adenin, guanin) a pyrimidin (cytosin, uracil (pouze v RNA), thymin (pouze v DNA)). V závislosti na struktuře sacharidů, ribonukleové kyseliny - obsahují ribózu (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny- obsahují deoxyribózu (DNA).

Termín " biosyntézy matrice „znamená schopnost buňky syntetizovat polymerní molekuly, jako je např nukleové kyseliny A veverky, na základě šablony - matice . To poskytuje přesný přenos nejsložitější struktury z existujících molekul na nově syntetizované.

Základní postulát molekulární biologie

V naprosté většině případů přenos dědičné informace z mateřské buňky do dceřiné buňky se provádí pomocí DNA (replikace). Pro využití genetické informace samotnou buňkou je potřeba RNA, která se tvoří na templátu DNA (transkripce). Dále se RNA přímo účastní všech fází syntézy proteinových molekul (translace), které zajišťují strukturu a aktivitu buňky.

Na základě výše uvedeného centrální dogma molekulární biologie, podle kterého se přenos genetické informace provádí pouze z nukleových kyselin (DNA a RNA). Příjemcem informace může být jiná nukleová kyselina (DNA nebo RNA) a protein.

Centrální molekulární dogma biologie - pravidlo zobecňující implementaci genetické informace pozorované v přírodě: informace se přenáší z nukleových kyselin na protein, ale ne v opačném směru. Pravidlo bylo formulováno Francisem Crickem v roce 1958 a uvedeno do souladu s údaji nashromážděnými do té doby v roce 1970. Přenos genetické informace z DNA do RNA az RNA do proteinu je univerzální pro všechny buněčné organismy bez výjimky a je základem biosyntézy makromolekul. Replikace genomu odpovídá informačnímu přechodu DNA → DNA. V přírodě také dochází k přechodům RNA → RNA a RNA → DNA (např. u některých virů), stejně jako ke změně konformace proteinů přenášených z molekuly na molekulu. Přepis a překlad. Obvykle lze celý proces transkripce a translace zobrazit v následujícím diagramu: Transkripce je proces reprodukce informace uložené v DNA ve formě jednovláknové molekuly a RNA (messenger RNA, která přenáší informace o struktuře proteinu z buněčného jádra k buněčné cytoplazmě k ribozomům). Tento proces se projevuje syntézou molekuly a RNA z templátu DNA. Molekula a RNA se skládají z nukleotidů, z nichž každý obsahuje zbytek kyseliny fosforečné, cukr, ribózu a jeden ze čtyř dusíkaté báze(A, G, C a U-uracil místo T-tulinu). Syntéza a RNA je založena na principu komplementarity, tzn. proti A v jednom řetězci DNA je Y in a RNA a proti G v DNA - C in a RNA (viz obr. Transkripce - na předchozí straně), tedy RNA je komplementární kopie DNA nebo její určitý úsek a obsahuje informace kódující aminokyselinu nebo protein. Každá aminokyselina v DNA a RNA je kódována sekvencí 3 nukleotidů, tzn. - triplet, který se nazývá kodon Pokud se při transkripci projevuje vzájemné rozpoznání dvou molekul pouze v principu komplementarity, pak v translaci kromě komplementarity (dočasná kombinace kodonu a RNA a antikodonu RNA (transportní RNA, která přivádí aminokyseliny potřebné pro syntézu bílkovin na místo syntézy - ribozom - viz obr. Transkripce) molekulární rozpoznávání se projevuje v procesu připojení aminokyseliny k tRNA pomocí enzymu kodázy. že molekula tRNA se skládá z hlavy, která zahrnuje anti-AOK triplet, sestávající ze sekvence tří nukleotidů, a ocas, který má jisté, kolik typů antikosonů tRNA existuje, existuje tolik forem ocasů a každý antikoson má svůj vlastní tvar ocasu v tRNA. Kolik forem ocasů existuje, tolik typů forem enzymu kodázy, který připojuje aminokyseliny k ocasu, a tvar každé kodázy odpovídá pouze tvaru tRNA s sebou tedy nese informaci. pouze v n sekvenci nukleotidů v antikozóně, ale také ve formě ocasu molekuly. A hlavním přenosem informací je zde reprodukovat sekvenci aminokyselin v proteinu, což podnítí enzym kódující protein a RNA.

Předchozí materiály: