Synteettinen biologia — Osa 3: Proteiineihin ja entsyymeihin tutustuminen (2023)

Johdanto

Proteiinien ja entsyymien ominaisuuksien ja käyttäytymisen ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta ymmärrettäisiin, kuinka geenit koodaavat proteiineja ja kuinka muutokset DNA-sekvenssissä voivat vaikuttaa proteiinien toimintaan. Se tarjoaa myös perustan ymmärtää, kuinka proteiinit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja osallistuvat soluprosesseihin. Tämä tieto on välttämätöntä genomien rakenteen ja toiminnan sekä niiden säätelyn ymmärtämiseksi.

Proteiinit ovat solujen toiminnallisia molekyylejä. Proteiinit suorittavat suurimman osan biokemiallisista reaktioista soluissa, ja entsyymit, jotka ovat erikoistuneita proteiineja, katalysoivat näitä reaktioita. Proteiinien ja entsyymien rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta ymmärrettäisiin soluprosessit ja kuinka niitä voidaan manipuloida.

Proteiineja koodaavat geenit. DNA:n nukleotidisekvenssi määrittää proteiinin aminohapposekvenssin, joka puolestaan ​​määrää sen rakenteen ja toiminnan. Siksi DNA-sekvenssin ja proteiinisekvenssin välisen suhteen ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta voidaan ymmärtää, kuinka geenit koodaavat proteiineja ja kuinka muutokset DNA-sekvenssissä voivat vaikuttaa proteiinien toimintaan. Proteiinin kolmiulotteinen rakenne määrää sen toiminnan. Proteiinin rakenteen muuttaminen voi muuttaa sen toimintaa, ja siksi proteiinin rakenteen ja toiminnan välisen suhteen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää sen ymmärtämiseksi, kuinka geenien mutaatiot voivat vaikuttaa proteiinin toimintaan.

Lisäksi proteiini-proteiini-vuorovaikutukset ovat tärkeitä solujen toiminnalle. Proteiinit toimivat harvoin yksin soluissa. Ne ovat vuorovaikutuksessa muiden proteiinien kanssa suorittaakseen tehtävänsä. Proteiinien rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen on välttämätöntä näiden vuorovaikutusten ymmärtämiseksi ja sen ymmärtämiseksi, kuinka ne vaikuttavat soluprosesseihin.

Molekyylibiologian keskeinen dogma

Proteiinien täydelliseksi ymmärtämiseksi on välttämätöntä ymmärtää molekyylibiologian keskusdogma. Tämä perusperiaate linjaa elämän keskeisen prosessin ja DNA:n, RNA:n ja proteiinien roolit siinä. DNA toimii geneettisenä materiaalina ja toimii suunnitelmana organismille. Proteiinit ovat tämän suunnitelman lopputulos ja niillä on tärkeä rooli solujen toiminnassa. Siksi on ratkaisevan tärkeää ymmärtää käsite, jotta voidaan ymmärtää prosessi, jolla proteiineja tuotetaan.

Francis Crick esitti ensimmäisen kerran molekyylibiologian keskeisen dogman vuonna 1956, ja se kuvaa geneettisen tiedon virtausta soluissa. Se kuvaa prosessia, jolla DNA:han koodattu geneettinen informaatio siirretään RNA:han ja sitten proteiiniin transkriptio- ja translaatioprosessien kautta. Tämä prosessi on välttämätön kaikkien elävien organismien kehitykselle ja toiminnalle. Tämä prosessi on yksisuuntainen, eikä sitä voi peruuttaa.

DNA, joka tarkoittaa deoksiribonukleiinihappoa, on geneettinen materiaali, joka sisältää ohjeet kaikkien elävien organismien kehitykselle ja toiminnalle. DNA koostuu kaksoiskierrerakenteesta, joka koostuu neljästä eri nukleotidista: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini © ja tymiini (T). Näiden nukleotidien sekvenssi määrittää geneettisen koodin.

Keskeisen dogman ensimmäinen askel on transkriptio. Transkription aikana RNA-polymeraasi-niminen entsyymi sitoutuu tiettyyn DNA-sekvenssiin, jota kutsutaan promoottoriksi ja joka merkitsee geenin alkua. RNA-polymeraasi syntetisoi sitten komplementaarisen RNA-molekyylin DNA-templaatista. RNA-molekyyli koostuu neljästä eri nukleotidista: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja urasiili (U), joka korvaa tymiinin RNA:ssa. Tuotettu RNA-molekyyli tunnetaan lähetti-RNA:na (mRNA) ja kuljettaa geneettisen tiedon DNA:sta ribosomeihin, joissa se muunnetaan proteiiniksi.

Keskeisen dogman toinen vaihe on kääntäminen. Translaation aikana mRNA sitoutuu ribosomiin, joka koostuu ribosomaalisesta RNA:sta (rRNA) ja proteiineista. Siirto-RNA (tRNA) -molekyylit, joista jokaisessa on spesifinen aminohappo, sitoutuvat mRNA-sekvenssiin antikodonisekvenssinsä kautta, joka on komplementaarinen mRNA:n kodonin kanssa. Ribosomi katalysoi sitten peptidisidosten muodostumista aminohappojen välillä ja muodostaa polypeptidiketjun. Prosessi jatkuu, kunnes ribosomi saavuttaa mRNA:ssa olevan stop-kodonin, joka osoittaa proteiinisynteesin päättymisen.

Proteiinin rakenne ja toiminta

On olemassa neljä päätyyppiä suuria orgaanisia molekyylejä, jotka ovat välttämättömiä eläville organismeille, nimittäin hiilihydraatit, lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot. Nämä makromolekyylit ovat samanlaisia ​​siinä mielessä, että ne kaikki koostuvat toistuvista yksiköistä, joita kutsutaan monomeereiksi. Nukleiinihappojen monomeerit, kuten DNA ja RNA, ovat nukleotidiemäksiä, kun taas aminohapot muodostavat proteiinien monomeerit. Sokeritähteet ovat monomeerejä hiilihydraateille ja rasvahapot tai asetyyliryhmät lipideille.

Aminohapot liitetään yhteen kemiallisilla sidoksilla, joita kutsutaan peptidisidoksiksi. Aminohappojen sekvenssi proteiinissa määrittää sen ainutlaatuisen muodon, mikä puolestaan ​​määrää sen toiminnan.

Aminohapoilla on erityinen rakenne, joka koostuu keskeisestä hiiliatomista, joka tunnetaan myös nimellä alfa-hiili, joka on sitoutunut neljään ryhmään. Näihin ryhmiin kuuluvat aminoryhmä (NH2), karboksyyliryhmä (COOH), vetyatomi (H) ja sivuketjuryhmä, joka tunnetaan nimellä R-ryhmä. R-ryhmä voi vaihdella eri aminohappojen välillä ja määrittää niiden ainutlaatuiset ominaisuudet.

Aminohapon N-pää on pää, jossa on aminoryhmä, kun taas C-pää on pää, jossa on karboksyyliryhmä. Kun aminohapot kytkeytyvät toisiinsa peptidisidoksilla, yhden aminohapon aminoryhmä kytkeytyy toisen aminohapon karboksyyliryhmään muodostaen peptidisidoksen ja vapauttaen vesimolekyylin.

Proteiinin aminohapposekvenssi määräytyy sitä proteiinia koodaavan geenin nukleotidisekvenssin mukaan. Geneettinen koodi määrittää, mikä aminohappo vastaa kutakin kolmikirjaimista nukleotidisekvenssiä, jota kutsutaan kodoniksi, mRNA-molekyylissä, joka transkriptoidaan DNA-templaatista.

Kun aminohapot on liitetty toisiinsa lineaariseksi ketjuksi, joka tunnetaan nimellä "primäärirakenne", proteiini käy läpi laskostumisen muodostaen ainutlaatuisen kolmiulotteisen muotonsa. yhden aminohapon N-pää kytkeytyy viereisen aminohapon C-päähän muodostaen eräänlaisen rungon, jossa R-ryhmät vaikuttavat koko entiteetin kemiallisiin ominaisuuksiin. Nämä R-ryhmät määräävät, mihin molekyyleihin proteiini sitoutuu, olipa kyseessä DNA, RNA, muut proteiinit tai orgaaniset molekyylit.

Toissijaisen rakenteen muodostamiseksi proteiinin primäärirakenne käy läpi erilaisia ​​molekyylivoimia ja vuorovaikutuksia muiden aminohappojen kanssa. Nämä vuorovaikutukset johtavat erityisten rakenteiden muodostumiseen, jotka tunnetaan motiiveina. Kaksi yleistä motiivia ovat α-heliksi ja β-laskostettu arkki. α-heliksi-motiivissa aminohappojen R-ryhmät osoittavat kaikki ulospäin, ja sitä löytyy usein proteiineista, jotka ylittävät solukalvot. β-laskostettu arkkimotiivi muodostuu, kun ensisijainen rakenne taittuu takaisin itsensä päälle useita kertoja luoden kuvion, joka muistuttaa paperin taittamista. Tämä motiivi on hyvin yleinen rakenneproteiineissa, ja se voi tulla yhteen muiden β-laskostettujen levyjen kanssa muodostaen rakenteita, kuten β-tynnyrin, joka luo kalvoon huokoisen reiän DNA:n tai muiden makromolekyylien sisäänpääsyä varten.

Tertiaarisen rakenteen luomiseksi sekundäärirakenteen elementit yhdistetään β-käännöillä. Tertiäärinen rakenne on välttämätön entsymaattiselle aktiivisuudelle, koska se luo proteiiniin taskuja, joissa reaktioita voi tapahtua. Joillakin suurilla proteiineilla on useita tertiäärisiä rakenteita, jotka yhdessä muodostavat kvaternaarisen rakenteen. Jokaista tertiaarisen rakenteen osaa kutsutaan alayksiköksi tai monomeeriksi. Jos alayksiköt ovat identtisiä, proteiinia kutsutaan homomeeriksi, ja jos ne ovat erilaisia, sitä kutsutaan heteromeeriksi. Siten heterotrimeerisellä proteiinilla olisi kvaternäärinen rakenne, joka koostuu kolmesta eri monomeerista, kun taas homotetrameerisellä proteiinilla olisi neljä identtistä monomeeriä.

Proteiineilla ei ole vain rakenteellista merkitystä, vaan niillä on myös ratkaiseva rooli solun erilaisten kemiallisten reaktioiden katalysoinnissa ja nopeuttamisessa. Näitä erikoistuneita proteiineja kutsutaan entsyymeiksi, ja erityyppiset solut ilmentävät erilaisia ​​​​entsyymijoukkoja, jotka ovat spesifisiä niiden toiminnoille. Sitä vastoin kaikki bakteerisolut tuottavat saman sarjan entsyymejä. Entsyymit toimivat katalyytteinä lisäämällä niiden reaktioiden nopeutta, jotka muutoin tapahtuisivat hitaasti tai ei ollenkaan, ilman että niitä kuluisi prosessissa. Entsyymit voivat edistää kemiallista reaktiota muuttamalla pH:ta tietyssä taskussa, tuoda kaksi molekyyliä yhteen lisätäkseen reaktion mahdollisuutta tai sitoutua fysikaalisesti molekyyliin muuttaakseen sen muotoa ja alentaakseen reaktion tapahtumiseen tarvittavaa aktivaatioenergiaa. Useimmat entsyymien nimet päättyvät "-ase", kuten ATP-syntaasi, joka syntetisoi ATP:tä.

Johtopäätös

Proteineilla on erilaisia ​​tehtäviä, mukaan lukien DNA:n modifiointi, ATP:n tuottaminen energian tuottamiseksi ja muiden proteiinien asianmukaisen laskostumisen varmistaminen tertiäärisiin rakenteisiinsa. Proteiinit voivat toimia entsyymeinä nopeuttamaan kemiallisia reaktioita. On olemassa erityisiä entsyymejä, jotka hajottavat vierasta DNA:ta, joita kutsutaan restriktioentsyymeiksi, kun taas ligaasientsyymit yhdistävät DNA-fragmentteja yhteen. Jotkut entsyymit voivat tuottaa RNA:ta DNA:sta tai luoda proteiineja RNA:sta, mikä on ribosomin tehtävä. Proteiinit voivat tarjota solunsisäisen rakenteellisen rakenteen, joka säilyttää solumuodon. He voivat myös osallistua solujen signalointiin, viestintään ja molekyylien kuljettamiseen. Lisäksi vakavassa ravinteiden puutteessa proteiinit voidaan hajottaa ja käyttää energialähteenä solussa. Proteiinitoimintojen luettelo jatkuu ja jatkuu ilman rajoituksia.

Viitteet

Morange, Michel. (2009). "Molekyylibiologian keskeinen dogma." Resonanssi. 14. 236–247. 10.1007/s12045–009–0024–6.

Crick FHC. "Proteiinisynteesistä." Symp Soc Exp Biol. 1958;12:138–163. pmid: 13580867

"CH103 - Luku 8: Tärkeimmät makromolekyylit - Kemia." Kemia,https://wou.edu/chemistry/chapter-11-introduction-major-macromolecules/.

Crick, F. H. C. "Nucleic Acids". Scientific American, no. 3, Springer Science and Business Media LLC, syyskuu 1957, s. 188–203. Ristiviite, doi: 10.1038/scientificamerican0957–188.

Pederson T. Molecular Biology of the Gene: James D. Watson: W. A. ​​Benjamin (1965): New York, New York. FASEB J. 2015 marraskuu;29(11):4399–401. doi: 10.1096/fj.15–1101ufm. PMID: 26527575.