Kwasy nukleinowe i biosynteza białek

Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe są to związki występujące we wszystkich żywych komórkach, odgrywające zasadniczą rolę w przekazywaniu cech dziedzicznych i kierowaniu syntezą białek. Łańcuchy cząsteczek kwasów nukleinowych zbudowane są z elementów zwanych nukleotydami, zawierających 3 składniki: kwas fosforowy, cukier (pentozę) oraz purynową lub pirymidynową zasadą.Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) zawiera cukier D-dezoksyrybozę, a jako zasady - tyminę, cytozynę, adeninę i guaninę. Kwas rybonukleinowy (RNA) zawiera cukier D-rybozę i zasady: uracyl, cytozynę, adeninę i guaninę. Kwas DNA występuje w chromosomach, chloroplastach i mitochondriach, a jego rolą jest przekazywanie informacji genetycznej (kod genetyczny).

Rozróżniamy następujące rodzaje kwasów nukleinowych:

RybosomalnY RNA - r RNA

Olbrzymia ilość rRNA jest wynikiem ogromnej ilości kopii kodujących ten specyficzny kwas rybonukleinowy

Przenośnikowy (transportujący) tRNA

Cząsteczka tRNA pełniąca rolę transportera musi w jakiś sposób rozpoznawać tryplet na mRNA. Nie czynią tego same aminokwasy (co więcej nie maja one wpływu na rozpoznawanie kodonu), ale ma to miejsce dzięki pętli antykodonu, w której 3 zasady stanowiące antykodon są komplementarne do trypletu – kodonu na mRNA. Przy czym kod genetyczny czyta się od końca 5’®3’ a antykodon od 3’®5’, są one więc antyrównoległe w swojej  komplementarności

Tworzenie aminoacetylo-tRNA

Aby tRNA mógł pełnić swoja funkcje musi zostać połączony z aminokwasem. Aminokwas musi być uprzednio zaktywowany.Aktywację aminokwasów przeprowadzają enzymy syntetazy aminoacylo-tRNA (tzw. Enzymy aktywujące).

Kodon

Kodon to  triplet, trójka nukleotydów w cząsteczce DNA (kwasy nukleinowe) kodująca określony aminokwas włączany w strukturę białka w trakcie biosyntezy białek w komórce.

Antykodon

Antykodon, w genetyce termin określający trzy kolejne nukleotydy RNA (kwasy nukleinowe) transportującego (tRNA), posiadające zdolność rozpoznawania kodonów w RNA matrycowym (mRNA) w procesie biosyntezy białka w komórce

REPLIKACJA

Replikacja to  złożony proces prowadzący do podwojenia ilości DNA komórkowego. Zachodzi ona w fazie S cyklu komórkowego. Aby zachować trwałość organizmu replikacja musi być całkowita i wierna. Mechanizm replikacji poznano po odkryciu budowy DNA zgodnego z modelem dwuniciowej helisy zaproponowanej w 1953 r. przez Waotsona i Cricka.

Główne założenia tego modelu to: dwa helikalne łańcuchy polinukleotydowe zawijają się dookoła wspólnej osi, biegnąc w przeciwległych kierunkach ( jedna nić 3’ do 5’ druga 5’ do 3’)

1.      zasady azotowe znajdują się w wewnątrz prostopadle do osi helisy, a fosforany i dezoksyrybozy na zewnątrz ( płaszczyzny deoksyrybozy sa prawie prostopadłe do płaszczyzny zasad)

2.      średnica helisy wynosi 2nm, odległość między zasadami 0,34 nm na całkowity skręt przypada po 10 nukleotydów

3.      łańcuchy wiążą się ze sobą wiązaniami wodorowymi, w ściśle określonych parach: adenina z tyminą ( 2 wiązania wodorowe) a guanina z cytozyną (3 wiązania wodorowe) Reguła Chargaffa

4.      Kolejność zasad jest nie ograniczona. Ściśle określona sekwencja zasad w nici DNA niesie informację genetyczną.

W procesie replikacji możemy wyróżnić kilka etapów:

1.              Przygotowanie nici DNA do replikacji

2.              Inicjacja replikacji

3.              Elongacja

NAPRAWA DNA

Dla przeżycia pojedynczego organizmu jak i przetrwania gatunku istotne znaczenie ma utrzymanie całości informacji w cząsteczkach DNA. Gatunki przetrwałe musiały rozwinąć mechanizmy naprawy szkód w DNA jako błędy replikacji lub oddziaływanie środowiska. Główną rolę odgrywa tu tautomeryczna zdolność łączenia się w pary puryn i pirymidyn. Nieprogramowana synteza DNA zwana również REPARACJĄ DNA zachodzi niezależnie od cyklu komórkowego. Czynniki uszkadzające wyeliminowują  jedną nić DNA w wyniku czego powstają dimery między sąsiednimi pirymidynami. Rozleglejsze uszkodzenia obu nici bądź chromosomów są nieodwracalne.

Biosynteza białka

Biosynteza białka jest to zachodzący w żywych komórkach organizmu proces powstawania białka uwarunkowany przez zapisaną w DNA (kwasy nukleinowe) informację genetyczną (gen).Pierwszym etapem biosyntezy białek  jest transkrypcja odpowiedniego odcinka DNA, która polega na syntezie RNA na matrycy określonego odcinka DNA przy udziale polimerazy RNA. RNA powstały w wyniku transkrypcji, zawierający informacje dla syntezy białek, zwany jest mRNA. mRNA przenosi  transkrybowaną informację genetyczną z jądra do cytoplazmy. Tutaj dochodzi do modyfikacji mRNA, tzn. do wycinania, z udziałem odpowiednich enzymów, sekwencji niekodujących - intronów i pozostawiania sekwencji kodujących - egzonów. Tak zmodyfikowane i skrócone cząsteczki mRNA wnikają pomiędzy dwie podjednostki rybosomów, gdzie odbywa się właściwe odczytywanie kodu genetycznego i przepisywanie go na sekwencję aminokwasową białka w procesie zwanym translacją. Znajdujące się w cytoplazmie aminokwasy są przenoszone na rybosomy za pomocą tRNA. Cząsteczki tRNA z doczepionymi aminokwasami przedostają się do rybosomów i kolejno dopasowują się, na zasadzie komplementarności, swoimi antykodonami do odpowiednich kodonów mRNA. Translacja zaczyna się od kodonu startowego, zapewniającego dalsze odczytywanie mRNA we właściwej kolejności - najczęściej jest to kodon AUG lub GUG, a kończy się kodonem symbolizującym ostatni aminokwas (u prokariontów są to kodony nonsensowne - nie oznaczające żadnego aminokwasu). Po zakończeniu syntezy cząsteczki białka wędrują przez przestrzenie pomiędzy błonami reticulum endoplazmatycznego do aparatu Golgiego albo wydzielane są na zewnątrz komórki, lub pozostają przez jakiś czas związane z błonami ziarnistego (szorstkiego) reticulum endoplazmatycznego i wykorzystywane jako białka wewnątrzkomórkowe. Energia potrzebna do syntezowania wiązań peptydowych pochodzi z wysokoenergetycznych wiązań ATP.

STRUKTURA CHROMATYNY, CECHY DNA EUCARYOTA

Jądrowy DNA zbudowany z deoksyrybonukleotydów połączonych wiązaniami 5' - 3' jest związkiem o największej masie cząsteczkowej (3,5 x 106) w komórce. Metodami biochemicznymi można go rozdzielić na 2 frakcje.

1.      80-90% stanowi frakcja główna (ułożona równomiernie w jądrze)

2.      10% stanowi DNA frakcji satelitarnej – tworzy skupiska heterochromatyny w okolicach centromerów, w chromatynie organizującej jąderka oraz na końcu ramion chromosomów. Funkcjonalnie frakcja ta odpowiada za transkrypcję rRNA, tRNA, we frakcji tej występują liczne kopie powtarzające się.

Nieodłącznym składnikiem chromatyny są białka zasadowe – histony, białka niehistonowe – zasadowe i kwaśne.

Białka niehistonowe

Białka niehistonowe (m. cz. 20 kDa do 22,5 kDa ) można podzielić na 4 białka o m. Cz. 30 kDa – 40 kDa –aktyna i białka ochraniające hnRNA (heterogeny RNA), cztery białka o m. Cz. 50 kDa - tubuliny  4 białka o m. cz. 25 kDa to miozyna. Ponadto znajdują się w chromatynie białka kwaśne (m. cz. 100 kDa) łączące histony w oktamery nukleosomów (patrz niżej).

Powyższe białka stanowią około 50% białek niehistonowych, tzw. strukturalnych. Pozostała część stanowią białka niehistonowe mające aktywność enzymatyczną -–polimerazy kwasów nukleinowych, proteazy, nuleazy, transferazy, a około 5% białek niestrukturalnych jest na stałe związana z DNA.

HISTONY

Histony są one pojedynczymi łańcuchami polipeptydowymi (masa od 11 kDa do 21 kDa). Wyróżniono 5 klas histonów na podstawie stosunku aminokwasów zasadowych do kwaśnych i stosunku lizyny do argininy.

Polimerazy DNA i RNA

Enzymami katalizującymi syntezę DNA i RNA. są polimerazy DNA i RNA,- nukleotydylotransferazy DNA i RNA, łównym zadaniem polimerazy DNA jest tworzenie łańcucha komplementarnego do istniejącego łańcucha DNA, który działa jako starter. Polimeraza RNA  natomiast uczestniczy w syntezie łańcucha RNA, wymagając obecności DNA jako matrycy, z której czerpie instrukcje.

Intron

Z powstałego w wyniku transkrypcji pierwszego genu - tzw. pre mRNA - zostają wycięte odcinki będące odpowiednikami intronów w procesie zwanym składaniem genowym, natomiast zostają odcinki kodujące białko (egzony).Introny są więc odcinkami pozbawionymi informacji o strukturze białka (nie kodujące).

Egzony

W procesie modyfikacji genów na poziomie cytoplazmy zostają wycięte odcinki niekodujące (introny) a pozostają tylko sekwencje kodujące tworzące skrócony mRNA, wnikający pomiędzy dwie podjednostki rybosomu. Egzony są więc to odcinki zawierające informację o strukturze białka (kodujące białko) występujące w tzw. genach podzielonych występujących u organizmów eukaryotycznych.

Rybosomy

Rybosomy biorą udział w biosyntezie białek, dlatego szczególnie licznie występują w młodych, silnie rosnących komórkach. Nazwę swą zawdzięczają wysokiej zawartości kwasu rybonukleinowego Rybosomy to drobne ciałka o średnicy 0,01-0,025 µm występujące w komórkach roślin i zwierząt, zbudowane z białka i kwasu rybonukleinowego (RNA). Rybosomy rozmieszczone są w jądrze komórkowym (głównie w jąderku), mitochondriach,

.

Kod genetyczny

Kod genetyczny jest to przepisana informacja genetyczna z DNA na mRNA w konsekwencji jest to współzależność między sekwencją zasad w mRNA stanowiącym transkrypt DNA a sekwencją aminokwasów w białku.

W sekwencji nukleotydów w cząsteczce mRNA są zawarte słowa kodu (trójnukleotydowe) dla każdego aminokwasu, zespół tych słów to kod genetyczny.

Kod genetvczny jest:

1.      Trójkowy – każde słowo kodu zwane kodonem, zbudowane jest z 3 kolejnych nukleotydów. Przy 4 różnych zasadach w mRNA, istnieją 64 triplety nukleotydów – kodujące 20 aminokwasów

2.      Uniwersalny, tzn. że w całym świecie istot żywych tym samym nukleotydom (tripletom) odpowiadają te same aminokwasy w syntetyzowanych peptydach. Wszystkie organizmy używają do translacji swoich genów na swoiste białko tego samego kodu.

3.      Niezachodzący – każda trójka nukleotydów decyduje o jednym aminkowasie, przy czym ostatni nukleotyd kodonu nie jest wspólny dla tripletu następnego. Odczyt prowadzony jest kolejno trójkami nukleotydów.

4.      Bezprzecinkowy – jeżeli raz rozpocznie się odczytywanie w miejscu swoistego kodonu, to informacja jest odczytywana bez przerwy w sekwencji tripletów aż do momentu osiągnięcia kodonów nonsensowynch (UAG, UAA, UGA), które nie są odczytywane przez tRNA, ale przez specyficzne białka zwane czynnikami uwalniającymi (releasing factors). Nie ma więc tripletów przerywających ciągłość odczytu.

5.      Jednoznaczny (niedwuznaczny) –oznacza to, że dany kodon (triplet) koduje tylko jeden aminokwas np. UAA oznacza tylko i wyłącznie triplet dla leucyny i inny  aminokwas nie może zostać w to miejsce wbudowany. Rozpoznanie swoistych kodonów w mRNA przez cząsteczki t-RNA zależy od antykodonu i praw łączenia się zasad w komplementarne pary.

6.      Zdegenerowany – wiele aminokwasów jest kodowanych przez więcej niż jeden triplet (kodonów sensownych jest 61, a aminokwasów 20). Tylko tryptofan i metionina kodowane są przez jeden triplet (odpowiednio UGG i AUG). Osiemnaście pozostałych kodowanych jest przez dwa lub więcej tripletów. aż po sześć kodonów odpowiada leucynie, argininie i serynie.

Kodony, które określają ten sam aminokwas nazywają się synonimami np. GUU, GUC, GUA, GUG są synonimami waliny. Ulokowanie aminokwasów nie jest przypadkowe, zajmują  one z reguły  jeden blok, którego cechą charakterystyczną jest to, że dwie pierwsze zasady są z reguły  takie same, różnią się natomiast trzecią zasadą , która można by powiedzieć ma najmniejsze znaczenie. Jest to tzw. h i p o t e z a    t o l e r a n c j i .Zdegenerowanie  kodu zmniejsza szkodliwe skutki mutacji. Gdyby kod nie był zdegenerowany to 20 kodonów określałoby  20 aminokwasów, a 44 oznaczałyby terminację, wówczas prawdopodobieństwo mutacji, która powodowałaby terminację łańcucha byłoby dużo większe.

Transkrypcja

Proces transkrypcji zachodzi w komórkach pod wpływem enzymów  polimeraz RNA. Przeprowadzają one syntezę RNA na nici DNA .Transkrypcja,to przepisywanie informacji genetycznej z DNA na mRNA (kwasy nukleinowe), zachodzące w jądrze komórkowym w drodze syntezy RNA na matrycy DNA, kodującej białko. Z kolei mRNA w procesie translacji przekazuje informację genetyczną, według której zostaje ustalona sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. W procesie transkrypcji powstają: tzw. informacyjny, czyli matrycowy RNA - mRNA, rybosomowy RNA - rRNA i przenoszący RNA – tRNA

Translacja

Komórka rozporządza aparatem pozwalającym przekładać informację zakodowaną w sekwencji nukleotydów w mRNA na sekwencje aminokwasów. Proces ten nazywamy translacją.

MECHANIZM TRANSLACJI – BIOSYNTEZA BIAŁKA

Cząsteczkami pośredniczącymi są kwasy tRNA w połączeniu z aminokwasami (aminoacylo-tRNA), a dzieje się to na rybosomach (lub polirybosomach). Przypuszcza się,że asocjacja jednostek rybosomowych  tworzy jakby tunel, w którym przesuwa się nić m RNA. Aktywnie syntetyzujące białko rybosomy są nanizane na nić m-RNA i tworzą polisomy – skupisko rybosomów powiazanych jedną nicią mRNAW obrębie polisomu odbywa się proces syntezy tego samego łańcucha peptydowego, (z tym, że na każdym rybosomie w danej chwili jest  inny etap). Informacyjny RNA ulega translacji w kierunku 5’® 3’, w takim samym kierunku był on syntetyzowany.Tak więc białko syntetyzuje się od N końca do C - końca.

W translacji wyróżniamy następujące etapy:

I Inicjacji

a)  powstawanie kompleksu preinicjującego

b) związanie kompleksu  preinicjującego z mRNA ® kompleks pośredni

c) powstanie aktywnego kompleksu inicjującego

d) odtwarzanie aktywnego czynnika IF-2-GTP

I Elongacja

W rybosomie są dwa sąsiadujące ze sobą miejsca:

-          akceptorowe (aminokwasowe) -  A – wiążące wszystkie aminoacylotRNA- z wyjątkiem Met-tRNA

-          peptydowe ( donorowe) –P- wiążące Met-tRNA i peptydylo-tRNA

W elongacji możemy wyróżnić kilka etapów:

1.   Przyłączanie Met-RNA w miejsce P.

2.   Przyłączenie aminoacylo-tRNA do miejsca A

3.   Wytwarzanie wiazania peptydowego – transpeptydylacja

III Terminacja

W miejscu A pojawia się jeden z kodonów nonsensownych ( UAA, UAG, UGA), którego nie odczytuje żaden z aminoacylo tRNA

Potranslacyjne modyfikacje białek

Po translacji mRNA wiele powstałych polipeptydów ulega modyfikacjom, które obejmować mogą:

Ø      Wycinanie kilku lub pojedynczych polipeptydów poprzez aminopeptydazy.

Ø      Przez utlenienie dwóch cystein mogą powstawać wiazania dwusiarczkowe. Dzieje się tak z insuliną, która jako proinsulina powstała po translacji.

Ø      Łańcuchy boczne reszt aminokwasowych mogą być modyfikowane.

Biosynteza białka – transkrypcja

Biosynteza białka – translacja

1