+ Pokaż spis treści

Mechanizm odczytywania i przekazywania informacji genetycznej

  1. Proces odczytywania informacji genetycznej, prowadzący do powstania zakodowanego przez dany gen białka nazywa się ekspresją genu (wyrażeniem genu).

    Ekspresja genu składa się z kilku etapów, najistotniejsze jest oczywiście rozszyfrowanie kodu genetycznego, czyli translacja - przetłumaczenie "języka" nukleotydów na "język" aminokwasów ( synteza zakodowanego białka), zachodzące w rybosomie (łac. translatio - tłumaczenie, przeniesienie). Poniższy opis dotyczyć będzie komórek Eucaryota.

    Rybosomy
    - "maszyny" do syntezy białek są organellami komórkowymi występującymi w cytoplazmie (poza jądrem komórkowym). DNA - nośnik informacji o życiu komórki znajduje się w jądrze komórkowym, chroniony błona jądrową (tak jest u organizmów eukariotycznych, organizmy prokariotyczne - bakterie nie mają jądra, ich DNA występuje w cytoplazmie bez żadnej osłony).

    Jeżeli komórka ma wyprodukować jakieś białko, informacja genetyczna o tym białku musi "przewędrować" z jądra do cytoplazmy. Informacja ta jest przepisywana w jądrze komórkowym na kwas rybonukleinowy. Proces ten nazywamy transkrypcją (łac. transcriptio - przepisywanie), zaś powstającą cząsteczkę RNA - transkryptem, lub mRNA (ang. messenger RNA) - informacyjnym RNA.

    Transkrypt, czyli przepis na białko przechodzi przez pory w błonie jądrowej do cytoplazmy, gdzie łaczy się z rybosomem. Rybosom produkuje białko na podstawie informacji zawartej w transkrypcie.

    Syntezę białek można porównać do procesu gotowania. Jeżeli chcemy ugotować potrawę, korzystając z przepisu znajdującego się w cennej książce w bibliotece, nie zabieramy ze sobą książki do kuchni, bo może się zniszczyć. Przepisujemy interesujący nas fragment i gotujemy korzystając z "transkryptu", a nie z oryginału. Kiedy już powstanie potrawa, należy ją jeszcze przyprawić i podać na stół. Komórka również "przyprawia" powstające białka - po translacji białka są modyfikowane przez enzymy, proces ten określa się jako obróbkę posttranslacyjną (następującą po syntezie).

    Gotowe białka są transportowane w odpowiednie dla nich miejsce
    wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Do transportu służą kanały retikulum endoplazmatycznego (system błon białkowo-lipidowych we wnętrzu komórki eukariotycznej), do których białko musi wejść i z których musi się w odpowiednim miejscu wydostać. Krótkie sekwencje aminokwasów w białku służą jako przepustka do kanału i adres zamieszkania, pod którym białko jest ostatecznie lokowane. Tu będzie służyło komórce jako budulec, lub "robotnik" (enzym).

    Podsumowując proces ekspresji genu w komórce eukariotycznej obejmuje następujące główne etapy:

    • transkrypcja
    • posttranskrypcyjna obróbka pre - mRNA
    • wędrówka mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy
    • translacja
    • posttranslacyjna obróbka polipeptydu.

    W komórce prokariotycznej brak etapu wędrówki mRNA, transkrypcja i translacja zachodzą w cytoplazmie.

  2. Transkrypcja. Przepisywanie informacji genetycznej z DNA na RNA przebiega w trzech etapach. Są to:

    • inicjacja transkrypcji,
    • elongacja transkrypcji,
    • terminacja transkrypcji,

    czyli odpowiednio: rozpoczęcie, kontynuacja i zakończenie transkrypcji.

    2.1. Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, tylko jedna nić niesie informację genetyczną, druga stanowi jej komplementarne, "lustrzane" odbicie, niezbędne dla stabilizacji całej cząsteczki (patrz: budowa DNA). Nić zawierająca informację genetyczną nazywana jest pasmem matrycowym, druga nić, komplementarna do pasma matrycowego bywa myląco (!) nazywana pasmem kodującym. Komórka musi dokonać wyboru prawidłowego pasma. Służy do tego specjalna sekwencja promotorowa nukleotydów w paśmie matrycowym (promotor). Do sekwencji promotorowej przyłącza się enzym, katalizujący transkrypcję - polimeraza RNA zależna od DNA. Nazwa enzymu wynika z jego funkcji, którą jest tworzenie RNA - polimeru nukleotydów, na podstawie informacji zawartej w DNA.

    2.2. Rozpoczęcie transkrypcji (inicjacja transkrypcji) polega na związaniu się polimerazy z sekwencją promotorową. Polimeraza przeszukuje DNA (przesuwa się po nim, bakteryjne polimerazy robią to z prędkością ok.1000 par zasad na sekundę), kiedy natrafi na sekwencję promotorową, związuje się z nią i rozsuwa nici DNA (na odcinku kilkunastu nukleotydów). Na tym odcinku DNA chwilowo przestaje być dwuniciowe, zostaje rozplecione na dwa pasma - pasmo matrycowe i pasmo kodujące, wiązania wodorowe pomiędzy pasmami DNA zostają rozerwane.

    2.3. Elongacja transkrypcji polega na syntezie łańcucha RNA, komplementarnego do matrycowego pasma DNA. Elongacja przebiega podobnie u organizmów prokariotycznych i eukariotycznych. Niżej omówiono proces elongacji transkrypcji na przykładzie bakterii Escherichia coli.

    Bakteryjna polimeraza RNA składa się z dwóch części: rdzeniowej i katalitycznej. Część rdzeniowa polimerazy odpowiada za przyłączenie do DNA komplementarnego nukleotydu RNA. Zasady azotowe obecne w nukleotydach matrycowego pasma DNA łączą się nietrwałymi wiązaniami wodorowymi z zasadami azotowymi obecnymi w nukleotydach RNA.

    Nukleotydy RNA są dostarczane w postaci trifosforanów
    (ATP, GTP, CTP i UTP), energia wysokoenergetycznych wiązań jest zużywana podczas reakcji. Katalityczna część polimerazy odpowiada za powstanie wiązań (fosfodiestrowych) pomiędzy nukleotydami RNA.

    Polimeraza przesuwa się wzdłuż DNA, rozplatając obie nici i syntetyzując komplementarną cząsteczkę RNA. Powstająca cząsteczka RNA (transkrypt) wydłuża się i stopniowo odrywa od DNA, które wraca do poprzedniej postaci (obie nici DNA - pasmo matrycowe i pasmo kodujące łączą się ze sobą). DNA pozostaje rozplecione na krótkim odcinku, tam gdzie polimeraza dodaje nowe nukleotydy RNA.

    Rysunek nr 4.2.3. przedstawiający przebieg transkrypcji.

    2.4. Zakończenie transkrypcji (terminacja transkrypcji) następuje, gdy polimeraza dojdzie do sekwencji, która stanowi sygnał terminacji transkrypcji (sekwencję taką nazywamy terminatorem transkrypcji). Polimeraza zatrzymuje się i odczepia od DNA, powstały transkrypt odłącza się od matrycowego pasma DNA, zaś DNA wraca do dawnej postaci.

    Podsumowując: transkrypcji ulega odcinek DNA od promotora do terminatora transkrypcji. Odcinek taki nazywamy jednostką transkrypcji.

    2.5. W komórkach eukariotycznych mamy do czynienia jeszcze z obróbką posttranskrypcyjną ponieważ informacja genetyczna w komórkach Eucaryota ma charakter nieciągły.

    Geny w tych komórkach podzielone są na odcinki kodujące (egzony) niosące informację o składzie aminokwasowym białek i odcinki niekodujące (introny), które zawierają sekwencję nukleotydów nie odnoszącą się do budowy białka. W czasie transkrypcji zostają przepisane zarówno egzony jak i introny - powstaje tzw. transkrypt pierwotny, czyli pre - mRNA (zwane też czasami hnRNA - heterogenny jądrowy RNA). Potem, w czasie obróbki potranskrypcyjnej introny zostają wycięte, a egzony połączone(ang. splicing). Dodajmy, że obróbce podlegać mogą także odcinki kodujące (ang. editing). Proces ten odbywa się na terenie jądra komórkowego.

    Rysunek nr 4.2.5. przedstawiający przebieg obróbki po transkrypcji.

  3. Rysunek 4.3.1. przedstawiający  budowę tRNA.Translacja - synteza białka, zachodząca w rybosomie, polega na rozszyfrowaniu informacji genetycznej zawartej w transkrypcie (mRNA) i utworzeniu na podstawie tej informacji konkretnego białka. "Tłumaczem" języka nukleotydów na język aminokwasów jest cząsteczka tRNA, nazywana transportującym RNA. Specyficzna budowa tych cząsteczek umożliwia im przenoszenie aminokwasów i precyzyjne podanie odpowiedniego aminokwasu we właściwe miejsce.

    3.1. Cząsteczki tRNA mają podobną budowę u wszystkich organizmów żywych. Składają się z 75 - 94 nukleotydów. RNA jest jednoniciowe, ale niektóre odcinki, wzajemnie komplementarne łączą się ze sobą. Powstanie fragmentów dwuniciowych powoduje, że pozostałe jednoniciowe odcinki RNA przybierają postać pętli - rys. A (całość, przypominającą liść koniczyny określa się czasami jako strukturę drugorzędową). Cząsteczka tRNA przyjmuje skomplikowaną postać przestrzenną, pętle ulegają pofałdowaniu - rys. B. (Ta struktura, w kształcie odwróconej litery L nazywana jest strukturą trzeciorzędową.)

    Cząsteczka tRNA ma wolny koniec (3'-OH), do którego specjalny enzym przyczepia aminokwas. Po przeciwnej stronie cząsteczki tRNA znajduje się pętla antykodonowa, a w niej krótka, składająca się z trzech nukleotydów sekwencja nazywana antykodonem, która służy jako "czytnik" kodu genetycznego.

    Do cząsteczki tRNA z konkretnym antykodonem może być dołączony tylko jeden rodzaj aminokwasu, zawsze ten sam. Tak powstałą cząsteczkę nazywamy aminoacylo - tRNA. Enzym, który katalizuje reakcję, rozpoznaje rodzaj tRNA i dodaje odpowiedni aminokwas (enzym rozpoznaje sekwencję nukleotydową w jednej z pętli w cząsteczce tRNA, błędy w działaniu takiego enzymu przynoszą katastrofalne skutki, "tłumaczenie" jest nieprawidłowe, komórka nie może syntetyzować potrzebnych białek i umiera).







    Cząsteczki tRNA przypasowują się podczas translacji do mRNA umieszczonego w rybosomie, antykodon tRNA łączy się na zasadzie komplementarności z kodonem w mRNA. Konkretnym antykodonom odpowiadają konkretne aminokwasy na końcu cząsteczki tRNA, dzięki temu cząsteczki tRNA "przynoszą" do rybosomu tylko te aminokwasy, które są zakodowane w kodonach mRNA.

    Podsumowując: każdy aminokwas ma swój własny tRNA, ze specyficznym dla danego aminokwasu antykodonem.

    Translacja przebiega w trzech fazach. Są to:

    • inicjacja translacji,
    • elongacja translacji,
    • terminacja translacji,

    czyli odpowiednio: rozpoczęcie, kontynuacja i zakończenie translacji.








    Rysunek 4.3.2a. przedstawiający  budowę rybosomu.3.2. Inicjacja translacji polega na utworzeniu kompleksu translacyjnego, nazywanego czasami "maszyną translacyjną".



    Cząsteczka mRNA łączy się z podjednostkami rybosomu
    , który ustawia kodon startowy mRNA, czyli trójkę kodującą metioninę (lub u bakterii formylometioninę), w tzw. miejscu P. Rybosom może jednocześnie "odczytywać" dwa kolejne kodony mRNA, służą do tego miejsca P i A; jedynie w tych dwóch miejscach w rybosomie cząsteczki tRNA mogą łączyć się z komplementarnymi sekwencjami mRNA (antykodon tRNA z kodonem mRNA). Symbole P i A odnoszą się do przebiegu translacji i zostaną wyjaśnione w dalszym tekście.



    Rysunek nr 4.3.2b. przedstawiający inicjację translacji.Cząsteczka tRNA niosąca metioninę (posiadająca antykodon UAC komplementarny do kodonu startowego AUG), wchodzi do rybosomu w miejsce P i łączy się z mRNA. U wszystkich organizmów eukariotycznych kodonem startowym jest trójka kodująca metioninę, u organizmów prokariotycznych trójka kodująca pochodną metioniny, formylometioninę. Oznacza to, że każdy powstający polipeptyd ma (tuż po syntezie) odpowiednio metioninę lub formylometioninę na początku cząsteczki, które są odcinane podczas obróbki posttranslacyjnej.
























    Rysunek nr 4.3.3. przedstawiający elongację translacji.3.3. Elongacja translacji to faza procesu, w której tRNA donosi do rybosomu kolejne, zakodowane na matrycy mRNA aminokwasy i enzymy rybosomalne katalizują powstanie wiązań peptydowych pomiędzy aminokwasami. W czasie trwania tej fazy rybosom przesuwa się stopniowo względem mRNA, "odczytując" kolejne trójki nukleotydów.



    Cząsteczka tRNA niosąca drugi aminokwas wchodzi do rybosomu w miejsce A. Oczywiście antykodon tej cząsteczki musi być komplementarny do kodonu w mRNA.





    Nazwa "miejsce A" oznacza "miejsce aminokwasu", a konkretniej miejsce przyłączenia aminoacylo - tRNA, tRNA połączonego z komplementarnym aminokwasem. Natomiast termin "miejsce P" oznacza "miejsce polipeptydu", a raczej tRNA "dźwigającego" łańcuch polipeptydowy (peptydylo - tRNA).



    Budowa przestrzenna rybosomu, oraz cząsteczek tRNA umożliwia zbliżenie się grupy karboksylowej pierwszego aminokwasu do grupy aminowej drugiego aminokwasu. Specjalny enzym, obecny w dużej podjednostce rybosomu katalizuje reakcję powstania wiązania peptydowego.





    Pierwszy aminokwas, czyli metionina, tworząc wiązanie peptydowe z aminokwasem drugim, odłącza się od cząsteczki tRNA z miejsca P. Cząsteczka tRNA z miejsca A, która przyniosła do rybosomu drugi aminokwas, "dźwiga" teraz krótki peptyd (aminokwas pierwszy + aminokwas drugi) i pozostaje nadal połączona z mRNA.





    Uwolniona od aminokwasu pierwszego cząsteczka tRNA z miejsca P, opuszcza rybosom (w cytoplazmie specjalny enzym znowu przyłączy do niej metioninę).





    W miejscu P nie ma przez chwilę żadnej cząsteczki tRNA, rybosom może się przesunąć względem mRNA o jeden kodon (trzy nukleotydy). Po przesunięciu rybosomu tRNA z dwupeptydem znajduje się w miejscu P, zaś w miejscu A pojawia się kolejny odcinek kodu genetycznego (mRNA) do odczytania.



    Do kodonu mRNA znajdującego się w miejscu A przyłącza się kolejna cząsteczka tRNA niosąca trzeci aminokwas. Cykl powtarza się: dwupeptyd z miejsca P. przyłącza się do aminokwasu trzeciego, związanego z tRNA w miejscu A. Wolne tRNA z miejsca P opuszcza rybosom i wędruje do cytoplazmy po nowy aminokwas.

    Podsumowując, proces wydłużania łańcucha polipeptydowego składa się z czterech etapów:

    przyłączenie tRNA niosącego odpowiedni aminokwas w miejscu A
    "przeskoczenie" łańcucha peptydowego z miejsca P na aminokwas przyniesiony do miejsca A poprzez wytworzenie wiązania peptydowego pomiędzy już istniejącym polipeptydem a "nowoprzybyłym" aminokwasem,
    opuszczenie rybosomu przez wolne tRNA z miejsca P, które wędruje do cytoplazmy po nowy aminokwas,
    przesunięcie się rybosomu względem mRNA o trzy nukleotydy.














    3.4. Terminacja translacji, czyli zakończenie syntezy łańcucha polipeptydowego, następuje gdy rybosom dojdzie do jednej z trójek nonsensownych: UAA, UAG lub UGA. Żaden rodzaj tRNA nie łączy się z tymi trójkami. Kiedy więc w miejscu A w rybosomie pojawi się kodon nonsensowny, łańcuch polipeptydowy nie będzie miał gdzie "przeskoczyć". Rybosom staje. Do trójki nonsensownej przyłączają się białkowe czynniki uwalniające, łańcuch polipeptydowy zostaje odłączony od rybosomu, tRNA odłącza się od mRNA, rybosom dysocjuje na podjednostki dużą i małą.







 





  3.5. Obróbka posttranslacyjna. Produkt translacji to jeszcze nie jest gotowe białko. Polipeptydy powstające w tej reakcji ulegają potem obróbce, której stałym elementem jest odłączenie początkowej cząsteczki metioniny. Obróbka może polegać na fosforylowaniu lub metylowaniu polipeptydu, łączeniu kilku polipeptydów w funkcjonalną cząsteczkę białka o strukturze czwartorzędowej. Dodajmy, że struktury drugo - i trzeciorzędowa powstają samorzutnie gdyż są efektem struktury pierwszorzędowej, czyli składu aminokwasowego peptydu.