Biosynteza białka - ćwiczenia

Biosynteza białka

Biosynteza białka

Realizacja posiadanej informacji genetycznej polega na syntezie cząsteczki białka. Proces ten podzielony jest na etapy zachodzące w różnych miejscach na terenie komórki.

Etap 1. Transkrypcja

Transkrypcja to synteza nici RNA według informacji zapisanej w DNA, a konkretnie we fragmencie cząsteczki będącej genem. Można więc powiedzieć, że transkrypcja to kopiowanie genu. Proces zachodzi w jądrze komórkowym i ma na celu:

- stworzenie możliwie dużej ilości kopii, które stanowić będą matrycę do syntezy białka (w ten sposób jednocześnie może być syntetyzowana duża ilość takich samych cząsteczek białka).

- ochronę oryginału - czyli informacji zawartej na DNA - cząsteczka ta nie podlega już żadnym innym obróbkom podczas których mogłaby ulec uszkodzeniu, ani nie musi opuszczać bezpiecznego miejsca, jakim jest jądro komórkowe.

W procesie transkrypcji bierze udział enzym - polimeraza RNA.

Transkrypcja to przepisywanie fragmentu DNA (genu) na RNA. Zachodzi w jądrze komórkowym.

Przebieg procesu

1. Polimeraza RNA odnajduje na nici DNA odpowiednie miejsce, w którym rozpocznie się transkrypcja. Miejsce to nazywane jest promotorem i znajduje się w niewielkiej odległości przed genem. W tym miejscu enzym rozplata nić DNA. Warunkiem rozpoczęcia procesu jest związanie się polimerazy RNA z nicią DNA. Do tego potrzebne są substancje zwane czynnikami transkrypcyjnymi. Mogą one regulować „włączanie” i „wyłączanie” genu.

2. Jeśli odpowiednie warunki związane z czynnikami transkrypcyjnymi są spełnione, rozpoczyna się kopiowanie. Naprzeciwko nukleotydów nici DNA ustawiane są odpowiednie nukleotydy RNA. Podobnie jak przy replikacji obowiązuje tu zasada komplementarności, czyli naprzeciwko cytozyny ustawiana będzie guanina i na odwrót, a naprzeciwko tyminy - adenina. Tutaj uwaga: naprzeciwko adeniny wstawiany będzie uracyl (w RNA nie ma tyminy!). Nukleotydy RNA łączą się ze sobą (polimeryzacja) i powstaje nić RNA.

3. Po skopiowaniu odcinka DNA będącego genem, polimeraza RNA rozpoznaje odpowiednią sekwencję nukleotydów, która jest sygnałem do zakończenia transkrypcji. Miejsce to nazywane jest terminatorem. Tu polimeraza oddziela się od DNA i transkrypcja ulega zakończeniu.

Podstawianie kolejnych nukleotydów zachodzi według zasady komplementarności. Enzym katalizujący proces to polimeraza RNA.

Podczas transkrypcji kopiowaniu ulega fragment DNA od promotora do terminatora

4.W ten sposób powstały RNA przypomina produkt w stanie surowym, który wymaga jeszcze wykończenia, czyli obróbki potranskrypcyjnej. Wynika to z faktu, iż geny mają budowę nieciągłą, to znaczy, że fragmenty zawierające jakąś informację, czyli eksony, są poprzedzielane fragmentami nic nie kodującymi - intronami. Powstała w drodze transkrypcji nić RNA zawiera obydwa elementy i te niepotrzebne trzeba usunąć. Obróbka potranskrypcyjna polega więc na wycinaniu intronów. W efekcie pozostają tylko eksony. Dopiero teraz nić RNA może posłużyć za matrycę do syntezy białka - otrzymaliśmy tzw. matrycowy albo informacyjny RNA (mRNA)  

Etap 2. Translacja

Etap ten polega na „przetłumaczeniu” zakodowanej w nukleotydach informacji na język aminokwasów i zsyntetyzowaniu odpowiedniej cząsteczki białka. Zachodzi w cytoplazmie, więc mRNA musi wcześniej opuścić jądro (przechodzi przez pory w otoczce jądrowej). W biosyntezę białka bezpośrednio zaangażowane są rybosomy - drobne struktury komórkowe, występujące luźno w cytoplazmie lub związane z siateczką wewnątrzplazmatyczną. Zbudowane są z dwóch podjednostek - większej i mniejszej.

Translacja to synteza białka na podstawie informacji zawartej w mRNA.

Poza rybosomami ważnym elementem biorącym udział w procesie jest transportowy RNA. Jest to nieduża cząsteczka o bardzo charakterystycznym kształcie (w niektórych podręcznikach można spotkać porównanie do liścia koniczyny). W jej obrębie znajdują się dwa bardzo ważne miejsca:

- miejsce przyłączenia aminokwasu znajdujące się na wolnej końcówce

- antykodon znajdujący się w środkowej pętli. Jest to określona sekwencja trzech nukleotydów, różna u różnych tRNA. Ważne jest to, że rodzaj antykodonu decyduje o tym jaki aminokwas zostanie przyłączony - każdy rodzaj tRNA nosi tylko jeden aminokwas.

Podsumowując, do syntezy białka potrzeba:

- przepisu jak go zrobić - jest nim skopiowany gen w postaci mRNA

- surowca - czyli aminkwasów. Te „przyprowadzane” są przez odpowiednie rodzaje tRNA

- urządzenia do produkcji - czyli rybosomów

- energii i odpowiednich enzymów.

Przebieg procesu

1. Początek, czyli inicjacja translacji to złożenie tzw. maszyny translacyjnej:

a) mała podjednostka rybosomu przyłącza początek nici mRNA oraz strartowy tRNA. Jest to tRNA niosący metioninę (to nazwa aminokwasu) i mający antykodon UAC. mRNA i tRNA ustawiają się w taki sposób, że naprzeciwko antykodonu tRNA (UAC) znajduje się komplementarny doń kodon mRNA. Łatwo domyślić się, że kodon ten to AUG - nazywany kodonem startowym i sygnalizujący początek genu (transkrypcja obejmowała trochę dłuższy odcinek i zaczynała się trochę przed genem, czyli w promotorze);

b) na końcu dołącza się duża podjednostka rybosomu.

2. Dalszy etap to synteza łańcucha aminokwasów, czyli elongacja.

a) W rybosomie znajdują się miejsca na dwa tRNA - jedno jest więc w tej chwili wolne. W to wolne miejsce wchodzi tRNA niosący kolejny aminokwas (na naszym schemacie jest to alanina, ale może być każdy inny). Warunek: jego antykodon musi być komplementarny do kodonu znajdującego się za AUG. Ustawienie się drugiego tRNA obok pierwszego zbliża do siebie aminokwasy, pomiędzy którymi wytwarza się wiązanie peptydowe

 b) Kompleks tRNA-metionina rozpada się. Uwolniony tRNA wraca do cytoplazmy, a na jego miejsce wchodzi tRNA obecny obok w rybosomie (czyli w naszym przypadku ten, który przyniósł alaninę). Razem z nim przesuwa się cała nić mRNA i w obrębie rybosomu pojawia się nowy wolny kodon, a naprzeciw niego wolne miejsce dla nowego tRNA.

c) W wolne miejsce wchodzi następny tRNA, oczywiście pod warunkiem, że jego antykodon pasuje do kodonu (w naszym przypadku jest to lizyna) i cały cykl powtarza się od początku.

Podsumowując: elongacja polega na powtarzającym się cyklu wydarzeń:

- wejściu tRNA w wolne miejsce do rybosomu i związaniu jego antykodonu z kodonem na mRNA

- wytworzeniu wiązania peptydowego między dwoma sąsiednimi aminokwasami

- oddzieleniu się wcześniej przybyłego tRNA od aminokwasu i jego powrotu do cytoplazmy

- przesunięciu się świeżo przybyłego tRNA na miejsce starego wraz z nicią mRNA i zwolnienie miejsca dla następnego tRNA niosącego aminokwas.

3. Zakończenie translacji, czyli terminacja.

W momencie, gdy na nici mRNA pojawi się jeden z trzech kodonów nonsensownych (inaczej nazywane są one kodonami STOP) następuje zakończenie procesu syntezy białka. Do kodonów nonsensownych nie pasują żadne antykodony (nie ma tRNA o odpowiednich antykodonach). Następuje wtedy odłączenie łańcucha aminokwasów i rozpad rybosomu na podjednostki.

4. Otrzymany polipeptyd (= łańcuch aminokwasów) nie jest jeszcze gotową cząsteczką białka (znowu mamy do czynienia z produktem w stanie surowym, wymagającym wykończenia). Dalsze przekształcenia polegają na wycięciu niektórych fragmentów łańcucha (zwłaszcza początkowego fragmentu - nie wszystkie białka zaczynają się przecież od metioniny), dołączeniu innych cząsteczek (np. glukozy lub reszty kwasu fosforowego) i odpowiednim zwinięciu łańcucha. Dopiero po tych procesach zwanych obróbką potranskrypcyjną otrzymujemy gotowe białko.

Translacja rozpoczyna się od kodonu startowego AUG i kończy na kodonie STOP.

Aminokwasy, przyprowadzane przez tRNA, ustawiane są w kolejności zgodnej z wyznaczającymi je kodonami na mRNA. Jest to możliwe dzięki dopasowywaniu się antykodonów tRNA do kodonów na mRNA.