Definicja Biosynteza kwasów nukleinowych i białek

Co to jest: Kwasy nukleinowe są nośnikami informacji genetycznej. By ta wiadomość mogła być wykorzystana, musi nastąpić jej powielenie. U większości organizmów podstawową matrycę stanowi DNA. Tylko u nielicznych wirusów matrycą jest RNA (przekopiowany i tak w komórce gospodarza na jego DNA). Gdy komórka dzieli się na komórki potomne, cząsteczka DNA skopiowana jest w całości – ulega wtedy replikacji. Może być także skopiowany fragment DNA zawierający informację o jednym albo kilku białkach – zachodzi wtedy transkrypcja. Translacja prowadzi do syntezy białka. Fragment łańcucha DNA Replikacja DNA polega na podwojeniu cząsteczki DNA, a więc jej replikowaniu przez polimeryzację nowych łańcuchów na matrycy, którą jest każdy z łańcuchów istniejącego już DNA. Stąd replikacja jest procesem semikonserwatywnym– każda potomna cząsteczka uzyskuje jeden łańcuch z rodzicielskiej cząsteczki DNA i drugi nowo syntetyzowany. Mechanizm poprzedza rozerwanie wiązań wodorowych w podwójnej helisie poprzez białka enzymatyczne, co skutkuje rozplecenie DNA i utworzenie tak zwany oczek replikacyjnych. Replikacja rozpoczyna się w wielu ściśle określonych miejscach równocześnie i przesuwa się od tych miejsc wzdłuż obu nici w przeciwnych kierunkach. W powiększających się oczkach replikacyjnych, dzięki rozdzielaniu się dwóch rodzicielskich nici DNA, po obu stronach tworzą się tak zwany widełki replikacyjne. Do miejsc początku replikacji przyłączane są krótkie łańcuchy RNA, tak zwany startery, do których następnie enzym polimeraza DNA dołącza trifosforany nukleozydów, wedle zasadą komplementarności zasad w stosunku do macierzystej nici DNA. Hydroliza dwóch spośród trzech wiązań wysokoenergetycznych każdego nukleozydu dostarcza energii na wytworzenie wiązań pomiędzy kolejnymi nukleotydami. Łańcuchy syntetyzowane są zawsze w kierunku 5’→ 3’, stąd z racji na antyrównoległość nici polinukleotydowych macierzystego DNA jedna z nowych nici, zwana wiodącą, tworzona jest w sposób ciągły, z kolei druga, zwana opóźnioną, powstaje z wielu fragmentów ( tak zwany fragmenty Okazaki), nie mniej jednak każdy z takich łańcuchów nukleotydowych wymaga osobnego startera. Poszczególne odcinki są następnie łączone przy udziale enzymu ligazy w większy fragment. Gdy przesuwające się widełki replikacyjne różnych oczek obejmą cały DNA, poszczególne części nici wiodącej i opóźnionej zostają połączone. Jednocześnie usuwane są startery z nici opóźnionej i uzupełniane brakujące nukleotydy w miejscach łączenia w obrębie każdej nici. (Rys. Replikacja DNA) Zasady replikacji DNA w komórkach eukariotycznych i prokariotycznych są podobne i dotyczą każdego rodzaju DNA. Replikacja wymaga współdziałania z polimerazą DNA wielu białek regulatorowych w obrębie widełek replikacyjnych. Część z nich uczestniczy w naprawie ewentualnych błędów powstałych w czasie replikacji, które mogą być powodem mutacji. Ekspresja informacji genetycznej obejmuje transkrypcję i translację i prowadzi do zsyntetyzowania określonego białka. wiadomość genetyczna zakodowana jest w określonej sekwencji czterech zasad azotowych w łańcuchu polinukleotydowym. Współzależność pomiędzy sekwencjami zasad w DNA ( albo mRNA powstałym z powodu transkrypcji) a sekwencją aminokwasów w białku określona jest mianem kodu genetycznego. Zatem w sekwencji zasad azotowych (( albo nukleotydów, które zawierają poszczególne zasady) zaszyfrowana jest wiadomość o sekwencji aminokwasów w białku. Kod genetyczny jest:– trójkowy – trzy sąsiadujące ze sobą nukleotydy określają każdy aminokwas (( tak zwany kodon);– bezprzecinkowy – sekwencja zasad jest odczytywana kolejno, poczynając od określonego punktu startowego, tzn. kodony nie są w jakikolwiek sposób oddzielone od siebie;– niezachodzący – kodony leżą kolejno jeden za drugimi nie mają przedmiotów wspólnych, tzn. nukleotyd z danego kodonu nie może należeć do kodonu sąsiedniego;– jednoznaczny – jedna trójka nukleotydów koduje tylko jeden aminokwas;– zdegenerowany – jeden aminokwas może być kodowany poprzez kilka różnych kodonów;– kolinearny – kolejność ułożenia kodonów w łańcuchu polinukleotydowym kwasu odpowiada kolejności ułożenia aminokwasów w białku;– uniwersalny – zasady kodowania i znaczenie kodonów są takie same u wszystkich organizmów; uniwersalność kodu nie jest jednak absolutna (na przykład kilka kodonów w mitochondrialnym DNA koduje inne aminokwasy niż takie same kodony z jądrowego DNA). Kod genetyczny U C A G U UUU Fenyloalanina UUC Fenyloalanina UUA Leucyna UUG Leucyna UCU Seryna UCC Seryna UCA Seryna UCG Seryna UAU Tyrozyna UAC Tyrozyna UAA STOP UAG STOP UGU Cysteina UGC Cysteina UGA STOP UGG Cysteina U C A G C CUU Leucyna CUC Leucyna CUA Leucyna CUG Leucyna CCU Prolina CCC Prolina CCA Prolina CCG Prolina CAU Histydyna CAC Histydyna CAA Glutamina CAG Glutamina CGU Arginina CGC Arginina CGA Arginina CGG Arginina U C A G A AUU Izoleucyna AUC Izoleucyna AUA Izoleucyna AUG Metionina/START ACU Treonina ACC Treonina ACA Treonina ACG Treonina AAU Asparagina AAC Asparagina AAA Lizyna AAG Lizyna AGU Seryna AGC Seryna AGA Arginina AGG Arginina U C A G G GUU Walina GUC Walina GUA Walina GUG Walina GCU Alanina GCC Alanina GCA Alanina GCG Alanina GAU Asparaginian GAC Asparaginian GAA Glutaminian GAG Glutaminian GGU Glicyna GGC Glicyna GGA Glicyna GGG Glicyna U C A G Na marginesie z lewej strony zaznaczono pierwszą literę kodonu, u góry drugą, na marginesie z prawej strony trzecią. Pod trójkami nukleotydów oznaczających kodon podano odpowiadające im nazwy aminokwasów (zamieszczono trójki nukleotydów mRNA). Transkrypcja polega na przekopiowaniu informacji genetycznej z matrycy, jaką stanowi DNA na RNA. Cząsteczki RNA są zatem komplementarne do fragmentu jednej z dwóch nici DNA. Wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane poprzez polimerazy RNA. Mechanizm rozpoczyna się od rozpoznania poprzez polimerazę RNA miejsca zwanego promotorem i silnego z nim związania. Następnie polimeraza przesuwa się wzdłuż jednej z nici DNA w kierunku 3’→ 5’, rozplatając przed sobą jego dwuniciową helisę. W odróżnieniu do syntezy DNA nie jest potrzebny żaden starter. Przesuwająca się polimeraza katalizuje tworzenie się wiązań pomiędzy kolejnymi trifosforanami nukleotydów układanymi komplementarnie do kopiowanej nici DNA w kierunku 5’ → 3’. Zatem syntetyzowana nić RNA jest antyrównoległa do nici DNA będącej jej matrycą ((( tak zwany nici kodującej). Energii potrzebnej do przebiegu reakcji dostarczają wysokoenergetyczne wiązania trifosforanów nukleozydów. Transkrypcja trwa do miejsca o charakterystycznej sekwencji nukleotydów wyznaczającego terminację. W odłączeniu nici RNA od DNA uczestniczy polimeraza RNA lub ((( tak zwany białko ρ (ro). Synteza następnej cząsteczki RNA rozpoczyna się zwykle jeszcze przed zakończeniem poprzedniej, stąd sposobność stworzenia wielu kopii RNA z jednego genu w krótkim czasie. Powstające z powodu transkrypcji cząsteczki RNA mogą pełnić różną funkcję w czasie syntezy białka. Transkrypcja Informacyjny RNA (mRNA) bezpośrednio kieruje syntezą, bo w sekwencji swoich nukleotydów ma zakodowaną informację o sekwencji aminokwasów w białku. Cząsteczki mRNA mają nić prostą, złożoną nawet z kilku tys. nukleotydów. W komórkach eukariotycznych mRNA koduje zazwyczaj syntezę jednego łańcucha polipeptydowego białka, z kolei w prokariotycznych kilku białek. Ponadto, bo geny eukariotyczne składają się z sekwencji kodujących białko ( ((( tak zwany eksonów) i z sekwencji niekodujących białka (( ((( tak zwany intronów) w czasie obróbki posttranskrypcyjnej z utworzonej cząsteczki RNA ((( ((( tak zwany pre-mRNA) wycinane są introny, a eksony łączone w cząsteczkę mRNA, która dopiero wtedy opuszcza jądro. Rybosomalny RNA (rRNA) jest kluczowym składnikiem rybosomów. Uczestniczy w biosyntezie białka, pełniąc funkcje katalityczne i strukturalne. Transportujący RNA (tRNA) przenosi zaktywowane aminokwasy do rybosomów. Złożona jest z ok. 80 nukleotydów. Ma unikatową strukturę przestrzenną, w której wyróżnia się dwuniciowe helisy, powstałe w efekcie pozaginania nici polinukleotydowej i wytworzenia wiązań wodorowych na niektórych odcinkach, pomiędzy komplementarnymi, a więc sparowanymi zasadami azotowymi. W powstałej strukturze, określanej mianem „liścia koniczyny”, tworzą się pętle zawierające nukleotydy niesparowane. Odpowiadają one za podłączenie właściwego aminokwasu najpierw do końca 3’ tRNA, a następnie do tworzącej się na rybosomach nici polipeptydowej. Najistotniejsza jest pętla antykodonowa, zawierająca ((( ((( tak zwany antykodon, jest to trójkę nukleotydów ,która umożliwia rozpoznanie kodonów mRNA. Cząsteczka tRNA Translacja polega na przetłumaczeniu informacji genetycznej zawartej w sekwencji nukleotydów w mRNA na sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym białku. Mechanizm translacji poprzedza aktywacja aminokwasu kosztem energii pochodzącej z ATP przy udziale enzymu, który rozpoznaje i przyłącza odpowiedni aminokwas do właściwego tRNA. Mechanizm ten nosi nazwę aminoacylacji, z kolei tRNA z przyłączonym aminokwasem określany jest jako aminoacylo-tRNA. W translacji można wyróżnić trzy etapy: inicjację, elongację i terminację. w czasie inicjacji mała i spora podjednostka rybosomu łączą się, obejmując nić mRNA. Jednocześnie do kodonu startowego o sekwencji AUG kodującej metioninę przyłącza się transportujący cząsteczkę metioniny tRNA, ((( ((( tak zwany inicjatorowy tRNA, który zawsze rozpoczyna syntezę białka. z racji na to, iż w rybosomie mieszczą się jednocześnie dwie cząsteczki aminoacylo-tRNA, dlatego także do rybosomu wchodzi druga cząsteczka tRNA, której antykodon jest komplementarny do kodonu kolejnego za kodonem startowym. pomiędzy metioniną a aminokwasem przyłączonego do drugiego tRNA powstaje wiązanie peptydowe, kosztem energii z GTP. Teraz tRNA, który przenosił metioninę, odłącza się i opuszcza rybosom, a mRNA przesuwa się o trzy nukleotydy, co skutkuje, iż do rybosomu wchodzi nowa cząsteczka tRNA, związana z następnym aminokwasem o antykodonie odpowiadającym trzeciemu kodonowi na mRNA. Tworzy się wiązanie peptydowe pomiędzy drugim a trzecim aminokwasem. Następuje odłączenie tRNA od drugiego aminokwasu, mRNA przesuwa się o następny kodon,do którego w rybosomie przyłącza się kolejny odpowiedni aminoacylo-tRNA. Mechanizm ten zwany elongacją prowadzi do wydłużenia się łańcucha polipeptydowego. Zostaje zakończony,gdy na przesuwającym się poprzez rybosom mRNA pojawi się jeden z trzech kodonów STOP (UAA, UAG, UGA), które nie są rozpoznawane poprzez jakikolwiek tRNA. Z kodonami tymi wiążą się ((( ((( tak zwany czynniki uwalniające, które powodują odłączenie od utworzonego łańcucha polipeptydowego ostatniego tRNA i rozpad rybosomu na podjednostki. Faza ten to terminacja. Translacja (wg Zadania maturalne z biologii, WSiP, 1999) w czasie obróbki posttranslacyjnej pierwszy aminokwas łańcucha polipeptydowego – metionina – może być odcięty, a powstałe białko ulega różnym modyfikacjom chemicznym, z powodu których powstaje jego struktura przestrzenna. Mechanizm biosyntezy kwasów nukleinowych i białek jest procesem wymagającym znacznych nakładów energetycznych w formie ATP. Regulacja ekspresji genówWytwarzanie białek może być regulowane na różnych etapach transkrypcji, wycinania intronów z RNA, aktywacji (( albo inaktywacji wytworzonych białek. Najsilniejsza regulacja dzieje się na kroku transkrypcji, przede wszystkim w czasie inicjacji tego procesu. Prawie wszystkie geny, prócz promotora, mają sekwencje regulatorowe DNA, z którymi wiążą się białka regulatorowe, hamujące (( albo aktywujące transkrypcję ( ((( ((( tak zwany represory i aktywatory). Powiązanie mechanizmów replikacji, transkrypcji i translacji U bakterii sekwencje regulatorowe, do których przyłączają się białka regulatorowe, znajdują się bezpośrednio za promotorem (miejscem przyczepu polimerazy RNA) i noszą nazwę operatora. Regularnie u bakterii jeden promotor inicjuje transkrypcję kilku genów, które zazwyczaj kodują białka enzymatyczne z jednego szlaku biochemicznego. Promotor razem z takimi genami i operatorem tworzą ( ((( ((( tak zwany operon. Odpowiednikiem może być operon tryptofanowy. Jego działanie opiera się na następującej zasadzie. Pobierany z podłoża tryptofan łączy się z represorem, co skutkuje podłączenie się takiego represora do sekwencji regulatorowej, a więc do operatora, i zablokowanie promotora – brak produkcji własnego tryptofanu. W razie braku tryptofanu promotor inicjuje transkrypcję genów kodujących enzymy potrzebne do syntezy tryptofanu poprzez bakterię. Pozwala to bakterii adaptować się do zmieniających się warunków środowiska. z kolei w razie operonu laktozowego podłączenie się laktozy, która pojawiła się w podłożu do represora, dezaktywuje białko represorowe. Jego odłączenie się od operatora umożliwia transkrypcję, a następnie syntezę enzymów rozkładających laktozę. W komórkach eukariotycznych sekwencje regulatorowe są regularnie znacznie oddalone od promotora. W kontroli ekspresji jednego genu uczestniczy sporo białek, a sam mechanizm jest bardziej złożony. U organizmów wielokomórkowych wytwarzanie różnych białek regulatorowych w różnych komórkach umożliwia ich różnicowanie się. Zapamiętaj Dokładne podwojenie się cząsteczki DNA zapewnia komplementarność zasad: A = T i C ≡ G Każda z macierzystych nici polinukleotydowych DNA służy jako matryca dla nici potomnej w czasie replikacji. Stąd to jest replikacja semikonserwatywna. Replikacja przebiega w wielu miejscach i stopniowo obejmuje całą cząsteczkę DNA. Transkrypcja to przepisanie określonej części sekwencji nukleotydów DNA stanowiącej gen na sekwencje nukleotydowe RNA. Transkrypcja polega na przekopiowaniu informacji genetycznej z matrycy, jaką stanowi DNA, na RNA. Cząsteczki RNA są zatem komplementarne do fragmentu jednej z dwóch nici DNA. Powstające z powodu transkrypcji cząsteczki RNA mogą pełnić różną funkcję w czasie syntezy białka. Odwrotna transkrypcja to spowodowany poprzez retrowirusy (ich materiałem genetycznym jest RNA) mechanizm odtwarzania komplementarnej cząsteczki DNA na matrycy RNA wirusa, poprzez enzym zwany odwrotną transkryptazą. Translacja polega na przetłumaczeniu informacji genetycznej zawartej w sekwencji nukleotydów w mRNA na sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym białku. mechanizm translacji poprzedza aktywacja aminokwasu. mechanizm ten nosi nazwę aminoacylacji, z kolei tRNA z przyłączonym aminokwasem określany jest jako aminoacylo-tRNA. Biosynteza białek dzieje się na rybosomach. Operon to zestaw wspólnie transkrybowanych i regulowanych genów u bakterii. W skład pojedynczego operonu wchodzą: – promotor i operator (dwa odcinki DNA, niekodujące białko) – geny kodujące białka. Przykładowe operony: – operon laktozowy (regulacja szlaków katabolicznych) – operon tryptofanowy(regulacja szlaków anabolicznych).