Transkrypcja i translacja białek

Białka w naszym organizmie tworzą się dzięki ekspresji genów. Zawarta w nich informacja jest odszyfrowywana i używana do wytwarzania białek. Mimo, iż sekwencja zasad w DNA określa jednoznacznie kolejność aminokwasów w białku, to informacja ta nie jest wykorzystywana bezpośrednio. Pośrednikiem jest kwas rybonukleinowy - RNA. Proces ekspresji genów dzieli się na dwa etapy: transkrypcję (przepisywanie) i translację (tłumaczenie). Pierwszy proces: Zaczyna się od wytworzenia polimerazy RNA. Enzymy, które składają się z trifosforanów. Proces rozpoczyna się od rozpoznania przez polimerazę RNA specyficznej sekwencji zasad, zwanej rejonem promotorowym lub promotorem (znajduje się przeważnie tuż przed początkiem genu). DNA ma dwie nici, transkrypcja jednego kawałka powoduje powstanie innego białka jak transkrypcja drugiej. Z kolejnych trifosforanów nukleotydów usuwane są dwie reszty fosforanowe podczas przyłączania podjednostek do końca 3'. O sekwencji zasad w genie lud transkrybowanym na nim mRNA mówimy, że leży powyżej lub poniżej w stosunku do przyjętego miejsca odniesienia. Kryterium jest tu kierunek transkrypcji. Przeciwbieżnie w stosunku do siebie są transkrybowana nić DNA i komplementarna do niej nić RNA. Po transkrypcji, czyli utworzeniu łańcucha z polimeraz RNA, proces musi się w odpowiednim momencie skończyć. O zakończeniu (terminacji) transkrypcji decyduje zestaw specyficznej sekwencji zasad. Całkowity bakteryjny mRNA obok sekwencji zasad kodującej białko zawiera sekwencje dodatkowe. Polimaraza RNA rozpoczyna transkrypcję genu od miejsca położonego powyżej sekwencji kodującej białko. Ta część początek do sekwencji kodującej - sekwencja liderowa - sygnały rozpoznawcze dla rybosomu, umożliwiają właściwe umiejscowienie na mRNA, dalej sekwencja kodująca białko, dalej występuje sekwencja zasad, kodon terminacyjny, która przekazuje sygnał zakończenia procesu translacji.
Translacja (tłumaczenie) - synteza białka, przekształcenie 4-literowego kodu zasad w kwasach nukleinowych w 20-aminokwasowy alfabet białek. Aminokwasy w białkach połączone są między grupami: karboksylową i aminową. Wytworzenie wiązania peptydowego to tylko jedna strona procesu. Aminokwasy muszą zostać połączone z zachowaniem właściwej sekwencji, określonej przez kodomy w mRNA. Jednak różnice strukturalne pomiędzy łańcuchem polinukleotydowym a łańcuchem polipeptydowym są tak wielkie, iż wykluczają możliwość określenia ,kolejności aminokwasów za pomocą bezpośredniego oddziaływania tych ostatnich z mRNA. Francis Crick odkrył, że tymi adaptorami są cząsteczki transportujących RNA (tRNA), DNA zawiera specjalne geny, które są transkrybowane na cząsteczki tRNA. Przed włączeniem aminokwasu w łańcuch polipeptydowy, musi aminokwas być dołączony do tRNA Połączenie aminokwasów z tRNA umożliwiają enzymy: syntetazy aminocylo-tRNA, (Źródło energii - ATP). Powstałe związki kompleksowe noszą nazwę: aminoacytlo tRNA. Są one w stanie łączyć się z mRNA. tRNA: musi być rozpoznawany przez właściwy enzym, musi mieć rejon, gdzie przyłączy się aminokwas, musi być rozpoznawany przez rybosom, musi mieć antykodon, specjalną sekwencję wiążącą, komplementarną do danego kodonu w mRNA. grupa karboksylowa aminokwasu wiąże się z grupą wodorotlenową i w ten sposób zostaje przyłączony aminokwas do tRNA. na końcówce 3'. Trójka zasad pełniąca funkcję antykodonu znajduje się w środku drugiej pętli. Proces tworzenia białka zachodzi w rybosomie. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek: większej i mniejszej. W każdym rybosomie znajdują się dwa zagłębienia, zwane miejscami A i P. Są to miejsca wiązania cząsteczek tRNA. Nazwa A pochodzi stąd, iż wiąże się w nim cząsteczka aminoacylo-tRNA. Miejsce P to miejsce, gdzie tworzy się łańcuch polipeptydowy. Funkcją rybosomu w tworzeniu białek jest utrzymywanie matrycy mRNA, cząsteczki aminoacylo-tRNA i wydłużającego się łańcucha peptydowego we właściwym ułożeniu, tak, aby umożliwione było odczytywanie kodu genetycznego i tworzenie wiązań peptydowych. Proces translacji obejmuje 3 etapy: inicjację, elongację i terminację. Proces inicjacji składa się z kilku stadiów i wymaga udziału białek zwanych czynnikami inicjacyjnymi. Rozpoczyna się od dołączenia do mniejszej podjednostki rybosomu specjalnej cząsteczki inicjatorowego metionylo-tRNA. We wszystkich organizmach kodonem inicjacyjnych w syntezie białka jest AUG (koduje aminokwas metionina). U e.Coli są dwa rodzaje tRNA rozpoznające kodon AUG: inicjatorowy i normalny tRNA. Po dołączeniu inicjatorowego cząsteczka metioniny jest modyfikowana: na końcu do grupy aminowej dołącza się grupa kwasu mrówkowego. Na końcu każdej cząsteczki białka syntezowanej w komórce E.Coli: zmodyfikowany aminokwas N-formylometionina. Jest to pierwszy aminokwas łańcucha polipeptydowego. Jeżeli kodon AUG jest wewnątrz sekwencji kodującej: normalny metionylo-tRNA. Po dołączeniu inicjatorowego N-formylometionylo-tRNA do mniejszej podjednostki, za pomocą specjalnej sekwencji rozpoznającej rybosom, znajdującej się niedaleko końca 5' mRNA, powyżej sekwecji kodującej białko, ustawiane są naprzeciwko siebie antykodon inicjatorowego tRNA i kodon AUG w mRNA. Z powstałym kompleksem łączy się większa podjednostka, tworząc kompletny rybosom. Dodawanie kolejnych aminokwasów do łańcucha polipeptydowego - elongacja. Inicjatorowy tRNA wiąże się w miejscu P. A jest wolne. Dołącza się tam aminoacytlo tRNA, którego antykodon odpowiada kodonowi na mRNA. Do wiązania potrzebna jest energia. Dostarczana ona jest przez GTP (guanozynotrifosforan). Grupa aminowa z tRNA w pkt A jest blisko grupy karboksylowej tRNA w P. Reakcja spontaniczna, Aminokwas z P przyłączony do tRNA w A. Synteza białka zachodzi zawsze od końca aminowego do końca karboksylowego wydłużającego się łańcucha DNA. Po utworzeniu wiązania cząsteczka tRNA zostaje usunięta z miejsca P. Może się połączyć z cząsteczką aminokwasu. Rybosom przesuwa się w kierunku końca 3'. Na miejsce P wchodzi łańcuch peptydowy wraz ze swoim tRNA. Translacja zachodzi więc zawsze od końca 5' do końca 3'. Tworzenie jednego wiązania peptydowego zajmuje 1/20 sekundy. Synteza cząsteczki białka przeciętnego rozmiaru (składającej się z około 360 aminokwasów) trwa więc zaledwie 18 sekund. kodony terminacyjne na mRNA: UAA, UGA, UAG, nie kodują żadnego aminokwasu, są sygnałami stop. Rozpoznanie tego kodu powoduje rozdysocjowanie rybosomu na dwie części, które mogą dalej być użyte do wytworzenia kompleksu inicjującego z udziałem nowej mRNA