EKSPRESJA GENÓW

Wyróżniamy 3 procesy przekazywania informacji:

• replikacja (DNA-DNA)

• transkrypcja (DNA-RNA)

• translacja (RNA-białko)

Gen - jest to strukturalna jednostka DNA odpowiedzialna za wykształcenie określonej cechy. Innymi słowy mówiąc jest to fragment DNA, zawierający sekwencje kodujące odpowiedni polipeptyd lub RNA. W skład genu wchodzą:

• sekwencja wzmacniająca,

• promotor,

• miejsca inicjacji i terminacji, transkrypcji,

• właściwa sekwencja kodująca ograniczona miejscami początku i końca translacji.

KOD GENETYCZNY

Reguła, według której informacja genetyczna, zawarta w sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego (DNA lub RNA), w komórkach wszystkich organizmów może ulegać „tłumaczeniu” na kolejność (sekwencję) aminokwasów w ich białkach (w procesie biosyntezy

białek, czyli translacji).

Schemat kodu genetycznego:

• kodony należy odczytywać poczynając od środkowego pierścienia; jak widać, np. kodonowi UGG odpowiada tryptofan (skrót: Trp), zaś alaninę (skrót: Ala) kodują cztery kodony zaczynające się od GC i zawierające dowolny nukleotyd na trzeciej pozycji kodonu (A, C, G lub U);

• podane kodony występują w mRNA aby uzyskać ich postać typową dla DNA, należy każdy U na tym schemacie zastąpić przez T.

• Ponadto trzem kodonom ("UAA", "UAG" i "UGA") nie odpowiadają żadne aminokwasy.

• Kodony te, zwane nonsensownymi albo kodonami STOP, kodują polecenie przerwania biosyntezy peptydu (białka). Jeśli więc powyższa sekwencja miałaby oznaczać końcowy odcinek jakiegoś białka to mogłaby mieć postać "AAAAAAUAA", gdzie "UAA" jest kodonem STOP.

Cechy kodu genetycznego

• jest trójkowy - podstawową jednostką informacyjną w DNA jest zawsze trójka leżących obok siebie nukleotydów zwana tripletem lub kodonem, która koduje tylko jeden aminokwas,

• jest niezachodzący - ten sam nukleotyd nie jest składnikiem sąsiadujących trójek, ale tylko jednej,

• jest bezprzecinkowy - nie istnieją nukleotydy spełniające rolę znaku przestankowego oddzielającego kodony,

• jest jednoznaczny - dana trójka nukleotydów koduje zawsze jeden i ten sam rodzaj aminokwasu,

• jest z reguły uniwersalny - u wszystkich organizmów roślinnych i zwierzęcych np. triplet AAG koduję lizynę (u bakterii, płazów i ssaków). Wyjątek drożdże, u których niektóre kodony oznaczają inne aminokwasy,

• jest kolinearny − kolejność ułożenia aminokwasów w białku jest wiernym odzwierciedleniem ułożenia odpowiednich kodonów na matrycy RNA,

• jest zdegenerowany - dany aminokwas może być kodowany przez więcej niż jeden kodon.

Ekspresja genu - proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi formami RNA.

Proces ten zachodzi w kilku etapach:

• zainicjowanie transkrypcji genu przez czynniki transkrypcyjne,

• utworzenie pre-mRNA (mRNA z zachowanymi intronami),

• wycinanie intronów i tworzenie mRNA,

• transport mRNA z jądra komórkowego do retikulum endoplazma tycznego,

• połączenie z rybosomem i transkrypcja białka,

• fałdowanie białka (nabywanie struktury trzeciorzędowej białka),

• modyfikacje potranslacyjne, np. glikozylacja, fosforylacja,

• przemieszczenie białka do właściwej pozycji (np. błony komórkowej, mitochondriom.

.

Biosynteza białka składa się z 2 etapów: transkrypcji i translacji.

TRANSKRYPCJA

• to proces przepisywania informacji genetycznej z DNA na mRNA, a precyzyjniej to proces syntezy mRNA na matrycy DNA przy udziale polimerazy RNA,

• matryca jest odczytywana w kierunku 3' → 5', a nowa cząsteczka RNA powstaje w kierunku 5' → 3',

• przeprowadzają one syntezę RNA na nici DNA po rozpoznaniu specyfiki sekwencji zasad tzw. rejonu promotorowego (promotora), według określonych odcinków DNA zwanych egzonami, w których zawarte są sekwencje kodujące,

• odcinki eksonów w licznych przypadkach są przedzielone odcinkami niekodującymi, tzw. sekwencjami ingerującymi, czyli intronami,

• w procesie transkrypcji powstają:

• tzw. informacyjny, czyli matrycowy RNA - mRNA,

• rybosomowy RNA - rRNA,

• przenoszący RNA - tRNA.

Ryc. Schemat przebiegu transkrypcji.

Przebieg transkrypcji

• enzym polimeraza RNA przyłącza się do DNA w odpowiednim miejscu(kaseta TATA), które inicjalizuje cały mechanizm, zwanym promotorem,

• promotor wyznacza początek genu i jest także miejscem, w którym DNA ulega lokalnemu rozwinięciu na dwie nicie:

• nić sensowną, gdyż sekwencja RNA będzie identyczna do niej (w miejscu T będzie U),

• nić matrycową - stanowi matryce, do której polimeraza RNA przyłącza komplementarne rybonukleotydy z końcem 3' powstającego RNA,

• zatem transkrypcja zachodzi w kierunku 5'→3',

• miejsce pierwszej zasady azotowej syntetyzowanego RNA oznacza się jako pozycję +1 i nazywa się miejscem startu,

• przesuwanie się enzymu powoduje dalsze rozplątywanie się helisy DNA i kontynuację procesu syntezy RNA zgodnie ze strukturą nici matrycowej.,

• prędkość przesuwania się polimerazy wynosi około 40 zasad na sekundę,

• synteza RNA kończy się w miejscu zwanym terminatorem,

• fragment ten często zawiera względem siebie sekwencje komplementarne, które tworzą pętle i powodują zatrzymanie polimerazy,

• niektóre terminatory wymagają dodatkowego czynnika białkowego, aby zakończyć proces,

• połączone łańcuchy DNA i RNA rozdzielają się w reakcji terminacji, po czym DNA wraca to swojej pierwotnej, zwiniętej postaci, a polimeraza RNA i nowopowstałe RNA stają się wolne.

TRANSLACJA

• rozpoczyna mechanizm ekspresji genów, który ostatecznie prowadzi do syntezy białka kodowanego przez gen,

• jest to proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA,

• odbywa się w cytoplazmie lub na błonach szorstkiej siateczki wewnątrzplazmatycznej

• składa się z 4 faz:

• aktywacji,

• inicjacji,

• elongacji,

• germinacji.

Przebieg translacji

• w aktywacji właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego - taki zespół określa się mianem aminoacylo-tRNA

• u eukariota prawie zawsze kodonem inicjacyjnym jest AUG, więc pierwszym podstawionym w łańcuchu białkowym aminokwasem jest metionina,

• inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA - sekwencja ta nazywana jest liderową, inaczej liderem,

• do małej podjednostki przyłącza się duża podjednostka rybosomu - na podjednostce dużej uaktywniają się dwa miejsca: P - miejsce peptydowe i A - miejsce akceptorowe,

• pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P, a elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A,

• następnie proces translacji zachodzi na zasadzie komplementarności kodonu mRNA z antykodonem na tRNA,

• po syntezie, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei aminoacylo-tRNA ulega przesunięciu z miejsca A na miejsce P - proces ten nazywamy translokacją. Jednocześnie przesuwa się także mRNA.,

• wielkość tego przesunięcia wynosi zawsze trzy nukleotydy

• na miejsce A nasuwa się nowy tRNA zawierający antykodon odpowiadający kolejnemu kodonowi na mRNA i proces elongacji powtarza się aż do napotkania przez podjednostkę mniejszą rybosomu w miejscu A kodonu stop (UAA, UAG lub UGA) - tych trójek kodonowych, w normalnych warunkach, nie koduje żaden tRNA,

• w tym momencie następuje terminacja translacji - Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, tRNA zostaje oddzielone od mRNA, a rybosom rozpada się na podjednostki, które mogą zostać ponownie wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.

TRANSLACJA

synteza białek - tłumaczenie informacji genetycznej z języka nukleotydów na język aminokwasów. Translacja przebiega w cytoplazmie na rybosomach. Obejmuje trzy etapy: inicjację, elongację i terminację. Zsyntezowana w procesie transkrypcji nić mRNA, zawierająca skopiowaną informację genetyczną, łączy się z małą podjednostką rybosomu, która ma dołączone czynniki inicjacji. U eukariota mała podjednostka rybosomu rozpoznaje czapeczkę na końcu 5' mRNA (transkrypcja). Duża podjednostka rybosomu, zawierająca również czynniki inicjacji, oraz aminoacylo-tRNA przyłącza się do tego kompleksu wówczas, gdy natrafi na kodon startowy na mRNA. U eukariota prawie zawsze kodonem inicjacyjnym jest AUG, więc pierwszym podstawionym w łańcuchu białkowym aminokwasem jest metionina (kod genetyczny). W rybosomie można wyróżnić dwa miejsca przyłączania: P (peptydylowe) i A (aminoacylowe). Podstawienie metioniny w miejsce P rybosomu uważa się za zakończenie inicjacji. Do rybosomu doprowadzane są kolejne aktywne aminokwasy (aminoacylo-tRNA) i następuje ich podstawianie w miejsce A rybosomu. Sekwencję aminokwasów przyłączających się do powstającego łańcucha peptydowego wyznaczają kodony na mRNA, które są rozpoznawane przez komplementarne do nich antykodony na cząsteczkach tRNA doprowadzających aminokwasy. Aminokwas nowo podstawiony w miejsce A oraz ten, który należy do utworzonego już łańcucha peptydowego (w miejscu P) łączą się ze sobą wiązaniem peptydowym i łańcuch przechodzi na miejsce A, wydłużając się zarazem o kolejne "ogniwo". Rybosom przesuwa się wówczas względem mRNA o jeden kodon, robiąc miejsce dla następnego aminoacylo-tRNA. Po jego podstawieniu kolejny aminokwas przyłącza się do łańcucha peptydowego i cykl się powtarza. Jest to elongacja. Uczestniczą w niej czynniki elongacyjne oraz wykorzystywana jest energia z GTP. Proces kończy się, gdy po kolejnym przesunięciu rybosomu w miejscu A znajdzie się kodon nonsensowny (UAG, UGA lub UAA), który nie koduje żadnego aminokwasu. Jest to ostami etap translacji - terminacja. Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony z rybosomu, rybosom zaś rozpada się na podjednostki. Translacja zostaje zakończona, a utworzony łańcuch polipeptydowy ulega obróbce posttranslacyjnej. posttranslacyjna obróbka.

Kolejne etapy translacji: a) kompleks translacyjny po inicjacji, b-e) przebieg elongacji, f) początek terminacji

TRANSKRYPCJA

przepisywanie informacji genetycznej z DNA na RNA. Transkrypcja jest realizowana jako synteza cząsteczki RNA na matrycy jednej z nici DNA (nić sensowna). W procesie transkrypcji uczestniczy kompleks enzymatyczny nazywany polimerazą RNA, a materiału budulcowego i zarazem energii dostarczają trifosforany nukleozydów (ATP, GTP, CTP, UTP). U prokaryota powstający RNA jest od razu wykorzystywany jako matryca do translacji, gdyż oba te procesy przebiegają w cytoplazmie (brak otoczki jądrowej). U eukariota powstały w jądrze RNA jest niedojrzały - tzw. pre-mRNA i podlega obróbce posttranskrypcyjnej (wycinanie intronów i łączenie egzonów) oraz zabezpieczeniu końcówek mRNA - poliadenylacji od strony 3' i dodaniu trójnukleotydowej czapeczki zawierającej m.in. zmodyfikowaną guaninę do końca 5'. Dojrzały mRNA a także tRNA i rRNA przez pory w otoczce jądrowej opuszczają jądro i na terenie cytoplazmy na rybosomach biorą udział w procesie translacji (synteza białek).

Model przebiegu transkrypcji u eukariota

---