Ekspresja informacji genetycznej

Informację zawartą w materiale genetycznym nazywamy genotypem organizmu, zaś zespół obserwowanych cech — fenotypem tego organizmu. W tym rozdziale opiszemy drogę, jaką przebywa informacja genetyczna między genotypem a fenotypem. Informacja o budowie organizmu jest zapisana w DNA, jednakże
organizm to przede wszystkim białka. Białka stanowią ponad połowę suchej masy komórki, wchodzą w skład wszystkich jej struktur i poprzez swoją aktywność enzymatyczną decydują o przebiegu zachodzących w niej reakcji chemicznych. Można więc w pewnym uproszczeniu powiedzieć, że dla informacji genetycznej droga między genotypem a fenotypem to droga między DNA a białkiem. Na tej drodze informacja genetyczna jest dwukrotnie przekształcana. Po raz pierwszy, gdy przepisywana jest z DNA na RNA. Po raz drugi, gdy informacja zawarta w sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego jest tłumaczona na sekwencję aminokwasów cząsteczki białka (rys.1).

Rys. 1. Przepływ informacji genetycznej w komórce. Linią przerywaną zaznaczono przypisywanie informacji z RNA na DNA, mające w przypadku niektórych wirusów

Te dwa procesy różnią się od siebie. Przepisanie informacji z DNA na RNA (transkrypcja) podlega prostej regule komplementarności zasad azotowych, dokładnie takiej samej jak ta, która umożliwia replikację DNA. Przetłumaczenie sekwencji nukleotydów na sekwencję aminokwasów (translacja) nie daje się wyprowadzić z prostych oddziaływań chemicznych. Nie ma reguł, które przypisywałyby konkretny aminokwas określonym nukleotydom w sposób podobny do tego, jak struktura przestrzenna i możliwość tworzenia wiązań wodorowych porządkują zasady azotowe w pary A—T i C—G. Dopasowanie aminokwasów do nukleotydów wymaga obecności swoistych adapterów, które z jednej strony rozpoznają sekwencję nukleotydów, z drugiej zaś aminokwasy. Rolę adapterów spełniają w komórce cząsteczki RNA.

Kwasy rybonukleinowe

W przekazywaniu informacji genetycznej z DNA do białka biorą udział kwasy rybonukleinowe, w skrócie RNA. Budowa chemiczna RNA i DNA jest podobna. W obu wypadkach nić kwasu nukleinowego jest zbudowana z nukleotydów połączonych wiązaniami między fosforanem a cukrem. Jednakże w RNA cukrem tym jest ryboza, różniąca się od dezoksyrybozy obecnością dodatkowego atomu tlenu przy jednym z atomów węgla. Również zestaw zasad azotowych występujących w RNA jest nieco inny niż w DNA. W obu wypadkach występuje adenina, cytozyna, i guanina. Jednak zamiast tyminy obecnej w DNA, w RNA występuje uracyl; tworzy on komplementarną parę z adeniną tak, jak tymina w DNA.

Rys. 2. Składniki rybonukleotydów. Na różowo zaznaczono różnice w stosunku do składników dezoksyrybonukleotydów.

Struktura przestrzenna RNA jest inna niż DNA. RNA nie występuje w postaci dwuniciowego podwójnego heliksu, jednakże może zachodzić parowanie zasad między komplementarnymi odcinkami tej samej nici RNA. Powstają wtedy struktury podobne do szpilki do włosów. (rys 3)

Rys. 3. Jednoniciowy RNA może przyjmować na niektórych swych odcinkach strukturę podwójnego heliksu, przez parowanie komplementernych zasad.

Jeżeli komplementarne odcinki są rozdzielone sekwencjami niekomplementarnymi, tworzący się w obrębie pojedynczej nicippodwójny heliks jest zakończony niesparowaną pętlą. Pozwala to cząsteczkom RNA przyjmować wyszukane kształty, tak różne od monotonnej struktury przestrzennej jednakowego na całej długości cząsteczki podwójnego heliksu DNA. W komórce występują trzy różne rodzaje kwasów rybonukleinowych różniące się wielkością, strukturą przestrzenną oraz pełnioną funkcją. Pierwszy rodzaj to RNA przekazujący bezpośrednio informację z DNA na białko, tzw. matrycowy RNA — mRNA. Drugi rodzaj to RNA dopasowujący aminokwasy do sekwencji nukleotydów, czyli transportujący RNA oznaczany tRNA. Trzeci wreszcie rodzaj to RNA tworzący wraz z grupą białek rybosomy — struktury, w obrębie których zachodzi synteza białka. Ten ostatni rodzaj RNA jest nazywany rybosomowym RNA — w skrócie rRNA.

Transkrypcja

Transkrypcja jest procesem przepisywania informacji genetycznej z DNA na RNA. Podstawą tego procesu jest reguła parowania się zasad azotowych, według której adeninie w nici DNA odpowiada uracyl w nici RNA, guaninie — cytozyna, tyminie — adenina, zaś cytozynie — guanina. W ten sposób sekwencja nukleotydów w syntetyzowanej nici RNA jest jednoznacznie określona przez sekwencję nukleotydów w nici DNA służącej jako matryca. Syntezę RNA katalizuje enzym nazywany polimerazą RNA. Synteza jest poprzedzona rozpleceniem podwójnego heliksu DNA w miejscu, w którym rozpoczyna się transkrypcja. Transkrypcji ulega tylko jedna nić podwójnego heliksu. Polimerazą RNA potrafi syntetyzować RNA poruszając się w jednym tylko z dwóch kierunków wyróżnianych w nici DNA (rys. 4).

Rys. 4. Polimeraza RNA prowadzi syntezę RNA tylko na jednej nici DNA, poruszając się tylko w jednym kierunku.

Chemicznie synteza RNA jest podobna do syntezy DNA. Substratem są trifosfonukleotydy, od których w czasie reakcji są odłączane dwie grupy fosforanowe, dostarczając w ten sposób energii potrzebnej do wytworzenia połączenia między nukleotydami. Raz dołączona polimerazą RNA syntetyzuje bez przerw całą nić RNA. W taki sposób powstają wszystkie rodzaje cząsteczek RNA. Niektóre z nich podlegają jeszcze zmianom zanim staną się ostatecznym produktem. I tak np. eukariotyczny mRNA powstaje dopiero po wycięciu fragmentów zsyntetyzowanej cząsteczki. Bakteryjny mRNA nie jest obrabiany i cząsteczka syntetyzowana przez polimerazę RNA stanowi już końcową formę matrycy, na której będą powstawać cząsteczki białka.

Aminokwasy-składniki cząsteczki białka

Różnice chemmiczne między nukleotydami-składnikami kwasów nukleinowych-są niewielkie. O wiele bardziej różnią się między sobą składniki łańcuchów polipeptydowych-aminokwasy. Wszystkie aminokwasy są zbudowane według tego samego planu, w którym atom węgla jest otoczony przez cztery podstawniki, grupę COOH, grupę NHg (w przypadku proliny — NH), atom wodoru i tzw. łańcuch boczny. Różnorodność aminokwasów wynika z chemicznego charakteru łańcucha bocznego. Łańcuchy te mogą być kwaśne lub zasadowe, mogą mieć powinowactwo do wody (ugrupowanie polarne) lub też dążyć do ograniczenia swego kontaktu z wodą. Łańcuchy boczne aminokwasów odgrywają decydującą rolę przy tworzeniu struktury przestrzennej cząsteczki białka (zob. dalej). W łańcuchu polipeptydowym aminokwasy są połączone ze sobą kowalencyjnymi wiązaniami peptydowymi. Wiązanie takie tworzą grupy: aminowa i karboksylowa sąsiadujących ze sobą aminokwasów.

Kod genetyczny

Sposób, według którego można przetłumaczyć informację genetyczną z języka nukleotydów na język aminokwasów, nazywamy kodem genetycznym.

Przy przepisywaniu informacji genetycznej z DNA na RNA obowiązuje prosta reguła, według której jednej zasadzie w transkrybowanej nici DNA odpowiada tylko jedna zasada w powstającej cząsteczce RNA. Tłumaczenie sekwencji zasad RNA na sekwencję aminokwasów nie-może odbywać się według równie prostej reguły. Staje się to oczywiste, gdy porównamy liczbę rodzajów nukleotydów w RNA (4) i, liczbę rodzajów aminokwasów w białkach (20). Odwzorowanie: jeden nukleotyd — jeden
aminokwas nie mogłoby zapewnić jednoznaczności przekazywanej informacji:

na jeden nukleotyd przypadałoby przecież 5 aminokwasów. Niejednoznaczny byłby również kod dwójkowy — jest tylko 16 kombinacji dwójek, które można utworzyć z czterech różnych elementów. Dopiero kod trójkowy zapewnia dostateczną liczbę kombinacji. Jest ich 64, a więc o wiele więcej niż rodzajów aminokwasów. Kod genetyczny jest istotnie kodem trójkowym. Trójkę nukleotydów oznaczającą aminokwas nazywa się kodonem. Poza trzema kombinacjami nukleotydów, które stanowią znaki zakończenia odczytywania informacji, pozostałe 61 trójek odpowiada aminokwasom. Wynika stąd, że oznaczenie wielu aminokwasów jest możliwe za pomocą kilku różnych trójek nukleotydów w cząsteczce mRNA. Znaczenie poszczególnych trójek nukleotydów w języku aminokwasów przedstawia tabela 2. Historię poznania kodu genetycznego opisujemy we fragmencie {Dla ciekawych str. 44). Kod genetyczny jest uniwersalny dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Rzadkie odstępstwa od reguł kodu genetycznego dotyczą m. in. syntezy białka zachodzącej w mitochondriach. Uniwersalność kodu genetycznego oznacza, że został on „zamrożony", tzn. przestał ulegać zmianom w bardzo wczesnym etapie ewolucji.

Aparat translacji: rybosomy i tRNA

Wśród uczestników procesu syntezy łańcucha polipeptydowego (translacji) na szczególną uwagę zasługują rybosomy i tRNA. Rybosomy są miejscem syntezy cząsteczek białka. W komórkach rosnących aktywnie, a więc wytwarzających duże ilości białka, rybosomy stanowią znaczący składnik komórki. W pojedynczej komórce bakteryjnej może być do 20 000 rybosomów. Rybosomy są zbudowane z dwóch połączonych ze sobą, dopasowanych podjednostek. Każda z nich jest kompleksem rybosomowego RNA i kilkudziesięciu różnych białek. tRNA to grupa cząsteczek (ok. 50 — 60 różnych rodzajów w komórce) odgrywających kluczową rolę w tłumaczeniu informacji genetycznej z mRNA na białko. Rozpoznają one — z jednej strony — trójkę zasad, z drugiej zaś, dzięki swoistym enzymom — odpowiadający jej aminokwas. Są to równocześnie cząsteczki rozpoznawane przez te miejsca na rybosomie, w których powstaje łańcuch polipeptydowy. Rozpoznanie odpowiedniej trójki nukleotydów w mRNA odbywa się dzięki uniwersalnej dla oddziaływań między kwasami nukleinowymi regule komplementarności. W łańcuchu polinukleotydowym cząsteczki tRNA znajduje się trójka nukleotydów tworząca pary z odpowiednim kodonem w mRNA. Trójkę tę nazywamy antykodonem. Rozpoznanie odpowiedniego aminokwasu i dopasowanie do właściwego miejsca na rybosomie jest związane z wyrafinowaną strukturą przestrzenną cząsteczek tRNA. Te niewielkie cząsteczki, o długości 74 do 95 nukleotydów, są zbudowane według planu przypominającego na schemacie liść kończyny. Kształt cząsteczek tRNA jest zbliżony do litery L. Dzięki podobne; budowie wszystkie rodzaje tRNA łączą się z odpowiednimi miejscami na rybosomie. Jednakże cząsteczki tRNA nie są identyczne. Liczba zmiennych rejonów w poszczególnych rodzajach tRNA jest dostatecznie duża, aby były one swoiście rozpoznawane przez enzymy rozpoznające równie swoiście poszczególne aminokwasy. Enzymy łączące tRNA i aminokwasy są dopasowane do obu cząsteczek. Skutkiem ich aktywności jest połączenie tRNA i aminokwasu wiązaniem kowalencyjnym w związek nazywany aminoacylo-tRNA. Synteza aminoacylo-tRNA wymaga dostarczenia energii z ATP.

Synteza białka

W syntezie łańcucha polipeptydowego biorą udział: rybosomy, mRNA, cząsteczki aminoacylo-tRNA oraz pewna ilość białek. Jak również cząsteczki dostarczające energii. W czasie syntezy łańcucha polipeptydowego cząsteczka matrycowego RNA (mRNA) jest umieszczana między dwiema podjednostkami rybosomu. Dwa miejsca mogące pomieścić tRNA są zlokalizowane w rybosomie w ten sposób, że przyjmują tylko te cząsteczki tRNA, których antykodony są komplementarne do kodonów tego odcinka mRNA, jaki aktualnie znajduje się w rybosomie. W ten sposób, poprzez odpowiednie przestrzenne ułożenie mRNA i tRNA w rybosomie, jest możliwe przypisanie związanego z tRNA aminokwasu właściwej trójce nukleotydów w matrycy mRNA. Synteza kolejnych wiązań łączących aminokwasy odbywa się w następujących po sobie cyklach. Jeden z nich został przedstawiony na rysunku 42. W jednym z miejsc wiązania tRNA, oznaczonym na rysunku literą P, znajduje się cząsteczka tRNA z dołączonym do niej, zsyntetyzowanym w poprzednich cyklach fragmentem łańcucha polipeptydowego. Drugie miejsce wiązania, oznaczone na rysunku literą A, jest wolne. Do tego miejsca dołącza się aminoacylo-tRNA, którego rodzaj jest określany przez znajdującą się pod nim trójkę zasad w matrycy mRNA. Kolejnym etapem cyklu jest przeniesienie fragmentu fańcucha polipeptydowego z tRNA znajdującego się w miejscu P na aminoacylo-tRNA, świeżo dołączony do miejsca A. W ten sposób fragment łańcucha polipeptydowego wydłuża się o jeden aminokwas. Wolny tRNA odłącza się od miejsca P. Cykl zamyka przesunięcie tRNA z dołączonym fragmentem łańcucha polipeptydowego z miejsca A do miejsca P. Towarzyszy temu przemieszczenie się mRNA w ten sposób, że naprzeciw uwolnionego już miejsca A pojawia się kolejna trójka nukleotydów. Cały proces może rozpocząć się od nowa. Początek i koniec syntezy łańcucha polipeptydowego jest zaznaczony w matrycy mRNA przez odpowiednią sekwencję nukleotydów. Opisane wyżej procesy zachodzą w komórce ze znaczną szybkością. U bakterii w ciągu jednej sekundy łańcuch polipeptydowy wydłuża się o ok. 15 aminokwasów; w komórkach eukariotycznych o kilka aminokwasów. W komórkach bakteryjnych synteza łańcucha polipeptydowego rozpoczyna się natychmiast po zsyntetyzowaniu mRNA. Zwykle dzieje się tak, że rybosomy rozpoczynają translację cząsteczki mRNA, która nie została jeszcze całkowicie zsyntetyzowana. W wypadku komórek eukariotycznych transkrypcja i translacja są przestrzennie rozdzielone. Synteza mRNA zachodzi na terenie jądra komórkowego, zaś synteza białka w cytoplazmie. Większość cząsteczek eukariotycznego RNA jest poddawana obróbce, która dopiero przekształca je w dojrzałe, matrycowe RNA. Dokładność translacji określają dwa procesy: łączenie aminokwasu z tRNA i oddziaływanie między tRNA a kodonem w mRNA. Błędne połączenie aminokwas — tRNA zdarza się mniej więcej raz na 100 000 połączeń prawidłowych. Błędne dołączenie aminoacylo-tRNA do trójki zasad w mRNA raz na 10 000 razy.

Struktrura przestrzenna białek

Liczba kształtów, jakie mogą przyjmować cząsteczki białka, jest ogromna. Kształt różnych rodzajów cząsteczek białka pozwala im łączyć się w większe struktury lub też, w wypadku enzymów, rozpoznawać różnorodne substraty. Z drugiej strony łańcuchy poliptydowe o takiej samej sekwencji aminokwasów, umieszczone w takim samym roztworze, mają taką samą strukturę przestrzenną. Oznacza to, że kształt cząsteczki białka jest określony przez sekwencję aminokwasów łańcucha polipeptydowego. Wiele małych cząsteczek białka może spontanicznie odtwarzać swą
strukturę przestrzenną zniszczoną uprzednio przez podgrzanie roztworu zawierającego białko do wysokiej temperatury. Takie zachowanie się białka jest dobrym dowodem na to, że całą informację o jego kształcie zawiera sekwencja aminokwasów łańcucha polipeptydowego. Kształt cząsteczki białka wyznaczają oddziaływania między łańcuchami bocznymi aminokwasów oraz między tymi łańcuchami a otaczającym białko roztworem. Wzajemne oddziaływania różnego rodzaju (np. elektrostatyczne dla dwóch grup zawierających ładunek, tworzenie wiązań wodorowych) zachodzą między łańcuchami bocznymi aminokwasów leżących często dość daleko od siebie w łańcuchu polipeptydowym. Bardzo duże znaczenie dla przestrzennej struktury białka ma rozmieszczenie w łańcuchu polipeptydowym polarnych i niepolarnych łańcuchów bocznych aminokwasów. W środowisku wodnym grupy niepolarne gromadzą się w środku cząsteczki tak, aby liczba kontaktów z polarnym otoczeniem była jak najmniejsza. Zjawisko to jest podobne do łączenia się w jedną kroplę oleju rozproszonego na powierzchni wody. Wszystkie oddziaływania określające kształt cząsteczki białka, o których wspominaliśmy dotychczas, to powstające spontanicznie oddziaływania niekowalencyjne. Jednakże w tworzeniu struktury przestrzennej białka mogą brać czasem udział wiązania kowalencyjne. Takim wiązaniem jest połączenie dwóch grup SH łańcuchów bocznych cysterny w mostek -S-S- łączący kowalencyjnie dwa rejony łańcucha polipeptydowego. Choć liczba kształtów przyjmowanych przez różne cząsteczki białka jest bardzo duża, dwa elementy struktury przestrzennej spotyka się we wszystkich prawie łańcuchach polipeptydowych. Powstają one na skutek oddziaływań między wiązaniami peptydowymi, nie zaś bocznymi amonokwasów. W cząsteczce białka struktury α-heliksu czy β nie występują na całej długości łańcucha polipeptydowego, lecz tylko w niektórych odcinkach.

Samoorganizacja niektórych złożonych struktrur w komórce Mechanizm przedstawiony w poprzednim punkcie wyjaśnia, w jaki sposób liniowa cząsteczka zbudowana z aminokwasów może przyjąć jedną tylko strukturę przestrzenną, określoną przez sekwencję aminokwasów. W podobny sposób, dzięki samoorganizacji, mogą spontanicznie powstawać w komórce cząstki bardziej złożone, w skład których wchodzi kilka elementów : kilka łańcuchów polipeptydowych czy też kwasy nukleinowe i łańcuchy polipeptydowe. Elementy te łączą się ze sobą za pomocą oddziaływań niekowalencyjnych, choć czasem dwa łańcuchy polipeptydowe są dodatkowo powiązane mostkiem —S—S—. Podstawą procesu samoorganizacji jest przestrzenne dopasowanie elementów wchodzących w skład złożonych cząstek, przez co jest możliwe wytworzenie wielu słabych oddziaływań (rys. 5). Duża liczba tych oddziaływań gwarantuje trwałość powstałego połączenia.

Rys. 49. Nie dopasowane do siebie cząsteczki białka mogą tworzyć tylko niewielką liczbę słabych wiązań (a). Cząsteczki dopasowane do siebie tworzą znacznie więcej słabych wiązań (b)

a

Dzięki samoorganizacji powstają białka złożone z kilku łańcuchów polipeptydowych (rys. 50). Mówimy wówczas o tych łańcuchach polipeptydowych, że są podjednostkami cząsteczki białka. Wszystkie podjednostki mogą być takimi samymi łańcuchami polipeptydowymi, może być jednak i tak, że w cząsteczce białka jest kilka różnych rodzajów podjednostek. O tym, że cząsteczka białka jest zbudowana z dwóch, czterech lub większej liczby podjednostek decyduje wzajemne ułożenie dopasowanych do siebie powierzchni stanowiących miejsca połączenia podjednostek.(rys 6)

Rys. 6. Położenie miejsc połączenia podjednostek decyduje o tym, czy cząsteczka białka jest zbudowana z dwóch (a), czterech (b) czy większej liczby podjednostek (c)

a)

b)

c)

Dzięki samoorganizacji powstają również niektóre wirusy. Pałeczkowata cząstka wirusa odtwarza się spontanicznie ze zmieszanych ze sobą cząsteczek RNA i białka. Jest to jednak złożony proces i nie daje się wytłumaczyć prostym dopasowaniem powierzchni łączących się elementów. Czy wszystkie struktury powstające w komórce i utrzymujące się dzięki wiązaniom niekowalencyjnym zawdzięczają swe powstanie procesowi samoorganizacji? Tak nie jest. W wielu przypadkach struktura nie daje się odtworzyć przez zmieszanie ze sobą wszystkich jej składników. W komórce powstaje ona dzięki pomocy innych białek, które nie występują w ostatecznym produkcie. Tak dzieje się na przykład w wypadku wirusa T4, którego poszczególne części składają się w bardzo uporządkowany sposób. Inną przyczyną nieodwracalności przebiegającego w komórce procesu powstawania struktury jest udział enzymów modyfikujących wiązania kowalencyjne — np. przecinających wiązania peptydowe. Cząsteczka insuliny powstaje w komórce w ten sposób, że długi łańcuch polipeptydowy przybiera spontanicznie kształt pozwalający na powstanie wiązań —S—S— po utlenieniu grup SH. W następnym etapie enzym wycina fragment łańcucha polipeptydowego przekształcając cząsteczkę w ostateczny produkt. Jeśli w takiej dojrzałej cząsteczce insuliny zredukujemy wiązania —S—S—, nie dadzą się już one potem odtworzyć przez proste utlenienie. Brak wyciętego przez enzym fragmentu łańcucha polipeptydowego uniemożliwia przestrzenne dopasowanie do siebie grup SH.

Podsumowanie

Informacja genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydów DNA jest przepisywana w postaci sekwencji nukleotydów mRNA (transkrypcia), a następnie tłumaczona na sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka (translacja). Przekazanie informacji cząsteczce mRNA odbywa się według reguły komplementarności zasad azotowych. Przepływ intormacji z mRNA do białka jest możliwy dzięki
cząsteczkom tRNA rozpoznającym z jedne) strony aminokwas, z drugiej zaś trójkę nukleotydów w mRNA. Regułę przyporządkowania poszczególnym kodonom (trójkom nukleotydów) odpowiednich aminokwasów nazywamy kodem genetycznym. Synteza łańcucha polipeptydowego odbywa się w rybosomach. Bierze w niej udział mRNA oraz aminoacylo-tRNA (cząsteczki tRNA związane z aminokwasem). Powstający łańcuch polipeptydowy spontanicznie przybiera właściwy sobie kształt.

---