2010/2011

EKSPRESJA GENÓW, SYNTEZA I

OBRÓBKA PROTEOMU

2010/2011

Gen jest to fragment DNA, zawierający informację
biologiczną, kodujący cząsteczki RNA i/lub polipeptyd.
Wielkość genu waha się w granicach od około 100 do
kilkuset milionów par zasad.

2010/2011

Ekspresja genu

Ekspresja genów - proces , w którym
komórka odczytuje informację do syntezy
białek

degradacja
białka

punkty
kontrolne

dojrzewanie

RNA

białko

ryboso
m

degradacja

RNA

białko

translacja

transkrypcj
a

RNA

DNA

gen

DNA

gen

czynniki
transkrypcyjne +
polimeraza RNA

utworzenie
kompleksu
transkrypcyjnego

transkrypcj
a

RNA

inicjacja
translacji

translacja

zmiany
potranslacyjne
białka

zwijanie się
białka

(A)

(B)

Dwa spojrzenia na
ekspresję genów

2010/2011

Transkrypcja – informacje ogólne

Transkrypcja jest enzymatyczną syntezą RNA
na matrycy DNA.
Transkrypcja jest katalizowana przez
polimerazę RNA
Synteza RNA zachodzi zawsze w kierunku od
końca 5’ cząsteczki RNA do jej końca

2010/2011

Synteza RNA przebiega od 5' do 3'. RNA
powstaje na matrycowej nici i ma sekwencję
niematrycowej nici DNA. Nić niematrycowa
zwana jest również nicią sensowną lub nicią
kodującą.

2010/2011

Ogólny schemat

inicjacji transkrypcji

2010/2011

Utworzenie kompleksu

transkrypcyjnego (inicjacja)

Inicjacja transkrypcji polega na budowaniu na DNA, w

pobliżu początku genu, zwanym miejscem inicjacji ,

kompleksu transkrypcyjnego, złożonego z polimerazy

RNA i różnych dodatkowych białek.
Polimeraza RNA wiąże się z DNA w miejscu

promotorowym, Po przyłączeniu polimerazy RNA, na

skutek rozerwania wiązań łączących pary zasad

wewnątrz krótkiego fragmentu podwójnej helisy,

następuje miejscowe rozplecenie nici DNA, powodując

przekształcenie

zamkniętego

kompleksu

promotorowego w kompleks otwarty.

Miejsce inicjacji oznacza się w sekwencji genu jako

pozycję +1.

2010/2011

Inicjacja

transkrypcji

kończy

się

pomyślnie tylko w przypadku, gdy
polimeraza RNA przesunie się poza rejon
promotora.
Pierwsze 9 nukleotydów zostaje
połączonych

bez

przesuwania

się

enzymu wzdłuż DNA. Nukleotydy te
ulegają często procesowi poronnemu.

2010/2011

wyniku

aktywności

tego

kompleksu

powstaje transkrypt RNA - kopia genu.
Ważną częścią tego etapu są mechanizmy
decydujące o rozpoczęciu procesu transkrypcji
genu.

2010/2011

Podstawowe pojęcia:

Transkrypt - kopia genu składającego
się z RNA
Polimeraza RNA jest enzymem
odpowiedzialnym

transkrypcję,

syntetyzuje cząsteczki RNA
Promotor -położona powyżej genu
sekwencja nukleotydowa, z którą wiąże
się polimeraza RNA w czasie inicjacji
transkrypcji

2010/2011

Elongacja

Polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż DNA i
zgodnie z jego sekwencją syntetyzuje łańcuch
RNA
W trakcie przesuwania enzymu, DNA ulega
miejscowemu rozpleceniu tworząc tzw.
pęcherzyk (bombel) transkrypcyjny. Nić DNA
splata się ponownie za polimerazą

(tworzy

się za enzymem na powrót struktura helisy)
Reakcja przebiega z szybkością 40 zasad na
sekundę

2010/2011

U roślin wyższych długość rozplecionego
odcinka DNA wynosi około 17 par zasad.

2010/2011

Polimeraza RNA kontynuuje transkrypcję do
momentu

dotarcia

sekwencji

terminacyjnej ("stop"). Sygnałem "stop"
jest struktura tzw "spinki do włosów" , której
transkrypt

zawiera

odcinki

wzajemnie

komplementarne. Mogą jednak istnieć również
inne miejsca terminacyjne wykorzystujące
czynnik białkowy.

2010/2011

Elongacja

Polimeraza RNA przesuwając się wzdłuż genu

syntetyzuje pierwotny transkrypt, który jest

dokładną kopią genu.

2010/2011

Terminacja transkrypcji - dysocjacja
kompleksu transkrypcyjnego i zakończenie
syntezy

RNA

miejscu

sekwencji

terminacyjnej (miejscu terminacyjnym)
Sekwencja genu - odnosi się do nici
niematrycowej
Transkrypt - syntetyzowana cząsteczka
RNA

2010/2011

Dojrzewanie RNA

Większość cząsteczek RNA zostaje

wytworzona w postaci prekursorów,
które muszą ulec przetworzeniu, aby
powstały dojrzałe RNA.

2010/2011

Dojrzewanie RNA

Dojrzewanie RNA polega na chemicznej
modyfikacji niektórych nukleotydów a w
szczególności:
-   usunięciu końcowych lub wewnętrznych
części transkryptu
-  modyfikacji końców
-  składaniu (usuwaniu intronów - regionu
niekodującego w obrębie genu)
- cięcia
- zmian w budowie chemicznej

2010/2011

Introny i eksony

Wiele genów eukariotycznych jest nieciągłych i
dzieli się na introny i eksony. Funkcjonalna
cząsteczka RNA powstaje po usunięciu
intronów z pierwotnego transkryptu RNA i
"złożenia" RNA

2010/2011

Otwarta ramka odczytu

Ekson -------------

intron

--------------

ekson

Kodon inicjujący kodon

terminacyjny

2010/2011

Gen

jest

odcinkiem

chromosomu

przepisywanym na RNA. Jeżeli RNA jest
transkryptem genu kodującego białko, to
nazywa się informacyjnym RNA (mRNA).

2010/2011

Część genu, która ulega translacji na białko,
nazywa się otwartą ramką odczytu (ORF).
Każda trójka nukleotydów w ORF jest kodonem
określającym aminokwas zgodnie z zasadami
kodu genetycznego. ORF zaczyna się kodonem
inicjującym a kończy terminacyjnym

2010/2011

RNA kodujący i niekodujący

RNA kodujący obejmuje tylko jedną klasę

cząsteczek: mRNA
mRNA (RNA informacyjne) są transkryptami
genów kodujących białka i ulegają translacji do
białek w drugim etapie ekspresji genomu.
mRNA stanowi do 4% całego RNA
mRNA podlega dojrzewaniu poprzez dołączenie
pojedynczego, nietypowego nukleotydu tzw.
czapeczki, poliadenylację i wycięcie intronów

2010/2011

Koniec dzienni cd.6 grudnia

2010/2011

Niektóre geny są matrycą dla RNA
niekodującego białek, jak np. RNA
rybosomowego i RNA transportującego.

2010/2011

RNA niekodujący

RNA niekodujący obejmuje transkrypty o różnych

funkcjach: RNA transportujące i RNA rybosomowe

RNA transportujące (tRNA) - małe cząsteczki,
biorące udział w biosyntezie białka dostarczające
aminokwasy do rybosomu i zapewniające ich
łączenie w kolejności zapisanej w sekwencji
nukleotydowej mRNA, który ulega translacji.
RNA rybosomowe (rRNA), jest składnikiem
rybosomów - struktur na których odbywa się
biosynteza białka

2010/2011

Proces translacji, czyli biosyntezy białka, jest
ostatnim etapem ekspresji informacji
genetycznej w komórce. Podczas transkrypcji
informacja zawarta w sekwencji nukleotydów
w DNA zostaje przepisana w komplementarą
do niej sekwencję nukleotydów w
informacyjnym DNA (mRNA).
W procesie translacji informacja zaszyfrowana
w łańcuchu mRNA jest tłumaczona na
sekwencję aminokwasów w białku.

2010/2011

Kod genetyczny – podstawy teoretyczne

Po to, by zapisać informację genetyczną
dotyczącą ułożenia 20 aminokwasów w białku
za pośrednictwem czterech nukleotydów
(adenina , tymina, cytozyna i guanina) trzeba,
by poszczególne „litery” tego alfabetu (tzw.
Kodony) składały się z trzech nukleotydów.
Grupując cztery zasady w dowolnej kolejności
w trójki , uzyskujemy 64 możliwe kombinacje
trójek.

2010/2011

Kod genetyczny

Kod genetyczny - są to 64 trójki zasad,
zwane kodonami, odpowiadające za
wprowadzenie 20 aminokwasów do
polipeptydów (białek).
Kodony określające ten sam aminokwas
nazywamy kodonami synonimowymi.
Spośród 64 możliwych kodonów, 61
koduje aminokwasy.
Kod genetyczny jest niezachodzący

2010/2011

Należy zwrócić uwagę na konieczność
występowania w kodzie genetycznym nie tylko
sygnałów oznaczających poszczególne
aminokwasy, ale także sygnałów
oznaczających początek i koniec danego białka
Trójki UAG, UUA i UGA są sygnałami
terminacyjnymi
Sygnałem rozpoczęcia jest AUG (w pewnych
przypadkach GUG)

2010/2011

Cechy charakterystyczne kodu genetycznego

(podsumowanie)

Uniwersalny: kod jest identyczny u wszystkich
organizmów
Trójkowy: kodon jest utworzony z trzech
nukleotydów
Pomiędzy kodonami nie ma nukleotydów
mogących stanowić dodatkowe znaki

2010/2011

Wieloznaczny lub zdegenerowany: najczęściej dany
aminokwas jest kodowany przez więcej niż jeden kodon
(kodony synonimowe). Kodony określające ten sam
aminokwas posiadają takie same dwa pierwsze
nukleotydy , natomiast różnią się pod względem
trzeciego
Kodony start i stop wyznaczające miejsce rozpoczęcia i
zakończenia translacji

2010/2011

Przykłady kodu genetycznego

UCC – Seryna
CGA - Arginina
GAU – Asparagina
CGC – Arginina

2010/2011

Rybosom – maszyna

molekularna do syntezy

białka

Rybosomy występują w cytoplaźmie, gdzie
wiążą

informacyjne

RNA

(mRNA),

przeprowadzają

ich

translację,

czyli

syntetyzują białka.

2010/2011

Inicjacja translacji

Celem inicjacji translacji jest
zorganizowanie się kompletnego
rybosomu na cząsteczce mRNA we
właściwym

punkcie

startu

kodonie inicjatorowym.

2010/2011

U organizmów wyższych do inicjacji niezbędne
są:
- duża (60S) i mała (40S) podjednostka
rybosomowa
- mRNA, inicjatorowy tRNA
- czynniki inicjujące

- GTP.

2010/2011

Inicjacja translacji

2010/2011

Translacja rozpoczyna się wiązaniem małej

jednostki rybosomowej z mRNA (u organizmów
wyższych w miejscu "czapeczki" na końcu 5').
Następnie

podjednostka

rybosomowa

przesuwa się do kodonu inicjującego AUG,
gdzie tworzy kompleks inicjujący.

2010/2011

Translacja

Translacja odbywa się na rybosomach.
Zakończeniem procesu inicjacji jest przyłączenie

się dużej podjednostki rybosomowej. W miarę

przesuwania się mRNA wzdłuż rybosomu

wydłuża się łańcuch polipeptydowy (białkowy).
Pojawienie się wolnego odcinka 5' mRNA

umożliwia przyłączenie się kolejnego rybosomu i

syntezę identycznego polipeptydu.
Napotkanie przez rybosom kodonu "stop"

powoduje uwolnienie gotowego białka, a

rybosom dysocjuje na podjednostki.

2010/2011

tRNA

Komórki zawierają szereg różnych
tRNA, z których każdy wiąże określony
aminokwas.
Każdy tRNA wiąże się także z
odpowiadajacym mu kodonem w mRNA,
co umożliwia ulokowanie aminokwasu
we

właściwej

pozycji

rosnącego

polipeptydu.

2010/2011

tRNA – struktura liścia
koniczyny

2010/2011

tRNA

Cząsteczki tRNA zawierają od 74-95 nukleotydów i

są o kształcie liścia kończyny. W jej skład wchodzą

następujące elementy:
-Ramię akceptorowe tworzy 7 par zasad

wchodzących w

skład 3' i 5' końcowej części

cząsteczki. Aminokwas

przyłączany jest do

adenozyny znajdującej się na

końcu 3' tRNA i

wchodzącej w skład niezmiennej

końcowej

sekwencji CCA
-Ramię D
-Ramię antykodonowe, zawiera trzy nukleotydy

zwane

antykodonem, które w czasie translacji

łączą się z

mRNA

2010/2011

Translacja

Translacja , czyli synteza białka na bazie
mRNA, rozpoczyna się po zbudowaniu całego
rybosomu.
W miarę przesuwania się mRNA wzdłuż
rybosomu obserwuje się wydłużanie
syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego

2010/2011

Translacja

Litery
odpowiadają
atomom

Litery w
kółkach
odpowiadają
cząsteczkom

2010/2011

W rybosomie znajdują się dwa miejsca

wiązania dla tRNA. W miejscu P

(peptydylowym) znajduje się cząsteczka tRNA

związana z rosnącym łańcuchem

polipeptydowym, natomiast w miejscu A

(aminoacylowym) znajduje się cząsteczka

związana z kolejnym aminokwasem.

2010/2011

Antykodony tRNA parują się więc zawsze z

dwoma sąsiadującymi kodonami
przesuwającego się względem rybosomu mRNA.
Na naszym przykładzie kodon nr 5 mRNA
znajduje się w miejscu P a kodon 6 w miejscu A.
Po upływie pół sekundy przesuwa się w lewo o
jedną pozycję (jeden kodon). Wiązanie między
tRNA parującym się z kodonem 5 a jego
aminokwasem ulega rozerwaniu

2010/2011

Aminokwas ten zostaje połączony z tRNA
parującym się z kodonem 6
tRNA I zostaje oddysocjowany z rybosomu
tRNA z miejsca II zostaje przerzucony do
miejsca P (czyli oznaczonego na naszym
rysunku cyfrą I)
Nowy tRNA III, zawierający odpowiedni
antykodon wiąże się z miejscem A

2010/2011

Przykłady kodu genetycznego

USU - Seryna
UCC – Seryna
CGA - Arginina
GAU – Asparagina
CGC – Arginina

2010/2011

Elongacja translacji - jeden z etapów
translacji, podczas którego dodawane są
kolejne aminokwasy do rosnącego łańcucha
polinukleotydowego.

Terminacja translacji - jeden z etapów
translacji,

podczas

którego

czynnik

terminacyjny doprowadza do uwolnienia
kompletnego polipeptydu (białka).

2010/2011

Transkryptom -cała zawartość RNA w
komórce

Eukariotyczne RNA stale przemieszczają się z
jądra do cytoplazmy i prawdopodobnie
odwrotnie przez kompleksy porów jądrowych.

2010/2011

Potranslacyjna obróbka

białek

Białko uwolnione z rybosomu jest
nieaktywne i zanim zacznie spełniać
swoją rolę w komórce, musi zostać
poddane przynajmniej pierwszemu z
czterech typów mechanizmów obróbki
potranslacyjnej