2010/2011
EKSPRESJA GENÓW, SYNTEZA I
OBRÓBKA PROTEOMU
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
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
W
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
za
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
do
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
w
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
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),
i
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
2010/2011
1.Fałdowanie białka. Polipeptyd musi zostać
sfałdowany w prawidłową strukturę trzeciorzędową
2.Proteolityczne rozszczepienie białka (polega na
cięciu przez enzymy (proteazy). Cięcie powoduje
skrócenie polpeptydu z jednej lub obu stron, albo
cięcie na kilka aktywnych segmentów
3.Modyfikacje chemiczne Poszczególne aminokwasy
w polipeptydzie mogą być modyfikowane przez
przyłączanie nowych grup chemicznych
4.Wycinanie intein. Inteiny są sekwencjami
"przerywającymi" w białkach, podobnie jak introny w
mRNA. Aby białko stało się aktywne, inteiny muszą
być usunięte , a eksteiny połączone ze sobą
2010/2011
Różne typy obróbki białka mogą
zachodzić jednocześnie.
2010/2011
Dziękuję za uwagę