Modyfikacja

potranslacyjna białek

Potranslacyjne modyfikacje białek

•

Nieodwracalne modyfikacje warunkujące

natywną, funkcjonalną strukturę białka (np.
przyłączenie hemu do łańcuchów białkowych
hemoglobiny, hydroksylacja proliny i lizyny
prokolagenu)

•

Odwracalne modyfikacje regulujące aktywność

czy funkcję białka (np. fosforylacja, acetylacja)

•

Nieodwracalne modyfikacje warunkujące

degradację białka (poliubikwityacja)

Znanych jest kilkadziesiąt różnych
potranslacyjnych modyfikacji białek

DROGI BIAŁEK

Białka cytoplazmatyczne
Białka jądrowe
Białka mitochondrialne
Białka plastydów
Białka peroksysomów

uwalniane do

cytoplazmy;

transport

przechodzą

przez ER;

transport

Białka wydzielnicze
Białka błony komórkowej
Białka ER
Białka aparatu Golgiego
Białka lizosomów

Sekwencje
sygnałowe
(sortujące)

są

konieczne

do

skierowania białka
do

określonej

organelli.

Białka,

które

takiego

sygnału nie mają
pozostają

w

cytozolu.

Powstające w cytozolu
białka, są doprowadzane
do właściwej dla nich
organelli przez sygnały
sortujące.

Sygnał

sortujący

(sekwencja

sygnałowa)

to

ciągły

odcinek

sekwencji aminokwasów
(zazwyczaj hydrofobowy)
o długości 15-60 AA.

Sekwencja

sygnałowa

po spełnieniu swej funkcji
jest często usuwana z
dojrzałego białka.

translokazy

ADRES

SEKWENCJA

GDZIE W

ŁAŃCUCHU

do ER (i dalej)

peptyd sygnałowy

N-koniec

białka siateczki

KDEL

(Lys-Asp-Glu-Leu)

C-koniec

do jądra

sekw. aa zasadowych np.

KKKRK

wewnątrz

łańcucha

do mitochondriów

sekw. aa hydrofobowych i

zasadowych

N-koniec

do peroksysomów

SKL

(Ser-Lys-Leu)

blisko C-końca

do
lizosomów

mannozo-6-P

(przyłączona do

specyficznej domeny w

obrębie polipeptydu

utworzona

przez kilka

sekwencji w

łańcuchu

Adresy białek

Na rybosomach osadzających

się

na

błonach

RER

zachodzi synteza:



Białek

sekrecyjnych

(eksportowych) przeznaczonych
do wydzielenia poza komórkę.



Hydrolaz lizosomowych.



Białek integralnych wchodzących
w skład błony komórkowej oraz
innych błon cytoplazmatycznych.

To czy białko będzie produkowane na wolnych rybosomach
czy na rybosomach związanych z siateczką zależy od
początkowego (N-końcowego) odcinka zsyntetyzowanego
łańcucha polipeptydowego – od tego czy ma on cechy
peptydu sygnałowego.

Peptyd sygnałowy

•

Peptydy sygnałowe odpowiadają za oddziaływanie rybosomów

syntetyzujących dane białko z ER.

•

Peptyd sygnałowy wprowadza białko do światła ER; tam ulega

odcięciu przez specjalny enzym:

peptydazę sygnałową

.

•

Obecnie znanych jest kilka tysięcy peptydów sygnałowych różnych

białek

W jaki sposób peptyd sygnałowy odnajduje

ER?

To wzajemne rozpoznanie zachodzi dzięki parze białek. Są
to:

SRP

(signal recognition particle) – cząstka rozpoznająca

sygnał; białko cytoplazmatyczne

Receptor SRP

– białko występujące w błonie ER

SRP - rybonukleoproteina - kompleks o masie 325 kDa
(300 nukleotydów RNA i 6 różnych łańcuchów
polipeptydowych).

SRP rozpoznaje peptyd sygnałowy + rybosom.

Asn – X –
Ser

Asn – X - Thr

Transport jądrowo -

cytoplazmatyczny

• W

przeciętnej

komórce

otoczka jądrowa zawiera 3-

5 tys. porów.

• Są one hydrofilową drogą

przez

którą

przechodzą

substancje

w

obu

kierunkach.

• Do jądra są wybiórczo

kierowane takie białka, jak

histony, polimerazy DNA

i

RNA,

białka

rybosomów.

• Do cytoplazmy : gotowe

rybosomy, mRNA, tRNA .

• Por jądrowy ma średnicę ok.

50

nm,

ale

swobodny

przepływ cząsteczek jest

możliwy

dla

makrocząsteczek o średnicy

do 9 nm.

• Dla

makrocząsteczek

większych bariera ta jest

nie do przebycia, chyba, że

posiadają swoiste sekwencje

sygnałowe, a transport ten

wymaga nakładu energii –

hydroliza ATP

Pory

jądrowe

transportują białka w
ich

całkowicie

sfałdowanej
konformacji

Potranslacyjna obróbka

białka

• fałdowanie łańcucha polipeptydowego
• oligomeryzację w podjednostki

białkowe

• glikolizację
• modyfikacja chemiczna

Fałdowanie białek czyli przyjmowanie prawidłowej

struktury III-rzędowej zachodzi równolegle z

niektórymi potranslacyjnymi modyfikacjami białek.

W latach 60. i 70. – uznawano hipotezę Christiana
Anfinsena mówiącą, że białka samoistnie ulegają
fałdowaniu przyjmując optymalną energetycznie
strukturę, wyznaczoną przez sekwencję
aminokwasową polipeptydu.

Prace nad rybonukleazą – Nagroda Nobla z chemii
(1/3) 1972.

W latach 80. – odkryto i zaczęto poznawać rolę
białek opiekuńczych (ang. chaperones).

Prawidowe zwijanie białek jest wspomagane przez

białka opiekuńcze

•wiele białek opiekuńczych należy do białek szoku cieplnego
(heat shock proteins).

• Hsp zostały poznane jako te, których ekspresja znacząco
wzrasta przy wzroście temperatury.

• Nie wszystkie białka opiekuńcze są syntetyzowane w
zwiększonej ilości w sytuacjach stresowych np. Hsp70 jest,
Hsc70 – nie jest.

Białka opiekuńcze rozpoznają nieprawidłowo sfałdowane
białka - rozpoznają wyeksponowane fragmenty hydrofobowe.
W białakach prawidłowo sfałdowanych fragmenty
hydrofobowe znajdują się „wewnątrz” cząsteczki białka.

B ia łk a o p ie k u ń c z e H s p 6 0 - C h a p e r o n in y

G r o E L

G r o E S

  

Zbudowane z dwóch pierścieni. Każdy pierścień składa się z

7 takich samych lub bardzo podobnych białek – razem
tworzących „beczkę”

BIAŁKA OPIEKUŃCZE

• Każde powstające białko, czy w cytoplazmie

podstawowej czy w powiązaniu z siateczką

śródplazmatyczną,

wymaga

odpowiedniego

sfałdowania łańcucha polipeptydowego tak, by

utworzyła się charakterystyczna struktura drugo-;

trzecio-; czwartorzędowa przestrzenna struktura

umożliwiająca prawidłowe funkcjonowanie białka.

• Większość białek samoczynnie przybiera ją w

warunkach fizjologicznych, ale 10% przybiera

konformację przestrzenną inną od pożądanej, co z

reguły prowadzi do braku aktywności. Prawidłowe

ułożenie łańcucha polipeptydowego zapewnione

jest przez oddziaływanie z białkami opiekuńczymi

(chaperonami)

• Białka

opiekuńcze

są

ATP-azami

charakteryzującymi się wysokim powinowactwem

do

hydrofobowych

odcinków

łańcuchów

polipeptydowych.

• Występują zarówno na obszarze cytoplazmy

podstawowej, jak i w jądrze komórkowym oraz w

świetle organelli błoniastych.

• Należą do dwóch głównych rodzin określonych

jako: hsp60 i hsp70. Nazwa hsp oznacza białko

szoku cieplnego (heat shock protein).

Potranslacyjna obróbka

białka

• fałdowanie łańcucha polipeptydowego
• oligomeryzację w podjednostki białkowe

• glikolizację

• modyfikacja chemiczna

GLIKOZYLACJA

 

Dwie grupy związków powstających w wyniku

przyłączania reszt cukrowych do białek: 

GLIKOPROTEINY

PROTEOGLIKANY

•

łańcuchy cukrowe przyłączone

poprzez wiązanie O-glikozydowe

•

łańcuchy cukrowe przyłączone

poprzez wiązanie N-glikozydowe

Typy łańcuchów cukrowych występujących w N-

glikoproteinach

Połączenie z białkiem – przez resztę

Asn

Fosforan dolicholu jest akceptorem reszt cukrowych a

następnie donorem struktury oligosacharydowej w syntezie

N-glikoprotein

Transferaza oligosacharydowa przenosi łańcuch cukrowy

z fosforanu dolicholu na resztę asparaginy łańcucha

białkowego

Sekwencja, w której Asn może (nie musi) ulegać
glikozylacji

Asn-X- Ser (Thr)

Potranslacyjna obróbka

białka

• fałdowanie łańcucha polipeptydowego
• oligomeryzację w podjednostki białkowe
• glikolizację

• modyfikacja chemiczna

Potranslacyjna modyfikacja N-
końca

1. Usunięcie metioniny



Reakcję prowadzi aminopeptydaza metioninowa



Preferowana jest hydroliza wiązania pomiędzy resztą Met a

małym aminokwasem: G, A, S, C, T, P, V



Prolina w pozycji 3 może hamować tę reakcję



Usunięcie metioniny może warunkować aktywność

biologiczną niektórych białek



Usunięcie metioniny może warunkować inną potranslacyjną

modyfikację - mirystylację

Potranslacyjna modyfikacja N-
końca

2. Acetylacja N-końcowego
aminokwasu



Częsta u Eukaryota, rzadka u Prokaryota



Enzymy odpowiedzialne za ten proces to

N

-końcowe

a

ce

t

ylotransferazy

(NatA, NatB, NatC i Nat D

rozpoznające różne N-końcowe sekwencje białek).



Funkcja? – enigmatyczna. Dla niektórych białek

acetylacja N-końca wydaje się bez znaczenia, dla innych
istotna. Mutacje w genach Nat prowadzą do zaburzeń
wzrostu i funkcjonowania komórek drożdży.



In vitro acetylacja tych białek, które normalnie nie są

acetylowane może prowadzić do zahamowania ich funkcji
– np. acetylacja N-końcowej treoniny podjednostek
proteasomu hamuje aktywność proteolityczną).

ACETYLACJA I METYLACJA

(wewnątrz cząsteczki białka)  

ACETYLACJA 

•

Proces odwracalny – białka mogą ulegać acetylacji przez

acetylotransferazy i deacetylacji przez deacetylazy

•

Większość poznanych procesów acetylacji zachodzi w

jądrze komórkowym

•

Acetylacji ulegają nieliczne reszty lizyny (sekwencja

zgodności sprzyjająca acetylacji – niezdefiniowana)

•

Aktywność acetylaz jest regulowana przez sygnały

prowadzące do proliferacji i różnicowania (np. poprzez
fosforylację).

Białko

Efekt acetylacji

histony

osłabia oddziaływanie

histonów z DNA -
wzmożona transkrypcja

niektóre czynniki
transkrypcyjne

p53

,

GATA1

miejsce acetylacji
przylega do domeny
wiążącej DNA –

stymulacja wiązania,
stymulacja transkrypcji

niektóre czynniki

transkrypcyjne

HMGI

miejsce acetylacji w

obrębie domeny
wiążącej DNA –
hamowanie wiązania,
hamowanie transkrypcji

niektóre czynniki

transkrypcyjne

TCF

(Drosophila)

acetylacja hamuje

oddziaływanie z białkiem
- aktywatorem

-importyna

?

-tubulina

wzrost stabilności
mikrotubuli

METYLACJA 

•

Modyfikacja odwracalna prowadzona przez enzymy: białkowe

metylotransferazy

•

Metylacji może ulegać C-końcowy aminokwas, czasem metylacja

towarzyszy prenylacji (białka G (trimeryczne np. transducyna), Ras) lub
reszta argininy lub lizyny

•

Metylacja może podlegać regulacji, metylacja może regulować

aktywność białek

Istnieje metylotransferaza białkowa wchodząca w interakcję z
receptorem (PRMT1 oddziałuje z receptorem IFN-
Pod wpływem NGF – wzrost stopnia metylacji białek komórkowych

•

Grupy białek ulegające metylacji:



podjednostka  białek G np.

transducyny,



małe białka G: Ras, Rho



białkowa fosfataza



histony

Połączenia białek z błonami

Białka mogą zawierać w swojej strukturze domeny o
wysokim powinowactwie do błon biologicznych.
Białka mogą być zakotwiczone w błonie przez swoją
sekwencję N-końcową, C-końcową, lub mogą
przebijać błonę 1x lub wielokrotnie.

Białka mogą być także zakotwiczone w błonie przez
połączenie ze związkami hydrofobowymi.

Kotwica GPI (glikozylofosfatydyloinozytolowa)

Kotwiczy białka po zewnętrznej stronie błony
komórkowej (w trakcie syntezy – wewnątrz ER)

Kotwice z kwasów tłuszczowych i izoprenoidów
– kotwiczą białka po wewnętrznej stronie błony
komórkowej
(w trakcie syntezy – na zewnątrz ER)

ZAKOTWICZANIE BIAŁEK W BŁONACH

WEWNĄTRZ KOMÓRKI 

•

Mirystylacja przy N-końcu

•

Palmitylacja reszt cysteiny

•

Prenylacja:

Farnezylacja przy C-końcu

Geranylogeranylacja przy C-końcu

Struktura DNA umożliwia

funkcjonowanie mechanizmów

dziedziczenia

Specyficzną sekwencję nukleotydów w

DNA, determinującą kolejność

nukleotydów w cząsteczce RNA i

aminokwasów w polipeptydzie

nazywamy

genem

Liniowa sekwencja nukleotydów w genie
decyduje o liniowej sekwencji aminokwasów
w białku

Genom

kompletny zasób informacji

DNA organizmu

Genom człowieka

genom jądrowy

genom jądrowy ma długość

ok. 3 mld par zasad i jest

podzielony na 24

chromosomy

chromosomy. 22 z nich to

chromosomy autosomalne,

natomiast 2 pozostałe to

chromosomy płci

chromosomy płci - X i Y.

W genomie jądrowym

kodowanych jest około

30-40

30-40

tysięcy genów

tysięcy genów

,

, które

stanowią zaledwie kilka (do

10) procent sekwencji

jądrowego DNA. Reszta

genomu to sekwencje

niekodujące, o nieznanej

funkcji.

genom

genom

mitochondrialny

mitochondrialny
człowieka jest
wielokrotnie mniejszy
od jądrowego. Liczy
„zaledwie” 16 569
par zasad, koduje 37
genów. Należy jednak
pamiętać, że w każdej
komórce znajduje się
wiele mitochondriów
a każde
mitochondriom może
zawierać do 10
cząsteczek mtDNA.

• Najważniejsze implikacje

– informacja genetyczna jest zakodowana

w sekwencji zasad w DNA

• Powielanie informacji genetycznej

następuje przez tworzenie nowej cząsteczki
DNA na matrycy starej

– zamiana nukleotydu - mutacja

Kontrola ekspresji genów

U ssaków sekwencje kodujące – 2% DNA

Pobudzenie ekspresji genów

(indukcja) może zajść :

• przez czynniki transkrypcyjne (TF),
• niektóre hormony,
• indukcje substratową.

Czynniki transkrypcyjne (TF)

białka regulujące odczytywanie

informacji genetycznej w jądrze

komórkowym.

Działają przez wiązanie się do licznych miejsc

regulatorowych na DNA

Białkowy motyw strukturalny, zwany palcem

cynkowym

Palec cynkowy jest motywem wiążącym się z DNA

Odcinek palca cynkowego o konformacji alfa-helisy (kolor
czerwony) służy do łączenia się z zasadami DNA. Naprzeciwko tego
odcinka znajduje się krótki fragment o budowie beta-harmonijki
(kolor niebieski). Atom cynku (ciemnozielona kulka) łączy się z
dwoma resztami cysteiny (niebieskie łańcuchy boczne) i dwoma
resztami histydyny (czerwone łańcuchy boczne)

Bierze udział w rozwoju
zarodkowym i różnicowaniu
tkankowym. Skutkiem
oddziaływania takiego białka z
DNA może być modyfikacja jego
aktywności.

Czynnik

transkrypcyjny

helisa-skręt-helisa

Hormony steroidowe

• Białkowe receptory hormonów są

zlokalizowane w cytoplazmie. Mają
domenę wiążącą hormon i domenę
wiążącą DNA. Kompleks hormon-
receptor wnika do wnętrza jądra
komórkowego. Receptor po związaniu
hormonu staje się zdolny do łączenia się
z sekwencją docelową DNA, pobudzając
ekspresję określonego genu.

Indukcja substratowa

• Obserwowana w wątrobie
• Przykładowo karmienie zwierząt

niektórymi aminokwasami powoduje
wzrost aktywności enzymów
uczestniczących w ich degradacji.

Hamowanie ekspresji

• metylacja zasad, szczególnie cytozyny;
fragmenty DNA nie podlegające transkrypcji
są w wysokim stopniu metylowane

•wiązanie histonów

Zmiany sekwencji

nukleotydowych noszą nazwę

mutacji

mutacji

.

Efekty mutacji powstałych u osobnika rodzicielskiego
będą przekazywane z pokolenia na pokolenie tylko
wtedy gdy znajdą się one w komórkach rozrodczych
lub ich komórkach macierzystych.

Mutacja jest, więc dowolnym odstępstwem od
normalnej dla danego organizmu budowy
(sekwencji) i ilości jego DNA.

Mutacja prowadzi do powstania nowej informacji
genetycznej.

Następstwem mutacji jest częściowa zmiana informacji
genetycznej prowadząca do zaburzenia odczytywaniu
kodu genetycznego, co może powodować np., że białko
kodowane przez dany gen ma liczne niewłaściwie
włączone aminokwasy, zatem inne właściwości biologiczne

Mutacja genowa

to zmiana dziedziczna

zachodząca w genie, na poziomie kwasu
deoksyrybonukleinowego (DNA), gdzie
następuje zamiana sekwencji zasad
nukleinowych.

Mutacja punktowa

– zmiana pojedynczego

nukleotydu w DNA.

Może być to:

•tranzycja,
•transwersja,
•delecja lub insercja pojedynczego
nukleotydu.

Mutacje punktowe

•

Tranzycja

Tranzycja

–

zmiana prawidłowych

nukleotydów w DNA na inne w ramach

jednej grupy zasad azotowych (puryn

lub pirymidyn) - adeniny na guaninę, a

cytozyny na tyminę (i na odwrót).

•

Transwersja

Transwersja

–

mutacja genowa,

punktowa zmiana chemiczna w

obrębie nici DNA, w której zasada

purynowa ulega zamianie na

pirymidynową lub odwrotnie

•

Delecja

Delecja – to jeden z typów (najczęściej

spontanicznej) mutacji genowej dotyczącej zmiany
składu nukleotydowego DNA.
Polega na utracie jednej lub kilku par nukleotydów z
DNA genowego.

•

Addycja

Addycja czyli

insercja

insercja – wbudowanie dodatkowej

pary nukleotydowej ( najczęściej spontaniczna
mutacja genu polegająca na wstawieniu krótkiej
dodatkowej sekwencji DNA w obrębie pojedynczego
genu albo wstawieniu dłuższego fragmentu
chromosomu).

G

C

G G

C

C

Powstają zarówno komórkach płciowych, jak innych komórkach
ciała (mutacje somatyczne).

Mutacje mogą być wywoływane przez
różne czynniki:

A). Samorzutne

– powstają spontanicznie bez wyraźnego udziału czynników
fizycznych lub chemicznych.

Najczęściej powstają na skutek przypadkowych błędów w
procesie replikacji DNA. Wynika to ze złożoności tego procesu.

W zależności od genu organizmu częstość genowych mutacji
samorzutnych wynosi od 1 na 10 tys. komórek do 1 na milion

B). Indukowane

B) Indukowane

powstają zarówno w przyrodzie jak i w
sztucznych warunkach laboratoriów przy udziale
czynnika fizycznego lub chemicznego.

Czynniki te nazywamy mutagennymi
(mutagenami):

Mutageny fizyczne
to:

- promieniowanie jonizujące
- promieniowanie rentgenowskie (promienie X)

- promieniowanie gamma wyzwalane w trakcie rozpadu
pierwiastków

- radioaktywnych
- promieniowanie UV
- wysoka temperatura ma wpływ na tempo reakcji i jakość
enzymów

Mutacje to fizyczne zmiany w genach

• Promieniowanie jonizujące

indukuje mutacje

– normalnie częstość mutacji

jest znikomo niska

– przez naświetlenie

promieniami X H.J. Muller

uzyskał w tydzień tyle

mutantów Drosophila, ile

wcześniej zidentyfikowano

przez 15 lat

– geny są zapisane w

cząsteczkach chemicznych

HJ Muller (1890-
1967)

Mutageny chemiczne
to:

specjalną ich grupę stanowią analogi puryn
i pirymidyn wywołujące mutacje przez włączenie
się do DNA w czasie jego replikacji;

- kwas azotawy; powoduje oksydacyjną
dezaminację grupy –C-NH2 zasady azotowej w
nukleotydach DNA i przekształcenie jej w –C=O
co doprowadza do zmiany C w U i A w G

- substancje zawarte w dymie papierosowym

Mogą być bardzo różnorodne. Biorąc jednak pod uwagę
ich bezkierunkowość, najczęściej ich efekty są
niekorzystne dla organizmu w którym zachodzą.

Ze względu na fenotypowy efekt (z punktu widzenia
określonej cechy) wyróżnia się:

niekorzystne

- powodują obniżenie zdolności organizmu do

przeżycia

obojętne

- nie wpływają na organizm; nie dają zmian wartości

adaptacyjnych osobnika. Mają one znaczenie dla procesów
ewolucyjnych

korzystne

- pojawia się względnie rzadko; poprawiają zdolności

adaptacyjne osobnika

letalne

- prowadzą do śmierci; ograniczają zdolność przeżycia

organizmu w każdych warunkach środowiskowych.

subletalne

- prowadzą do upośledzenia organizmu

Choroby genetyczne

Defekty w białkach enzymatycznych
•recesywne
•akumulacja substratu lub brak produktu

fenyloketonuria
•brak aktywności hydroksylazy
fenyloalaninowej
•1/15000 urodzeń
•nadmiar fenyloalaniny w ustroju
•leczenie przez stosowanie diety

fenyloalanina

tyrozyna

hydroksylaza
fenyloalanino
wa

Defekty w białkach
receptorowych
•uszkodzenie białek
rozpoznających inne białka

rodzinna
hipercholesterolemia
•uszkodzenie receptora LDL
•niepełna dominacja,
heterozygoty 1/500 urodzeń
•nadmiar cholesterolu we
krwi

Choroby genetyczne

Defekty w białkach
transporterowych
•uszkodzenie białek
odpowiedzialnych za transport
transbłonowy

mukowiscydoza
•uszkodzenie transportera jonów
chlorkowych
•1/2500 urodzeń
•gromadzenie się gęstego śluzu
w płucach

Choroby genetyczne

Defekty w białkach
strukturalnych
•uszkodzenie białek
odpowiedzialnych za
tworzenie struktur
biologiczych

dystrofia mięśniowa
•uszkodzenie białka
cytoszkieletu komórek
mięśniowych
•1/3000 urodzonych
chłopców
•powoduje zanik mięśni

Choroby genetyczne