Biosynteza białek

Mateusz Jankowski, Monika Pniewska,

Kamil Rutkowski, Aleksandra

Szlachtowicz, Joanna Wierzchowska,

Towaroznawstwo, rok II

Białka

Definicja
• Wielkocząsteczkowe związki

zbudowane wyłącznie lub w dużej
mierze z aminokwasów, a które
stanowią największą część
występujących w żywej komórce
związków organicznych.

• Powstają one w wyniku biosyntezy

Biosynteza białka

• Biosynteza – proces enzymatyczny,

uwarunkowany genetycznie, często
wieloetapowy, powstawania ze
związków prostszych (aminokwasów),
związków organicznych o budowie
bardziej złożonej (łańcuchy
polipeptydowe), zachodzący w żywych
organizmach pod wpływem enzymów i
podlegający bardzo ścisłej regulacji.

Mechanizm biosyntezy

białka

• Schemat biosyntezy białka obejmuje

trzy etapy przygotowawcze związane
z transportem materii, energii i
informacji do rybosomu oraz etap
czwarty, w którym na podstawie
kolejności nukleotydów mRNA
odczytywana jest sekwencja
łańcucha aminokwasów.

Rys. 1. Uproszczony schemat matrycowej biosyntezy
białek

Opis rysunku ale nie wiem jak

zatytułować

• Proces transkrypcji czyli przepisywania informacji o kolejności

ułożenia reszt aminokwasowych w cząsteczce syntetyzowanego
białka(prawa górna część rysunku). Informacja o kolejności
ułożenia reszt aminokwasowych w syntetyzowanym białku
zakodowana jest w aparacie genetycznym komórki w postaci
sekwencji nukleotydów cząsteczki DNA. Wraz z jej przepisaniem
(transkrypcja) na sekwencję rybonukleotydów w cząsteczce
informacyjnego RNA (mRNA) transportowana zostaje do
rybosomu, gdzie ulega przetłumaczeniu (translacja) na kolejne
aminokwasy nowo powstającego łańcucha białkowego. Procesy
związane z transportem substancji (18 proteinogenicznych
aminokwasów i 2 amidy) i energii niezbędnej dla syntezy wiązań
peptydowych (lewa górna część rysunku) oraz proces syntezy
łańcuchów polipeptydowych na aktywnym translacyjnie
rybosomie (środkowa część rysunku)

Aktywacja i transport

aminokwasów do rybosomów

• Synteza wiązania peptydowego z wolnych

aminokwasów przebiega z pochłonięciem
energii w ilości ok. 12 kJ/mol, co wskazuje
na powiązania biosyntezy białka z
procesami utleniania lub rozpadu
związków zawierających wiązania
makroergiczne. W roku 1955 M. Hogland
jako pierwszy przedstawił schemat
dwustopniowej reakcji enzymatycznego
procesu aktywacji aminokwasów.

• W pierwszym etapie wskutek wzajemnego

oddziaływania aminokwasów z ATP powstaje
aminoacyloadenylan i wydziela się
pirofosforan. Hydrolityczny rozpad
pirofosforanu przy udziale pirofosfatazy
zapewnia nieodwracalność reakcji
powstawania aminoacyloadenylanu. Drugi
etap polega na przeniesieniu amino kwasu z
powstałego uprzednio aminoacyladenylanu
na resztę adenozyny akcepto rowego tRNA.

To też???

• Aminoacyloadenylan jest mieszanym bezwodnikiem aminokwasu i reszty

kwasu fosforowego adenozyno-5'-fosforanu. Swobodne
aminoacyloadenylany jako bez wodniki w środowisku zbliżonym do
obojętnego (pH = 7,4) wyjątkowo łatwo wcho dzą w reakcje z
aminokwasami nawet przy bardzo małym stężeniu (10

-3

mol/l). Re akcja

przebiega bez udziału enzymów, a jej wynikiem jest powstawanie wiązań
pep- tydowych. Z podobną szybkością acylują wolne, dostępne grupy
aminowe cząsteczki białka. W tym samym czasie związane z enzymem
aminoacyloadenylany są nieak tywne i w związku z tym nie mogą być
wykorzystane w syntezie białka.

• Specyficzność reakcji aktywowania aminokwasów, według

przedstawionego schematu, jest zbliżona do bezwzględnej i można ją
traktować jako super specy ficzną. W reakcji tej aktywowane są tylko
naturalne L-izomery aminokwasów, pod czas gdy izomery D nie biorą w
niej udziału. Jakkolwiek niektóre homologi L-ami- nokwasów aktywowane
są w równym stopniu co wzorcowe białkowe L-amino- kwasy.

Etapy biosyntezy białka

a) Transkrypcja
b) Translacja

Rys. 2. Uproszczony schemat biosyntezy białka

Transkrypcja

• Polega na przepisywaniu informacji genetycznej z DNA

na mRNA i odbywa się w obrębie jądra komórkowego.

• Aby proces transkrypcji mógł się rozpocząć musi

przyłączyć się enzym polimeraza RNA do
odpowiedniego miejsca na DNA zwanego promotorem
( zawiera 3 zasady, tzw. kodon startowy AUG).

• Na jednej z dwóch nici DNA (matrycowej, druga nić nosi

nazwę kodującej) rozpoczyna się synteza RNA.

• Polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż nici powodując ich

rozsuwanie. Następnie z 1 nici DNA zostaje przepisana
informacja na zasadzie komplementarności na matrycę
(nukleotydy uracylu zajmują miejsce tyminy z DNA).

Rys. 3. Schemat
transkrypcji

• Matryca jest odczytywana w kierunku 3' ^ 5',

a nowa cząsteczka RNA powstaje w kierunku
5' ^ 3'.

• Transkrypcję można podzielić na trzy etapy:
 inicjację
 elongację
 terminację
• Transkrypcji podlega odcinek DNA od

promotora do terminatora. Nazywamy go
jednostką transkrypcji.

Translacja

• Jest to proces syntezy łańcucha

polipeptydowego białek na matrycy mRNA.
Proces ten przebiega w cytoplazmie.

• Do przebiegu translacji potrzebne są

następujące elementy:

 ATP;
 rybosomy (zbudowane z 2 podjednostek);
 aminokwasy;
 tRNA;
 mRNA;

Rys. 4. Schemat tRNA Rys. 5. Schemat mRNA

Translacja - etapy

Translacja składa się z czterech faz:
• aktywacji gdzie właściwy aminokwas jest

dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania
estrowego,

• inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała

podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5'
mRNA,

• elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-

tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A,

• terminacja łańcuch polipeptydowy zostaje

uwolniony do cytoplazmy.

Elementy translacji ???

• kodony stop (UAA, UAG lub UGA).
• Aby rozpoczął się proces translacji

musi zostać uaktywniony tRNA z
aminokwasem, za pomocą ATP.

• Po uaktywnieniu tRNA przyłączą się do

miejsca A, jednak wcześniej musi
odszukać odpowiednią trójkę zasad na
matrycy komplementarną do
antykodonu:

aminokwas

kodon

Rys. 7. …………………………….

• Po przyłączeniu się tRNA do matrycy,

całość przesuwa się na miejsce P.
Miejsce A zostaje wolne, dlatego
może przyłączyć się do niego
następny tRNA z aminokwasem.
Obydwa tRNA w miejscu P i A
ułożone są tak blisko siebie, że
możliwe jest przekazanie
aminokwasu z miejsca P na miejsce
A.

Rys. 8. …………………………..

Szybkość biosyntezy

białek

• Intensywność biosyntezy białek charakteryzuje średnia

szybkość syntezy łańcuchów polipeptydowych, wynosząca
reszt aminokwasowych w ciągu jednej sekundy:

• 16-17 w komórkach bakterii,
• 7-8 w komórkach drożdży,
• 5-7 w komórkach ssaków.
• Synteza cząsteczki globiny w rekkulocytach królika trwa 20

sekund, podczas gdy cząsteczki owoalbuminy jajowodu kury i
białek wątroby szczura 80 sekund.

• W ciągu 1 minuty w rekkulocycie królika syntetyzowanych jest

5 104 czą steczek globiny, w komórce jajowodu kury - 6 10

5

cząsteczek owoalbuminy, podczas gdy komórki gruczołowe
jedwabnika są w stanie wyprodukować w tym samym czasie
38 * 10

11

cząsteczek fibroiny.

Regulacja biosyntezy białka

• Teorię oraz model genetyczny regulacji syntezy

białka podali Jacob i Monod (1961), którzy za
swoje prace na tym polu otrzymali w 1965 roku
nagrodę Nobla w dziale medycyny. Model ten
zakłada istnienie Operonu jednostki
transkrypcyjne występujące u organizmów
prokariotycznych w skład których wchodzi kilka
genów kodujących zazwyczaj białka powiązane ze
sobą funkcjonalnie:

 geny kodujące białka i enzymy (geny struktury lub też

geny strukturalne),

 dwa odcinki DNA niekodujące białek: promotor i

operator.

Rodzaje operonów

bakteryjnych:

• indukowane (kataboliczne) - produkcja

enzymów jeśli substrat obecny jest w
środowisku

• Operon laktozowy – operon zawierający trzy geny

struktury:

 -lacZ, kodujący enzym β-galaktozydazę

(hydrolizującą laktozę do glukozy i galaktozy)

 -lacY, kodujący permeazę laktozową, odpowiedzialną

za transport laktozy do komórki;

 -lacA kodujący transacetylazę β-galaktozydazową

zaangażowaną w transport laktozy wewnątrz komórki

Mechanizm regulacji operonu laktozowego opiera się na zdolności łączenia się
białka regulatorowego (represora) z odcinkiem operatorowym. W przypadku
połączenia się laktozy do białka regulatorowego, następuje spadek zdolności
łaczenia się tego białka z operatorem ,
w skutek czego następuje transkrypcja genów.(przyłączenie polimerazy RNA do
promotora)

Rodzaje operonów

bakteryjnych:

• ulegające represji (anaboliczne) - produkcja

enzymów jeśli substancja syntetyzowana nie
istnieje w komórce

• Operon tryptofanowy - operon kodujący

enzymy potrzebne do syntezy aminokwasu -
tryptofanu. Składa się z operatora, promotora i
pięciu genów struktury:

 trpE ,trpD , trp C , trpB i trpA: kodujących enzymy
 syntetaza antranilowa,
 syntetaza indologlicerofosforanu,
 syntetaza tryptofanowa

Geny te, podobnie jak w operonie laktozowym posiadają jeden wspólny promotor i
ulegają
transkrypcji w postaci jednej cząsteczki RNA. Regulacja operonu tryptofanowego
opiera się na systemie represor-operator podobnie jak w operonie laktozowym.
Gdy tryptofan jest dostępny w otoczeniu komórki, operon jest wyłączony,
ponieważ kompleks
represor-tryptofan wiąże się do sekwencji operatora trp, uniemożliwiając w ten
sposób związanie
się polimerazy RNA z promotorem trp. W momencie braku tryptofanu, który działa
jak korepresor,
wspólnie z represorem blokując swoją syntezę.

•Synteza białka u Procaryota
•U organizmów prokariotycznych (np. bakterii) proces transkrypcji oraz translacji

zachodzą w cytoplazmie komórki. U organizmów tych nie występuje proces splicingu,
tak więc mRNA powstające w wyniku transkrypcji może być natychmiast
wykorzystane przez rybosomy w procesie translacji. Rybosomy Procaryota zaczynają
zwykle translację nici mRNA, która jeszcze nie została do końca zsyntetyzowana –
trwa jeszcze proces transkrypcji. Tak więc u organizmów prokariotycznych procesy
transkrypcji i translacji nie są rozdzielone w czasie ani przestrzeni.

•Synteza białka u Eucaryota
•U organizmów eukariotycznych proces transkrypcji odbywa się w jądrze

komórkowym. Powstałe cząsteczki RNA są nazywane pre-mRNA. Pre-mRNA jest
zwykle poddawane procesowi splicingu (wycinaniu intronów). Do cząsteczek RNA
dołączana jest tak zwana czapeczka (czyli nukleozyd 7-metyloguanozyna), struktura
ta jest konieczna do rozpoczęcia translacji. Białkiem bezpośrednio odpowiedzialnym
za rozpoznanie kapu (czapeczki) jest czynnik inicjujący translację EIF-4E. Większość
cząsteczek RNA jest także poliadenylowana na końcu 3'. Tak powstałe cząsteczki
mRNA są eksportowane do cytoplazmy komórki. W cytoplazmie mRNA jest używany
przez rybosomy, jako matryca w procesie translacji.

Transkrypcja u Ecaryota vs.

Procaryota - porównanie

•U "Eucaryota" transkrypcja przebiega podobnie, jak u "Procaryota". Jedną z

najważniejszych różnic jest to, iż w komórce eukariotycznej występują trzy
klasy polimeraz RNA, a nie jedna jak w komórce prokariotycznej. U "Eucaryota"
polimerazy odpowiadają za transkrypcję innego zestawu genów, a sposób ich
funkcjonowania jest nieco odmienny. Enzymy, które katalizują transkrypcję to:

• Polimeraza RNA I - odpowiada m.in. za syntezę rybosomalnego RNA, czyli

rRNA;

• Polimeraza RNA II - transkrybuje geny kodujące białka;
• Polimeraza RNA III - odpowiada za transkrypcję krótkich genów kodujących

małe cząsteczki RNA, jak np. transportujący, inaczej transferowy RNA, czyli
tRNA.

•Powstający pierwotny transkrypt, nazwany tu heterogennym jądrowym

RNA,

•czyli hnRNA zawiera zarówno sekwencje kodujące, czyli egzony, jak i sekwencje

niekodujące - introny. Musi on zatem przejść tzw. obróbkę posttranskrypcyjną,
czyli m.in. splicing polegający na wycinaniu intronów. mRNA przechodzi także
inne modyfikacje, które przygotowują go do translacji

Organizmy modyfikowane

genetycznie w skrócie GMO

• (ang. Genetically Modified Organisms) –

organizmy, których genom został zmieniony
metodami inżynierii genetycznej w celu
uzyskania nowych cech fizjologicznych (lub
zmiany istniejących). Pierwsze GMO zostało
stworzone w 1973 roku, a pierwsze próby
polowe miały miejsce w 1986 roku i dotyczyły
tytoniu. Pierwsze komercyjne GMO zaczęto
sprzedawać w USA – w pomidorach FlavrSavr
zmniejszono aktywność genu odpowiadającego
za proces dojrzewania i mięknięcia pomidora.

Rodzaje modyfikacji

genetycznych

• Modyfikacje, jakim podlegają organizmy

można podzielić na trzy grupy:

 zmieniona zostaje aktywność genów

naturalnie występujących w danym
organizmie

 do organizmu wprowadzone zostają

dodatkowe kopie jego własnych genów

 wprowadzany gen pochodzi z organizmu

innego gatunku (organizmy transgeniczne)

• Modyfikacje genetyczne wprowadzane metodami

hodowlanymi są znane od starożytności – w ten sposób za
pomocą selektywnego krzyżowania wytworzono
heksaploidalną pszenicę zwyczajną oraz szereg
mieszańców, takich jak pierwiosnek czy liczne
międzygatunkowe krzyżówki wśród zwierząt (np. muł).
Około 8% ludzkiego genomu stanowi sekwencje
pochodzące od endogennych retrowirusów, które
wkomponowały się w niego w procesie ewolucji.

• Modyfikacje genetyczne budzące najwięcej kontrowersji to

przeważnie wprowadzenie genów pochodzących z innych
gatunków, które nadają modyfikowanemu organizmowi
pożądaną cechę, niewystępującą u niego naturalnie.

Główne zastosowania modyfikacji

• zmodyfikowane mikroorganizmy są używane do produkcji

pewnych substancji chemicznych, takich jak np. insulina

• modyfikowanie roślin pozwala dodać/wzmocnić cechy

zwiększające opłacalność produkcji.

 MODYFIKACJE GENETYCZNE W BIOLOGII I MEDYCYNIE
• Organizmy transgeniczne mają szerokie zastosowania w

badaniach współczesnej biologii i medycyny
molekularnej, między innymi w badaniach nad rakiem,
chorobami dziedzicznymi, chorobami zakaźnymi oraz w
badaniach nad mechanizmami rozwoju (tzw. modele
transgeniczne).

• Przykłady organizmów transgenicznych w medycynie:
 Mysi model białaczki
• Modyfikacje genetyczne zwierząt
 Modyfikacje zwierząt mają na celu głównie uzyskanie

zwierząt o pożądanych cechach w hodowli – szybciej
rosnące świnie, ryby, zastosowaniu ich w produkcji
białek, enzymów, innych substancji wykorzystanych w
przemyśle farmaceutycznym (jako bioreaktory),
uodpornieniu na choroby.

 Modyfikacje zwierząt nie są tak popularne jak roślin,

głównie ze względu na trudności w samym procesie
modyfikacji, proces jest bardzo skomplikowany i trwa
długo, koszty są bardzo duże. Zwierzęta
modyfikowane genetycznie często chorują lub są
bezpłodne.

Modyfikacje genetyczne w roślinach

• Modyfikacje roślin uprawnych polegają przede wszystkim na

wprowadzeniu lub usunięciu z nich określonych genów. Modyfikacje
mają przede wszystkim na celu:

 zwiększenie odporności na herbicydy i szkodniki,
 zwiększenie odporności na infekcje wirusowe, bakteryjne i

grzybowe,

 zwiększenie tolerancji na stres abiotyczny (głównie zmiany

klimatyczne),

 przedłużenie trwałości owoców,
 poprawę składu kwasów tłuszczowych oraz aminokwasów białek,
 unormowanie stężenia fitoestrogenów,
 zwiększenie zawartości suchej masy,
 zmianę zawartości węglowodanów, karotenoidów i witamin,
 usunięcie składników antyżywieniowych – toksyn, związków

utrudniających przyswajanie składników odżywczych oraz związków
które podczas obróbki kulinarnej ulegają reakcjom chemicznym
wytwarzając toksyny. Modyfikacje te zwiększają np. zawartość
nutraceutyków, czyli substancji niezbędnych dla zdrowia.

• Na świecie najczęściej

modyfikowanymi roślinami są:
kukurydza, pomidory, soja
zwyczajna, ziemniaki, bawełna,
melony, tytoń. W Europie najczęściej
modyfikuje się: kukurydzę, rzepak,
buraki cukrowe, ziemniaki.

• Kraje produkujące najwięcej GMO to

w kolejności: USA, Argentyna,
Kanada, Brazylia, Chiny, RPA,

Przykłady organizmów

transgenicznych w rolnictwie:

• transgeniczne pomidory o

przedłużonej trwałości (obecnie nie
ma dostępnych na rynku)

• transgeniczne rośliny tytoniu,

odporne na herbicydy

• soja transgeniczna odporna na

działanie glifosatu

Dziękujemy na uwagę