BIOCHEMIA 13 IV 2011 r.

Białka mogą być również transportowane do miejsc ich degradacji. Polega to na połączeniu ich z konserwatywnym białkiem ubikwityną (małe białko, 76 aminokwasów, staje się ono znacznikiem do zniszczenia białka, które przyłącza.) Białka połączone z ubikwityną trawione się przez kompleks enzymów proteolitycznych zależnych od ATP.

Do trawienia białek dochodzi tuż po ich syntezie, ponieważ:

Niemożliwa jest absolutna dokładność translacji. W związku z tym mogą być syntetyzowane białka o zmienionym składzie aminokwasowym, co może być przyczyną ich nieprawidłowego fałdowania i w konsekwencji wytworzenia nieprawidłowych struktur

Zniszczone muszą być białka, które uległy zniszczeniom chemicznym (np. stres oksydacyjny – prowadzi do zmiany struktur i aktywności biologicznej białek). Przed nieprawidłowym fałdowaniem białek chronią je tzw. białka opiekuńcze - chaperony. Mechanizm ich działania (cha peronów) polega na tym, że otaczają one białko, które ma ulec pofałdowaniu. Chaperony przez czerpanie energii z ATP zapobiegają przed wytworzeniem nieprawidłowych wiązań oraz wywołują dysocjację powstałych już agregatów. Chaperony wiążą się z białkami w sposób odwracalny z niepofałdowanym odcinkiem danego polipeptydu. Ten niepofałdowany odcinek mógłby służyć jako ośrodek nieprawidłowego pofałdowania lub agregacji. Chaperony wiążą się z częściowo zwiniętymi łańcuchami umożliwiając im kontynuację zwijania w sposób najkorzystniejszy energetycznie. Pomagają białkom w uporządkowanym tworzeniu ich struktury przestrzennej. Przykładem cha peronów są tzw. białka szoku termicznego . wiążą się one intensywnie i są intensywnie syntetyzowane po szoku termicznym w celu ochrony komórki. Należą one do rodziny HSP (70 i 60)

POTRANSLACYJNE MODYFIKACJE BIAŁEK

Po translacji, białka syntetyzowane są w postaci pojedynczych łańcuchów polipeptydowych. Wiemy, że białka posiadają swoje struktury (I-V rzędowa) te struktury muszą być wytworzone w czasie tzw. obróbki potransjacyjnej (np. enzymy proteolityczne, czy niektóre hormony).

Do obróbki potranslacyjnej zaliczamy :

• odcinanie peptydu sygnałowego przez proteazy,

• przyłączenie do nowopowstałego peptydu innych substancji (ko faktory),

• wytwarzanie nowych wiązań chemicznych,

polipeptyd powstały po translacji ulega różnym modyfikacjom chemicznym:

glikozylacja białek (powstają glikoproteiny) – przyłączenie przez wiązania kowalencyjne jednej lub kilku reszt węglowodanowych. Glikozylacja zachodzi najczęściej w obrębie siateczki śródplazmatycznej. W ten sposób powstają glikoproteiny osocza, płynów tkankowych, śluzu i błon komórkowych.

Modyfikacje potranslacyjne mają na celu takie przekształcenie polipeptydu, aby mógł on spełnić swoją funkcję biologiczną (rysunek z Minakowskiego – potranslacyjne modyfikacje białek).

PRIONY

Pełnią istotną rolę w chorobie szalonych krów. Choroby wywoływane przez priony są też związane z procesem fałdowania się białek. Do grupy tych zaliczamy:

• Chorobę szalonych krów – wywołuje śmiertelne gąbczaste zwyrodnienie mózgu. Stwierdzono, że ta choroba jest odporna na proteazę białka prionowego, które znaleziono w mózgu. Element wywołujący chorobę nazwano prionem, natomiast białko wywołujące chorobę to PrP^Sc. …. Oba białka są takimi samymi polipeptydami, bo są kodowane przez ten sam gen, ale posiadają różne pofałdowania (konformację). PrP^sc w nieznany sposób zmienia normalne białko w formę nieprawidłową. Chorobotwórcza odmiana białka PrP^sc skupia się w trudno rozpuszczalne agregaty, które są odporne na temperaturę i promieniowanie. Komórki wyposażone są w systemy usuwania białek o zmienionej strukturze. Jeżeli dochodzi do zaburzeń w funkcjonowaniu białek prionowych, zwiększa się stężenie PrP^sc, co powoduje rozpad komórek i powstanie w mózgu złogów białek jednocześnie ubytków w strukturze mózgu. Struktura przypomina gąbkę. Uważa się, że mutacja genu kodującego prawidłową cząsteczkę tego białka może zwiększać prawdopodobieństwo w zmianach przemian potranslacyjnych, czyli prowadzi do powstawania struktury nieprawidłowej.

• Choroba kuru

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW

Jest to uwidocznienie zapisu genetycznego w postaci zsyntetyzowanego białka. Sam proces ekspresji genów jest regulowany na kilku poziomach. Klasycznym przykładem regulacji ekspresji genów u prokariota jest operon laktozowy. Jest to przykład represji katabolicznej.

Obecność w pożywce bakteryjnej laktozy powoduje uaktywnienie operonu laktozowego. Glukoza zmniejsza stężenie cAMP a cAMP jest stymulatorem indukcji w wielu operonach, powodując inicjację transkrypcji. cAMP służy jako sygnał głodu u bakterii i ssaków. Laktoza zwiększa stężenie cAMP i powoduje inicjację transkrypcji. Operon laktozowy składa się z kilku genów.

• Gen regulator

• Gen promotor – miejsce przyczepu polimerazy RNA

• Gen operator – pod jego kontrolą znajdują się geny struktury (strefa informacyjna operonu, czyli zawiera ona informację dla syntezy trzech enzymów niezbędnych do przekształcenia laktozy w dwie cząsteczki glukozy (pozostałe dwie to strefa regulatorowa). Bakterie potrafią wykorzystywać cukry jako źródło węgla i energii w postaci cukrów prostych. Cukry – permeaza …, beta galaktozydaza, transacetylaza. Te enzymy są przykładem enzymów adaptacyjnych, tzn są wytwarzane tylko wtedy, gdy komórka ich potrzebuje – kiedy w komórce znajdują się substraty dla ich syntezy. W przeciwieństwie do enzymów konstytutywnych, które wytwarzane są ciągle a ich aktywność regulowana jest modyfikacjami chemicznymi (fosfo i defosforylacje)

Jeżeli w komórce bakteryjnej nie ma laktozy, gen regulatorowy ulega transkrypcji i wytwarzane jest białko rep resorowe, które blokuje gen operator nie dopuszczając w ten sposób do transkrypcji genów struktury (operon jest zablokowany. Jeżeli w pożywce znajduje się laktoza to staje się ona induktorem odblokowując gen operatorowy przez uwolnienie z niego represora. Wówczas dochodzi do ekspresji genów struktury i wytwarzane są 3 enzymy przekształcające laktozę w dwie cząsteczki glukozy. Jeżeli zapas laktozy zostanie wyczerpany, to znów gen regulatorowy będzie wytwarzał rep resor i dojdzie do zablokowania genów struktury. (budowa i działanie operonu laktozowego – Minakowski).

Drugim przykładem operonu jest operon arabinozowy. Jest w nim zapisana informacja dla przekształcenia arabinozy w ksylulozo-5-fosforan. Arabinoza – rybulozo-5-fosforan- ksylulozo-5-fosforan.

Miejsca wiążąe białka regulatorowe nie muszą sąsiadować z kontrolowanymi rzez siebie genami. Białko może kontrolować własną syntezę przez represję transkrypcji (hamowanie) własnego genu, oraz/lub wiązanie cząsteczki sygnałowej co powoduje przekształcenie białka regulatorowego z inhibitora w aktywator lub odwrotnie. W przypadku tego operonu, kompleks białka c z arabinozą aktywuje transkrypcję, natomiast samo białko c hamuje ją. Bakteria moż ekożystać z arabinozy jako źródła energii, po przekształceniu jej w ksylulozo-5-fosforan. Operon ten zawiera 3 geny struktury niezbędne do syntezy trzech enzymów które przekształcają arabinozę w ksylulozo-5-fosforan. Posiada więcej białek regulatorowych. Głównym białkiem jest ara c, ara o1, 2, ara i. operon ten jak i inne operon kataboliczne podlega podwójnej kontroli, gdzie do wydajnej transkrypcji potrzebne są dwa sygnały (kompleks cAMP i arabinoza związana z białkiem c). Generalnie najbardziej wydajna transkrypcja zachodzi w wysokim stężeniu cAMP i arabinozy. (sztrejer – focie).

Regulacja u eukariota.

To, ze jest tak kurewnie skomplikowana zależy od różnic w budowie DNA, ponieważ u E znajdują się w DNA zarówno eksony i introny, ale zależy to też od ilość DNA (u człowieka 1000x więcej niż u bakterii). Z drugiej strony dla organizmów eukariotycznych zbudowanych z wielu komórek. Nie wszystkie istniejące geny w genomie muszą być czynne. Aktywacja wielu genów u E związana jest z przyłączeniem różnych białek do miejsc regulatorowych w DNA. Istotną rolę w regulacji genów u E pełnią histony. Przynajmniej jeden z histonów może indukować inicjację transkrypcji. Regulacja ekspresji genów (podobnie jak u prokariota) zachodzi zarówno na etapie transkrypcji jak i translacji. Kontrola ta polega przede wszystkim na kombinacyjnym łączeniu się wielu białek ze strukturą DNA. Aktywatory transkrypcji zawierają dwa główne rejony, tzw. domenę wiążącą się z DNA i domenę aktywacyjną, która pomaga w składaniu się kompleksu transkrypcyjnego przy kasecie TA-TA. Stwierdzono jednocześnie, że transkrypcję mogą regulować białka wiążące się z sekwencjami DNA oddalonymi o kilka tysięcy par zasad od kasety TA-TA, ponieważ DNA jest elastyczną cząsteczką, która może tworzyć pętle. Białka regulatorowe muszą charakteryzować się dużym powinowactwem do DNA. Są trzy unikalne motywy w strukturze takich białek

• palec cynkowy (focie z Minakowskiego)

• suwak leucynowy

• heliks zwrot heliks. hzh

W niektórych aktywatorach znajduje się wielokrotny motyw palca cynkowego. Jest to pętla wytworzona z fragmentu łańcucha polipeptydowego utworzonego przez jon cynkowy. Tak struktura umożliwia wciskanie się białka w rowek podwójnej spirali DNA. Dzięki wiązaniu białka z tym motywem do DNA umożliwia czynnikowi inicjującemu transkrypcję kontakt z docelowym genem. Istnieje też inny model, w którym białka regulatorowe nie łączą się bezpośrednio z DNA, ale z innymi białkami regulatorowymi i to wywołuje wpływ na ekspresję określonego genu.

Zamek leucynowy – istotą białek suwaka (zamka) jest to, że zawierają one w co siódmej pozycji w łańcuchu polipeptydowym leucynę. (w obrębie ok. 35 aminokwasów) białka te podobnie jak Hz tworzą dimery złożone z dwóch skręconych ze sobą łańcuchów o strukturze superhelisy. Sekwencja suwaka posiada dodatkowo rejon zasadowy (ok. 30 aminokwasów), służący do wiązania z DNA. Rolą suwaka leucytowego jest połączenie dwóch elementów wiążących DNA tak, aby mogły wiązać się z dwoma sekwencjami DNA. U wyższych Eukariota białka suwaka pośredniczą w oddziaływaniu cAMP na transkrypcję. W odróżnieniu od prokariota istotną rolę w regulacji ekspresji genów pełnią hormony. Hormony spełniają swą funkcję przez wpływ na czynniki transkrypcyjne. Hormony steroidowe działają bezpośrednio na DNA bo są małymi cząsteczkami i wnikają bezpośrednio do jądra. Tam łączą się z tzw sekwencją odpowiedzi hormonalnej i regulują proces transkrypcji. Inaczej działają h. peptydowe i białkowe – są dużymi cząsteczkami i oddziaywują przez ystem wtórnych przekaźników. Istotną rolę pełni tu cAMP i kinaza a która jest zależna od niego. Promotory genów, które są tak regulowane posiadają odpowiedni element DNA (CRE), który w odpowiedzi na cAMP wiąże się z odpowiednim białkiem aktywującym transkrypcję (Focia z Minaka). CRE po związaniu z tym białkiem przekształca się w kompleks CREB, który pod wpływem kinazy a, która powoduje jego fosforylację, aktywuje transkrypcję.

Okazuje się, że u człowieka ok. 98% DNA nie koduje białek. Z tego niekodującego DNA powstaje bardzo aktywny RNA, któ®y spełnia swoją rolę jako regulator aktywności innych genów. Wiele sekwencji intronowych jest usuwana z pierwotnego tran skryptu, ale w części z nch zawarte są aktywne czynniki, tzw. mikroRNA, które regulują aktywność określonych genów. Istotną rolę w regulacjij ekspresji genów pełnią niskocząsteczkowe kwasy RNA:

• siRNA – interferujący RNA – dwuniciowe cząsteczki RNA o długości ok. 20-25 par zasad, które powodują wyciszanie ekspresji genów o homologicznej sekwencji. Takie wyciszanie to interferencja RNA. Powstają przez pocięcie dwuniciowego RNA przez enzym DICER na fragmenty odpowiedniej długości. DICER jest wielodomenową rybonukleazą, należącą do rnaz 3. Krótkie siRNA wiążą się z kompleksem białkowym o aktywności rybonukleazy RISK. Aktywny kompleks jest zbudowany z białek i RNA. Kompleks ten wiąże się z komplementarną do siRNA cząsteczką mRNA i tnie ją na kawałki, uniemożliwiając w ten sposób kodowanie przez ten odcinek mRNA określonego białka. Zazwyczaj w przeciwieństwie do miRNA sekwencja siRNA jest w 100% homologiczna do określonej sekwencji mRNA. Roślinki wykorzystują mechanizm interferencji mRNA, ale też zwierzątka do ochrony przed wirusami. Powstaje najpierw dwuniciowy dsRNA, dicer przecina RNA i powstaje jednoniciowy siRNA, który łączy się z sekwencją komplementarną (przy obecności RISK)i dochodzi do degradacji. (Rysuneczek – Jolisia =) ). Interferon jest wektorem za pomocą którego siRNA można wprowadzić do komórki nowotworowej – tnie RNA komórek nowotworowych.

• miRNA – jednoniciowe cząsteczki RNA (21-23 nukleotydy), działają podobnie jak poprzednie, ale nie tak precyzyjnie, bo nie posiadają 100% homologii z mRNA. Wchodzą w skład kompleksów rybonukleoproteinowych blokujących specyficznie translację mRNA. Ich obróbka jest podobna do siRNA. Ocenia się że aktywność 30 % ludzkich genów jest m.in. regulowana przez miRNA.

Geny kodujące białka nie stanowią jedynej informacji, z której kozysta komórka. Oprócz 30 tys genów, które kodują białka ssakó, niezwykle istotne znaczenie ma niekodujący DNA, oraz histony, ich chemiczne modyfikacje oraz stan kondensacji chromatyny jądrowej. Ilość genów kodujących białka ma znaczenie drugorzędowe. Istotą jest oddziaływanie pomiędzy sobą poszczególnych genów i ich produktów.