Kod genetyczny

Kod genetyczny opisuje, w jaki sposób sekwencja zasad kwasu nukleino­wego zostaje przekształcona w sekwencję aminokwasów podczas biosyn­tezy białek. Sekwencja DNA genu jest podzielona na szereg jednostek złożonych z trzech zasad. Każda z takich jednostek nazywa się kodonem i dyktuje określony aminokwas. Cztery zasady w DNA (i w RNA) mogą utworzyć łącznie 4³ kombinacje trójek nukleotydów, stanowiące 64 kodo­ny, które określają 20 aminokwasów występujących w białkach. Ponieważ liczba kodonów jest większa od liczby białkowych aminokwa­sów, wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, są kodowane przez więcej niż jeden kodon. Jest to degeneracja albo nad-miarowość kodu genetycznego. Kodony odpowiadające za wprowadza­nie tych samych aminokwasów są nazywane synonimami i są podobne. Na przykład, ACU, ACC, AC A i ACG kodują treoninę. Różnice między synonimami dotyczą głównie trzeciej pozycji kodonu, określanej jako pozycja tolerancji. Degeneracja kodu genetycznego mini­malizuje efekty mutacji, gdyż nie każda zmiana sekwencji zasad w kwa­sach nukleinowych powoduje zmianę sekwencji aminokwasów w białku, dzięki czemu można uniknąć szkodliwego wpływu przynajmniej części mutacji na funkcje białek. Spośród 64 możliwych kodonów, 61 koduje aminokwasy. Pozostałe trzy kodony, UAG, UGA i UAA, nie kodują żad­nego aminokwasu, stanowią natomist sygnały zakończenia translacji i są określane jako kodony terminacyjne albo kodony stop. Kodon metioninowy, AUG, jest dla wszystkich białek sygnałem startu translacji i jest nazywany kodonem inicjującym lub kodonem start. Tak więc wszystkie polipeptydy rozpoczynają się metionina, chociaż czasami aminokwas ten zostaje później usunięty.

Transkrypcja

Transkrypcja jest to proces przepi­sywania informacji z DNA na RNA, czyli pierwszy etap ekspresji genów. Proces ten jest podobny do replikacji DNA i polega na utworzeniu polinukleotydowej nici RNA na matrycy DNA przy udziale specyficznych en­zymów. Rodzaje kolejnych rybonukleotydów przyłączane do nowo tworzonej nici RNA są określo­ne sekwencją dezoksynukleotydów nici matrycowej DNA. Proces trans­krypcji przebiega przy udziale tylko jednej nici DNA. Nić ta nazywana jest sensowną. Informacja dotycząca aminokwasów może być zawarta w różnych fragmentach jednej i drugiej nici DNA, tak więc w różnych frag­mentach każda z nici może być sen­sowna. Informacje zawarte w nici antysensownej nie są bezpośrednio istotne dla syntezy białka.

Transkrypcja polega na reakcji syntezy trifosforanu odpowiedniego nukleotydu z resztą hydroksylową 3' rybozy tworzącego się łańcucha RNA. W reakcji formowania wiązań fosfodiestrowych jest zużywana ener­gia i trifosforan przekształca się w monofosforan. Łań­cuch RNA wydłuża się w kierunku 5'→3'.

Transkrypcja, podobnie jak repli­kacja, przebiega w trzech etapach:

- inicjacja (zapoczątkowanie proce­su)

- elongacja (wydłużanie łańcucha)

- terminacja (zakończenie transkryp­cji)

Enzymy katalizujące transkrypcję są nazywane polimerazami RNA za­leżnymi od DNA (nukleotydylotransferazy). W komórkach prokariotycznych występuje tylko jedna polimeraza RNA. W eukariotycznych polimerazy są bardziej zróżnicowane.

Również w mitochondriach i plastydach znajdują się polimerazy uczes­tniczące w transkrypcji. Kodowane są one przeważnie przez geny DNA ją­dra komórkowego, a syntetyzowane na rybosomach w cytoplazmie.

Mechanizm transkrypcji RNA w komórkach Prokaryota.

Transkrypcja rozpoczyna się od określonego punktu DNA. Przebieg syntezy RNA jest podobny do synte­zy DNA (replikacji), ale nie wymaga primera.

Proces transkrypcji jest katalizowa­ny u wszystkich prokariotów przy udziale jednej polimerazy RNA. U E. coli zostaje on zapoczątkowany rozpoznaniem miejsca promotorowego przez jej podjednostkę sigma. Po rozpoczęciu transkrypcji podjednost­ka sigma jest uwalniana z kompleksu i przy udziale rdzenia polimerazy RNA, składającego się z dwóch cząs­teczek alfa oraz beta i beta', następuje elongacja łańcucha RNA

Prokariotyczna transkrypcja jest regulowana przez region DNA nazy­wany operatorem. Jest to fragment DNA, którego zablokowanie lub odblokowanie w zależności od typu regulacji, umożliwia proces trans­krypcji, a więc i ekspresji genu.

Miejsca inicjacji i terminacji wyznaczają wielkość jednostek transkrypcyjnych, które mogą odpowiadać pojedynczym, ale także wielu genom.

Terminacja (zakończenie) procesu transkrypcji jest możliwa dzięki białkowemu czynnikowi ro, który ma zdolność odłączania od odpowiedniego miejsca matrycy DNA syntetyzowanej cząsteczki RNA.

Utworzona cząsteczka mRNA jest u prokaryota natychmiast wykorzystywana w procesie translacji. Kwas ten poza tym nie podlega procesowi dojrzewania, ponieważ w genach Prokaryota nie występują sekwencje intronowe, tak więc nie zachodzi ich wycinanie z mRNA. Obróbce potranskrypcyjnej u Prokaryota podlegają jedynie tRNA i rRNA.

Mechanizm transkrypcji i procesy potranskrypcyjne w komórkach Eukaryota

W komórce eukariotycznej mecha­nizmy warunkujące precyzję trans­krypcji i uzupełniające ją procesy potranskrypcyjne są bardzo złożone i zróżnicowane. Jest to spowodowane wielkością genomu komórki, który jest tysiąckrotnie większy od genomu bakteryjnego. U eukaryota 40% - 70% DNA stanowią sekwencje niekodujące.

Na jeden gen struktury może się składać kilka lub kilkanaście odcin­ków DNA, oddzielonych od siebie sekwencjami niekodującymi. Se­kwencje te to introny, zaś sekwencje ulegające ekspresji to eksony. Taka budowa genów wymaga wycinania transkrybowanych intronów i łączenia eksonów w funkcjonalną cząsteczkę RNA. Proces ten nazywamy dojrze­waniem preRNA, a wyjątkowo jest katalizowany nie przez enzymy, ale głównie przez inny RNA.

Każdy gen eukariotyczny ma włas­ną sekwencję promotorową. W celu precyzyjnej inicjacji i kontroli trans­krypcji Eukaryota wytworzyły wiele białek rozpoznających i wiążących się z miejscem promotorowym. Nie-enzymatyczne białkowe czynniki, niezbędne dla prawidłowego przebie­gu procesu transkrypcji, zostały na­zwane czynnikami transkrypcyjnymi.

Transkrypcja przy udziale polimerazy RNA klasy I

Polimerazy RNA klasy I zlokalizo­wane są w jąderku i biorą udział w transkrypcji genów kodujących rybosomalny RNA. Geny te występują w kil­kuset kopiach, w obszarze NOR (Nuclear Organizer Region) chromo­somu. Geny kodujące rRNA zawiera­ją DNA komplementarny do RNA, co umożliwia szybkie powstawanie ry­bosomów, w razie konieczności in­tensywnej syntezy białka.

Transkrypcja przy udziale polimerazy RNA klasy II

Polimerazy te przepisują geny ko­dujące białka istotne dla procesów życiowych komórki. Bezpośrednim produktem katalizowanej reakcji jest pre-mRNA, stanowiący główny skła­dnik heterogennego jądrowego RNA (hnRNA).

Matrycowy RNA od momentu pow­stania do momentu wykorzystania zawartej w nim informacji w procesie translacji podlega u Eukaryota mody­fikacjom, które określamy procesem dojrzewania i po obróbce tylko 5% pre-hnRNA dociera do cytoplazmy.

Do końca 5' dodawany jest niety­powy nukleotyd - 7-metyloguanina , który tworzy rodzaj kapturka ochronnego (cap), chroniącego przed egzonukleazą działającą w kierunku 5' → 3'. Na drugim końcu (3') dołącza­ny jest w trakcie poliadenylacji łań­cuch poliadenylowy zawierający ok. 100-200 nukleotydów. Oba te zabez­pieczenia chronią mRNA przed przedwczesnym rozkładem enzyma­tycznym.

Następnym etapem potranskrypcyjnej modyfikacji jest wycięcie intronów z pre-mRNA i połączenie po­zostałych odcinków (eksonów). Infor­macja w DNA jest kodowana w spo­sób nieciągły (w formie tzw. eksonów i intronów) i w takiej formie przepisy­wana jest bezpośrednio na hnRNA. W sekwencji aminokwasów są odzwierciedlone tylko informacje zawarte w eksonach. Informacja zawarta w intronach jest sekwencją niekodującą. Liczba intronów w genie może być bardzo różna, zaś ich całkowita długość większa od długości eksonów, które stanowią u Eukaryota 40 - 70% długości cząsteczki mRNA. Rola in­tronów nie jest poznana.

Po modyfikacji pre-mRNA przyłą­czają się dodatkowo białka w wyniku czego powstają rybonukleoproteidy (RNP), zwane informosomami. Informosomy występują tylko u Eukaryo­ta. Białka tworzące RNP (mRNP) de­cydują o trwałości cząstek mRNA i ich aktywności w procesie translacji. Polimerazy RNA klasy II bardzo mocno wiążą się z amanityną znajdującą się w muchomorze sromotnikowym ,co często prowadzi do śmierci po zatruciu tymi grzybami.

Transkrypcja przy udziale polimerazy RNA klasy III

Polimerazy RNA klasy III biorą udział w transkrypcji przenośnikowe­go RNA (tRNA), podjednostki 5S rybosomalnego RNA (rRNA), niektórych genów snRNA, jak również wiruso­wych niskocząsteczkowych RNA.

Modyfikacja pre-tRNA jest nieco odmienna od potranskrypcyjnej obróbki pre-mRNA. Geny tRNA są transkrybowane pojedynczo lub jako jednostki transkrypcyjne wspólne dla kilku różnych tRNA. W procesie dojrzewania dochodzi do wyodrębnienia właściwych dla funkcjonalnego tRNA sekwencji nukleotydowych. Zachodzi również dobudowanie w pewnych cząsteczkach do końca 3' sekwencji CCA, a także chemicznej modyfikacji niektórych zasad, tak że powstają za­sady charakterystyczne dla tRNA (tiourydyna, pseudourydyna, metylocy-tozyna).

Translacja

Proces translacji, czyli biosyntezy białek, jest końcowym etapem eks­presji informacji genetycznej w ko­mórce. Podczas translacji informacja zakodowana w łańcuchu mRNA jest tłumaczona na sekwencję aminokwa­sów w polipeptydzie. Proces translacji zachodzi w cytoplazmie na ryboso­mach.

Rybosomy są zbudowane z rRNA i białek. Znajdują się w nich specyficzne miejsca wiązania dla mRNA, tRNA oraz czynników inicju­jących, elongacyjnych czy też terminacyjnych.

Rybosomy charakteryzują się spe­cyficznymi stałymi sedymentacji:

- Prokaryota - podjednostki 30 i 50S, rybosom 70S.

- Eukaryota - podjednostki 40 i 60S, rybosom 80S.

W płastydach i mitochondriach Eukaryota występują rybosomy klasy 70S, co świadczy o ich bakteryjnym pochodzeniu.

W relacjach pomiędzy kodonami, a aminokwasami rolę pośrednika od­grywają cząsteczki tRNA.

Proces translacji przebiega jedna­kowo u organizmów pro- i eukario­tycznych i składa się z 3 etapów:

- inicjacji,

- elongacji,

- terminacji.

Inicjacja w procesie translacji

Inicjacja polega na rozpoznaniu kodonu AUG w mRNA przez ryboso­my i inicjatorowy tRNA. W inicjacji dodatkowo uczestniczy szereg tzw. białkowych czynników inicjujących. U bakterii spotyka się tylko trzy czynniki inicjujące: IF-1, IF-2, IF-3, natomiast u Eukaryota oprócz 8 spe­cyficznych czynników białkowych w reakcji inicjacji biorą udział białka CBP.

U Prokaryota translacja zaczyna się przyłączeniem kompleksu czynników inicjujących do podjednostki 30S. Po dołączeniu się inicjatorowego tRNA (formylometionylo-tRNA) oraz mRNA, czynniki białkowe zostają uwolnione, a dołączenie podjednostki 50S powoduje powstanie rybosomu 70S, na którym może zachodzić pro­ces translacji.

U Eukaryota również zachodzi przyłączanie czynników białkowych do podjednostki o mniejszej stałej sedymentacji (40S). Jeden z czynni­ków biorących udział w tej reakcji (eIF-2) może ulegać fosforylacji, co powoduje jego unieczynnienie i dzię­ki temu możliwa jest regulacja ekspresji genów na poziomie translacji. Do podjednostki 40S przyłącza się następnie inicjatorowy tRNA (u Euka­ryota jest to metionylo-tRNA) oraz mRNA. Reakcja przyłączania jest ka­talizowana przez kolejne czynniki białkowe przy udziale energii z ATP. Po uwolnieniu czynników białko­wych do podjednostki 40S dołącza się podjednostka 60S. Powstały rybo­som 80S bierze udział w procesie elongacji łańcucha peptydowego.

Elongacja w procesie translacji

W procesie elongacji rybosom przesuwając się wzdłuż mRNA, umożliwia dołączanie kolejnych ami­nokwasów do końca powstającego polipeptydu. W rybosomie są dwa miejsca aktywne: A - akceptorowe, P - peptydylowe.

Do miejsca akceptorowego rybo­somu jest dołączany aktywny tRNA niosący aminokwas (aminoacylo-tRNA). Aminokwasy są dołączane do wszystkich tRNA przy udziale enzy­mów nazywanych syntetazami ami-noacylo-tRNA. Poszczególne enzymy tej grupy katalizują reakcję przyłącza­nia aminokwasów do poszczególnych tRNA, mających odpowiednie antykodony. Enzymy te charakteryzują się dużym stopniem swoistości rozpo­znawania tRNA, co zapobiega błęd­nemu włączeniu aminokwasu do łań­cucha peptydowego.

Kod genetyczny opiera się zatem na molekularnym rozpoznawaniu tRNA przez syntetazy aminoacylo-tRNA.

Kolejnym etapem elongacji jest synteza wiązania peptydowego, czyli dołączania aminokwasu do powstają­cego łańcucha polipeptydowego. Aminokwas ten ciągle pozostaje związany z tRNA. Po powstaniu wią­zania peptydowego dochodzi do translokacji, czyli przesunięcia mRNA względem rybosomu. W cza­sie przesunięcia z miejsca akceptoro­wego na miejsce peptydylowe wolny tRNA (poprzedni) zostaje usunięty. Cykl tych trzech reakcji zaczyna się ponownie w momencie przyłączenia aminoacylo-tRNA do miejsca akcep­torowego A.

Terminacja w procesie translacji

Terminacja jest ostatnim etapem tworzenia łańcucha polipeptydowego. Sygnałem do zakończenia syntezy polipeptydu jest napotkanie przez czynniki terminacyjne - uwalniające - RF , jednego z kodonów terminacyjnych: UAA, UAG, UGA w mRNA. Kodony te nazywane są inaczej nonsensownymi i nie ma dla nich odpowiedniego tRNA.

U Prokaryota występują dwa czyn­niki terminacyjne: RF-1, rozpoznają­cy triplety UAA i UAG oraz RF-2, rozpoznający UAA i UGA. U Eukaryota występuje tylko jeden czynnik RF, rozpoznający wszystkie kodony nonsensowne.

Po zakończeniu translacji od rybosomu odłącza się syntetyzowany polipeptyd, a sam rybosom rozpada się na podjednostki, przy czym następuje odłączenie nici mRNA. Nić ta może być matrycą dla kilku lub większej liczby powtórnych procesów transla­cji, a następnie ulega rozpadowi.

Transkrypcja i Translacja

Dawid Buchalik

Grupa VII