Biosynteza białka jako przejaw realizacji informacji genetycznej

Cechy i właściwości wszystkich białek występujących w organizmie są zdeterminowane przez układ nukleotydów w kwasie deoksyrybonukleinowym (DNA), znajdującym się w jądrach komórkowych. Przekazywanie cech tych białek następnym pokoleniom jest możliwe dzięki istnieniu genów.

Genem nazywamy odcinek DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego) niosący informację o sekwencji aminokwasów w cząsteczkach białek lub sekwencji nukleotydów w kwasach rRNA oraz tRNA. Jest najmniejszą jednostką dziedziczności, decydującą o wystąpieniu danej cechy u organizmu. Geny są zlokalizowane w chromosomach, mogą podlegać replikacji, w wyniku której powstają dokładne ich kopie lub ulegać mutacjom, dając w ten sposób początek nowym formom genetycznym. Owe nowe formy genów nazywamy allelami. Zajmują one to samo miejsce w chromosomach homologicznych. Geny ułożone są liniowo, mają ściśle określoną kolejność i położenie w chromosomie.

Jeśli mówimy o informacji genetycznej (dziedzicznej), mamy na myśli wiadomość zapisaną w kwasie dezoksyrybonukleinowym przy pomocy nukleotydów stanowiących kod genetyczny, który jest "tłumaczony" na język aminokwasów w procesie biosyntezy białka. Informacja genetyczna jest więc sumą wiadomości na temat struktury białek oraz pośredniczących w ich syntezie kwasów rybonukleinowych. Jest przekazywana komórkom potomnym w trakcie mitozy po przeprowadzeniu replikacji DNA.

Jak wspomniano DNA jest bankiem informacji genetycznej w jądrze. Jego ilość w komórce jest stała i charakterystyczna dla danego gatunku. Występuje w postaci dwuniciowej helisy, tworzącej w czasie interfazy tzw. chromatynę. Chromatyna, w zależności od stanu czynnościowego komórki, tworzy w jądrze skomplikowane struktury przestrzenne, dzięki którym DNA zajmuje mniej miejsca. W czasie podziałów komórkowych chromatyna występuje w postaci chromosomów metafazowych, odpowiadający najwyższemu stopniowi upakowania DNA. Chromosomy przyjmują postać walcowatych lub nitkowatych tworów i występują zazwyczaj parami jako chromosomy homologiczne. Po podziale każda z komórek potomnych otrzymuje po jednym chromosomie z pary.

Można więc stwierdzić, że zarówno białko, jak i kwasy nukleinowe są polimerami o ściśle określonej sekwencji liniowej budujących je podjednostek. Eksperymenty przeprowadzone przez biochemików oraz genetyków dowiodły, że kolejność zasad azotowych w DNA determinuje sekwencję aminokwasów w białku. Na tej podstawie wywnioskowali oni, że informacja dotycząca budowy polipeptydów zaszyfrowana jest przy pomocy sekwencji zasad budujących DNA. System, według którego w DNA jest zapisywana informacja o kolejności aminokwasów w białku określa się mianem kodu genetycznego. Rozszyfrowanie zasad według których realizowana jest informacja genetyczna zawarta w kodzie wymagało przeprowadzenia szeregu pomysłowych eksperymentów. Obecnie znamy prawidła według których następuje przekazywanie informacji zawartych w kodzie. Jedną z jego cech jest trójkowość. Zgodnie z tą zasadą pojedynczy aminokwas jest kodowany aż przez trzy, kolejno po sobie występujące w nici DNA nukleotydy. Dla przykładu ciąg AAC (adenina, adenina, cytozyna) koduje asparaginę. Takie trzy kolejno następujące po sobie ciągi nukleotydów kodujących określony aminokwas są nazywane kodonami. Z prostych obliczeń wynika, że cztery nukleotydy mogą utworzyć aż 64 kombinacje trójek w kodonach (4³ = 64). W przyrodzie występuje tylko 20 aminokwasów. Część z nich może więc być kodowana przez więcej niż jeden kodon. Dlatego mówi się, że kod genetyczny jest zdegenerowany czyli niejednoznaczny. inną cechą kodu jest jego bezprzecinkowość, co znaczy, że pomiędzy kolejnymi, następującymi po sobie trójkami nukleotydów nie występują żadne przerwy w zapisie. Koniec łańcuch białkowego jest sygnalizowany odpowiednim kodonem oznaczającym STOP, nie niosącym informacji o żadnym aminokwasie. Są to następujące trójki nukleotydów (UAA, UAG, UGA). Charakterystyczną cechą kodu genetycznego jest jego uniwersalność. Cecha ta oznacza, że określony kodon odpowiada określonemu aminokwasowi u ogółu organizmów żywych występujących na Ziemi. Wytłumaczeniem tej cechy może być teza mówiąca o tym, że ogół organizmów na naszej planecie wyewoluował od jednego, wspólnego przodka. Kodony występujące w informacyjnym RNA (mRNA) zamieszczone są w tablicach kodu genetycznego. Podczas ich studiowania należy zwrócić uwagę na to, że odpowiednikiem tyminy (T) w RNA jest uracyl (U).

MITOZA.

Jest to proces charakterystyczny dla komórek eukariotycznych i tylko nieliczne, wysoko wyspecjalizowane nie są w stanie dzielić się w ten sposób. Składa się z jednego cyklu podziałowego, zachodzi w komórkach somatycznych, w jej wyniku nie zmienia się liczba chromosomów w komórkach potomnych. Zasadniczo w trakcie podziału mitotycznego dochodzi do kariokinezy (podziału jądra komórkowego), po której dochodzi do cytokinezy (rozdziału cytoplazmy wraz z organellami komórkowymi i odtworzenia błony komórkowej). W przebiegu mitozy można wyróżnić kilka etapów: profaza (okres pakowania - chromatyna kondensuje się w chromosomy), metafaza (chromosomy układają się w środkowej strefie komórki - w tzw. pozycji równikowej), anafaza (czas rozdziału - chromatydy siostrzane, ciągnięte przez skracające się włókna wrzeciona kariokinetycznego, przyciągane są do przeciwległych biegunów komórki), telofaza (czas rozpakowywania - przy biegunach komórki powstają jądra potomne, odtwarzana jest otoczka jądrowa, chromosomy dekondensują się do chromatyny).

Aby w komórkach potomnych nie ubywało DNA, przed przystąpieniem do podziału jest on intensywnie syntetyzowany podczas tzw. fazy S. Na skutek mitozy następuje podwojenie liczby komórek, a co za tym idzie zwiększenie masy i wielkości organizmu. Powstające po podziałach mitotycznych komórki potomne niosą tą samą informację genetyczną, jaką zawierały komórki z których się wywodzą.

MEJOZA.

Mejoza, podobnie jak mitoza, jest sposobem podziału jądra komórkowego i procesem charakterystycznym dla eukariontów. Składają się na nią dwa cykle podziałowe, między którymi nie zachodzi replikacja DNA. Zachodzi w organach rozrodczych, a jej rezultatem jest powstanie haploidalnych gamet. Po podziale mejotycznym z jednego jądra pierwotnego powstają cztery potomne, w których ilość materiału genetycznego jest zredukowana o połowę. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie stałej, właściwej każdemu gatunkowi liczby chromosomów. Mejoza jest źródłem zmienności genetycznej.

Pierwszy podział mejotyczny ma charakter redukcyjny, natomiast drugi nie różni się w przebiegu od typowej mitozy. W trakcie każdego z nich kolejno po sobie następują: profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Profaza pierwszego podziału jest rozciągnięta w czasie. Wyróżnia się w następujące stadia: leptoten, zygoten, pachyten, diploten, diakineza. Podczas pachytenu może zachodzić zjawisko polegające na wymianie chromatyd niesiostrzanych między chromosomami homologicznymi, czyli crossing-over. W czasie metafazy pierwszego podziału tzw. tetrady, czyli pary chromosomów homologicznych, z których każdy zawiera po dwie chromatydy, zajmują miejsca w pobliżu pozycji równikowej komórki.

Anafaza pierwszego podziału jest etapem, w którym chromosomy są ściągane do biegunów komórki. Proces ten jest następstwem skracania się włókien, tworzących wrzeciono kariokinetyczne.

Telofaza pierwszego podziału - chromosomy znajdują się przy biegunach komórki, częściowo jest odtwarzana otoczka jądrowa, zachodzi cytokineza. Czasami telofaza pierwszego podziału nie występuje, ale od razu zachodzi profaza drugiego podziału.

Na tym etapie powstały dwa jądra potomne, z których każde ma o połowę mniej chromosomów niż to z komórki macierzystej. Przebieg kolejnego (drugiego) podziału jest identyczny jak ten opisany w punkcie dotyczącym mitozy.

Biosynteza białka (translacja) jest procesem, w którym powstały po transkrypcji informacyjny RNA (mRNA) opuszcza jądro komórkowe, przyłącza się do rybosomów znajdujących się w cytoplazmie, stanowiąc matrycę (instrukcję), zgodnie z którą aminokwasy zawieszone w cytoplazmie są łączone w określonej kolejności, tworząc łańcuch polipeptydowy. W DNA zawarta jest jedynie informacja dotycząca sekwencji aminokwasów. Informacja ta w zupełności wystarcza do tego, aby białko zostało prawidłowo złożone i sfałdowane, a więc uzyskało właściwą sobie aktywność biologiczną. Formowanie struktury przestrzennej proteiny jest bowiem warunkowane jedynie właściwościami chemicznymi tworzących ją aminokwasów i dlatego w matrycy nie są zapisywane dodatkowe informacje dotyczące jej konformacji przestrzennej.

Translacja jest procesem dwuetapowym. W pierwszej fazie informacja dotycząca sekwencji aminokwasów jest przepisywana z DNA na RNA. Proces ten nazywamy transkrypcją i przypomina on nieco replikację. Powstający w jej wyniku odcinek RNA nazywany jest transkryptem pierwotnym. U organizmów prokariotycznych jest on niemal gotowym mRNA i podlega tylko nieznacznej obróbce. U eukariontów natomiast potranskrypcyjna obróbka RNA ma bardziej złożony charakter. Po pierwsze wycinane są z niego odcinki nie niosące informacji o sekwencji aminokwasowej czyli introny. Po drugie do obu jego końców dodawane są cząsteczki modyfikujące je. Do końca 5' dodawana jest tzw. czapeczka, natomiast do końca 3' kilkunastonukleotydowa sekwencja nukleotydów adeninowych czyli poli A. Modyfikacje te mają zapobiec strawieniu RNA przez rybonukleazy po tym jak opuści on jądro komórkowe. Tak przygotowana matryca jest eksportowana do cytoplazmy, gdzie zachodzi drugi etap syntezy białka - łączenie aminokwasów.

Zanim jednak aminokwasy zostaną ze sobą połączone muszą być odpowiednio aktywowane. Do tego celu wykorzystywany jest wysokoenergetyczny związek ATP (adenozynotrifosforan). Proces aktywacji zachodzi według schematu:

ATP + aminokwas ® aminoacylo - AMP + 2 Pi

Aktywny aminokwas łączy się następnie z cząsteczką transportującego RNA (tRNA). Reakcja ta zachodzi w następujący sposób:

aminoacylo - AMP + tRNA ® aminoacylo - tRNA + AMP

Cząsteczki aminoacylo - tRNAłączą się następnie w kolejności określonej przez matrycę mRNA w łańcuch polipeptydowy. Reakcja te zachodzi w cytoplazmie, na rybosomach. Można więc stwierdzić, że istota translacji sprowadza się do tłumaczenia informacji zapisanej w "języku" nukleotydów na "język" aminokwasów.

W przebiegu biosyntezy białka można wyróżnić trzy podstawowe etapy:

• Inicjacja translacji - mRNA po przejściu do cytoplazmy łączy się z mniejszą podjednostką rybosomu. Połączenie rozpoczyna się w miejscu, w którym na nici mRNA zostanie odnaleziona trójka AUG, kodująca aminokwas metioninę (u Procariota jest to formylometionina). Wtedy przyłącza się tRNA z metioniną w kodonie i trójką AUG w antykodonie. Połączenie to jest katalizowane przez IF₃, Mg²⁺ oraz ATP. W obrębie małej podjednostki rybosomu zlokalizowane jest tzw. miejsce P (peptydowe), czyli miejsce, w którym występuje łańcuch polipeptydowy, a w chwili inicjacji metionylo - tRNA oraz miejsce A (aminokwasowe), do którego przyłączają się kolejne cząsteczki tRNA z odpowiednim aminokwasem,
• Elongacja - rozpoczyna się w chwili gdy do miejsca A na rybosomie przyłączy się odpowiednie aa-tRNA. Między niesionymi przez obie cząsteczki tRNA aminokwasami powstaje wiązanie peptydowe, oswobodzone metionylo - tRNA zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy. Cząsteczka tRNA z połączonymi dwoma aminokwasami (peptydylo - tRNA) przemieszcza się z miejsca A do wolnego miejsca P. jest to tzw. translokacja. W tym samym czasie nić mRNA również przesuwa się o trzy nukleotydy, dzięki czemu w miejsce A zostaje wprowadzona kolejna trójka nukleotydów, a cały proces zaczyna się od nowa,
• Terminacja - odbywa się jeżeli w miejsce aminokwasowe, wsunie się jeden z tzw. kodonów nonsensownych, czyli UAA, UGA lub UAG. W normalnych warunkach w komórce nie istnieje taki tRNA, który rozpoznałby któryś z wyżej wymienionych kodonów. Znajdują się natomiast białkowe czynniki uwalniające, wiążące się z trójką nonsensowną w miejscu A. Następstwem tej interakcji jest hydroliza wiązania między tRNA i połączonym z nim peptydem (reakcja katalizowana przez transferazę peptydylową), w wyniku której białko zostaje uwolnione, cząsteczka tRNA oddziela się od mRNA, a rybosom dysocjuje na podjednostki.

Fałdowanie białka dołączonego od rybosomu następuje samoczynnie, a po uzyskaniu odpowiedniej konformacji może podlegać obróbce potranslacyjnej. Jedną z zachodzących wtedy modyfikacji jest odcinanie pierwszej metioniny, inną częstą modyfikacją jest glikozylacja.

Wszystkie żywe organizmy mają określony rezerwuar informacji genetycznej, zapisanej w postaci genów. Fragmenty DNA kodujące białka są określane mianem genów struktury. Pozostała część DNA niesie informację dotyczącą struktury cząsteczek rRNA, czy tRNA. Jeszcze inne sekwencje nukleotydów w DNA są rozpoznawane przez określone białka inicjujące lub hamujące procesy syntezy kwasów nukleinowych.

Najbardziej skomplikowane instrukcje genetyczne znajdują się w jądrach komórkowych organizmów eukariotycznych.