Biosynteza Białka

Metabolizm.

Metabolizm to całokształt reakcji chemicznych zachodzących w komórkach organizmu, związany z przepływem materii, energii i informacji, zapewniający organizmowi wzrost, ruch, rozmnażanie, wrażliwość roślin, pobudliwość nerwową zwierząt.

Istnieją dwa kierunki przemian metabolicznych: anaboliczny i kataboliczny.

Anabolizm obejmuje reakcje syntezy złożonych związków organicznych ze związków prostych. Reakcje te wymagają dostarczenia energii, a w wyniku czego w produktach nagromadzona jest większa ilość energii niż w substratach. Do reakcji anabolicznych zalicza się biosyntezę białek, tłuszczów, węglowodanów.

Przykładem tej reakcji anabolicznej jest proces asymilacji CO2 w przebiegu fotosyntezy lub chemosyntezy.

6CO2 + H2O à 6126 +6O ­

Katabolizm obejmuje reakcje rozkładu złożonych związków organicznych na produkty proste, zawierające mniejszy zapas energii niż substraty. Wyzwolona w tych substratach energia jest kumulowana w uniwersalnym przenośniku energii – ATP (adezynotrójfosfornie).

Przykładem reakcji katabolicznej jest oddychanie wewnątrz komórkowe (utlenianie biologiczne)

 

Zarówno anabolizm, jak i katabolizm w organizmie przebiegają równocześnie i są współzależne. Intensywność ich przebiegu zależy od wieku, np. u młodych osobników dominują procesy syntezy, u dojrzałych oba procesy wyrównują się, u starych zaś przeważają reakcje rozpadu.

 Biosynteza RNA (Transkrypcja)

Kwas RNA powstaje w procesie transkrypcji, zachodzącym w jądrze komórkowym. Wszystkie rodzaje RNA (tj. tRNA, rRNA, mRNA ) powstają na matrycy DNA. Biosynteza wszystkich typów RNA przebiega analogicznie, zatem przy opisie transkrypcji ograniczę się do opisu mRNA. Podstawą tego procesu jest reguła komplementarności, czyli parowania zasad. W mRNA nie występuje Tymina ; jej odpowiednikiem jest Uracyl. Przy przepisywaniu sekwencji zasad z DNA na RNA komplementarną zasadą do adeniny jest więc uracyl.

Matrycą do syntezy RNA jest dwuniciowy DNA. Podstawowym enzymem biorącym udział w transkrypcji jest polimeraza RNA, która powoduje rozplatanie podwójnej nici DNA na krótkim odcinku. Proces rozpoczyna się od miejsca zwanego miejscem inicjatorowym. W kolejnym etapie polimeraza RNA przyłacza się do określonej sekwencji zasad w DNA zwanej promotorem i syntetyzuje łańcuch mRNA w kierunku 5` do 3` w oparciu o jedną nić DNA. Nić, która ulega transkrypcji nazywana jest nicią sensowną, w przeciwieństwie do drugiej niesensownej. Sekwencja nukleotydów w syntetyzowanej nici RNA jest jednoznacznie określona przez sekwencję nukleotydów w sensownej matrycowej nici DNA. Substratami w procesie transkrypcji są trifosforany rybonklezydów. Hydroliza dwóch makroergicznych wiązań trifosforanów dostarcza energi potrzebnej do wytworzenia połączń między nukleotydami. Druga nić DNA tzw. Niesensowna, która nie bierza udziału w kopiowaniu, ponownie łączy się w podwójną helisę lub rozpada się na wolne nukleotydy, wykorzystywane w procesie replikacji.

W DNA organizmów eukariotycznych zasady ułożone są w odcinki, zawierające sekwencje kodujące zwane eksonami i sekwencje niekodujące tzw. Wstawki, czyli introny, występujące pomiędzy eksonami. Pierwotnym produktem transkrypcji jest pre-mRNA „równy” długości przepisywanego kodu DNA ponieważ transkrybowane są z DNA zarówno eksony, jak i introny. W kolejnym etapie zwanym dojrzewaniem lub „obróbką” RNA, z pierwotnego transkryptu (pre-mRNA) wycinane są enzymatycznie sekwencje intronowe, a sekwencje eksonowe łączone są ze sobą również enzymatycznie. Tak więc końcowy produkt transkrypcji, czyli mRNA jest krótszy od przepisywanego odcinka DNA i zawiera tylko sekwencje kodujące informację genetyczną. Kwas mRNA powstający w jądrze – jest łączony z białkami w celu ochrony przed enzymami nukleolitycznymi i jako tzw. Informosom jest transportowany do cytoplazmy, gdzie wraz z tRNA i rNA bierze udział w procesie biosentezy białek, czyli translacji.

Biosynteza białek (Translacja)

zachodzi w cytoplazmie komórki na rybosomach, natomiast informacja genetyczna konieczna do utworzenia konkretnego białka zawarta jest w jądrze, w kwasie DNA. Istotą translacji jest przełożenie informacji zawartej w sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów w białku. Sekwencja nukleotydów mRNA tworzy kod genetyczny.

Kod ten jest:

  • trójkowy – dana trójka zasad (triplet) koduje określony aminokwas i nazywana jest kodonem,
  • niejednoznaczny (zdegenerowany) – dany aminokwas może być kodowany przez więcej niż jedną trójkę,
  • uniwersalny – wszystkie organizmy żywe korzystają z tych samych kodonów przy kodowaniu określonych aminokwasów,
  • niezachodzący – zasada wchodząca w skład danego kodonu nie zachodzi na kolejną trójkę,
  • bezprzestankowy – nie ma znaków przestankowych pomiędzy kolejnymi trójkami.

W syntezie białek współdziałają następujące elementy:

  • rybosomy – zbudowane są z dwóch podjednostek, z których każda zawiera rRNA i białka. Na powstałej w wyniku transkrypcji „taśmie” mRNA pracuje jednocześnie kilka rybosomów, grupę tę nazywa polisomem. Taśma przesuwa się pomiędzy podjednostkami rybosomu.
  • tRNA – odgrywa kluczową role w tłumaczeniu informacji genetycznej z mRNA na białko. W cząsteczce tRNA znajduje się między innymi trójka nukleotydów, zwana antykodonem, która jest komplementarna do odpowiedniego kodonu na mRNA. Niektóre aminokwasy mogą mieć więcej specyficznych rodzajów tRNA, różniących się częściowo antykodonami,
  • aktywne formy aminokwasów (aminoacylo-tRNA). Aktywacja aminokwasów zachodzi przy udziale ATP

aminokwas + ATP -> aa-AMP+Ppi

aa-AMP + tRNA -> aa-tRNA + AMP

W pierwszym etapie aktywacji powstaje kompleks

aminokwas-kwas adenylowy(aa-AMP). W drugim etapie zaktywowany aminokwas zostaje związany wysokoenergetycznym wiązaniem estrowym z grupą hydroksylową C2` lub C3` rybozy końcowej reszty adezynowej tRNA, tworząc aminoacylo-tRNA(aa-tRNA). Aminoacylo-tRNA odgrywa podwójną rolę: przenosi makroergicznie związany aminokwas i poprzez antykodon „tłumaczy język zasad na język aminokwasów”.

O sekwencji aminokwasu w białku decyduje informacja genetyczna zawarta w DNA. Odbiciem tej informsacji jest sekwencja kodonów na mRNA. Z kolei kodon determinuje komplementarny antykodon na tRNA, a ten odpowiada za kolejność przyłączania odpowiednich aminokwasów.

Proces translacji

dzielimy na trzy zasadnicze etapy.

  • Inicjacja. W procesie tym mRNA, w obecności białkowych czynników inicjujących, łączy się z mniejszą podjednostką rybosomu. Połączenie to następuje od końca 5` mRNA w miejscu, gdzie znajduje się kodon odpowiadający metioninie. Do kodonu metioniny przyłącza się poprzez komplementarny antykodon, metionylo-tRNA, podczas gdy u organizmów prokariotycznyh formylometionylo-tRNA.
  • Elongacja. Do kompleksu powstałego podczas inicjacji tj. mRNA, małej jednostki rybosomu i metionylo-tRNA przyłącza się duża podjednostka rybosomu. W rybosomie wyróżniamy dwa charakterystyczne miejsca związane z biosyntezą białek: miejsce A (aminokwasowe) i miejsce P (peptydowe). W miejscu A następuje odczytanie kodonu, przyłączenie odpowiedniego aa-tRNA i synteza wiązania peptydowego. W dużej podjednostce rybosomu znajduje się enzym – synteza peptydylowa. Enzym ten katalizuje reakcje syntezy wiązania peptydowego pomiędzy, związaną z tRNA estrowo, grupą karboksylową pierwszego aminokwasu (miejsce P), a grupą aminową drugiego aminokwasu kompleksu aa-tRNA, tworząc dipeptydylo-tRNA (miejsce A).

Następnym etapem jest translokacja czyli:

– zdeaminoacylowany tRNA opuszcza mijsce P

– dipeptydylo-tRNA przesuwa się z miejsca A do miejsca P

– mRNA przesuwa się o długość trzech nukleotydów (jeden kodon).

Po translokacji miejsce A jest znowu wolne, może wiązać następną cząsteczkę aa-tRNA i cykl się powtarza.

  • Terminacja. W chwili, gdy w miejscu A rybosomu pojawi się kodon niesensowny następuje przerwanie biosyntezy białka, czyli terminacja. Łańcuch peptydowy zostaje hydrolitycznie odłączony od tRNA znajdującego się w miejscu P. Rybosomy rozpadają się na dwie podjednostki i mogą od nowa uczestniczyć w inicjacji.

Pomiędzy procesami biosyntezy białek u organizmów prokariotyczny i eukariotycznch istnieją pewne różnice. W komórkacz prokariotycznych zarówno transkrypcja jak i translacja przebiegają w tym samym przedziale komórkowym tzn. w cytoplazmie (brak błony jądrowej). U nich zatem natychmiast po transkrypcji, a nawet podczas jej trwania, odbywa się translacja, podczas gdy w komórkach eukariotycznych procesy te rozdzielone są w czasie i w przestrzeni. W DNA organizmów prokariotycznych sekwencje kodujące ułożone są w sposób ciągły. Natomiast DNA organizmów eukariotycznych zawiera sekwencje kodujące (eksony) podzielone sekwencjami niekodującymi (intronami). Różnice dotyczą również wielkości rybosomów, u Prokaryota występują mniejsze rybosomy niż u Eukaryota.

Opisywane procesy biosyntezy kwasów nukleinowych i białek zachodzą nie tylko w jądrze i cytoplazmie komórek. Organelle, takie jak mitochondria i plastydy, wykazują pewną „autonomię”, posiadają bowiem własne DNA. Związku z tym mitochondria i plastydy zawierają własna informację genetyczną i zachodzą w ich procesy biosyntezy swoistych białek, niezależnie od syntezy białek w cytoplazmie. Jednakże z białek niezbędnych do funkcjonowania mitochondriów i plastydów, tylko niewielka część (5-10%) jest syntetyzowana wewnątrz tych organelli. Natomiast większość powstaje w cytoplazmie na matrycy jądrowego DNA i jest transportowana do tych organelli.

 

 

By akte

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *