post-translacyjna obróbka białek, genetyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Notatki na temat translacji i post-translacyjnej obróbki białek. 2009
(M. Wędzony Na podstawie róŜnych źródeł internetowych, zmodyfikowane)
Gen i jego transkrypcja – wst
ę
p, wiadomo
ś
ci ogólne
KaŜda komórka somatyczna tworząca nasz organizm zawiera taką samą "bibliotekę" materiału
genetycznego. Program sekwencjonowania ludzkiego genomu na podstawie obliczeń
statystycznych ocenia, Ŝe w kaŜdej ludzkiej komórce znajduje się od kilkudziesięciu do mniej
więcej stu tysięcy genów (szacunek nie pewność, hipoteza).
Starsza definicja genu określa go, jako odcinek DNA zawierający informacje genetyczną
wystarczająca do produkcji jednego rodzaju białka. Taka definicja nie wystarcza, bo istnieją teŜ
geny kodujące cząsteczki kwasów rybonukleinowych, np. tRNA, rRNA i innych RNA o
rozmaitych funkcjach. Dlatego w nowszym ujęciu
gen określamy jak odcinek DNA
transkrybowany na RNA o określonej funkcji
. Ta definicja zawiera równieŜ tradycyjne ujęcie
genu, jako matrycy dla białka, gdyŜ na drodze do białka mamy RNA matrycowe.
To właśnie białka (a nie DNA) bezpośrednio decydują o tym, jak wygląda Ŝycie komórki. Białka
wchodzą w skład większości enzymów przeprowadzających reakcje metaboliczne; białka
strukturalne tworzą nieustannie przebudowywany cytoszkielet (rusztowanie, na którym opierają
się wszystkie części komórki i który odpowiada za transport wewnątzrkomórkowy); białka
błonowe odpowiadają za transport róŜnych substancji przez błonę komórkową i inne błony
białkowo-lipidowe, na przykład przez otoczkę jądrową... Informacja o tym, jakie białka mogą
zostać wyprodukowane przez komórkę, jest zapisana w genach - kolejność nukleotydów w DNA
koduje kolejność aminokwasów w wytwarzanych cząsteczkach białek. Ekspresja genu to
odczytywanie tej informacji i jej "tłumaczenie" z języka kwasów nukleinowych (sekwencja
nukleotydów) na język białek (sekwencja aminokwasów).
Gen, który ulega ekspresji, najpierw jest przepisywany na cząsteczkę RNA w procesie
transkrypcji. Potem nowa cząsteczka RNA jest odpowiednio „obrabiana” (splicing = skłądanie
genu, redagowanie, dojrzewanie mRNA na terenie jądra) i mRNA jest przygotowywany do
przepisania na cząsteczkę białka. Następnie mRNA wędruje do cytoplazmy, gdzie łączy się z
rybosomami. Rybosomy tłumaczą informacje mRNA na sekwencje białka zgodnie z zasadami
kodu genetycznego: kaŜdej trójce nukleotydów w RNA odpowiada jeden aminokwas w białku.
WaŜną rolę odgrywają tu cząsteczki tRNA, które transportują poszczególne aminokwasy do
rybosomu i rozpoznają odpowiednie kodony (czyli trójki nukleotydów) w odczytywanej
cząsteczce mRNA.
Jak zmiana ekspresji genów mo
Ŝ
e w praktyce zmieni
ć
Ŝ
ycie komórki?
Oto przykład:
Nasze erytrocyty (czerwone ciałka krwi) biorą udział w transporcie tlenu z płuc do komórek
całego organizmu. Erytrocyt ma charakterystyczny kształt biszkopta i cały jest wypełniony
specjalnym białkiem - hemoglobiną. Hemoglobina przyłącza cząsteczki tlenu w płucach i oddaje
tlen komórkom połoŜonym w innych narządach. Komórka, z której powstaje czerwone ciałko
krwi, ma kulisty kształt i nie produkuje hemoglobiny, ale podczas przekształcania się w dojrzały
erytrocyt zaczyna odczytywać odpowiednie geny, które do tej pory nie ulegały ekspresji. Wśród
tych genów jest między innymi gen kodujący globinę (białko wchodzące w skład hemoglobiny) i
białka nadające komórce nowy kształt (np. specjalny rodzaj spektryny, białka przyczepiającego
się do błony komórkowej od strony cytoplazmy). W ten sposób uaktywnienie nowego zestawu
genów moŜe zmienić strukturę i procesy Ŝyciowe komórki, przygotowując ją do pełnienia nowej
roli w organizmie.
Oczywiście komórki bardzo dokładnie regulują ekspresję genów: moment, w którym zacznie się
np. produkcja hemoglobiny, nie moŜe być przypadkowy, a poza tym np. komórki nerwowe nie
muszą wytwarzać tego białka. Taka regulacja moŜe zachodzić na róŜnych etapach odczytywania
informacji genetycznej. W tej chwili najwięcej wiemy o regulacji pierwszego etapu ekspresji
genów, czyli o regulacji transkrypcji. Uczestniczą w niej specjalne białka - czynniki
transkrypcyjne, które wiąŜą się z wybranymi genami i umoŜliwiają enzymom
przeprowadzającym transkrypcję rozpoczęcie pracy.
W komórkach eukariotycznych po zakończeniu splicingu (składania transkryptu) i poliadenylacji
gotowe cząsteczki mRNA wiąŜą się ze specjalnymi białkami, które transportują mRNA przez
pory jądrowe z jądra do cytoplazmy. Dopiero wtedy zaczyna się...
...translacja.
Translacja
- wytwarzanie białka na podstawie informacji genetycznej przenoszonej z jądra
komórkowego do cytoplazmy przez cząsteczkę mRNA.
Podczas translacji cząsteczka mRNA wiąŜe się z rybosomami - małymi organellami
zbudowanymi z cząsteczek rRNA (rybosomalnego RNA) i białek. KaŜdy rybosom składa się z
dwóch podjednostek (mniejszej i większej). Przed rozpoczęciem translacji obie podjednostki
pływają osobno w cytoplazmie; łączą się dopiero na cząsteczce mRNA.
Rybosomy prokariotyczne i eukariotyczne są podobne, ale nie takie same: prokariotyczne są
trochę mniejsze i lŜejsze. W duŜej podjednostce rybosomu eukariotycznego są trzy cząsteczki
rRNA i ok. 49 białek, a w duŜej podjednostce rybosomu prokariotycznego są dwie cząsteczki
rRNA i 34 białka. Mała podjednostka eukariotycznego rybosomu składa się z ok. 33 białek i
jednej cząsteczki rRNA, a mała podjednostka rybosomu prokariotycznego - z jednej, mniejszej
cząsteczki rRNA i 21 białek. Masę rybosomów określa się w tzw. jednostkach sedymentacji [S],
które opisują zachowanie rybosomów podczas szybkiego wirowania w ultrawirówce. Rybosom
prokariotyczny 'waŜy' 70S, a eukariotyczny - 80S.
Podczas translacji rybosom przesuwa się po cząsteczce mRNA. KaŜdemu kodonowi
(trójce nukleotydów) w RNA odpowiada jeden aminokwas w powstającym białku. Nowe
aminokwasy (cegiełki słuŜące do budowy białek) są dostarczane do rybosomu przez cząsteczki
transportowego RNA (tRNA). Odpowiednie trójki (antykodony) tRNA pasują do kodonów
mRNA i w ten sposób język nukleotydów jest tłumaczony na język białka. W rybosomie znajdują
się
dwa miejsca, w które wchodzą cząsteczki tRNA: miejsce aminoacylowe
, do którego trafia
tRNA niosące nowy aminokwas, i
miejsce peptydylowe
, w którym znajduje się tRNA wiąŜące
wydłuŜający się łańcuch polipeptydowy. Po zakończeniu biosyntezy białka nowa cząsteczka
białka jest uwalniana z rybosomu; rybosom rozpada się na dwie podjednostki,
a cząsteczka
mRNA słuŜy do produkcji nowej cząsteczki białka albo jest rozkładana na pojedyncze
nukleotydy przez specjalne enzymy
. = regulacja długości Ŝycia mRNA
Transport białek na terenie komórki
Ostatnio rozmawialiśmy o ekspresji genów... dzisiaj zastanówmy się, jak białka wytwarzane na
podstawie informacji zakodowanej w genach trafiają do odpowiednich miejsc komórki. Zrobienie
cząsteczki białka to jeszcze nie wszystko: niektóre białka (na przykład czynniki transkrypcyjne
czy polimeraza DNA) muszą trafić do jądra komórkowego, inne (na przykład jakieś enzymy
łańcucha oddechowego) są potrzebne w mitochondriach, jeszcze inne (choćby cząsteczki
hormonów białkowych) powinny zostać wydzielone poza komórkę... - a przecieŜ produkcja
wszystkich białek kodowanych przez geny jądra komórkowego odbywa się w cytoplazmie. Jak
komórka radzi sobie z transportem białek do wybranych miejsc?
Mówiąc bardzo ogólnie - radzi sobie na dwa podstawowe sposoby. Niektóre białka są uwalniane
bezpośrednio do cytoplazmy i same trafiają do docelowych organelli; inne juŜ w czasie translacji
są transportowane do światła siateczki śródplazmatycznej i potem trafiają do specjalnych
pęcherzyków, które niosą białka w odpowiednie miejsce komórki.
Zajmijmy się najpierw białkami, które trafiają do szorstkiej siateczki śródplazmatycznej.
Białka, które trafiają do RER
Szorstka siateczka śródplazmatyczna (rough endoplasmic reticulum, RER) to układ poplątanych
kanalików i spłaszczonych woreczków, obecny w cytoplazmie komórek eukariotycznych.
Światło tych wszystkich kanalików łączy się ze sobą, więc białka podróŜujące przez szorstka
siateczkę mogą bez problemów trafić do wszystkich zakamarków RER. Ale białko musi najpierw
dostać się z cytoplazmy do wnętrza siateczki.
Transport nowych cząsteczek białek do wnętrza siateczki śródplazmatycznej zaczyna się juŜ na
początku translacji, kiedy białko nie jest jeszcze gotowe. Wysuwający się z rybosomu koniec
takiego białka zawiera specjalna etykietkę, adres - sekwencje sygnałową, która kieruje cząsteczkę
białka do RER. Ta sekwencja sygnałowa jest rozpoznawana przez specjalne białka, które pływają
w cytoplazmie. Po przyłączeniu tych białek do rybosomu translacja jest zatrzymywana, a cały
rybosom przy pomocy cytoszkieletu podpływa do siateczki i przyczepia się do niej (szorstka
siateczka śródplazmatyczna nosi nazwę 'szorstkiej' właśnie z powodu rybosomów, które chętnie
się do niej przyczepiają i na niektórych zdjęciach z mikroskopu elektronowego wyglądają jak
kropki przyłączone do powierzchni RER).
Kiedy rybosom przyczepi się do RER, translacja moŜe być kontynuowana. WydłuŜający się
łańcuch polipeptydowy od razu wpada do kanału błonowego, który tworzy się w błonie siateczki
śródplazmatycznej. Kiedy translacja się skończy, całe białko wpada do wnętrza RER, kanał
błonowy się zamyka, a rybosom odpada od siateczki i rusza do cytoplazmy w poszukiwaniu
nowej cząsteczki mRNA. (Sekwencja sygnałowa jest najczęściej odcinana ze świeŜego białka
przez enzymy obecne w siateczce). Niektóre białka są przeznaczone do wbudowania w błonę
RER. Takie białka nie przechodzą do końca przez błonę siateczki śródplazmatycznej i pozostają
przyczepione do tej błony. Naukowcy znaleźli w tych białkach drugi rodzaj sekwencji
sygnałowych (adres: RER), który oznacza, Ŝe białko powinno zostać zatrzymane w błonie
siateczki.
A co dzieje się z białkami, które wpadną do wnętrza szorstkiej siateczki śródplazmatycznej?
Natychmiast poddawane są dalszej obróbce przez liczne enzymy. Niektóre z nich to
białka
opiekuńcze (chaperones)
, które pomagają młodym cząsteczkom białek przyjąć i utrzymać
właściwy kształt przestrzenny (więcej wiadomości na temat białek opiekuńczych znajdziecie w
artykule -
'Molekularne przyzwoitki').
Inne enzymy katalizują tworzenie wiązań
dwusiarczkowych pomiędzy resztami cysteiny nowej cząsteczki białka i w ten sposób decydują o
tym, jak powinno wyglądać nowe białko. Potem niektóre cząsteczki białek są poddawane jeszcze
innym modyfikacjom. Wreszcie nowe białka trafiają do pęcherzyków transportowych, które
niosą cząsteczki białek do
aparatu Golgiego
(tam do wielu białek przyłączają się reszty cukrowe,
czyli - mówiąc językiem naukowym - dochodzi do
glikozylacji białek
). Inne pęcherzyki odrywają
się od aparatu Golgiego i płyną w stronę błony komórkowej; po połączeniu się z błona wylewają
swoja zawartość na zewnątrz komórki i w taki sposób cząsteczki białek są wydzielane poza
cytoplazmę. Jeszcze inne pęcherzyki aparatu Golgiego wrzucają swoje białka do lizosomów.
W transporcie pęcherzykowym biorą udział roŜne białka, miedzy innymi białka SNARE, klatryna
i białka z grupy COP, które wchodzą w skład koatomerów (kompleksów białkowych
pokrywających powierzchnie niektórych pęcherzyków). (Moja uwaga: ‘koatomery’ wydaje mi
się dość niefortunnym przeniesieniem angielskiego coatomers na polski. Angielskie coat – to
płaszcz i czyta się ‘kołt’, czyli jeŜeli fonetycznie to powinny być ‘kołtomery’. Chyba lepiej
przetłumaczyć na polski zachowując sens terminu = białka płaszczowe)
Białka, które nie trafiają do RER
A co dzieje się z białkami, które nie trafiają do siateczki śródplazmatycznej, tylko do innych
organelli: mitochondriów, plastydów, peroksysomów czy jądra komórkowego? Takie białka są
wytwarzane na wolnych rybosomach, które pływają w cytoplazmie. Po odpadnięciu od rybosomu
gotowa cząsteczka białka przyjmuje odpowiednią strukturę przestrzenną (często pomagają jej w
tym białka opiekuńcze = czaperony) i sama znajduje drogę do wybranego organellum zgodnie ze
swoją etykietką adresową, czyli sekwencją sygnałową. Receptory umieszczone na powierzchni
organellum rozpoznają specyficzną sekwencję sygnałową i w błonie białkowo-lipidowej
organellum powstaje kanał błonowy, przez który cząsteczka białka wpada do środka.
Te cząsteczki białek, które nie zawierają specyficznych sekwencji sygnałowych, pozostają w
cytoplazmie i tam pełnia swoje funkcje metaboliczne. Trochę inaczej wygląda transport białek z
cytoplazmy do jądra komórkowego: te białka przechodzą przez pory jądrowe, specjalne kanały
wbudowane w otoczkę jądrową i otoczone przez duŜe kompleksy specjalnych białek
transportowych. Cząsteczki białek, które chcą przedostać się przez pory jądrowe, teŜ muszą mieć
specjalne sekwencje sygnałowe (adresowe). Jak widać, to sekwencje sygnałowe (odcinki białek
złoŜone z kilku-kilkunastu aminokwasów) decydują o tym, do której części komórki trafi nowa
cząsteczka białka. Poznanie tego faktu pozwala o wiele lepiej zrozumieć sposób działania
komórki, która dzieli się na wiele osobnych, ograniczonych błonami biologicznymi
"kompartmentów" czyli przestrzeni, a kaŜdy z tych "kompartmentów" zawiera inny zestaw
białek. Nic dziwnego, Ŝe niedawno Nagrodę Nobla otrzymał właśnie odkrywca sekwencji
sygnałowych, Guenter Blobel.
Podsumowując: w komórce istnieją dwa główne szlaki transportu nowo wytwarzanych białek.
Cząsteczki białek przeznaczone do wydzielenia poza komórkę (oraz białka lizosomów, siateczki
śródplazmatycznej i aparatu Golgiego) są wytwarzane na rybosomach przyczepionych do
szorstkiej siateczki śródplazmatycznej. Białka, które mają trafić do jądra komórkowego,
mitochondriów, plastydów, cytoplazmy lub peroksysomów, są wytwarzane na rybosomach
swobodnie pływających w cytoplazmie. Sekwencja sygnałowa cząsteczki białka wskazuje
miejsce, do którego białko powinno zostać dostarczone.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]