Biosynteza kwasów nukleinowych i białek

Kwasy nukleinowe są nośnikami informacji genetycznej. Aby ta informacja mogła być wykorzystana, musi nastąpić jej powielenie. U większości organizmów podstawową matrycę stanowi DNA. Tylko u nielicznych wirusów matrycą jest RNA (przekopiowany i tak w komórce gospodarza na jego DNA). Gdy komórka dzieli się na komórki potomne, cząsteczka DNA kopiowana jest w całości – ulega wtedy replikacji. Może być też kopiowany fragment DNA zawierający informację o jednym lub kilku białkach – zachodzi wtedy transkrypcja. Translacja prowadzi do syntezy białka.

Fragment łańcucha DNA

Replikacja DNA polega na podwojeniu cząsteczki DNA, czyli jej replikowaniu poprzez polimeryzację nowych łańcuchów na matrycy, którą jest każdy z łańcuchów istniejącego już DNA. Stąd replikacja jest procesem semikonserwatywnym– każda potomna cząsteczka uzyskuje jeden łańcuch z rodzicielskiej cząsteczki DNA i drugi nowo syntetyzowany.

Proces poprzedza rozerwanie wiązań wodorowych w podwójnej helisie przez białka enzymatyczne, co powoduje rozplecenie DNA i utworzenie tzw. oczek replikacyjnych. Replikacja rozpoczyna się w wielu ściśle określonych miejscach jednocześnie i przesuwa się od tych miejsc wzdłuż obu nici w przeciwnych kierunkach. W powiększających się oczkach replikacyjnych, dzięki rozdzielaniu się dwóch rodzicielskich nici DNA, po obu stronach tworzą się tzw. widełki replikacyjne. Do miejsc początku replikacji przyłączane są krótkie łańcuchy RNA, tzw. startery, do których następnie enzym polimeraza DNA dołącza trifosforany nukleozydów, zgodnie z zasadą komplementarności zasad w stosunku do macierzystej nici DNA. Hydroliza dwóch spośród trzech wiązań wysokoenergetycznych każdego nukleozydu dostarcza energii na wytworzenie wiązań między kolejnymi nukleotydami. Łańcuchy syntetyzowane są zawsze w kierunku 5’→ 3’, stąd ze względu na antyrównoległość nici polinukleotydowych macierzystego DNA jedna z nowych nici, zwana wiodącą, tworzona jest w sposób ciągły, natomiast druga, zwana opóźnioną, powstaje z wielu fragmentów (tzw. fragmenty Okazaki), przy czym każdy z takich łańcuchów nukleotydowych wymaga osobnego startera. Poszczególne odcinki są następnie łączone przy udziale enzymu ligazy w większy fragment. Gdy przesuwające się widełki replikacyjne różnych oczek obejmą cały DNA, poszczególne części nici wiodącej i opóźnionej zostają połączone. Równocześnie usuwane są startery z nici opóźnionej i uzupełniane brakujące nukleotydy w miejscach łączenia w obrębie każdej nici. (Rys. Replikacja DNA)

Zasady replikacji DNA w komórkach eukariotycznych i prokariotycznych są podobne i dotyczą każdego rodzaju DNA. Replikacja wymaga współdziałania z polimerazą DNA wielu białek regulatorowych w obrębie widełek replikacyjnych. Część z nich uczestniczy w naprawie ewentualnych błędów powstałych podczas replikacji, które mogą być przyczyną mutacji.

Ekspresja informacji genetycznej obejmuje transkrypcję oraz translację i prowadzi do zsyntetyzowania określonego białka. Informacja genetyczna zakodowana jest w określonej sekwencji czterech zasad azotowych w łańcuchu polinukleotydowym. Współzależność między sekwencjami zasad w DNA (lub mRNA powstałym w wyniku transkrypcji) a sekwencją aminokwasów w białku określona jest mianem kodu genetycznego. Zatem w sekwencji zasad azotowych (lub nukleotydów, które zawierają poszczególne zasady) zaszyfrowana jest informacja o sekwencji aminokwasów w białku.

Kod genetyczny jest:
– trójkowy – trzy sąsiadujące ze sobą nukleotydy określają każdy aminokwas (tzw. kodon);
– bezprzecinkowy – sekwencja zasad jest odczytywana kolejno, poczynając od określonego punktu startowego, tzn. kodony nie są w jakikolwiek sposób oddzielone od siebie;
– niezachodzący – kodony leżą kolejno jeden za drugimi nie mają elementów wspólnych, tzn. nukleotyd z danego kodonu nie może należeć do kodonu sąsiedniego;
– jednoznaczny – jedna trójka nukleotydów koduje tylko jeden aminokwas;
– zdegenerowany – jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów;
– kolinearny – kolejność ułożenia kodonów w łańcuchu polinukleotydowym kwasu odpowiada kolejności ułożenia aminokwasów w białku;
– uniwersalny – zasady kodowania oraz znaczenie kodonów są takie same u wszystkich organizmów; uniwersalność kodu nie jest jednak absolutna (np. kilka kodonów w mitochondrialnym DNA koduje inne aminokwasy niż takie same kodony z jądrowego DNA).

Kod genetyczny

Na marginesie z lewej strony zaznaczono pierwszą literę kodonu, u góry drugą, na marginesie z prawej strony trzecią. Pod trójkami nukleotydów oznaczających kodon podano odpowiadające im nazwy aminokwasów (zamieszczono trójki nukleotydów mRNA).

Transkrypcja polega na przekopiowaniu informacji genetycznej z matrycy, jaką stanowi DNA na RNA. Cząsteczki RNA są zatem komplementarne do fragmentu jednej z dwóch nici DNA. Wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane przez polimerazy RNA. Proces rozpoczyna się od rozpoznania przez polimerazę RNA miejsca zwanego promotorem i silnego z nim związania. Następnie polimeraza przesuwa się wzdłuż jednej z nici DNA w kierunku 3’→ 5’, rozplatając przed sobą jego dwuniciową helisę. W przeciwieństwie do syntezy DNA nie jest potrzebny żaden starter. Przesuwająca się polimeraza katalizuje tworzenie się wiązań między kolejnymi trifosforanami nukleotydów układanymi komplementarnie do kopiowanej nici DNA w kierunku 5’ → 3’. Zatem syntetyzowana nić RNA jest antyrównoległa do nici DNA będącej jej matrycą (tzw. nici kodującej). Energii potrzebnej do przebiegu reakcji dostarczają wysokoenergetyczne wiązania trifosforanów nukleozydów. Transkrypcja trwa do miejsca o charakterystycznej sekwencji nukleotydów wyznaczającego terminację. W odłączeniu nici RNA od DNA uczestniczy polimeraza RNA albo tzw. białko ρ (ro). Synteza następnej cząsteczki RNA rozpoczyna się zwykle jeszcze przed zakończeniem poprzedniej, stąd możliwość powstania wielu kopii RNA z jednego genu w krótkim czasie.

Powstające w wyniku transkrypcji cząsteczki RNA mogą pełnić różną funkcję podczas syntezy białka.

Transkrypcja

Informacyjny RNA (mRNA) bezpośrednio kieruje syntezą, gdyż w sekwencji swoich nukleotydów ma zakodowaną informację o sekwencji aminokwasów w białku. Cząsteczki mRNA mają nić prostą, złożoną nawet z kilku tysięcy nukleotydów. W komórkach eukariotycznych mRNA koduje zazwyczaj syntezę jednego łańcucha polipeptydowego białka, natomiast w prokariotycznych kilku białek. Ponadto, ponieważ geny eukariotyczne składają się z sekwencji kodujących białko (tzw. eksonów) oraz z sekwencji niekodujących białka (tzw. intronów) podczas obróbki posttranskrypcyjnej z utworzonej cząsteczki RNA (tzw. pre-mRNA) wycinane są introny, a eksony łączone w cząsteczkę mRNA, która dopiero wtedy opuszcza jądro.

Rybosomalny RNA (rRNA) jest głównym składnikiem rybosomów. Uczestniczy w biosyntezie białka, pełniąc funkcje katalityczne i strukturalne.

Transportujący RNA (tRNA) przenosi zaktywowane aminokwasy do rybosomów. Składa się z około 80 nukleotydów. Ma unikatową strukturę przestrzenną, w której wyróżnia się dwuniciowe helisy, powstałe na skutek pozaginania nici polinukleotydowej i wytworzenia wiązań wodorowych na niektórych odcinkach, między komplementarnymi, czyli sparowanymi zasadami azotowymi. W powstałej strukturze, określanej mianem „liścia koniczyny”, tworzą się pętle zawierające nukleotydy niesparowane. Odpowiadają one za przyłączenie właściwego aminokwasu najpierw do końca 3’ tRNA, a następnie do tworzącej się na rybosomach nici polipeptydowej. Najistotniejsza jest pętla antykodonowa, zawierająca tzw. antykodon, tj. trójkę nukleotydów ,która umożliwia rozpoznanie kodonów mRNA.

Cząsteczka tRNA

Translacja polega na przetłumaczeniu informacji genetycznej zawartej w sekwencji nukleotydów w mRNA na sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym białku. Proces translacji poprzedza aktywacja aminokwasu kosztem energii pochodzącej z ATP przy udziale enzymu, który rozpoznaje i przyłącza odpowiedni aminokwas do właściwego tRNA. Proces ten nosi nazwę aminoacylacji, natomiast tRNA z przyłączonym aminokwasem określany jest jako aminoacylo-tRNA.

W translacji można wyróżnić trzy fazy: inicjację, elongację i terminację. Podczas inicjacji mała i duża podjednostka rybosomu łączą się, obejmując nić mRNA. Równocześnie do kodonu startowego o sekwencji AUG kodującej metioninę przyłącza się transportujący cząsteczkę metioniny tRNA, tzw. inicjatorowy tRNA, który zawsze rozpoczyna syntezę białka. Ponieważ w rybosomie mieszczą się równocześnie dwie cząsteczki aminoacylo-tRNA, dlatego też do rybosomu wchodzi druga cząsteczka tRNA, której antykodon jest komplementarny do kodonu następnego za kodonem startowym. Między metioniną a aminokwasem przyłączonego do drugiego tRNA powstaje wiązanie peptydowe, kosztem energii z GTP. Teraz tRNA, który przenosił metioninę, odłącza się i opuszcza rybosom, a mRNA przesuwa się o trzy nukleotydy, co powoduje, że do rybosomu wchodzi nowa cząsteczka tRNA, związana z kolejnym aminokwasem o antykodonie odpowiadającym trzeciemu kodonowi na mRNA. Tworzy się wiązanie peptydowe między drugim a trzecim aminokwasem. Następuje odłączenie tRNA od drugiego aminokwasu, mRNA przesuwa się o kolejny kodon,do którego w rybosomie przyłącza się następny odpowiedni aminoacylo-tRNA. Proces ten zwany elongacją prowadzi do wydłużenia się łańcucha polipeptydowego. Zostaje zakończony,gdy na przesuwającym się przez rybosom mRNA pojawi się jeden z trzech kodonów STOP (UAA, UAG, UGA), które nie są rozpoznawane przez jakikolwiek tRNA. Z kodonami tymi wiążą się tzw. czynniki uwalniające, które powodują odłączenie od utworzonego łańcucha polipeptydowego ostatniego tRNA i rozpad rybosomu na podjednostki. Etap ten to terminacja.

Translacja (wg Zadania maturalne z biologii, WSiP, 1999)

Podczas obróbki posttranslacyjnej pierwszy aminokwas łańcucha polipeptydowego – metionina – może być odcięty, a powstałe białko ulega różnym modyfikacjom chemicznym, w wyniku których powstaje jego struktura przestrzenna. Proces biosyntezy kwasów nukleinowych i białek jest procesem wymagającym znacznych nakładów energetycznych w postaci ATP.

Regulacja ekspresji genów
Wytwarzanie białek może być regulowane na różnych etapach transkrypcji, wycinania intronów z RNA, aktywacji lub inaktywacji wytworzonych białek. Najsilniejsza regulacja odbywa się na etapie transkrypcji, przede wszystkim podczas inicjacji tego procesu. Prawie wszystkie geny, oprócz promotora, mają sekwencje regulatorowe DNA, z którymi wiążą się białka regulatorowe, hamujące lub aktywujące transkrypcję (tzw. represory i aktywatory).

Powiązanie procesów replikacji, transkrypcji i translacji

U bakterii sekwencje regulatorowe, do których przyłączają się białka regulatorowe, znajdują się bezpośrednio za promotorem (miejscem przyczepu polimerazy RNA) i noszą nazwę operatora. Często u bakterii jeden promotor inicjuje transkrypcję kilku genów, które zazwyczaj kodują białka enzymatyczne z jednego szlaku biochemicznego. Promotor wraz z takimi genami i operatorem tworzą tzw. operon.

Przykładem może być operon tryptofanowy. Jego działanie opiera się na następującej zasadzie. Pobierany z podłoża tryptofan łączy się z represorem, co powoduje przyłączenie się takiego represora do sekwencji regulatorowej, czyli do operatora, i zablokowanie promotora – brak produkcji własnego tryptofanu. W przypadku braku tryptofanu promotor inicjuje transkrypcję genów kodujących enzymy potrzebne do syntezy tryptofanu przez bakterię. Pozwala to bakterii adaptować się do zmieniających się warunków środowiska.

Natomiast w przypadku operonu laktozowego przyłączenie się laktozy, która pojawiła się w podłożu do represora, dezaktywuje białko represorowe. Jego odłączenie się od operatora umożliwia transkrypcję, a następnie syntezę enzymów rozkładających laktozę.

W komórkach eukariotycznych sekwencje regulatorowe są często znacznie oddalone od promotora. W kontroli ekspresji jednego genu uczestniczy wiele białek, a sam proces jest bardziej złożony. U organizmów wielokomórkowych wytwarzanie różnych białek regulatorowych w różnych komórkach umożliwia ich różnicowanie się.