Rybosom - to aparat do biosyntezy cząsteczek białkowych
W poprzednim paragrafie powiedzieliśmy, że komórka potrafi odczytywać informację o budowie cząsteczki białkowej, która jest zapisana w postaci kolejności nukleotydów mRNA i odpowiednio do kodu genetycznego syntezować cząsteczkę białka. Ten proces - translację - całkowicie wykonuje bardzo dawny i konserwatywny kompleks cząsteczkowy - rybosom. Wyjaśniliśmy już budowę rybosomu w § 23. Przypominamy, że rybosom - to aparat cząsteczkowy, który cechuje wszystkie żywe organizmy, od bakterii do wyższych roślin i ssaków. Rybosom składa się z dwóch podjednostek, zbudowanych z cząsteczek rybosomowych RNA i białek. Rybosomy u eukariotów powstają w osobliwej części jądra -jąderku. Tu zachodzi synteza rybosomowych RNA i składanie podjednostek. Rybosomy kierują się do cytoplazmy przez pory jądrowe. W cytoplazmie zachodzi translacja - proces, który rozpatrzymy w tym paragrafie.
Rybosom stwarza warunki do współdziałania mRNA i tRNA
Do translacji u bakterii zadziałanych jest wiele cząsteczek, lecz jeszcze więcej - u eukariotów. Zatrzymajmy się na podstawowych uczestnikach tego procesu we wszystkich organizmach: matrycowym RNA, rybosomie, aminokwasach przyłączonych wiązaniem kowalencyjnym do transportującego RNA oraz enzymach, które katalizują biosyntezę białek w komórce.
Monomerami do syntezy białka służą nie wolne aminokwasy, a aminokwasy połączone z transportującym RNA. Aminokwasy przyłączają się do tRNA osobliwymi enzymami, kodazami, które rzetelnie pilnują przestrzegania kodu genetycznego. Każdemu aminokwasowi odpowiada jedna kodaza. Enzym zapewnia odpowiedniość aminokwasów i tRNA. Dla każdego aminokwasu jest jeden lub więcej tRNA. Kodaza rozpoznaje potrzebny aminokwas i odpowiadające mu tRNA, które mogą współdziałać z tripletami nukleotydów w mRNA kodującymi ten aminokwas. Proces przyłączenia aminokwasu do tRNA wymaga zatrat energii ATP, a otrzymany produkt (tRNA połączony ze „swoim” aminokwasem) ma dość wysoką energię, żeby połączyć między sobą dwa aminokwasy1.
Jak pamiętamy, tRNA ma kilka pętel i „łodygę” i przypomina trójlistek koniczyny. Aminokwas przyłącza się do łodyżki, a za współdziałanie z mRNA odpowiada jedna z pętel, która zawiera trójkę nukleotydów. Trójkę tę nazywamy antykodonem. Antykodon jest komplementarny do trójki nukleotydów w mRNA - kodonu. Współdziałanie komplementarne pomiędzy antykodonem i kodonem decyduje, który aminokwas wbuduje się w łańcuszek tworzącego się białka. Współdziałanie tRNA z mRNA, a także przyłączenie aminokwasu do łańcuszka białka dokonuje rybosom. A więc do realizacji syntezy białka jest niezbędne wykonanie trzech warunków.
1. Kodazy dokonują przyłączenia aminokwasów do transportujących RNA odpowiednio do zasad kodu genetycznego.
2. Antykodon tRNA komplementarnie współdziała z kodonem mRNA.
3. Rybosom zapewnia przyłączenie aminokwasu do łańcuszka powstającej cząsteczki białkowej.
Połączenie aminokwasów w białkową cząsteczkę odbywa się w rybosomie
Rozpatrzmy dokładniej, jak łączą się aminokwasy (ryc. 25.1). Proces biosyntezy białka zaczyna się od tego, że mniejsza podjednost-ka rybosomu łączy się z osobliwą cząsteczką tRNA, która niesie aminokwas metioninę. Jak pamiętasz, synteza białka zaczyna się właśnie od tego aminokwasu. Potem mniejsza podjed-nostka rybosomu z tym tRNA przyłącza cząsteczkę mRNAi zaczynają skanować, szukając start-kodonu, kodującego właśnie metioninę. Jak tylko ona go odnajduje,to zatrzymuje się, przyłącza większą podjednostkę i cały rybosom przygotowuje sią do przyłączenia nowych aminokwasów. On przyjmuje następną cząsteczkę tRNA z przyłączonym do niej aminokwasem. Antykodon tego drugiego tRNA odpowiada następnemu po metioninowym kodonie w mRNA.
W tym stanie rybosom jest połączony z dwiema cząsteczkami tRNA. A reszty aminokwasowe, przyłączone do tych tRNA, okazują się w bliskim sąsiedztwie. Właśnie w tym momencie zachodzi powstanie wiązania między tymi aminokwasami. Tę reakcję dokonuje rybosom, lecz bezpośrednio za katalizę tej reakcji odpowiada nie białko, lecz rRNA. Jest to przykład swoistych biochemicznych reakcji, które są katalizowane nie enzymami, a RNA. Przy tym połączenie między pierwszym aminokwasem (metioniną) i transportującym RNA rozrywa się.Okazuje się, że pierwszy aminokwas wraz ze swoim tRNA przenosi się na aminokwas przyłączony do drugiego tRNA. Pierwszy transportujący RNA, zwolniony od swego aminokwasu, pozostawia rybosom. Krótki łańcuszek z dwóch aminokwasów okazuje się przyłączony do drugiego tRNA. Przy tym rybosom przesuwa się o jeden kodon względem matrycowego RNA i jest przygotowany do przyjęcia następnego transportującego RNA z resztą aminokwasową. Następnie powtarza się ten sam proces: łańcuszek z dwóch aminokwasów przenosi się z drugiego tRNA na aminokwas, przyłączony do trzeciego tRNA i tak dalej. Tak kształtuje się długi aminokwasowy łańcuszek cząsteczki białkowej. Proces powtarza się do tej pory, dopóki rybosom nie wykryje stop-kodonu. Przy tym rybosom zatrzymuje się i zakończony łańcuszek aminokwasowy odłącza się od tRNA, który przyszedł ostatni. W ciągu swojej syntezy cząsteczka białka skręca się w strukturę trójwymiarową i po zakończeniu tych procesów jest gotowa do pełnienia swoich funkcji1. Podjednostki rybosomów rozpadają się i zwalniają matrycowy RNA. Na tym proces translacji się kończy. Obejrzeć, jak zachodzi translacja, możesz na wideo na stronie internetowej.
Biosynteza białka u prokariotów i eukariotów ma przestrzenne różnice
Translacja stale zachodzi w żywych komórkach i zapewnia ich zapotrzebowanie na białka. U bakterii procesy transkrypcji i translacji nie są rozerwane w przestrzeni: w cytoplazmie cząsteczka matrycowego RNA jest syntezowana RNA-polimerazą na cząsteczce DNA, a rybosomy odczytują z niego informację i syntezują białko też w cytopiazmie (ryc. 25.2). Przy tym translacja może zaczynać się jeszcze przed zakończeniem transkrypcji: rybosomy łączą się z mRNAjeszcze przed zakończeniem jego syntezy RNA-polimerazą. U eukario-tówjestto bardziej skomplikowane. One posiadają otoczkę jądrową, ściśle oddzielającą transkrypcję i translację. Przy tym matrycowy RNA syntezuje się w postaci pre-mRNA (poprzednika), któremu niezbędne jest dojrzewanie, aby połączyć się z rybosomem. Translacja zachodzi w cytopiazmie po tym, jak dojrzały matrycowy RNA przez porę wydostanie się z jądra.
Są różnice w biosyntezie białek cytozolu oraz białek błonowych i wydzielni-czych. Translacja białek cytozolu dokonuje się pojedynczymi rybosomami bezpośrednio w cytozolu. Jeżeli jednak białko błonowe będzie pracować w środku pęcherzyka (lub, powiedzmy, lizosomu czy aparatu Golgiego) albo będzie skierowane do przestrzeni międzykomórkowej (jak na przykład enzymy trawienne lub kolagen), jego syntezę urzeczywistnią rybosomy retikulum endoplazmatycznego. Translacja takich białek zaczyna się tak samo, jaki translacja zwykłych białek cytozolu w przestrzeni komórki. Jednak pierwsze aminokwasy tworzą sygnałową kolejność. Ta kolejność decyduje o dalszych losach białka: translacja ustaje, a rybosom kieruje się do retikulum endoplazmatycznego. Po połączeniu z jego błoną translacja jest kontynuowana, lecz powstający łańcuszek aminokwasowy porusza się bezpośrednio do środka ER. Możesz obejrzeć, jak zachodzi ten proces, oglądając wideo na stronie internetowej.
Warto zaznaczyć, że w komórkach eukariotycznych też są mitochondria i chloroplasty, które zawierają własne rybosomy. Te rybosomy są podobne do prokariotycznych, a translacja, jak i u przypadku bakterii, przestrzennie nie jest rozdzielona z transkrypcją.
Informacja o budowie białka przekazuje się w kierunku
Uogólnijmy proces syntezy białka na przykładzie komórki zwierzęcej. Informacja o kolejności połączenia aminokwasów w białku zakodowana jest w cząsteczce DNA, znajdującej się w jądrze. Enzym DNA-polimeraza syntezuje na niej matrycowy RNA w postaci poprzednika zgodnie z zasadami komplementarności. Poprzednik matrycowego RNA „dojrzewa” w jądrze, a potem „dojrzała” cząsteczka matrycowego RNA kieruje się do cy-toplazmy. Tam ona spotyka się z rybosomami oraz transportującymi RNA, które niosą aminokwasy - przyszłe ogniwa łańcucha białkowego. Aminokwasy przyłą-
czone są do swoich tRNA nie przypadkowo, a zgodnie z zasadami kodu genetycznego. Enzymy, dokonujące tego przyłączenia - to kodazy. W rybosomie powstają warunki, które zapewniają współdziałanie antykodonu transportującego RNAz kodonem matrycowego RNA zgodnie z zasadami komplementarności. Przy tym reszty amino-kwasowe okazują się blisko siebie. Rybosom wytwarza połączenie między dwiema resztami, przy tym przenosi pierwszą resztę aminokwasową z pierwszego tRNA na drugi. Rybosom powtarza ten proces wielokrotnie, zapewniając syntezę długiego ami-nokwasowego łańcucha białka.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Aminokwasy otrzymują energię do dalszego połączenia się w białko A podczas przeniesienia się z jednego tRNA na inny w rybosomie В podczas syntezy w komórce C podczas przyłączenia do tRNA D po dostaniu się tRNA z aminokwasem do rybosomu E podczas połączenia się subjednostek rybosomu
2
Jeżeli kodon dla metioniny - AUG, to antykodon dla niego - to A GUA В AUG C UGA D TAC E UAC
3
Poprawna kolejność procesów podczas syntezy białka jest taka:
A przyłączenie metioninowego tRNA do małej podjednostki, potem połączenie małej i dużej podjednostki rybosomu
В połączenie małej i dużej podjednostki rybosomu, potem przyłączenie mRNA do rybosomu
C wejście drugiego tRNA do rybosomu, potem połączenie mRNA do rybosomu
D przeniesienie reszty aminokwasowej metioniny na drugi tRNA, potem połączenie małej i dużej podjednostki rybosomu
E przyłączenie mRNA do rybosomu, potem przyłączenie metioninowej tRNA do małej podjednostki
4
Światłoczułe białko rodopsyna znajduje się w błonie komórkowej pręcików siatkówki oka. Gdzie zachodzi jego translacja?
A w rybosomach mitochondriów В w rybosomach w cytozolu C w rybosomach na ER
D zaczyna się w rybosomach w cytozolu, kończy się - w rybosomach ER E zaczyna się w rybosomach ER, kończy się - w rybosomach w cytozolu
5
Poprawna kolejność wydarzeń biosyntezy białka jest następująca: A skręcanie się białka - transkrypcja - translacja В translacja - skręcanie się białka - translacja C translacja - skręcanie się białka - transkrypcja D transkrypcja - translacja - skręcanie się białka E translacja - transkrypcja - skręcanie się białka
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Translacja w tłumaczeniu z łacińskiego oznacza „tłumaczenie”. Dlaczego proces syntezy białka według matrycy mRNA był tak dziwnie nazwany?
7
Podaj charakterystykę podstawowej różnicy w biosyntezie białka eukariotami w cytozolu i eukariotami w mitochondriach. W którym z tych procesów powstaje większa różnorodność białek i dlaczego?
8
W jakim stopniu kodazy w komórkach eukariotów są różnorodne i czym taka różnorodność jest uwarunkowana?
9
Jakie komponenty są niezbędne do dokonania translacji u eukariotów? Czy jest możliwa translacja poza komórką, w probówce?
10
Jakie komponenty komórki zapewniają dokładną i wyraźną odpowiedniość kodonów mRNA i aminokwasów, które wbudowują się w łańcuszek białkowy? Dzięki jakim współdziałaniom komponenty to robią?
11
Ile rodzajów tRNAjest w komórce człowieka? Dlaczego ich ilość jest mniejsza od ilości kodonów?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
12
Dlaczego komórka nie dokonuje syntezy białka według matrycy DNA? Jaka jest rola pośrednika - matrycowego RNA?
13
Po co eukarioty rozdzieliły transkrypcję i translację w przestrzeni? Jaka jest ujemna strona takiego rozdzielenia?
14
Jak i dlaczego zachodzi „dojrzewanie” mRNA w jądrze u eukariotów? Jakie dodatkowe możliwości różnorodności białek daje „dojrzewanie”?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
15
W translacji wyróżnia się trzy zasadnicze fazy. Co to za fazy i jakie procesy zachodzą w tych fazach? Która faza jest najszybsza, a która - najpowolniejsza?
16
W różnych momentach w komórce syntezuje się niejednakowa ilość białek. Na jakich etapach może dokonywać się regulacja syntezy białek w komórce? Jakie są sposoby takiej regulacji?
Projekt do opracowania w grupie
17
Model translacji.
1) Wykorzystując materiały podręczne (tekturę, papier, pudełka, sznurki, kolorowe flamastry lub ołówki itp.), wykonaj model potrzebnych elementów translacji.
2) Jeżeli bardziej podoba ci się praca przy komputerze, to, wykorzystując programy do tworzenia prezentacji lub animacji i opierając się na porady nauczycieli informatyki, stwórz swój komputerowy model translacji.
3) Zademonstruj kolegom proces translacji, wykorzystując swoje modele.
Praca praktyczna № 2
Rozwiązywanie podstawowych zadań z replikacji, transkrypcji i translacji
Cel: nauczyć się wykorzystywać wiedzę o replikacji, transkrypcji i translacji do rozwiązywania zadań.
Przebieg pracy
Ćwiczenia i zadania z replikacji
1
Jeden z łańcuchów DNA ma kolejność ATT CAT GAT GGG ACT. Wyznacz kolejność nukleotydów drugiego łańcucha i policz, ile w sumie adenylowych nukle-otydów będą zawierać obydwie cząsteczki DNA po replikacji.
2
Ile nowych nukleotydów A, T, G i C trzeba wykorzystać, żeby dokonać replikacji DNA, którego jeden z łańcuchów ma następującą kolejność: AAA TGC TGG TAC?
3
Cząsteczka RNA zawiera 620 adenylowych i 850 guanylowych nukleotydów. Ile i jakie nukleotydy są potrzebne do dokonania replikacji?
Ćwiczenia i zadania z transkrypcji
4
Cząsteczka mRNA zawiera 1244 nukleotydy. Ile nukleotydów zawiera fragment DNA, który koduje tę cząsteczkę mRNA?
5
Kolejność nukleotydów w cząsteczce mRNA jest następująca : UAG CGU UUG ACC. Wyznacz kolejność nukleotydów w fragmencie DNA, który koduje ten fragment mRNA.
6
Do składu mRNA wchodzi 20% adenylowych nukleotydów, 16% urydylowych, 31% cytydylowych. Jaka jest zawartość nukleotydów we fragmencie DNA, według którego był syntezowany ten mRNA?
Ćwiczenia i zadania z translacji
7
Białko składa się z 803 reszt aminokwasowych. Ile nukleotydów w mRNA I DNA koduje to białko?
8
Cząsteczka mRNA złożona jest z 1302 nukleotydów, wśród których jest jeden kodon UAA. Jaką maksymalną długość może mieć cząsteczka białka syntezowanego według tej mRNA?
9
Wyznacz kolejność aminokwasów w białku, o którym informacja jest zapisana w mRNA z taką kolejnością nukleotydów - UUU ACG AKGG AGU AAC GAU.
10
Jak zmieni się struktura białka, jeżeli we fragmencie DNA, który go koduje-TAT TCTTTTTGT GGA CGA-wypadnie 11. nukleotyd?
11
Początkowy odcinek cząsteczki białka ma kolejność: walina - leucyna - histy-dyna - seryna - izoleucyna. Jaka będzie struktura mRNA i DNA, w których zapisana jest informacja o tym odcinku białka.
12
Wyznacz antykodony tRNA, które biorą udział w syntezie białka, kodującego się fragmentem DNA o takiej kolejności: AGT ACG ATG TCA AGA.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow