Pierwszy etap ekspresji genu to transkrypcja. Polega ona na „przepisaniu” informacji genetycznej z DNA na mRNA. Jest to możliwe dzięki zasadzie komplementarnościzasada komplementarnościzasadzie komplementarności – dopełniania się zasad azotowych nukleotydów matrycowej nici DNA i nowo powstającego mRNA. W przypadku komórek eukariotycznych transkrypcja zachodzi w jądrze komórkowym, gdzie na jednej z nici DNA (matrycowej) powstaje mRNA. Innymi organellami, które zawierają DNA, są mitochondria i chloroplasty
(w komórkach roślinnych) – w nich również zachodzi proces transkrypcji.

Jednostką transkrypcji jest odcinek DNA (gen) mieszczący się między dwoma specyficznymi fragmentami kwasu nukleinowego: promotorem i sygnałem poliadenylacji (u eukariontów) lub terminatorem (u prokariontów). Promotor wskazuje miejsce rozpoczęcia transkrypcji. Odczytywanie DNA następuje w kierunku od 3’ do 5’, natomiast synteza mRNA – od 5’ do 3’. Całość procesu jest katalizowana przez polimerazę RNA zależną od DNA. U eukariontów funkcjonują trzy rodzaje polimeraz RNA, natomiast u prokariontów tylko jedna.

Transkrypcja dzieli się na trzy etapy: inicjację, elongację i terminację. Polimeraza RNA łączy się z odcinkiem promotorowym i tworzy kompleks inicjujący (inicjacja). Podczas procesu wydłużania nici mRNA (elongacji) przesuwająca się wzdłuż nici DNA polimeraza RNA rozplata ją i dołącza komplementarne nukleotydy mRNA.

Proces zakończenia (terminacji) transkrypcji rozpoczyna się po odczytaniu przez polimerazę, znajdującej się za genem, sekwencji kończącej transkrypcję. Powoduje to odłączenie nowopowstałego transkryptu i polimerazy od matrycowej nici DNA. Istnieją różnice w jej przebiegu u prokariotów i eukariontów o czym przeczytasz w materiale: Porównanie transkrypcji eukariotycznej i prokariotycznej.

W prokariotycznych komórkach bakteryjnych nie zachodzi fizyczne rozdzielenie transkrypcji i translacji ponieważ chromosom bakteryjny (genofor) nie jest oddzielony błoną od cytozolu, w którym znajdują się także rybosomy, w których zachodzi translacja.

W genomie eukariontów występują tzw. geny nieciągłe. Oznacza to, że fragmenty kodujące sekwencje aminokwasowe białka (eksony) są rozdzielone przez fragmenty niekodujące (introny). Nowo powstały transkrypt o nazwie pre‑mRNA jest odzwierciedleniem DNA. Musi przejść proces dojrzewania (obróbki potranskrypcyjnej), która polega na wycięciu intronów, przyłączeniu do końca 5’ stabilizującego mRNA nukleozydu, tzw. czapeczki, a do końca 3’ – zwielokrotnionej sekwencji nukleotydów adenylowych: poli‑A. Dzięki tym modyfikacjom mRNA eukariotyczne jest znacznie bardziej stabilne niż mRNA prokariotyczne. Tak zabezpieczony mRNA jest gotowy do przesłania do cytoplazmy przez pory w otoczce jądrowej. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w materiale: Modyfikacje potranskrypcyjne RNA u Eucaryota.

Geny bakterii to geny ciągłe. Składają się z sekwencji kodujących, więc mRNA nie musi ulegać obróbce potranskrypcyjnej i translacja może rozpocząć się jeszcze przed zakończeniem transkrypcji DNA. Na czym polega obróbka potranskrypcyjna dowiesz się z materiału: Modyfikacje potranskrypcyjne RNA u Eucaryota.

Drugi etap ekspresji genu (translacja) u eukariontów odbywa się na rybosomach, w cytoplazmie komórki lub na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej. Polega na biosyntezie białka, czyli wytworzeniu łańcucha polipeptydowego na podstawie kolejności nukleotydów tworzących kodony mRNA.

W skład kompleksu translacyjnego wchodzą:

• mRNA,

• rybosomy (na których przeprowadzana jest synteza białka, w tym będące ich składnikami biokatalizatory tego procesu),

• transportujący aminokwasy tRNA (aminoacylo‑tRNA),

• wspomagające cały proces białkowe czynniki translacyjne.

RYbDHFqpRUpNj

Ilustracja przedstawia uproszczony proces elongacji translacji. W centralnej części widoczny jest rybosom na nici mRNA. Do każdego z trzech kodonów, które znajdują się w rybosomie przyłączona jest cząsteczka tRNA z komplementarnym antykodonem. Do środkowej cząsteczki tRNA przyłączony jest łańcuch aminokwasów, natomiast do cząsteczki po prawej stronie jeden aminokwas. Wokół widoczne są wolne aminokwasy, wolne cząsteczki tRNA oraz cząsteczka tRNA związana z aminokwasem.

Rybosomy zbudowane są z rybosomalnych białek i rRNA. Składają się z dwóch podjednostek, większej i mniejszej. Wyróżnia się dwa rodzaje rybosomów: bakteryjne (70S) i charakterystyczne dla komórek eukariotycznych (80S). Wielkość rybosomów oznaczana jest jednostkami Svedberga związanymi z szybkością ich opadania podczas wysokoobrotowego wirowania frakcjonującegowirowanie frakcjonującewirowania frakcjonującego.

Mała podjednostka rybosomów bierze udział w łączeniu pętli antykodonowej tRNA z kodonem mRNA. Podjednostka większa odpowiada za powstawanie wiązania peptydowego między aminokwasami tworzącymi polipeptyd.

tRNA jest swoistym łącznikiem między mRNA a aminokwasami tworzącymi polipeptyd. Cząsteczka tego kwasu nukleinowego ma charakterystyczny kształt - nić polinukleotydowa tworzy trzy główne pętle i jedną dodatkową, która stabilizuje strukturę kompleksu podczas translacji. Dolna pętla (antykodonowa) łączy się komplementarnie z kodonami mRNA. Podczas biosyntezy białka wykorzystywane są różne tRNA – każdy z nich może transportować tylko jeden, swoisty dla siebie aminokwas. Aminokwas przyłączany jest do tRNA w procesie aminoacylacji.

W rybosomie formują się trzy przestrzenne miejsca: A, P i E.

Translacja przebiega w trzech etapach.

Nowy łańcuch polipeptydowy zostaje poddany obróbce potranslacyjnej. Łańcuch polipeptydowy nie musi zawierać zawsze w pierwszej pozycji metioninę – niekiedy należy ją wyciąć. Pomiędzy aminokwasami tworzącymi struktury białkowe o wyższej rzędowości (np. struktura III‑rzędowa białka) powstają nowe wiązania w postaci mostków disiarczkowych. Do ich wytworzenia niezbędne są dwie reszty cysteiny, aminokwasu zawierającego siarkę. Zachodzi glikozylacja, podczas której do peptydu przyłączane są reszty cukrowe. Przyłączeniu mogą też ulegać lipidy lub grupy fosforanowe, co jest nazywane fosforylacją. Niektóre białka wymagają czasowej dezaktywacji i aktywowane są dopiero w miejscu docelowym (np. enzymy proteolityczne). Odbywa się to przez rozcinanie łańcucha peptydowego. Zależnie od funkcji, jaką będzie spełniało nowe białko, jest ono przenoszone do odpowiednich miejsc w komórkach lub organizmie. Więcej na ten temat przeczytasz w materiale: „Modyfikacje potranslacyjne białek”.

Słownik