Synteza białka – ważne zagadnienie na maturze z biologii

Źródło: www.freepik.com

Wprowadzenie – kompleksowe przygotowanie do matury z biologii

Artykuł, który za moment przeczytasz stanowi przykładowe opracowanie zagadnienia maturalnego, których setki wraz z zadaniami, skryptami i prezentacjami zawarliśmy z kursie przygotowującym do matury z biologii! Jeśli zdajesz ten przedmiot w klasie maturalnej, koniecznie zajrzyj na stronę, na której opisujemy naszą autorską metodę nauki, dzięki której co roku wielu maturzystów realizuje swoje cele i dostaje się na wymarzone uczelnie.

Początki bywają trudne – synteza białek, a matura z biologii

Synteza białka stanowi jeden z najbardziej podstawowych procesów zachodzących w żywej komórce. Przebiega ona z udziałem gigantycznej maszynerii enzymatycznej – rybosomu – i zazwyczaj dzielona jest na trzy etapy:

(I) inicjacja – polega na rozpoznaniu cząsteczki mRNA stanowiącej matrycę do syntezy dokonywanej przez czynniki komórkowe. Następnie dochodzi do naprowadzenia podjednostek rybosomalnych i utworzenia właściwego rybosomu, związanego już z mRNA;

(II) elongacja – na tym etapie dochodzi do właściwej syntezy białka z udziałem rybozymu katalizującego syntezę wiązania peptydowego między dostarczanym aminokwasem (w postaci aminoacylo-tRNA) a powstającym polipeptydem. Etap ten cechuje się największą długością ze wszystkich;

(III) terminacja – określić ją można jako zakończenie syntezy białka, uwolnienie nowopowstałego peptydu, podjednostek rybosomalnych i mRNA matrycowego. Nie zawsze jednak moment ten oznacza uzyskanie w pełni dojrzałej proteiny. W niektórych przypadkach konieczne są dalsze obróbki enzymatyczne, takie jak cięcie, edycja chemiczna, wspomaganie fałdowania.

Zanim dojdzie do właściwej syntezy białka, muszą powstać podjednostki, które bezpośrednio biorą udział w translacji – aminoacylo-tRNA. Proces ten odbywa się z udziałem enzymów – syntetaz aminoacylo-tRNA, które – oprócz katalizowania reakcji przyłączenia aminowkasu do tRNA – biorą udział w sprawdzaniu poprawności rozpoznanego duetu. Syntetazy te odczytują strukturę pętli tRNA, odróżniających tRNA przeznaczone do rozpoznania np. Lys od tego rozpoznającego Ser. Poszczególne aminokwasy są również rozpoznawane według rozmiaru (Trp i Ala), charakterystyki grup funkcyjnych łańcuchów bocznych (Gln i Glu) i izomerii (Leu i Ile). Pierwszym aminokwasem, który jest włączany w procesie biosyntezy, jest metionina (Eucayota) lub jej formylowana pochodna – formylometionina (Procaryota).

Inicjacja syntezy łańcucha rozpoczyna się na końcu 5’ matrycowego mRNA, który – w przypadku komórek Eucaryota – zakończony jest strukturą cap. To właśnie ona jest rozpoznawana przez czynniki inicjacji translacji. W przypadku bakterii nie dochodzi do jej rozpoznania. W ich komórkach jednak mimo wszystko są obecne czynniki inicjacji translacji: IF1 i IF3, które rozpoznają mała podjednostkę rybosomalną i nakierowują ją na matrycę w obrębie sekwencji RBS (ang. ribosome binding sequence), a także IF2, odpowiadająca za przekazanie na matrycę związaną z rybosomem inicjatorowego fMet-tRNA.

Synteza białka – skanowanie

Następnie zachodzi „skanowanie” matrycy (w kierunku 5’ a 3’) w poszukiwaniu kodonu odczytywanego przez antykodon fMet-tRNA – AUG. Po związaniu fMet-tRNA z kodonem START dochodzi do dołączenia dużej podjednostki rybosomalnej, utworzenia w pełni aktywnego rybosomu i elongacji translacji. Inicjacja u Eucaryota przebiega według podobnego mechanizmu, jednak – jak było wspomniane wcześniej – mRNA eukariotyczne zawiera na końcu dodatkową strukturę cap, która jest rozpoznawana przez czynniki inicjatorowe.

Najważniejszymi procesami zachodzącymi w trakcie elongacji są: synteza wiązania peptydowego – przy udziale rRNA o właściwościach rybozymu – oraz przesuwanie się maszynerii translacyjnej (zarówno polipeptydu jak i mRNA) z zaangażowaniem hydrolizowanego GTP.

W trakcie zmierzania maszynerii do kodonu STOP (UAG, UAA i UGA) niemożliwe jest związanie tRNA posiadającego odpowiedni antykodon. Sekwencje STOP rozpoznawane są jednak przez białka (ang. release factors), które imitują tRNA. Umożliwiają one odłączenie polipeptydu poprzez przeniesienie końcowego aminokwasu (koniec karboksylowy) na cząsteczkę wody. Ostatnim etapem biosyntezy jest uwolnienie podjednostek rybosomalnych, między innymi z udziałem białka RRF (ang. ribosome recycling factor).

Nic nie może przecież wiecznie trwać

Źródło: www.freepik.com

Białka obecne w komórce możemy podzielić według długości okresu półtrwania na dwie grupy: białka długotrwałe, białka krótkotrwałe, a ponadto wyróżnić białka strukturalne. Podlegają one obiegowi – syntezie i degradacji, kontrolowanej lub spowodowanej czynnikami środowiskowymi. Procesy kontrolowanej degradacji białek komórkowych stanowią przede wszystkim odpowiedź komórki na uszkodzenia białek – zabezpiecza to ją przed gromadzeniem się nieprawidłowych struktur, złogów lub wymiareczkowania kofaktorów reakcji enzymatycznych. Innym mechanizmem zmniejszającym stężenie uszkodzonego białka jest rozcieńczanie roztworu proteinowego wraz ze wzrostem objętości komórki. Metoda ta nie jest jednak możliwa do zastosowania w każdej komórce. Szybkość procesu zależy bowiem od szybkości wzrostu i podziałów komórki.

Enzymatyczna degradacja białka polega na hydrolizie wiązania peptydowego łączącego aminokwasy, które – dzięki swojemu charakterowi wiązania semi-podwójnego (struktury rezonansowe) – jest wyjątkowo stabilne chemicznie. Enzymami przeprowadzającymi degradację tego wiązania są proteazy katalizujący atak nukleofilowy. Możemy je podzielić na dwie duże grupy: endopeptydazy (trawiące wewnątrz cząsteczki białka) i egzopeptydazy (trawiące od końca aminowego lub karboksylowego).

Wśród innych metod podziału proteaz możemy wyróżnić chociażby grupowanie ich według reszty uczestniczącej w reakcji – tym sposobem wyróżniono np. proteazy cysteinowe, serynowe czy treoninowe. Większość proteaz o charakterze degradacyjnym nie jest specyficzna. Jednak w samej strukturze białka daje się wyróżnić motywy charakteryzujące się większą stabilnością np. regiony bogate w cystynę (dimer cysteinowy). Postuluje się również istnienie tzw. reguły N-końca. Zakłada ona, że charakterystyka sekwencji końca aminokwasowego białka decyduje o jego większej lub mniejszej stabilności.

Synteza białka – główny mechanizm

Innym mechanizmem – który możemy już nazwać „głównym” – jest szlak degradacji z udziałem proteasomów. Są to nieobłonione kompleksy białkowe, które nie tylko wykazują właściwości proteaz, ale również wyodrębniają w swoim wnętrzu trawione białko od środowiska, co znacząco usprawnia cały proces. Inną – nawet istotniejszą – cechą szlaku degradacji proteasomalnej (DP) jest wysoka specyficzność. Oznacza to, że nie każde białko jest rozpoznawane i degradowane przez proteasomy. Proteiny przeznaczone do rozkładu muszą być oznakowane ubikwityną (tzw. proces ubikwitynacji).

Nieprawidłowo sfałdowane białka mają odrębną strukturę przestrzenną. Najbardziej istotną różnicą – z punktu widzenia szlaku DP – jest uzewnętrznienie przez białko końca aminowego: w białku poprawnie sfałdowanym koniec ten jest ukryty wewnątrz globuli. Koniec ten jest rozpoznawany przez acetylotranferazy, które znakują go resztą acetylową. Wśród innych struktur rozpoznawanych jako markery degradacji możemy wyróżnić sekwencję PEST, obecną w białkach charakteryzujących się krótkim okresem półtrwania, czy też kasetę D-box, obecną w obrębie cyklin komórkowych.

Po rozpoznaniu „oznakowania” białko jest przechwytywane przez ligazę ubikwityny, która katalizuje przyłączenie do niego (a dokładniej do reszt Lys) ubikwityny – niewielkiego białka globularnego. Zazwyczaj w szlaku DP spotykamy się z procesami poliubikwitynacji. Oznaczone ubikwityną białko trafia do proteasomów, gdzie ulega rozkładowi. Natomiast ubikwityna jest wcześniej od niego odłączana i wraca do cyklu oznaczania. Białka nie są przy udziale DP rozkładane do pojedynczych aminokwasów. Produkty (polimery kilkuaminokwasowe) muszą więc ulec dalszej obróbce przy udziale opisanych wcześniej proteaz.

To już koniec artykułu w którym jeden z naszych Prowadzących omówił zagadnienie syntezy białek. Jeśli chcesz rozpocząć przygotowania do matury pod okiem maturalnych ekspertów, którzy od lat pomagają uczniom w osiąganiu najwyższych wyników na maturze, koniecznie zajrzyj na stronę poświęconą kursowi!

Autor tekstu: Adrian Macion