Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia
nieorganiczna
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: BIOLOGIA MOLEKULARNA →

Translacja

Trafiający do cytoplazmy mRNA, łączy się z rybosomami - uniwersalnymi tłumaczami komórkowymi, składającymi się z białek i tak zwanego rRNA - cząsteczek, które nie są tłumaczone na białko.
We współpracy ze specyficznymi cząsteczkami, o nazwie: tRNA, rybosomy odczytują sekwencję nukleotydową mRNA i tłumaczą ją w procesie translacji na sekwencję aminokwasową białka (zob. rys.1).

translacja
Rys.1. Schemat procesu translacji mRNA na białko.

Sekwencja białka może mieć różną liczbę aminokwasów, lecz w w skład każdej z nich może wchodzić do 20 ich rodzajów.
Translacja mRNA zachodzi zawsze w kierunku 5’→3’. Białka są również polimerami (właściwie polikondensatami), w których możemy wyróżnić końce. Nazywają się one końcami N i C (zob. rys.2).

aminokwasy, białko
Rys.2. Białko jest polimerem (właściwie polikondensatem) aminokwasów, ma wyróżnione końce N i C.

Synteza białka przebiega zawsze w kierunku od N końca do C końca.
Widać więc, że aminokwasy znajdujące się bliżej N końca białka, będą kodowane bliżej końca 5’ mRNA. Zatem, kolejność sekwencji aminokwasów (w kierunku N → C), odpowiada kolejności nukleotydów na mRNA (w kierunku 5’ → 3’). Mówimy, że mRNA i białko przezeń kodowane, są kolinearne.

Czy jednak komórki dysponują jakimś słownikiem, który pozwala rybosomom i tRNA dokonać tłumaczenia? Z pewnością tak. Nazywamy go uniwersalnym kodem genetycznym. Uniwersalność jego objawia się tym, że występuje on u wszystkich organizmów, jest jeden i jest zasadniczo niezmienny.
Do zakodowania aminokwasów na mRNA, w sposób jednoznaczny, potrzebowalibyśmy aż 20 rodzajów nukleotydów. RNA ma ich natomiast tylko 4 rodzaje: A, G, U i C.
Czy możliwe jest inne rozwiązanie? Jest i wykorzystała go natura. Pojedynczy aminokwas symbolizowany jest przez kombinację nukleotydów.

Liczba możliwych do ułożenia sekwencji n-nukleotydowych z czterech rodzajów nukleotydów wynosi 4n. Mielibyśmy zatem:
  • 42 = 16 kombinacji 2-nukleotydowych. Liczba ta jest mniejsza od 20, więc nie wystarczy to do zakodowania wszystkich aminokwasów.
  • 43 = 64 kombinacje 3-nukleotydowe, co już w zupełności wystarczy. Pojawia się problem wręcz odwrotny. Teraz jednemu aminokwasowi odpowiadać będzie więcej niż jedna z 64 trójkowych, nukleotydowych sekwencji. Ponadto, 3 sekwencje trójkowe w kodzie genetycznym nie oznaczają żadnego aminokwasu, lecz służą jako informacje o zakończeniu translacji (STOP).
Przyroda wykorzystuje właśnie taki „nadwyżkowy” kod. Ma on pewien fachowy epitet; nazywamy go zdegenerowanym. U niektórych organizmów zdarzają się sporadyczne przypadki odejścia od standardowego sposobu kodowania, ale dotyczą one jednej lub najwyżej dwóch trójek nukleotydowych i są specyficzne dla pojedynczych gatunków.
Świadczy to o ich wtórności, czyli o tym, że nie są dowodem na sporadyczne występowanie innych typów kodu, lecz powstały jako drobna „nakładka” na kod już uniwersalnie występujący.

Oto kilka przykładów nietypowych kodonów u paru wybranych organizmów:
Mycoplasma capricolum    UGA Stop → Tryptofan
Tetrahymena     UAA,UGA Stop → Kwas Glutaminowy
Euplotes    UGA Stop → Cysteina

Pozostanie nam pytanie: jak to się stało, że u wszystkich żywych organizmów, żyjących na naszej planecie, występuje taki sam kod genetyczny?
Identyczność (czy podobieństwo) może mieć 3 przyczyny (jak mawiał mój nauczyciel licealny - Pan Marian Sonelski):

1. Ewolucja od jednego wspólnego przodka
2. Przypadek
3. Konwergencja

Który z nich zagrał rolę w ewolucji? Aby odpowiedzieć na to pytanie, zbudujmy tabelę.
Z lewej strony umieśćmy kolumnę wszystkich 64 kodonów, a za każdym z nich 20 aminokwasów. Każdy aminokwas potencjalnie mógłby być przezeń kodowany. Podkreślamy ten, który kodowany jest w rzeczywistości.

Kodon                        Prawdopodobieństwo
GGG  Gly  Val  Ala  Glu  Asp  ......1/21
GAG  Gly  Val  Ala  Glu  Asp  ......1/21
GUG  Gly  Val  Ala  Glu  Asp   ......1/21
.........

Sumaryczne prawdopodobieństwo wyewoluowania takiego sposobu kodowania jest iloczynem prawdopodobieństw 64 zdarzeń: przypisania wszystkich aminokwasów lub znaku stop translacji konkretnym trójkom nukleotydów. Wynosi ono (1/21)64

Ad. 1. Gdy przyjmiemy, że taki kod pojawił się raz, u wspólnego przodka wszystkich obecnych organizmów żywych, to jego uniwersalność tłumaczymy po prostu odziedziczoną spuścizną.
Ad. 2. Gdybyśmy założyli, że kod ewoluował niezależnie, chociażby w dwóch grupach organizmów, np. roślin i zwierząt i tylko przez przypadek jest taki sam, to prawdopodobieństwo takiego zdarzenia wynosiłoby ((1/21)64)2, czyli już praktycznie zero (zob. rys.3).
Ad.3. Następna możliwość związana jest ze zjawiskiem konwergencji, czyli niezależnej ewolucji prowadzącej w tym samym kierunku (w naszym przypadku w kierunku tego samego kodu), spowodowanej podobną presją selekcyjną.
Sugerowałoby to jednak, że współczesny kod genetyczny ma jakąś przewagę selekcyjną nad innymi i dlatego, bez względu na to, jaki był początek, u wielu organizmów pojawił się on niezależnie, bo był najlepszy. Trudno sobie jednak wyobrazić dlaczego lepiej jest gdy glicyna kodowana jest przez trójkę GGG, a nie przez GAG. Wydaje się, że nie ma to znaczenia, a:

Kod ma charakter czysto symboliczny i nie ma jakiegoś istotnego związku między symbolem (np. GGG), a czymś, co on symbolizuje (np. glicyna).

Identyczność kodu wynika więc z pochodzenia wszystkich, obecnie żyjących organizmów, od wspólnego przodka, który już taki kod posiadał.



Rys.3. Możliwe drzewa ewolucyjne gatunków roślin i zwierząt, u których kod genetyczny jest identyczny ze względu na pochodzenie od wspólnego przodka (u góry) lub przypadek bądź konwergencję (u dołu).

Wyjaśnijmy dokładniej mechanizm tłumaczenia (translacji), zachodzącego w rybosomie. W wyniku transkrypcji większości genów powstaje mRNA, który następnie tłumaczony jest na białko. Istnieją jednak geny, które kodują inny rodzaj RNA, a mianowicie tRNA. Stanowią go krótkie cząsteczki o dł. 75-85 nukleotydów. Nie poddają się one translacji, lecz są istotnym elementem tego procesu. Posiadają w swoich sekwencjach specyficzny region zwany antykodonem.
Składa się on zawsze z trzech nukleotydów, komplementarnych do kodonu, symbolizującego aminokwas przyłączany specyficznie do danego tRNA. Można się spodziewać, że w komórkach będzie istnieć 64 - 3 (STOP) = 61 rodzajów cząsteczek tRNA. Jest ich jednak mniej (ok. 30).
Dzieje się tak dlatego, że jeden antykodon tRNA może parować z więcej niż jednym kodonem. Zapewniają to nietypowe oddziaływania G-U lub sporadyczne występowanie nietypowej zasady azotowej o specyficznych właściwościach - inozyny (I).
Zjawisko to nosi nazwę wobble base pairing (wahające się oddziaływanie zasad) i dotyczy trzeciej zasady w kodonie w kierunku 5’ → 3’ (zob. rys.4).


Rys.4. Przykład wobble base pairing. Zasada U w antykodonie lizylo-tRNA paruje klasycznie z zasadą A i nietypowo z zasadą G. Zasada I - inozyna w antykodonie leucylo-tRNA potrafi natomiast parować z A,U i C.

W kodzie genetycznym istnieje wyraźna korelacja między częstością używania aminokwasu w białkach, a ilością kodonów, które go symbolizują.
Leucyna jest aminokwasem, pojawiającym się najczęściej i ma do swojej dyspozycji aż 6 kodonów, tryptofan - aminokwas najrzadszy, kodowany jest tylko przez jedną trójkę - UGG.
Wielość kodonów dla niektórych aminokwasów implikuje poza tym bardzo ważne zjawisko. Mutacje, przeprowadzające kodony jednego aminokwasu nawzajem w siebie, nie będą ujawniały się w sekwencji białka. Nie będą one więc zazwyczaj szkodliwe.
Na przykład, aż 12 aminokwasów symbolizowanych jest przez 2 kodony (każdy). Każda dwójka ma na trzecim miejscu różne zasady, ale tego samego rodzaju, tzn. (G lub A) lub (C lub T). Mutacje typu tranzycji będą zatem przeprowadzać te kodony w siebie, a jako, że są to zmiany najczęstsze, zazwyczaj nie będziemy obserwować zmian w sekwencjach aminokwasowych.
Jest również 8 aminokwasów posiadających 4 kodony. Tu na trzecim miejscu występują wszystkie 4 rodzaje zasad, więc jakakolwiek mutacja typu substytucji, zachodząca tam, nic nie zmieni.

Jest to tak właściwie prawdą tylko w przybliżeniu. U organizmów żywych występuje zjawisko tzw. preferencji kodonów (codon bias), co znaczy, że w komórce przeważają tRNA parujące tylko z niektórymi kodonami danego aminokwasu np. CUC i CUG. Bardzo mało będzie natomiast takich dla CUU i CUA. Mutacja przykładowa G→A w trzeciej pozycji może poważnie zmniejszyć ilość białka, zawierającego dużo leucyny.

Bardzo niebezpieczne są natomiast mutacje na drugim miejscu kodonu. One zawsze doprowadzają do zamiany aminokwasu.

Zobaczmy teraz jakie odbicie w sekwencji aminokwasów mogą mieć delecje i insercje. Na mRNA istnieje tzw. otwarta ramka odczytu. Poznać ją po braku na bardzo długim odcinku kodonów typu STOP. Liczba tych kodonów (3) wskazuje na to, że częstość ich pojawiania się wśród trójek nukleotydowych, statystycznie rzecz biorąc, powinna wynosić 3/64 czyli ok. 1/21.
Przyjmując przypadkowy rozkład kodonów na mRNA, białka mogłyby mieć przeciętną długość wynoszącą tylko 21 aminokwasów. Mają ich jednak z reguły kilkaset.
Istnieje więc zawsze na mRNA jedna z 3 możliwych ramek odczytu, na której kodon STOP długo nie występuje i pojawia się dopiero przy końcu polimeru. Ta ramka właśnie koduje czynne białko, a nieprzypadkowa nieobecność kodonu stop na całej jej długości, jest wynikiem presji selekcyjnej na funkcjonalny, długi produkt.

Insercje i delecje to mutacje, które potrafią przesuwać ramkę odczytu, jeśli liczba wstawionych lub usuniętych nukleotydów nie jest podzielna przez 3. Powoduje to powstanie zupełnie innej sekwencji aminokwasów, począwszy od miejsca mutacji i szybkie zakończenie translacji, gdyż jak wiemy, po przejściu na którąś z dwóch pozostałych ramek odczytu, kodon stop pojawi się szybko, gdyż na nich nie było selekcji na jego usunięcie (zob. rys.5).


Rys.5. 1. Górna ramka odczytu jest otwarta i koduje polipeptyd. Widzimy, że przy czytaniu w dolnych ramkach odczytu mogą pojawić się kodony STOP.
2. Insercja nukleotydu A sprawia, że odczyt wpada na nieprawidłową ramkę i synteza polipeptydu przedwcześnie się kończy.

Do jednej nici mRNA może zostać przyłączonych wiele rybosomów (zob. rys.6).

polirybosom
Rys.6. Schemat polirybosomu - systemu odczytu jednej nici mRNA przez kilka rybosomów.

Im bliższy końcowi 3’ będzie rybosom, tym dłuższa będzie sekwencja aminokwasowa, którą już zsyntetyzował. Zatem, w komórce istnieje możliwość wzmacniania liczby produktów na każdym etapie syntezy. W wyniku transkrypcji, z jednej nici DNA może powstać wiele nici mRNA. W procesie translacji, każda taka nić może posłużyć do syntezy wielu cząsteczek białka.

U Procaryota mRNA są bardzo niestabilne i rozpadają się po kilkunastu minutach, a u Eucaryota cząsteczki te też rozpadają się, choć są trwalsze i istnieją w cytoplazmie średnio przez kilka godzin.
Ma to oczywiście ogromne znaczenie dla komórki, gdyż trwały mRNA powodowałby bezustanną syntezę białka, które przecież nie zawsze jest potrzebne. Byłoby to więc marnotrawstwo energii, na które komórka nie może sobie pozwolić.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

KLIKNIĘCIE REKLAMY WSPIERA ROZWÓJ EDUKACJI PRZYRODNICZEJ W POLSCE
Zielona wyspa   Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2014 by Maciej Panczykowski