JUSTICE PRESENTATION

START

Szlaki biosyntez i degradacji białek.

SZLAKI DEGRADACJI BIAŁEK

Proteoliza wakuolarnaPrzyjmuje się obecnie, że wszystkie endoproteinazy, z wyjątkiem proteasomu zlokalizowane są w wakuoli. Jak to się dzieje, że enzym i substrat są w tym samym przedziale, a do degradacji białka dochodzi w ściśle określonym czasie? Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik badawczych okazało się, że wakuole są bardzo dynamicznymi organellami, a cytologiczna definicja wakuoli odpowiada różnym funkcjom zarówno biochemicznym, jak i fizjologicznym . W większości komórek tkanek wegetatywnych roślin wakuola zajmuje centralną pozycję, a w tonoplaście tych wakuol występują akwaporyny typu γ-TIP.

Degradacja białek może być wspomagana przez licznie występujące w komórce autofagiczne wakuole, które są aktywne niezależnie od dużej centralnej wakuoli . Po zakończeniu trawienia białek, te małe wakuole są włączane do centralnej wakuoli. Białka przeznaczone do degradacji są dostarczane do wakuol przez szlak sekrecyjny, na który składa się zarówno transport autofagiczny, jak i transport endocytarny. Natomiast podczas mobilizacji rezerw nasiennych zawartych w wakuolach, w których zdeponowane były białka zapasowe dochodzi do zmiany funkcji tych organelli: z typowo zapasowych wakuol stają się one lityczną organellą o niskim pH. To przejście z przedziału zapasowego do organelli litycznej jest regulowane hormonalnie.

Dotychczasowe badania wskazują, że wakuolarny szlak degradacji białek nie wymaga nakładów energii w postaci ATP, stąd często jest nazywany ATP-niezależną proteolizą. Jednakże nie wyklucza się, że energia jest niezbędna do transportu, przynajmniej niektórych białek, do wakuol . Przyjmuje się, że na tej drodze są degradowane białka zapasowe i o długim okresie półtrwania.

Proteoliza zależna od ATP Degradacja białek przez proteasom wymaga nakładów energii . Było to dość niespodziewane odkrycie, jako że hydroliza wiązań peptydowych jest reakcją egzoergiczną i funkcjonowanie wszystkich znanych dotychczas proteinaz było niezależne od nakładów energii. Najważniejszym odkryciem przybliżającym znajomość mechanizmu degradacji białek w cytoplazmie i w jądrze było opisanie głównego szlaku degradacji białek w komórkach eukariotycznych, w którym bierze udział konserwatywny, 76 aminokwasowy polipeptyd, ubikwityna . Ubikwityna to białko o zbitej, globularnej strukturze stabilizowanej przez wiązania wodorowe, która zapewnia jej niewrażliwość na działanie kwasów i zasad oraz denaturację cieplną. Ubikwityna pełni rolę markera, selektywnie znaczącego białka przeznaczone do degradacji. Związanie ubikwityny z białkiem przeznaczonym do degradacji jest procesem wieloetapowym, w którym biorą udział cztery układy enzymatyczne. Etapem wstępnym w procesie ligacji ubikwityny z białkiem jest jej aktywacja przez enzym E1. Jest to reakcja wymagająca ATP. Enzym E2 przejmuje zaktywowaną ubikwitynę i przenosi ją albo bezpośrednio na grupę aminową substratów białkowych, albo za pośrednictwem ligazy ubikwitynowo-białkowej ). Substrat białkowy może być mono- lub multiubikwitynowany. Znanych jest wiele białek modyfikowanych tylko jedną cząsteczką ubikwityny np. histony, białka regulatorowe błon, kalmodulina. Białka multiubikwitynowane mogą zawierać kilka pojedynczo podstawionych cząsteczek ubikwityny lub rozgałęziony i nierozgałęziony łańcuch poliubikwityny. Ubikwitynowane białka mogą wejść w jeden z kilku szlaków metabolicznych, ale nadal nie jest jasne co decyduje o losie koniugatów białkowych. Monoubikwitynowane białka z przyłączoną ubikwityną poprzez lizynę 63 są kierowane do wakuoli, gdzie są degradowane przez endoproteinazy wakuolarne . Wiązanie różnych reszt lizyny (11, 29, 48 i 63) w ubikwitynie warunkuje zróżnicowane przeznaczenie ubikwitynowanych białek. począwszy od transportu białek błonowych do regulacji transkrypcji . Szlak degradacji białek, zależny od ATP i ubikwityny, wydaje się odgrywać istotną rolę w metabolicznym obrocie roślinnych białek wewnątrzkomórkowych. Ubikwitynacja białek jest procesem dynamicznym i odwracalnym, ponieważ w komórce znajduje się wiele enzymów deubikwitynujących białko . Deubikwitynazy są proteinazami cysteinowymi, specyficznie odcinającymi ubikwitynę od koniugatów ubikwityna — białko.

• Mogą one brać udział praktycznie na każdym poziomie szlaku degradacji białek, zależnego od ATP i ubikwityny. W zależności od miejsca działania enzymy te mogą albo wspomagać degradację, albo stabilizować substrat białkowy. Jednakże ubikwityno- i ATP-zależny szlak degradacji białek nie jest jedynym szlakiem katabolicznym zależnym od energii. Degradacja białek w innych kompartmentach komórkowych może być niezależna od ubikwityny, chociaż ciągle zależna od ATP. Chloroplasty zawierają do 50% wszystkich białek występujących w komórce i do niedawna przypuszczano, że są one degradowane przez proteinazy wakuolarne . Obecnie wiadomo, że w stromie chloroplastów występuje ATP-zależna proteinaza typu serynowego oraz ATP-zależna metaloproteinaza EP1 . W tylakoidach występuje natomiast proteinaza typu serynowo-cysteinowego zależna od ATP oraz proteinaza serynowa, również zależna od ATP, o dużym powinowactwie do bakteryjnej ATP-zależnej metaloproteinazy FtsH . Podobnie w mitochondriach roślinnych znaleziono endoproteinazę zależną od ATP o dużej homologii do bakteryjnej proteinazy typu Lon . Coraz to więcej danych doświadczalnych potwierdza wcześniejszą hipotezę, że na drodze proteolizy zależnej od ATP degradowane są białka zarówno o krótkim, jak i długim okresie półtrwania, ale pełniące kluczową rolę w takich ważnych procesach jak cykl komórkowy, kontrola transkrypcji, przewodzenie sygnałów i regulacja metabolizmu . Sprawowanie kontroli przez ten szlak degradacji nad jakością białek sprawia, że szlak ten odgrywa kluczową rolę w ochronie komórki zarówno roślinnej, jak i zwierzęcej przed negatywnymi konsekwencjami stresów środowiskowych zarówno abiotycznych, jak i biotycznych.

Biosynteza białek

Białka powstają w wyniku biosyntezy. W procesie tym dochodzi do ekspresji informacji genetycznej. DNA, a ściślej mówiąc sekwencja zasad, determinuje budowę białka, czyli kolejność występowania w nim aminokwasów. Kwas dezoksyrybonukleinowy DNA nie bierze jednak bezpośredniego udziału w tym procesie. Informacja z DNA jest przepisywana na mRNA. Dzięki pośredniemu uczestnictwu w biosyntezie białka, DNA zabezpieczany jest m.in. przed uszkodzeniami, poza tym jednoniciowy charakter RNA ułatwia przeprowadzanie całego cyklu przemian. Dzięki pośredniemu uczestnictwu w biosyntezie białka, DNA zabezpieczany jest m.in. przed uszkodzeniami, poza tym jednoniciowy charakter RNA ułatwia przeprowadzanie całego cyklu przemian.Biosyntezę białek możemy podzielić na dwa etapy: - etap 1 - transkrypcja, - etap 2 - translacja.

Transkrypcja

1. Matryca jest odczytywana w kierunku 3' → 5', a nowa cząsteczka RNA powstaje w kierunku 5' → 3'. 2. Transkrypcję można podzielić na trzy etapy: a) inicjację b) elongację c) terminację 3. Transkrypcji podlega odcinek DNA od promotora do terminatora. Nazywamy go jednostką transkrypcji. - polega na przepisywaniu informacji genetycznej z DNA na mRNA i odbywa się w obrębie jądra komórkowego. - aby proces transkrypcji mógł się rozpocząć musi przyłączyć się enzym polimeraza RNA do odpowiedniego miejsca na DNA zwanego promotorem ( zawiera 3 zasady, tzw. kodon startowy AUG). - na jednej z dwóch nici DNA (matrycowej, druga nić nosi nazwę kodującej) rozpoczyna się synteza RNA. - polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż nici powodując ich rozsuwanie. Następnie z 1 nici DNA zostaje przepisana informacja na zasadzie komplementarności na matrycę (nukleotydy uracylu w mRNA zajmują miejsce tyminy z DNA). - sygnałem do terminacji transkrypcji jest specyficzna sekwencja zasad. W czasie terminacji, polimeraza RNA zatrzymuje się, a od matrycy oddziela się nowy produkt, czyli pierwotny transkrypt. Oddzieleniu ulega także polimeraza RNA, która może następnie przeprowadzać kolejną transkrypcję.

Transkrypcja u Ecaryota vs. Procaryota

U "Eucaryota" transkrypcja przebiega podobnie, jak u "Procaryota". Jedną z najważniejszych różnic jest to, iż w komórce eukariotycznej występują trzy klasy polimeraz RNA, a nie jedna jak w komórce prokariotycznej. U "Eucaryota" polimerazy odpowiadają za transkrypcję innego zestawu genów, a sposób ich funkcjonowania jest nieco odmienny. Enzymy, które katalizują transkrypcję to: - Polimeraza RNA I - odpowiada m.in. za syntezę rybosomalnego RNA, czyli rRNA; - Polimeraza RNA II - transkrybuje geny kodujące białka; - Polimeraza RNA III - odpowiada za transkrypcję krótkich genów kodujących małe cząsteczki RNA, jak np. transportujący, inaczej transferowy RNA, czyli tRNA. Powstający pierwotny transkrypt, nazwany tu heterogennym jądrowym RNA, czyli hnRNA zawiera zarówno sekwencje kodujące, czyli egzony, jak i sekwencje niekodujące - introny. Musi on zatem przejść tzw. obróbkę poshranskrypcyjną, czyli m.in. splicing polegający na wycinaniu intronów. mRNA przechodzi także inne modyfikacje, które przygotowują go do translacji.

Translacja – etapy

-Translacja składa się z czterech faz: 1. aktywacji 2. inicjacji 3. elongacji 4. terminacji W aktywacji właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego, Inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA. Elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A Terminacja - łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, kodony stop (UAA, UAG lub UGA). - Aby rozpoczął się proces translacji musi zostać uaktywniony tRNA z aminokwasem, za pomocą ATP. - Po uaktywnieniu tRNA przyłączą się do miejsca A, jednak wcześniej musi odszukać odpowiednią trójkę zasad na matrycy komplementarną do antykodonu:

+ info

- Aminokwasy zostają połączone z tRNA za pomocą wiązań kowalencyjnych. - Reakcję wiązania aminokwasów katalizują odpowiednie enzymy nazywane syntetazami aminoacylo-tRNA, niezbędna energia pochodzi z hydrolizy ATP. - tRNA wraz z aminokwasem musi następnie rozpoznać kodon mRNA, który koduje właśnie ten aminokwas. Jest to możliwe dzięki pętli antykodonowej tRNA, zawierającej trzy kolejne nukleotydy stanowiące tzw. antykodon. - Wiązanie antykodonu z kodonem odbywa się zgodnie z regułą komplementarności zasad. Wszystkie te mechanizmy zapewniają włączenie aminokwasu do łańcucha polipeptydowego zgodnie z informacją przekazana przez sekwencję mRNA

Szybkość syntezy białek

Intensywność biosyntezy białek charakteryzuje średnia szybkość syntezy łańcuchów polipeptydowych, wynosząca reszt aminokwasowych w ciągu jednej sekundy: - 16-17 w komórkach bakterii, - 7-8 w komórkach drożdży, - 5-7 w komórkach ssaków. Synteza cząsteczki globiny w rekkulocytach królika trwa 20 sekund, podczas gdy cząsteczki owoalbuminy jajowodu kury i białek wątroby szczura 80 sekund. W ciągu 1 minuty w rekkulocycie królika syntetyzowanych jest 5⋅104 czą- steczek globiny, w komórce jajowodu kury – 6 ⋅105 cząsteczek owoalbuminy, podczas gdy komórki gruczołowe jedwabnika są w stanie wyprodukować w tym samym czasie 38⋅1011 cząsteczek fibroiny.

Inhibitory syntezy białek

Dziękujemy!

Julia Łukaszek& Weronika Cwajna