ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ & ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ «Εφαρμογές της Βιολογίας στην Ιατρική» Θέμα: Γενετικός κώδικας, μετάφραση mRNA και ωρίμανση πρωτεϊνών Ονοματεπώνυμο: Ανταράκη Δέσποινα ΑΘΗΝΑ 2009

Τέλη δεκαετίας 1950: DNA RNA πρωτεΐνες Πρόβλημα κωδικοποίησης? Από το RNA στις πρωτεΐνες 4 διαφορετικά νουκλεοτίδια 20 αμινοξέα αποκλείεται η αντιστοιχία ένα προς ένα! Οι κανόνες με τους οποίους η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων ενός γονιδίου μεταφράζεται στην αλληλουχία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης αναφέρονται ως γενετικός κώδικας.

Γενετικός κώδικας Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων ενός μορίου mRNA διαβάζεται διαδοχικά ανά ομάδες των τριών νουκλεοτιδίων. Άρα υπάρχουν 4 x 4 x 4=64 δυνατοί συνδυασμοί από τα 4 νουκλεοτίδια. ΟΜΩΣ, υπάρχουν μόνο 20 αμινοξέα: άρα ο κώδικας είναι πλεονάζων. Κάθε ομάδα τριών διαδοχικών νουκλεοτιδίων του RNA αποκαλείται κωδικόνιο (codon) και κάθε κωδικόνιο καθορίζει ένα αμινοξύ. Ο κώδικας είναι οικουμενικός με λίγες διαφορές στα μιτοχόνδρια.

Μόρια tRΝΑ Τα μόρια προσαρμογής που αναγνωρίζουν και συνδέονται τόσο με το αμινοξύ όσο και με το κωδικόνιο είναι τα μεταφορικά RNA (tRNA). Το tRNA αναδιπλώνεται σε μορφή τριφυλιού και διαθέτει μια μονόκλωνη περιοχή στο 3’ άκρο όπου προσδένεται το αμινοξύ και μια περιοχή που σχηματίζει το αντικωδικόνιο. Υπόθεση ταλάντευσης ή αστάθειας Ορισμένα tRNA μπορεί να ανέχονται ένα λιγότερο ακριβές ζευγάρωμα στην τρίτη θέση. Αποτέλεσμα: 20 αμινοξέα ταιριάζουν στα 61 κωδικόνιά τους με μεσολάβηση μόνο 31 ειδών μορίων tRNA.

Η αναγνώριση και η σύνδεση του κάθε tRNA με το κατάλληλο αμινοξύ βασίζεται στη λειτουργία των συνθετασών των αμινοάκυλο-tRNA. H σύνδεση του αμινοξέος με το 3’άκρο του tRNA απελευθερώνει ενέργεια, η οποία χρησιμοποιείται αργότερα για την ομοιοπολική σύνδεση του αμινοξέος στην πολυπεπτιδική αλυσίδα.

Ριβοσώματα Η πρωτεϊνοσύνθεση γίνεται στα ριβοσώματα. Ένα ριβόσωμα αποτελείται από ριβοσωματικές πρωτεΐνες και rRNA. Ευκαρυωτικά και προκαρυωτικά ριβοσώματα αποτελούνται από μια μικρή και μια μεγάλη υπομονάδα. Η μικρή συνταιριάζει τα μόρια tRNA στα κωδικόνια του mRNA, ενώ η μεγάλη καταλύει το σχηματισμό πεπτιδικών δεσμών μεταξύ των αμινοξέων.

Κάθε ριβόσωμα περιέχει 4 θέσεις σύνδεσης: - μια για το mRNA - τρεις για τα tRNA (γνωστές ως θέσεις Α, Ρ, Ε)

Ο σχηματισμός του πεπτιδικού δεσμού καταλύεται από το ένζυμο πεπτιδυλοτρανσφεράση, που βρίσκεται στο ριβόσωμα.

Θέση έναρξης πρωτεϊνοσύνθεσης Για την έναρξη είναι απαραίτητο το εναρκτήριο tRNA που μεταφέρει το αμινοξύ μεθειονίνη (στα βακτήρια φορμυλομεθειονίνη). Αργότερα αφαιρείται αυτή η μεθειονίνη. Το εναρκτήριο tRNA προσδένεται στη μικρή ριβοσωματική υπομονάδα μαζί με τους παράγοντες έναρξης, που μετακινείται σε αναζήτηση του πρώτου AUG.

Στα βακτήρια Υπάρχουν ειδικές αλληλουχίες σύνδεσης των ριβοσωμάτων, μήκους έως και έξι νουκλεοτιδίων, που εντοπίζονται λίγα νουκλεοτίδια πριν τα AUG. Πολυσιστρονικά προκαρυωτικά mRNA: κωδικοποιούν αρκετές πρωτεΐνες

Τέλος πρωτεϊνοσύνθεσης Το τέλος σηματοδοτείται από τα κωδικόνια τερματισμού (UAA, UAG, UGA). Οι παράγοντες απελευθέρωσης συνδέονται με όποιο κωδικόνιο τερματισμού φτάσει στη θέση Α του ριβοσώματος. Η πεπτιδυλοτρανσφεράση καταλύει την προσθήκη ενός μορίου νερού αντί ενός αμινοξέος στο πεπτιδυλο-tRNA.

Πολυριβοσωμάτια Αρκετά ριβοσώματα διατάσσονται κατά μήκος του ίδιου μορίου mRNA με μεσοδιαστήματα τουλάχιστον 80 νουκλεοτιδίων. Στα βακτήρια η μετάφραση από ένα ριβόσωμα μπορεί να αρχίσει πριν ολοκληρωθεί η μεταγραφή του συγκεκριμένου mRNA.

Ο έλεγχος της πρωτεόλυσης ρυθμίζει την ποσότητα κάθε πρωτεΐνης Τα ένζυμα που αποδομούν τις πρωτεΐνες αναφέρονται ως πρωτεάσες. Οι περισσότερες πρωτεΐνες που αποδομούνται στο κυτταρόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων διασπώνται από τα πρωτεασωμάτια. Τα πρωτεασωμάτια δρουν κυρίως σε πρωτεΐνες που έχουν σημανθεί για αποδόμηση με την πρωτεΐνη ουβικουιτίνη.

Ωρίμανση πρωτεϊνών Κάθε είδος πρωτεΐνης έχει μια ειδική τρισδιάστατη δομή, η οποία καθορίζεται από τη σειρά των αμινοξέων στην αλυσίδα της. Η τελική πτυχωμένη μορφή είναι εκείνη στην οποία η ελεύθερη ενέργεια είναι ελαχιστοποιημένη. Ορισμένες πρωτεΐνες απαιτούν ειδικούς συνοδούς (chaperones) προκειμένου να διπλωθούν σωστά.

Ωρίμανση πρωτεϊνών Ο σχηματισμός δισουλφιδικού δεσμού μεταξύ καταλοίπων κυστεΐνης μπορεί να εμπλέκεται στο σχηματισμό της τρισδιάστατης μορφής του πολυπεπτιδίου. Η Ν-τελική μεθειονίνη συνήθως αποβάλλεται από πρωτεάσες. Τα Ν-τελικά άκρα των αμινοξέων μερικές φορές ακετυλιώνονται. Μεθυλικές ομάδες μπορεί να προστεθούν σε κατάλοιπα λυσίνης. Τα κατάλοιπα προλίνης και λυσίνης μπορεί να τροποποιηθούν με υδροξυλίωση, ιδιαίτερα στο κολλαγόνο. Οι καρβοξυλιώσεις είναι σημαντικές ιδιαίτερα για πρωτεΐνες που συμμετέχουν στην πήξη του αίματος. Λιπαρά οξέα μπορεί να προστίθενται παρέχοντας υδρόφοβες περιοχές με τις οποίες αγκυροβολούν οι πρωτεΐνες στις μεμβράνες. Η προσθήκη και αποβολή φωσφορικών ομάδων εξυπηρετούν τη μεταβολή της δραστικότητας πολλών πρωτεϊνών. Η γλυκοζυλίωση είναι μια συχνή τροποποίηση σε πρωτεΐνες που προορίζονται να εκκριθούν ή να ενσωματωθούν στις μεμβράνες.

Βιβλιογραφία Alberts, Bray, Johnson, Βασικές αρχές κυτταρικής βιολογίας, εκδόσεις Πασχαλίδης, 2004 Marks, Smith, Ιατρική Βιοχημεία-κλινική προσέγγιση, εκδόσεις Πασχαλίδης, 2004 Lewin B, GenesV. Part 2. Translation: expressing genes as proteins. Oxford University Press Gilman A, Rall T, Nies A, Taylor P. Goodman and Gilman’s the pharmacological basis of therapeutics. New York