Transkripce a translace

Exprese genetické informace

K expresi (přenosu) genetické informace dochází dle dogmatu molekulární biologie pouze jedním směrem – z informace uložené v DNA do proteinu. Dle této teorie není možné z RNA ani z proteinů přepisovat informaci zpět do DNA.

Výjimku tvoří viry, které mají enzym reverzní transkriptáza – jsou schopny přepsat informaci ze své RNA do DNA hostitelské buňky.

Z proteinů informaci do DNA zpětně přepsat nelze, protože jedna aminokyselina může být kódována několika různými kombinacemi nukleotidů – podrobněji viz genetický kód.

Schéma exprese genetické informace: 

Dochází k transkripci (přepisu) DNA na RNA a dále k translaci RNA do proteinů. Ke zpětnému přepisu (reverzní transkripci) RNA do DNA dochází pouze za účasti enzymu reverzní transkriptáza. U DNA i RNA může docházet k replikaci.

 

Proteosyntéza

Proteosyntéza je proces tvorby proteinu – nejdříve dochází k transkripci (přepsání) určitého úseku DNA do mRNA a následně proběhne translace a dojde k vytvoření konkrétního proteinu.

 

Transkripce

  • přepis z DNA do mRNA na základě komplementarity bazí
  • dochází k přenosu informací z jádra do cytoplazmy, kde může dojít k translaci
  • účast enzymu RNA-polymerázy (katalyzuje tvorbu RNA)

 

DŮLEŽITÉ: Transkripce jednotlivých nukleotidů z DNA do RNA

A = adenin, U = uracil, T = thymin, C = cytosin, G = guanin

 

Uracil se nachází POUZE v RNA, thymin se nachází POUZE v DNA!  Adenin se páruje s uracilem v RNA a s thyminem v DNA.

 

Příklad: Pokud máme v DNA sérii nukleotidů AACGTAGC, jak bude vypadat vzniklá mRNA? 


Odpověď: Vzniklá mRNA je UUGCAUCG

 

 

Fáze transkripce:

  1. Iniciace – otevření DNA šroubovice
  2. Elongace – syntéza RNA řetězce (ve směru 5´-> 3´) za účasti RNA-polymerázy
  3. Terminace – konec přepisu, uvolnění vzniklé mRNA

 

  • k přepisu do RNA slouží vždy jen jedno vlákno DNA (vlákno pracovní = matricové, negativní), které je ve směru 3´->5´
  • druhé vlákno DNA má význam jako tzv. vlákno paměťové = kódující, pozitivní) a je ve směru 5´ -> 3´

Nově vznikající vlákno RNA se tvoří podle vzoru na pracovním (matricovém) vlákně DNA, RNA vzniká antiparalelně ve směru 5´->3´. Vzniklá mRNA má stejnou sekvenci nukleotidů jako paměťové (kódující) vlákno DNA – jen místo thyminu je v RNA uracil.

 

Posttranskripční úpravy

K těmto úpravám mRNA dochází pouze u eukaryot a to ihned po trankripci. Pro eukaryota je typické, že jedna molekula mRNA kóduje jeden protein.

  • primární transkript nazýváme pre-mRNA (vlákno mRNA vzniklé přepisem z DNA)
  • sestřih = splicing – dochází k sestavení funkční mRNA,  vznikají:
    • introny – nefunkční úseky pre-mRNA, zůstávají v jádře a nepodílejí se na vzniku funkční mRNA
    • exony – kódující sekvence, které tvoří funkční mRNA

Introny jsou vystřiženy a zůstávají v jádře, exony se spojí a tvoří funkční mRNA, která je dále v cytoplazmě translatována do proteinů.

 

Operon

  • struktura, kterou nalézáme pouze u prokaryot
  • jedná se o úsek molekuly DNA, který kóduje více různých proteinů – dochází ke společné transkripci těchto genů – jedna vzniklá molekula mRNA kóduje několik různých proteinů
  • neexistují zde introny a exony!

 

Důležitá poznámka:

Molekuly rRNA a tRNA také vznikají transkripcí, ale nepodléhají translaci.

 

 

Translace

  • překlad genetické informace z mRNA do proteinu
  • probíhá v cytoplazmě na ribozomech (ribozomy mohou být volně v cytoplazmě nebo vázané na drsné endoplazmatické retikulum)
  • účast všech 3 typů RNA (mRNA, tRNA, rRNA)

Průběh translace

  • navázání mRNA na ribozom a následné spojení malé a velké podjednotky ribozomu
  1. iniciace – zahájení translace, od start kodonu AUG
  2. elongace – tvorba peptidické vazby mezi jednotlivými AK, růst polypeptidického řetězce
  3. terminace – stop kodony UGA, UAA, UAG – uvolnění vzniklého proteinu

 

tRNA

Molekula tRNA slouží k přenosu aminokyseliny, která je volně v cytoplazmě, na správné místo – tedy do polypeptidového řetězce, kde je nutné aminokyseliny zařadit ve správném pořadí.

Každá aminokyselina (AK) má svou specifickou tRNA. Tato tRNA má antikodon (trojice nukleotidů), který se páruje s kodonem na mRNA a přiřazuje tak jednotlivé AK do proteinu ve správném pořadí. Enzym aminoacyltRNA syntáza odpovídá za přiřazení aminokyseliny ke své molekule tRNA.

 

Příklad: Kodon na mRNA je AUC, s jakým antikodonem tRNA se bude párovat? 


Odpověď: antikodon tRNA je UAG

 

 

Vazebná místa na ribozomu

  • A-místo (aminoacylové)
    • sem vstupuje tRNA nesoucí AK a váže se na mRNA
    • dochází k párování kodonu (mRNA) a antikodonu (tRNA) – na základě komplementarity bází
  • P-místo (peptidylové)
    • dochází k posunu tRNA nesoucí polypeptid prodloužený o 1 AK do tohoto místa
  • E-místo
    • tRNA bez AK zde opouští ribozom

 

  • polyribosom = na jednu molekulu mRNA obvykle nasedá několik ribosomů zároveň – dochází k produkci několika kopií stejného proteinu (rychlejší průběh)

 

Genetický kód

  • soubor pravidel pro přepis z mRNA do proteinů
  • skupina 3 nukleotidů (tripletů) na mRNA = kodon
  • je univerzální – platí pro všechny eukaryontní geny
  • je nepřekrývaný – triplety na mRNA jsou překládány jeden za druhým
  • je degenerovaný – některé aminokyseliny jsou kódovány více než jedním tripletem

U eukaryot existuje 20 proteinogenních aminokyselin, ale zároveň 64 možných kombinací tripletů (43) -> je tedy více kodonů než aminokyselin. Z toho vyplývá, že každá aminokyselina může být kódována více různými kodony. Toto shrnuje následující tabulka (vlevo kodon a vpravo zkratka kódované aminokyseliny):

Tabulku není nutné znát nazpaměť, je zde pouze pro představu, jak funguje genetický kód.

Příklad: V mRNA se vyskytuje kodon UUA. Jaká aminokyselina bude zařazena do řetězce? Jaké jsou další kodony, které kódují tuto aminokyselinu? 


Odpověď: Kodon UUA kóduje aminokyselinu leucin (antikodon na tRNA je AAU – dojde k napojení na základě komplementarity bází). Leucin může být nakódován také kodony UUG, CUU, CUC, CUA, CUG.

 

Rozlišujeme také speciální kodony:

  • Start kodon – AUG – vždy na začátku každého nově tvořeného peptidického řetězce, kóduje AK methionin (tato AK je tedy vždy jako první v primární struktuře proteinů, pokud není odstraněna posttranslačními úpravami)
  • Stop kodon – ukončuje translaci – UAA, UAG, UGA

 

Související příklady, které se vyskytují v přijímacích zkouškách: 

Kolik aminokyselin může být kódováno?

  1. normální DNA:

4 báze, kodon tvoří trojice (triplety)

43 = 64 možných kombinací

 

2. teoreticky:

3 báze, kodon tvoří dvojice

32 = 9 možných kombinací

 

Počet bází, které máme k dispozici, umocníme na počet bází v jednom kodonu – v příkladech je to znázorněno barevně.

Důležité je pochopit, jak jsme došli k počtu možných kombinací a tím pádem k možnému počtu existujících aminokyselin – potom budeme schopní vypočítat i hypotetické příklady, kde se bude lišit počet bází a jejich řazení oproti normální DNA.

 

 

Poznámka: Semiautonomní organely

Mitochondrie a chloroplasty mají vlastní proteosyntetický aparát a nukleové kyseliny – jsou schopné tvorby některých proteinů a replikace nezávisle na jádře.

 

Video shrnující proteosyntézu: