Translace a genetický kód Osnova přednášky • struktura proteinů • syntéza proteinů: translace • genetický kód • interakce kodon-tRNA • potvrzení povahy genetického kódu in vivo Struktura proteinů • proteiny jsou složité makromolekuly složené z 20 různých aminokyselin • tvoří 15% nativní hmotnosti buněk • s výjimkou vody představují převládající složku živých organizmů • podílejí se na výstavbě jejich těl jako strukturní prvky i na jejich funkci Aminokyseliny • proteiny se skládají z polypeptidů • každý polypeptid je kódován genem a skládá se z aminokyselin uspořádaných do dlouhých řetězců, ve kterých jsou aminokyseliny spojeny kovalentními vazbami • aminokyseliny mají volnou aminoskupinu a volnou karboxylovou skupinu • aminokyseliny se vzájemně odlišují postranními skupinami (R) Postranní skupiny aminokyselin • zdroj jejich strukturní (a funkční) diverzity 4 typy: • hydrofóbní (nepolární) • hydrofilní (polární) • kyselé (negativně nabité) • bazické (pozitivně nabité) Peptid • látka složená ze dvou nebo více aminokyselin • polypeptid je složen z mnoha aminokyselin (od 51 AK u inzulinu do více než 1000 AK u fibroinu hedvábí) • počet různých kombinací 20 AK v proteinech je obrovský (u peptidu dlouhého pouhých 7 AK je to 20^7 - 1,28 miliard) • aminokyseliny jsou v peptidech spojeny peptidovými vazbami • peptidová vazba vzniká reakcí mezi aminoskupinou jedné AK a karboxylovou skupinou druhé AK při současném uvolnění molekuly vody Uspořádání proteinů v prostoru 4 úrovně organizace struktury proteinů: • primární struktura: určena sekvencí aminokyselin (kódována genem) • sekundární struktura: určena prostorovými vztahy aminokyselin v částech polypeptidu • terciární struktura: celkové složení polypeptidu v trojrozměrném prostoru • kvartérní struktura: vyplývá ze spojení dvou nebo více polypeptidů v proteinu s více podjednotkami Uspořádání proteinů v prostoru Nejběžnější typy sekundární struktury proteinů • alfa-šroubovice • beta-struktura • obě jsou stabilizovány vodíkovými vazbami mezi blízkými peptidovými vazbami • alfa-šroubovice: AK se skládají do tvaru válce, ve kterém se vodíkové vazby tvoří mezi peptidovými vazbami vzdálenými 3-4 AK Nejběžnější typy sekundární struktury proteinů beta-struktura • úseky o 5 - 10 AK téhož řetězce nebo více řetězců jsou položeny vedle sebe a spojeny vodíkovými vazbami mezi skupinami CO- a NH- peptidových vazeb • skládaný list, kdy zbytky R vyčnívají kolmo k rovině listu Terciární struktura proteinů • celkové složení polypeptidu (konformace) • hydrofilní AK: obvykle na povrchu proteinů • hydrofobní AK: interagují vzájemně ve vnitřních oblastech proteinu • terciární strukturu stabilizují hlavně nekovalentní vazby: - iontové - vodíkové - hydrofobní interakce - Van der Waalsovy síly • jediný typ kovalentní vazby: – disulfidové můstky Nekovalentní vazby • iontové vazby: mezi postranními řetězci AK s opačným nábojem • vodíkové vazby: mezi elektronegativními atomy (které mají částečný negativní náboj) a atomy vodíku (jsou elektropozitivní, protože jsou vázány k jiným elektronegativním atomům) • hydrofobní interakce: spojení mezi nepolárními skupinami, když jsou vystaveny vodnému prostředí • Van der Waalsovy interakce: nastávají mezi atomy, které jsou v těsné vzájemné blízkosti (slabé, 1/1000 síly vazby kovalentní), důležité pro udržování konformací makromolekul Kvartérní struktura proteinů • týká se jen proteinů složených z více než jednoho polypeptidu (např. hemoglobin) Take home message • většina genů realizuje svou funkci (vliv na fenotyp organizmu) prostřednictvím proteinů • proteiny jsou makromolekuly složené z polypeptidů • každý polypeptid je polymer složený z různých aminokyselin • aminokyselinová sekvence každého polypeptidu je určena nukleotidovou sekvencí genu • funkční diverzita proteinů je z velké míry důsledkem je složitých trojrozměrných struktur, které proteiny zaujímají Principy translace • genetická informace se z mRNA překládá do sekvence aminokyselin v polypeptidu pomocí genetického kódu • do procesu translace je zapojeno: - více než 50 proteinů - mRNA - 3 až 5 typů rRNA v ribozomu - alespoň 20 enzymů pro aktivaci aminokyselin (aminoacyl-tRNA syntetázy) - 40 až 60 různých tRNA - řada rozpustných proteinů zapojených do iniciace, elongace a terminace translace • translační systém představuje dominantní část metabolického aparátu každé buňky Celkový přehled proteosyntézy Genetický kód Ribozomy Ribozomy Ribozomy prokaryot a eukaryot Sestavování ribozomů Geny pro rRNA tRNA Vazba mezi aminokyselinou a tRNA Geny pro tRNA Struktura tRNA Specifita tRNA Vazba tRNA k ribozomům Vazba tRNA k ribozomům Průběh translace 3 fáze: iniciace, elongace, terminace Iniciace translace u prokaryot Iniciace translace Shine-Dalgarnova sekvence Iniciace translace u eukaryot Iniciace translace u eukaryot Elongace translace Terminace translace • nastává v okamžiku, kdy do místa A vstoupí terminační kodon (stop kodon): UAA, UAG nebo UGA • zároveň se do místa A váže uvolňovací faktor • ke karboxylovému konci vzniklého polypeptidu se naváže molekula vody, což vede k terminaci translace Genetický kód • nepřekrývající se kód, který určuje typ aminokyseliny, iniciaci a terminaci translace Vlastnosti genetického kódu • složen z tripletů nukleotidů • triplety se nepřekrývají • neobsahuje interpunkční znaménka • je degenerovaný • obsahuje kodony pro začátek a konec translace • je téměř univerzální Genetický kód je tripletový Inserce/delece 3 párů bází čtecí rámec nemění Supresorové mutace obnovují původní čtecí rámec Supresorové mutace • některé mutace v genech pro tRNA mění strukturu antikodonů a proto vedou k chybné interpretaci kodonů v mRNA • tyto mutace byly původně nalezeny jako supresorové mutace, které potlačovaly účinek jiných mutací • příklad: mutace tRNA, které suprimují mutace amber (mutace způsobující terminaci řetězce UAG) v kódující sekvenci genu Mutace amber (UAG) Translace mutace amber za nepřítomnosti supresorové tRNA Translace mutace amber za přítomnosti supresorové tRNA • Iniciační a terminační kodony: – iniciační: AUG – terminační: UAA, UAG, UGA • téměř univerzální (výjimky: mitochondrie a někteří prvoci) Take home message • každá z 20 aminokyselin v proteinech je určena jedním nebo několika nukleotidovými triplety v mRNA • z 64 možných tripletů vytvořených ze 4 bází v mRNA, 61 určuje aminokyseliny a 3 signalizují terminaci řetězce • kód je nepřekrývající (každý nukleotid patří k jedinému kodonu), degenerovaný (většina AK je určena 2-4 kodony) • kód je téměř univerzální; s minimálními výjimkami má 64 tripletů stejný význam u všech organizmů