Transcript innen
Kvvn9756/1 A modern kémia problémái Szintetikus Kémiai Biológia Riboszómális peptidszintézis 2011. november 9. Centrális Dogma • • A Centrális Dogma a genetikai információ áramlását írja le A sejtmagban a DNS-ből egyszálú komplementer RNS képződik (transzkripció) • Az RNS a citoplazmába vándorol, ahol arról a riboszóma fehérjét készít (transzláció) • A fehérje ezután módosulhat (poszttranszlációs módosulás) • A DNS információt tárol • Az RNS és fehérjék az információt továbbítják, az információátadást katalizálják Replikáció DNS polimeráz Transzkripció RNS polimeráz Transzláció tRNS, riboszóma DNS és RNS képző nukleotidok DNS nukleotid mutációk deamináció deamináció deamináció deamináció HF*: Miért előnyösebb a természet számára uracil helyett timint használni a DNS-ben? DNS és RNS képző nukleotidok (hipoxantin+ ribóz) Watson-Crick bázispárok guanin citozin adenin timin Watson-Crick bázispárok guanin citozin adenin timin Nem Watson-Crick bázispárok inozin inozin citozin uracil inozin guanin adenin uracil Genetikai kód 1. 2. 3. 4. Három nukleotid kódol egy aminosavat A kód nem átfedő A kódban nincsenek „írásjelek” A genetikai kód degenerált (szinonímák) Wobble hipotézis • az mRNS első két bázisa erős WC párt alkot a tRNS megfelelő antikodonjával • ha az antikodon első bázisa (ami a kodon harmadik bázisával párosodik) A vagy C, akkor a bázispárosodás specifikus, és csak egy kodont ismer fel a tRNS • ha az antikodon első bázisa G vagy U, akkor kétféle kodont ismer fel a tRNS (G::C/U; U::A/G) • ha az antikodon első bázisa I (inozin), akkor háromféle kodont ismer fel a tRNS (I::A/U/C) • 32 tRNS szükséges a 61 kodon leolvasásához (31 az aminosavakhoz és egy az iniciációhoz) • A ribszóma ellenőrzi az mRNS kodon hármasának első két bázisának illeszkedését Következmény: Megfelelő specificitsás és sebesség a transzláció során. Transzfer RNS (tRNS) • • egyszálú RNS, 73-93 bázis számos módosított bázis (7-15) – inozin – metilált származékok – Pszeudouridin (y) – ribotimidin (T) stb. • • • 5’ első bázis: guanin (pG) 3’ utolsó bázisok: CCA 3’ végén az adenin 3’ OH csoportja hordozza az aminosavat 5’ D kar – aminoacil tRNS • • 3’ aminosav kar TyC kar extra kar antikodon kar jellegzetes két- és háromdimenziós szerkezet A bázisok közel fele van párosítva anti kodon Orvosi Nobel díj 1974 Kémiai Nobel díj 2009 Riboszóma • • • • • Ribonukleoprotein két alegység: 30S (kis) és 50S (nagy) (2500 kDa) ribozim: katalitkus tulajdonságú RNS 65% rRNS és 35% fehérje Oldatban spontán felveszi a szerkezetét Albert Claude Christian de Duve George E. Palade durvafelszínű endoplazmatikus retikulum Memo: Az alegységek méretét Svedberg egységben adják meg (S), ami a centrifugálás során tapasztalható szedimentációs tulajdonságára utal. Nem additív. Venkatraman Ramakrishnan Thomas A. Steitz Ada E. Jonath 1. lépés: Aminosav aktiválás Adeniláció ATP aminosav aminoacil tRNS szintetáz 20 aminosav 5’-aminoacil adenilát (aminoacil AMP) 1. lépés: Aminosav aktiválás Aminoaciláció • • Szükséges, hogy a helyes aminosav kötődjön az adott tRNS-hez minden aminosavhoz külön tRNS szintetáz 5’-aminoacil adenilát (aminoacil AMP) aminoacil tRNS szintetáz tRNS 1. lépés: Aminosav aktiválás Aminoaciláció • • A riboszóma már nem ellenőrzi az aminosav helyességét a tRNS szintetáznak kell megkülönböztetnie az aminosavakat és a tRNS-eket! a tRNS 3’ vége aminoacil csoport 5’ vég aminoacil tRNS szintetáz aminoacilált tRNS http://vcell.ndsu.edu/animations/translation/index.htm 5’ UTR 3’ UTR eukarióta mRNS metilált 5’ vég az mRNS stabilitásához szükséges 3’ UTR: poliadenin az 5’ UTR régióhoz kötődik a riboszóma kis alegysége az mRNS „olvasható” része: kodonok a riboszóma továbbhalad az mRNS-en egészen az első kodonig (AUG) 2. lépés: Iniciáció • A riboszóma 30S alegysége iniciációs faktorokhoz, majd az mRNS-hez kötődik • Az IF faktorok meggátolják, hogy az 50S alegységgel komplexet alkosson • Az 5’ UTR régió speciális szekvenciája irányítja a riboszómát az AUG szekvenciához • GTP adja az energiaforrást • A fehérjeszintézis mindig a fehérje Nterminálisával kezdődik, és a karboxiterminálison növekszik a peptidlánc • Az első aminosav egy metionin vagy formilmetionin (baktériumoknál, mitokondiumban stb.), amit külön Met-tRNS hordoz 30S alegység aminoacil tRNS AUG metionin anti kodon miután bekötött az első tRNS, a riboszóma nagy alegysége is rákapcsolódik az mRNS-re kodon és antikodon egymással komplementerek a riboszómának két fontos aktív helye van: Peptidil (bal) és az Aminoacil (jobb) az első tRNS a P a második az A helyet foglalja el az A tRNS-sének aminosavja (NH2 csoport) SN reakcióval átveszi a P tRNS aminosavját 3. lépés: Elongáció 23S rRNS a) b) c) következő tRNS kötődése (GTP) peptid kötés kialakítása (ribozim katalizálta reakció) transzlokáció (GTP) 3. lépés: Elongáció az első tRNS a P a második az A helyet foglalja el a riboszóma tovább halad, az eddigi A helyen levő tRNS most a P helyre kerül az A tRNS-sének aminosavja (NH2 csoport) SN reakcióval átveszi a P tRNS aminosavját új tRNS érkezik, új peptid kötés alakul ki a P helyről távozik a tRNS mindig a kodonnak megfelelő tRNS érkezik, és a megfelelő aminosavval bővül a peptidlánc a peptidlánc növekszik a riboszóma addig halad tovább, amíg egy stop kodonhoz nem ér a riboszóma nem képes továbblépni a peptid leválik az utolsó tRNS-ről, és elhagyja a riboszómát ekkor nem egy tRNS, hanem egy leoldó (releasing) faktor köt az A helyre a riboszóma alegységeire esik szét 4. lépés: Termináció • • • UAA, UAG vagy UGA kodonoknál megáll a fehérjeszintézis RF1 az UAA vagy az UAG, RF2 az UAA vagy UGA kodonok helyére köt RF tRNS-re hasonlító fehérje HF: Milyen aminosav szekvenciát kódol az alábbi mRNS szakasz? Mi lenne a következménye az A G mutációnak a nyíllal jelölt helyen? mRNS 5’ AACUGCACGAGGUAACACAAGAUGGCU 3’ A Kvvn9756/1 A modern kémia problémái Szintetikus Kémiai Biológia Nem-természetes aminosavat tartalmazó fehérjék bakteriális expressziója 2011. november 9. Miért van szükség módosított fehérjékre? • A természetes fehérjék is átesnek poszttranszlációs módosuláson: – – – – • Glikolizáció Foszforiláció Metiláció, hidroxiláció Diszulfid híd A prokariótában expresszált fehérjéket in vivo bonyolult poszttranszlációsan módosítani Hogyan építhetünk be nem-természetes aminosavat a fehérjébe? • • • Totál szintézissel Expresszált fehérje ligációval Kiterjesztett genetikai kóddal • Biokémiai kérdések megválaszolása kedvéért – Szerkezeti információ – Stabilitás – Reaktivitás • Spektroszkópiai próbák – FRET: fluoreszcens próba Izoszterikus aminosav beépítése ATP metionin tRNS szintetáz • • Az aminoacil tRNS szintetáz becsapható hasonló méretű és alakú aminosavval Olyan E. coli törzs kell hozzá, amelyik nem tud metionint szintetizálni (metionin auxotróp) • Ha az E. coli-t olyan táptalajban növesztjük, amihez metionint adtunk, akkor ezt a metionint beépíti a szervezetébe Izoszterikus aminosav beépítése ATP metionin tRNS szintetáz • • Az aminoacil tRNS szintetáz becsapható hasonló méretű és alakú aminosavval Olyan E. coli törzs kell hozzá, amelyik nem tud metionint szintetizálni (metionin auxotróp) • Ha az E. coli-t olyan táptalajban növesztjük, amihez azidohomoalanint adtunk, akkor ezt az aminosavat beépíti a szervezetébe a metioninok helyére Hátrányok: Mindig egy meglevő aminosav helyére lehet az új aminosavat beépíteni, így nincs 21-dik aminosav. Csak kevés aminosavval működik. Több helyre is beépül az új aminosav. Hogyan lehet egy 21-dik aminosavat beépíteni a fehérjébe? Megoldás Feltételek – egyedi kodon a 21-dik aminosav számára – komplementer aminoacil tRNS mRNS stop kodon – STOP kodon – aminoacil tRNS mesterséges szintézise • 74-mer szintézise biológiailag DNS templáttal (más organizmusból) • aminoacil-dinukleotid szintézise kémiailag • RNS ligázzal összekapcsolni Hogyan lehet egy 21-dik aminosavat beépíteni a fehérjébe? Stratégia – Módosítsuk a fehérjét kódoló DNS kodonját a mesterséges aminosav helyén egy STOP kodonra (TAG) – Az E. coli sejteket falait bontsuk fel úgy, hogy egy „in vitro” expressziós rendszert kapjunk • Ekkor a transzkripció és a transzláció is a kémcsőben történik – Adjuk a rendszerhez a mesterséges tRNS-t – A riboszóma folytatni fogja a fehérjeszintézist, és nem áll meg az UAG stop kodonnál Ritka DNS kódolt aminosavak • Néhány anaerob archaea és egy ismert baktérium kódol pirrolizint. UGA stopkodon kódolja UAG stopkodon kódolja • Metán metabolizmus enzimének aktív helyén található. • Van saját pirrolizil-tRNS szintetáz enzime, ami a pirrolizilt szállító tRNS-hez köti. Monometilamin metiltranszferáz (PDB: 1L2Q)