wat je gaat leren: vat het vertaalproces samen

neem een moment om naar je handen te kijken. Het bot, de huid en de spieren die je ziet bestaan uit cellen. En elk van die cellen bevat vele miljoenen eiwitten in feite, eiwitten zijn de belangrijkste moleculaire “bouwstenen” voor elk organisme op aarde!

Hoe worden deze eiwitten in een cel aangemaakt? Om te beginnen zijn de instructies voor het maken van eiwitten “geschreven” in het DNA van een cel in de vorm van genen. In principe wordt een gen gebruikt om een eiwit op te bouwen in een tweestapsproces:

• Stap 1: transcriptie (waar we net over geleerd hebben)! Hier, wordt de opeenvolging van DNA van een gen “herschreven” in de vorm van RNA. In eukaryotes zoals jij en ik, wordt het RNA verwerkt (en heeft er vaak een paar stukjes uit geknipt) om het eindproduct te maken, een messenger RNA of mRNA genoemd.
• Stap 2: Vertaling! In dit stadium, wordt mRNA “gedecodeerd” om een proteã ne (of een stuk/subeenheid van een proteã ne) te bouwen die een specifieke reeks aminozuren bevat.

vereisten voor vertaling

figuur 1. Een peptide band verbindt het carboxyl eind van één aminozuur met het amino eind van een ander, die één watermolecuul uitdrijft. Voor eenvoud in dit beeld, worden slechts de functionele groepen betrokken bij de peptide band getoond. De aanduidingen van R en R’ verwijzen naar de rest van elke aminozuurstructuur.

het proces van vertaling, of eiwitsynthese, omvat het decoderen van een mRNA-bericht in een polypeptideproduct. De aminozuren worden covalent samen geregen door peptide banden met elkaar te verbinden. Elk individueel aminozuur heeft een aminogroep (NH2) en een carboxylgroep (COOH). Polypeptiden worden gevormd wanneer de aminogroep van één aminozuur een amide (d.w.z., peptide) band met de carboxylgroep van een ander aminozuur vormt (figuur 1).

Deze reactie wordt gekatalyseerd door ribosomen en genereert één watermolecuul.

de eiwitsynthese-Machines

naast de mRNA-template dragen veel moleculen en macromoleculen bij aan het vertaalproces. De vertaling vereist de input van een mRNA malplaatje, ribosomen, tRNAs, en diverse enzymatische factoren.

ribosomen

een ribosoom is een complex macromolecuul dat bestaat uit structurele en katalytische rRNAs, en vele verschillende polypeptiden. Ribosomen bestaan in het cytoplasma in prokaryotes en in het cytoplasma en ruw endoplasmic reticulum in eukaryotes. De ribosomen zijn samengesteld uit twee subeenheden. In E. coli, wordt de kleine subeenheid beschreven als jaren ’30, en de grote subeenheid is Jaren’ 50, voor een totaal van jaren ’70. Zoogdierribosomen hebben een kleine jaren’ 40 subeenheid en een grote jaren ’60 subeenheid, voor een totaal van jaren’ 80. De kleine subeenheid is verantwoordelijk voor het binden van het mRNA-malplaatje, terwijl de grote subeenheid trnas opeenvolgend bindt.

tRNAs

de tRNAs zijn structurele RNA-moleculen die door RNA-polymerase III uit genen werden getranscribeerd. specifieke tRNAs die als adapters dienen, binden zich aan sequenties op het mRNA-sjabloon en voegen het overeenkomstige aminozuur toe aan de polypeptideketen. Daarom zijn tRNAs de molecules die eigenlijk “vertalen” de taal van RNA in de taal van proteã nen.

Figuur 2. Fenylalanine tRNA

van de 64 mogelijke mRNA-codons-of tripletcombinaties van A, U, G en C—drie geven de beëindiging van de eiwitsynthese aan en 61 geven de toevoeging van aminozuren aan de polypeptideketen aan. Van deze 61, codeert één codon (AUG) ook bekend als het “start codon” de initiatie van de vertaling. Elk anticodon van tRNA kan paar met één van de mRNA-codons baseren en een aminozuur toevoegen of vertaling beëindigen, volgens de genetische code. Bijvoorbeeld, als de opeenvolging CUA op een mRNA-malplaatje in het juiste lezingskader voorkwam, zou het tRNA die de aanvullende opeenvolging, GAU uitdrukken binden, die met het aminozuur leucine zou worden verbonden.

Rijpe tRNA ‘ s krijgen een driedimensionale structuur door intramoleculaire waterstofbinding om de aminozuurbindingsplaats aan het ene uiteinde en het anticodon aan het andere uiteinde te positioneren (Figuur 2).Anticodon is een drie-nucleotideopeenvolging in tRNA die met een mRNA-codon door het complementaire base in paren rangschikken in wisselwerking staat.

tRNAs moeten interageren met drie factoren:

1. ze moeten herkend worden aan de juiste aminoacylsynthetase.
2. ze moeten worden herkend door ribosomen.
3. ze moeten binden aan de juiste volgorde in mRNA.

Aminoacyltrna Synthetases

door het proces van tRNA “opladen” is elk tRNA-molecuul verbonden met zijn juiste aminozuur door een groep enzymen die aminoacyltrna synthetases worden genoemd. Er bestaat minstens één type aminoacyltrna synthetase voor elk van de 20 aminozuren.

genetische Code

gegeven de verschillende aantallen ” letters “in het mRNA en het eiwit” alfabet, ” dachten wetenschappers dat combinaties van nucleotiden overeenkwamen met afzonderlijke aminozuren. Wetenschappers theoretiseerden dat aminozuren werden gecodeerd door nucleotide drieling en dat de genetische code was gedegenereerd. Met andere woorden, kan een bepaald aminozuur door meer dan één nucleotidetriplet worden gecodeerd. Deze nucleotide triplets worden codons genoemd. De wetenschappers losten de genetische code nauwgezet op door synthetische mRNAs in vitro te vertalen en de proteã nen te rangschikken zij gespecificeerd (Figuur 3).

Figuur 3. Deze figuur toont de genetische code voor het vertalen van elk nucleotide triplet in mRNA in een aminozuur of een beëindigingssignaal in een ontluikende proteã ne. (credit: modification of work by NIH)

naast het instrueren van de toevoeging van een specifiek aminozuur aan een polypeptideketen, beëindigen drie (UAA, UAG, UGA) van de 64 codons de eiwitsynthese en geven ze het polypeptide vrij uit de vertaalmachines. Deze drieling worden nonsense codons genoemd, of stop codons. Een ander codon, AUG, heeft ook een speciale functie. Naast het specificeren van het aminozuur methionine, dient het ook als begincodon om vertaling in werking te stellen. Het lezingskader voor vertaling wordt geplaatst door het begincodon van AUG dichtbij het einde 5 ‘ van mRNA.

de genetische code is universeel. Op enkele uitzonderingen na gebruiken vrijwel alle soorten dezelfde genetische code voor eiwitsynthese. Het behoud van codons betekent dat een gezuiverde mRNA codeert de globineproteã ne in paarden aan een tulpcel zou kunnen worden overgebracht, en de tulp zou paardglobine samenstellen. Dat er maar één genetische code is, is krachtig bewijs dat al het leven op aarde een gemeenschappelijke oorsprong heeft, vooral gezien het feit dat er ongeveer 1084 mogelijke combinaties van 20 aminozuren en 64 triplet codons zijn.

degeneratie wordt verondersteld een cellulair mechanisme te zijn om de negatieve impact van willekeurige mutaties te verminderen. De Codons die hetzelfde aminozuur typisch specificeren verschillen slechts door één nucleotide. Bovendien worden aminozuren met chemisch gelijkaardige zijketens gecodeerd door gelijkaardige codon. Deze nuance van de genetische code zorgt ervoor dat een single-nucleotide substitutiemutatie hetzelfde aminozuur kan specificeren maar geen effect heeft of een soortgelijk aminozuur kan specificeren, waardoor het eiwit niet volledig onfunctioneel kan worden gemaakt.

Translatiestappen

net als bij mRNA-synthese kan de eiwitsynthese worden onderverdeeld in drie fasen: initiatie, elongatie en beëindiging. Het vertaalproces is vergelijkbaar in prokaryoten en eukaryoten. Hier zullen we onderzoeken hoe vertaling plaatsvindt in E. coli, een representatieve prokaryote, en eventuele verschillen tussen prokaryotische en eukaryotische vertaling specificeren.

initiatie van de vertaling

eiwitsynthese begint met de vorming van een initiatiecomplex. In E. coli, impliceert dit complex het kleine jaren ‘ 30 ribosoom, het mRNA malplaatje, initiatiefactoren en een speciale initiator tRNA. De initiator tRNA interageert met het BEGINCODON AUG. Guanosine trifosfaat (GTP), dat een purinenucleotide trifosfaat is, fungeert als energiebron tijdens vertaling—zowel bij het begin van verlenging als tijdens de translocatie van het ribosoom.

zodra de juiste AUG is geïdentificeerd, bindt de 50S-subeenheid zich aan het complex van Met-tRNAi, mRNA en de 30S-subeenheid. Deze stap completeert de initiatie van de vertaling.

verlenging van de vertaling

de 50S ribosomale subeenheid van E. coli bestaat uit drie compartimenten: de A (aminoacyl) plaats bindt binnenkomende geladen aminoacyl tRNAs. De P (peptidyl) plaats bindt geladen tRNAs dragende aminozuren die peptidebanden met de groeiende polypeptideketen hebben gevormd maar nog niet van hun overeenkomstige tRNA hebben losgemaakt. De plaats van E (uitgang) geeft gescheiden tRNAs vrij zodat zij met vrije aminozuren kunnen worden opgeladen. dit leidt tot een initiatiecomplex met een vrije plaats klaar om tRNA te accepteren die aan het eerste codon na AUG overeenkomt.

Figuur 4. Ribosoom mRNA vertaling

tijdens de verlenging van de vertaling biedt het mRNA-sjabloon specificiteit. Aangezien het ribosoom langs mRNA beweegt, komt elk mRNA-codon in register, en de specifieke band met het overeenkomstige geladen anticodon van tRNA wordt verzekerd. Als mRNA niet aanwezig was in het complex van de verlenging, zou het ribosoom trnas niet specifiek binden.

De verlenging gaat door met geladen tRNAs die de A-locatie binnenkomen en vervolgens naar de P-locatie gaan, gevolgd door de e-locatie met elke single-codon “stap” van het ribosoom. De ribosomal stappen worden veroorzaakt door conformational veranderingen die het ribosoom door drie basissen in de 3′ richting bevorderen. De energie voor elke stap van het ribosoom wordt gedoneerd door een rek factor die GTP hydrolyseert. Peptide bindingen vormen zich tussen de aminogroep van het aminozuur in bijlage aan de a-plaats tRNA en de carboxylgroep van het aminozuur in bijlage aan de P-plaats tRNA. De vorming van elke peptideband wordt gekatalyseerd door peptidyltransferase, een op RNA gebaseerd enzym dat in de 50S ribosomale subeenheid wordt geïntegreerd. De energie voor elke peptide bandvorming wordt afgeleid van GTP hydrolyse, die door een afzonderlijke verlengingsfactor wordt gekatalyseerd. Het aminozuur gebonden aan de p-site tRNA is ook verbonden met de groeiende polypeptideketen. Aangezien het ribosoom over mRNA stappen, gaat de vroegere P-plaats tRNA de plaats E in, maakt van het aminozuur los, en wordt verdreven (Figuur 5). Verbazingwekkend, het E. coli vertaalapparaat neemt slechts 0.05 seconden om elk aminozuur toe te voegen, wat betekent dat een 200-aminozuurproteã ne in slechts 10 seconden kan worden vertaald.

Figuur 5. De vertaling begint wanneer een initiator tRNA anticodon een codon op mRNA erkent. De grote ribosomale subeenheid sluit zich aan bij de kleine subeenheid, en een tweede tRNA wordt gerekruteerd. Aangezien mRNA beweegt ten opzichte van het ribosoom, wordt de polypeptideketting gevormd. Het invoeren van een releasefactor in de a-site beëindigt de vertaling en de componenten scheiden zich.

beëindiging van de vertaling

beëindiging van de vertaling vindt plaats wanneer een onzinnig codon (UAA, UAG of UGA) wordt aangetroffen. Bij het aanpassen aan de a-plaats, worden deze nonsenscodon erkend door versiefactoren in prokaryotes en eukaryotes die peptidyl transferase opdracht geven om een watermolecule aan het carboxyleinde van het P-plaatsaminozuur toe te voegen. Deze reactie dwingt het P-plaats aminozuur om van zijn tRNA los te maken, en de nieuw gemaakte proteã ne wordt vrijgegeven. De kleine en grote ribosomale subeenheden scheiden van mRNA en van elkaar af; zij worden bijna onmiddellijk in een andere complexe vertaalinitiatie gerekruteerd. Nadat vele ribosomen vertaling hebben voltooid, wordt mRNA gedegradeerd zodat kunnen de nucleotiden in een andere transcriptiereactie worden hergebruikt.

Controleer wat u begrijpt

beantwoord de vraag(en) hieronder om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie werden behandeld. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het opnieuw een onbeperkt aantal keer.

Gebruik deze quiz om uw begrip te controleren en te beslissen of (1) de vorige sectie verder te bestuderen of (2) verder te gaan naar de volgende sectie.