hvad du vil lære at gøre: opsummere processen med oversættelse

Tag et øjeblik til at se på dine hænder. Knogler, hud og muskler, du ser, består af celler. Og hver af disse celler indeholder mange millioner proteiner faktisk, proteiner er nøgle molekylære” byggesten ” for enhver organisme på jorden!

hvordan fremstilles disse proteiner i en celle? Til at begynde med er instruktionerne til fremstilling af proteiner “skrevet” i en celles DNA i form af gener. Grundlæggende bruges et gen til at opbygge et protein i en totrinsproces:

• Trin 1: transkription (som vi lige har lært om)! Her “omskrives” DNA-sekvensen af et gen i form af RNA. I eukaryoter som dig og mig behandles RNA (og har ofte et par bits skåret ud af det) for at fremstille det endelige produkt, kaldet en messenger RNA eller mRNA.
• Trin 2: Oversættelse! I dette trin “afkodes” mRNA ‘ et for at opbygge et protein (eller en del/underenhed af et protein), der indeholder en specifik række aminosyrer.

krav til oversættelse

Figur 1. En peptidbinding forbinder carboksyl-enden af en aminosyre med amino-enden af en anden, der uddriver et vandmolekyle. For enkelhed i dette billede vises kun de funktionelle grupper involveret i peptidbindingen. R-og R-betegnelserne henviser til resten af hver aminosyrestruktur.

processen med translation eller proteinsyntese involverer dekodning af en mRNA-meddelelse til et polypeptidprodukt. Aminosyrer er kovalent spændt sammen ved at forbinde peptidbindinger. Hver enkelt aminosyre har en aminogruppe (NH2) og en COOH-gruppe. Polypeptider dannes, når aminogruppen af en aminosyre danner en amid (dvs.peptid) binding med carboksyl-gruppen af en anden aminosyre (Figur 1).

denne reaktion katalyseres af ribosomer og genererer et vandmolekyle.

Proteinsyntesemaskineriet

ud over mRNA-skabelonen bidrager mange molekyler og makromolekyler til oversættelsesprocessen. Oversættelse kræver input af en mRNA-skabelon, ribosomer, tRNA ‘ er og forskellige faktorer.

ribosomer

et ribosome er et komplekst makromolekyle sammensat af strukturelle og katalytiske rRNA ‘ er og mange forskellige polypeptider. Ribosomer findes i cytoplasmaet i prokaryoter og i cytoplasmaet og groft endoplasmatisk retikulum i eukaryoter. Ribosomer består af to underenheder. I E. coli beskrives den lille underenhed som 30 ‘erne, og den store underenhed er 50’ erne i alt 70 ‘erne. pattedyrs ribosomer har en lille 40’ ers underenhed og en stor 60 ‘ers underenhed i alt 80’ erne. Den lille underenhed er ansvarlig for at binde mRNA-skabelonen, mens den store underenhed sekventielt binder tRNA ‘ er.

tRNA ‘er

tRNA’ erne er strukturelle RNA-molekyler, der blev transkriberet fra gener af RNA-polymerase III. tjener som adaptere binder specifikke tRNA ‘ er til sekvenser på mRNA-skabelonen og tilføjer den tilsvarende aminosyre til polypeptidkæden. Derfor er tRNA ‘ er de molekyler, der faktisk “oversætter” RNA ‘ s sprog til proteins sprog.

figur 2. Phenylalanin tRNA

af de 64 mulige mRNA—kodoner—eller triplet-kombinationer af A, U, G og C-tre specificerer afslutningen af proteinsyntese og 61 specificerer tilsætningen af aminosyrer til polypeptidkæden. Af disse 61 koder et kodon (AUG) også kendt som “startkodon” indledningen af oversættelse. Hvert tRNA-anticodon kan basere par med en af mRNA-kodonerne og tilføje en aminosyre eller afslutte translation i henhold til den genetiske kode. For eksempel, hvis sekvensen Cua forekom på en mRNA-skabelon i den korrekte læseramme, ville den binde et tRNA, der udtrykker den komplementære sekvens, GAU, som ville være bundet til aminosyren leucin.

Modne tRNA ‘ er påtager sig en tredimensionel struktur gennem intramolekylær hydrogenbinding for at placere aminosyrebindingsstedet i den ene ende og anticodonet i den anden ende (figur 2).Anticodon er en tre-nukleotidsekvens i et tRNA, der interagerer med et mRNA-kodon gennem komplementær baseparring.

tRNA ‘ er skal interagere med tre faktorer:

1. de skal genkendes af den korrekte aminoacylsyntetase.
2. de skal genkendes af ribosomer.
3. de skal binde til den korrekte sekvens i mRNA.

Aminoacyl-tRNA-syntetaser

gennem processen med tRNA “opladning” er hvert tRNA-molekyle bundet til dets korrekte aminosyre af en gruppe kaldet aminoacyl-tRNA-syntetaser. Der findes mindst en type aminoacyltrna-syntetase for hver af de 20 aminosyrer.

genetisk kode

i betragtning af de forskellige antal “bogstaver” i mRNA og protein “alfabeter” teoretiserede forskere, at kombinationer af nukleotider svarede til enkelte aminosyrer. Forskere teoretiserede, at aminosyrer blev kodet af nukleotidtripletter, og at den genetiske kode var degenereret. Med andre ord kunne en given aminosyre kodes af mere end en nukleotidtriplet. Disse nukleotidtripletter kaldes kodoner. Forskere løste omhyggeligt den genetiske kode ved at oversætte syntetiske mRNA ‘ er in vitro og sekvensere de proteiner, de specificerede (figur 3).

figur 3. Denne figur viser den genetiske kode til oversættelse af hver nukleotidtriplet i mRNA til en aminosyre eller et termineringssignal i et spirende protein. (kredit: ændring af arbejde af NIH)

ud over at instruere tilsætningen af en specifik aminosyre til en polypeptidkæde afslutter tre (UAA, UAG, UGA) af de 64 kodoner proteinsyntese og frigiver polypeptidet fra oversættelsesmaskinen. Disse trillinger kaldes nonsens codons, eller stop codons. En anden codon, AUG, har også en særlig funktion. Ud over at specificere aminosyren methionin fungerer den også som startkodon til initiering af oversættelse. Læserammen til oversættelse er indstillet af AUG start codon nær 5′ slutningen af mRNA.

den genetiske kode er universel. Med nogle få undtagelser bruger stort set alle arter den samme genetiske kode til proteinsyntese. Bevarelse af kodoner betyder, at et oprenset mRNA, der koder for globinproteinet i heste, kunne overføres til en tulipancelle, og tulipanen ville syntetisere hesteglobin. At der kun er en genetisk kode, er stærkt bevis for, at alt liv på Jorden har en fælles oprindelse, især i betragtning af at der er omkring 1084 mulige kombinationer af 20 aminosyrer og 64 triplet-kodoner.

degeneration menes at være en cellulær mekanisme til at reducere den negative virkning af tilfældige mutationer. Kodoner, der specificerer den samme aminosyre, adskiller sig typisk kun med et nukleotid. Derudover kodes aminosyrer med kemisk lignende sidekæder af lignende kodoner. Denne nuance af den genetiske kode sikrer, at en enkeltnukleotidsubstitutionsmutation enten kan specificere den samme aminosyre, men ikke har nogen virkning eller specificere en lignende aminosyre, hvilket forhindrer proteinet i at blive gjort fuldstændigt ikke-funktionelt.

Translationstrin

som med mRNA-syntese kan proteinsyntese opdeles i tre faser: initiering, forlængelse og afslutning. Oversættelsesprocessen er ens i prokaryoter og eukaryoter. Her undersøger vi, hvordan oversættelse forekommer i E. coli, en repræsentativ prokaryot, og specificerer eventuelle forskelle mellem prokaryot og eukaryot oversættelse.

initiering af Translation

proteinsyntese begynder med dannelsen af et initieringskompleks. I E. coli, dette kompleks involverer det lille 30s ribosome, mRNA-skabelonen, initieringsfaktorer og en speciel initiator tRNA. Initiativtageren tRNA interagerer med startkodonet AUG. Guanosintrifosfat (GTP), som er et purinnukleotidtrifosfat, fungerer som en energikilde under translation—både i starten af forlængelsen og under ribosomets translokation.

når den relevante AUG er identificeret, binder 50S-underenheden sig til komplekset af Met-tRNAi, mRNA og 30S-underenheden. Dette trin afslutter indledningen af oversættelsen.

forlængelse af oversættelse

50S ribosomal underenhed af E. coli består af tre rum: a (aminoacyl) – stedet binder indkommende ladede aminoacyltrna ‘ er. P (peptidyl) – stedet binder ladede tRNA ‘ er, der bærer aminosyrer, der har dannet peptidbindinger med den voksende polypeptidkæde, men som endnu ikke er dissocieret fra deres tilsvarende tRNA. E (udgangsstedet) frigiver dissocierede tRNA ‘ er, så de kan genoplades med frie aminosyrer. dette skaber et initieringskompleks med et gratis a-sted, der er klar til at acceptere tRNA svarende til det første kodon efter AUG.

figur 4. Ribosom mRNA-oversættelse

under oversættelsesforlængelse giver mRNA-skabelonen specificitet. Når ribosomet bevæger sig langs mRNA ‘ et, registreres hvert mRNA-kodon, og specifik binding med det tilsvarende ladede tRNA-antikodon sikres. Hvis mRNA ikke var til stede i forlængelseskomplekset, ville ribosomet binde tRNA ‘ er uspecifikt.

forlængelse fortsætter med ladede tRNA ‘ er, der kommer ind på a-stedet og derefter skifter til P-stedet efterfulgt af E-stedet med hvert enkelt-kodon “trin” i ribosomet. Ribosomale trin induceres af konformationsændringer, der fremmer ribosomet med tre baser i 3’ – retningen. Energien for hvert trin i ribosomet doneres af en forlængelsesfaktor, der hydrolyserer GTP. Der dannes peptidbindinger mellem aminogruppen af aminosyren, der er bundet til a-stedets tRNA, og carboksyl-gruppen af aminosyren, der er bundet til p-stedets tRNA. Dannelsen af hver peptidbinding katalyseres af peptidyltransferase, et RNA-baseret ferment, der er integreret i 50S ribosomal underenhed. Energien for hver peptidbindingsdannelse er afledt af GTP-hydrolyse, som katalyseres af en separat forlængelsesfaktor. Aminosyren bundet til p-stedet tRNA er også knyttet til den voksende polypeptidkæde. Når ribosomet træder over mRNA ‘ et, kommer det tidligere p-site tRNA ind på E-stedet, løsner sig fra aminosyren og udvises (figur 5). Utroligt nok tager E. coli-oversættelsesapparatet kun 0.05 sekunder for at tilføje hver aminosyre, hvilket betyder, at et 200-aminosyreprotein kan oversættes på kun 10 sekunder.

figur 5. Oversættelse begynder, når en initiator tRNA anticodon genkender et codon på mRNA. Den store ribosomale underenhed slutter sig til den lille underenhed, og en anden tRNA rekrutteres. Når mRNA ‘ et bevæger sig i forhold til ribosomet, dannes polypeptidkæden. Indtastning af en frigivelsesfaktor på a-stedet afslutter oversættelsen, og komponenterne adskiller sig.

afslutning af oversættelse

afslutning af oversættelse opstår, når der opstår et nonsens codon (Ula, UAG eller UGA). Ved tilpasning til a-stedet genkendes disse nonsens-kodoner af frigivelsesfaktorer i prokaryoter og eukaryoter, der instruerer peptidyltransferase til at tilføje et vandmolekyle til carboksyl-enden af p-stedets aminosyre. Denne reaktion tvinger p-stedets aminosyre til at løsne sig fra dets tRNA, og det nyoprettede protein frigives. De små og store ribosomale underenheder adskiller sig fra mRNA og fra hinanden; de rekrutteres næsten øjeblikkeligt til et andet oversættelsesinitieringskompleks. Efter at mange ribosomer har afsluttet translation, nedbrydes mRNA ‘ et, så nukleotiderne kan genbruges i en anden transkriptionsreaktion.

Tjek din forståelse

Besvar nedenstående spørgsmål for at se, hvor godt du forstår emnerne i det foregående afsnit. Denne korte test tæller ikke med i din karakter i klassen, og du kan genoptage den et ubegrænset antal gange.

brug denne test til at kontrollere din forståelse og beslutte, om du vil (1) studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.