Was Sie lernen werden: Fassen Sie den Übersetzungsprozess zusammen

Nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um auf Ihre Hände zu schauen. Der Knochen, die Haut und der Muskel, den Sie sehen, bestehen aus Zellen. Und jede dieser Zellen enthält viele Millionen von Proteinen In der Tat sind Proteine wichtige molekulare „Bausteine“ für jeden Organismus auf der Erde!

Wie werden diese Proteine in einer Zelle hergestellt? Für den Anfang werden die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen in Form von Genen in die DNA einer Zelle „geschrieben“. Grundsätzlich wird ein Gen verwendet, um ein Protein in einem zweistufigen Prozess aufzubauen:

• Schritt 1: Transkription (von der wir gerade erfahren haben)! Hier wird die DNA-Sequenz eines Gens in Form von RNA „umgeschrieben“. In Eukaryoten wie Ihnen und mir wird die RNA verarbeitet (und oft werden ein paar Bits herausgeschnitten), um das Endprodukt herzustellen, das als Boten-RNA oder mRNA bezeichnet wird.
• Schritt 2: Übersetzung! In diesem Stadium wird die mRNA „decodiert“, um ein Protein (oder einen Teil / eine Untereinheit eines Proteins) aufzubauen, das eine bestimmte Reihe von Aminosäuren enthält.

Anforderungen an die Übersetzung

Abbildung 1. Eine Peptidbindung verbindet das Carboxylende einer Aminosäure mit dem Aminoende einer anderen und stößt ein Wassermolekül aus. Der Einfachheit halber sind in diesem Bild nur die an der Peptidbindung beteiligten funktionellen Gruppen dargestellt. Die Bezeichnungen R und R‘ beziehen sich auf den Rest jeder Aminosäurestruktur.

Der Prozess der Translation oder Proteinsynthese beinhaltet die Decodierung einer mRNA-Nachricht in ein Polypeptidprodukt. Aminosäuren sind kovalent aneinandergereiht, indem Peptidbindungen miteinander verbunden werden. Jede einzelne Aminosäure hat eine Aminogruppe (NH2) und eine Carboxylgruppe (COOH). Polypeptide werden gebildet, wenn die Aminogruppe einer Aminosäure eine Amid- (d. H. Peptid-) Bindung mit der Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure bildet (Abbildung 1).

Diese Reaktion wird durch Ribosomen katalysiert und erzeugt ein Wassermolekül.

Die Proteinsynthesemaschinerie

Neben dem mRNA-Template tragen viele Moleküle und Makromoleküle zum Translationsprozess bei. Die Translation erfordert die Eingabe einer mRNA-Vorlage, Ribosomen, tRNAs und verschiedener enzymatischer Faktoren.

Ribosomen

Ein Ribosom ist ein komplexes Makromolekül, das aus strukturellen und katalytischen rRNAs und vielen verschiedenen Polypeptiden besteht. Ribosomen existieren im Zytoplasma in Prokaryoten und im Zytoplasma und im endoplasmatischen Retikulum in Eukaryoten. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten. In E. coli wird die kleine Untereinheit als 30S beschrieben, und die große Untereinheit ist 50S, für insgesamt 70S. Säugetier-Ribosomen haben eine kleine 40S-Untereinheit und eine große 60S-Untereinheit für insgesamt 80S. Die kleine Untereinheit ist für die Bindung des mRNA-Templats verantwortlich, während die große Untereinheit sequentiell tRNAs bindet.

tRNAs

Die tRNAs sind strukturelle RNA-Moleküle, die von Genen durch RNA-Polymerase III transkribiert wurden. Als Adaptoren binden spezifische tRNAs an Sequenzen auf dem mRNA-Template und fügen der Polypeptidkette die entsprechende Aminosäure hinzu. Daher sind tRNAs die Moleküle, die die Sprache der RNA tatsächlich in die Sprache der Proteine „übersetzen“.

Abbildung 2. Phenylalanin-tRNA

Von den 64 möglichen mRNA—Codons — oder Triplettkombinationen von A, U, G und C – geben drei den Abbruch der Proteinsynthese und 61 die Addition von Aminosäuren an die Polypeptidkette an. Von diesen 61 kodiert ein Codon (AUG), auch als „Startcodon“ bekannt, die Initiierung der Translation. Jedes tRNA-Anticodon kann ein Basenpaar mit einem der mRNA-Codons bilden und je nach genetischem Code eine Aminosäure hinzufügen oder die Translation beenden. Zum Beispiel, wenn die Sequenz CUA auf einer mRNA-Vorlage im richtigen Leserahmen auftrat, Es würde eine tRNA binden, die die komplementäre Sequenz exprimiert, GAU, das wäre mit der Aminosäure Leucin verbunden.

Reife tRNAs nehmen durch intramolekulare Wasserstoffbindung eine dreidimensionale Struktur an, um die Aminosäurebindungsstelle an einem Ende und das Anticodon am anderen Ende zu positionieren (Abbildung 2).Das Anticodon ist eine Drei-Nukleotidsequenz in einer tRNA, die durch komplementäre Basenpaarung mit einem mRNA-Codon interagiert.

tRNAs müssen mit drei Faktoren interagieren:

1. Sie müssen von der richtigen Aminoacylsynthetase erkannt werden.
2. Sie müssen von Ribosomen erkannt werden.
3. Sie müssen an die richtige Sequenz in der mRNA binden.

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

Durch den Prozess des tRNA- „Ladens“ wird jedes tRNA-Molekül durch eine Gruppe von Enzymen, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen genannt werden, mit seiner richtigen Aminosäure verknüpft. Für jede der 20 Aminosäuren existiert mindestens ein Typ von Aminoacyl-tRNA-Synthetase.

Genetischer Code

Angesichts der unterschiedlichen Anzahl von „Buchstaben“ in den mRNA- und Protein- „Alphabeten“ theoretisierten Wissenschaftler, dass Kombinationen von Nukleotiden einzelnen Aminosäuren entsprachen. Wissenschaftler theoretisierten, dass Aminosäuren von Nukleotidtrillingen kodiert wurden und dass der genetische Code degeneriert war. Mit anderen Worten, eine gegebene Aminosäure könnte von mehr als einem Nukleotidtriplett kodiert werden. Diese Nukleotid-Tripletts werden Codons genannt. Die Wissenschaftler lösten den genetischen Code sorgfältig, indem sie synthetische mRNAs in vitro übersetzten und die von ihnen spezifizierten Proteine sequenzierten (Abbildung 3).

Abbildung 3. Diese Abbildung zeigt den genetischen Code für die Übersetzung jedes Nukleotid-Tripletts in mRNA in eine Aminosäure oder ein Terminationssignal in einem entstehenden Protein. (credit: modification of work by NIH)

Zusätzlich zur Anweisung der Addition einer spezifischen Aminosäure an eine Polypeptidkette beenden drei (UAA, UAG, UGA) der 64 Codons die Proteinsynthese und setzen das Polypeptid aus der Translationsmaschinerie frei. Diese Tripletts werden Nonsense-Codons oder Stop-Codons genannt. Ein anderes Codon, AUG, hat ebenfalls eine spezielle Funktion. Neben der Angabe der Aminosäure Methionin dient es auch als Startcodon, um die Translation zu initiieren. Der Leserahmen für die Translation wird durch das AUG-Startcodon in der Nähe des 5′-Endes der mRNA festgelegt.

Der genetische Code ist universell. Mit wenigen Ausnahmen verwenden praktisch alle Arten den gleichen genetischen Code für die Proteinsynthese. Die Konservierung von Codons bedeutet, dass eine gereinigte mRNA, die das Globinprotein bei Pferden kodiert, auf eine Tulpenzelle übertragen werden könnte und die Tulpe Pferdeglobin synthetisieren würde. Dass es nur einen genetischen Code gibt, ist ein starker Beweis dafür, dass alles Leben auf der Erde einen gemeinsamen Ursprung hat, insbesondere wenn man bedenkt, dass es etwa 1084 mögliche Kombinationen von 20 Aminosäuren und 64 Triplett-Codons gibt.

Transkribieren Sie ein Gen und übersetzen Sie es mit komplementärer Paarung und dem genetischen Code an dieser Stelle in Protein.Es wird angenommen, dass Degeneration ein zellulärer Mechanismus ist, um die negativen Auswirkungen zufälliger Mutationen zu reduzieren. Codons, die dieselbe Aminosäure spezifizieren, unterscheiden sich typischerweise nur um ein Nukleotid. Zusätzlich werden Aminosäuren mit chemisch ähnlichen Seitenketten durch ähnliche Codons codiert. Diese Nuance des genetischen Codes stellt sicher, dass eine Einzelnukleotidsubstitutionsmutation entweder die gleiche Aminosäure spezifizieren kann, aber keine Wirkung hat, oder eine ähnliche Aminosäure spezifiziert, wodurch verhindert wird, dass das Protein vollständig funktionsunfähig wird.

Schritte der Translation

Wie bei der mRNA-Synthese kann die Proteinsynthese in drei Phasen unterteilt werden: Initiierung, Verlängerung und Beendigung. Der Übersetzungsprozess ist bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich. Hier werden wir untersuchen, wie die Translation in E. coli, einem repräsentativen Prokaryoten, erfolgt, und Unterschiede zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Translation angeben.

Initiierung der Translation

Die Proteinsynthese beginnt mit der Bildung eines Initiationskomplexes. In E. coli, Dieser Komplex umfasst das kleine 30S-Ribosom, die mRNA-Schablone, Initiationsfaktoren und eine spezielle Initiator-tRNA. Der Initiator tRNA interagiert mit dem Startcodon AUG. Guanosintriphosphat (GTP), ein Purinnukleotidtriphosphat, wirkt während der Translation als Energiequelle — sowohl zu Beginn der Elongation als auch während der Translokation des Ribosoms.

Sobald die geeignete AUG identifiziert ist, bindet die 50S-Untereinheit an den Komplex aus Met-tRNAi, mRNA und der 30S-Untereinheit. Dieser Schritt schließt die Initiierung der Übersetzung ab.

Verlängerung der Translation

Die 50S-ribosomale Untereinheit von E. coli besteht aus drei Kompartimenten: Die A (Aminoacyl) -Stelle bindet ankommende geladene Aminoacyl-tRNAs. Die P (Peptidyl) -Stelle bindet geladene tRNAs, die Aminosäuren tragen, die Peptidbindungen mit der wachsenden Polypeptidkette gebildet haben, aber noch nicht von ihrer entsprechenden tRNA dissoziiert sind. Die E (Exit) -Stelle setzt dissoziierte tRNAs frei, so dass sie mit freien Aminosäuren aufgeladen werden können. dies erzeugt einen Initiationskomplex mit einer freien A-Stelle, die bereit ist, die tRNA zu akzeptieren, die dem ersten Codon nach dem AUG entspricht.

Abbildung 4. Ribosomen-mRNA-Translation

Während der Translationsverlängerung liefert das mRNA-Template Spezifität. Wenn sich das Ribosom entlang der mRNA bewegt, kommt jedes mRNA-Codon in Register, und eine spezifische Bindung mit dem entsprechenden geladenen tRNA-Anticodon ist sichergestellt. Wenn mRNA nicht im Elongationskomplex vorhanden wäre, würde das Ribosom tRNAs unspezifisch binden.

Die Elongation verläuft mit geladenen tRNAs, die in die A-Stelle eintreten und sich dann mit jedem Einzelcodon- „Schritt“ des Ribosoms zur P-Stelle verschieben, gefolgt von der E-Stelle. Ribosomale Schritte werden durch Konformationsänderungen induziert, die das Ribosom um drei Basen in 3′-Richtung vorrücken. Die Energie für jeden Schritt des Ribosoms wird von einem Dehnungsfaktor gespendet, der GTP hydrolysiert. Peptidbindungen bilden sich zwischen der Aminogruppe der Aminosäure, die an die A-Site-tRNA gebunden ist, und der Carboxylgruppe der Aminosäure, die an die P-Site-tRNA gebunden ist. Die Bildung jeder Peptidbindung wird durch Peptidyltransferase katalysiert, ein RNA-basiertes Enzym, das in die ribosomale 50S-Untereinheit integriert ist. Die Energie für jede Peptidbindungsbildung wird von der GTP-Hydrolyse abgeleitet, die durch einen separaten Dehnungsfaktor katalysiert wird. Die an die P-Site tRNA gebundene Aminosäure ist auch an die wachsende Polypeptidkette gebunden. Wenn das Ribosom über die mRNA tritt, tritt die ehemalige P-Site-tRNA in die E-Site ein, löst sich von der Aminosäure und wird ausgestoßen (Abbildung 5). Erstaunlicherweise benötigt der E. coli-Translationsapparat nur 0.05 Sekunden, um jede Aminosäure hinzuzufügen, was bedeutet, dass ein Protein mit 200 Aminosäuren in nur 10 Sekunden übersetzt werden kann.

Abbildung 5. Die Translation beginnt, wenn ein Initiator-tRNA-Anticodon ein Codon auf mRNA erkennt. Die große ribosomale Untereinheit schließt sich der kleinen Untereinheit an und eine zweite tRNA wird rekrutiert. Wenn sich die mRNA relativ zum Ribosom bewegt, wird die Polypeptidkette gebildet. Die Eingabe eines Freigabefaktors in die A-Site beendet die Übersetzung und die Komponenten dissoziieren.

Übungsfragen

Viele Antibiotika hemmen die bakterielle Proteinsynthese. Zum Beispiel blockiert Tetracyclin die A-Stelle auf dem bakteriellen Ribosom und Chloramphenicol blockiert den Peptidyltransfer. Welchen spezifischen Effekt würden Sie von jedem dieser Antibiotika auf die Proteinsynthese erwarten?

Tetracyclin würde direkt beeinflussen:

1. tRNA-Bindung an das Ribosom
2. Ribosomenaufbau
3. Wachstum der Proteinkette

Antwort anzeigen

Antwort a. Tetracyclin würde die tRNA-Bindung an das Ribosom direkt beeinflussen.

Chloramphenicol würde direkt beeinflussen

1. tRNA-Bindung an das Ribosom
2. Ribosomenanordnung
3. Wachstum der Proteinkette

Antwort anzeigen

Antwort c. Chloramphenicol würde das Wachstum der Proteinkette direkt beeinflussen.

Beendigung der Übersetzung

Die Beendigung der Übersetzung tritt auf, wenn ein Nonsense-Codon (UAA, UAG oder UGA) angetroffen wird. Bei der Ausrichtung an der A-Stelle werden diese Nonsense-Codons durch Freisetzungsfaktoren in Prokaryoten und Eukaryoten erkannt, die die Peptidyltransferase anweisen, ein Wassermolekül an das Carboxylende der P-Stelle anzufügen Aminosäure. Diese Reaktion zwingt die Aminosäure an der P-Stelle, sich von ihrer tRNA zu lösen, und das neu hergestellte Protein wird freigesetzt. Die kleinen und großen ribosomalen Untereinheiten dissoziieren von der mRNA und voneinander; Sie werden fast sofort in einen anderen Translationsinitiationskomplex rekrutiert. Nachdem viele Ribosomen die Translation abgeschlossen haben, wird die mRNA abgebaut, so dass die Nukleotide in einer anderen Transkriptionsreaktion wiederverwendet werden können.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

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