What you ’ ll learn to do: summary the process of translation

Take a moment to look at your hands. Luu, iho ja lihas koostuvat soluista. Ja jokainen noista soluista sisältää monia miljoonia proteiineja, sillä proteiinit ovat itse asiassa jokaisen eliön tärkeimpiä molekyylitason ”rakennusaineita” maan päällä!

miten nämä proteiinit muodostuvat solussa? Alkajaisiksi proteiinien valmistusohjeet ”kirjoitetaan” solun DNA: han geenien muodossa. Periaatteessa geeniä käytetään proteiinin rakentamiseen kaksivaiheisessa prosessissa:

• Vaihe 1: transkriptio (josta juuri opimme)! Tässä geenin DNA-sekvenssi ”kirjoitetaan uudelleen” RNA: n muodossa. Eukaryooteissa kuten sinä ja minä, RNA prosessoidaan (ja siitä leikataan usein muutama pala pois), jotta saadaan lopputuote, jota kutsutaan lähetti-RNA: ksi tai mRNA: ksi.
• Vaihe 2: käännös! Tässä vaiheessa mRNA ”dekoodataan”, jolloin muodostuu tietty aminohapposarja sisältävä proteiini (tai proteiinin kimpale/alayksikkö).

käännöksen perusvaiheet

kuva 1. Peptidisidos yhdistää yhden aminohapon karboksyylipään toisen aminohapon aminopäähän ja karkottaa yhden vesimolekyylin. Yksinkertaisuuden vuoksi tässä kuvassa esitetään vain peptidisidokseen osallistuvat funktionaaliset ryhmät. R – ja R’ – nimitykset viittaavat kunkin aminohapporakenteen muuhun osaan.

translaatio eli proteiinisynteesi tarkoittaa mRNA-viestin dekoodaamista polypeptidituotteeksi. Aminohapot ovat kovalenttisesti sidottuja toisiinsa toisiinsa toisiinsa linkittyvillä peptidisidoksilla. Jokaisella yksittäisellä aminohapolla on aminoryhmä (NH2) ja karboksyyliryhmä (COOH). Polypeptidejä muodostuu, kun yhden aminohapon aminoryhmä muodostaa amidi-eli peptidisidoksen toisen aminohapon karboksyyliryhmän kanssa (kuva 1).

tätä reaktiota katalysoivat ribosomit ja syntyy yksi vesimolekyyli.

Proteiinisynteeskoneisto

mRNA-mallin lisäksi monet molekyylit ja makromolekyylit osallistuvat translaatioprosessiin. Kääntäminen edellyttää mRNA-mallin, ribosomien, tRNAs: n ja erilaisten entsymaattisten tekijöiden syöttämistä.

ribosomit

ribosomi on monimutkainen makromolekyyliyhdiste, joka koostuu rakenteellisista ja katalyyttisistä rrnoista sekä monista erillisistä polypeptideistä. Ribosomeja on prokaryoottien sytoplasmassa ja eukaryoottien sytoplasmassa ja karkeassa endoplasmaisessa retikulumissa. Ribosomit koostuvat kahdesta alayksiköstä. E. coli, pieni alayksikkö on kuvattu 30s, ja suuri alayksikkö on 50S, yhteensä 70S. nisäkäs ribosomit on pieni 40S alayksikkö ja suuri 60S alayksikkö, yhteensä 80S. Pieni alayksikkö on vastuussa mRNA-mallin sitomisesta, kun taas suuri alayksikkö sitoo trnas: ää peräkkäin.

trnat

trnat ovat rakenteellisia RNA-molekyylejä, jotka RNA-polymeraasi III transkriboi geeneistä. sovittajina toimivat spesifiset trnat sitoutuvat sekvensseihin mRNA-mallilla ja lisäävät vastaavan aminohapon polypeptidiketjuun. Siksi trnat ovat molekyylejä, jotka itse asiassa ”kääntävät” RNA: n kielen proteiinien kieleksi.

kuva 2. Fenyylialaniini Trna

64 mahdollisesta mRNA—kodoni—tai triplettiyhdistelmästä A, U, G ja C-kolme määrittää proteiinisynteesin päättymisen ja 61 määrittää aminohappojen lisäämisen polypeptidiketjuun. Näistä 61: stä yksi kodoni (AUG), joka tunnetaan myös nimellä ”start-kodoni”, koodaa käännöksen aloittamista. Jokainen tRNA – antikodoni voi emäspariutua yhden mRNA-kodonin kanssa ja lisätä siihen aminohapon tai lopettaa translaation geneettisen koodin mukaisesti. Jos esimerkiksi sekvenssi CUA tapahtuisi mRNA-mallilla oikeassa lukukehyksessä, se sitoisi komplementtisarjaa ilmaisevan tRNA: n, GAU: n, joka liittyisi aminohappo leusiiniin.

kypsät trnat ottavat kolmiulotteisen rakenteen intramolekulaarisen vetysidoksen kautta asettaakseen aminohappojen sitoutumiskohdan toiseen päähän ja antikodonin toiseen päähän (kuva 2).Antikodoni on kolminukleotidisekvenssi Trna: ssa, joka vuorovaikuttaa mRNA-kodonin kanssa komplementaarisen emäspariutumisen kautta.

trnojen on oltava vuorovaikutuksessa kolmen tekijän kanssa:

1. ne on tunnistettava oikean aminoasyylisyntetaasin avulla.
2. ne on tunnistettava ribosomien avulla.
3. niiden on sitouduttava mRNA: n oikeaan järjestykseen.

aminoasyyli-tRNA-Syntetaasit

tRNA: n ”latauksen” prosessin kautta jokainen tRNA-molekyyli on sitoutunut oikeaan aminohappoonsa aminoasyyli-tRNA-syntetaaseiksi kutsutulla entsyymiryhmällä. Jokaiselle 20 aminohapolle on olemassa vähintään yksi aminoasyylitrna-syntetaasin tyyppi.

geneettinen koodi

ottaen huomioon mRNA: n ja proteiinin ”aakkostojen” eri ”kirjainten” numerot tutkijat esittivät teorian, että nukleotidien yhdistelmät vastasivat yksittäisiä aminohappoja. Tutkijat esittivät teorian, jonka mukaan aminohapot olivat nukleotidien kolmosten koodaamia ja geneettinen koodi oli degeneroitunut. Toisin sanoen tiettyä aminohappoa voisi koodata useampi kuin yksi nukleotiditripletti. Näitä nukleotidikolmikoita kutsutaan kodoneiksi. Tutkijat ratkaisivat huolellisesti geneettisen koodin muuntamalla synteettiset mRNAs-arvot in vitro ja sekvensoimalla määrittämänsä proteiinit (kuva 3).

kuva 3. Tämä luku näyttää geneettisen koodin, jolla jokainen mRNA: n nukleotiditripletti muunnetaan aminohapoksi tai päättymissignaaliksi orastavassa proteiinissa. (credit: modification of work by NIH)

sen lisäksi, että ohjeistetaan lisäämään tietty aminohappo polypeptidiketjuun, kolme (UAA, UAG, UGA) 64 kodonista lopettaa proteiinisynteesin ja vapauttaa polypeptidin translaatiokoneistosta. Näitä kolmosia kutsutaan nonsense kodoneiksi eli pysäyttäviksi kodoneiksi. Myös toisella kodonilla, AUGILLA, on erityinen tehtävä. Metioniiniaminohapon määrittämisen lisäksi se toimii myös alkukodonina translaation aloittamiseksi. Lukukehys käännös asetetaan AUG alku kodoni lähellä 5 ’ loppuun mRNA.

geneettinen koodi on universaali. Muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta lähes kaikki lajit käyttävät samaa geneettistä koodia proteiinisynteesissä. Kodonien säilyminen tarkoittaa, että hevosten globiiniproteiinia koodaava puhdistettu mRNA voitaisiin siirtää tulppaanisoluun, ja tulppaani syntetisoisi hevosen globiinia. Se, että on olemassa vain yksi geneettinen koodi, on voimakas todiste siitä, että koko maapallon elämällä on yhteinen alkuperä, varsinkin kun otetaan huomioon, että on olemassa noin 1084 mahdollista 20 aminohapon ja 64 triplettikodonin yhdistelmää.

degeneraation uskotaan olevan solumekanismi, joka vähentää satunnaisten mutaatioiden negatiivista vaikutusta. Kodonit, jotka määrittelevät saman aminohapon, eroavat tyypillisesti vain yhdellä nukleotidilla. Lisäksi aminohapot, joilla on kemiallisesti samanlaiset sivuketjut, koodataan samanlaisilla kodoneilla. Tämä geneettisen koodin vivahde varmistaa, että yksinukleotidisubstituutiomutaatio voi joko määrittää saman aminohapon, mutta sillä ei ole vaikutusta, tai määrittää samanlaisen aminohapon, jolloin proteiini ei muutu täysin toimimattomaksi.

translaation vaiheet

kuten mRNA-synteesissä, proteiinisynteesi voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: initiaatioon, venymään ja päättymiseen. Käännöstapa on samankaltainen prokaryooteissa ja eukaryooteissa. Täällä tutkimme, miten käännös tapahtuu E. coli, edustaja prokaryote, ja eritellä eroja prokaryoottinen ja eukaryoottinen käännös.

translaation aloitus

proteiinisynteesi alkaa initiaatiokompleksin muodostamisella. E. coli, tämä monimutkainen liittyy pieni 30s ribosomi, mRNA malli, aloitustekijät ja erityinen aloitteentekijä tRNA. Initiaattori tRNA vuorovaikuttaa startukodon AUG kanssa. Guanosiinitrifosfaatti (GTP), joka on puriininukleotiditrifosfaatti, toimii energianlähteenä translaation aikana—sekä venymän alussa että ribosomin translokaation aikana.

kun sopiva AUG on tunnistettu, 50s-alayksikkö sitoutuu met-trnain, mRNA: n ja 30S-alayksikön kompleksiin. Tämä vaihe täydentää aloittamista käännös.

translaation venymä

E. colin 50s-ribosomaalinen alayksikkö koostuu kolmesta osastosta: a (aminoasyyli) – alue sitoo sisään tulevan varautuneen aminoasyyli-tRNAs: n. P (peptidyyli) – alue sitoo varautuneita trnoja, jotka kuljettavat aminohappoja, jotka ovat muodostaneet peptidisidoksia kasvavan polypeptidiketjun kanssa, mutta eivät ole vielä eronneet vastaavasta tRNA: sta. E (exit) – sivusto vapauttaa dissosioituneita trnoja, jotta ne voidaan ladata vapailla aminohapoilla. tämä luo initiaatiokompleksin, jossa on vapaa a-sivusto, joka on valmis hyväksymään ensimmäistä kodonia vastaavan tRNA: n AUG: n jälkeen.

kuva 4. Ribosomien mRNA-translaatio

käännösvenymän aikana mRNA-templaatti antaa spesifisyyden. Ribosomien liikkuessa mRNA: ta pitkin jokainen mRNA-kodoni tulee rekisteriin, ja erityinen sidos vastaavan varatun tRNA-antikodonin kanssa varmistetaan. Jos mRNA: ta ei esiintyisi venymäkompleksissa, ribosomi sitoisi trnas: n epäspesifisesti.

venymä etenee siten, että varatut trnat tulevat a-kohtaan ja siirtyvät sitten p-kohtaan, jota seuraa e-paikka ribosomin jokaisen yhden kodonin ”askeleen” kanssa. Ribosomaaliset vaiheet indusoituvat konformaatiomuutoksilla, jotka etenevät ribosomissa kolmella emäksellä 3 ’ – suuntaan. Ribosomin jokaisen vaiheen energia luovutetaan venymäkertoimella, joka hydrolysoi GTP: n. Peptidisidoksia muodostuu a-paikan tRNA: han kiinnittyneen aminohapon aminoryhmän ja P-paikan tRNA: han kiinnittyneen aminohapon karboksyyliryhmän välille. Kunkin peptidisidoksen muodostumista katalysoi peptidyylitransferaasi, RNA-pohjainen entsyymi, joka on integroitu 50s-ribosomaaliseen alayksikköön. Jokaisen peptidisidoksen muodostumisen energia saadaan GTP-hydrolyysistä, jota katalysoi erillinen venymäkerroin. P-sivuston tRNA: han sitoutunut aminohappo liittyy myös kasvavaan polypeptidiketjuun. Ribosomin astuessa mRNA: n poikki entinen P-paikan tRNA tulee E-kohtaan, irtoaa aminohaposta ja poistuu (kuva 5). Ihme kyllä E. coli-käännöslaite kestää vain 0.05 sekuntia jokaisen aminohapon lisäämiseen, mikä tarkoittaa, että 200-aminohappoproteiini voidaan kääntää vain 10 sekunnissa.

kuva 5. Käännös alkaa, kun initiaattori tRNA anticodon tunnistaa kodonin mRNA: ssa. Suuri ribosomaalinen alayksikkö liittyy pieneen alayksikköön ja toinen tRNA värvätään. MRNA: n liikkuessa suhteessa ribosomiin muodostuu polypeptidiketju. Pääsy release factor sivuston päättyy käännös ja komponentit dissociate.

kääntämisen Päättyminen

kääntämisen päättyminen tapahtuu, kun vastaan tulee nonsense-kodoni (UAA, UAG tai UGA). Kun nämä nonsense kodonit ovat linjassa a-sivuston kanssa, ne tunnistetaan prokaryoottien ja eukaryoottien release-tekijöistä, jotka ohjeistavat peptidyylitransferaasia lisäämään vesimolekyylin P-sivuston aminohapon karboksyylipäähän. Tämä reaktio pakottaa P-kohdan aminohapon irtautumaan tRNA: staan, ja vastavalmistettu proteiini vapautuu. Pienet ja suuret ribosomaaliset alayksiköt erkanevat mRNA: sta ja toisistaan; ne värvätään lähes välittömästi toiseen translaation initiaatiokompleksiin. Kun monet ribosomit ovat saaneet translaation valmiiksi, mRNA hajoaa, jolloin nukleotidit voidaan käyttää uudelleen toisessa transkriptioreaktiossa.

Tarkista ymmärryksesi

vastaa alla oleviin kysymyksiin nähdäksesi, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä jaksossa käsitellyt aiheet. Tätä lyhyttä tietokilpailua ei lasketa luokan arvosanaan, ja voit ottaa sen uusintana rajattoman määrän kertoja.

käytä tätä tietokilpailua tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättääksesi, tutkitaanko (1) edellistä osiota tarkemmin vai (2) siirrytäänkö seuraavaan osioon.