mit fogsz tanulni csinálni: összefoglalja a fordítási folyamat

Vegyünk egy pillanatra, hogy nézd meg a kezét. A csont, a bőr és az izom, amit látsz, sejtekből áll. És ezek a sejtek sok millió fehérjét tartalmaznak ami azt illeti, a fehérjék kulcsfontosságú molekuláris “építőkövei” minden organizmusnak a Földön!

hogyan készülnek ezek a fehérjék egy sejtben? Először is, a fehérjék előállítására vonatkozó utasításokat gének formájában “írják” a sejt DNS-ébe. Alapvetően egy gént használnak egy fehérje felépítésére egy kétlépcsős folyamat során:

• 1. lépés: transzkripció (amiről most tanultunk)! Itt egy gén DNS-szekvenciáját “átírják” RNS formájában. Az olyan eukariótákban, mint te vagy én, az RNS-t feldolgozzák (és gyakran néhány bitet kivágnak belőle), hogy a végterméket, az úgynevezett messenger RNS-t vagy mRNS-t hozzák létre.
• 2. lépés: fordítás! Ebben a szakaszban az mRNS-t “dekódolják” egy fehérje (vagy egy fehérje darabja/alegysége) felépítéséhez, amely egy meghatározott aminosavsorozatot tartalmaz.

A fordítás követelményei

1. ábra. A peptidkötés összeköti az egyik aminosav karboxil-végét egy másik aminosav-végével, kiürítve az egyik vízmolekulát. A kép egyszerűsége érdekében csak a peptidkötésben részt vevő funkcionális csoportokat mutatjuk be. Az R és R’ jelölések az egyes aminosavszerkezetek többi részére vonatkoznak.

a transzláció vagy a fehérjeszintézis folyamata magában foglalja az mRNS üzenet polipeptidtermékké történő dekódolását. Az aminosavakat kovalensen peptidkötések összekapcsolásával kötik össze. Minden egyes aminosavnak van egy aminocsoportja (NH2) és egy karboxilcsoportja (COOH). Polipeptidek akkor képződnek, amikor egy aminosav aminocsoportja amid (azaz peptid) kötést képez egy másik aminosav karboxilcsoportjával (1.ábra).

ezt a reakciót riboszómák katalizálják, és egy vízmolekulát hoznak létre.

a fehérjeszintézis gépezet

az mRNS-sablonon kívül számos molekula és makromolekula járul hozzá a transzlációs folyamathoz. A transzlációhoz szükség van egy mRNS-sablon, riboszómák, tRNS-ek és különböző enzimatikus faktorok bevitelére.

riboszómák

a riboszóma egy komplex makromolekula, amely szerkezeti és katalitikus rRNS-ekből és sok különböző polipeptidből áll. A riboszómák a prokarióták citoplazmájában, az eukarióták citoplazmájában és durva endoplazmatikus retikulumában léteznek. A riboszómák két alegységből állnak. Az E. coli-ban a kis alegységet 30S-nek írják le, a nagy alegység pedig 50s, összesen 70s. az emlős riboszómáknak van egy kis 40s alegysége és egy nagy 60s alegysége, összesen 80s. A kis alegység felelős az mRNS-sablon megkötéséért, míg a nagy alegység egymás után megköti a tRNS-eket.

tRNS-ek

a tRNS-ek olyan szerkezeti RNS-molekulák, amelyeket az RNS-polimeráz III génekből átírtak. adapterként specifikus tRNS-ek kötődnek az mRNS-sablon szekvenciáihoz, és hozzáadják a megfelelő aminosavat a polipeptidlánchoz. Ezért a tRNS-ek azok a molekulák, amelyek valójában “lefordítják” az RNS nyelvét a fehérjék nyelvére.

2. ábra. Fenilalanin tRNS

a 64 lehetséges mRNS kodon—vagy triplett kombináció közül A, U, G és C—három meghatározza a fehérjeszintézis befejezését, 61 pedig az aminosavak hozzáadását a polipeptidlánchoz. Ezek közül a 61 közül egy kodon (AUG), más néven “start kodon” kódolja a fordítás megkezdését. Minden tRNS antikodon bázispárosíthat az egyik mRNS kodonnal, és hozzáadhat egy aminosavat, vagy megszakíthatja a transzlációt, a genetikai kódnak megfelelően. Például, ha a CUA szekvencia egy mRNS-sablonon történt a megfelelő olvasási keretben, akkor megkötné a komplementer szekvenciát expresszáló tRNS-t, GAU, amely az aminosavhoz kapcsolódna leucin.

az érett tRNS-ek intramolekuláris hidrogénkötés révén háromdimenziós struktúrát kapnak, hogy az aminosav-kötési helyet az egyik végén, az antikodont pedig a másik végén helyezzék el (2.ábra).Az antikodon egy három nukleotid szekvencia egy tRNS-ben, amely komplementer bázispárosítás révén kölcsönhatásba lép egy mRNS kodonnal.

a tRNS-eknek három tényezővel kell kölcsönhatásba lépniük:

1. ezeket a helyes aminoacil-szintetázzal kell felismerni.
2. a riboszómáknak fel kell ismerniük őket.
3. az mRNS megfelelő sorrendjéhez kell kötődniük.

aminoacil-tRNS-szintetázok

a tRNS “töltésének” folyamata révén minden tRNS-molekulát az aminoacil-tRNS-szintetázoknak nevezett enzimcsoport köt össze a megfelelő aminosavval. A 20 aminosav mindegyikéhez legalább egy típusú aminoacil-tRNS-szintetáz létezik.

genetikai kód

az mRNS és a fehérje “ábécék” különböző számú “betűjét” figyelembe véve a tudósok elmélete szerint a nukleotidok kombinációja egyetlen aminosavnak felel meg. A tudósok elmélete szerint az aminosavakat nukleotid hármasok kódolják, és a genetikai kód degenerált. Más szavakkal, egy adott aminosavat egynél több nukleotid triplett kódolhat. Ezeket a nukleotid hármasokat kodonoknak nevezzük. A tudósok gondosan megoldották a genetikai kódot a szintetikus mRNS-ek in vitro fordításával és az általuk meghatározott fehérjék szekvenálásával (3.ábra).

3. ábra. Ez az ábra azt a genetikai kódot mutatja, amely az mRNS-ben lévő egyes nukleotid-tripletteket aminosavvá vagy egy kialakuló fehérje terminációs jelévé alakítja.

amellett, hogy utasítja egy adott aminosav hozzáadását egy polipeptidlánchoz, a 64 kodonból három (UAA, UAG, UGA) megszünteti a fehérjeszintézist és felszabadítja a polipeptidet a transzlációs gépezetből. Ezeket a hármasokat nonszensz kodonoknak vagy stop kodonoknak nevezik. Egy másik kodon, augusztus, szintén különleges funkcióval rendelkezik. A metionin aminosav meghatározása mellett a transzláció megindításának kezdő kodonjaként is szolgál. A fordítás olvasási keretét az AUG start kodon állítja be az mRNS 5′ vége közelében.

a genetikai kód univerzális. Néhány kivételtől eltekintve gyakorlatilag minden faj ugyanazt a genetikai kódot használja a fehérjeszintézishez. A kodonok megőrzése azt jelenti, hogy a lovakban a globin fehérjét kódoló tisztított mRNS átvihető egy tulipánsejtbe, és a tulipán szintetizálja a ló globint. Az, hogy csak egy genetikai kód létezik, erőteljes bizonyíték arra, hogy a földi életnek közös eredete van, különös tekintettel arra, hogy körülbelül 1084 lehetséges kombinációja van 20 aminosavnak és 64 triplett kodonnak.

úgy gondolják, hogy a degeneráció sejtes mechanizmus a véletlenszerű mutációk negatív hatásának csökkentésére. Az azonos aminosavat meghatározó kodonok általában csak egy nukleotiddal különböznek egymástól. Ezenkívül a kémiailag hasonló oldalláncokkal rendelkező aminosavakat hasonló kodonok kódolják. A genetikai kód ezen árnyalata biztosítja, hogy az egy nukleotid szubsztitúciós mutáció vagy ugyanazt az aminosavat határozhatja meg, de nincs hatása, vagy hasonló aminosavat határozhat meg, megakadályozva, hogy a fehérje teljesen működésképtelenné váljon.

A transzláció lépései

mint az mRNS szintézis esetében, a fehérjeszintézis három fázisra osztható: iniciáció, megnyúlás és termináció. A fordítás folyamata hasonló a prokariótákban és az eukariótákban. Itt megvizsgáljuk, hogyan fordul elő a fordítás Az E. coli-ban, egy reprezentatív prokarióta, és meghatározza a prokarióta és az eukarióta fordítás közötti különbségeket.

a transzláció megindítása

a fehérjeszintézis egy iniciációs komplex kialakulásával kezdődik. Az E. coli, ez a komplex magában foglalja a kis 30S riboszómát, az mRNS sablont, iniciációs faktorokat és egy speciális iniciátor tRNS-t. Az iniciátor tRNS kölcsönhatásba lép a Start kodonnal AUG. A guanozin-trifoszfát (GTP), amely egy purin nukleotid—trifoszfát, energiaforrásként működik a transzláció során-mind a megnyúlás kezdetén, mind a riboszóma transzlokációja során.

a megfelelő AUG azonosítása után az 50S alegység kötődik a MET-tRNAi, mRNS és a 30S alegység komplexéhez. Ez a lépés befejezi a fordítás megkezdését.

a transzláció megnyúlása

Az E. coli 50S riboszomális alegysége három rekeszből áll: az a (aminoacil) hely megköti a bejövő töltött aminoacil tRNS-eket. A P (peptidil) hely megköti a töltött tRNS-eket, amelyek olyan aminosavakat hordoznak, amelyek peptidkötéseket képeztek a növekvő polipeptidlánccal, de még nem disszociáltak a megfelelő tRNS-től. Az E (kilépési) hely felszabadítja a disszociált tRNS-eket, így szabad aminosavakkal tölthetők fel. ez létrehoz egy iniciációs komplexet egy ingyenes A-val, amely készen áll az AUG utáni első kodonnak megfelelő tRNS elfogadására.

4.ábra. Riboszóma mRNS transzláció

a transzlációs megnyúlás során az mRNS sablon specifitást biztosít. Amint a riboszóma az mRNS mentén mozog, minden mRNS kodon regiszterbe kerül, és specifikus kötődés biztosított a megfelelő töltött tRNS antikodonnal. Ha az mRNS nem lenne jelen a megnyúlási komplexben, a riboszóma nem specifikusan kötné meg a tRNS-eket.

a megnyúlás úgy folytatódik, hogy a töltött tRNS-ek belépnek az a helyre, majd a P helyre, majd az E helyre lépnek a riboszóma minden egyes kodon “lépésével”. A riboszomális lépéseket konformációs változások indukálják, amelyek a riboszómát három bázissal 3′ irányba mozdítják elő. A riboszóma minden egyes lépésének energiáját egy megnyúlási tényező adja, amely hidrolizálja a GTP-t. Peptidkötések alakulnak ki az a-hely tRNS-hez kapcsolódó aminosav aminocsoportja és a p-hely tRNS-hez kapcsolódó aminosav karboxilcsoportja között. Az egyes peptidkötések kialakulását a peptidil-transzferáz katalizálja, egy RNS – alapú enzim, amely integrálódik az 50S riboszomális alegységbe. Az egyes peptidkötések képződésének energiája a GTP-hidrolízisből származik, amelyet külön megnyúlási tényező katalizál. A p-hely tRNS-hez kötött aminosav szintén kapcsolódik a növekvő polipeptidlánchoz. Amint a riboszóma áthalad az mRNS-en, a korábbi P-hely tRNS belép az e helyre, leválik az aminosavról, és kiürül (5.ábra). Bámulatosan, az E. coli transzlációs készülék csak 0.05 másodperc az egyes aminosavak hozzáadásához, ami azt jelenti, hogy egy 200 aminosavból álló fehérje mindössze 10 másodperc alatt lefordítható.

5. ábra. A fordítás akkor kezdődik, amikor egy iniciátor tRNS antikodon felismer egy kodont az mRNS-en. A nagy riboszomális alegység csatlakozik a kis alegységhez, és egy második tRNS-t toboroznak. Amint az mRNS a riboszómához képest mozog, kialakul a polipeptidlánc. A felszabadulási tényező belépése az a helyre megszünteti a transzlációt, és az összetevők disszociálnak.

a fordítás befejezése

A fordítás befejezése akkor következik be, ha nonszensz kodonnal (UAA, UAG vagy UGA) találkozunk. Az a helyhez igazodva ezeket a nonszensz kodonokat a prokarióták és eukarióták felszabadulási tényezői ismerik fel, amelyek utasítják a peptidil-transzferázt, hogy vízmolekulát adjon a p-hely aminosav karboxil végéhez. Ez a reakció arra kényszeríti a P-hely aminosavat, hogy leváljon a tRNS-ről, és az újonnan előállított fehérje felszabaduljon. A kis és a nagy riboszomális alegységek az mRNS-től és egymástól disszociálnak; szinte azonnal egy másik transzlációs iniciációs komplexumba kerülnek. Miután sok riboszóma befejezte a transzlációt, az mRNS lebomlik, így a nukleotidok újra felhasználhatók egy másik transzkripciós reakcióban.

ellenőrizze megértését

válaszoljon az alábbi kérdés(ek) re, hogy lássa, mennyire érti jól az előző szakaszban tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az osztályzatodba, és korlátlan számú alkalommal megismételheted.

használja ezt a kvízt, hogy ellenőrizze a megértést, és eldöntse, hogy (1) tanulmányozza-e tovább az előző szakaszt, vagy (2) lépjen tovább a következő szakaszra.