czego się nauczysz: Podsumuj proces tłumaczenia

poświęć chwilę, aby spojrzeć na swoje ręce. Kość, skóra i mięśnie, które widzicie, składają się z komórek. A każda z tych komórek zawiera wiele milionów białek w rzeczywistości białka są kluczowymi cząsteczkowymi „budulcami” dla każdego organizmu na Ziemi!

jak powstają te białka w komórce? Na początek instrukcje tworzenia białek są „zapisane” w DNA komórki w postaci genów. Zasadniczo, gen jest używany do budowy białka w dwuetapowym procesie:

• Krok 1: transkrypcja (o której właśnie się dowiedzieliśmy)! Tutaj sekwencja DNA genu jest „przepisywana” w postaci RNA. U eukariotów, takich jak ty i ja, RNA jest przetwarzane (i często ma kilka fragmentów wyciętych z niego), aby uzyskać produkt końcowy, zwany posłańcem RNA lub mRNA.
• Krok 2: tłumaczenie! Na tym etapie mRNA jest „dekodowany” w celu zbudowania białka (lub fragmentu/podjednostki białka) zawierającego określoną serię aminokwasów.

wymagania dotyczące tłumaczenia

Rysunek 1. Wiązanie peptydowe łączy karboksylowy koniec jednego aminokwasu z aminowym końcem drugiego, wydalając jedną cząsteczkę wody. Dla uproszczenia na tym obrazie pokazano tylko grupy funkcjonalne zaangażowane w wiązanie peptydowe. Oznaczenia R i R’ odnoszą się do reszty każdej struktury aminokwasowej.

proces translacji, czyli syntezy białek, polega na dekodowaniu wiadomości mRNA w produkt polipeptydowy. Aminokwasy są kowalencyjnie nawleczone przez wzajemne wiązania peptydowe. Każdy aminokwas ma grupę aminową (NH2) i grupę karboksylową (COOH). Polipeptydy powstają, gdy grupa aminowa jednego aminokwasu tworzy wiązanie amidowe (tj. peptydowe) z grupą karboksylową innego aminokwasu (Fig. 1).

reakcja ta jest katalizowana przez rybosomy i wytwarza jedną cząsteczkę wody.

mechanizm syntezy białek

oprócz szablonu mRNA, wiele cząsteczek i makrocząsteczek przyczynia się do procesu translacji. Tłumaczenie wymaga wprowadzenia szablonu mRNA, rybosomów, tRNA i różnych czynników enzymatycznych.

rybosomy

rybosom jest złożoną makrocząsteczką złożoną z strukturalnych i katalitycznych rRNA oraz wielu wyraźnych polipeptydów. Rybosomy występują w cytoplazmie u prokariotów oraz w cytoplazmie i szorstkim retikulum endoplazmatycznym u eukariotów. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek. W E. coli mała podjednostka jest opisana jako 30S, a duża podjednostka to 50s, w sumie 70S. rybosomy ssaków mają małą podjednostkę 40s i dużą podjednostkę 60s, w sumie 80s. Mała podjednostka jest odpowiedzialna za Wiązanie szablonu mRNA, podczas gdy duża podjednostka sekwencyjnie wiąże Trna.

Trna

Trna są strukturalnymi cząsteczkami RNA, które zostały transkrybowane z genów przez polimerazę RNA III. służąc jako adaptery, specyficzne Trna wiążą się z sekwencjami na szablonie mRNA i dodają odpowiedni aminokwas do łańcucha polipeptydowego. Dlatego Trna są cząsteczkami, które faktycznie „tłumaczą” język RNA na język białek.

fig.2. TRNA fenyloalaniny

spośród 64 możliwych kombinacji kodonów mRNA—lub tripletów A, U, G i C—trzy określają zakończenie syntezy białek, a 61 określają dodanie aminokwasów do łańcucha polipeptydowego. Z tych 61, jeden kodon (AUG) znany również jako „kodon początkowy” koduje inicjację tłumaczenia. Każdy antypodon tRNA może bazować w parze z jednym z kodonów mRNA i dodać aminokwas lub zakończyć translację, zgodnie z kodem genetycznym. Na przykład, gdyby Sekwencja CUA wystąpiła na szablonie mRNA we właściwej ramce odczytu, wiązałaby tRNA wyrażającą sekwencję komplementarną, GAU, która byłaby połączona z aminokwasem leucyną.

Dojrzałe Trna przybierają trójwymiarową strukturę poprzez wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe, aby umieścić miejsce wiązania aminokwasów na jednym końcu i anticodon na drugim końcu (fig.2).Anticodon jest sekwencją trzech nukleotydów w tRNA, która oddziałuje z kodonem mRNA poprzez komplementarne parowanie zasad.

Trna muszą oddziaływać z trzema czynnikami:

1. muszą być rozpoznane przez prawidłową syntetazę aminoacylową.
2. muszą być rozpoznawane przez rybosomy.
3. muszą wiązać się z prawidłową sekwencją w mRNA.

syntetazy aminoacylo tRNA

w procesie „ładowania” tRNA każda cząsteczka tRNA jest połączona z prawidłowym aminokwasem przez grupę enzymów zwanych syntetazami aminoacylo tRNA. Dla każdego z 20 aminokwasów istnieje co najmniej jeden rodzaj syntetazy aminoacylo tRNA.

kod genetyczny

biorąc pod uwagę różne liczby „liter” w alfabetach mRNA i białek, naukowcy teoretyzowali, że kombinacje nukleotydów odpowiadają pojedynczym aminokwasom. Naukowcy teoretyzowali, że aminokwasy były kodowane przez trojaczki nukleotydowe i że kod genetyczny był zdegenerowany. Innymi słowy, dany aminokwas może być kodowany przez więcej niż jeden tryplet nukleotydowy. Te trojaczki nukleotydowe nazywane są kodonami. Naukowcy żmudnie rozwiązali kod genetyczny, tłumacząc syntetyczne mRNA in vitro i sekwencjonując białka, które określili(ryc. 3).

Rysunek 3. Ten rysunek pokazuje kod genetyczny translacji każdego nukleotydu triplet w mRNA do aminokwasu lub sygnału zakończenia w rodzącym się białku. (kredyt: modyfikacja pracy przez NIH)

oprócz instrukcji dodawania specyficznego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego, trzy (UAA, UAG, UGA) z 64 kodonów kończą syntezę białek i uwalniają polipeptyd z maszyn translacji. Te trojaczki nazywane są bezsensownymi kodonami lub kodonami stop. Inny kodon, AUG, również ma specjalną funkcję. Oprócz określenia aminokwasu metioniny, służy również jako kodon początkowy do inicjowania translacji. Ramka odczytu do tłumaczenia jest ustawiana przez kodon początku AUG w pobliżu 5 ’ końca mRNA.

kod genetyczny jest uniwersalny. Z kilkoma wyjątkami, praktycznie wszystkie gatunki używają tego samego kodu genetycznego do syntezy białek. Zachowanie kodonów oznacza, że oczyszczony mRNA kodujący białko globiny u koni może zostać przeniesiony do komórki tulipana, a tulipan syntetyzuje końską globinę. To, że istnieje tylko jeden kod genetyczny jest potężnym dowodem na to, że całe życie na Ziemi ma wspólne pochodzenie, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że istnieje około 1084 możliwych kombinacji 20 aminokwasów i 64 kodonów tripletowych.

degeneracja jest uważana za komórkowy mechanizm zmniejszający negatywny wpływ przypadkowych mutacji. Kodony określające ten sam aminokwas zazwyczaj różnią się tylko jednym nukleotydem. Ponadto aminokwasy o chemicznie podobnych łańcuchach bocznych są kodowane przez podobne kodony. Ten niuans kodu genetycznego zapewnia, że mutacja substytucyjna pojedynczego nukleotydu może albo określać ten sam aminokwas, ale nie ma wpływu, albo określać podobny aminokwas, zapobiegając całkowicie niefunkcjonalnemu działaniu białka.

etapy translacji

podobnie jak w przypadku syntezy mRNA, syntezę białek można podzielić na trzy fazy: inicjację, wydłużenie i zakończenie. Proces translacji jest podobny u prokariotów i eukariotów. Tutaj zbadamy, jak translacja zachodzi w E. coli, reprezentatywnym prokariocie, i określimy wszelkie różnice między prokariotycznym a eukariotycznym tłumaczeniem.

inicjacja translacji

synteza białek rozpoczyna się od utworzenia kompleksu inicjacyjnego. W E. coli, kompleks ten obejmuje mały rybosom 30s, szablon mRNA, czynniki inicjujące i specjalny inicjator tRNA. Inicjator tRNA współdziała z kodonem startowym AUG. Trifosforan guanozyny (GTP), który jest trifosforanem nukleotydu purynowego, działa jako źródło energii podczas translacji—zarówno na początku elongacji, jak i podczas translokacji rybosomu.

Po zidentyfikowaniu odpowiedniego AUG, podjednostka 50S wiąże się z kompleksem Met-tRNAi, mRNA i podjednostki 30s. Ten krok kończy inicjację tłumaczenia.

wydłużenie translacji

podjednostka rybosomalna 50s E. coli składa się z trzech przedziałów: miejsce a (aminoacyl) wiąże przychodzące naładowane aminoacyl Trna. Miejsce P (peptydyl) wiąże naładowane Trna niosące aminokwasy, które utworzyły wiązania peptydowe z rosnącym łańcuchem polipeptydowym, ale jeszcze nie oddzieliły się od odpowiadającego im tRNA. Miejsce e (wyjściowe) uwalnia dysocjowane Trna, dzięki czemu można je naładować wolnymi aminokwasami. tworzy to kompleks inicjacyjny z wolnym miejscem a gotowym do przyjęcia tRNA odpowiadającego pierwszemu kodonowi po AUG.

Rysunek 4. Translacja mRNA rybosomu

podczas wydłużania translacji szablon mRNA zapewnia swoistość. Gdy rybosom porusza się wzdłuż mRNA, każdy kodon mRNA wchodzi w rejestr i zapewnia się specyficzne wiązanie z odpowiadającym mu naładowanym antyodonem tRNA. Gdyby mRNA nie było obecne w kompleksie elongacyjnym, rybosom wiązałby Trna niespecyficznie.

Elongacja przebiega z naładowanymi Trna wchodzącymi do miejsca a, a następnie przesuwającymi się do miejsca P, a następnie do miejsca E z każdym pojedynczym „krokiem” kodonu rybosomu. Kroki rybosomu są indukowane przez zmiany konformacyjne, które przyspieszają rybosom o trzy zasady w kierunku 3′. Energia dla każdego etapu rybosomu jest przekazywana przez współczynnik wydłużenia, który hydrolizuje GTP. Wiązania peptydowe tworzą się między grupą aminową aminokwasu przyłączonego do Trna w miejscu a a grupą karboksylową aminokwasu przyłączonego do Trna w miejscu p. Tworzenie każdego wiązania peptydowego jest katalizowane przez peptydyl transferazę, enzym oparty na RNA, który jest zintegrowany z podjednostką rybosomalną 50s. Energia dla każdego tworzenia wiązania peptydowego pochodzi z hydrolizy GTP, która jest katalizowana przez oddzielny współczynnik wydłużenia. Aminokwas związany z Trna w miejscu P jest również związany z rosnącym łańcuchem polipeptydowym. Gdy rybosom przechodzi przez mRNA, dawny Trna w miejscu P wchodzi do miejsca E, odłącza się od aminokwasu i jest wydalany (Fig.5). O dziwo, translacja E. coli zajmuje tylko 0.05 sekund na dodanie każdego aminokwasu, co oznacza, że 200-aminokwasowe białko można przetłumaczyć w zaledwie 10 sekund.

Rysunek 5. Translacja rozpoczyna się, gdy inicjator Trna anticodon rozpoznaje kodon na mRNA. Duża podjednostka rybosomalna łączy się z małą podjednostką, a druga Trna zostaje zwerbowana. Gdy mRNA porusza się względem rybosomu, powstaje łańcuch polipeptydowy. Wprowadzenie czynnika release do strony a kończy tłumaczenie, a komponenty się dysocjują.

zakończenie tłumaczenia

zakończenie tłumaczenia występuje, gdy napotkany jest kodon bezsensowny (UAA, UAG lub UGA). Po dopasowaniu do miejsca a, te nonsensowne kodony są rozpoznawane przez czynniki uwalniające u prokariotów i eukariotów, które instruują peptydylotransferazę, aby dodała cząsteczkę wody do karboksylowego końca aminokwasu miejsca P. Reakcja ta zmusza aminokwas miejsca P do odłączenia się od tRNA, a nowo wytworzone białko zostaje uwolnione. Małe i duże podjednostki rybosomalne oddzielają się od mRNA i od siebie; są rekrutowane niemal natychmiast w inny kompleks inicjacji translacji. Po zakończeniu translacji wielu rybosomów mRNA ulega degradacji, dzięki czemu nukleotydy mogą być ponownie wykorzystane w innej reakcji transkrypcyjnej.

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie liczy się do twojej oceny w klasie i możesz go powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

Użyj tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować, czy (1) przestudiować poprzednią sekcję dalej, Czy (2) przejść do następnej sekcji.