ce veți învăța să faceți: rezumați procesul de traducere

luați un moment să vă uitați la mâini. Osul, pielea și mușchiul pe care le vedeți sunt alcătuite din celule. Și fiecare dintre aceste celule conține multe milioane de proteine de fapt, proteinele sunt „blocuri” moleculare cheie pentru fiecare organism de pe Pământ!

cum se fac aceste proteine într-o celulă? Pentru început, instrucțiunile pentru fabricarea proteinelor sunt „scrise” în ADN-ul unei celule sub formă de gene. Practic, o genă este utilizată pentru a construi o proteină într-un proces în două etape:

• Pasul 1: transcriere (despre care tocmai am aflat)! Aici, secvența ADN a unei gene este „rescrisă” sub formă de ARN. În eucariote ca tine și ca mine, ARN-ul este procesat (și are adesea câțiva biți decupați din el) pentru a face produsul final, numit ARN mesager sau ARNm.
• Pasul 2: traducere! În această etapă, ARNm este „decodat” pentru a construi o proteină (sau o bucată/subunitate a unei proteine) care conține o serie specifică de aminoacizi.

cerințe pentru traducere

Figura 1. O legătură peptidică leagă capătul carboxil al unui aminoacid cu capătul amino al altuia, expulzând o moleculă de apă. Pentru simplitate în această imagine, sunt prezentate numai grupurile funcționale implicate în legătura peptidică. Denumirile R și R ‘ se referă la restul fiecărei structuri de aminoacizi.

procesul de traducere sau sinteza proteinelor implică decodificarea unui mesaj ARNm într-un produs polipeptidic. Aminoacizii sunt legați covalent prin legături peptidice interconectate. Fiecare aminoacid individual are o grupare amino (NH2) și o grupare carboxil (COOH). Polipeptidele se formează atunci când gruparea amino a unui aminoacid formează o legătură amidică (adică peptidă) cu gruparea carboxil a unui alt aminoacid (Figura 1).

această reacție este catalizată de ribozomi și generează o moleculă de apă.

mecanismul de sinteză a proteinelor

În plus față de șablonul ARNm, multe molecule și macromolecule contribuie la procesul de traducere. Traducerea necesită introducerea unui șablon ARNm, ribozomi, Arnt și diverși factori enzimatici.

ribozomi

un ribozom este o macromoleculă complexă compusă din ARNr structurale și catalitice și multe polipeptide distincte. Ribozomii există în citoplasmă în procariote și în citoplasmă și reticul endoplasmatic dur în eucariote. Ribozomii sunt alcătuiți din două subunități. În E. coli, subunitatea mică este descrisă ca 30S, iar subunitatea mare este 50S, pentru un total de 70S. ribozomii mamiferelor au o subunitate mică 40S și o subunitate mare 60S, pentru un total de 80S. Subunitatea mică este responsabilă pentru legarea șablonului ARNm, în timp ce subunitatea mare leagă secvențial Arnt.

Arnt

Arnt-urile sunt molecule structurale de ARN care au fost transcrise din gene de ARN polimeraza III. servind ca adaptori, Arnt-urile specifice se leagă de secvențele de pe șablonul ARNm și adaugă aminoacidul corespunzător la lanțul polipeptidic. Prin urmare, Arnt sunt moleculele care de fapt „traduc” limbajul ARN în limbajul proteinelor.

Figura 2. Fenilalanină Arnt

din cele 64 de codoni ARNm posibile—sau combinații triplet de A, U, G și C—trei specifică încetarea sintezei proteinelor și 61 specifică adăugarea de aminoacizi în lanțul polipeptidic. Dintre acestea 61, un codon (AUG) cunoscut și sub numele de „codon start” codifică inițierea traducerii. Fiecare anticodon Tarn se poate baza pereche cu unul dintre codonii ARNm și poate adăuga un aminoacid sau poate termina traducerea, conform codului genetic. De exemplu, dacă secvența CUA a avut loc pe un șablon ARNm în cadrul de citire adecvat, ar lega un Arnt care exprimă secvența complementară, GAU, care ar fi legată de aminoacidul leucină.Arnt maturi iau o structură tridimensională prin legătura intramoleculară de hidrogen pentru a poziționa situsul de legare a aminoacizilor la un capăt și anticodonul la celălalt capăt (Figura 2).Anticodonul este o secvență de trei nucleotide într-un Arnt care interacționează cu un codon ARNm prin împerecherea complementară a bazelor.

Arnt trebuie să interacționeze cu trei factori:

1. acestea trebuie recunoscute de aminoacil sintetaza corectă.
2. acestea trebuie recunoscute de ribozomi.
3. trebuie să se lege de secvența corectă în ARNm.

aminoacil Arnt sintetaze

prin procesul de „încărcare” a Arnt, fiecare moleculă de Arnt este legată de aminoacidul său corect printr-un grup de enzime numite aminoacil Arnt sintetaze. Există cel puțin un tip de aminoacil Arnt sintetază pentru fiecare dintre cei 20 de aminoacizi.

codul Genetic

având în vedere numerele diferite de „Litere” din ARNm și „alfabetele” proteinelor, oamenii de știință au teoretizat că combinațiile de nucleotide corespund aminoacizilor unici. Oamenii de știință au teoretizat că aminoacizii au fost codificați de tripleți nucleotidici și că codul genetic a fost degenerat. Cu alte cuvinte, un aminoacid dat ar putea fi codificat de mai mult de un triplet nucleotidic. Aceste triplete nucleotidice se numesc codoni. Oamenii de știință au rezolvat cu atenție codul genetic prin traducerea ARNm sintetice in vitro și secvențierea proteinelor pe care le-au specificat (Figura 3).

Figura 3. Această figură prezintă codul genetic pentru traducerea fiecărui triplet nucleotidic din ARNm într-un aminoacid sau un semnal de terminare într-o proteină în curs de formare. (credit: modificarea muncii de către NIH)

În plus față de instruirea adăugării unui aminoacid specific la un lanț polipeptidic, trei (UAA, UAG, UGA) din cei 64 de codoni încheie sinteza proteinelor și eliberează polipeptida din mașina de traducere. Aceste triplete sunt numite codoni nonsens sau codoni stop. Un alt codon, AUG, are și o funcție specială. Pe lângă specificarea aminoacidului metionină, servește și ca codon de pornire pentru a iniția traducerea. Cadrul de citire pentru traducere este setat de codonul AUG start aproape de capătul 5 ‘ al ARNm.

codul genetic este universal. Cu câteva excepții, practic toate speciile folosesc același cod genetic pentru sinteza proteinelor. Conservarea codonilor înseamnă că un ARNm purificat care codifică proteina globină la cai ar putea fi transferat într-o celulă de lalea, iar lalea ar sintetiza globina calului. Că există un singur cod genetic este o dovadă puternică că toată viața de pe Pământ are o origine comună, mai ales având în vedere că există aproximativ 1084 de combinații posibile de 20 de aminoacizi și 64 de codoni tripleți.

degenerarea este considerată a fi un mecanism celular pentru a reduce impactul negativ al mutațiilor aleatorii. Codonii care specifică același aminoacid diferă de obicei doar cu o nucleotidă. În plus, aminoacizii cu lanțuri laterale similare din punct de vedere chimic sunt codificați de codoni similari. Această nuanță a codului genetic asigură faptul că o mutație de substituție cu un singur nucleotid ar putea fie să specifice același aminoacid, dar să nu aibă niciun efect, fie să specifice un aminoacid similar, împiedicând proteina să devină complet nefuncțională.

pași de traducere

ca și în cazul sintezei ARNm, sinteza proteinelor poate fi împărțită în trei faze: inițiere, alungire și terminare. Procesul de traducere este similar în procariote și eucariote. Aici vom explora modul în care are loc traducerea în E. coli, un procariot reprezentativ, și vom specifica orice diferențe între traducerea procariotă și eucariotă.

inițierea translației

sinteza proteinelor începe cu formarea unui complex de inițiere. În E. coli, acest complex implică ribozomul mic 30S, șablonul ARNm, factorii de inițiere și un inițiator special Arnt. Inițiatorul Tarn interacționează cu codonul de pornire AUG. Guanozin trifosfat (GTP), care este un trifosfat nucleotidic purinic, acționează ca sursă de energie în timpul traducerii—atât la începutul alungirii, cât și în timpul translocării ribozomului.

odată identificat AUG adecvat, subunitatea 50S se leagă de complexul Met-tRNAi, ARNm și subunitatea 30S. Acest pas finalizează inițierea traducerii.

alungirea translației

subunitatea ribozomală 50s a E. coli constă din trei compartimente: situsul A (aminoacil) leagă Arnt-urile aminoacil încărcate. Situl P (peptidil) leagă Arnt încărcate care transportă aminoacizi care au format legături peptidice cu lanțul polipeptidic în creștere, dar nu s-au disociat încă de Arnt corespunzător. Site-ul E (ieșire) eliberează Arnt disociate, astfel încât acestea să poată fi reîncărcate cu aminoacizi liberi. acest lucru creează un complex de inițiere cu un site gratuit gata să accepte Tarn corespunzător primului codon după AUG.

Figura 4. Traducerea ARNm a ribozomilor

în timpul alungirii traducerii, șablonul ARNm oferă specificitate. Pe măsură ce ribozomul se deplasează de-a lungul ARNm, fiecare codon ARNm intră în registru și se asigură legarea specifică cu anticodonul Tarn încărcat corespunzător. Dacă ARNm nu ar fi prezent în complexul de alungire, ribozomul ar lega Arnt nespecific.

alungirea continuă cu tRNAs încărcate care intră în site-ul A și apoi trecerea la site-ul P urmată de site-ul E cu fiecare „pas” cu un singur codon al ribozomului. Etapele ribozomale sunt induse de modificări conformaționale care avansează ribozomul prin trei baze în direcția 3′. Energia pentru fiecare etapă a ribozomului este donată de un factor de alungire care hidrolizează GTP. Se formează legături peptidice între gruparea amino a aminoacidului atașat la Arnt a-situs și gruparea carboxil a aminoacidului atașat la Arnt p-situs. Formarea fiecărei legături peptidice este catalizată de peptidil transferază, o enzimă bazată pe ARN care este integrată în subunitatea ribozomală 50S. Energia pentru fiecare formare a legăturii peptidice este derivată din hidroliza GTP, care este catalizată de un factor de alungire separat. Aminoacidul legat de Arnt la locul P este, de asemenea, legat de lanțul polipeptidic în creștere. Pe măsură ce ribozomul traversează ARNm, fostul Arnt al sitului P intră în situl E, se detașează de aminoacid și este expulzat (Figura 5). Uimitor, aparatul de traducere E. coli durează doar 0.05 secunde pentru a adăuga fiecare aminoacid, ceea ce înseamnă că o proteină de 200 de aminoacizi poate fi tradusă în doar 10 secunde.

Figura 5. Traducerea începe atunci când un inițiator Tarn anticodon recunoaște un codon pe ARNm. Subunitatea ribozomală mare se alătură subunității mici și se recrutează oa doua Arnt. Pe măsură ce ARNm se mișcă în raport cu ribozomul, se formează lanțul polipeptidic. Intrarea unui factor de eliberare în site-ul a termină traducerea și componentele se disociază.

terminarea traducerii

terminarea traducerii are loc atunci când se întâlnește un codon nonsens (UAA, UAG sau UGA). La alinierea cu situl A, acești codoni prostii sunt recunoscuți de factorii de eliberare din procariote și eucariote care instruiesc peptidil transferaza să adauge o moleculă de apă la capătul carboxil al aminoacidului site-ului P. Această reacție forțează aminoacidul site-ului P să se detașeze de Arnt, iar proteina nou produsă este eliberată. Subunitățile ribozomale mici și mari se disociază de ARNm și unele de altele; sunt recrutați aproape imediat într-un alt complex de inițiere a traducerii. După ce mulți ribozomi au finalizat traducerea, ARNm este degradat, astfel încât nucleotidele pot fi reutilizate într-o altă reacție de transcripție.

verificați-vă înțelegerea

răspundeți la întrebarea(întrebările) de mai jos pentru a vedea cât de bine înțelegeți subiectele abordate în secțiunea anterioară. Acest test scurt nu contează pentru nota dvs. în clasă și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

utilizați acest test pentru a verifica înțelegerea dvs. și pentru a decide dacă (1) studiați secțiunea anterioară în continuare sau (2) Treceți la secțiunea următoare.