vad du lär dig att göra: sammanfatta översättningsprocessen

ta en stund att titta på dina händer. Benet, huden och muskeln du ser består av celler. Och var och en av dessa celler innehåller många miljoner proteiner i själva verket är proteiner viktiga molekylära ”byggstenar” för varje organism på jorden!

hur tillverkas dessa proteiner i en cell? Till att börja med är instruktionerna för att göra proteiner ”skrivna” i en cells DNA i form av gener. I grund och botten används en gen för att bygga ett protein i en tvåstegsprocess:

• Steg 1: transkription (som vi just lärde oss om)! Här är DNA-sekvensen för en gen ”omskriven” i form av RNA. I eukaryoter som du och jag bearbetas RNA (och har ofta några bitar snippade ut ur det) för att göra slutprodukten, kallad budbärar-RNA eller mRNA.
• steg 2: översättning! I detta skede ”avkodas” mRNA för att bygga ett protein (eller en bit/subenhet av ett protein) som innehåller en specifik serie aminosyror.

krav för översättning

Figur 1. En peptidbindning länkar karboxyländen av en aminosyra med aminänden av en annan och utvisar en vattenmolekyl. För enkelhet i denna bild visas endast de funktionella grupperna som är involverade i peptidbindningen. R-och R-beteckningarna hänvisar till resten av varje aminosyrastruktur.

processen för översättning, eller proteinsyntes, innefattar avkodning av ett mRNA-meddelande till en polypeptidprodukt. Aminosyror är kovalent uppträdda tillsammans genom att sammanlänka peptidbindningar. Varje enskild aminosyra har en aminogrupp (NH2) och en karboxylgrupp (COOH). Polypeptider bildas när aminogruppen av en aminosyra bildar en amid (dvs peptid) bindning med karboxylgruppen av en annan aminosyra (Figur 1).

denna reaktion katalyseras av ribosomer och genererar en vattenmolekyl.

Proteinsyntesmaskinen

förutom mRNA-mallen bidrar många molekyler och makromolekyler till översättningsprocessen. Översättning kräver inmatning av en mRNA-Mall, ribosomer, tRNA och olika enzymatiska faktorer.

ribosomer

en ribosom är en komplex makromolekyl som består av strukturella och katalytiska rRNA och många distinkta polypeptider. Ribosomer finns i cytoplasman i prokaryoter och i cytoplasman och grov endoplasmatisk retikulum i eukaryoter. Ribosomer består av två underenheter. I E. coli beskrivs den lilla subenheten som 30S, och den stora subenheten är 50S, för totalt 70S. Däggdjursribosomer har en liten 40s subenhet och en stor 60S subenhet, för totalt 80s. Den lilla underenheten är ansvarig för att binda mRNA-mallen, medan den stora underenheten sekventiellt binder tRNA.

tRNA

tRNA är strukturella RNA-molekyler som transkriberades från gener av RNA-polymeras III. tjänar som adaptrar, binder specifika tRNA till sekvenser på mRNA-mallen och tillsätter motsvarande aminosyra till polypeptidkedjan. Därför är tRNA de molekyler som faktiskt ”översätter” RNA-språket till proteinspråket.

Figur 2. Fenylalanin tRNA

av de 64 möjliga mRNA-kodonerna – eller triplettkombinationerna av A, U, G och C—tre specificerar avslutningen av proteinsyntesen och 61 specificerar tillsatsen av aminosyror till polypeptidkedjan. Av dessa 61 kodar ett kodon (AUG) även känt som ”startkodon” initiering av översättning. Varje tRNA-antikodon kan basera par med en av mRNA-kodonerna och tillsätta en aminosyra eller avsluta översättning, enligt den genetiska koden. Till exempel, om sekvensen CUA inträffade på en mRNA-Mall i rätt läsningsram, skulle den binda ett tRNA som uttrycker den komplementära sekvensen, GAU, som skulle kopplas till aminosyran leucin.

Mogna tRNA tar en tredimensionell struktur genom intramolekylär vätebindning för att placera aminosyrabindningsstället i ena änden och antikodon i den andra änden (Figur 2).Antikodonen är en tre-nukleotidsekvens i ett tRNA som interagerar med ett mRNA-kodon genom komplementär basparning.

tRNA behöver interagera med tre faktorer:

1. de måste erkännas av rätt aminoacylsyntetas.
2. de måste erkännas av ribosomer.
3. de måste binda till rätt sekvens i mRNA.

Aminoacyl tRNA-Syntetaser

genom processen med tRNA ”laddning” är varje tRNA-molekyl kopplad till sin korrekta aminosyra av en grupp enzymer som kallas aminoacyl tRNA-syntetaser. Minst en typ av aminoacyl tRNA-syntetas finns för var och en av de 20 aminosyrorna.

genetisk kod

Med tanke på de olika siffrorna av ”bokstäver” i mRNA och protein ”alfabet” teoretiserade forskare att kombinationer av nukleotider motsvarade enskilda aminosyror. Forskare teoretiserade att aminosyror kodades av nukleotidtripletter och att den genetiska koden var degenererad. Med andra ord kan en given aminosyra kodas av mer än en nukleotidtriplett. Dessa nukleotidtripletter kallas kodoner. Forskare löste noggrant den genetiska koden genom att översätta syntetiska mRNA in vitro och sekvensera proteinerna de specificerade (Figur 3).

Figur 3. Denna figur visar den genetiska koden för att översätta varje nukleotidtriplett i mRNA till en aminosyra eller en avslutningssignal i ett framväxande protein. (kredit: modifiering av arbete av NIH)

förutom att instruera tillsatsen av en specifik aminosyra till en polypeptidkedja, avslutar tre (UAA, UAG, UGA) av de 64 kodonerna proteinsyntesen och frigör polypeptiden från översättningsmaskineriet. Dessa tripletter kallas nonsenskodoner, eller stoppa kodoner. En annan kodon, AUG, har också en speciell funktion. Förutom att specificera aminosyran metionin, fungerar det också som startkodon för att initiera översättning. Läsramen för översättning ställs in av AUG startkodon nära 5 ’ slutet av mRNA.

den genetiska koden är universell. Med några få undantag använder nästan alla arter samma genetiska kod för proteinsyntes. Bevarande av kodoner innebär att ett renat mRNA som kodar för globinproteinet i hästar kan överföras till en tulpancell, och tulpan skulle syntetisera hästglobin. Att det bara finns en genetisk kod är ett kraftfullt bevis på att allt liv på jorden delar ett gemensamt ursprung, särskilt med tanke på att det finns cirka 1084 möjliga kombinationer av 20 aminosyror och 64 triplettkodoner.

degeneration tros vara en cellulär mekanism för att minska de negativa effekterna av slumpmässiga mutationer. Kodoner som specificerar samma aminosyra skiljer sig vanligtvis bara med en nukleotid. Dessutom kodas aminosyror med kemiskt liknande sidokedjor av liknande kodoner. Denna nyans av den genetiska koden säkerställer att en singel-nukleotid substitutionsmutation antingen kan specificera samma aminosyra men har ingen effekt eller specificera en liknande aminosyra, vilket förhindrar att proteinet görs fullständigt icke-funktionellt.

steg för översättning

som med mRNA-syntes kan proteinsyntes delas in i tre faser: initiering, förlängning och avslutning. Översättningsprocessen är liknande i prokaryoter och eukaryoter. Här undersöker vi hur översättning sker i E. coli, en representativ prokaryot, och specificerar eventuella skillnader mellan prokaryot och eukaryot översättning.

initiering av översättning

proteinsyntes börjar med bildandet av ett initieringskomplex. I E. coli, detta komplex involverar den lilla 30s ribosomen, mRNA-mallen, initieringsfaktorer och en speciell initiator tRNA. Initiativtagaren tRNA interagerar med startkodonet AUG. Guanosintrifosfat (GTP), som är ett purinnukleotidtrifosfat, fungerar som en energikälla under översättning—både i början av förlängningen och under ribosomens translokation.

När lämplig AUG har identifierats binder 50s-underenheten till komplexet av Met-tRNAi, mRNA och 30s-underenheten. Detta steg avslutar initieringen av översättningen.

förlängning av översättning

50S ribosomal subenhet av E. coli består av tre fack: a (aminoacyl) – stället binder inkommande laddade aminoacyl-tRNA. P (peptidyl) – stället binder laddade tRNA som bär aminosyror som har bildat peptidbindningar med den växande polypeptidkedjan men ännu inte har dissocierats från deras motsvarande tRNA. E (exit) – platsen frigör dissocierade tRNA så att de kan laddas med fria aminosyror. detta skapar ett initieringskomplex med en gratis webbplats redo att acceptera tRNA som motsvarar det första kodonet efter AUG.

Figur 4. Ribosom mRNA-översättning

under översättningsförlängning ger mRNA-mallen specificitet. När ribosomen rör sig längs mRNA, registreras varje mRNA-kodon och specifik bindning med motsvarande laddade tRNA-antikodon säkerställs. Om mRNA inte var närvarande i förlängningskomplexet skulle ribosomen binda tRNA nonspecifically.

förlängning fortsätter med laddade tRNA som kommer in i A-platsen och sedan skiftar till P-platsen följt av E-platsen med varje enskilt kodon ”steg” i ribosomen. Ribosomala steg induceras av konformationsförändringar som förflyttar ribosomen med tre baser i 3′ – riktningen. Energin för varje steg i ribosomen doneras av en förlängningsfaktor som hydrolyserar GTP. Peptidbindningar bildas mellan aminogruppen av aminosyran bunden till a-plats tRNA och karboxylgruppen av aminosyran bunden till P-plats tRNA. Bildningen av varje peptidbindning katalyseras av peptidyltransferas, ett RNA-baserat enzym som är integrerat i 50s ribosomal subenhet. Energin för varje peptidbindningsbildning härrör från GTP-hydrolys, som katalyseras av en separat förlängningsfaktor. Aminosyran bunden till P-plats tRNA är också kopplad till den växande polypeptidkedjan. När ribosomen går över mRNA, kommer den tidigare P-site tRNA in i e-platsen, lossnar från aminosyran och utvisas (Figur 5). Otroligt, E. coli-översättningsapparaten tar bara 0.05 sekunder för att tillsätta varje aminosyra, vilket innebär att ett 200-aminosyraprotein kan översättas på bara 10 sekunder.

Figur 5. Översättning börjar när en initiator tRNA anticodon känner igen ett kodon på mRNA. Den stora ribosomala underenheten ansluter sig till den lilla underenheten och en andra tRNA rekryteras. När mRNA rör sig relativt ribosomen bildas polypeptidkedjan. Inmatning av en frisättningsfaktor på A-platsen avslutar översättningen och komponenterna dissocierar.

uppsägning av översättning

uppsägning av översättning sker när ett nonsenskodon (UAA, UAG eller UGA) påträffas. Vid anpassning till A-platsen känns dessa nonsenskodoner igen av frisättningsfaktorer i prokaryoter och eukaryoter som instruerar peptidyltransferas att tillsätta en vattenmolekyl till karboxyländen av p-platsens aminosyra. Denna reaktion tvingar p-plats aminosyran att lossna från dess tRNA, och det nytillverkade proteinet frigörs. De små och stora ribosomala subenheterna skiljer sig från mRNA och från varandra; de rekryteras nästan omedelbart till ett annat översättningsinitieringskomplex. Efter att många ribosomer har slutfört översättning bryts mRNA ned så att nukleotiderna kan återanvändas i en annan transkriptionsreaktion.

kontrollera din förståelse

svara på frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlas i föregående avsnitt. Denna korta frågesport räknas inte mot ditt betyg i klassen, och du kan återta det ett obegränsat antal gånger.

använd det här frågesporten för att kontrollera din förståelse och bestämma om du ska (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.