Buňky plní mnoho různých funkcí. Produkují energii, komunikují s ostatními buňkami a tvoří fyzickou podstatu těla. Jednou z hlavních funkcí buněk je stavba bílkovin. Bílkoviny jsou biologické makromolekuly, které v těle plní rozmanité funkce. Buňky vytvářejí bílkoviny na základě informací zakódovaných v DNA. Proces získávání informací z DNA pro tvorbu bílkovin se nazývá genová exprese.
V zásadě má genová exprese dva kroky:
- Transkripce – Během transkripce je informace v DNA „zkopírována“ do podoby messengerové RNA (mRNA)
- Translace – V této fázi, je mRNA „přečtena“ buněčnými stroji a jsou vytvořeny zakódované bílkoviny
V tomto článku se budeme podrobně zabývat translací a podíváme se na molekulární mechanismy tohoto procesu. Doporučujeme vám, abyste si nejprve přečetli tento článek o transkripci.
Jak se v mRNA ukládá informace?“
Chceme-li porozumět translaci, musíme nejprve pochopit, jak je v mRNA uložena informace pro proteiny. Přísně vzato mRNA nekóduje bílkovinu. Spíše mRNA kóduje – dává instrukce pro sekvenci aminokyselin zvanou polypeptidový řetězec. Proteiny se skládají z mnoha polypeptidových řetězců.
Informace v mRNA jsou uloženy ve formě sekvencí nukleotidových bází (A, C, G a U), které se čtou po třech. Triplet bází se nazývá kodon. Každý kodon odkazuje na určitou aminokyselinu. Například kodon ACG určuje aminokyselinu threonin. Pořadí kodonů v mRNA určuje pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci. Takže a vlákno mRNA, které obsahuje sekvenci AUUCAGUGU, kóduje aminokyseliny isoleucin (AUU), glutamin (CAG) a cystein (UGU) v tomto pořadí.
V lidské RNA je 61 kodonů, které kódují přibližně 20 aminokyselin. Existuje také speciální kodon AUG zvaný „start kodon“, který říká, kde gen začíná. A konečně existují tři speciální kodony, které nekódují aminokyseliny (UAA, UAG, UGA) a kterým se říká „stop kodony“. Stop kodony říkají translačním mechanismům, kdy je polypeptidový řetězec dokončen.
Přehled překladu
Překlad je složitý proces, který vyžaduje některé specializované stroje. Na procesu translace se podílejí dva typy molekul: tRNA a ribosomy.
tRNA
tRNA („přenosové“ RNA) jsou molekuly, které překlenují mezeru mezi kodony v mRNA a jimi určenými aminokyselinami. Jeden konec tRNA obsahuje sekvenci bází zvanou antikodon, která se může vázat na konkrétní kodon prostřednictvím komplementárního párování bází. Druhý konec tRNA obsahuje aminokyselinu určenou kodonem. Existují molekuly tRNA, které čtou každý kodon a bing specifikovanou aminokyselinu. tRNA se váže na mRNA a uspořádává aminokyseliny v příslušném pořadí.
Ribosomy
Ribosomy jsou struktury, které fyzicky sestavují bílkovinu. Ribosomy se skládají ze složité sítě speciální ribozomální RNA (rRNA) a proteinů. Každý ribozom má 2 části: malou podjednotku a velkou podjednotku. Malá podjednotka se nazývá podjednotka 40S a velká podjednotka 60S. Obě části ribozomů obklopují vlákno mRNA, téměř jako dva kousky chleba na sendviči. Přísně vzato ribozomy NEJSOU organely, protože jim chybí membrána. Prokaryota mají také ribozomy a prokaryota nemají organely.
Vlákna mRNA jsou přiváděna do ribozomů, které čtou kodony. Ribosomy obsahují přihrádky pro antikodony tRNA, které se vážou na odpovídající kodony mRNA. Tři vazebná místa pro tRNA na ribozomu se nazývají místa A, P a E. Ribosomy také obsahují enzymy, které katalyzují reakci, při níž se aminokyseliny spojují do polypeptidového řetězce.
Proces translace
Samotnou translaci lze rozdělit do tří kroků: iniciace, elongace a terminace. Většina těchto procesů probíhá v cytoplazmě buňky nebo v endoplazmatickém retikulu. U eukaryot probíhá translace zcela odděleně od transkripce, protože pre-mRNA skript vytvořený při transkripci musí být před svou translací upraven. U prokaryot dochází k translaci bezprostředně po transkripci. V některých případech může translace jednoho konce vlákna mRNA začít, zatímco druhý konec je stále přepisován.
Iniciace
V prvním kroku translace se uvolňují proteiny iniciačních faktorů. Jedná se o proteiny, které spouštějí první kroky procesu translace. Iniciační faktory translace se vážou na 5′ konec mRNA a přenášejí ji na ribosomy. MRNA se naváže na malou podjednotku ribozomu a udrží se na místě. U eukaryot se na malou podjednotku naváže molekula tRNA obsahující methionin a společně se pohybují po řetězci mRNA, dokud nedosáhnou startovacího kodonu, kterým je téměř vždy kodon AUG. Jakmile je dosaženo, velká ribozomální podjednotka uzavře zbytek vlákna a vytvoří dokončený iniciační komplex.
U prokaryot je to trochu jinak. U prokaryot malá ribozomální podjednotka necestuje po vlákně mRNA a nehledá kodon AUG. Místo toho se váže přímo na určité sekvence v řetězci mRNA. Translační mechanismy prokaryot mohou rozpoznat oblast pro start podle přítomnosti Shine-Dalgarnových sekvencí, které se vyskytují před start kodonem. Bakterie používají Shine-Dalgarnovy sekvence, protože jedna sekvence DNA může kódovat více proteinů
Prodloužení
Jednou methionin nesoucí tRNA najde start kodon a začne další fáze translace. Během elongace dochází ke konstrukci vlastního polypeptidového řetězce. Co se děje během elongace, si lze zapamatovat podle názvu: Při elongaci se polypeptidový řetězec prodlužuje.
Při zahájení elongace se tRNA nesoucí methionin nachází v místě P uprostřed ribozomu. Vedle místa P se nachází místo A, které je nad exponovaným kodonem na řetězci mRNA. Místo A je „slot“ pro další molekulu tRNA, která se spojí s exponovaným kodonem prostřednictvím komplementárního párování kodon-antikodon.
Jakmile další tRNA přistane v místě A, ribozom katalyzuje reakci, která spojí obě aminokyseliny dohromady. Reakce spojující dvě aminokyseliny je reakce hydrolýzy (odstraňování vody), která spojuje aminoskupinu jedné aminokyseliny s karboxylovou skupinou druhé. Tato reakce přenáší methionin z první tRNA na tRNA v místě A. Nyní máme primitivní polypeptidový řetězec složený ze dvou aminokyselin. Konec methioninu se nazývá N-konec a opačný konec se nazývá C-konec.
Většina polypeptidových řetězců je delší než dvě aminokyseliny. Po vytvoření první peptidové vazby se mRNA protáhne ribozomem přesně o jeden kodon. Tento posun přesune tRNA s řetězcem z místa A do místa P a prázdnou tRNA ve slotu P přesune do slotu E („exit“), kde je odstraněna. Posun také odhalí nový kodon mRNA v místě A.
Proces se opakuje po řetězci mRNA, dokud není polypeptidový řetězec kompletní. Některé bílkoviny se skládají pouze z několika desítek aminokyselin, zatímco jiné jich mohou mít tisíce. Nejdelší známý protein se nazývá titin a skládá se z řetězce o 33 000 aminokyselinách.
Terminace
Jak ribozomy poznají, že je polypeptidový řetězec kompletní? To je úloha posledního kroku translace, který se nazývá terminace. K ukončení translačních mechanismů dochází, jakmile do místa A vstoupí stop kodon (UAA, UAG, UGA). Když stop kodon vstoupí do místa A, není rozpoznán tRNA, ale speciálními bílkovinami, které se nazývají uvolňovací faktory. Tyto proteiny způsobí, že ribozomální enzymy přidají k poslední aminokyselině v řetězci molekulu vody, což způsobí disociaci ribozomálních podjednotek a uvolnění polypeptidového řetězce. Poté mohou být ribozomální podjednotky opět použity k překladu dalšího polypeptidového řetězce.
Post-translační modifikace
Když už máme kompletní polypeptidový řetězec, může jít ven a začít v těle pracovat, že? No, ne tak docela.
U prokaryot jsou bílkoviny obecně připraveny k práci, jakmile jsou přeloženy. U eukaryot však musí polypeptidové řetězce často projít několika modifikacemi, než se z nich stane plně funkční zralý protein. Tyto posttranslační úpravy zahrnují změnu nebo odstranění některých aminokyselin. Některé bílkoviny je třeba složit do složitého trojrozměrného tvaru a existují enzymy, které se skládáním pomáhají. Někdy se dva složené polypeptidové řetězce spojí a vytvoří větší proteinový komplex. Jindy přidání nebo odebrání skupiny aminokyselin funguje jako „značka“, která tělu říká, kam se má protein dostat.
U eukaryot se mot posttranslační modifikace děje v endoplazmatickém retikulu a Golgiho aparátu. V endoplazmatickém retikulu se proteiny skládají nebo se z nich odstřihávají či přidávají úseky. Mechanismy, které se o tyto procesy starají, jsou velmi rozmanité. po úpravě v endoplazmatickém retikulu jsou proteiny uzavřeny ve vezikulech vázaných na membránu a transportovány do Golgiho aparátu. Jakmile se tam dostanou, projdou několika posledními úpravami, než jsou odeslány na místo určení.