Cellerne udfører mange forskellige funktioner. De producerer energi, kommunikerer med andre celler og udgør kroppens fysiske hovedbestanddel. En af cellernes vigtigste funktioner er at konstruere proteiner. Proteiner er biologiske makromolekyler, der udfører en lang række forskellige funktioner i kroppen. Cellerne konstruerer proteiner på grundlag af oplysninger, der er kodet i DNA. Processen med at udtrække information fra DNA til fremstilling af proteiner kaldes genekspression.
Fundamentalt set består genekspression af to trin:
- Transskription – Under transskriptionen “kopieres” informationen i DNA’et til form af messenger RNA (mRNA)
- Translation – I dette trin, mRNA “læses” af det cellulære maskineri, og de kodede proteiner fremstilles
I denne artikel vil vi gå i dybden med translation og se på de molekylære mekanismer bag denne proces. Det anbefales, at du først læser denne artikel om transkription.
Hvordan lagrer mRNA information?
For at forstå translation må vi først forstå, hvordan information til proteiner lagres i mRNA. Strengt taget koder mRNA ikke for et protein. Snarere koder mRNA for – giver instruktioner til – en sekvens af aminosyrer kaldet en polypeptidkæde. Proteiner består af mange polypeptidkæder.
Informationer i mRNA lagres i form af sekvenser af nukleotidbaser (A, C, G og U), der læses i tre. En triplet af baser kaldes et kodon. Hvert kodon henviser til en bestemt aminosyre. F.eks. angiver kodonet ACG aminosyren threonin. Rækkefølgen af kodoner i mRNA angiver rækkefølgen af aminosyrerne i polypeptidkæden. Så en mRNA-streng, der indeholder sekvensen AUUCAGUGU, koder for aminosyrerne isoleucin (AUU), glutamin (CAG) og cystein (UGU) i denne rækkefølge.
I menneskeligt RNA er der 61 kodoner, som koder for ca. 20 aminosyrer. Der er også den særlige kodon AUG kaldet en “startkodon”, der fortæller, hvor genet begynder. Endelig er der tre særlige kodoner, der ikke koder for aminosyrer (UAA, UAG, UGA), som kaldes “stopkodoner”. Stopkodoner fortæller oversættelsesmekanismerne, hvornår polypeptidkæden er færdig.
Overblik over oversættelse
Translation er en kompleks proces, der kræver nogle specialiserede maskiner. To typer molekyler er involveret i oversættelsesprocessen: tRNA og ribosomer.
tRNA
tRNA’er (“transfer”-RNA’er) er molekyler, der bygger bro mellem kodoner i mRNA og de aminosyrer, de angiver. Den ene ende af tRNA indeholder en sekvens af baser kaldet et anticodon, der kan binde sig til et specifikt codon via komplementær baseparring. Den anden ende af tRNA indeholder den aminosyre, der er specificeret af kodonet. Der er tRNA-molekyler, der læser hvert kodon og bing den specificerede aminosyre. tRNA’er binder sig til mRNA og arrangerer aminosyrerne i den rette rækkefølge.
Ribosomer
Ribosomer er de strukturer, der fysisk samler proteinet. Ribosomer er sammensat af et komplekst net af særligt ribosomalt RNA (rRNA) og proteiner. Hvert ribosom består af 2 dele: en lille underenhed og en stor underenhed. Den lille underenhed kaldes 40S-underenheden og den store 60S-underenheden. De to dele af ribosomerne omslutter mRNA-strengen, næsten som de to brødstykker på en sandwich. Strengt taget er ribosomer IKKE organeller, fordi de mangler en membran. Prokaryoter besidder også ribosomer, og prokaryoter har ikke organeller.
mRNA-strenge føres ind i ribosomer, som læser kodonerne. Ribosomerne indeholder rum, hvor tRNA-anticodoner kan binde sig til deres tilsvarende mRNA-kodoner. De tre bindingssteder for tRNA på ribosomerne kaldes A, P og E-stederne. Ribosomer indeholder også enzymer, der katalyserer den reaktion, der binder aminosyrer sammen til en polypeptidkæde.
Translationsprocessen
Translationen i sig selv kan opdeles i tre trin: initiering, forlængelse og afslutning. De fleste af disse processer finder sted i cellens cytoplasma eller i det endoplasmatiske retikulum. I eukaryoter sker translation helt adskilt fra transkription, fordi præ-mRNA-skriftet, der er skabt i transkriptionen, skal modificeres, før det oversættes. Hos prokaryoter sker translationen direkte efter transkriptionen. I nogle tilfælde kan translation af den ene ende af en mRNA-streng begynde, mens den anden ende stadig transskriberes.
Initiering
I det første trin af translation frigøres initieringsfaktorproteiner. Disse er de proteiner, der udløser de første trin i translationsprocessen. Oversættelsesinitiatorer binder sig til 5′-enden af mRNA og bringer det over til ribosomerne. mRNA’et binder sig til den lille underenhed af ribosomet og holdes på plads. I eukaryoter binder et tRNA-molekyle, der indeholder methionin, sig til den lille underenhed, og sammen bevæger de sig ned ad mRNA-strengen, indtil de når startkodonen, som næsten altid er AUG-kodonen. Når den er nået, omslutter den store ribosomale underenhed resten af strengen og danner det færdige initieringskompleks.
I prokaryoter er historien en smule anderledes. I prokaryoter rejser den lille ribosomale underenhed ikke ned ad mRNA-strengen for at lede efter AUG-kodonen. I stedet binder den sig direkte til bestemte sekvenser i mRNA-strengen. Prokaryote oversættelsesmekanismer kan genkende det område, der skal startes, ved tilstedeværelsen af Shine-Dalgarno-sekvenser, der forekommer før startkodonet. Bakterier bruger Shine-Dalgarno-sekvenser, fordi én DNA-sekvens kan kode for flere proteiner
Forlængelse
Når det methioninbærende tRNA finder startkodonet, begynder den næste fase af translationen. Under elongationen opbygges den egentlige polypeptidkæde. Man kan huske, hvad der sker under elongation, på navnet: Ved elongation bliver polypeptidkæden længere.
Når elongationen begynder, befinder det methioninbærende tRNA sig på P-stedet i midten af ribosomet. Ved siden af P-stedet er A-stedet, som ligger over et eksponeret codon på mRNA-strengen. A-stedet er “slot” for det næste tRNA-molekyle, som vil binde sig til det eksponerede codon via komplementær codon-anticodon-parring.
Når det næste tRNA lander i A-stedet, katalyserer ribosomet en reaktion, der binder de to aminosyrer sammen. Reaktionen, der binder to aminosyrer, er en hydrolysereaktion (vandfjernelse), der binder aminogruppen i den ene aminosyre til carboxylgruppen i den anden aminosyre. Denne reaktion overfører methionin fra det første tRNA til tRNA’et i A-stedet. Nu har vi en primitiv polypeptidkæde bestående af to aminosyrer. Methioninen kaldes N-terminus-enden, og den anden kaldes den modsatte ende kaldes C-terminus.
De fleste polypeptidkæder er længere end to aminosyrer. Når den første peptidbinding er blevet lavet, bliver mRNA trukket gennem ribosomet af præcis ét kodon. Dette skift flytter tRNA’et med kæden fra A-siden til P-siden og flytter det tomme tRNA i P-siden til E-siden (“exit”), hvor det fjernes. Skiftet eksponerer også et nyt mRNA-kodon i A-stedet.
Processen gentager sig ned langs mRNA-strengen, indtil polypeptidkæden er færdig. Nogle proteiner består kun af nogle få dusin aminosyrer, mens andre kan have tusindvis af aminosyrer. Det længste kendte protein hedder titin og består af en kæde på 33.000 aminosyrer.
Terminering
Hvordan ved ribosomerne, hvornår polypeptidkæden er færdig? Det er den rolle, som det sidste trin i oversættelsen, kaldet terminering, spiller. Terminering af oversættelsesmekanismerne sker, når et stopkodon (UAA, UAG, UGA) kommer ind i A-stedet. Når et stopkodon kommer ind i A-stedet, genkendes det ikke af tRNA, men af særlige proteiner, der kaldes frigørelsesfaktorer. Disse proteiner får ribosomale enzymer til at tilføje et vandmolekyle til den sidste aminosyre i kæden, hvilket får de ribosomale underenheder til at dissocieres og frigør polypeptidkæden. Herefter kan de ribosomale underenheder igen bruges til at oversætte en anden polypeptidkæde.
Post-Translation Modification
Nu, hvor vi har en komplet polypeptidkæde, kan den gå ud og begynde at udføre arbejde i kroppen, ikke sandt? Tja, ikke helt.
I prokaryoter er proteiner generelt klar til at gå i gang, så snart de er oversat. I eukaryoter skal polypeptidkæderne imidlertid ofte gennemgå en håndfuld modifikationer, før de er et fuldt ud fungerende, modent protein. Disse posttranslationsredigeringer indebærer, at nogle aminosyrer ændres eller fjernes. Nogle proteiner skal foldes til en kompleks 3D-form, og der findes enzymer, som hjælper med foldningen. Sommetider bliver to foldede polypeptidkæder sammen til et større proteinkompleks. Andre gange fungerer tilføjelsen eller fjernelsen af en aminosyregruppe som et “tag”, der fortæller kroppen, hvor proteinet skal hen.
I eukaryoter sker modifikationen efter translationen i det endoplasmatiske retikulum og Golgi-apparatet. I det endoplasmatiske reticulum foldes proteinerne eller får klippet dele ud eller tilføjet dele. De mekanismer, der håndterer disse processer, er meget forskellige. efter at være blevet håndteret i det endoplasmatiske reticulum bliver proteinerne indkapslet i en membranbunden vesikel og transporteret til Golgi-apparatet. Når de er der, gennemgår de et par sidste øjebliks-redigeringer, inden de sendes ud til deres endelige bestemmelsessted.