Solut suorittavat monia erilaisia tehtäviä. Ne tuottavat energiaa, kommunikoivat muiden solujen kanssa ja muodostavat kehon fyysisen pääosan. Yksi solujen tärkeimmistä tehtävistä on proteiinien rakentaminen. Proteiinit ovat biologisia makromolekyylejä, jotka suorittavat elimistössä monenlaisia tehtäviä. Solut rakentavat proteiineja DNA:han koodatun tiedon perusteella. Prosessia, jossa DNA:sta poimitaan tietoa proteiinien valmistamiseksi, kutsutaan geeniekspressioksi.
Periaatteessa geeniekspressiossa on kaksi vaihetta:
- Transkriptio – Transkription aikana DNA:n sisältämä informaatio ”kopioidaan” sanansaattaja-RNA:n (mRNA:n) muotoon
- Translaatio – Tässä vaiheessa, solukoneisto ”lukee” mRNA:ta ja koodatut proteiinit valmistetaan
Tässä artikkelissa tarkastelemme translaatiota perusteellisesti ja tarkastelemme tämän prosessin taustalla olevia molekyylimekanismeja. On suositeltavaa, että luet ensin tämän transkriptiota käsittelevän artikkelin.
Miten mRNA varastoi tietoa?
Translaation ymmärtämiseksi meidän on ensin ymmärrettävä, miten proteiineja varten tarvittava tieto varastoidaan mRNA:han. Tarkkaan ottaen mRNA ei koodaa proteiinia. Pikemminkin mRNA koodaa – antaa ohjeet – aminohapposekvenssille, jota kutsutaan polypeptidiketjuksi. Proteiinit koostuvat lukuisista polypeptidiketjuista.
MRNA:han tallennetaan tietoa nukleotidiemästen (A, C, G ja U) sekvensseinä, jotka luetaan kolmosina. Emästen triplettia kutsutaan koodoniksi. Kukin koodoni viittaa tiettyyn aminohappoon. Esimerkiksi koodoni ACG määrittää aminohapon treoniini. Koodonien järjestys mRNA:ssa määrittää aminohappojen järjestyksen polypeptidiketjussa. Niinpä ja mRNA-juoste, joka sisältää sekvenssin AUUCAGUGU, koodaa aminohappoja isoleusiini (AUU), glutamiini (CAG) ja kysteiini (UGU) tässä järjestyksessä.
Ihmisen RNA:ssa on 61 koodonia, jotka koodaavat noin 20 aminohappoa. Lisäksi on erityinen koodoni AUG, jota kutsutaan ”aloituskoodoniksi” ja joka kertoo, mistä geeni alkaa. Lopuksi on kolme erikoiskodonia, jotka eivät koodaa aminohappoja (UAA, UAG, UGA), joita kutsutaan ”stop-kodoneiksi”. Stop-kodonit kertovat käännösmekanismeille, milloin polypeptidiketju on valmis.
Katsaus käännöstyöhön
Kääntäminen on monimutkainen prosessi, joka vaatii joitakin erikoistuneita koneita. Translaatioprosessiin osallistuu kahdenlaisia molekyylejä: tRNA ja ribosomit.
tRNA
tRNA:t (”siirto”-RNA:t) ovat molekyylejä, jotka silloittavat mRNA:n koodonien ja niiden määrittelemien aminohappojen välisen kuilun. TRNA:n toinen pää sisältää antikodoniksi kutsutun emäsjärjestyksen, joka voi sitoutua tiettyyn kodoniin komplementaarisen emäsparin avulla. TRNA:n toinen pää sisältää koodonin määrittelemän aminohapon. On olemassa tRNA-molekyylejä, jotka lukevat jokaisen kodonin ja sitovat määritellyn aminohapon. tRNA:t sitoutuvat mRNA:han ja järjestävät aminohapot sopivaan järjestykseen.
Ribosomit
Ribosomit ovat rakenteita, jotka fyysisesti kokoavat proteiinin. Ribosomit koostuvat monimutkaisesta verkostosta, joka koostuu erityisestä ribosomaalisesta RNA:sta (rRNA) ja proteiineista. Jokaisessa ribosomissa on 2 osaa: pieni alayksikkö ja suuri alayksikkö. Pientä alayksikköä kutsutaan 40S-alayksiköksi ja suurta 60S-alayksiköksi. Ribosomien kaksi osaa ympäröivät mRNA-juostetta, melkein kuin kaksi leipäpalaa voileivässä. Tarkkaan ottaen ribosomit EIVÄT ole organelleja, koska niillä ei ole kalvoa. Myös prokaryooteilla on ribosomeja ja prokaryooteilla ei ole organelleja.
mRNA-juosteet syötetään ribosomeihin, jotka lukevat koodonit. Ribosomeissa on lokeroita, joissa tRNA:n antikodonit sitoutuvat vastaaviin mRNA-kodoneihin. Ribosomissa olevia tRNA:n kolmea sitoutumiskohtaa kutsutaan A-, P- ja E-kohdiksi. Ribosomit sisältävät myös entsyymejä, jotka katalysoivat reaktiota, joka sitoo aminohapot yhteen polypeptidiketjuksi.
Translaatioprosessi
Translaatio itsessään voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: initiaatio, elongaatio ja lopetus. Suurin osa näistä prosesseista tapahtuu solun sytoplasmassa tai endoplasmisessa retikulumissa. Eukaryooteissa translaatio tapahtuu täysin erillään transkriptiosta, koska transkriptiossa luotua pre-mRNA-skriptiota on muutettava ennen sen kääntämistä. Prokaryooteissa translaatio tapahtuu suoraan transkription jälkeen. Joissakin tapauksissa mRNA-juosteen toisen pään translaatio voi alkaa, kun toista päätä vielä transkriboidaan.
Initiaatio
Translaation ensimmäisessä vaiheessa vapautuu initiaatiotekijäproteiineja. Nämä proteiinit käynnistävät translaatioprosessin ensimmäiset vaiheet. Käännösinitiaattorit sitoutuvat mRNA:n 5′-päähän ja tuovat sen ribosomeille. MRNA sitoutuu ribosomin pieneen alayksikköön ja pysyy paikallaan. Eukaryooteissa metioniinia sisältävä tRNA-molekyyli sitoutuu pieneen alayksikköön, ja yhdessä ne liikkuvat mRNA-juostetta pitkin, kunnes ne saavuttavat aloituskoodonin, joka on lähes aina AUG-koodoni. Saavutettuaan sen suuri ribosomaalinen alayksikkö ympäröi loput säikeestä muodostaen valmiin initiaatiokompleksin.
Prokaryooteissa tarina on hieman erilainen. Prokaryooteissa pieni ribosomaalinen alayksikkö ei kulje mRNA-juostetta pitkin etsien AUG-kodonia. Sen sijaan se sitoutuu suoraan tiettyihin sekvensseihin mRNA-juosteessa. Prokaryoottien translaatiomekanismit voivat tunnistaa aloitettavan alueen ennen aloituskodonia esiintyvien Shine-Dalgarno-sekvenssien perusteella. Bakteerit käyttävät Shine-Dalgarno-sekvenssejä, koska yksi DNA-sekvenssi voi koodata useita proteiineja
Pidennys
Kun metioniinia kuljettava tRNA löytää aloituskodonin, alkaa seuraava translaation vaihe. Pidennyksen aikana rakentuu varsinainen polypeptidiketju. Nimestä voi muistaa, mitä pidennyksen aikana tapahtuu: Pidennyksessä polypeptidiketju pitenee.
Kun pidennys alkaa, metioniinia kantava tRNA sijaitsee ribosomin keskellä olevassa P-kohdassa. P-kohdan vieressä on A-kohta, joka on mRNA-juosteen paljastuneen koodonin yläpuolella. A-kohta on ”paikka” seuraavalle tRNA-molekyylille, joka sitoutuu altistuneeseen kodoniin komplementaarisen kodoni-antikodoni-parin avulla.
Kun seuraava tRNA laskeutuu A-kohtaan, ribosomi katalysoi reaktion, joka sitoo kaksi aminohappoa yhteen. Kahta aminohappoa sitova reaktio on hydrolyysireaktio (vettä poistava), joka yhdistää yhden aminohapon amiiniryhmän toisen aminohapon karboksyyliryhmään. Tämä reaktio siirtää metioniinin ensimmäiseltä tRNA:lta A-kohdan tRNA:lle. Nyt meillä on alkeellinen polypeptidiketju, joka koostuu kahdesta aminohaposta. Metioniinia kutsutaan N-päätepisteeksi ja toista vastakkaista päätä kutsutaan C-päätepisteeksi.
Useimmat polypeptidiketjut ovat pidempiä kuin kaksi aminohappoa. Kun ensimmäinen peptidisidos on tehty, mRNA:ta vedetään ribosomin läpi tasan yksi koodoni. Tämä siirto siirtää tRNA:n ketjun kanssa A-kohdasta P-kohtaan ja siirtää P-kohdassa olevan tyhjän tRNA:n E-kohtaan (”exit”), josta se poistetaan. Siirto paljastaa myös uuden mRNA-kodonin A-kohdassa.
Prosessi toistuu mRNA-juostetta pitkin, kunnes polypeptidiketju on valmis. Jotkut proteiinit koostuvat vain muutamasta kymmenestä aminohaposta, kun taas toisissa voi olla tuhansia. Pisin tunnettu proteiini on nimeltään titiini, ja se koostuu 33 000 aminohapon ketjusta.
Terminaatio
Miten ribosomit tietävät, milloin polypeptidiketju on valmis? Se on translaation viimeisen vaiheen, terminaation, tehtävä. Translaatiomekanismien päättyminen tapahtuu, kun stop-kodoni (UAA, UAG, UGA) tulee A-kohtaan. Kun stop-kodoni tulee A-kohtaan, sitä ei tunnista tRNA, vaan erityiset proteiinit, joita kutsutaan vapautumistekijöiksi. Nämä proteiinit saavat ribosomaaliset entsyymit lisäämään vesimolekyylin ketjun viimeiseen aminohappoon, jolloin ribosomaaliset alayksiköt dissosioituvat ja polypeptidiketju vapautuu. Tämän jälkeen ribosomaalisia alayksiköitä voidaan käyttää uudelleen toisen polypeptidiketjun kääntämiseen.
Post-Translation Modification
Nyt kun meillä on valmis polypeptidiketju, se voi lähteä ulos ja ryhtyä tekemään töitä elimistössä, eikö? No, ei aivan.
Prokaryooteissa proteiinit ovat yleensä valmiita toimintaan heti, kun ne on käännetty. Eukaryooteissa polypeptidiketjujen on kuitenkin usein käytävä läpi kourallinen modifikaatioita, ennen kuin niistä tulee täysin toimiva kypsä proteiini. Näihin translaation jälkeisiin muokkauksiin liittyy joidenkin aminohappojen muuttaminen tai poistaminen. Jotkin proteiinit on taitettava monimutkaiseen kolmiulotteiseen muotoon, ja on olemassa entsyymejä, jotka auttavat taittamisessa. Joskus kaksi taitettua polypeptidiketjua yhdistyy muodostaen suuremman proteiinikompleksin. Toisinaan aminohapporyhmän lisääminen tai poistaminen toimii ”tunnisteena”, joka kertoo elimistölle, mihin proteiinin on tarkoitus mennä.
Eukaryooteissa mot translaation jälkeinen modifikaatio tapahtuu endoplasmisessa retikulumissa ja Golgin laitteistossa. Endoplasmisessa retikulumissa proteiineja taitetaan tai niistä leikataan tai lisätään osia. Näitä prosesseja hoitavat mekanismit ovat hyvin erilaisia. endoplasmisessa retikulumissa tapahtuneen käsittelyn jälkeen proteiinit koteloidaan kalvoon sidottuun vesikkeliin ja kuljetetaan Golgin laitteeseen. Siellä ne käyvät läpi muutaman viime hetken muokkauksen ennen kuin ne lähetetään lopulliseen määränpäähänsä.