A sejtek számos különböző funkciót látnak el. Energiát termelnek, kommunikálnak más sejtekkel, és alkotják a test fizikai részét. A sejtek egyik fő funkciója a fehérjék felépítése. A fehérjék olyan biológiai makromolekulák, amelyek sokféle funkciót látnak el a szervezetben. A sejtek a DNS-ben kódolt információ alapján építik fel a fehérjéket. A DNS-ből a fehérjék előállításához szükséges információ kinyerésének folyamatát génexpressziónak nevezzük.
A génexpresszió alapvetően két lépésből áll:
- Transzkripció – Az átírás során a DNS-ben lévő információt “lemásolják” hírvivő RNS (mRNS)
- Transzláció – Ebben a szakaszban, az mRNS-t a sejtek gépezete “olvassa”, és a kódolt fehérjék keletkeznek
Ebben a cikkben a transzlációt vesszük górcső alá, és megvizsgáljuk a folyamat mögött álló molekuláris mechanizmusokat. Javasoljuk, hogy előbb olvassa el a transzkripcióról szóló cikket.
Hogyan tárolja az mRNS az információt?
A fordítás megértéséhez először azt kell megértenünk, hogy a fehérjékhez szükséges információt hogyan tárolja az mRNS. Szigorúan véve az mRNS nem kódol fehérjét. Az mRNS inkább egy aminosavakból álló, polipeptidláncnak nevezett szekvenciát kódol – utasításokat ad -. A fehérjék számos polipeptidláncból állnak.
Az mRNS-ben lévő információ nukleotidbázisok (A, C, G és U) hármasával olvasható szekvenciák formájában tárolódik. A bázisok triplettjét kodonnak nevezzük. Minden egyes kodon egy adott aminosavra utal. Például az ACG kodon a treonin aminosavat jelöli. Az mRNS-ben a kodonok sorrendje határozza meg az aminosavak sorrendjét a polipeptidláncban. Tehát az AUUCAGUGU szekvenciát tartalmazó mRNS-szál az izoleucin (AUU), a glutamin (CAG) és a cisztein (UGU) aminosavakat kódolja ebben a sorrendben.
A humán RNS-ben 61 kodon van, amelyek körülbelül 20 aminosavat kódolnak. Van még a “startkódonnak” nevezett speciális AUG kodon is, amely megmondja, hol kezdődik a gén. Végül van három speciális kodon, amelyek nem aminosavakat kódolnak (UAA, UAG, UGA), amelyeket “stop kodonoknak” nevezünk. A stopkódonok jelzik a transzlációs mechanizmusoknak, ha a polipeptidlánc befejeződött.
A fordítás áttekintése
A fordítás egy összetett folyamat, amelyhez néhány speciális gépezetre van szükség. A transzlációs folyamatban kétféle molekula vesz részt: a tRNS és a riboszómák.
tRNS
A tRNS-ek (“transzfer” RNS-ek) olyan molekulák, amelyek áthidalják az mRNS-ben lévő kodonok és az általuk meghatározott aminosavak közötti szakadékot. A tRNS egyik vége egy antikodonnak nevezett bázissorozatot tartalmaz, amely komplementer bázispárosodás révén képes egy adott kodonhoz kötődni. A tRNS másik vége a kodon által meghatározott aminosavat tartalmazza. Vannak olyan tRNS-molekulák, amelyek minden egyes kodont leolvasnak és lekötik a megadott aminosavat. A tRNS-ek kötődnek az mRNS-hez és a megfelelő sorrendbe rendezik az aminosavakat.
Riboszómák
A riboszómák azok a szerkezetek, amelyek fizikailag összeállítják a fehérjét. A riboszómák speciális riboszomális RNS (rRNS) és fehérjék bonyolult szövedékéből állnak. Minden riboszómának 2 része van: egy kis alegység és egy nagy alegység. A kis alegységet 40S alegységnek, a nagyot pedig 60S alegységnek nevezik. A riboszómák két része körülveszi az mRNS-szálat, majdnem úgy, mint a két kenyérdarab a szendvicsben. Szigorúan véve a riboszómák NEM organellák, mert nincs membránjuk. A prokarióták is rendelkeznek riboszómával, a prokarióták pedig nem rendelkeznek organellumokkal.
A mRNS-szálak a riboszómákba kerülnek, amelyek leolvassák a kodonokat. A riboszómák rekeszeket tartalmaznak a tRNS antikodonok számára, amelyek a megfelelő mRNS kodonokhoz kötődnek. A riboszómán a tRNS három kötőhelyét A, P és E helynek nevezik. A riboszómák olyan enzimeket is tartalmaznak, amelyek katalizálják azt a reakciót, amely az aminosavakat polipeptidlánccá köti össze.
A fordítás folyamata
A fordítás maga három lépésre bontható: iniciáció, elongáció és termináció. E folyamatok többsége a sejt citoplazmájában vagy az endoplazmatikus retikulumban zajlik. Az eukariótákban a transzláció a transzkripciótól teljesen elkülönülten történik, mivel a transzkripció során létrehozott pre-mRNS forgatókönyvet módosítani kell, mielőtt lefordítanák. Prokariótákban a transzláció közvetlenül a transzkripció után történik. Egyes esetekben az mRNS-szál egyik végének transzlációja már akkor megkezdődhet, amikor a másik végét még átírják.
Iniciáció
A transzláció első lépésében iniciációs faktorfehérjék szabadulnak fel. Ezek a fehérjék indítják el a transzlációs folyamat első lépéseit. A transzlációs iniciátorok az mRNS 5′ végéhez kötődnek, és átviszik azt a riboszómákhoz. Az mRNS a riboszóma kis alegységéhez kötődik és a helyén marad. Eukariótákban egy metionint tartalmazó tRNS-molekula kötődik a kis alegységhez, és együtt haladnak lefelé az mRNS-szálon, amíg el nem érik a startkódont, amely szinte mindig az AUG-kódon. Amint elérik, a nagy riboszómális alegység bekeríti a szál többi részét, így kialakul a befejezett iniciációs komplex.
A prokariótákban a történet egy kicsit másképp alakul. A prokariótákban a kis riboszómális alegység nem halad végig az mRNS-szálon az AUG kodont keresve. Ehelyett közvetlenül az mRNS-szál bizonyos szekvenciáihoz kötődik. A prokarióta transzlációs mechanizmusok a startkódon előtt előforduló Shine-Dalgarno szekvenciák jelenléte alapján ismerik fel az indítandó területet. A baktériumok azért használnak Shine-Dalgarno szekvenciákat, mert egy DNS-szekvencia több fehérjét is kódolhat
Hosszabbítás
Egyszer a metionint szállító tRNS megtalálja a startkódont, és megkezdődik a fordítás következő fázisa. Az elongáció során épül fel a tényleges polipeptidlánc. Hogy mi történik az elongáció során, azt a név alapján megjegyezhetjük: Az elongáció során a polipeptidlánc hosszabb lesz.
Az elongáció kezdetén a metionint hordozó tRNS a riboszóma közepén lévő P-helyen helyezkedik el. A P-hely mellett található az A-hely, amely az mRNS-szálon egy exponált kodon felett helyezkedik el. Az A site a “rés” a következő tRNS-molekula számára, amely komplementer kodon-antikodon párosítás révén kötődik az exponált kodonhoz.
Mihelyt a következő tRNS az A site-ban landol, a riboszóma katalizálja a két aminosavat összekötő reakciót. A két aminosavat összekötő reakció egy hidrolízis (vizet eltávolító) reakció, amely az egyik aminosav aminocsoportját a másik aminosav karboxilcsoportjához kapcsolja. Ez a reakció a metionint az első tRNS-ről az A helyen lévő tRNS-re helyezi át. Most már van egy kezdetleges polipeptidláncunk, amely két aminosavból áll. A metionin az N-terminális végét, az ellenkező végét pedig C-terminálisnak nevezzük.
A legtöbb polipeptidlánc hosszabb két aminosavnál. Az első peptidkötés létrejötte után az mRNS pontosan egy kodont húz át a riboszómán. Ez az eltolódás a láncot tartalmazó tRNS-t az A helyről a P helyre mozgatja, és a P résben lévő üres tRNS-t az E (“kilépő”) résbe mozgatja, ahol eltávolítják. Az eltolódás egyúttal egy új mRNS-kódont is feltár az A helyen.
A folyamat megismétlődik az mRNS-szálon lefelé, amíg a polipeptidlánc el nem készül. Egyes fehérjék csak néhány tucat aminosavból állnak, míg mások akár több ezerből is. A leghosszabb ismert fehérjét titinnek hívják, és egy 33 000 aminosavból álló láncból áll.
Termináció
Honnan tudják a riboszómák, hogy mikor teljes a polipeptidlánc? Ez a szerepe a fordítás utolsó lépésének, az úgynevezett terminációnak. A transzlációs mechanizmusok befejezése akkor következik be, amikor egy stopkódon (UAA, UAG, UGA) belép az A-helyre. Amikor egy stopkódon belép az A helybe, azt nem a tRNS, hanem speciális fehérjék, az úgynevezett felszabadító faktorok ismerik fel. Ezek a fehérjék hatására a riboszóma enzimek egy vízmolekulát adnak a lánc utolsó aminosavához, ami a riboszómális alegységek disszociációját és a polipeptidlánc felszabadulását eredményezi. Ezután a riboszómális alegységek ismét felhasználhatók egy másik polipeptidlánc lefordításához.
Post-Translation Modification
Most, hogy már van egy teljes polipeptidláncunk, az kimehet és elkezdhet dolgozni a szervezetben, igaz? Nos, nem egészen.
A prokariótákban a fehérjék általában már a lefordítás után készen állnak az indulásra. Az eukariótákban azonban a polipeptidláncoknak gyakran egy maroknyi módosításon kell keresztülmenniük, mielőtt teljes értékű, működőképes, érett fehérjévé válnak. Ezek a transzláció utáni módosítások néhány aminosav módosítását vagy eltávolítását foglalják magukban. Egyes fehérjéket komplex 3 dimenziós formába kell hajtogatni, és léteznek olyan enzimek, amelyek segítenek a hajtogatásban. Néha két összehajtogatott polipeptidlánc összeáll, és egy nagyobb fehérjekomplexet alkot. Máskor az aminosavcsoport hozzáadása vagy eltávolítása “címkeként” működik, amely megmondja a szervezetnek, hogy a fehérjének hová kell kerülnie.
Eukariótákban a mot poszttranszlációs módosítás az endoplazmatikus retikulumban és a Golgi-apparátusban történik. Az endoplazmatikus retikulumban a fehérjéket összehajtogatják, vagy szakaszokat vágnak ki, illetve adnak hozzá. Az ezeket a folyamatokat kezelő mechanizmusok nagyon különbözőek. az endoplazmatikus retikulumban történő kezelés után a fehérjéket egy membránhoz kötött vezikulába zárják és a Golgi-apparátusba szállítják. Ott átesnek néhány utolsó pillanatnyi módosításon, mielőtt elszállítják őket a végső rendeltetési helyükre.