Cellen vervullen veel verschillende functies. Ze produceren energie, communiceren met andere cellen en vormen de fysieke massa van het lichaam. Een belangrijke functie van cellen is de aanmaak van eiwitten. Eiwitten zijn biologische macromoleculen die in het lichaam een groot aantal functies vervullen. Cellen bouwen eiwitten op basis van informatie die in het DNA is gecodeerd. Het proces waarbij informatie uit het DNA wordt gehaald om eiwitten te maken, wordt genexpressie genoemd.
Fundamenteel kent genexpressie twee stappen:
- Transcriptie – Tijdens de transcriptie wordt de informatie in het DNA “gekopieerd” in de vorm van boodschapper-RNA (mRNA)
- Translatie – In deze fase, wordt het mRNA “gelezen” door de cellulaire machinerie en worden de gecodeerde eiwitten gemaakt
In dit artikel gaan we dieper in op translatie en bekijken we de moleculaire mechanismen achter dit proces. Het is aan te bevelen eerst dit artikel over transcriptie te lezen.
Hoe slaat mRNA informatie op?
Om translatie te begrijpen moeten we eerst begrijpen hoe informatie voor eiwitten in mRNA wordt opgeslagen. Strikt genomen codeert mRNA niet voor een eiwit. In plaats daarvan codeert mRNA – het geeft instructies voor – een reeks aminozuren, een polypeptideketen genaamd. Eiwitten zijn opgebouwd uit talrijke polypeptideketens.
Informatie in mRNA wordt opgeslagen in de vorm van reeksen nucleotidebasen (A, C, G, en U) die in drietallen worden afgelezen. Een triplet van basen wordt een codon genoemd. Elk codon verwijst naar een specifiek aminozuur. Bijvoorbeeld, het codon ACG specificeert het aminozuur threonine. De volgorde van de codons in het mRNA bepaalt de volgorde van de aminozuren in de polypeptideketen. Dus, en mRNA-streng die de sequentie AUUCAGUGU bevat, codeert voor de aminozuren isoleucine (AUU), glutamine (CAG), en cysteïne (UGU) in die volgorde.
In menselijk RNA zijn er 61 codons die coderen voor ongeveer 20 aminozuren. Er is ook een speciaal codon AUG dat “startcodon” wordt genoemd en aangeeft waar het gen begint. Tenslotte zijn er drie speciale codons die niet coderen voor aminozuren (UAA, UAG, UGA) die “stop codons” worden genoemd. Stop codons vertellen vertaalmechanismen wanneer de polypeptide keten compleet is.
Overzicht Van Vertaling
Translatie is een complex proces dat een aantal gespecialiseerde machines vereist. Bij het vertaalproces zijn twee soorten moleculen betrokken: tRNA en ribosomen.
tRNA
tRNA’s (“transfer” RNA’s) zijn moleculen die de kloof overbruggen tussen codons in mRNA en de aminozuren die zij specificeren. Het ene uiteinde van tRNA bevat een reeks basen, een anticodon genaamd, die zich via complementaire basenparen aan een specifiek codon kan binden. Het andere uiteinde van tRNA bevat het aminozuur dat door het codon wordt gespecificeerd. Er zijn tRNA-moleculen die elk codon lezen en het gespecificeerde aminozuur binden. tRNA’s binden zich aan mRNA en rangschikken de aminozuren in de juiste volgorde.
Ribosomen
Ribosomen zijn de structuren die het eiwit fysiek assembleren. Ribosomen zijn opgebouwd uit een complex web van speciaal ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten. Elk ribosoom bestaat uit 2 delen: een kleine subeenheid en een grote subeenheid. De kleine subeenheid wordt de 40S subeenheid genoemd en de grote de 60S subeenheid. De twee delen van de ribosomen omsluiten de mRNA-streng, bijna zoals de twee stukken brood op een sandwich. Strikt genomen zijn ribosomen GEEN organellen, omdat zij geen membraan hebben. Prokaryoten bezitten ook ribosomen en prokaryoten hebben geen organellen.
mRNA-strengen worden in ribosomen gevoerd die de codons lezen. Ribosomen bevatten compartimenten voor tRNA anticodons om zich te binden aan hun corresponderende mRNA codons. De drie bindingsplaatsen voor tRNA op ribosomen worden de A-, P-, en E-locaties genoemd. Ribosomen bevatten ook enzymen die de reactie katalyseren die aminozuren samenbindt tot een polypeptideketen.
Translatieproces
Translatie zelf kan worden onderverdeeld in drie stappen: initiatie, elongatie, en terminatie. De meeste van deze processen vinden plaats in het cytoplasma van de cel of in het endoplasmatisch reticulum. Bij eukaryoten vindt de translatie geheel los van de transcriptie plaats, omdat het bij de transcriptie ontstane pre-mRNA-script moet worden gewijzigd voordat het wordt vertaald. Bij prokaryoten vindt de translatie direct na de transcriptie plaats. In sommige gevallen kan de translatie van het ene uiteinde van een mRNA-streng beginnen terwijl het andere uiteinde nog wordt getranscribeerd.
Initiatie
In de eerste stap van de translatie worden initiatie-factor-eiwitten vrijgegeven. Dit zijn de eiwitten die de eerste stappen van het translatieproces in gang zetten. Initiatie-initiatoren binden zich aan het 5′-uiteinde van het mRNA en brengen het naar de ribosomen. Het mRNA bindt zich aan de kleine subeenheid van het ribosoom en wordt op zijn plaats gehouden. In eukaryoten bindt een methionine bevattend tRNA-molecuul zich aan de kleine subeenheid en samen bewegen zij zich langs de mRNA-streng naar beneden tot zij het startcodon bereiken, dat bijna altijd het AUG- codon is. Eenmaal bereikt, omsluit de grote ribosomale subeenheid de rest van de streng en vormt zo het voltooide initiatiecomplex.
In prokaryoten is het verhaal een beetje anders. In prokaryoten gaat de kleine ribosomale subeenheid niet langs de mRNA-streng op zoek naar het AUG-codon. In plaats daarvan bindt hij zich direct aan bepaalde sequenties in de mRNA-streng. Prokaryote vertaalmechanismen kunnen het te starten gebied herkennen aan de aanwezigheid van Shine-Dalgarno sequenties die vóór het startcodon voorkomen. Bacteriën gebruiken Shine-Dalgarno-sequenties omdat één DNA-sequentie voor meerdere eiwitten kan coderen
Elongatie
Zodra het methionine dragende tRNA het startcodon vindt, begint de volgende fase van de translatie. Tijdens elongatie wordt de eigenlijke polypeptideketen opgebouwd. Men kan zich herinneren wat er tijdens elongatie gebeurt aan de hand van de naam: In elongatie wordt de polypeptideketen langer.
Wanneer elongatie begint, bevindt het methionine dragende tRNA zich in de P-site in het midden van het ribosoom. Naast de P-locatie bevindt zich de A-locatie, die zich boven een blootliggend codon op de mRNA-streng bevindt. De A-locatie is de “sleuf” voor het volgende tRNA-molecuul dat zich aan het blootliggende codon zal binden via complementaire codon-anticodon-paring.
Als het volgende tRNA eenmaal in de A-locatie terechtkomt, katalyseert het ribosoom een reactie die de twee aminozuren aan elkaar bindt. De reactie die twee aminozuren bindt is een hydrolyse (waterverwijderende) reactie die de aminegroep van het ene aminozuur verbindt met de carboxylgroep van een ander. Deze reactie brengt het methionine van het eerste tRNA over naar het tRNA in de A-locatie. Nu hebben we een primitieve polypeptideketen die uit twee aminozuren bestaat. Het methionine wordt het N-terminusuiteinde genoemd en het andere het tegenoverliggende uiteinde wordt het C-terminus genoemd.
De meeste polypeptideketens zijn langer dan twee aminozuren. Zodra de eerste peptidebinding is gemaakt, wordt het mRNA met precies één codon door het ribosoom getrokken. Deze verschuiving verplaatst het tRNA met de keten van de A-site naar de P-site en verplaatst het lege tRNA in de P-sleuf naar de E (“exit”) sleuf waar het wordt verwijderd. Door de verschuiving komt ook een nieuw mRNA-codon in de A-positie vrij.
Dit proces herhaalt zich langs de mRNA-streng totdat de polypeptideketen compleet is. Sommige proteïnen bestaan uit slechts enkele tientallen aminozuren, terwijl andere er duizenden kunnen hebben. Het langst bekende eiwit heet titine en bestaat uit een keten van 33.000 aminozuren.
Terminatie
Hoe weten de ribosomen wanneer de polypeptideketen compleet is? Dat is de rol van de laatste stap van de translatie, die beëindiging wordt genoemd. Beëindiging van het translatiemechanisme gebeurt zodra een stopcodon (UAA, UAG, UGA) de A-plaats binnenkomt. Wanneer een stopcodon de A-zone binnenkomt, wordt het niet herkend door tRNA, maar door speciale eiwitten, de zogenaamde releasefactoren. Deze eiwitten zorgen ervoor dat ribosomale enzymen een watermolecuul toevoegen aan het laatste aminozuur in de keten, waardoor de ribosomale subeenheden uit elkaar vallen en de polypeptideketen vrijkomt. Daarna kunnen de ribosomale subeenheden weer worden gebruikt om een andere polypeptideketen te vertalen.
Post-Translation Modification
Nu we een complete polypeptideketen hebben, kan deze aan het werk in het lichaam, toch? Nou, niet helemaal.
In prokaryoten zijn eiwitten over het algemeen klaar voor gebruik zodra ze vertaald zijn. In eukaryoten echter, moeten polypeptideketens vaak een handvol wijzigingen ondergaan voordat zij een volwaardig functionerend volwassen eiwit zijn. Deze post-translatie bewerkingen omvatten de wijziging of verwijdering van sommige aminozuren. Sommige eiwitten moeten worden gevouwen tot complexe 3D-vormen en er bestaan enzymen die helpen bij het vouwen. Soms gaan twee gevouwen polypeptideketens samenklonteren om een groter eiwitcomplex te vormen. Andere keren fungeert de toevoeging of verwijdering van aminozuurgroepen als een “label” dat het lichaam vertelt waar het eiwit naar toe moet.
In eukaryoten vindt mot post-translation modificatie plaats in het endoplasmatisch reticulum en het Golgi-apparaat. In het endoplasmatisch reticulum worden eiwitten gevouwen of worden er delen uitgeknipt of toegevoegd. De mechanismen die deze processen afhandelen zijn zeer divers. Nadat de eiwitten in het endoplasmatisch reticulum zijn behandeld, worden zij in een membraangebonden blaasje ingekapseld en naar het Golgi-apparaat getransporteerd. Daar ondergaan zij nog een paar laatste bewerkingen voordat zij naar hun eindbestemming worden vervoerd.