Komórki pełnią wiele różnych funkcji. Produkują energię, komunikują się z innymi komórkami i tworzą fizyczną masę ciała. Jedną z głównych funkcji komórek jest konstruowanie białek. Białka są makrocząsteczki biologiczne, które wykonują zróżnicowany wachlarz funkcji w organizmie. Komórki konstruują białka w oparciu o informacje zakodowane w DNA. Proces wydobywania informacji z DNA w celu tworzenia białek nazywany jest ekspresją genów.
Fundamentalnie, ekspresja genów ma dwa kroki:
- Transkrypcja – Podczas transkrypcji informacja w DNA jest „kopiowana” do postaci posłańczego RNA (mRNA)
- Translacja – Na tym etapie, mRNA jest „odczytywane” przez maszynerię komórkową, a zakodowane białka są tworzone
W tym artykule przyjrzymy się dogłębnie translacji i poznamy mechanizmy molekularne stojące za tym procesem. Zaleca się, aby najpierw przeczytać artykuł o transkrypcji.
How Does mRNA Store Information?
Aby zrozumieć tłumaczenie, musimy najpierw zrozumieć, jak informacja dla białek jest przechowywana w mRNA. Ściśle mówiąc, mRNA nie koduje dla białka. Raczej, mRNA koduje – daje instrukcje dla – sekwencji aminokwasów zwanych łańcuchem polipeptydowym. Białka są zbudowane z licznych łańcuchów polipeptydowych.
Informacja w mRNA jest przechowywana w postaci sekwencji zasad nukleotydowych (A, C, G i U), które są odczytywane w trójkach. Trójka zasad nazywana jest kodonem. Każdy kodon odnosi się do konkretnego aminokwasu. Na przykład, kodon ACG określa aminokwas treoninę. Kolejność kodonów w mRNA określa kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Tak więc, łańcuch mRNA zawierający sekwencję AUUCAGUGU koduje aminokwasy izoleucynę (AUU), glutaminę (CAG) i cysteinę (UGU) w tej kolejności.
W ludzkim RNA znajduje się 61 kodonów, które kodują około 20 aminokwasów. Jest też specjalny kodon AUG zwany „kodonem startowym”, który mówi, gdzie zaczyna się gen. Wreszcie, istnieją trzy specjalne kodony, które nie kodują aminokwasów (UAA, UAG, UGA), które są nazywane „kodonami stopu”. Kodony stopu informują mechanizmy translacji, kiedy łańcuch polipeptydowy jest kompletny.
Overview Of Translation
Translacja jest złożonym procesem, który wymaga pewnych wyspecjalizowanych maszyn. W procesie translacji biorą udział dwa rodzaje cząsteczek: tRNA i rybosomy.
tRNA
tRNA („transferowe” RNA) to cząsteczki, które wypełniają lukę między kodonami w mRNA a aminokwasami, które one określają. Jeden koniec tRNA zawiera sekwencję zasad zwanych antykodonami, które mogą wiązać się z określonym kodonem poprzez komplementarne parowanie zasad. Drugi koniec tRNA zawiera aminokwas określony przez kodon. Istnieją cząsteczki tRNA, które odczytują każdy kodon i bindują określony aminokwas. tRNA wiążą się z mRNA i układają aminokwasy w odpowiedniej kolejności.
Rybosomy
Rybosomy są strukturami, które fizycznie składają białko. Rybosomy składają się ze złożonej sieci specjalnego rybosomalnego RNA (rRNA) i białek. Każdy rybosom ma 2 części: małą podjednostkę i dużą podjednostkę. Mała podjednostka nazywana jest podjednostką 40S, a duża podjednostką 60S. Te dwie części rybosomów otaczają nić mRNA, prawie jak dwa kawałki chleba na kanapce. Ściśle mówiąc, rybosomy NIE są organellami, ponieważ nie posiadają błony. Prokarionty również posiadają rybosomy, a prokarionty nie mają organelli.
nici mRNA są doprowadzane do rybosomów, które odczytują kodony. Rybosomy zawierają przedziały dla antykodonów tRNA, które wiążą się z odpowiadającymi im kodonami mRNA. Trzy miejsca wiążące tRNA na rybosomach nazywane są miejscami A, P i E. Rybosomy zawierają również enzymy, które katalizują reakcję wiążącą aminokwasy w łańcuch polipeptydowy.
Proces translacji
Translację można podzielić na trzy etapy: inicjację, elongację i zakończenie. Większość z tych procesów zachodzi w cytoplazmie komórki lub w retikulum endoplazmatycznym. U eukariotów translacja zachodzi całkowicie niezależnie od transkrypcji, ponieważ skrypt pre-mRNA powstały w procesie transkrypcji musi zostać zmodyfikowany przed jego translacją. U prokariotów translacja zachodzi bezpośrednio po transkrypcji. W niektórych przypadkach translacja jednego końca nici mRNA może się rozpocząć, podczas gdy drugi koniec jest jeszcze transkrybowany.
Inicjacja
W pierwszym etapie translacji uwalniane są białka czynnika inicjacji. Są to białka, które uruchamiają pierwsze etapy procesu translacji. Czynniki inicjujące translację wiążą się z 5′ końcem mRNA i przenoszą go do rybosomów. MRNA wiąże się z małą podjednostką rybosomu i zostaje zatrzymane na miejscu. U eukariontów cząsteczka tRNA zawierająca metioninę wiąże się z małą podjednostką i razem przesuwają się w dół nici mRNA, aż dotrą do kodonu startu, którym prawie zawsze jest kodon AUG. Po jego osiągnięciu duża podjednostka rybosomalna zamyka resztę nici, tworząc kompletny kompleks inicjacyjny.
W prokariotach historia wygląda nieco inaczej. U prokariotów mała podjednostka rybosomalna nie wędruje w dół łańcucha mRNA w poszukiwaniu kodonu AUG. Zamiast tego wiąże się bezpośrednio z określonymi sekwencjami w nici mRNA. Mechanizmy translacyjne prokariotów mogą rozpoznać miejsce startu dzięki obecności sekwencji Shine-Dalgarno, które występują przed kodonem start. Bakterie wykorzystują sekwencje Shine-Dalgarno, ponieważ jedna sekwencja DNA może kodować wiele białek
Elongacja
Jeden metioninowy nośnik tRNA znajduje kodon startu, rozpoczyna się kolejna faza translacji. Podczas elongacji budowany jest właściwy łańcuch polipeptydowy. To, co dzieje się podczas elongacji, można zapamiętać po nazwie: W elongacji łańcuch polipeptydowy wydłuża się.
Gdy rozpoczyna się elongacja, tRNA niosący metioninę znajduje się w miejscu P w środku rybosomu. Obok miejsca P jest miejsce A, które znajduje się nad odsłoniętym kodonem na nici mRNA. Miejsce A jest „szczeliną” dla następnej cząsteczki tRNA, która połączy się z odsłoniętym kodonem poprzez komplementarne parowanie kodon-antykodon.
Gdy następny tRNA wyląduje w miejscu A, rybosom katalizuje reakcję, która wiąże ze sobą dwa aminokwasy. Reakcja wiążąca dwa aminokwasy jest reakcją hydrolizy (usuwania wody), która przyłącza grupę aminową jednego aminokwasu do grupy karboksylowej drugiego. Reakcja ta przenosi metioninę z pierwszego tRNA do tRNA w miejscu A. Mamy teraz prymitywny łańcuch polipeptydowy składający się z dwóch aminokwasów. Metionina nazywana jest N-końcem, a drugi przeciwległy koniec nazywany jest C-końcem.
Większość łańcuchów polipeptydowych jest dłuższa niż dwa aminokwasy. Po utworzeniu pierwszego wiązania peptydowego, mRNA zostaje przesunięte przez rybosom o dokładnie jeden kodon. To przesunięcie przesuwa tRNA z łańcuchem z miejsca A do miejsca P i przesuwa pusty tRNA w szczelinie P do szczeliny E („wyjściowej”), gdzie jest usuwany. Przesunięcie również naraża nowy kodon mRNA w miejscu A.
Proces powtarza się w dół pasma mRNA, aż łańcuch polipeptydowy jest kompletny. Niektóre białka składają się tylko z kilkudziesięciu aminokwasów, podczas gdy inne mogą mieć tysiące. Najdłuższe znane białko nazywa się cytyna i składa się z łańcucha 33 000 aminokwasów.
Terminacja
Skąd rybosomy wiedzą, kiedy łańcuch polipeptydowy jest kompletny? To jest rola ostatniego kroku tłumaczenia, zwany terminacji. Zakończenie mechanizmów translacji następuje, gdy kodon stopu (UAA, UAG, UGA) wejdzie w miejsce A. Kiedy kodon stop wchodzi w miejsce A, jest rozpoznawany nie przez tRNA, ale przez specjalne białka zwane czynnikami uwalniającymi. Białka te powodują, że enzymy rybosomalne dodają cząsteczkę wody do ostatniego aminokwasu w łańcuchu, co powoduje rozłączenie podjednostek rybosomalnych i uwolnienie łańcucha polipeptydowego. Następnie podjednostki rybosomalne mogą być ponownie wykorzystane do translacji kolejnego łańcucha polipeptydowego.
Modyfikacja potranslacyjna
Teraz, gdy mamy już kompletny łańcuch polipeptydowy, może on wyjść i zacząć wykonywać pracę w organizmie, prawda? Cóż, nie do końca.
W prokariotach, białka są generalnie gotowe do działania zaraz po ich przetłumaczeniu. Jednak u eukariotów łańcuchy polipeptydowe muszą często przejść przez kilka modyfikacji, zanim staną się w pełni funkcjonującym, dojrzałym białkiem. Te posttranslacyjne modyfikacje polegają na zmianie lub usunięciu niektórych aminokwasów. Niektóre białka wymagają złożenia w skomplikowany trójwymiarowy kształt i istnieją enzymy, które pomagają w tym procesie. Czasami dwa sfałdowane łańcuchy polipeptydowe zlepiają się, tworząc większy kompleks białkowy. Inne czasy dodanie lub usunięcie grupy aminokwasów funkcjonuje jako „tag”, który mówi organizmowi, gdzie do białka ma iść.
W eukariota, motyw post-translacji modyfikacji dzieje się w retikulum endoplazmatycznym i aparat Golgiego. W retikulum endoplazmatycznym białka są składane lub mają odcinki wycięte lub dodane. Mechanizmy obsługujące te procesy są bardzo zróżnicowane. Po obróbce w retikulum endoplazmatycznym białka są zamykane w pęcherzyku związanym z błoną i transportowane do aparatu Golgiego. Tam przechodzą kilka ostatnich poprawek, zanim zostaną wysłane do miejsca przeznaczenia.