Celler utför många olika funktioner. De producerar energi, kommunicerar med andra celler och utgör kroppens fysiska struktur. En viktig funktion hos cellerna är att konstruera proteiner. Proteiner är biologiska makromolekyler som utför en mängd olika funktioner i kroppen. Cellerna konstruerar proteiner utifrån information som är kodad i DNA. Processen att extrahera information från DNA för att göra proteiner kallas för genuttryck.
Fundamentalt sett har genuttryck två steg:
- Transkription – Under transkriptionen ”kopieras” informationen i DNA:t till formen av messenger RNA (mRNA)
- Translation – I det här steget, mRNA ”läses” av det cellulära maskineriet och de kodade proteinerna tillverkas
I den här artikeln kommer vi att ta en djupgående titt på översättning och titta på de molekylära mekanismerna bakom denna process. Det rekommenderas att du först läser denna artikel om transkription.
Hur lagrar mRNA information?
För att förstå översättning måste vi först förstå hur information för proteiner lagras i mRNA. Strängt taget kodar mRNA inte för ett protein. Snarare kodar mRNA – ger instruktioner för en sekvens av aminosyror som kallas en polypeptidkedja. Proteiner består av många polypeptidkedjor.
Informationen i mRNA lagras i form av sekvenser av nukleotidbaser (A, C, G och U) som läses i tre. En triplett av baser kallas för en kodon. Varje kodon hänvisar till en specifik aminosyra. Till exempel anger kodonet ACG aminosyran threonin. Kodonernas ordning i mRNA anger ordningen för aminosyrorna i polypeptidkedjan. Så en mRNA-sträng som innehåller sekvensen AUUCAGUGU kodar för aminosyrorna isoleucin (AUU), glutamin (CAG) och cystein (UGU) i den ordningen.
I mänskligt RNA finns det 61 kodoner som kodar för cirka 20 aminosyror. Det finns också den speciella kodon AUG som kallas ”startkodon” och som talar om var genen börjar. Slutligen finns det tre speciella kodoner som inte kodar för aminosyror (UAA, UAG, UGA) som kallas ”stoppkodoner”. Stoppkodoner talar om för översättningsmekanismerna när polypeptidkedjan är färdig.
Översikt över översättning
Översättning är en komplex process som kräver vissa specialiserade maskiner. Två typer av molekyler är inblandade i översättningsprocessen: tRNA och ribosomer.
tRNA
tRNAs (”transfer” RNAs) är molekyler som överbryggar klyftan mellan kodoner i mRNA och de aminosyror de specificerar. Den ena änden av tRNA innehåller en sekvens av baser som kallas anticodon och som kan binda till en specifik kodon via komplementär basparning. Den andra änden av tRNA innehåller den aminosyra som specificeras av kodonet. Det finns tRNA-molekyler som läser varje kodon och bing den specificerade aminosyran. tRNA binder till mRNA och ordnar aminosyrorna i rätt ordning.
Ribosomer
Ribosomer är de strukturer som fysiskt sätter ihop proteinet. Ribosomer består av en komplex väv av speciellt ribosomalt RNA (rRNA) och proteiner. Varje ribosom har två delar: en liten underenhet och en stor underenhet. Den lilla underenheten kallas 40S-underenheten och den stora 60S-underenheten. Ribosomernas två delar omsluter mRNA-strängen, nästan som de två brödbitarna på en smörgås. Strängt taget är ribosomer INTE organeller eftersom de saknar membran. Prokaryoter har också ribosomer och prokaryoter har inga organeller.
mRNA-strängar matas in i ribosomer som läser av kodonerna. Ribosomerna innehåller fack för tRNA-antikodoner som ska binda till sina motsvarande mRNA-kodoner. De tre bindningsställena för tRNA på ribosomen kallas A, P och E. Ribosomerna innehåller också enzymer som katalyserar reaktionen som binder aminosyror till en polypeptidkedja.
Translationsprocessen
Translationen i sig kan delas upp i tre steg: initiering, förlängning och terminering. Majoriteten av dessa processer äger rum i cellens cytoplasma eller i det endoplasmatiska retikulumet. I eukaryoter sker översättningen helt separat från transkriptionen, eftersom pre-mRNA-skriptet som skapas vid transkriptionen måste modifieras innan det översätts. Hos prokaryoter sker översättningen direkt efter transkriptionen. I vissa fall kan översättningen av den ena änden av en mRNA-sträng börja medan den andra änden fortfarande transkriberas.
Initiering
I översättningens första steg frigörs initieringsfaktorproteiner. Dessa är de proteiner som utlöser de första stegen i översättningsprocessen. Översättningsinitiatorer binder till 5′-änden av mRNA och för över det till ribosomerna. Det mRNA binder till ribosomens lilla underenhet och hålls på plats. I eukaryoter binder en tRNA-molekyl som innehåller metionin till den lilla underenheten och tillsammans rör de sig nerför mRNA-strängen tills de når startkoden, som nästan alltid är AUG-koden. När den väl är nådd omsluter den stora ribosomala underenheten resten av strängen och bildar det färdiga initieringskomplexet.
I prokaryoter är historien lite annorlunda. I prokaryoter färdas den lilla ribosomala underenheten inte längs mRNA-strängen för att leta efter AUG-kodonet. I stället binder den direkt till vissa sekvenser i mRNA-strängen. Prokaryote översättningsmekanismer kan känna igen området att starta genom närvaron av Shine-Dalgarno sekvenser som förekommer före startkodonet. Bakterier använder Shine-Dalgarno-sekvenser eftersom en DNA-sekvens kan koda för flera proteiner
Förlängning
När det metioninbärande tRNA:t hittar startkodonet börjar nästa fas av översättningen. Under förlängningen byggs den egentliga polypeptidkedjan upp. Man kan komma ihåg vad som händer under elongationen genom namnet: Vid elongationen blir polypeptidkedjan längre.
När elongationen börjar befinner sig det metioninbärande tRNA:t på P-platsen i mitten av ribosomen. Bredvid P-platsen finns A-platsen, som ligger över ett exponerat kodon på mRNA-strängen. A-platsen är ”platsen” för nästa tRNA-molekyl som kommer att binda till det exponerade kodonet via komplementär kodon-anticodon-parning.
När nästa tRNA landar på A-platsen katalyserar ribosomen en reaktion som binder ihop de två aminosyrorna. Reaktionen som binder två aminosyror är en hydrolysreaktion (som avlägsnar vatten) som förenar amingruppen i en aminosyra med karboxylgruppen i en annan aminosyra. Denna reaktion överför metionin från det första tRNA:t till tRNA:t i A-platsen. Nu har vi en primitiv polypeptidkedja som består av två aminosyror. Metioninet kallas för N-terminusändan och den andra kallas för motsatt ände kallas för C-terminus.
De flesta polypeptidkedjor är längre än två aminosyror. När den första peptidbindningen har gjorts dras mRNA genom ribosomen av exakt ett kodon. Denna förskjutning flyttar tRNA:et med kedjan från Aplatsen till Pplatsen och flyttar det tomma tRNA:et i Pplatsen till Eplatsen (”exit”) där det avlägsnas. Skiftet exponerar också ett nytt mRNA-kodon i A-platsen.
Processen upprepas längs mRNA-strängen tills polypeptidkedjan är komplett. Vissa proteiner består endast av några dussin aminosyror medan andra kan ha tusentals. Det längsta kända proteinet kallas titin och består av en kedja med 33 000 aminosyror.
Terminering
Hur vet ribosomerna när polypeptidkedjan är komplett? Det är rollen för det sista steget i översättningen, som kallas terminering. Terminering av översättningsmekanismerna sker när en stoppkodon (UAA, UAG, UGA) kommer in i A-sidan. När ett stoppkodon kommer in i A-sidan känns det inte igen av tRNA, utan av särskilda proteiner som kallas frisättningsfaktorer. Dessa proteiner får ribosomala enzymer att lägga till en vattenmolekyl till den sista aminosyran i kedjan, vilket gör att de ribosomala underenheterna dissocieras och frigör polypeptidkedjan. Därefter kan de ribosomala subenheterna användas igen för att översätta en annan polypeptidkedja.
Posttranslationsmodifiering
Nu när vi har en komplett polypeptidkedja kan den gå ut och börja utföra arbete i kroppen, eller hur? Tja, inte riktigt.
I prokaryoter är proteiner i allmänhet redo att användas så snart de har översatts. I eukaryoter måste dock polypeptidkedjor ofta genomgå en handfull modifieringar innan de är ett fullt fungerande moget protein. Dessa ändringar efter översättningen innebär att vissa aminosyror ändras eller avlägsnas. Vissa proteiner måste vikas till en komplex 3D-form och det finns enzymer som hjälper till med vikningen. Ibland kan två vikta polypeptidkedjor samlas till ett större proteinkomplex. Andra gånger fungerar tillägget eller borttagandet av en aminosyragrupp som en ”tagg” som talar om för kroppen vart proteinet ska ta vägen.
I eukaryoter sker modifieringen efter translationen i endoplasmatiska retikulumet och Golgiapparaten. I det endoplasmatiska retikulumet veckas proteiner eller får sektioner bortklippta eller tillagda. Mekanismerna som hanterar dessa processer är mycket olika. efter att ha hanterats i det endoplasmatiska retikulumet omsluts proteinerna i en membranbunden vesikel och transporteras till Golgiapparaten. När de väl är där genomgår de några sista-minuten-redigeringar innan de skickas ut till sin slutdestination.