If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Etapy translacji

Wnikliwe omówienie procesu wytwarzania polipeptydów (białek). Inicjacja, elongacja i terminacja.Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Wprowadzenie

Czy zastanawiałeś się jak antybiotyki zabijają bakterie - na przykład, kiedy masz zapalenie zatok? Różne antybiotyki działają w różny sposób, ale niektóre atakują podstawowe procesy w komórkach bakterii: wyłączają zdolność wytwarzania nowych białek.
Używając trochę molekularnego słownictwa powiedzielibyśmy, że te antybiotyki blokują translację. W procesie translacji komórka odczytuje informację z cząsteczki nazywanej informacyjnym RNA (mRNA) i wykorzystuje tą informację do budowy białka. Translacja zachodzi nieustannie w normalnej komórce bakteryjnej, tak jak w większości komórek Twojego ciała i jest to kluczowe dla utrzymania Ciebie (i Twoich bakteryjnych "gości") przy życiu.
Kiedy bierzesz niektóre antybiotyki (np. erytromycynę), cząsteczka antybiotyku zatrzaskuje się na kluczowych cząsteczkach dla procesu translacji wewnątrz komórki bakteryjnej i w zasadzie zatrzymuje je. Bez możliwości wytwarzania białek, bakteria przestaje funkcjonować i ostatecznie umiera. To właśnie dlatego infekcje kończą się, gdy jesteś leczony antybiotykami.1,2
Komórki potrzebują translacji, aby pozostać przy życiu i zrozumienie tego, jak działają (że możemy je zabić antybiotykami) może uchronić nas przed infekcjami bakteryjnymi. Przyjrzyjmy się bliżej temu, jak działa translacja, od pierwszego etapu do ostatecznego produktu.

Translacja: ogólny obraz

Translacja obejmuje "odszyfrowywanie" informacyjnego RNA (mRNA) i wykorzystywanie tej informacji do budowy polipeptydu, czyli łańcucha aminokwasów. W większości przypadków, polipeptyd jest w zasadzie białkiem (z techniczną różnicą, że niektóre duże białka są zbudowane z kilku łańcuchów polipeptydowych).

Kod genetyczny

W mRNA, instrukcje do budowy polipeptydu są zgrupowane trójkami nazywanymi kodonami. Poniżej przedstawiono niektóre kluczowe cechy kodonów, które powinieneś zapamiętać, żebyśmy mogli kontynuować temat:
  • Jest 61 różnych kodonów dla aminokwasów
  • Trzy kodony "stop" oznaczają koniec polipeptydu
  • Jeden kodon, AUG, jest sygnałem "start" do rozpoczęcia translacji (także określa aminokwas metioninę)
Te relacje pomiędzy kodonami mRNA i aminokwasami są znane jako kod genetyczny (który możesz dalej zgłębiać w artykule o kodzie genetycznym).

Od kodonów do aminokwasów

Podczas translacji, kodony mRNA są odczytywane w kolejności (od końca 5' do końca 3') przez cząsteczki nazywane transportującymi RNA lub tRNA.
Każde tRNA ma antykodon, zestaw trzech nukleotydów, które łączą się z pasującym kodonem mRNA dzięki parowaniu zasad. Drugi koniec tRNA niesie aminokwas, który jest definiowany przez ten kodon.
Rybosom zapewnia miejsce, gdzie mRNA może wejść w interakcję z tRNA niosącymi aminokwasy. Są trzy miejsca na rybosomie, gdzie przyłącza się tRNA. miejsce A, P i E. Miejsce A przyjmuje zbliżające się tRNA złączone z aminokwasem. Miejsce P przytrzymuje tRNA, które niesie rosnący polipeptyd (pierwszy dodawany aminokwas to metionina (Met)). Miejsce E jest tam, gdzie wędruje tRNA po tym, jak staje się puste, co znaczy, że już przeniosło swój polipeptyd na inne tRNA (które obecnie zajmuje miejsce P). Na schemacie, puste tRNA właśnie opuściło miejsce E i dlatego nie jest pokazane.
Zmieniony obraz na podstawie "Translation: Figure 3," OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).
tRNA łączy się z mRNA wewnątrz struktury zbudowanej z białka i RNA nazywanej rybosomem. Kiedy tRNA wchodzi do otworów w rybosomie i łączy się z kodonami, ich aminokwasy są łączone z rosnącym łańcuchem polipeptydowym w reakcji chemicznej. Wynikiem tego jest polipeptyd, którego sekwencja aminokwasowa jest odbiciem lustrzanym sekwencji kodonów w mRNA.
Sekwencja mRNA jest:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Translacja obejmuje odczytywanie nukleotydów mRNA trójkami. Każda z trójek określa aminokwas (lub dostarcza sygnał STOP wskazujący, że translacja jest zakończona).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG metionina AUC izoleucyna UCG seryna UAA "STOP"
Sekwencja polipeptydu (N-koniec) metionina-izoleucyna-seryna (C-koniec)
Jest to ogólny ogląd sytuacji, jeśli chodzi o translację. Ale co zasadniczo z tym, jak rozpoczyna się, trwa i kończy się translacja? Zobaczmy.

Translacja: Rozpoczęcie, środek i zakończenie

Książka lub film ma trzy podstawowe części: początek, środek i koniec. Translacja ma prawie te same trzy części, ale mają one ładniejsze nazwy: inicjacja, elongacja i terminacja.
  • Inicjacja ("rozpoczęcie"): na tym etapie, rybosom łączy się z mRNA i pierwszym tRNA, więc translacja może się rozpocząć
  • Elongacja ("środek"): na tym etapie aminokwasy są dostarczane do rybosomu przez tRNA i razem złączane, aby utworzyć łańcuch.
  • Terminacja ("koniec"): na ostatnim etapie ukończony polipeptyd jest uwalniany i może pełnić swoją funkcję w komórce.
Przyjrzyjmy się bliżej, jak zachodzą poszczególne etapy translacji.

Inicjacja

Aby rozpocząć translację, potrzebujemy kilku kluczowych składników. Są to:
  • Rybosom (który jest dostępny w dwóch częściach, dużej i małej)
  • mRNA z instrukcjami na temat białka, które będzie budowane
  • "inicjatorowe" tRNA niosące pierwszy aminokwas w białku, którym prawie zawsze jest metionina (Met)
Podczas inicjacji, te części muszą się połączyć w odpowiedni sposób. Razem tworzą kompleks inicjacyjny, molekularną konfigurację potrzebną do rozpoczęcia tworzenia nowego białka.
Wewnątrz Twoich komórek (i komórek innych eukariotów), inicjacja translacji zachodzi w ten sposób: na początku tRNA niosące metioninę przyłącza się do małej podjednostki rybosomu. Razem łączą się do końca 5' mRNA dzięki rozpoznaniu czapeczki na końcu 5' (dodawanej podczas obróbki w jądrze komórkowym). Później, "przechodzą" wzdłuż mRNA w kierunku 3', zatrzymując się po osiągnięciu kodonu start (często, ale nie zawsze - pierwszego AUG).6
Eukariotyczne rozpoczęcie translacji:
  1. Kompleks małej podjednostki rybosomu i inicjatorowego tRNA (niosącego metioninę) przyłącza się do czapeczki mRNA.
  2. Kompleks skanuje mRNA od 5' do 3', aby znaleźć kodon start (AUG).
  3. Inicjatorowe tRNA łączy się z kodonem start.
  4. Duża podjednostka rybosomu wędruje razem z mRNA, inicjatorowym tRNA i małą podjednostką rybosomu, aby utworzyć kompleks inicjacyjny. Inicjatorowe tRNA jest umieszczane w miejscu P złożonego rybosomu.
Następujące kroki są wspierane przez czynniki inicjacyjne (nie pokazano na schemacie).
Obraz na podstawie podobnego w Berg et al. 1
U bakterii sytuacja jest trochę inna. Tam, mała podjednostka rybosomu nie rozpoczyna od końca 5' mRNA i nie wędruje ku końcowi 3'. Zamiast tego, przyłącza się bezpośrednio do konkretnej sekwencji w mRNA. Ta sekwencja Shine-Dalgarno występuje tuż przed kodonem start i "wskazuje" go rybosomowi.
Bakteryjna inicjacja translacji:
W bakteryjnym mRNA, sekwencja bogata w G i A, nazywana sekwencją Shine-Dalgarno, znajduje się delikatnie powyżej (5') kodonu start (AUG). Mała podjednostka rybosomu rozpoznaje i przyłącza się do sekwencji Shine-Dalgarno. Mała podjednostka rybosomu także łączy się do inicjatorowego tRNA (niosącego fMet), która tworzy komplementarne pary zasad z kodonem start. Jak wspomniano w tekście, mała podjednostka rybosomu może czasami pierwsza łączyć się z mRNA (i potem z inicjatorowym tRNA), i czasami na odwrót (pierwsze inicjatorowe tRNA i potem mRNA). Jest tak dlatego, że kolejność tych zdarzeń może być przypadkowa.
Kiedy te składniki już się połączyły, duża podjednostka rybosomu łączy je. Złożony rybosom z mRNA i przyłączonym inicjatorowym tRNA tworzy kompleks inicjatorowy. Inicjatorowe tRNA jest w miejscu P złożonego rybosomu.
Bakterie używają formylometioniny (chemicznie modyfikowanej metioniny) jako pierwszego aminokwasu.
Dlaczego wykorzystuje się sekwencję Shine-Dalgarno? Bakteryjne geny są często przepisywane grupami (nazywanymi operonami), więc jeden bakteryjny mRNA zawiera sekwencję kodującą dla kilku genów. Sekwencja Shine-Dalgarno oznacza miejsce startu każdej kodującej sekwencji, pozwalając rybosomowi na znalezienie odpowiedniego kodonu start dla każdego genu.
Komórka eukariotyczna:
  • DNA jest przepisywane, aby utworzyć RNA wewnątzr jądra komórkowego. Inicjatorowy transkrypt RNA ulega obróbce do dojrzałego mRNA przed wysłaniem do cytozolu.
  • mRNA zawiera tylko jedną sekwencję kodującą (określającą jeden polipeptyd).
Komórka bakteryjna:
  • DNA jest przepisywane, aby utworzyć mRNA w cytozolu. Rybosomy mogą rozpocząć translację mRNA nawet przed tym jak w pełni ulegnie transkrypcji. Nie są potrzebne żadne etapy obróbki potranslacyjnej.
  • mRNA zawiera trzy sekwencje kodujące od trzech różnych genów, każda określająca swój własny polipeptyd.

Elongacja

Lubię pamiętać, co dzieje się w "wewnętrznym" etapie translacji dzięki jej chwytliwej nazwie: elongacja (wydłużanie). Zachodzi ona, gdy łańcuch polipeptydowy wydłuża się.
Ale jak w rzeczywistości łańcuch wydłuża się? Aby się dowiedzieć, spójrzmy na pierwszą rundę elongacji - po tym jak kompleks inicjacyjny się uformował, ale przed tym jak jakikolwiek aminokwas został przyłączony, aby tworzyć łańcuch.
Nasze pierwsze tRNA niosące metioninę rozpoczyna wewnątrz rybosomu, w miejscu P. Obok niego, eksponowany jest świeży kodon w innym miejscu nazywanym miejscem A. Miejsce A będzie "lotniskiem" dla kolejnego tRNA, tego, którego antykodon jest perfekcyjnie (komplementarnie) dołączony do wyeksponowanego kodonu.
W pierwszej rundzie elongacji, zbliżający się aminokwas dołącza się do metioniny już obecnej w miejscu P rybosomu. To zdarzenie rozpoczyna wydłużanie się polipeptydu. Trzy etapy pierwszej rundy elongacji są opisane poniżej.
1) Rozpoznawanie kodonu: zbliżające się tRNA z antykodonem, które jest komplementarne do kodonu wyeksponowanego w miejscu A, łączy się z mRNA. Energia z GTP jest zużywana do zwiększenia dokładności rozpoznawania kodonu.
2) Tworzenie wiązania peptydowego: wiązanie peptydowe tworzy się pomiędzy nowym aminokwasem (niesionym przez tRNA w miejscu A) i metioniną (tRNA załadowane metioniną przyłączone do miejsca P podczas inicjacji). To zdarzenie przekazuje polipeptyd (dwa połączone aminokwasy) z tRNA z miejsca P do tRNA w miejscu A. tRNA w miejscu P jest nadal "puste", ponieważ nie utrzymuje polipeptydu.
3) Translokacja: rybosom przesuwa się o jeden kodon na mRNA ku jego końcowi 3'. To przesuwa tRNA z miejsca A do miejsca P i tRNA z miejsca P do miejsca E. Puste tRNA w miejscu E później opuszcza rybosom.
Kiedy pasujące tRNA ląduje w miejscu A następuje czas na działanie - to znaczy, tworzenie wiązania peptydowego, które łączy jeden aminokwas z innym. Ten etap przemieszcza metioninę z pierwszego tRNA na aminokwas drugiego tRNA w miejscu A.
Nie jest źle - teraz mamy dwa aminokwasy, (bardzo mały) polipeptyd! Metionina tworzy N-koniec polipeptydu a inny aminokwas jest C-końcem.
Ale... co w sytuacji, gdy będziemy chcieli uzyskać polipeptyd dłuższy niż dwa aminokwasy. W jaki sposób łańcuch ulega wydłużeniu? Po utworzeniu wiązania peptydowego mRNA zostaje przesunięty do przodu przez rybosom o dokładnie jeden kodon. To przesunięcie pozwala na wyprowadzenie pierwszego, pustego tRNA przez miejsce E (od ang. "exit", czyli wyjście). Ujawnia się także nowy kodon w miejscu A, aby cały cykl mógł się powtórzyć.
I powtarza się... od kilku razy do niewyobrażalnych 33 000 razy! Białko konektyna (tytyna), które znajduje się w Twoich mięśniach i jest najbardziej znanym polipeptydem, może mieć do 33 000 aminokwasów8,9.

Terminacja

Polipeptydy, jak wszystkie dobre rzeczy, muszą ostatecznie się kończyć. Translacja kończy się procesem nazywanym terminacją. Terminacja dzieje się, kiedy kodon stop w mRNA (UAA, UAG lub UGA) wchodzi do miejsca A.
Kodony stop są rozpoznawane przez białka nazywane czynnikami uwalniającymi, które dokładnie pasują do miejsca P (chociaż nie są tRNA). Czynniki uwalniające konkurują z enzymem, który normalnie tworzy wiązania peptydowe: sprawiają, że dodaje on cząsteczkę wody do ostatniego aminokwasu łańcucha. Ta reakcja oddziela łańcuch od tRNA i nowo utworzone białko jest uwalniane.
Co potem? Na szczęście, "sprzęt" translacyjny jest wielokrotnego użytku. Po tym jak mała i duża podjednostka rybosomu oddysocjowują od mRNA i od siebie, każdy element (i zwykle szybko tak się dzieje) bierze udział w innej rundzie translacji.

Epilog: obróbka

Nasz polipeptyd ma teraz wszystkie swoje aminokwasy - czy to oznacza, że jest gotowy do wykonania swojej pracy w komórce?
Niekoniecznie. Polipeptydy często wymagają pewnych "zmian". Podczas i po translacji, aminokwasy mogą być chemicznie zmieniane lub usuwane. Nowy polipeptyd także fałduje do różnych struktur 3D i może łączyć się z innymi polipeptydami, aby utworzyć "wieloczęściowe" białko.
Wiele białek potrafi samodzielnie fałdować, ale niektóre wymagają "pomocników" (chaperonów), aby uchronić je przez nieprawidłowym sklejeniem się ze sobą podczas złożonego procesu fałdowania.
Niektóre białka także zawierają specjalne sekwencje aminokwasowe, które kierują je do poszczególnych części komórki. Te sekwencje często znajdują się blisko N- lub C-końca, mogą być uważane za "bilet na pociąg" białka do jego ostatecznego celu. Aby dowiedzieć się więcej jak to działa, zobacz artykuł o kierowaniu białek.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.