Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 18

Lekcja 3: Translacja/Przesunięcie

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}

Dobre pytanie! Erytromycyna blokuje translację tylko u bakterii a nie u ludzi jak ty czy ja. Aby zobaczyć dlaczego, potrzebujemy dowiedzieć się trochę więcej o tym, jak działają antybiotyki.

Cząsteczka erytromycyny przyłącza się do specyficznego miejsca na cząsteczce kluczowej dla translacji, rybosomie. To miejsce różni się u ludzi i bakterii, zatem erytromycyna może tylko dołączać się do bakteryjnej wersji (a nie do ludzkiej).

^{3}

Jeśli by tak się nie działo, erytromycyna byłaby szkodliwa dla nas tak jak dla bakterii!

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.

Dobre pytanie! Zacznijmy od parowania zasad.

Pary zasad tworzą się, kiedy formują się wiązania między zasadami azotowymi w DNA i/lub RNA. (W ramach przypomnienia: zasady są związkami, których skróty to: A, T, C i G w DNA lub A, U, C i G w RNA). Tylko poszczególne zasady mogą parować ze sobą: na przykład, zwykle A łączy się z U w cząsteczkach RNA.

Przykład tworzenia się par zasad między tRNA i mRNA pokazano poniżej. Możesz zobaczyć trzy zasady azotowe, każdą zaznaczoną linią:

A co z końcami 5' i 3'? Podstawową ideą tutaj jest to, że dwa końce nici DNA lub RNA są różne od siebie.

Na końcu 5' łańcucha wystaje grupa fosforanowa pierwszego nukleotydu.
Na drugim końcu, nazywanym końcem 3', wyeksponowana jest grupa hydroksylowa dodana do ostatniego nukleotydu.

Często procesy ma poziomie molekularnym mogą tylko zajść w konkretnym kierunku na nici DNA czy RNA. Na przykład, podczas translacji, mRNA jest zawsze odczytywane od końca 5' do końca 3'.

Ciekawi, dlaczego tak się dzieje z 5' i 3'? Możesz dowiedzieć się więcej o wadze tego zjawiska w artykule o kwasach nukleinowych.

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.

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.

Nie, nie całkiem! Inicjacja wymaga niektórych cząsteczek pomocniczych, tak jak źródła energii.

^{4, 5}

Inicjacja zależy od specjalnych białek pomocniczych nazywanych czynnikami inicjacyjnymi. Ich funkcją jest pomaganie podjednostkom rybosomowym, tRNA i mRNA znaleźć się nawzajem w uporządkowany i przewidywalny sposób.

Także, nie ma takiej rzeczy jak darmowy lunch: poruszanie tego kompleksu inicjacyjnego wymaga energii. Energia jest dostarczana przez komórkę w formie trifosforanu guanozyny (GTP), powszechnej "waluty energetycznej", która jest podobna do dobrze znanego ATP.

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}

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.

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.

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.

Niepasujące tRNA mogą także wejść do miejsca A. Dlaczego w takim wypadku nieprawidłowy aminokwas nie jest dodawany do łańcucha?

Niepasujące tRNA mogą być zdolne do wejścia do miejsca A... ale generalnie nie maja szansy na zostanie tam. W starannych procesach, które nigdy nie przestaną mnie fascynować, każdy tRNA jest eskortowany przez białka pomocnicze i tylko tRNA, które perfekcyjnie pasuje do kodonu zostanie uwolnione do miejsca A przez ich wybredne białka pomocnicze.

^{7}

Cząsteczka magazynująca energię - trifosforan guanozyny (GTP) jest wykorzystywany do uwolnienia tRNA, dlatego schemat pokazuje ten etap jako wymagający GTP.

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.

Dobre pytanie! Aminokwasy mają grupę aminową (

- {NH}_{2}

) na jednym końcu i grupę karboksylową (

- COOH

) na drugim:

Polipeptyd składa się z aminokwasów połączonych w łańcuch. Chociaż grupy aminowa i karboksylowa większości aminokwasów w łańcuchu będą zaangażowane w wiązania peptydowe, aminokwasy na samych końcach będą posiadały wolne grupy chemiczne.

Jeden koniec polipeptydu ma wyeksponowaną grupę aminową. Ten koniec jest nazywany N-końcem, w związku z atomem azotu grupy aminowej.
Drugi koniec polipeptydu ma wyeksponowaną grupę karboksylową. Ten koniec jest nazywany C-końcem, w związku z atomem węgla grupy karboksylowej.

Pierwszy aminokwas w polipeptydzie (metionina dostarczana przez pierwsze tRNA) leży na N-końcu i nowe aminokwasy są stopniowo dodawane do C-końca:

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

aminokwasów

^{8, 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.

Autorstwo

Artykuł jest zmodyfikowaną wersją: "Ribosomes and protein synthesis," OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Pobierz oryginalny artykuł za darmo z: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.59.

Zmieniony artykuł jest na licencji CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Eukaryotic protein synthesis differs from prokaryotic protein synthesis primarily in translation initiation. W Biochemistry. (5th ed., section 29.5.1). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22531/#_A4206_.
Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H., Heller, H.C. (2004). From DNA to protein: Genotype to phenotype. W Life: The science of biology (7th ed., pp. 246-247). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Ophardt, Charles E. (2003). Other antibiotics. W Virtual Chembook. Dostęp 22 października 2016 do http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/654antibiotic.html.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Protein factors play key roles in protein synthesis. W Biochemistry. (5th ed., section 29.4.1). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22408/#_A4190_.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Eukaryotic protein synthesis differs from prokaryotic protein synthesis primarily in translation initiation. W Biochemistry. (5th ed., section 29.5). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22531/.
Marintchev, A. & Wagner, G. (2004). Translation initiation: Structures, mechanisms, and evolution. W Quarterly Reviews of Biophysics, 37(3/4), 214-215. http://dx.doi.org/10.1017/S0033583505004026. Źródło: https://gwagner.med.harvard.edu/sites/gwagner.med.harvard.edu/files/marintchev_qrb.pdf.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Protein factors play key roles in protein synthesis. W Biochemistry. (5th ed., section 29.4.2). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22408/#_A4192_
Titin. (12 października 2016). Dostęp 22 października 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Titin.
Opitz, C. A., Kulke, M., Leake, M. C., Neagoe, C., Hinssen, H., Hajjar, R. J., Linke, W. A. (2003). Damped elastic recoil of the titin spring in myofibrils of human myocardium. PNAS, 100(22), 12688. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2133733100.

Bibliografia

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). A ribosome is a ribonucleoprotein particle (70S) made of a small (30S) and a large (50S) subunit. W Biochemistry. (5th ed., section 29.2). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22335/.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Eukaryotic protein synthesis differs from prokaryotic protein synthesis primarily in translation initiation. W Biochemistry. (5th ed., section 29.5). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22531/.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Protein factors play key roles in protein synthesis. W Biochemistry. (5th ed., section 29.4). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22408/.

Cooper, G. M. (2000). Translation of mRNA. W The cell: A molecular approach. (2nd ed.). Dostęp: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9849/.

Erythromycin. (11 września 2010). W MedlinePlus. Źródło: https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/druginfo/meds/a682381.html.

Erythromycin. (27 grudnia 2015). Dostęp 31 grudnia 2015 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Erythromycin.

Eukaryotes use a complex of many initiation factors. (2007). W Protein synthesis. Źródło: http://bioscience.jbpub.com/cells/MBIO269.aspx.

Initiation involves base pairing between mRNA and rRNA. (2007). W Protein synthesis. Źródło: http://bioscience.jbpub.com/cells/MBIO267.aspx.

Initiator tRNA. (n.d). A special initiator tRNA starts the polypeptide chain. Dostęp 31 grudnia 2015 do http://molecularstudy.blogspot.com/2012/10/a-special-initiator-trna-starts.html.

Laursen, B. S., Sørensen, H. P., Mortensen, K. K., Sperling-Petersen, H. U. (2005). Initiation of protein synthesis in bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 69(1), 101-123. http://dx.doi.org/10.1128/MMBR.69.1.101-123.2005.

Marintchev, A. & Wagner, G. (2004). Translation initiation: Structures, mechanisms, and evolution. W Quarterly Reviews of Biophysics, 37(3/4), 197-284. http://dx.doi.org/10.1017/S0033583505004026. Źródło: https://gwagner.med.harvard.edu/sites/gwagner.med.harvard.edu/files/marintchev_qrb.pdf.

Nakagawa, S., Niimura, Y., Miura, K., Gojobori, T. (2010). Dynamic evolution of translation initiation mechanisms in prokaryotes. PNAS, 107(14), 6382-6387. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1002036107.

Neyfakh, A. & Mankin, A. (30 stycznia 2000). Fundamentals of drug action I: lecture 3. Źródło: http://www.uic.edu/classes/phar/phar331/.

N-Formylmethionine. (13 grudnia 2015). Dostęp 21 grudnia 2015 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/N-Formylmethionine.

OpenStax College, Biology. (30 września 2015). Ribosomes and protein synthesis. W OpenStax CNX. Źródło: https://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@8.57:FUH9XUkW@6/Translation.

OpenStax College, Biology. (n.d.). Translation. W OpenStax CNX. Źródło: http://philschatz.com/biology-concepts-book/contents/m45479.html.

Ophardt, Charles E. (2003). Other antibiotics. W Virtual Chembook. Dostęp 22 października 2016 do http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/654antibiotic.html.

Opitz, C. A., Kulke, M., Leake, M. C., Neagoe, C., Hinssen, H., Hajjar, R. J., Linke, W. A. (2003). Damped elastic recoil of the titin spring in myofibrils of human myocardium. PNAS, 100(22), 12688-12693. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2133733100.

Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H., Heller, H.C. (2004). From DNA to protein: Genotype to phenotype. W Life: The science of biology (7th ed., pp. 233-256). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Rasmussen, L. C. V., Laursen, B. S., Mortensen, K. K., Sperling-Petersen, H. U. (2009). Initiator tRNAs in bacteria and eukaryotes. eLS. http://dx.doi.org/10.1002/9780470015902.a0000543.pub2.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Translation is the RNA-directed synthesis of a polypeptide: A closer look. W Campbell biology (10th ed., pp. 345-353). San Francisco, CA: Pearson.

Small subunits scan for initiation sites on eukaryotic mRNA. (2007). W Protein synthesis. Źródło: http://bioscience.jbpub.com/cells/MBIO268.aspx.

Titin. (12 października 2016). Dostęp 22 października 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Titin.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.