Translacja

Translacja- proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Translacja odbywa się w cytoplazmie lub na błonach siateczka śródplazmatycznej szorstkiej. Proces ten jest katalizowany przez rybosom obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA. Translacja na jednej cząsteczce mRNA może być prowadzona przez wiele rybosomów równocześnie. Taki kompleks mRNA związanego z wieloma rybosomami nazywa się polisomem lub polirybosomem.

Translacja składa się z czterech faz:

* aktywacji- właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego, powstałego przez reakcję grupy karboksylowej aminokwasu i grupy OH przy końcu 3' tRNA. Taki zespół określa się mianem aminoacylo-tRNA.

* inicjacji- mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA. Do małej podjednostki przyłącza się duża podjednostka rybosomu. Na podjednostce 50s uaktywniają się dwa miejsca: P - miejsce peptydowe i A - miejsce akceptorowe. Pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P

* elongacji- następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A. Następnie proces translacji zachodzi na zasadzie komplementarności kodonu mRNA z antykodonem na tRNA. Rybosom i tRNA są tak ukształtowane, aby dwa aminokwasy, przyłączone do tRNA zajmujące w rybosomie miejsca A i P znajdowały się blisko siebie. Dzięki temu zachodzi reakcja między grupą aminową i karboksylową - dwa aminokwasy łączą się. Ten proces - tworzenie wiązań peptydowych jest katalizowany przez peptydylotransferazę - rybozym (rRNA) wchodzący w skład rybosomu. Po syntezie, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei aminoacylo-tRNA ulega przesunięciu z miejsca A na miejsce P. Proces ten nazywamy translokacją. Jednocześnie przesuwa się także mRNA. Wielkość tego przesunięcia wynosi zawsze trzy nukleotydy. Na miejsce A nasuwa się nowy tRNA zawierający antykodon odpowiadający kolejnemu kodonowi na mRNA. Proces elongacji powtarza się aż do napotkania przez podjednostkę mniejszą rybosomu w miejscu A kodonu stop (UAA, UAG lub UGA). Tych trójek kodonowych, w normalnych warunkach, nie koduje żaden tRNA.

*terminacji- Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, tRNA zostaje oddzielone od mRNA, a rybosom rozpada się na podjednostki, które mogą zostać ponownie wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.

Inicjacja translacji

Rybosomy, które nie biorą aktywnego udziału w pro­cesie syntezy białka, rozdysocjowują na podjednostki pozostające w cytoplazmie aż do momentu wejścia w nową rundę translacji.

U bakterii proces ten rozpo­czyna się w momencie, gdy mała podjednostka rybo­somu, połączona z translacyjnym czynnikiem ini­cjacyjnym IF-3 ( zapobiega przedwczesnej reasocjacji dużej i małej podjednostki), przyłącza się do miejsca wiązania rybosomy (nazywanego też sekwencją Shine-Dalgarno) które jest komplementarne do fragmentu na końcu 3' 16S rRNA, wchodzącego w skład małej podjednostki rybosomu.

Przyłączenie małej podjednostki rybosomu do miej­sca wiązania rybosomu umiejscawia ją w rejonie obejmującym kodon inicjacyjny 5'-AUG-3' kodujący metioninę (Czasami jako kodony inicjacyjne występują także 5'-GUG-3' i 5'-UUG-3'),

Inicjatorowy tRNA jest poddawany aminoacylacji przez metioninę, a następnie modyfikowany poprzez konwersję metio­niny do N-formylometioniny (przyłączenie grupy formylowej —COH do grupy aminowej) Oznacza to, że wolna jest tylko grupa karboksylowa inicjatorowej metioniny i tylko ona może uczestniczyć w tworzeniu wiązania peptydowego. Dzięki temu synteza peptydu zachodzi wyłącznie zgodnie z kierunkiem N->C. Ini­cjatorowy tRNA jest dostarczany do małej podjednostki rybosomu czynnik inicjacyjny IF-2 połączony z cząsteczką GTP, która jest później źródłem energii w ostatnim etapie inicjacji translacji.

Etap inicjacji translacji kończy się w momencie związania czynnika IF-1, który stabilizuje kompleks inicjacyjny, umożliwiając przyłączenie dużej podjednostki rybosomu. Jej przyłączenie wymaga energii, która jest uwalniana w czasie hydrolizy GTP. Proces ten prowadzi do uwolnienia czynników inicjacyjnych.

W procesie inicjacji translacji u Eukaryota bierze udział czapeczka i ogon poli A. W większości przypad­ków mała podjednostka rybosomu początkowo łączy się z końcem 5' mRNA i skanuje wzdłuż jego sekwen­cję, aż napotka pierwszy kodon inicjacyjny.

Najpierw składany jest kompleks preinicjacyjny, w którego skład wchodzi :

• podjednostka rybosomu 40S,

• inicjatorowy tRNA

• eukariotyczny czynnik inicjacyjny eIF-2

• cząsteczka GTP

Inicjatorowy tRNA przenosi zwykłą metioninę, a nie jej formylowaną pochodną. Po złożeniu kompleksu preinicjacyjnego łączy się on z końcem 5' mRNA. W procesie tym bierze udział kompleks wiążący się z czapeczką ( eIF-4F) składający się z czynników inicjacyj­nych :

• eIF-4A

• eIF-4E

• eIF-4G.

Na przyłączenie kompleksu reinicjacyjnego do mRNA ma wpływ również ogon poli(A), znajdujący się na oddalonym końcu 3' mRNA. Przypuszcza się, że w oddziaływaniu tym pośredniczy białko wiążące się z poli(A) (PABP) które związane jest z ogonem Poli A. U drożdży i roślin pokazano, że białko PABP może łączyć się z eIF-4G, proces ten wymaga zgięcia mRNA tyłem do przodu. Czapeczka i PZPN Poli A współgrają ze sobą.

Po połączeniu końcem 5’mRNA kompleks inicjacyjny skanuje cząsteczkę mRNA żeby znaleźć kodon inicjacyjny, rozpoznawanie go jest możliwe ponieważ wchodzi on w skład sekwencji Kozak.

W momencie umiejscowienia kompleksu inicjacyjnego w rejonie zawierającym kodon inicjacyjny następuje przyłączenie dużej podjednostki rybosomu, wymaga to hydrolizy GTP i prowadzi do odłączenia czynników inicjacyjnych. W procesie tym bierze udział:

• eIF-5- pomaga uwalniać pozostałe czynniki

• eIF6- połączony z dużą podjednostką, zapobiega jej łączeniu z małą podjednostką w cytoplazmie

Skanowanie w trakcie translacji

Proces zauważony u wirusów infekujących komórki eu­kariotyczne. Transkrypty genów tych wirusów nie są łączone z czapeczką. Zamiast niej mają wewnętrz­ne miejsce wejścia rybosomu (IRES) Pełni ono podobną funkcję jak bakteryjne miejsce wiązania rybosomu, Obecność sekwencji IRES oznacza, że pikornawirusy mogą zablokować syntezę białek komór­ki gospodarza poprzez inaktywację kompleksu wiążącego się z czapeczką, co jednocześnie nie wpływa na translację ich własnych transkryptów. Nie jest to jednak typowy element strategii infekcji przez wszystkie pikornawirusy.

Regulacja inicjacji translacji

• Regulacja ogólna dotyczy zasadniczych zmian w ilości syntetyzowanych białek i oddziałuje na wszystkie mRNA w podobnym stopniu. U eukariotów zachodzi to przeważ­nie przez fosforylację czynnika elF-2, co powoduje represję inicjacji translacji, ponieważ czynnik ten nie może związać cząsteczki GTP, a musi to nastąpić, zanim przeniesie on inicjatorowy tRNA do małej podjednostki rybosomu. Fosforylację elF-2 obserwuje się w czasie szoku cieplnego, kiedy ogólnie obniża się poziom syntezy białek. Wykorzys­tywana jest ona również przez pewne wirusy jako sposób wyłączenia syntezy białek w komórce gospodarza.

• Regulacja specyficzna dotyczy mechanizmów działają­cych tylko na konkretny transkrypt lub małą grupę trans­kryptów, kodujących pokrewne białka. Najczęściej cyto­wanym przykładem są operony kodujące białka rybosomowe Escherichia coli oraz mRNA ferrytyny. W warunkach braku żelaza synteza ferrytyny jest hamowana przez białka wiążące się z sekwencjami nazwanymi elementami odpowiedzi na żelazo (IRE), związane białka hamują przesuwanie się rybosomy wzdłuż mRNA, gdy szuka on kodonu inicjacyjnego. Gdy żelazo jest obecne białka odłączają się i mRNA może ulega translacji

Występujące u E.coli RNA OxyS reguluje translacje ok. 40 różnych mRNA chroniących przed uszkodzeniem oksydacyjnym, syntezę OxyS aktywują reaktywne formy tlenu

Proces elongacji translacji jest podobny u bakterii i eukariotów

W rezultacie przyłączenia dużej podjednostki rybo­somu powstają dwa

miejsca, z którymi może się wiązać aminoacylo-tRNA:

-miejsce peptydylowe (miejsce P), które jest już zajęte przez inicjatorowy tRNA, naładowany N-formylometioniną lub metioniną i połączony z kodonem inicjacyjnym.

-miejsce akceptorowe (miejsce A), obej­mujące drugi kodon otwartej ramki odczytu. Miejsce A zajmuje odpowiednie aminoacylo-tRNA, umiejscawiane przez czynnik elongacyjny EF-Tu. Czynnik ten należy do grupy białek G, co oznacza, że wiąże on cząsteczkę GTP i dzięki jej hydrolizie może uwalniać energię. Odjpowiadającym mu czynnikiem eukariotycznym jest eEF-1.

Po wejściu aminoacylo-tRNA w miejsce A następuje połączenie dwóch aminokwasów za pomocą wiązania peptydowego. Reakcję tę katalizuje enzym peptydylotransferaza, który odłącza aminokwas od inicjatorowego tRNA i tworzy wiązanie peptydowe między tym aminokwasem a aminokwasem połączonym z dru­gim tRNA. Reakcja wymaga energii dostarczanej w wyniku hydrolizy GTP związa­nego z czynnikiem EF-1A (u eukariotów eEF-1). Pro­wadzi to do inaktywacji EF-1A, który jest usuwany z rybosomu i regenerowany przez czynnik EF-1B.

Dipeptyd odpowiadający pierwszym dwóm kodonom otwartej ramki odczytu jest teraz połączony z tRNA znajdującym się w miejscu A. Następny etap translacji nazwano translokacją, podczas której:

• Rybosom przesuwa się o trzy nukleotydy tak, że następny kodon wchodzi w miejsce A.

• Dipeptydylo-tRNA przesuwa się z miejsca A na miejsce P.

• U bakterii deacylowany tRNA przesuwa się z miej­sca P na trzecie miejsce - miejsce wyjścia (miejs­ce E), a u eukariotów jest po prostu usuwany z rybosomu.

Translokacja wymaga hydrolizy cząsteczki GTP, w czym u bakterii pośredniczy czynnik EF-2, a u eu­kariotów - eEF-2. Translokacja prowadzi do opróżnienia miejsca A, co umożliwia wejście nowego aminoacylo-tRNA. Cykl elongacyjny jest teraz powtarzany aż do końca otwartej ramki odczytu.

Peptydylotransferaza jest rybozymem

Zmiana fazy odczytu występuje w czasie elongacji,gdy rybosom zatrzymuje się w środku mRNA i przesuwa o jeden nukleotyd do tyłu lub rzadziej - do przodu, a następnie kontynuuje translację. Wskutek tego kodon czytany po przerwie nie jest ciągły z wcześniejszymi kodonami, ponieważ znajdują się one w różnych fazach odczytu. Zmiana fazy odczytu zdarza się rzadko i jest szkodliwa, ponieważ od miejsca zmiany fazy polipeptyd ma niewłaściwą sekwencję aminokwasów. Może być spontaniczna lub zaprogramowana (rybosomy zmieniają fazę odczytu w specyficznym miejscu tran skryptu).

poślizg rybosomu, umożliwia jednemu rybosomowi translację mRNA zawierającego kopie dwóch lub trzech genów. Kiedy rybosom dochodzi do końca jednej serii kodonów, uwalnia właśnie zsyntetyzowane białko, ślizga się do następnego kodonu inicjacyjnego i rozpo­czyna syntezę kolejnego białka.

Pominięcie translacyjne- pomijana jest duża częśc transkryptu i elongacja translacji pierwotnego białka zachodzi w sposób ciągły po tym pominięciu, Pominięcie zaczyna się i kończy na 2 identycznych kodonach lub 2 różnych kodonach które rozpoznawane są przez ten sam tRNA na zasadzie tolerancji. Pominięcie występuje u E. coli w czasie translacji genu 60bakteriofaga T4 kodującego podjednostkę topoizomerazy

Terminacja translacji

Proces syntezy białka kończy się w momencie napot­kania jednego z trzech kodonów terminacyjnych. W miejsce A wchodzi teraz nie cząsteczka tRNA, ale białkowy czynnik uwalniający. Bakterie mają trzy takie czynniki:

• RF-1 rozpoznający kodony terminacyjne 5'-UAA-3' i 5'-UAG-3',

• RF-2 rozpoznający 5'-UAA-3' i 5'-UGA-3'

• RF-3 działający jako czynnik pomocniczy.

Eukarioty mają tylko 2 czynniki uwal­niające:

• eRF-1 rozpoznający 3 kodony terminacyjne

• eRF-3

Czynnik recyklingu rybosomów (RRF)- odpowiada za rozdysocjowanie podjednostek rybosomy, ma strukturę podobną do tRNA, wchodzi w miejsce p lub A i oddziela podjednostki rybosomy. Rozdysocjowanie wymaga energii uwalnianej z GTP przez jeden z czynników elongacyjnych EF-2. Czynnik inicjacyjny IF-3 zapobiega ponownemu połączeniu się podjednostek