Translacja

Translacja jest 2 etapem biosyntezy białka:

Do przebiegu procesu potrzebne są następujące elementy:

-ATP

-rybosomy (zbudowane z 2 podjednostek)

-aminokwasy

-tRNA

-mRNA

Na podstawie informacji zawartej w mRNA, w drugim etapie ekspresji genu, syntetyzowane jest białko o określonej sekwencji aminokwasów. Następuje tu przetworzenie „języka kwasów nukleinowych” w cząsteczce mRNA na „język aminokwasów” w cząsteczce białka.

Translacja mRNA, czyli biosynteza na rybosomie, jest końcowym etapem w procesie ekspresji informacji genetycznej zawartej w sekwencji nukleotydów w mRNA na kolejność aminokwasów białku składa się (podobnie jak replikacja DNA i transkrypcja) z 4 faz:

• AKTYWACJI

• INICJACJI

• ELONGACJI

• TERMINACJI

Aktywacja

W aktywacji właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego.

Zanim aminokwas będzie mógł przyłączyć się do tworzącego się łańcucha polipeptydowego, musi zostać on aktywowany. W proces ten włączany jest:

-tRNA

-syntetaza aminoacylo-tRNA

-ATP, będący źródłem energii reakcji

Proces ten przechodzi w 2 etapach, katalizowany jest przez enzym- syntetazę aminoacylo-tRNA. W drodze tej reakcji aminokwas zostaje aktywowany i utworzony zostaje aminoacylo-tRNA.

Syntetaza aminoacylo-tRNA w sposób bezbłędny rozpoznaje zarówno łańcuch boczny aminokwasu, jak i strukturę odpowiedniego tRNA.

Etap pierwszy:

Polega na aktywowaniu aminokwasów- czyli przeniesieniu ich na wyższy poziom energetyczny.

Synteaza aminoacylo-tRNA aktywuje aminokwas przez przyłączenie AMP do grupy karboksylowej aminokwasu pochodzącego z cząsteczki ATP i odłączenie difosforanu.

Aktywowany aminokwas pozostaje związany z cząsteczką synteazy.

Etap drugi:

Enzym Synteaza aminoacylo-tRNA katalizuje przeniesienie grupy aminoacylowej (R-CH₂NH₂-CO-) z aminoacylo-AMP na odpowiedni rodzaj tRNA.

Aminokwas + ATP Aminoacylo-AMP + PP

Aminoacylo-AMP + tRNA Aminoacylo-tRNA + AMP

Aminokwas + ATP + tRNA aminoacylo-tRNA + AMP + PP

Grupa aminoacylowa przyłącza się do końcowego nukleotydu adeninowego tRNA, znajdującego się w tryplecie CCA, tj na końcu 3’ ramienia aminokwasowego (akceptorowego) tRNA wiążąc się estrowo z 3’ grupą hydroksylową rybozy. Zaaktywowane i związane z tRNA aminokwasy są przenoszone do formującego się polirybosomu, gdzie ustawiają się w takiej kolejności, jak to wyznaczają sekwencje trójek nukleotydowych (kodonów) w mRNA oraz odpowiadające im antykodony w tRNA.

Inicjacja

Inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA

Zapoczątkowanie formowania się łańcucha polipeptydowego polega na wytworzeniu tzw. kompleksu inicjacyjnego, który składa się z:

-rybosomu

-mRNA

-inicjatorowego tRNA – N-formylometionylo-tRNA u organizmów prokariotycznych lub metionylo-tRNA u organizmów eukariotycznych

-białkowych czynników inicjacyjnych- IF u eukariotów i eIF (eucaryotic initiation factors) oraz GTP

Podczas inicjacji rybosom i inicjatorowi tRNA muszą właściwie rozpoznać miejsce na nici mRNA, w którym powinna się rozpocząć biosynteza białka, co warunkuje dalszy prawidłowy odczyt.

Proces inicjacji łańcucha u eukariotów nie jest tak dobrze znany jak w wypadku bakterii. Wiadome jest, że istnieje między nimi kilka różnic.

-do inicjacji wykorzystywana jest metionina

-istnieje przynajmniej 8 czynników inicjacji

Proces inicjacji łańcucha u bakterii posiada kilka etapów obejmujących:

-interakcję mRNA,

-dużej i małej podjednostki rybosomu,

-inicjatorowego tRNA,

-GTP

-3 czynników inicjacyjnych- IF1, IF2, IF3

Pierwszą reakcją inicjacji jest dysocjacja rybosomu na dwie oddzielne podjednostki- małą (MP) i dużą (DP) Dysocjacja jest stymulowana przez czynnik inicjacji- 1 (IF1), który łączy się bezpośrednio z małą podjednostką rybosomu. Odłączona mała podjednostka jest stabilizowana przez przyłączenie IF3, który działa jako „czynnik antyasocjacyjny” zapobiegający ponownemu połączeniu się małej podjednostki z dużą

Mała podjednostka jest przygotowana do następnego etapu, w którym mRNA i inicjatorowi tRNA w połączeniu z aminokwasem (fMEt) są przyłączane do kompleksu. Etap ten jest poprzedzony przez wstępną reakcję, w której inicjatorowi tRNA oddziałuje z IF2 tworząc tzw. Kompleks podwójny. IF2 stymuluje wiązanie się inicjatorowego tRNA z miejscem P. Kompleks IF2- inicjacyjny tRNA oraz mRNA zostają następnie przyłączone do małej podjednostki w taki sposób, że kodon inicjujący AUG cząsteczki mRNA jest umiejscowiony w środku miejsca P (miejsca peptydowego) na małej podjednostce.

Pierwszym aminokwasem łańcucha polipeptydowego zarówno u prokariotów jak i u eukariotów jest metionina. Jednak u prokariotów metionina niesiona przez inicjatorowy tRNA jest zmieniana do formylometioniny, przez dodanie grupy formylowej, która blokuje grupę aminową aminokwasu

Końcową reakcją w inicjacji jest przyłączenie dużej podjednostki (50S) Po przyłączeniu dużej podjednostki wszystkie czynniki inicjacyjne odłączają się od rybosomu. Uwolnieniu IF2 towarzyszy hydroliza GTP. Utworzony kompleks inicjacyjny zawiera teraz:

-rybosom

-mRNA

-fMet-tRNA, z inicjatorowym tRNA przyłączonym w miejscu P rybosomu, naprzeciwko kodonu inicjującego AUG

Elongacja

Elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A

Proces elongacji dzieli się na 3 główne etapy:

-wiązania aminoacylo-tRNA

-tworzenia wiązania peptydowego

-translokację.

Wszystkie te etapy są powtarzalne dla każdego aminokwasu wyznaczanego przez kod genetyczny zawarty w mRNA aż do wystąpienia sygnału zakończenia. Główne cechy tego procesu są takie same jak u prokariotów i eukariotów, natomiast istnieją różnice w szczegółach.

Wiązanie aminoacylo-tRNA:

Po utworzeniu kompleksu inicjacyjnego, formylometionylo-tRNA (metionylo-tRNA u eukariotów) zajmuje w rybosomie wyjątkowo miejsce peptydowe, miejsce zaś aminoacylowe jest jeszcze wolne Oba obszary wiązania tRNA są umiejscowione na większej podjednostce (50S) rybosom 70S (nadal kontynuowany będzie opis szeroko badanego systemu prokariotycznego) Miejsce P na rybosomie zajęte jest przez fMet-tRNA w 70S kompleksie inicjacyjnym. Drugi aminoacylo-tRNA przyłącza się do miejsca A. Trójka zasad tRNA tworzy wiązania wodorowe z trypletem zasad mRNA. Poza tym do związania cząsteczek aminoacylo-tRNA w miejscu A niezbędny jest GTP oraz dwa białkowe czynniki elongacyjne, EF-Tu i EF-Ts. Czynnik elongacyjny Tu związany z GTP umieszcza aminoacylo-tRNA w miejscu A, GTP ulega hydrolizie i kompleks EF-Ts łączy się z czynnikiem EF-Tu, indukując równocześnie dysocjację GDP z kompleksu. Dalej GTP wiąże się z czynnikiem EF-Tu, uwalniając przyłączony EF-Ts. Dopiero teraz EF-Tu związany z GTP jest gotowy do przyłączenia następnego aminoacylo-tRNA i dostarczenia go do miejsca A rybosomu. Szybkie związanie aktywnego zaktywowanego tRNA przez czynniki EF-Tu ochroni to wiązanie przed hydrolizą.

Gdy aminoacylo-tRNA znajduje się w miejscu A, a fMet-tRNA w miejscu P rybosomu oraz gdy czynniki EF-Tu opuści rybosom, w kompleksie znajduje się wszystko co jest potrzebne do utworzenia wiązania peptydowego.

Wiązanie peptydowe jest tworzone w reakcji katalizowanej przez enzym transferazę peptydową, która jest integralnym składnikiem podjednostki 50S

Reakcja tworzenia wiązania peptydowego:

Tworzenie wiązania zachodzi w centrum katalitycznym transferazy peptydowej. Wydłużający się łańcuch peptydowy jest przenoszony na grupę aminową wprowadzonego aminoacylo-tRNA. Po utworzeniu wiązania peptydowego w miejscu A znajduje się dipeptydylo-tRNA, natomiast w miejscu P- „pusty” tRNA, bez przyłączonego aminokwasu

Translokacja:

W tym procesie nianaładowany tRNA jest uwalniany z miejsca P, a mRNA przesuwa się o długość trzech nukleotydów. Translokacja wymaga trzeciego czynnika elongacyjnego EF-G, który jest również białkiem, i jeszcze raz GTP jest hydrolizowane do GDP i P_{i .} Po translokacji miejsce A jest puste, gotowe do wiązania nowego aminoacylo-tRNA i rozpoczęcia kolejnego cyklu elongacyjnego.

Terminacja

W terminacji łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy.

Sygnał terminacji zakańcza biosyntezę białek. Takimi sygnałami są kodony terminacyjne (nonsensowne) UAA, UAG i UGA (inaczej też kodony STOP)

Z kodonem wiąże się bezpośrednio białkowy czynnik uwalniający (RF-1 lub RF-2) oraz GTP, który jest związany z trzecim czynnikiem uwalniający m, RF-3. RF-1 wiąże się z UAA i UAG, podczas gdy RF-2 wiąże się z UAA i UGA. RF-3 nie łączy się z żadnym kodonem, lecz ułatwia aktywność pozostałych dwóch czynników uwalniających.

Zarówno RF-1, jaki i RF-2 (ang. Release factor; skrót – RF) wiążą się w okolicach miejsca A rybosomu, gdy pojawi się w nim jeden z kodonów terminacyjnych. Czynnik uwalniający nie tylko blokuje wiązanie się nowego aminoacylo-tRNA ale również wpływa na aktywność transferazy peptydowej, co powoduje hydrolizę wiązania pomiędzy peptydem a tRNA zajmującym miejsce P. W wyniku tej hydrolizy uwalnia się z miejsca P łańcuch polipeptydowy i tRNA. Po odhydrolizowaniu łańcucha peptydowego od tRNA również rybosom dysocjuje na podjednostki, które są dalej wykorzystywane w następnych cyklach syntezy białka.

U Eukariota wszystkie funkcje wypełnia tylko jeden dimeryczny czynnik eRF.