TRANSLACJA (zobacz i porównaj: translacja u Procaryota)
Translacja - proces, w którym następuje odczyt informacji genetycznejz mRNA i synteza białka. Biorą w nim udział oprócz matrycy ( mRNA ) i aminokwasów także cząsteczki tRNA ( dostarczające aminokwasów ), rybosomy oraz szereg czynników wspomagających.
Przetransportowany do cytoplazmy mRNA może ulec translacji, bądź też zostać szybko zdegradowany, jeśli białko jakie jest przezeń zakodowane występuje w komórce w dostatecznej ilości. I tak na przykład mRNA dla histonów jest bardzo stabilne w fazie S cyklu komórkowego, tj.
w tym momencie, kiedy obserwuje się najwyższe zapotrzebowanie na histony. Zatem w fazie S następuje translacja mRNA histonowego. W innych fazach cyklu komórkowego stabilność tych transkryptów jest ok. 5-krotnie niższa, co oznacza, że ulegają one degradacji.
Wniosek z tego, że synteza białka zachodzi w zależności od potrzeb komórki, a zatem regulacja ekspresji informacji genetycznej odbywa się także na etapie poprzedzającym translację.
Rybosomy
(zobacz i porównaj: rybosomy prokariotyczne)
Miejscem syntezy białka są organella komórkowe zwane rybosomami. Występują one oprócz cytoplazmy także w mitochondriach i chloroplastach, ale te rodzaje rybosomów nie będą tematem naszych rozważań. Rybosomy w cytoplazmie mogą występować w formie wolnej lub związanej z retikulum endoplazmatycznym. Pierwsze z nich uczestniczą w translacji białek cytosolowych, a drugie białek eksportowanych do wnętrza retikulum oraz na zewnątrz komórki. Obydwa rodzaje rybosomów zbudowane są z dwóch podjednostek:
małej, której stała sedymentacji wynosi 40S;
dużej o współczynniku sedymentacji równym 60S.
Składają się one z rybosomalnego RNA ( 18S rRNA małej podjednostki; 5, 5.8, 26 ( 28S rRNA dużej podjednostki ) oraz kilkudziesięciu białek, których skład różni się między obydwiema "częściami" rybosomu. W obrębie rybosomu wyróżnia się trzy istotne miejsca zwane E ( exit - tędy wychodzi "zużyty" tRNA ), A ( aminokwasowe ), P ( peptydowe ), o których będzie mowa w dalszych częściach tego rozdziału.
Przebieg translacji
Translacja mRNA zachodzi w kierunku 5'(R) 3', zatem pierwszy aminokwas syntetyzowanego polipeptydu zakodowany jest przez kodon ( patrz Kod genetyczny ) leżący bliżej 5' końca transkryptu. Natomiast najwcześniej wbudowanymi aminokwasami powstającego białka są te, które stanowią jego N - terminalną część. Wynika to z mechanizmu tworzenia wiązań peptydowych między sasiadujacymi aminokwasami ( patrz "Chemiczne podstawy biologii molekularnej" ).
Translację podzielić można na trzy zasadnicze etapy:
inicjację,
elongację,
terminację.
Inicjacja
Pierwszym etapem syntezy białka jest przyłączenie mRNA do mniejszej podjednostki rybosomu ( 40S ) w obecności inicjatorowego tRNA i szeregu czynników inicjujących.
U eukariontów pierwszym kodonem ulegającym translacji jest kodon AUG ( tzw. kodon start ), kodujący metioninę.
Ponieważ w mRNA trójek takich może być bardzo wiele, miejsce początku translacji wyznacza ten kodon, który położony jest najbliżej 5' końca. W poszukiwaniu pierwszego tj. inicjacyjnego kodonu metioninowego biorą udział czynniki zwane eIF3 i eIF4, z których pierwszy przyłącza do struktury czapeczki kompleks białkowy ( tzw. CBP ) oraz odszukuje AUG, natomiast drugi - eIF4 dostarcza energii do poszukiwań. Zanim jednak rybosom ze związanym białkiem eIF3 zacznie kroczyć po mRNA w poszukiwaniu AUG, do podjednostki 40S zwiazany zostaje inicjatorowy aminoacylo tRNA tj. tRNA niosący cząsteczkę aminokwasu - tu metioniny. Gdy przesuwająca się po mRNA podjednostka 40S ze związanym Met-tRNA natrafi na kodon "start" następuje przyłączenie większej podjednostki rybosomu ( 60S ).
Nazwa czynnika |
Funkcje |
eIF2 |
Przyłączenie do podjednostki 40S inicjacyjnego aminoacylo tRNA |
eIF3 |
Udział w przyłączaniu do 5' końca mRNA białek CBP Odszukiwanie kodonu inicjacyjnego Uniemożliwianie asocjacji podjednostek rybosomowych pod nieobecność innych czyników inicjacyjnych |
eIF4 |
Dostarczanie energii niezbędnej w działaniu eIF3 z hydrolizy ATP |
eIF5 |
Indukcja uwolnienia eIF2 i eIF3 kosztem energii z hydrolizy GTP ( związanego z eIF2 ) |
Przkłady eukariotycznych czynników inicjacyjnych
Inicjacja translacji stanowi kolejny punkt kontrolny w ekspresji informacji genetycznej. Regulacja ekspresji na tym etapie odbywa się za pośrednictwem czynnika eIF2, który zdolny jest do inicjowania translacji tylko wtedy, gdy posiada przyłączoną cząsteczkę GTP. W nieaktywnym eIF2 przyłączony jest GDP, który może być wymieniony na GTP za pośrednictwem białka GEF, w wyniku reakcji:
Reakcja ta jednak może być zaburzona wskutek fosforylacji eIF2 nieaktywnego, w którym niemożliwa jest wymiana nukleotydu guanylowego ( GDP/GTP ). Innymi słowy, fosforylacja skazuje białko eIF2 na brak aktywności.
Elongacja łańcucha polipeptydowego
Po złożeniu rybosomu, tj. przyłączeniu podjednostki 60S do powstałego układu, przez odpowiednie tRNA dostarczane są kolejne aminokwasy. Rybosom przesuwa się stopniowo wzdłuż nici mRNA, do której na zasadzie komplementarności dopasowują się cząsteczki aminoacylo tRNA. Dopasowanie to dotyczy obszaru antykodonu tj. trójki nukleotydów (z tRNA) "pasujących" do kodonu z mRNA. I tak z kodonem CAC oddziaływać będzie tRNA zawierający antykodon GUG i niosący histydynę.
Do kolejnego aminokwasu dostarczonego w miejsce A rybosomu przez aminoacylo tRNA przyłącza się za pośrednictwem grupy karboksylowej wcześniej odczytany aminokwas występujący w danym momencie - jeszcze w postaci związanej z tRNA - w miejscu P rybosomu. Tzn. jeśli pierwszym kodonem jest AUG, drugim CAC, a trzecim UUU będziemy mieli do czynienia z następującymi zmianami na terenie rybosomu:
1. Do dostarczonej jako drugiej w kolejności histydyny przyłącza się inicjacyjna metionina. Na tRNA histydynowym ( w miejscu A ) tworzy się dipeptyd Met-His i przesuwa się w miejsce P.
2. Do przyłączonej jako trzeciej fenyloalaniny grupą karboksylową przyłączy się dipeptyd Met-His i powstanie trójpeptyd Met-His-Phe, przemieszczany jak poprzednio w miejsce P.
Ogólny schemat translacji
Teoria adaptorowa dotycząca rozpoznawania kodonów
Tak więc, wydłużanie się łańcucha polipeptydowego polega na przyłączaniu kolejnych aminokwasów na jego C-końcu. Elongację łańcucha polipeptydowego umożliwiają tzw. czynniki elongacyjne m.in. eEF1( i eEF1( odpowiedzialne za dostarczanie aminoacylo tRNA, oraz eEF2 odpowiedzalny za translokację tj. przeniesienie z m-ca A na m-ce P odbywającą się kosztem energii z GTP.
Cykl elongacyjny
Terminacja
Translacja kończona jest w miejscu, w którym wystąpi jeden spośród trzech kodonów terminacyjnych tzw. kodonów "stop" ( UAG, UGA, UAA ). Wymienione trójki nukleotydowe rozpoznawane są w odróżnieniu do całej reszty nie przez amino-acylo tRNA, a przez tzw. czynnik uwalniający eRF. Czynnik ten aktywuje enzym rozcinający wiązanie między polipeptydem a cząsteczką tRNA, która dostarczyła ostatniego aminokwasu, czego skutkiem jest uwolnienie łańcucha polipeptydowego. Zdarzenie to jest uwieńczeniem szeregu procesów, jakie obejmuje ekspresjia informacji genetycznej.