Translaatio — proteiinisynteesi: miten mRNA muutetaan ribosomeissa proteiiniksi
Translaatio: selkeä opas miten mRNA koodista syntyy proteiini ribosomeissa — mekanismit, tRNA, ribosomit ja proteiinien laskostuminen käytännön esimerkein.
Kääntäminen on proteiinien biosynteesin (proteiinien valmistus) toinen osa. Se on osa geenien ilmentymisprosessia.
Ennen kuin käännös tulee:
- transkriptio, joka tuottaa intronien ja eksonien ketjun.
- RNA:n pilkkominen pilkkosomeilla, jotka poistavat intronit, ja
- sanansaattaja-RNA:n muodostaminen eksoneista.
Eukaryooteissa translaatio tapahtuu ribosomeissa sytoplasmassa ja endoplasmisessa retikulumissa. Bakteereissa translaatio tapahtuu solun sytoplasmassa: niillä ei ole tumia.
Ribosomit koostuvat pienestä ja suuresta osasta, jotka ympäröivät mRNA:ta (messenger RNA). Kääntämisessä mRNA:lla on emäsjärjestys tietyn polypeptidin valmistamiseksi. Tämä sekvenssi on alun perin määritelty DNA:ssa, ja mRNA kopioi sen. Polypeptidi voi olla kokonainen proteiini. Tai se voi olla vain osa, joka odottaa, että se yhdistetään muihin polypeptideihin, jotta siitä saadaan kokonainen proteiini. Polypeptidin on myös taitettava, ennen kuin se toimii proteiinina.
Aminohappoja kuljettavat erityiset tRNA:t, joilla on antikodonit, jotka yhdistyvät mRNA:n vastaaviin koodoneihin. Jokaisella tRNA:lla on oma antikodon ja se kuljettaa yhtä aminohappoa. Antikodoni on aina yhdessä saman aminohapon kanssa.
Kun tRNA vastaa mRNA:ta, tRNA:han liittyvä aminohappo irtoaa tRNA:sta ja yhdistyy edellisen tRNA:n tuomaan aminohappoon.
Ribosomi toimii siis samalla tavalla kuin pörssin tiketti ja tikettinauha. Monet ribosomit kiinnittyvät yhdessä mRNA:n kanssa karkean endoplasmisen retikulumin ulkokalvoon. Kaikki näiden ribosomien valmistamat proteiinit menevät endoplasmisen retikulumin sisäpuolelle, josta ne luultavasti menevät myöhemmin vesikkeliin. Vesikkelit vievät proteiinit sitten muihin organelleihin tai jopa solun ulkopuolelle.
Translaation vaiheet
1) Initiaatio (aloitus)
Translaatio alkaa, kun ribosomin pieni alayksikkö sitoutuu mRNA:han ja paikantaa aloituskodonin (yleensä AUG). Eukaryooteilla pieni alayksikkö tarttuu mRNA:n 5'-cap -päähän ja liukuu (scanning) etsimään AUG:ia, apuna useat aloitustekijät (eIF:t). Bakteereissa 16S rRNA:n osuus pieniä alayksikköä kohtaan tunnistaa ribosomien sitoutumissignaalin (Shine–Dalgarno -sekvenssi) ja aloituskodonin. Aloituskodoni määrää ensimmäisen aminohapon: eukaryooteilla se on metioniini, bakteereilla usein formyylimetioniini (fMet).
2) Elongaatio (ketjun piteneminen)
Kun aloituskompleksi on muodostunut ja suuri ribosomialayksikkö on liittynyt, translaation elongaatiossa tapahtuu toistuvia vaiheita:
- Uusi aminoasyyli-tRNA toimitetaan ribosomin A-paikkaan (aminoacyl site) elongaatiofaktorin ja GTP:n avulla.
- Peptidisidos syntyy P-paikassa (peptidyl site) olleen polypeptidin ja A-paikassa olevan aminohapon välille; peptiditransferaasireaktio katalysoituu ribosomin suuremman alayksikön rRNA:lla.
- Ribosomi siirtyy yhden kodonin verran eteenpäin (translokaatio), jolloin tRNA:t siirtyvät A→P→E (exit) -paikoille ja tyhjä tRNA vapautuu.
3) Terminaatio (lopetus)
Kun ribosomi kohtaa lopetuskodonin (UAA, UAG tai UGA), ei tule vastaavaa tRNA:ta, vaan vapautustekijät tunnistavat lopetuskodonin ja katalysoivat polypeptidin irtoamisen ribosomista. Ribosomikompleksi dissosioituu, mRNA ja tRNA vapautuvat ja ribosomin alayksiköt voivat käytön jälkeen osallistua uuteen translaatioon.
Ribosomin rakenne ja toiminta
Ribosomi koostuu ribosomaalisesta RNA:sta (rRNA) ja proteiineista. Se jakautuu pienempään ja suurempaan alayksikköön, jotka yhdessä muodostavat kolme toiminnallista kohtaa: A (aminoacyl), P (peptidyl) ja E (exit). Suuren alayksikön rRNA toimii peptiditransferaasina, eli se katalysoi peptidisidoksen muodostumisen. Ribosomi on myös osa solun laadunvarmennusta: se voi hidastaa tai pysäyttää translaation, jos mRNA:ssa on virheitä tai jos aminoasyylitRNA:t eivät sovi kunnolla.
tRNA, aminoasyyli-tRNA-syntetaasit ja tarkkuus
Jokainen aminohappo liitetään oikeaan tRNA:han aminoasyyli-tRNA-syntetaasien avulla. Nämä entsyymit tunnistavat sekä tietyn aminohapon että sille sopivan tRNA:n ja liittävät ne kovalenttisesti (kallisarvoinen vaihe translaation kannalta). Monet syntetaasit sisältävät tarkistusmekanismin (proofreading), joka vähentää virheellisesti liitettyjen aminohappojen määrää.
Genetiikan "degeneraatio" eli koodin monimerkityksisyys tarkoittaa sitä, että useat koodonit voivat koodata samaa aminohappoa. Wobble-ilmiö 3. emäksessä sallii löysempää pariutumista antikodonin viimeisessä emäksessä, mikä vähentää tarvittavien tRNA-lajien määrää.
Energia ja tekijät
Translaatio vaatii energiaa: aminoasyyli-tRNA:n muodostus kuluttaa ATP:ta, ja elongaatiossa käytetään GTP:tä eri translaatiovaiheiden (toimitus, translokaatio, vapautus) edistämiseen. Lisäksi lukuisat proteiini-initiaatio-, elongaatio- ja terminaatiotekijät säätelevät tapahtumaa sekä eukaryooteissa että prokaryooteissa.
Polysomit ja paikannus endoplasmiselle retikulumille
Useat ribosomit voivat kääntää samaa mRNA:ta samanaikaisesti muodostaen polysomeja (polyribosomeja). Tämä nopeuttaa proteiinintuotantoa. Jotkin proteiinit, erityisesti solun ulos tai kalvoille menevät proteiinit, syntyvät klusterissa olevan ribosomin kiinnittyessä karkean endoplasmisen retikulumin ulkokalvolle. Niillä on yleensä signal peptide -alkujakso, jonka tunnistaa signal recognition particle (SRP). Translaatio voi tapahtua samanaikaisesti kun polypeptidi siirtyy ribosomista ER:n sisään (ko-translationaalinen translokaatio).
Eroja eukaryoottien ja bakteerien välillä
Eukaryooteissa translaation aloitus vaatii monia erillisiä tekijöitä ja tapahtuu usein erillään transkriptiosta (tuma erottaa prosessit). Bakteereissa transkriptio ja translaatio voivat olla kytkeytyneinä: mRNA:ta ruvetaan kääntämään jo ennen kuin transkriptio on valmis. Bakteerien ribosomien koko ja jotkin faktorit eroavat eukaryoottien vastaavista, ja aloitusmetioniini on usein formyloitu.
Post-translationaaliset muutokset ja proteiinin taittuminen
Kun polypeptidi on vapautunut ribosomista, sille voi tapahtua useita muokkausvaiheita:
- käsittely (signalipeptidien leikkaus),
- disulfidisidosten muodostus,
- glykosylaatio (hiilihydraattien liittäminen),
- fosforylaatio, asetylointi ja muut kemialliset muutokset,
- proteiinin pilkkominen aktivaatioon (proteolyyttinen leikkaus) tai liittäminen muihin alayksiköihin.
Laatu, virheet ja merkitys
Translaation tarkkuus on elintärkeää, sillä virheet voivat johtaa viallisten, aggregoituvien tai haitallisten proteiinien syntyyn. Lukuraamin siirtymät (frameshift) tai väärät aloituskohdat tuottavat usein ei-toiminnallisia polypeptidejä. Solut käyttävät monia mekanismeja virheiden havaitsemiseksi ja vioittuneiden proteiinien hajottamiseksi (esim. proteasomi). Lisäksi geneettinen koodi on lähes universaali, mutta on pieniä poikkeuksia esimerkiksi mitokondrioissa.
Yhteenvetona translaatio muuttaa geneettisen informaation mRNA:sta aminohapposekvenssiksi käyttäen ribosomeja, tRNA:ta ja monia enzymatiikkaa ja energiaa kuluttavia apufaktoreita. Prosessi on keskeinen solun toiminnalle ja sen yksityiskohtainen sääntely sekä laadunvarmistus ovat elintärkeitä terveille solu- ja organismitoiminnoille.
Kaavio, jossa esitetään mRNA:n kääntäminen ja proteiinien synteesi ribosomin avulla.
Neljä vaihetta
Kääntäminen tapahtuu neljässä vaiheessa: aktivointi (valmistautuminen), initiaatio (aloitus), elongaatio (pidentyminen) ja lopetus (pysäytys). Nämä termit kuvaavat aminohappoketjun (polypeptidin) kasvua.
- Aminohapot tuodaan ribosomeihin ja kootaan proteiineiksi. Aktivointivaiheessa oikea aminohappo liitetään kovalenttisesti oikeaan siirtorNA:han (tRNA). Kun tRNA on yhdistetty aminohappoon, se "latautuu".
- Initiaatio tapahtuu, kun ribosomin pieni osa yhdistyy mRNA:n 5' päähän initiaatiotekijöiden (IF) avulla.
- Pidennys tapahtuu, kun "varattujen" tRNA:iden tuomat aminohapot liittyvät toisiinsa muodostaen polypeptidin.
Jotkin antibiootit estävät kääntämistä tapahtumasta. Prokaryoottiset ribosomit eroavat eukaryoottisista ribosomeista. Antibiootit voivat siis tappaa bakteerit vahingoittamatta eukaryoottista isäntää. Esimerkiksi ihmisen ottamat antibiootit saattavat tappaa bakteerin, joka sairastuttaa ihmisen, mutta eivät vahingoita ihmistä.
Yleiskatsaus eukaryoottisen lähetti- RNA:n kääntämiseen
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on käännös?
V: Kääntäminen on proteiinien biosynteesin eli proteiinien valmistusprosessin toinen osa. Se on osa geeniekspressiota, ja siihen kuuluu lähetti- RNA:n muodostaminen eksoneista ja introneista.
K: Missä translaatio tapahtuu eukaryooteissa?
V: Eukaryooteissa translaatio tapahtuu ribosomeissa sytoplasmassa ja endoplasmisessa retikulumissa.
K: Miten tRNA:t toimivat translaation aikana?
V: Translaation aikana tRNA:t, joissa on antikodoneita, yhdistyvät mRNA:n vastaaviin koodoneihin ja kuljettavat aminohappoja. Kun tRNA sopii mRNA:n kanssa, siihen liitetty aminohappo irtoaa tRNA:sta ja yhdistyy edellisen tRNA:n tuomaan aminohappoon.
K: Miten ribosomi toimii käännöksen aikana?
V: Ribosomi toimii käännöksen aikana kuin pörssikello ja juoksuhaara. Monet ribosomit kiinnittyvät mRNA:n kanssa karkean endoplasmisen retikulumin ulkokalvoon, jossa ne valmistavat proteiineja, jotka menevät vesikkeleihin, jotka sitten vievät ne muihin organelleihin tai solun ulkopuolelle.
K: Mikä edeltää transkriptiota?
V: Ennen transkriptiota tulee geeniekspressio, joka tuottaa intronien ja eksonien ketjun RNA:n pilkkomisen kautta spliceosomeilla, jotka poistavat intronit.
K: Mitä tapahtuu polypeptidien valmistuksen jälkeen translaation aikana?
V: Kun polypeptidit on valmistettu käännöksen aikana, ne voidaan joutua yhdistämään muiden polypeptidien kanssa, jotta ne voivat muodostaa kokonaisia proteiineja, tai ne voidaan taittaa ennen kuin ne voivat toimia proteiineina.
K: Missä bakteereissa translaatio tapahtuu?
V: Bakteereissa translaatio tapahtuu niiden solujen sytoplasmassa, koska niillä ei ole tumia.
Etsiä