Oversettelse (biologi)

I biologi, oversettelse er begrepet som brukes for å beskrive den syntese av proteiner i celler av levende organismer, som finner sted på ribosomer i henhold til den genetiske informasjonen (se også proteinbiosyntese ).

Skjematisk fremstilling av oversettelsen på et ribosom .
Et protein syntetiseres på ribosomet, som består av de to underenhetene . Dens peptidkjede bygges opp trinnvis fra visse aminosyrer som hver bæres av tRNA- molekyler. Imidlertid blir disse bare lagt til hvis antikodonet til et tRNA samsvarer med neste kodon av mRNA- strengen på en baseparingsmåte . På denne måten bestemmes aminosyren som er bundet til peptidet ved P-setet i hvert tilfelle på A-stedet. På denne måten vil det være i basesekvensen

Informasjonen inneholdt i mRNA blir oversatt til den kodede dannelsen av aminosyresekvensen til et protein.

Oversettelse er en viktig delprosess av genuttrykk etter transkripsjon , der informasjonen fra et DNA- segment blir overskrevet på individuelle RNA-tråder. I følge den gitte informasjonen finner oversettelse sted på ribosomene i cytoplasmaet til en celle. Den basesekvensen til et mRNA -molekyl blir oversatt til den kodede aminosyresekvensen til et polypeptid og et protein dannes.

Generell prosedyre

En oversettelse trinn av oversettelse:
den basen triplett av et kodon av den mRNA- tråd, som består av tre nukleobaser , binder baseparing i antikodonet til antikodonet løkke av et tRNA , som er lastet med en viss aminosyre ved enden av dens akseptor arm . Dette er klart for neste trinn i ribosomal syntese og er knyttet til aminosyrekjeden ved en peptidbinding .

I genomet til enhver organisme er det seksjoner som, som gener, ikke bare inneholder informasjon for konstruksjon av RNA , men også for konstruksjon av proteiner . Den mRNA ( "m" står for messenger , messenger), som er dannet og eventuelt behandlet i henhold til basesekvensen av en del av DNA , inneholder, i rekkefølge av sine baser , i basesekvensen , hver utvalgt informasjon for biosyntesen av visse proteiner.

Denne genetiske informasjonen blir brukt i løpet av translasjonen som en instruksjon for å syntetisere det tilsvarende proteinet ved å oversette seksjoner av basesekvensen til aminosyresekvensen til et peptid i henhold til den genetiske koden . Tre påfølgende nukleotider av mRNA representerer hver et kodon og koder dermed som en basetriplett for en spesifikk aminosyre. Fra de kodede aminosyrene bygges polypeptidkjeden til et protein sekvensielt på ribosomet i den rekkefølgen spesifisert av nukleotidsekvensen , med den spesifiserte aminosyresekvensen . Informasjonen i mRNA leses i 5 '→ 3' -retningen, dvs. den samme retningen som RNA også ble transkribert (av RNA-polymerase ) .

Ulike tRNA- molekyler kreves som aminosyre "transportører" for oversettelsesprosessen ("t" står for overføring ). Disse kan hver med en av løkkene sine, antikodonsløyfen , binde komplementær baseparring til et kodon på mRNA via deres antikodon og er lastet med aminosyren som samsvarer med kodonet i den andre enden, akseptorarmen , gjennom de forskjellige aminoacylene. -tRNA-syntetaser .

Under translasjon fester ribosomet seg til mRNA-strengen og bringer den sammen med en lastet tRNA på en slik måte at basetripletten av et antikodon av tRNA nå kan feste til en basetriplett av et kodon på mRNA som en matchende motpart . Den faktiske oversettelsesprosessen begynner på det punktet i mRNA der basesekvensen (f.eks. → ..., adenin, uracil, guanin, ...) representerer startkodonet (for det meste AUG). Et andre tRNA, som tilsvarer følgende kodon og som også bærer en aminosyre, fester seg til mRNA ved siden av det første tRNA. De to aminosyrene som er plassert ved siden av hverandre, kobles deretter av en peptidbinding, og den første tRNA-en etterlater ribosomet ulastet uten en aminosyre. En tredje lastet tRNA som samsvarer med neste kodon blir nå avsatt på mRNA. Aminosyren deres er knyttet til den eksisterende aminosyrekjeden og utvider den dermed med en ytterligere lenke. Denne prosessen fortsetter fra N - til C- terminalen, slik at en stadig lengre kjede av aminosyrer dannes. Ribosomet som katalyserer denne prosessen, beveger seg trinn for trinn av en triplett eller kodon på mRNA. Oversettelsen avsluttes når en basetriplett blir funnet i denne leserammen på mRNA, som representerer en stoppkodon (f.eks. UGA). Vanligvis kan ingen av typene tilstedeværende tRNA-molekyler binde seg til dette. Området på et mRNA mellom start og tilhørende stoppkodon kalles også åpne leserammer ( åpen leseramme referert til).

På slutten av oversettelsen løsner peptidet syntetisert som en kjede av aminosyrer fra ribosomet, og den spirende polypeptidkjeden brettes i mediet for å danne det opprinnelige proteinet, vanligvis på en slik måte at en kompleks romlig struktur opprettes ( sekundær struktur og tertiær struktur ). Det kan også kombineres med andre proteiner for å danne kvaternære strukturer på høyere nivå .

Et mRNA leses vanligvis flere ganger til det brytes ned i byggesteinene, ribonukleotidene , av aktiviteten til nukleaser . I eukaryoter økes holdbarheten ved post-transkripsjonelle modifikasjoner i kjernen.

Biokjemisk prosess

Selv om det er 61 kodoner for de 20 kanoniske proteinogene aminosyrene, brukes ikke så mange forskjellige typer tRNA i cytoplasmaet til en celle . Faktisk er 31 forskjellige antikodoner tilstrekkelige som formidlere mellom de 20 aminosyrene og de 61 kodonene i bakterier. De rundt 600 tRNA-gener som finnes hos mennesker representerer bare 48 forskjellige antikodoner, fordi noen tRNAer kan gjenkjenne flere forskjellige kodoner for den samme aminosyren. Dette er for eksempel tilfellet når de to første basene i en basetriplett definerer en bestemt aminosyre og den tredje ikke lenger spiller en rolle. Den antikodon av tRNA lastet med den tilsvarende aminosyren gjenkjenner primært de første to stillinger av lett på mRNA med den vanlige komplementær baseparing - den tredje sammenkoblingen kan være ustø (se også wobble hypotese ) - og således ulike lignende kodoner. I motsetning til dette, gjenkjenner det tryptofan-lastbare tRNA (tRNA Trp ) normalt bare en viss kodon ( UGG ).

Alle modne tRNA-molekyler består av en RNA-streng med litt mindre enn 100 nukleotider, dannes i deres sekundære struktur som et resultat av intramolekylære sammenkoblinger av komplementære nukleotidsekvenser med løkker, en kløverlignende form og brettes tredimensjonalt til en kroklignende tertiær struktur. 5 'og 3' endene er kombinert i den såkalte acceptorarmen . Den tilsvarende aminosyren binder seg deretter i 3'-enden via en post-transkripsjons tilsatt CCA-triplett. De antikodonsekvensene sløyfe ligger rett overfor akseptor stammen i den sekundære struktur, og det er også den største avstand fra hverandre i den tertiære struktur. Tre sentrale baser av denne sløyfen i antikodonarmen danner antikodonet - hovedsakelig i posisjon nummer 36, 35 og 34, hvor sistnevnte deretter sammenkobles med den tredje basen av kodonen. Den D-løkke inneholder den uvanlige dihydrouridine (D), idet T sløyfe, i tillegg til tymidin (T), inneholder typisk pseudouridine (Ψ) og cytosin (C). Den V-sløyfe er variabel, dvs. at det er sammensatt på en annen måte for individuelle tRNA typer.

En spesiell aminoacyl-tRNA-syntetase er ansvarlig for å laste et tRNA med aminosyren . Vanligvis er det en spesifikk syntetase for hver aminosyre.

Ribosomer og proteinsyntese

På ribosomene parres et aminoacyl-tRNA via dets antikodon med kodonet til mRNA, og polypeptidkjeden til proteiner syntetiseres gjennom peptidbinding av aminosyrene som er brakt inn. Denne ribosomale peptidsyntese gjennom oversettelse av genetisk kodet informasjon er hovedtrinnet i proteinbiosyntese .

Ribosomer består av to underenheter, som hver består av RNA ( ribosomalt RNA ) og polypeptider (ribosomale proteiner). Først og fremst er de to underenhetene skilt. Under oversettelse kombinerer de og danner to områder der tRNAene kan feste seg: aminoacylstedet (A-sted) for tRNA med neste aminosyre som skal tilsettes, peptidyl-stedet (P-stedet) for tRNA-aminosyren som er lagt til den voksende peptidkjede. De utladede tRNA-molekylene forlater deretter ribosomet via en annen region, utgangsstedet (E-sted).

Initiering av oversettelse i prokaryoter

Skjematisk fremstilling av initieringen av en oversettelse i prokaryoter

I tillegg til de to ribosomale underenhetene og mRNA, trenger cellen også en spesiell tRNA for initiering som starten på prosessen og begynnelsen av kjeden. Denne initiatoren tRNA binder seg til startkodonet AUG og i bakterier er det et tRNA i fMet som overfører formylmetionin (fMet), i stedet for metioninet til tRNA i Met som er vanlig i arkea (og eukaryoter) . I tillegg spiller tre initieringsfaktorer (IF 1, IF 2, IF 3) en rolle i prokaryoter .

Den lille underenheten (30S) danner først et kompleks med initieringsfaktorene 1 og 3. Oppgaven til IF1 er å dissosiere ikke-initiator tRNA (som er i dynamisk likevekt). Sammen med IF1 forhindrer IF3 for tidlig binding av de to ribosomale underenhetene.

IF2, et G-protein , binder GTP, gjennomgår en konformasjonsendring og kan dermed binde initiatoren tRNA. Dette komplekset av IF2-GTP og (lastet) fMet-tRNA i fMet har nå muligheten til å binde både til mRNA og til 30S-enheten.

Den lille underenheten er i stand til å gjenkjenne det passende bindingsstedet gjennom en interaksjon mellom anti-Shine-Dalgarno-sekvensen av 16S rRNA ( ribosomalt RNA som en del av 30S-enheten) og Shine-Dalgarno-sekvensen på mRNA. Denne ikke-kodende sekvensen ligger noen få nukleotider (9 nt oppstrøms) foran en basetriplett som representerer en AUG , og gjør det dermed mulig å gjenkjenne startkodonet av initiatoren tRNA. Fullføringen av initieringen initieres ved GTP- hydrolyse ved IF2. Initiasjonsfaktorene frigjøres og først da binder 50S-underenheten, og skaper 70S-initiatorkomplekset. FMet-tRNA i fMet er allerede i P-området til 50S-underenheten ved begynnelsen av oversettelsen. De to andre sifrene, A og E, er tomme.

Forlengelse av polypeptidkjeden

Forlengelsesteg for oversettelse. (A = aminoacyl eller gjenkjenningssted, P = peptidyl eller bindingssted). E-stedet (E = Exit) av ribosomet brukes til å posisjonere utladet tRNA.

Forlengelse er prosessen med å forlenge aminosyrekjeden; det foregår på stedet for ribosomets gjenkjenning og binding. Et enkelt forlengelsestrinn omfatter tre trinn: binding av lastet tRNA, dannelse av peptidbindingen og forberedelse for neste forlengelsestrinn. Dette gjentas til et avslutende kodon er nådd.

Oppsigelse i prokaryoter

Trinn for avslutning av oversettelse

Slutten av oversettelsen er nådd når en av stopptriplettene UAG, UAA eller UGA vises på A-stedet for ribosomet. Siden det ikke er samsvarende tRNA for disse kodonene i cellen, stopper oversettelsen.

Termineringsfaktorer (frigjøringsfaktorer) binder deretter til basetripletten til stoppkodonen: RF1 til UAG og UAA eller RF2 til UAA og UGA. Dette fører til at bindingen mellom den siste aminosyren og den siste tRNA i ribosomet brytes. Under translasjon kan ikke esteren brytes opp ved hydrolyse fordi peptidyltransferase-regionen er helt vannfri. Dette forhindrer spontan hydrolyse under forlengelse. RF bringer nøyaktig ett molekyl vann inn i peptidyltransferasesenteret, formidlet av aminosyresekvensen glycin-glycin-glutamin. Dette kan deretter spalte esterbindingen ved hjelp av katalytisk aktivitet av ribosomet. Denne sekvensen finnes også i den eukaryote RF. Dissosiasjonen av RF1 / RF2 fra ribosomet katalyseres av avslutningsfaktoren RF3.

Nå faller proteinet og mRNA av ribosomet, som brytes ned igjen i de to underenhetene. Initiasjonsfaktoren IF3 opprettholder den dissosierte tilstanden. Dermed kan syklusen begynne på nytt.

Oversettelse i eukaryoter

innvielse

Skjematisk fremstilling av initieringen av en oversettelse i eukaryoter

Oversettelse i eukaryoter skiller seg fra prokaryotisk oversettelse, spesielt ved innvielse, der en rekke spesielle eukaryote initieringsfaktorer (eIF) er involvert. Initiatoren tRNA her er en tRNA i Met som bærer metionin og ikke er formylert . En Shine-Dalgarno-sekvens kan ikke bli funnet på det eukaryote mRNA. Den første basistripletten AUG av mRNA fra 5'-enden blir vanligvis valgt som startkodon. 40S-underenheten er for det meste bundet til 5 'cap-strukturen til mRNA. Etter dannelse av preinitiatin-komplekset fra en liten underenhet og initiator-tRNA med eIF-2 og andre faktorer, blir mRNA søkt i 3'-retningen for en AUG. Hvis dette søket er vellykket, festes initiativtakeren Met-tRNA til basetripletten av mRNA. Imidlertid begynner oversettelsesprosessen bare når den større underenheten (60S) av ribosomet også er bundet (se tilstøtende figur).

Hvis eukaryotisk mRNA danner komplekse sekundære strukturer under prosessering eller transport av dem fra kjernen, kan disse brytes opp igjen med helikaser .

Avslutning

Slutten på oversettelsen er vanligvis preget av basistripletten til et stoppkodon. I mellomtiden har det imidlertid også blitt oppdaget noen gener hos mennesker der langstrakte proteiner og dermed nye isoformer opprettes ved å hoppe over et stoppsignal på mRNA (engelsk kalt translational readthrough ) . Dette kan skje hvis for eksempel UGA- kodonet tolkes annerledes og oversettes til en aminosyre, som tryptofan. Dette bør skilles fra de spesielle tilfeller av omkoding der bruken av spesifikke tRNA-molekyler muliggjør inkorporering av ytterligere proteinogene aminosyrer som selenocystein og pyrrolysin .

regulering

Hvert protein cellen trenger for å overleve er kodet i genene . Imidlertid er den nødvendige mengden ikke kodet direkte i genet og avhenger også av miljøforhold, alder og cellesyklus og fremfor alt av celletype (celletype). I kvantitative termer er det klart viktigste angrepspunktet for å kontrollere proteinproduksjon (proteinuttrykk) ikke oversettelse, men transkripsjon . Spørsmålet om det produseres et bestemt protein, avgjøres derfor ikke først og fremst om mRNA som koder for dette proteinet deltar i oversettelse, men om mRNA i det hele tatt produseres.

Likevel er regulering av oversettelse et viktig angrepspunkt i genregulering. Dette styrer hvor mye eller hvilket protein som produseres fra et bestemt mRNA. To eksempler:

Ytterligere stikkord for regulering av oversettelse er 5'-plasserte små åpne leserammer, kodonoptimalitet og startkodonkontekst Kozak-sekvensen .

Eksempel på en regulering av oversettelsen av ribosomale proteiner

Riktig uttrykk for ribosomale proteiner utgjør et interessant regulatorisk problem for cellen. Hvert ribosom inneholder rundt 50 spesielle proteiner, som alle må syntetiseres i samme hastighet. Videre er hastigheten av proteinsyntese i cellen og behovet for ribosomer nært knyttet til cellevekst. En endring i vekstforholdene fører raskt til en økning eller reduksjon i syntesehastigheten til disse ribosomale komponentene. Regulering kreves for dette.

Kontrollen av gener for ribosomale proteiner er forenklet av organisasjonen i forskjellige operoner , som hver inneholder gener for opptil 11 ribosomale proteiner.

Den primære kontrollen er på oversettelsesnivå. Dette kan for eksempel demonstreres ved følgende eksperiment :

Hvis ytterligere kopier av et slikt operon blir introdusert i genomet til en celle gjennom genteknologi , øker mengden mRNA generert ved transkripsjon tilsvarende. Ikke desto mindre forblir syntesehastigheten av proteinet nesten uendret. Cellen kompenserer dermed for den økte mengden mRNA. Ribosomale proteiner fungerer som repressorer av sin egen oversettelse.

For hvert operon kan et allerede syntetisert ribosomalt protein binde seg til operonets mRNA . Dette bindingsstedet er nær en av operonens første gener. Dette forhindrer ribosomer i å binde seg til mRNA og starte oversettelse. Undertrykkelsen av translasjonen av de første genene forhindrer således ekspresjon av deler av eller resten av de påfølgende gener.

Denne mekanismen er veldig delikat. For eksempel forhindrer bare noen få molekyler av L4-proteinet som ikke brukes til å danne ribosomer syntesen av dette proteinet, så vel som de andre 10 ribosomale proteiner i samme operon. Dette sikrer at proteinene ikke blir produsert i for store mengder som ikke kan brukes helt til å danne ribosomer.

Hvordan et protein kan tjene både som en ribosomal komponent og som en regulator for sin egen oversettelse ble undersøkt ved å sammenligne bindingsstedene til proteinet på rRNA med bindingsstedene med sitt eget mRNA. Begge bindingsstedene er like i sin sekvens og sekundære struktur . Siden bindingen av ribosomale proteiner til rRNA er sterkere enn den til mRNA, undertrykkes translasjon bare når behovet for proteiner for produksjon av ribosomer er oppfylt.

Translokasjon i og gjennom membraner

I både prokaryoter og eukaryoter finner proteinsyntesen sted på ribosomene i cellens cytosol . Herfra kan proteiner transporteres inn i eller gjennom en membran . Dette skiftet til et annet sted, også kalt translokasjon , kan allerede igangsettes under syntesen av et protein under translasjon, dvs. det kan finne sted cotranslationally , eller det kan bare finne sted etter at syntesen er fullført, dvs. post-translationell .

For translokasjonen er den foretrukne transportmåten og den respektive destinasjonen for det meste visse seksjoner i aminosyresekvensen til det dannede proteinet, som gjenkjennes som signalsekvenser av signalgjenkjenningspartikler eller spesielle proteinkomplekser (for eksempel Sec-systemet ). Når det gjelder prokaryoter, kan et nydannet protein bestemmes for transport inn i cellemembranen eller gjennom det inn i det ekstraplasmiske rommet, for eksempel for konstruksjon av en cellevegg . Siden eukaryoter har forskjellige organeller som membranbelagte celledeler , er de mulige målstedene for en translokasjon av proteiner mer forskjellige her. Transportveiene til målrom som endoplasmatisk retikulum , cellekjerne , peroksisomer og andre vesikler så vel som de i mitokondrier , kloroplaster eller andre plastider, må skilles fra transporten inn i det ekstracellulære rommet eller inn i cytomembranen .

Cotranslational protein transport

På denne måten blir ribosomet ført til cellemembranen (spesielt det endoplasmatiske retikulum) av signalproteiner. Det resulterende proteinet skyves deretter gjennom en spesiell tunnel inn i området bak.

Posttranslasjonell proteintransport

Proteinet, som er fullstendig samlet i cellen og beskyttet mot for tidlig utfolding av en chaperone , transporteres til bestemmelsesstedet. Når det gjelder bakterier, gjør en innebygd "kink" i proteinet gjæring gjennom cellemembranen lettere. Den eukaryote posttranslasjonelle transporten over ER-membranen er demonstrert i gjær.

litteratur

  • Rolf Knippers: Molecular Genetics . 9. helt reviderte utgave. Thieme, Stuttgart et al. 2006, ISBN 3-13-477009-1 .

weblenker

Individuelle bevis

  1. ↑ B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis et al. Molecular Biology av cellen. 4. utgave. Garland Science, New York 2002, kapittel: Fra RNA til protein. Online på NCBI bokhylle
  2. ↑ se oppføringer for Homo sapiens i den genomiske tRNA-databasen (GtRNAdb) .
  3. ↑ James D. Watson et al: Molecular Biology of the Gene . 5. utgave. Pearson / Cummings et al., San Francisco CA 2004, ISBN 0-8053-4635-X , pp. 435 .
  4. ^ F. Schueren og S. Thoms: Functional Translational Readthrough: A Systems Biology Perspective . I: PLOS Genetics . 12 (8), nr. E1006196, august 2016, s. 12. doi : 10.1371 / journal.pgen.100619 . PMID 27490485 . PMC 4973966 (gratis fulltekst).