какие молекулы являются адаптерами в процессе трансляции
Трансляция (биология)
Трансляция — процесс синтеза белков из аминокислот, катализируемой рибосомой на матрице матричной (информационной) РНК (мРНК или иРНК). Трансляция является одной из стадий процесса биосинтеза белков, в свою очередь части процесса экспрессии генов.
Трансляция происходит в цитоплазме, где находятся рибосомы клетки. Во время трансляции, информация, содержащаяся в мРНК, расшифровывается согласно правилам, известными как генетический код, и используется для синтеза закодированной полипептидной последовательности. Процесс трансляции можно разделить на четыре фазы: активацию, инициацию, элонгацию и терминацию.
При активации, соответствующая аминокислота (аа) присоединяется к соответствующей транспортной РНК (тРНК). Хотя эта стадия часто рассматривается отдельно от трансляции, она необходима для ее начала. Связана с аминокислотой тРНК называется аминоацил-тРНК или «заряженной» тРНК. При инициации имела субъединица рибосомы связывается с 5′-концом мРНК с помощью факторов инициации (IF), других белков, помогают процессу. Элонгация происходит, когда очередная аминоацил-тРНК используется для увеличения полипептидной цепочки. Терминация происходит, когда рибосома встречает стоп-кодон (UAA, UAG или UGA), для которого не существует соответствующей тРНК, при этом происходит освобождение полипептидной цепочки.
Механизм трансляции
Общие сведения
Для осуществления процесса трансляции в клетках всех без исключения организмов существуют специальные органеллы — рибосомы. Рибосомы являются рибонуклеопротеиднимы комплексами, построенными из 2 субъединиц: большой и малой. Функция рибосом заключается в распознавании тринуклеотидних кодонов мРНК, подбор соответствующих им аминокислот и присоединении этих аминокислот к белковой цепочки, что растет. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома распознает кодон за кодоном и синтезирует белок в соответствии информации, заложенной в молекуле мРНК.
Для распознавания аминокислот в клетке существуют специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарную кодона мРНК, и другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодона. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в екзоенергетичний реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а молекула, получаемая в результате, называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтеназ, что присоединяют аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодона GGU отвечать тРНК, содержит антикодон CCA, а к этой тРНК будет присоединяться только аминокислота глицин).
Механизмы трансляции прокариот (бактерий и архей) и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие прокариотических трансляцию, в значительно меньшей степени действуют на трансляцию эукариотических организмов, что позволяет использовать их в медицинской практике как антибактериальные средства, безопасные для организма млекопитающих.
Поскольку каждый кодон содержит три нуклеотида, один и тот же генетический «текст» можно прочитать тремя разными способами (начиная с первого, второго и третьего нуклеотидов), то есть в трех разных рамках считывания. По некоторым интересными исключениями, значимой является информация, закодированная только в одной рамке считывания. По этой причине крайне важным для синтеза белка рибосомой является ее правильное позиционирование на стартовом AUG-кодоне — при инициации трансляции.
Механизм трансляции прокариот
Инициация
Синтез белка всегда начинается с AUG-кодона, также кодирует метионин. Этот кодон обычно называют стартовым или инициаторним. Инициация трансляции предусматривает узнавание рибосомой этого кодона и привлечение инициаторной аминоацил-тРНК. Для инициации трансляции необходимо также наличие определенных нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона. Существование последовательности, отличающей стартовый AUG от внутренних, совершенно необходимо, поскольку иначе инициация синтеза белка происходила бы хаотично на всех AUG-кодонов.
Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации (англ. Initiation factors, сокращенно IF).
Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в это время в трансляцию, существует в комплексе с факторами инициации IF1, IF3 и, в некоторых случаях, IF2:
Комплекс 30S субъединицы с инициаторным факторами способен распознавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы (англ. Ribosomt-binding site или RBS). Эти участки содержат, во-первых, инициаторний кодон AUG и, во-вторых, специальную последовательность Шайн-Дальгарно, с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайн-Дальгарно служит для того, чтобы отличить инициаторным AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК, к ней привлекается инициаторным аминоацил-тРНК и IF2, если они еще не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субъединица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация факторов инициации. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепочку.
Элонгация
Элонгация полипептидной цепочки заключается в добавлении новых аминокислот к карбоксильного (C-) конца цепочки, растет. Этот полипептидную цепочку выходит из рибосомы через выходной туннель в большой субъединицы.
Элонгация начинается, когда метилированных аминоацил-тРНК связывается с участком P, приводит к конформационной изменения комплекса, открывает участок A для связывания новой аминоацил-тРНК. Это связывание облегчается фактором элонгации Tu (EF-TU), малой ГТФазою. В этот момент участок P содержит начало полипепдидного цепочки, синтезируется, а участок A содержит следующую аминокислоту, которая должна быть добавлена к цепочке. После этого полипептид отделяется от тРНК в области P и пептидный связь формируется между последней аминокислотой полипептида и аминокислотой, все еще присоединена к тРНК в области A. Этот процесс, известный как образование пептидной связи, катализируемой рибозимов, пептидилтрансферазою, такая активность присуща к 23S рРНК большой (50S) рибосомной субъединицы. После образования пептидной связи, участок A содержит полипептид, тогда как участок P содержит незаряженную тРНК (тРНК без аминокислоты).
На конечной стадии элонгации, рибосома перемещается на три нуклеотида в направлении 3 ‘конца мРНК. Так что тРНК связанные с мРНК за счет спаривания кодон-антикодон, тРНК движется относительно рибосомы, двигая полипептид с участка A в область P, а незаряженная тРНК перемещается в область выхода (участок E). Этот процесс катализируется фактором элонгации G (EF-G).
Рибосомы продолжает транслировать кодоны оставшиеся потому что новые аминоацил-тРНК звьязуютьться с участком A, пока рибосома не встретит кодон остановки на мРНК (UAA, UGA или UAG).
Терминация и переработка
Терминация происходит, когда один из трех стоп-кодонов перемещается в область A. Эти кодоны не имеют соответствующих тРНК. В свою очередь, их признают специальные белки — факторы терминации (англ. Release factors, RF), а именно RF1 (распознающий стоп-кодоны UAA и UAG) или RF2 (распознающий стоп-кодоны UAA и UGA). Третий фактор освобождения RF-3 катализирует освобождение RF-1 и RF-2 в конце процесса терминации. Эти факторы катализируют гидролиз эфирной связи, связывающей тРНК с пептидом, и высвобождение недавно синтезированного белка с рибосомы.
Пост-терминационного комплекс, сформированный после терминации, состоит из мРНК со стоп-кодоном в области A рибосомы и тРНК. Шаг переработки рибосомы отвечает за разборку пост-трансляционного рибосомного комплекса. Как только протеин, который синтезируется, освобождается после терминации, факторы переработки рибосомы и фактор элонгации EF-G освобождают мРНК и тРНК с рибосомы и разъединяют 70S рибосомы на 30S и 50S субъединицы. IF-3 также помогает процессу переработки, предотвращая повторное связывание субъединиц за счет связывания с 30S субъединицей. Этот процесс готовит рибосому для повторения цикла трансляции.
Полисомы
Трансляция обычно осуществляется более чем одной рибосомой одновременно. Из-за относительно большой размер рибосом, они могут связываться с участками мРНК на расстоянии не менее 35 нуклеотидов. Несколько рибосом и молекула мРНК, по которой они движутся, называются полисомы или полирибосомами.
Механизм трансляции эукариот
Кэп-зависимая инициация
С помощью этого механизма транслируется подавляющее число эукариотических мРНК. Белки, участвующие в процессах инициации трансляции у эукариот называют eIF (англ. Eukaryotic Initiation Factors — эукариотические факторы инициации). Кроме факторов инициации eIF1, eIF2 и eIF3, связывающиеся с малой рибосомной субъединицей (40S), и по своим функциям приблизительно аналогичными соответствующим белкам прокариот, эукариоты имеют еще две группы факторов инициации: семейство факторов, связывающих мРНК — eIF4 и семейство факторов, связываются с большой (60S) субъединицей рибосомы, eIF5. Ниже приведен список основных факторов:
На первом этапе инициации трансляции имела субъединица рибосомы в комплексе с факторами инициации eIF4G, eIF4B, eIF4E и инициаторным тРНК присоединяется к 5′-концу мРНК за счет способности eIF4E связывать кэп-структуру, а белка eIF3 — мРНК. Затем белок eIF4B привлекает геликазу eIF4A, и та начинает расплетать мРНК в направлении к 3′-концу, что сопровождается затратами энергии в форме молекул АТФ. За счет работы этого белка, 40S субъединица освобождается от белков eIF4G и eIF4E, и в комплексе с факторами инициации оставшиеся движется по мРНК к инициаторным кодона AUG, где происходит диссоциация факторов инициации, остались, и привлечение 60S-субъединицы рибосомы с помощью eIF5, после чего начинается синтез полипептидной цепочки.
Кэп-независимая инициация
Тогда как в большинстве случаев эукарио трансляция требует наличия кэпа на 5 ‘конце мРНК, некоторые вирусные и клеточные мРНК обходят кэп-зависимый механизм за счет инициации трансляции на определенных последовательностях внутри молекулы РНК.
Лучше исследованным (но далеко не единственным) примером кэп-независимой трансляции у эукариот является так называемая «внутренняя участок входа рибосомы» (англ. Internal Ribosome Entry Site или IRES). В отличие от кэп-зависимого механизма, кэп-независимый механизм также не требует сканирования рибосомой от 5′-конца рибосомы в стартовый кодона. Рибосомы могу быть доставлена в стартовой участки IRIS с помощью ITAFьив, (IRES trans-acting fantors), позволяющие обходить необходимость сканирования от 5′-конца РНК.
Этот метод трансляции был найден относительно недавно, и необходимо в условиях, которые требуют трансляции определенных мРНК в стрессовых условиях, когда общая эффективность трансляции уменьшена. Примеры включают факторы, вызывающие апоптоз, иммуноглобулины, некоторые факторы роста. Кроме того, этим механизмом иногда пользуются вирусы.
Элонгация
Элонгация трансляции эукариот очень похожа на элонгации трансляции прокариот. Основными факторами элонгации являются:
Терминация
У эукариот существует только один фактор высвобождения, eRF, вместо трех факторов прокариот. Однако, в целом процесс терминации подобен процессу терминации прокариот.
Трансляция вручную
Принцип
Для определения полипептидной последовательности возможно провести процесс переложения последовательности ДНК в последовательность аминокислот, так называемую «трансляцию вручную» (для коротких последовательностей) или трансляцию на компьютере. На первом этапе необходимо перевести последовательность ДНК в последовательность РНК, заменяя нуклеотиды A, T, C, G в ДНК на U, A, G, C в РНК, соответственно.
Затем РНК разбивается на тринуклеотидних последовательности (кодоны). Отметьте, что существует 3 «рамки считывания», или способы интерпретации кода в зависимости от того, на каком нуклеотиде начнется трансляция.
Наконец, используется так называемая «таблица трансляции» для перевода каждого кодона в соответствующую аминокислоту. В результате получается первичная структура белка.
Однако, белок также имеет структуру высшего порядка (вторичную, третичную и четвертную) или конформацию, которая определяется наличием гидрофобных и электростатических взаимодействий между частями полипептидной цепочки. Тогда как вторичная структура (структура «доменов» — коротких участков белка) еще может буди предусмотрена с помощью последовательности, надлежащая третичная структура обычно тяжелая для определения теоретически, и даже в природе выбор третичной структуры часто зависит от взаимодействия с другими белками.
Трансляция вручную в некоторых случаях также не дает правильной аминокислотной последовательности природного белка, в частности, если кодируется нестандартная аминокислота, например селенцистеин, который кодируется с помощью обычного стоп-кодона в сочетании с «шпилькой», расположенной дальше в последовательности (последовательность вставки селеноцистеина, Selenocysteine Insertion Sequence или SECIS).
Таблицы трансляции
Для большинства эукариот обычно используется стандартная таблица трансляции, в которой каждой аминокислоте соответствует одна или несколько последовательностей ДНК:.
Не все организмы используют одинаковый генетический код. Даже работая с генетическими последовательностями обычных эукариотических организмов, например дрожжей, часто желательно использовать альтернативные таблицы трансляции — а именно для транслиции митохондриальных генов. Сейчас группа таксономии NCBI определяет следующие таблицы для последовательностей, содержит GenBank:
Компьютерная трансляция
Существует много компьютерных программ, способных к трансляции последовательности ДНК / РНК в белковую последовательность. Однако, немного программ способны выдавать правильную последовательность во всех «особых» случаях, таких как использование альтернативных инициаторных кодонов. Например редкий код альтернативного кодона инициации TTG используется для метионина, когда используется как инициаторным кодон, и для лейцина в остальных случаях.
Virtual Laboratory Wiki
In the coming weeks, this wiki’s URL will be migrated to the primary fandom.com domain. Read more here
Трансляция (биология)
Трансляцией называют осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК (иРНК или мРНК). Трансляция является финальной стадией реализации генетической информации.
Содержание
Механизм трансляции
Общая схема трансляции.
Инициация. 1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц.
Элонгация. 2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено). 3. Присоединение аминокислоты, принесённой тРНК, к концу растущей полипептидной цепи. 4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК. 5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-синтетазой. 6. Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии (2). 7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона (в данном случае UAG).
Терминация. Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается (8) отсоединением новосинтезированного белка и в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.
Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки. Для осуществления этого процесса в клетках всех без исключения организмов имеются специальные органеллы — рибосомы. Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеидные комплексы, построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Функция рибосом заключается в узнавании трёхбуквенных ( трехнуклеотидных ) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующих аминокислот и присоединении этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК рибосома распознает кодон за кодоном и синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.
Для узнавания аминокислот в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энегро-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон ACC, а к этой тРНК будет присоединяться только аминокислота глицин).
Механизмы трансляции прокариот и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие прокариотическую трансляцию в значительно меньшей степени действуют на трансляцию высших организмов, что позволяет использовать их в медицинской практике как антибактериальные средства безопасные для организма млекопитающих.
Процесс трансляции разделяют на
Рамка считывания
Инициация трансляции
Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации (англ. initiation factors, сокращённо IF; эукариотические инициаторные факторы обозначают eIF, от англ. eukaryotes).
Механизмы инициации трансляции у про- и эукариот существенно отличаются: прокариотические рибосомы потенциально способны находить стартовый AUG и инициировать синтез на на любых участках мРНК.
У эукариот существуют два механизма нахождения рибосомой стартового AUG. Наиболее распространён, так называемый сканирующий механизм, при котором рибосома, двигаясь вдоль молекулы мРНК от её 5′-конца «сканирует» один кодон за другим, пока не наткнётся на инициаторный AUG. Для привлечения рибосомы к 5′-концу мРНК требуется специальная структура, кэп — 7-метилгуанин, прикреплённый к 5′-концевому нуклеотиду мРНК.
Второй механизм эукариотической инициации трансляции не требует наличия кэп-структуры и позволяет инициировать трансляцию с внутреннего участка мРНК, называется IRES-зависимым механизмом. IRES (от англ. Internal Ribosomal Entry Site, участок внутренней посадки рибосомы) — участок мРНК, обладающий выраженной вторичной стуктурой, позволяющей ему направлять рибосомы на стартовый AUG. По IRES-зависимому механизму инициируется синтез лишь на небольшой части клеточных мРНК, а также на РНК некоторых вирусов.
Схема инициации трансляции у прокариот.
Начальная стадия предусматривает связывание малой рибосомной субъединицы (30S) с мРНК. Это может происходить двумя способами: либо сначала к мРНК присоединяется комплекс, содержащий рибосомную субчастицу (1), а затем к нему привлекается тРНК в комплексе с IF2 и ГТФ (2), либо 30S субъединица изначально связывается с тРНК, а уже потом садится на мРНК (3). К образовавшемуся комплексу приходит большая (50S) рибосомная субъединица (4), инициаторные факторы отсоединяются от 30S субчастицы, что сопровождается гидролизом ГТФ белком IF2 (5), и собранная рибосома начинает элонгировать цепь (6). В правом нижнем углу дана схема инициаторного участка прокариотической мРНК. Отмечены 5′ и 3′ концы молекулы. RBS — сайт связывания рибосомы, SD — последовательность Шайн-Дальгарно, AUG — инициаторный кодон.
Механизм инициации трансляции у прокариот
Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в данный момент в трансляцию, существует в комплексе с инициаторными факторами IF1, IF3, и, в некоторых случаях, IF2. Рассмотрим основные функции этих белков:
Комплекс 30S субчастицы с инициаторными факторами способен узнавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы (англ. RBS — ribosomt-binding site). Эти участки содержат, во-первых, инициаторный AUG, и, во-вторых, специальную последовательность Шайн-Дальгарно с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайн-Дальгарно служит для того, чтобы отличать инициаторный AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК к ней привлекается инициаторная аминоацил-тРНК и IF2, если они еще не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субчастица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация инициаторных факторов. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь.
Кэп-зависимый механизм инициации трансляции у эукариот
При помощи этого механизма транслируется подавляющее число эукариотических мРНК. Белки, принимающие участие в процессах инициации трансляции у эукариот называют eIF’s (англ. eukaryotic Initiation Factors, эукариотические факторы инициации). Помимо инициаторных факторов eIF1, eIF2 и eIF3, связывающихся с малой рибосомной субъединицей (40S), и по своим функциям приблизительно аналогичным соответствующим белкам прокариот, у эукариот появляется еще две группы факторов инициации: семейство факторов, связывающих мРНК — eIF4, и семейство факторов, связывающихся с большой (60S) субъединицей рибосомы, eIF5. Перечислим эти основные инициаторные факторы:
Элонгация
Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок, Р — пептидил-тРНК-связывающий участок, Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы ( англ. exit ).
В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит заряженную тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. После формирования пептидной связи, что катализируется рРНК, и переноса связанной с тРНК пептида в из Р-сайта в А-сайт второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует перемещение рибосомы на один триплет. Таким образом петидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК в Р-сайте — в Е-сайте. Цикл элонгации завершается, когда новая тРНК с антикодоном, подходящим к кодону в А-сайте доставлена EF1a (или EF-Tu).