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12.17: Schritte der Übersetzung - Biologie


Wie bei der mRNA-Synthese kann die Proteinsynthese in drei Phasen unterteilt werden: Initiation, Elongation und Termination. Hier werden wir untersuchen, wie die Übersetzung in . erfolgt E coli, einen repräsentativen Prokaryonten, und spezifizieren alle Unterschiede zwischen prokaryontischer und eukaryontischer Übersetzung.

Einleitung der Übersetzung

Die Proteinsynthese beginnt mit der Bildung eines Initiationskomplexes. In E coli, umfasst dieser Komplex das kleine 30S-Ribosom, die mRNA-Matrize, drei Initiationsfaktoren (IFs; IF-1, IF-2 und IF-3) und ein spezielles Initiator-tRNA, namens . Die Initiator-tRNA interagiert mit dem Startcodon AUG (oder selten GUG), bindet an ein formyliertes Methionin namens fMet und kann auch IF-2 binden. Formyliertes Methionin wird eingefügt durch am Anfang jeder von . synthetisierten Polypeptidkette E coli, aber es wird normalerweise abgeschnitten, nachdem die Übersetzung abgeschlossen ist. Wenn während der Translationselongation ein AUG im Leserahmen angetroffen wird, wird ein nicht-formyliertes Methionin von einer regulären Met-tRNA . inseriertGetroffen.

In E coli mRNA, eine Sequenz stromaufwärts des ersten AUG-Codons, genannt Shine-Dalgarno-Sequenz (AGGAGG), interagiert mit den rRNA-Molekülen, aus denen das Ribosom besteht. Diese Interaktion verankert die ribosomale 30S-Untereinheit an der richtigen Stelle auf der mRNA-Matrize. Guanosintriphosphat (GTP), ein Purinnukleotidtriphosphat, fungiert während der Translation als Energiequelle – sowohl zu Beginn der Elongation als auch während der Translokation des Ribosoms.

In Eukaryoten bildet sich ein ähnlicher Initiationskomplex, der mRNA, die 40S kleine ribosomale Untereinheit, IFs und Nukleosidtriphosphate (GTP und ATP) umfasst. Die geladene Initiator-tRNA, Met-tRNAi genannt, bindet fMet in Eukaryoten nicht, unterscheidet sich aber von anderen Met-tRNAs dadurch, dass sie IFs binden kann.

Anstatt sich an der Shine-Dalgarno-Sequenz abzulagern, erkennt der eukaryotische Initiationskomplex die 7-Methylguanosin-Kappe am 5'-Ende der mRNA. Ein Cap-bindendes Protein (CBP) und mehrere andere IFs unterstützen die Bewegung des Ribosoms zum 5'-Cap. An der Kappe angekommen, folgt der Initiationskomplex der mRNA in 5'- bis 3'-Richtung und sucht nach dem AUG-Startcodon. Viele eukaryotische mRNAs werden vom ersten AUG an translatiert, aber dies ist nicht immer der Fall. Entsprechend Kozaks Regeln, zeigen die Nukleotide um das AUG herum an, ob es sich um das richtige Startcodon handelt. Kozaks Regeln besagen, dass die folgende Konsensussequenz um die AUG von Vertebraten-Genen herum erscheinen muss: 5′-gccRccAUGG-3′. Das R (für Purin) zeigt eine Stelle an, die entweder A oder G sein kann, aber nicht C oder U sein kann. Im Wesentlichen gilt, je näher die Sequenz an diesem Konsensus liegt, desto höher ist die Effizienz der Translation.

Sobald das geeignete AUG identifiziert ist, dissoziieren die anderen Proteine ​​und CBP und die 60S-Untereinheit bindet an den Komplex aus Met-tRNAi, mRNA und der 40S-Untereinheit. Dieser Schritt vervollständigt die Initiation der Translation in Eukaryoten.

Translation, Elongation und Termination

Bei Prokaryoten und Eukaryoten sind die Grundlagen der Dehnung gleich, daher werden wir die Dehnung aus der Perspektive von überprüfen E coli. Die ribosomale 50S-Untereinheit von E coli besteht aus drei Kompartimenten: Die A-Stelle (Aminoacyl) bindet ankommende geladene Aminoacyl-tRNAs. Die P (Peptidyl)-Stelle bindet geladene tRNAs, die Aminosäuren tragen, die Peptidbindungen mit der wachsenden Polypeptidkette gebildet haben, aber noch nicht von ihrer entsprechenden tRNA dissoziiert sind. Die E-Stelle (Exit) setzt dissoziierte tRNAs frei, so dass sie mit freien Aminosäuren aufgeladen werden können. Es gibt eine Ausnahme von dieser Fertigungslinie von tRNAs: in E coli, ist in der Lage, die P-Site direkt zu betreten, ohne zuerst die A-Site zu betreten. In ähnlicher Weise bindet die eukaryotische Met-tRNAi mit Hilfe anderer Proteine ​​des Initiationskomplexes direkt an die P-Stelle (Abbildung 1). In beiden Fällen erzeugt dies einen Initiationskomplex mit einer freien A-Stelle, die bereit ist, die tRNA aufzunehmen, die dem ersten Codon nach dem AUG entspricht.

Während der Translationselongation sorgt die mRNA-Matrize für Spezifität. Während sich das Ribosom entlang der mRNA bewegt, wird jedes mRNA-Codon registriert und die spezifische Bindung mit dem entsprechenden geladenen tRNA-Anticodon wird sichergestellt. Wenn im Elongationskomplex keine mRNA vorhanden wäre, würde das Ribosom unspezifisch tRNAs binden.

Die Elongation schreitet fort, indem geladene tRNAs in die A-Stelle eintreten und dann mit jedem Einzelcodon-„Schritt“ des Ribosoms zur P-Stelle, gefolgt von der E-Stelle, verschoben werden. Ribosomale Schritte werden durch Konformationsänderungen induziert, die das Ribosom um drei Basen in 3′-Richtung vorrücken. Die Energie für jeden Schritt des Ribosoms wird von einem Elongationsfaktor abgegeben, der GTP hydrolysiert. Peptidbindungen bilden sich zwischen der Aminogruppe der Aminosäure, die an die tRNA der A-Stelle gebunden ist, und der Carboxylgruppe der Aminosäure, die an die tRNA der P-Stelle gebunden ist. Die Bildung jeder Peptidbindung wird katalysiert durch Peptidyltransferase, ein RNA-basiertes Enzym, das in die ribosomale 50S-Untereinheit integriert ist. Die Energie für jede Peptidbindungsbildung wird von der GTP-Hydrolyse abgeleitet, die durch einen separaten Elongationsfaktor katalysiert wird. Die an die tRNA der P-Stelle gebundene Aminosäure ist auch an die wachsende Polypeptidkette gebunden. Wenn das Ribosom die mRNA durchquert, dringt die ehemalige tRNA der P-Stelle in die E-Stelle ein, löst sich von der Aminosäure und wird ausgestoßen (Abbildung 2). Erstaunlicherweise E coli Translationsapparat benötigt nur 0,05 Sekunden, um jede Aminosäure hinzuzufügen, was bedeutet, dass ein Protein mit 200 Aminosäuren in nur 10 Sekunden übersetzt werden kann.

Fragen zum Üben

Viele Antibiotika hemmen die bakterielle Proteinsynthese. Tetracyclin blockiert beispielsweise die A-Stelle am bakteriellen Ribosom und Chloramphenicol blockiert den Peptidyltransfer. Welche spezifische Wirkung würden Sie von jedem dieser Antibiotika auf die Proteinsynthese erwarten?

Tetracyclin würde direkt beeinflussen:

  1. tRNA-Bindung an das Ribosom
  2. Ribosomenanordnung
  3. Wachstum der Proteinkette

[reveal-answer q="10129″]Zeige die Antwort[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”10129″]Antwort a. Tetracyclin würde die tRNA-Bindung an das Ribosom direkt beeinflussen.

[/versteckte-Antwort]

Chloramphenicol würde sich direkt auswirken

  1. tRNA-Bindung an das Ribosom
  2. Ribosomenanordnung
  3. Wachstum der Proteinkette

[reveal-answer q="10029″]Zeige die Antwort[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”10029″]Antwort c. Chloramphenicol würde das Wachstum der Proteinkette direkt beeinflussen.[/hidden-answer]

Die Termination der Translation tritt auf, wenn ein Nonsense-Codon (UAA, UAG oder UGA) angetroffen wird. Beim Ausrichten mit der A-Stelle werden diese Nonsense-Codons von Freisetzungsfaktoren in Prokaryonten und Eukaryonten erkannt, die die Peptidyltransferase anweisen, ein Wassermolekül an das Carboxylende der P-Stelle-Aminosäure anzufügen. Diese Reaktion zwingt die Aminosäure der P-Stelle, sich von ihrer tRNA zu lösen, und das neu gebildete Protein wird freigesetzt. Die kleinen und großen ribosomalen Untereinheiten dissoziieren von der mRNA und voneinander; sie werden fast sofort in einen anderen Translationsinitiationskomplex rekrutiert. Nachdem viele Ribosomen die Translation abgeschlossen haben, wird die mRNA abgebaut, sodass die Nukleotide in einer anderen Transkriptionsreaktion wiederverwendet werden können.


Translation, Elongation und Termination

Bei Prokaryoten und Eukaryoten sind die Grundlagen der Dehnung gleich, daher werden wir die Dehnung aus der Perspektive von überprüfen E coli. Die ribosomale 50S-Untereinheit von E coli besteht aus drei Kompartimenten: Die A-Stelle (Aminoacyl) bindet ankommende geladene Aminoacyl-tRNAs. Die P (Peptidyl)-Stelle bindet geladene tRNAs, die Aminosäuren tragen, die Peptidbindungen mit der wachsenden Polypeptidkette gebildet haben, aber noch nicht von ihrer entsprechenden tRNA dissoziiert sind. Die E-Stelle (Exit) setzt dissoziierte tRNAs frei, damit sie mit freien Aminosäuren aufgeladen werden können. In ähnlicher Weise bindet die eukaryotische Met-tRNA direkt an die P-Stelle (Abbildung 1). In beiden Fällen erzeugt dies einen Initiationskomplex mit einer freien A-Stelle, die bereit ist, die tRNA aufzunehmen, die dem ersten Codon nach dem AUG entspricht.

Abbildung 1. Ribosomen-mRNA-Translation

Während der Translationselongation liefert die mRNA-Matrize Spezifität. Während sich das Ribosom entlang der mRNA bewegt, wird jedes mRNA-Codon registriert, und die spezifische Bindung mit dem entsprechenden geladenen tRNA-Anticodon wird sichergestellt. Wenn im Elongationskomplex keine mRNA vorhanden wäre, würde das Ribosom unspezifisch tRNAs binden.

Die Elongation schreitet fort, indem geladene tRNAs in die A-Stelle eintreten und sich dann zur P-Stelle verschieben, gefolgt von der E-Stelle mit jedem einzelnen Codon “step” des Ribosoms. Peptidbindungen bilden sich zwischen der Aminogruppe der Aminosäure, die an die tRNA der A-Stelle gebunden ist, und der Carboxylgruppe der Aminosäure, die an die tRNA der P-Stelle gebunden ist. Die Bildung jeder Peptidbindung wird katalysiert durch Peptidyltransferase, ein RNA-basiertes Enzym, das in die ribosomale 50S-Untereinheit integriert ist. Die an die tRNA der P-Stelle gebundene Aminosäure ist auch an die wachsende Polypeptidkette gebunden. Wenn das Ribosom die mRNA durchquert, dringt die ehemalige tRNA der P-Stelle in die E-Stelle ein, löst sich von der Aminosäure und wird ausgestoßen (Abbildung 2). Erstaunlicherweise E coli Translationsapparat benötigt nur 0,05 Sekunden, um jede Aminosäure hinzuzufügen, was bedeutet, dass ein Protein mit 200 Aminosäuren in nur 10 Sekunden übersetzt werden kann.

Üben

Abbildung 2. Die Translation beginnt, wenn ein Initiator-tRNA-Anticodon ein Codon auf der mRNA erkennt. Die große ribosomale Untereinheit schließt sich der kleinen Untereinheit an und eine zweite tRNA wird rekrutiert. Wenn sich die mRNA relativ zum Ribosom bewegt, wird die Polypeptidkette gebildet. Der Eintritt eines Freisetzungsfaktors in die A-Stelle beendet die Translation und die Komponenten dissoziieren.

Viele Antibiotika hemmen die bakterielle Proteinsynthese. Tetracyclin blockiert beispielsweise die A-Stelle am bakteriellen Ribosom und Chloramphenicol blockiert den Peptidyltransfer. Welche spezifische Wirkung würden Sie von jedem dieser Antibiotika auf die Proteinsynthese erwarten?

Tetracyclin würde direkt beeinflussen:

Chloramphenicol würde sich direkt auswirken

Die Termination der Translation tritt auf, wenn ein Nonsense-Codon (UAA, UAG oder UGA) angetroffen wird. Beim Ausrichten mit der A-Stelle werden diese Nonsense-Codons von Freisetzungsfaktoren in Prokaryonten und Eukaryonten erkannt, die die Peptidyltransferase anweisen, ein Wassermolekül an das Carboxylende der P-Stelle-Aminosäure anzufügen. Diese Reaktion zwingt die Aminosäure der P-Stelle, sich von ihrer tRNA zu lösen, und das neu gebildete Protein wird freigesetzt. Die kleinen und großen ribosomalen Untereinheiten dissoziieren von der mRNA und werden voneinander fast sofort in einen anderen Translationsinitiationskomplex rekrutiert. Nachdem viele Ribosomen die Translation abgeschlossen haben, wird die mRNA abgebaut, sodass die Nukleotide in einer anderen Transkriptionsreaktion wiederverwendet werden können.


Molekulare Basis der Vererbung

1. Aktivierung der Aminosäure. 2. Übertragung von aktivierter Aminosäure auf tRNA. 3. Einleitung der Synthese. 4. Verlängerung der Polypeptidkette.

1. Aktivierung der Aminosäure. In Gegenwart eines ATP verbindet sich eine Aminosäure mit einem spezifischen Enzym namens Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Mg++ ist erforderlich. Es produziert Aminoacyladenylat-Synthetase.

2. Übertragung von aktivierter Aminosäure auf tRNA (Aufladen von tRNA). Die

aktivierte Aminosäure wird auf ihre spezifische tRNA übertragen. Eine hochenergetische Esterbindung wird zwischen der Carboxylgruppe der Aminosäure und der 3-Hydroxylgruppe der terminalen Adenosin-tRNA gebildet. tRNA hat zwei Selektionsstellen, eine zum Erkennen der spezifischen Aminoacyl-tRNA-Synthetase und das andere Anticodon zum Erkennen des Codons auf der mRNA.

3. Einleitung der Synthese. mRNA wird an eine kleinere Untereinheit angehängt. Die verschiedenen erforderlichen Initiationsfaktoren sind IF-1, IF-2 und IF-3. In Eukaryoten wird kein IF-2 gefunden. Die Anheftung ist so, dass das Initiationscodon der mRNA (AUG oder GUG) an der P-Stelle ankommt.

Ein für das Initiationscodon spezifischer Aminoacyl-t-RNA-Komplex (Methionin-tRNA, Valin-tRNA und formylierte Methionin-tRNA in Prokaryonten) erreicht die P-Stelle. Anticodon (UAC der met tRNA) baut temporäre Wasserstoffbrücken mit dem Codon der mRNA auf Die Codon-Anticodon-Reaktion findet in Gegenwart von GTP und IF statt. Jetzt verbindet sich die größere Untereinheit des Ribosoms mit dem mRNA-met-tRNA-Komplex. Die A-Site wird als solche exponiert.

4. Dehnung. (Polypeptidkettenbildung). Ein Aminoacyl-tRNA-Komplex erreicht die A-Stelle und bindet an das mRNA-Codon neben dem Initiationscodon. Es erfordert GTP und Dehnungsfaktor (EF). Zwischen NH . wird eine Peptidbindung aufgebaut2 Gruppe von /RNA, die an der A-Stelle mit der Carboxylgruppe (&mdashCOOH) an der P-Stelle in Gegenwart eines Enzyms Peptidyltransferase verbunden ist.

In der Zwischenzeit bricht die Verbindung zwischen tRNA und Aminosäure an der P-Stelle und die freie tRNA entgleitet. Die /RNA an der A-Stelle trägt ein Dipeptid.

â–² Abb. 2.12. Schritte der Übersetzung.

Im nächsten Schritt wird die t-RNA an der A-Stelle (die das Dipeptid trägt) zusammen mit der mRNA zur P-Stelle gezogen. Dabei bewegt sich die mRNA um ein Triplett, wodurch das neue Codon an der A-Stelle freigelegt wird. Dieser Prozess wird durch ein Enzym Translocase und Energie von GTP getragen und als Translocase und Energie von GTP bezeichnet und als Translokation bezeichnet. Ein weiterer Aminoacyl-tRNA-Komplex erreicht die A-Stelle und es wird eine Bindung gebildet. Nur eins nach dem anderen der mRNA wird an der A-Stelle exponiert und durch den Einbau von Aminosäuren in die Peptidkette, die sich verlängert und in der Furche der größeren Untereinheit liegt, dekodiert.

5. Kündigung. Die Polypeptidsynthese endet, wenn ein Stoppsignal (UAA, UAG oder UGA) die A-Stelle erreicht. Die tRNA der P-Stelle wird hydrolysiert und das fertige Polypeptid wird in Gegenwart von Freisetzungsfaktoren (RF) freigesetzt. Die beiden Untereinheiten der Ribosomen dissoziieren ebenfalls.

Im Fall von freien zytoplasmatischen Polyribosomen werden die Polypeptide in das Zytoplasma freigesetzt, wenn sie zur Synthese von mehr Zytoplasma, Enzymen und Komponenten von Zellorganellen verwendet werden.


Codons

Angesichts der unterschiedlichen Anzahl von “Buchstaben” in der mRNA und Protein-“alphabeten”, theoretisierten Wissenschaftler, dass Kombinationen von Nukleotiden einzelnen Aminosäuren entsprechen. Nukleotid-Dubletts würden nicht ausreichen, um jede Aminosäure zu spezifizieren, da es nur 16 mögliche Kombinationen aus zwei Nukleotiden gibt (42). Im Gegensatz dazu gibt es 64 mögliche Nukleotidtripletts (43), was weit mehr ist als die Zahl der Aminosäuren. Wissenschaftler stellten die Theorie auf, dass Aminosäuren durch Nukleotidtripletts kodiert werden und dass der genetische Code degenerieren. Mit anderen Worten, eine gegebene Aminosäure könnte von mehr als einem Nukleotidtriplett kodiert werden. Dies wurde später experimentell bestätigt. Francis Crick und Sydney Brenner verwendeten das chemische Mutagen Proflavin, um ein, zwei oder drei Nukleotide in das Gen eines Virus einzufügen. Wenn ein oder zwei Nukleotide eingefügt wurden, wurde die Proteinsynthese vollständig aufgehoben. Wenn drei Nukleotide eingefügt wurden, war das Protein synthetisiert und funktionsfähig. Dies zeigte, dass drei Nukleotide jede Aminosäure spezifizieren. Diese Nukleotidtripletts heißen Codons. Die Insertion von einem oder zwei Nukleotiden veränderte den Triplett-Leseraster vollständig, wodurch die Botschaft für jede nachfolgende Aminosäure verändert wurde (Abbildung 5). Obwohl die Insertion von drei Nukleotiden die Insertion einer zusätzlichen Aminosäure während der Translation verursachte, wurde die Integrität des Rests des Proteins aufrechterhalten.

Abbildung 5. Die Deletion von zwei Nukleotiden verschiebt den Leserahmen einer mRNA und verändert die gesamte Proteinbotschaft, wodurch ein nicht funktionsfähiges Protein entsteht oder die Proteinsynthese insgesamt beendet wird.

Die Wissenschaftler lösten den genetischen Code sorgfältig, indem sie synthetische mRNAs in vitro übersetzten und die von ihnen spezifizierten Proteine ​​sequenzierten (Abbildung 6).

Abbildung 6. Diese Abbildung zeigt den genetischen Code zum Übersetzen jedes Nukleotidtripletts in mRNA in eine Aminosäure oder ein Terminationssignal in einem entstehenden Protein. (Kredit: Änderung der Arbeit durch NIH)

Zusätzlich zum Anfügen einer spezifischen Aminosäure an eine Polypeptidkette beenden drei der 64 Codons die Proteinsynthese und setzen das Polypeptid aus der Translationsmaschinerie frei. Diese Tripletts werden Nonsense-Codons oder Stop-Codons genannt. Ein weiteres Codon, AUG, hat ebenfalls eine besondere Funktion. Neben der Spezifizierung der Aminosäure Methionin dient sie auch als Startcodon zur Initiierung der Translation. Der Leserahmen für die Translation wird durch das AUG-Startcodon nahe dem 5'-Ende der mRNA gesetzt.

Der genetische Code ist universell. Mit wenigen Ausnahmen verwenden praktisch alle Arten den gleichen genetischen Code für die Proteinsynthese. Die Konservierung von Codons bedeutet, dass eine gereinigte mRNA, die das Globinprotein in Pferden kodiert, auf eine Tulpenzelle übertragen werden könnte, und die Tulpe würde Pferdeglobin synthetisieren. Dass es nur einen genetischen Code gibt, ist ein starker Beweis dafür, dass alles Leben auf der Erde einen gemeinsamen Ursprung hat, insbesondere wenn man bedenkt, dass es etwa 1084 mögliche Kombinationen von 20 Aminosäuren und 64 Triplett-Codons gibt.

Es wird angenommen, dass Degeneration ein zellulärer Mechanismus ist, um die negativen Auswirkungen zufälliger Mutationen zu reduzieren. Codons, die dieselbe Aminosäure spezifizieren, unterscheiden sich typischerweise nur durch ein Nukleotid. Außerdem werden Aminosäuren mit chemisch ähnlichen Seitenketten durch ähnliche Codons kodiert. Diese Nuance des genetischen Codes stellt sicher, dass eine Einzelnukleotid-Substitutionsmutation entweder dieselbe Aminosäure spezifizieren kann, aber keine Wirkung hat oder eine ähnliche Aminosäure spezifiziert, wodurch verhindert wird, dass das Protein vollständig funktionsunfähig wird.


Das Lac-Operon

Im lac-Operon (hier bezieht sich lac auf Lactose) wird ein polycistronisches Strukturgen durch einen gemeinsamen Promotor und regulatorische Gene reguliert.

xDas lac-Operon besteht aus einem regulatorischen Gen (dem i-Gen – hier steht der Begriff i nicht für Induktor, sondern leitet sich vom Wort Inhibitor ab) und drei Strukturgenen (z, y und a). Das i-Gen kodiert für den Repressor des lac-Operons. Das z-Gen kodiert für Beta-Galactosidase (ß-gal), die hauptsächlich für die Hydrolyse des Disaccharids Lactose in seine monomeren Einheiten Galactose und Glucose verantwortlich ist. Das y-Gen kodiert für die Permease, die die Durchlässigkeit der Zelle für ß-Galaktoside erhöht. Das a-Gen kodiert für eine Transacetylase. Daher werden alle drei Genprodukte im lac-Operon für den Laktosestoffwechsel benötigt. Auch in den meisten anderen Operons werden die im Operon vorhandenen Gene zusammen benötigt, um im gleichen oder verwandten Stoffwechselweg zu funktionieren.

Lactose ist das Substrat für das Enzym Beta-Galactosidase und reguliert das Ein- und Ausschalten des Operons. Daher wird es als Induktor bezeichnet. In Abwesenheit einer bevorzugten Kohlenstoffquelle wie Glucose wird die Lactose, wenn Lactose im Wachstumsmedium der Bakterien bereitgestellt wird, durch die Wirkung der Permease in die Zellen transportiert. Die Lactose induziert dann das Operon auf folgende Weise.

Der Repressor des Operons wird (immer – konstitutiv) aus dem i-Gen synthetisiert. Das Repressorprotein bindet an die Operatorregion des Operons und verhindert, dass die RNA-Polymerase das Operon transkribiert. In Gegenwart eines Induktors wie Lactose oder Allolactose wird der Repressor durch Wechselwirkung mit dem Induktor inaktiviert. Dies ermöglicht der RNA-Polymerase den Zugang zum Promotor und die Transkription schreitet fort.


Übersetzung: Synthese von Proteinen (mit Diagramm)

Translation ist der Mechanismus, durch den die Triplett-Basensequenz einer mRNA die Verknüpfung einer bestimmten Aminosäuresequenz steuert, um ein Polypeptid (Protein) auf Ribosomen zu bilden.

Die Proteinsynthese erfordert Aminosäuren, DNA, RNAs, Ribosomen und Enzyme. Der Mechanismus der Proteinsynthese umfasst vier Schritte. Die vier Schritte sind: (1) Aktivierung von Aminosäuren (2) Laden von tRNA (3) Aktivierung von Ribosomen und (4) Aufbau von Aminosäuren (Polypeptidbildung).

Maschinen für die Proteinsynthese:

Die Proteinsynthese erfordert Aminosäuren, DNA, RNAs, Ribosomen und Enzyme.

ICH. Aminosäuren:

Proteine ​​sind die Polymere von Aminosäuren. Daher bilden Aminosäuren den Rohstoff für die Proteinsynthese. Die Proteine ​​lebender Organismen benötigen etwa 20 Aminosäuren als Bausteine ​​oder Monomere. Diese liegen in der zytoplasmatischen Matrix als Aminosäurepool vor.

II. DNA als Spezifitätskontrolle:

Eine Zelle muss, um ihre eigenen besonderen Eigenschaften zu erhalten, Proteine ​​herstellen, die den bereits in ihr vorhandenen Proteinen genau entsprechen. Somit erfordert die Proteinsynthese eine Spezifitätskontrolle, um Anweisungen über die genaue Sequenz bereitzustellen, in der die gegebenen Zahlen und Arten von Aminosäuren verknüpft werden sollten, um die gewünschten Polypeptide zu erhalten.

Die Spezifitätskontrolle wird von DNA durch mRNA-Sequenzen von 3 aufeinanderfolgenden stickstoffhaltigen Basen in der DNA-Doppelhelix ausgeübt, die den biochemischen oder genetischen Code bilden. Jedes Basentriplett kodiert für eine bestimmte Aminosäure. Da die DNA mehr oder weniger stabil ist, sind die in einer Zelle gebildeten Proteine ​​genau wie die bereits vorhandenen Proteine.

III. RNAs:

Das RNA-Molekül ist ein langes, unverzweigtes, einzelsträngiges Polymer von Ribonukleotiden (Abb. 7.12). Jede Nukleotideinheit besteht aus drei kleineren Molekülen: einer Phosphatgruppe, einem 5-Kohlenstoff-Ribosezucker und einer stickstoffhaltigen Base. Die Basen in der RNA sind Adenin, Guanin, Uracial und Cytosin. Die verschiedenen Komponenten sind wie in der DNA verknüpft.

In jeder Zelle gibt es drei Arten von RNA: Boten-RNA oder mRNA, ribosomale RNA oder rRNA und Transfer-RNA oder tRNA. Die drei Arten von RNAs werden von verschiedenen Regionen der DNA-Matrize transkribiert, die RNA-Kette ist komplementär zu dem DNA-Strang, der sie produziert. Alle drei Arten von RNAs spielen eine Rolle bei der Proteinsynthese.

Die DNA, die die Proteinsynthese steuert, befindet sich in den Chromosomen innerhalb des Zellkerns, während die Ribosomen, an denen die Proteinsynthese tatsächlich stattfindet, im Zytoplasma platziert sind. Daher muss eine Art von Agentur existieren, um Anweisungen von der DNA zu den Ribosomen zu übertragen. Diese Agentur existiert in Form von mRNA.

Die mRNA trägt die Botschaft (Information) der DNA über die Sequenz bestimmter Aminosäuren, die zu einem Polypeptid verbunden werden sollen, daher der Name. Sie wird auch Informations-RNA oder Template-RNA genannt. Die mRNA macht etwa 5 % der Gesamt-RNA einer Zelle aus. Sein Molekül ist linear und der längste aller drei RNA-Typen. Seine Länge hängt mit der Größe des zu synthetisierenden Polypeptids mit seiner Information zusammen.

Für jedes Polypeptid gibt es eine spezifische mRNA. Aufgrund der Größenvariation der mRNA-Population in einer Zelle wird die mRNA oft als heterogene nukleäre RNA oder hn-RNA bezeichnet:

In Eukaryoten trägt mRNA nur Informationen für ein Polypeptid. Sie ist monocistronisch (monogen), da sie von einem einzelnen Cistron (Gen) transkribiert wird und ein einzelnes Initiatorcodon und ein einzelnes Terminatorcodon hat.

Bakterielle mRNA trägt oft Informationen für mehr als eine Polypeptidkette. Eine solche mRNA wird als polycistronisch (polygen) bezeichnet, da sie von vielen angrenzenden (benachbarten) Genen transkribiert wird. Eine polycistronische mRNA weist für jedes von ihr zu bildende Polypeptid ein Initiatorcodon und ein Terminatorcodon auf.

Die tRNA hat viele Varianten. Jede Sorte trägt eine bestimmte Aminosäure aus dem Aminosäurepool zur mRNA auf den Ribosomen, um ein Polypeptid zu bilden, daher der Name. Die tRNAs machen etwa 15% der Gesamt-RNA einer Zelle aus. Sein ’-Molekül ist das kleinste aller RNA-Typen.

Ein tRNA-Molekül hat die Form eines Kleeblattes. Es hat vier Regionen:

Dies ist das 3′ Ende des Moleküls. Hier gesellt sich eine bestimmte Aminosäure dazu. Es hat in allen Fällen ein Basentriplett-CCA mit – OH an der Spitze. Das – COOH der Aminosäure schließt sich dem – OH an.

Es ist das entgegengesetzte Ende des Moleküls. Es hat 3 ungepaarte Ribonukleotide. Die Basen dieser Ribonukleotide haben komplementäre Basen an der mRNA-Kette. Ein Basentriplett auf der mRNA-Kette wird als Codon bezeichnet, und sein komplementäres Basentriplett auf dem tRNA-Molekül wird als Anticodon bezeichnet. Anticodon liest sein entsprechendes Codon und verbindet es vorübergehend während der Proteinsynthese durch Wasserstoffbrücken.

Es befindet sich auf einer Seite des Moleküls. Es ist für ein spezifisches Ladeenzym gedacht, das die Vereinigung einer bestimmten Aminosäure mit einem tRNA-Molekül katalysiert.

Es befindet sich auf der anderen Seite des Moleküls. Es ist für die Anheftung an ein Ribosom gedacht.

Das rRNA-Molekül ist stark gewunden. In Kombination mit Proteinen bildet es die kleinen und großen Untereinheiten der Ribosomen, daher der Name. Es bildet etwa 80 % der gesamten RNA einer Zelle. Die rRNA scheint auch eine allgemeine Rolle bei der Proteinsynthese zu spielen.

(IV) Ribosomen:

Ribosomen dienen als Ort für die Proteinsynthese. Die kleinen und großen Untereinheiten von Ribosomen treten getrennt auf, wenn sie nicht an der Proteinsynthese beteiligt sind. Die beiden Untereinheiten bilden eine Assoziation (verbinden sich), wenn die Proteinsynthese beginnt, und werden dissoziiert (getrennt), wenn die Proteinsynthese stoppt. Viele Ribosomen reihen sich während der Proteinsynthese an der mRNA-Kette an. Eine solche Gruppe aktiver Ribosomen wird als Polyribosom oder einfach als Polysom ​​bezeichnet.

In einem Polysom ​​sind die benachbarten Ribosomen etwa 340 voneinander entfernt. Die Anzahl der Ribosomen in einem Polysom ​​hängt mit der Länge des mRNA-Moleküls zusammen, die die Länge des zu synthetisierenden Polypeptids widerspiegelt. Es wurde festgestellt, dass Polypeptide an den Polysomen synthetisiert werden und nicht an den einzelnen freien Ribosomen, wie zuvor angenommen. Dies gilt sowohl für Prokaryoten und Eukaryoten als auch für die Zellorganellen wie Mitochondrien und Plastiden.

Ein Ribosom hat zwei Bindungsstellen für tRNA-Moleküle. Eine wird als A-Stelle (Akzeptor oder Aminoacyl) und die andere als P-Stelle (Peptidyl) bezeichnet. Diese Stellen erstrecken sich über die großen und kleinen Untereinheiten des Ribosoms (Abb. 7.13). Die A-Stelle erhält den tRNA-Aminosäure-Komplex. Von der P-Stelle verlässt die tRNA nach dem Verlassen ihrer Aminosäure das sich bildende Polypeptid. Der erste tRNA-Aminosäure-Komplex dringt jedoch direkt in die P-Stelle des Ribosoms ein.

Die Funktion des Ribosoms besteht darin, die mRNA, tRNA und die zugehörigen Enzyme, die den Prozess steuern, in Position zu halten, bis sich eine Peptidbindung zwischen den benachbarten Aminosäuren bildet.

Mechanismus der Proteinsynthese:

Die Proteinbiosynthese umfasst folgende Hauptschritte:

(i) Aktivierung von Aminosäuren:

Aminosäure reagiert mit ATP, um Aminosäure-AMP-Komplex und Pyrophosphat zu bilden. Die Reaktion wird durch ein spezifisches Aminosäure-aktivierendes Enzym namens Aminoacyl-tRNA-Synthetase in Gegenwart von Mg 2+ katalysiert. Für jede Art von Aminosäure gibt es ein separates Aminoacyl-–-tRNA-Synthese-Enzym. Ein Großteil der Energie, die bei der Trennung von Phosphatgruppen von ATP freigesetzt wird, wird im Aminosäure-AMP-Komplex eingefangen.

Der Komplex bleibt vorübergehend mit dem Enzym verbunden. Der Aminosäure-AMP-Enzym-Komplex wird als aktivierte Aminosäure bezeichnet (Abb. 7.14). Das Pyrophosphat wird zu 2Pi hydrolysiert, was die Reaktion nach rechts treibt.

(ii) Aufladen von tRNA:

Der Aminosäure-AMP-Enzymkomplex verbindet sich mit der Aminosäurebindungsstelle seiner spezifischen tRNA, wo seine -COOH-Gruppe an die – OH-Gruppe des terminalen Basentripletts CCA bindet. Die Reaktion wird durch das gleiche Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Enzym katalysiert.

Der resultierende tRNA-Aminosäure-Komplex wird als geladene tRNA bezeichnet (Abb. 7.14). AMP und Enzym werden freigesetzt. Das freigesetzte Enzym kann ein weiteres Aminosäuremolekül aktivieren und an ein anderes tRNA-Molekül binden. Die durch den Wechsel von ATP zu AMP freigesetzte Energie wird im Aminosäure-tRNA-Komplex zurückgehalten. Diese Energie wird später verwendet, um die Bildung von Peptidbindungen voranzutreiben, wenn sich Aminosäuren an Ribosomen verbinden.

Der tRNA-Aminosäure-Komplex wandert zum Ort der Proteinsynthese, dem Ribosom.

(iii) Aktivierung von Ribosomen:

Für die Proteinsynthese müssen die kleine und die große Untereinheit der Ribosomen zusammengefügt werden. Dies wird durch die mRNA-Kette bewirkt. Letztere verbindet die kleine ribosomale Untereinheit durch das erste Codon durch Basenpaarung mit geeigneter Sequenz auf der rRNA. Die Kombination aus beiden nennt man Initiationskomplex (Abb. 7.15). Die große Untereinheit schließt sich später der kleinen Untereinheit an und bildet ein aktives Ribosom. Die Aktivierung des Ribosoms durch mRNA erfordert die richtige Konzentration von Mg 2+ (0,001 molare Konz.)

(iv) Zusammenbau von Aminosäuren (Polypeptidbildung):

Die Vorgänge bei der Proteinsynthese sind bei Bakterien besser bekannt als bei Eukaryoten. Obwohl angenommen wird, dass diese in den beiden Gruppen ähnlich sind, treten einige Unterschiede auf. Die folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Proteinsynthese in Bakterien an den 70S-Ribosomen. Die Polypeptidbildung umfasst 3 Ereignisse: Initiation, Elongation und Termination der Aminosäurekette.

(a) Initiierung der Polypeptidkette:

Die mRNA-Kette hat an ihrem 5′ Ende ein “Initiator” oder “start” Codon (AUG), das den Start der Polypeptidbildung signalisiert. Dieses Codon liegt nahe der P-Stelle des Ribosoms. Die Aminosäure Formyl-Methionin (Methionin in Eukaryoten) leitet den Prozess ein. Es wird von tRNA mit einem UAC-Anticodon getragen, das über Wasserstoffbrücken an das AUG-Initiatorcodon der mRNA bindet.

Initiationsfaktoren (IF 1, IF 2 und IF 3) und GTP fördern den Initiationsprozess. Die große ribosomale Untereinheit schließt sich nun der kleinen Untereinheit an, um das Ribosom zu vervollständigen. In diesem Stadium wird GTP zu BIP hydrolysiert. Das Ribosom weist an der P-Stelle Formylmethionin-tragende tRNA (tRNA f Met ) auf (Abb. 7.15). Später wird das Formylmethionin durch das Enzym Deformylase in normales Methionin umgewandelt. Wenn es nicht benötigt wird, wird Methionin später durch ein proteolytisches Enzym Aminopeptidase von der Polypeptidkette getrennt.

Anstoßfaktoren werden wieder verwendet, um neue Ketten zu starten. Wie bereits festgestellt, findet die Translation der Codons der mRNA in Richtung 5′ – 3′ statt, daher erkennen die P-Stelle und die A-Stelle an den Ribosomen die Polarität der mRNA-Kette.

An diesem Punkt fmet-tRNAF met-Molekül im 70S-Initiationskomplex besetzt die P-Stelle des Ribosoms. Die andere Stelle für ein tRNA-Molekül, d. h. die A-Stelle, ist leer. Die fmet-tRNAF met ist so positioniert, dass sich sein Anticodon mit dem initiierenden AUG (oder GUG) Codon auf der mRNA paart. Der Leserahmen wird durch diese Wechselwirkung und durch die Paarung der angrenzenden purinreichen Sequenz mit einer pyrimidinreichen Sequenz in 16S rRNA spezifiziert.

Der Elongationszyklus in der Proteinsynthese beginnt mit der Insertion einer Aminoacyl-tRNA in die leere A-Stelle am Ribosom. Die einzufügende tRNA-Spezies hängt von dem mRNA-Codon ab, das an der A-Stelle vorhanden ist. Die komplementäre Aminoacyl-tRNA wird durch ein nicht-ribosomales zytoplasmatisches Protein, den sogenannten Elongationsfaktor T (EF-T), das an die Aminoacyl-tRNA bindet, auf die A-Stelle übertragen.

Der Faktor EF-T enthält zwei Untereinheiten, EF-Ts und EF-Tu. EF-Tu enthält wie IF2 ein gebundenes Guanylnukleotid und wechselt zwischen einem GTP und einem GDP. Wenn das Codon mit dem Anticodon übereinstimmt, wird GTP hydrolysiert, wodurch die Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle positioniert wird und GDP, das mit EF-Tu gebunden ist, vom Ribosom dissoziiert. Ein zweiter Elongationsfaktor EF-Ts verbindet sich mit dem EF-Tu-Komplex und GDP wird aus dem Komplex verdrängt und bildet einen EF-Tu-Ts-Komplex.

Schließlich bindet GTP an den EF-Tu-EF-Ts-Komplex und setzt EF-Ts frei. EF-Tu, das gebundenes GTP enthält, ist bereit, eine andere Aminoacyl-tRNA aufzunehmen und an die A-Stelle des Ribosoms zu liefern. Dieser GTP-GDP-Zyklus wiederholt sich ständig. Es sollte beachtet werden, dass EF-Tu den fmet-tRNA-Initiator nicht erkennt, daher wird die Initiator-tRNA nicht an die A-Stelle geliefert.

Im Gegenteil, bevor fmet-tRNAet, wie alle anderen Aminoacyl-tRNAs, an EF-Tu binden kann. Dies erklärt, warum interne AUG-Codons nicht von der Initiator-tRNA gelesen werden. Es wurde beobachtet, dass eine schnelle Bindung von EF-Tu an eine aktivierte Aminoacyl-tRNA die Hydrolyse verhindert, aber nach der Bildung des H’-Tu-GTP-tRNA-Komplexes ermöglicht eine Zeitverzögerung von mehreren Millisekunden die Diffusion der Codon-Anticodon-Fehlpaarungen entfernt (vor der OTP-Hydrolyse).

Bildung und Translokation von Peptidbindungen:

Sobald die Initiator-fmet-tRNA die P-Stelle besetzt und die nächste Aminoacyl-tRNA die A-Stelle besetzt, wird eine Peptidbindung zwischen den benachbarten Aminosäuren durch ein Enzym, die zur 50S-Untereinheit gehörende Peptidyltransferase, gebildet. Das aktive Zentrum der Peptidyltransferase ist die 23 S rRNA. Die ungeladene tRNAF met besetzt die P-Stelle und das gebildete Dipeptid wird nach Bildung einer Peptidbindung an die zweite tRNA angehängt, die die A-Stelle besetzt. Das Produkt der ersten Peptidbindungsbildung wird als an die A-Stelle gebundene Dipeptidyl-tRNA bezeichnet.

Der nächste Schritt des Elongationszyklus ist die Translokation, die einen dritten Elongationsfaktor EF-G (auch Translocase genannt) erfordert, der die Hydrolyse von GTP verursacht.

Drei wichtige Bewegungen treten auf:

(1) Die nun ungeladene fmet-tRNA verlässt die P-Stelle,

(2) Die zweite tRNA mit gebundenem Dipeptid wird an die P-Stelle verschoben und

(3) mRNA bewegt sich über eine Distanz von drei Nukleotiden.

Nach der Translokation wird die A-Stelle geöffnet, um die ankommende Aminoacyl-tRNA aufzunehmen, die dem nächsten Codon entspricht, das nun für die nächste Elongationsrunde an der A-Stelle positioniert ist (Abb. 7.16). Der Faktor EF-Tu liefert die nächste Aminoacyl-tRNA für die leere A-Stelle.

Die Genauigkeit der Proteinsynthese hängt davon ab, dass die richtige Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle vorhanden ist, wenn die Peptidbindung gebildet wird. Daher wird die eingehende Aminoacyl-tRNA sorgfältig untersucht, damit ihr Anticodon komplementär ist und mit dem Codon an der A-Stelle übereinstimmt. Eine Aminoacyl-tRNA mit Fehlpaarung kann nur vorübergehend an zwei oder drei Nukleotide eines Codons binden, verlässt aber die A-Stelle, bevor eine Peptidbindung gebildet wird. Es dauert einige Millisekunden, bis das Ribosom entscheidet, ob die eingehende Aminoacyl-tRNA die richtige ist oder nicht, und die Zeitverzögerung wird durch die GTPase-Stelle von EF-Tu bestimmt. Eine Peptidbindung kann erst gebildet werden, wenn EF-Tu aus der Aminoacyl-tRNA freigesetzt wird und der Prozess die Hydrolyse von GTP zu GDP und Pi erfordert.

Für die Beendigung der Proteinsynthese sind zwei Bedingungen erforderlich. Einer ist das Vorhandensein eines Stoppcodons, das die Beendigung der Kettenverlängerung signalisiert, und das andere ist das Vorhandensein von Freisetzungsfaktoren (RF), die das Kettenabbruchsignal erkennen. Es gibt drei terminierende Codons, UAA, UGA und UAG, für die keine tRNAs existieren. Termination of polypeptide chain is signaled by one of these codons in the mRNA. Behind all this complexity is the fact that after the polypeptide chain has reached its full length, its carboxyl end is still bound to its tRNA adapter.

Termination must, therefore, involve the splitting of the terminal tRNA. Release of the peptidyl tRNA from the ribosome is promoted by three specific release factors, RF1, RF2 and RF3. RF1 recognises triplets UAA and UAG, while RF2 recognises UAA and UGA. The third factor RF3 does not possess any release activity of its own, but it binds to OTP and stimulates the binding of RF1 and RF2 with the ribosome.

In E. coli, 16S rRNA is essential in reading the stop codon. The release factors bind to stop codon to cause a shift of the polypeptidyl-tRNA from A to P site (Fig. 7.17). Whether OTP hydrolysis is required for chain termination is not yet firmly established, although the RF3, which appears to enhance RF1 and RF2 binding with ribosome, does not bind to OTP.

The ester bond between the polypeptide chain and the last tRNA is then hydrolysed. Binding of RF to the terminating codon causes water to act as the acceptor of the growing peptide and not another amino acid on a tRNA Release of the polypeptide chain is followed by dissociation of mRNA and tRNA. Subsequently dissociation of 30S and SOS ribosome subunits takes place with concomitant binding of IF3 to 30S subunit to prevent reassembly in the absence of mRNA and fmet-tRNA.

Modification of Released Polypeptide:

The just released polypeptide has primary structure, i.e., it is a straight, linear molecule. It is often called as nascent polypeptide. It may lose some amino acids from the end with the help of an exopeptidase enzyme, and then coil and fold on itself to acquire secondary and tertiary structure. It may combine with other polypeptides to have quaternary structure. The proteins synthesized on free polysomes are released into the cytoplasm and function as structural and enzymatic proteins. The proteins formed on the polysomes attached to ER pass into the ER channels and are exported as cell secretions by exocytosis after packaging in the Golgi apparatus.

Polysome Formation and Translational Amplification:

When the ribosome has moved sufficiently down the mRNA chain towards 3′ end, another ribosome takes up position at the initiator codon of mRNA, and starts synthesis of a second copy of the same polypeptide chain. At any given time, the mRNA chain will, therefore, carry many ribosomes over which are similar polypeptide chains of varying length, shortest near the initiator codon and longest near the stop codon.

A row of ribosomes joined to the mRNA molecule, is called a polyribosome, or simply a polysome. Synthesis of many molecules of the same polypeptide simultaneously from one mRNA molecule by a polysome is called translational amplification.

Inhibitors of Protein Synthesis in Prokaryotes:

Antibiotics are the bio-chemicals synthesized by bacteria and some fungi. Many antibiotics are known to block the bacterial translocation. This forms the basis of checking bacterial infection without harming the human host.


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