Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.4: Переклад РНК в білки

  • Page ID
    5814
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    альт
    Малюнок 6.4.1 РНК переносу ланіну

    Це зображення показує структуру РНК переносу аланіну (тРНК ala) з дріжджів. Складається з однієї нитки з 77 рибонуклеотидів. Ланцюг складається на собі, і багато з основ спаровуються між собою, утворюючи чотири гвинтові області. Петлі утворюються в непарних областях ланцюга. (Основи, обведені синім кольором, були хімічно модифіковані після синтезу молекули.)

    Принаймні один вид тРНК присутній для кожної з 20 амінокислот, що використовуються в синтезі білка. (Деякі амінокислоти використовують послуги двох-трьох різних тРНК, тому більшість клітин містять цілих 32 різних види тРНК.) Амінокислота приєднується до відповідної тРНК активуючим ферментом (одним з 20 аміноацил-тРНК синтетаз), специфічним для цієї амінокислоти, а також для призначеної їй тРНК.

    Кожен вид тРНК має послідовність 3 непарних нуклеотидів - антикодон - який може зв'язуватися, дотримуючись правил сполучення основи, з комплементарною триплетою нуклеотидів - кодоном - в молекулі месенджерної РНК (мРНК). Подібно до того, як реплікація та транскрипція ДНК передбачають сполучення нуклеотидів, що працюють у протилежному напрямку, тому читання кодонів у мРНК (5' -> 3') вимагає, щоб антикодони зв'язувалися у зворотному напрямку.

    Антикодон: 3' CGA 5'
    Кодон: 5' GCU 3'

    РНК-кодони

    Другий нуклеотид
    У C A Г
    У UUU фенілаланін (PHE) Серіне УКУ (Сер) Тирозин UAU (Тир) UGU цистеїн (Cys) У
    UUC — Фе UCC Сер UAC Тир УГК Cys C
    UUA Лейцин (Лей) УЦА Сер ЗУПИНКА УАА УГА СТОП A
    UEG Старий французький франк UCG Сер УАГ СТОП Триптофан UGG (Trp) Г
    C CUU лейцин (лей) КСУ Пролін (Pro) CAU Гістидин (Гістидин) CGU Аргінін (Arg) У
    CUC Старий французький франк CCC Pro САС його CGC Арт C
    Кубинський песо CCA Pro CAA Глютамин (Gln) CGA Арт A
    CUG Старий французький франк CCG Pro CAG Глен CGG Арт Г
    A AUU Ізолейцин (Іль) Треонін ACU (Thr) AAU аспарагін (Asn) Серин AGU (Сер) У
    AUC Іль ACC Thr ААС Асан AGC Сер C
    АУА Іль АСА Тр ААА Лізин (світло) AGA Аргінін (Арг) A
    AUG Метіонін (Метіонін) або СТАРТ ACG Thr ААГ Ліс АГГ Арг Г
    Г ГУУ Валін Вал GCU аланін (Ala) GAU Аспарагінова кислота (Асп) ГГГ Гліцин (Gly) У
    GUC (Вал) РГКЗ Алла GAC жерех GGC Глі C
    ГУА Вал GCA Ала GAA глутамінова кислота (Glu) ГГА Глі A
    ГУГ Вал GCG Ала Клей GAG ГГГ Глі Г

    Примітка:

    • Більшість амінокислот закодовані синонімічними кодонами, які відрізняються третім положенням кодону.
    • У деяких випадках одна тРНК може розпізнати два або більше цих синонімічних кодонів.
    • Приклад: фенілаланін тРНК з антикодоном 3' AAG 5' розпізнає не тільки UUC, але і UUU.
    • Порушення звичних правил спарювання основи при третьому нуклеотиді кодону називається «коливанням»
    • Кодон AUG виконує дві пов'язані функції
      • Він починає кожне повідомлення; тобто сигналізує про початок перекладу, поміщаючи амінокислоту метіонін на амінотермінал поліпептиду, який буде синтезований.
      • Коли це відбувається в повідомленні, він керує включенням метіоніну.
    • Три кодони, UAA, UAG та UGA, виступають сигналами для припинення перекладу. Вони називаються стоп-кодонами.

    Етапи перекладу

    альт
    Малюнок 6.4.2 Переклад

    Ініціація

    • Мала субодиниця рибосоми зв'язується з сайтом «вгору» (на стороні 5') початку повідомлення.
    • Він триває вниз за течією (5' -> 3'), поки не зіткнеться з початковим кодоном AUG. (Регіон між шапкою мРНК та AUG відомий як 5'-неперекладений регіон [5'-UTR].)
    • Тут до нього приєднується велика субодиниця і спеціальний ініціатор тРНК.
    • Ініціатор тРНК зв'язується з P ділянкою (показано рожевим кольором) на рибосомі.
    • У еукаріотів ініціатор тРНК несе метіонін (Мет). (Бактерії використовують модифікований метіонін, призначений FMet.)

    Подовження

    • Аміноацил-тРНК (тРНК, ковалентно пов'язана зі своєю амінокислотою), здатна базувати пару з наступним кодоном на мРНК, надходить на ділянку А (зелений), пов'язаний з:
      • фактор подовження (називається EF-Tu у бактерій; EF-1 у еукаріотів)
      • ГТП (джерело необхідної енергії)
    • Попередня амінокислота (Met на початку перекладу) ковалентно пов'язана з надходить амінокислотою з пептидним зв'язком (показано червоним кольором).
    • Ініціатор тРНК звільняється з ділянки Р.
    • Рибосома рухається на один кодон вниз за течією.
    • Це зміщує нещодавно прибулу тРНК з прикріпленим пептидом до ділянки Р і відкриває ділянку А для прибуття нової аміноацил-тРНК.
    • Цьому останньому кроку сприяє інший фактор подовження білка (званий EF-G у бактерій; EF-2 у еукаріотів) та енергія іншої молекули GTP.

    Примітка: ініціатор тРНК є єдиним членом сімейства тРНК, який може прив'язуватися безпосередньо до ділянки Р. Сайт P так названий тому, що, за винятком ініціатора тРНК, він зв'язується лише з молекулою р ептидил-тРНК; тобто тРНК з приєднаним зростаючим пептидом.

    Сайт A так названий, тому що він зв'язується лише з вхідною міноацил-тРНК; тобто тРНК, що приносить наступну амінокислоту. Так, наприклад, тРНК, що приносить Мет всередину поліпептиду, може зв'язуватися тільки з ділянкою А.

    Припинення

    • Закінчення перекладу відбувається, коли рибосома досягає одного або декількох кодонів STOP (UAA, UAG, UGA). (Нуклеотиди від цієї точки до полі (А) хвоста складають 3'-неперекладену область [3'-UTR] мРНК.)
    • Молекули тРНК з антикодонами для STOP кодонів відсутні.
    • Однак фактори вивільнення білка розпізнають ці кодони, коли вони прибувають на ділянку А.
    • Зв'язування цих білків — разом з молекулою ГТП — вивільняє поліпептид з рибосоми.
    • Рибосома розщеплюється на свої субодиниці, які згодом можуть бути зібрані для іншого раунду синтезу білка.

    Полісоми

    Одна молекула мРНК зазвичай має багато рибосом, що подорожують по ній, на різних стадіях синтезу білка. Цей комплекс називається полісомою.

    Кодон ухил

    Всі амінокислоти, крім двох (Met і Trp), можуть бути закодовані від 2 до 6 різних кодонів. Однак геном більшості організмів виявляє, що певні кодони віддають перевагу перед іншими. У людей, наприклад, аланін кодується GCC в чотири рази частіше, ніж GCG. Це, ймовірно, відображає більшу ефективність перекладу апаратом перекладу певних кодонів над їх синонімами.

    • На початку перекладу по черзі використовуються два або більше з набору синонімічних кодонів (наприклад, 6 кодонів, які містять лейцин у зростаючому білку). Необхідність знайти спочатку одну, а потім іншу тРНК для цієї амінокислоти уповільнює швидкість трансляції.
      • Це може допомогти утримувати рибосоми від натикання один на одного на полісомі.
      • Це також може забезпечити більше часу для зароджується білка, щоб почати правильно складатися, коли він виходить з рибосоми.
    • Після того, як переклад йде добре (після того, як було додано 30-50 амінокислот), один конкретний кодон, як правило, вибирається кожен раз, коли його амінокислота викликана. Імовірно, це зараз підвищує ефективність (швидкість) перекладу.
    • Більшість організмів мають більше 61 генів, необхідних для кодування тРНК для кожного з 61 кодонів (у нас є 270 генів тРНК). Наявність множинних генів для ТРНК з ідентичним антикодоном збільшує концентрацію тРНК, здатних зв'язувати певний кодон. Messenger РНК - особливо активних генів - схильні надавати перевагу кодонам, які відповідають рясним ТРНК, що несуть антикодон.

    Кодон зміщення навіть поширюється на пари кодонів: скрізь, де людський білок містить амінокислоти Ala-Glu, ген, що кодує ці амінокислоти, в сім разів частіше використовує кодони GCAGAG, а не синонім GCCGAA. Кодоновий ухил використовується біотехнологічною промисловістю для підвищення виходу бажаного продукту. Здатність маніпулювати зміщенням кодонів також може призвести до епохи безпечніших вакцин.

    Контроль якості

    Дефектні молекули мРНК можуть вироблятися мутаціями в гені, а також помилками, що вводяться під час транскрипції (хоча і з надзвичайно низькою швидкістю). Окрім вироблення мРНК з неправильними кодонами для амінокислот, ці помилки можуть виробляти молекули мРНК, які мають

    • Передчасне припинення кодонів (ПТК); тобто введення кодону STOP до нормального кінця повідомлення. Переклад цих мРНК виробляє усічений білок, який, ймовірно, неефективний і може бути шкідливим. Проблему іноді можна вирішити за допомогою Nonsense-опосередкованого розпаду мРНК (NMD).
    • немає STOP кодону. Вони виробляють «безперервні» стенограми. Проблему можна вирішити шляхом безперервного розпаду мРНК.

    Розпад мРНК (NMD), опосередкований без сенсу

    Передчасне припинення кодонів (ПТК) може генеруватися помилками «дурниці» мутацій, зрушень кадрів та обробки РНК (видалення інтронів). Вони також є неминучим наслідком створення рецепторів антигену на В-клітині і Т-клітинам.

    Механізми

    • Під час обробки РНК всередині ядра білкові комплекси додаються в кожній точці, де суміжні екзони зрощуються між собою. (Це важливі сигнали для експорту мРНК в цитоплазму.)
    • У цитоплазмі, коли рибосома рухається вниз по мРНК, ці комплекси видаляються (і відправляються назад в ядро для повторного використання).
    • Якщо рибосома стикається з передчасним припиненням кодону, остаточний екзон-екзон-мітки (и) не видаляються, і це позначає дефектну мРНК для руйнування (в тілах Р).

    Мутації, які вводять кодони передчасного припинення, є причиною деяких випадків таких успадкованих захворювань людини, як муковісцидоз і м'язова дистрофія Дюшенна (МДД).

    Препарат, позначений PTC124 або ataluren, змушує рибосому пропускати ПТК, одночасно забезпечуючи нормальне припинення перекладу. PTC124 показав перспективність у тваринних моделям муковісцидозу та МДД, а клінічні випробування II фази зараз проводяться на людях.

    Безперервний розпад мРНК

    Безперервні стенограми виникають, коли в повідомленні немає кодону STOP. В результаті рибосома не в змозі набрати фактори вивільнення, необхідні для виходу з мРНК. Безперервні стенограми формуються під час обробки РНК, наприклад, шляхом накладення хвоста полі (А) до досягнення кодону STOP.

    Механізми

    Еукаріоти та бактерії по-різному справляються з проблемою кодону STOP.

    • У еукаріотів, коли рибосома зупиняється на кінці полі (А) хвоста, білки набираються для звільнення рибосоми для повторного використання та погіршення несправного повідомлення.
    • У бактерій особлива молекула РНК, звана тмРНК, рятує день. Його називають тМРНК, оскільки він має властивості як a t передавати РНК, так і m-месенджер РНК. Передавальна частина додає аланін до ділянки А на рибосомі. Потім рибосома переходить до месенджерної частини, яка кодує 10 амінокислот, які націлені на молекулу для руйнування (і звільняє рибосому для повторного використання).

    Регламент перекладу

    Експресія більшості генів контролюється на рівні їх транскрипції. Фактори транскрипції (білки) зв'язуються з промоторами та підсилювачами, що включають (або вимикають) гени, які вони контролюють. Однак експресію генів також можна контролювати на рівні трансляції.

    За загальною РНК-деградацією машини

    P тіла

    Цитозол еукаріотів містить білкові комплекси, які конкурують з рибосомами за доступ до мРНК. Оскільки вони збільшують свою активність, вони секвестують мРНК у більших агрегатах, званих P тілами (для «обробних тіл», але цю обробку не слід плутати з обробкою попередньо мРНК до зрілої мРНК, що відбувається в ядрі).

    Ці білкові комплекси розщеплюють мРНК по

    • зняття його «ковпачка»
    • видалення його полі (A) хвіст
    • погіршення залишкового повідомлення (відгризання в напрямку 5' -> 3')

    Що контролює динамічний баланс між рибосомами та P тілами для доступу до МРНК, ще належить дізнатися. Але цей механізм передбачає

    • знищення «поганих» МРНК (наприклад, тих, у яких передчасні STOP кодони
    • оборот мРНК, таким чином, підвищуючи гнучкість експресії генів у клітині

    Екзосоми

    Це порожнисті високомолекулярні комплекси з двома отворами. Вони приймають розгорнуті молекули РНК і деградують їх у напрямку 3 '-> 5'. (Ні за структурою, ні функцією ці екзосоми не нагадують екзосоми, що беруть участь у презентації антигену, які, на жаль, мають однакову назву.)

    За мікроРНК (мікроРНК)

    Тут невеликі молекули РНК зв'язуються з додатковою частиною в 3'-UTR мРНК і перешкоджають її трансляції рибосомами та/або запускають її руйнування. Обидві ці заходи відбуваються в органах П.

    За допомогою рибоперемикачів

    Виходить, що регуляція рівня тих чи інших метаболітів контролюється рибопереключателями. Рибоперемикач - це частина молекули месенджерної РНК (мРНК) зі специфічним місцем зв'язування для метаболіту (або близького родича).

    Приклади:

    • Якщо тіамінпірофосфат (активна форма тіаміну [вітамін B 1]) є в живильному середовищі кишкової палички,
      • Він зв'язується з месенджерної РНК, білковий продукт якої є ферментом, необхідним для синтезу тіаміну з інгредієнтів в мінімальному середовищі.
      • Зв'язування індукує аллостеричний зсув структури мРНК, так що вона більше не може зв'язуватися з рибосомою і, таким чином, не може бути перетворена в фермент.
      • Кишкова паличка більше не витрачає ресурси на синтез вітаміну, який доступний попередньо сформованим.
      Рібоперемикач тіаміну пірофосфату також був виявлений у рослині, архей та нейроспорі. Той, що в Neurospora регулює гени, що беруть участь у метаболізмі вітаміну В 1, шляхом альтернативного сплайсингу їх стенограм. (Інші рибоперемикачі діють на транскрипцію, а не переклад
    • Якщо в клітині присутній вітамін В 12, він зв'язується з мРНК, яка кодує білок, необхідний для імпорту вітаміну з культурального середовища. Це теж викликає аллостеричний зсув в мРНК, що перешкоджає зв'язуванню рибосоми. Кишкова паличка більше не витрачає ресурси на синтез транспортера для вітаміну, якого у нього вже достатньо.
    • Деякі грампозитивні бактерії (кишкова паличка грамнегативна) контролюють рівень цукру, необхідного для синтезу їх клітинної стінки за допомогою рибоперемикача. У цьому випадку, коли концентрація цукру накопичується, він зв'язується з месенджерної РНК (мРНК), продуктом якої є фермент, який виробляє цукор. Це призводить до саморуйнування мРНК, тому виробництво ферменту - і, отже, цукру - припиняється.

    Було висловлено припущення, що ці регуляторні механізми, які не включають жодного білка, є реліктовим із «світу РНК».