Translace (druhý krok genové exprese) Od RNA k proteinu Milada Roštejnská Helena Klímová 1
Obsah Genetický kód tRNA Aminoacyl-tRNA-synthetasa Translace probíhá na ribosomech Iniciace translace Elongace translace (prodlužování řetězce) Terminace translace Použitá literatura
Genetický kód Jakmile vznikne funkční mRNA, informace v ní obsažená může být ihned použita pro syntézu proteinu. Pravidla, kterými se řídí prostřednictvím mRNA přenos z nukleotidové sekvence DNA do aminokyselinové sekvence, jsou definovaná jako GENETICKÝ KÓD.
Sekvence nukleotidů mRNA je čtena po trojicích. G G C C A G U U A U G C G U mRNA A C A A
kodon Obsah
Každá skupina tří nukletidů se nazývá kodon.
Genetický kód Dohromady Lze vytvořit 64 (43) kombinací trojic nukleotidů. Některé aminokyselině přísluší i několik tripletů, ale naopak jednomu tripletu přísluší nanejvýš jedna aminokyselina. V genetickém kódu platí konvence, že 5'-konec nukleotidové sekvence mRNA je zapisován vlevo! G G C C A G U U A U G C G U mRNA A C A A
5'
3'
Genetický kód je téměř univerzální pro všechny organismy. Obsah
Genetický kód V principu může být mRNA překládána ve všech třech čtecích rámcích podle toho, u kterého nukleotidu translace začne. Val
Thr
5'
5'
5'
Ala
Lys
Val
Stop kodon
G G C C A G U U A U G C G U mRNA A C A A Gln
Arg
Leu
Pro
3'
Ser
G G C C A G U U A U G C G U mRNA A C A A Ser Gly Cys
Gln
Leu
G G C C A G U U A U G C G U mRNA A C A A
3'
3'
Avšak jen v jednom čtecím rámci vzniká požadovaný protein. Obsah
Druhý nukleotid U
U
C
První nukleotid
C
A
G
UUU fenyalanin
UCU serin
UAU tyrosin
UGU cystein
U
UUC fenyalanin
UCC serin
UAC tyrosin
UGC cystein
C
UUA leucin
UCA serin
UAA stop kodon
UGA stop kodon
A
UUG leucin
UCG serin
UAG stop kodon
UGG tryptofan
G
CUU leucin
CCU prolin
CAU histidin
CGU arginin
U
CUC leucin
CCC prolin
CAC histidin
CGC arginin
C
CUA leucin
CCA prolin
CAA glutamin
CGA arginin
A
CUG leucin
CCG prolin
CAG glutamin
CGG arginin
G
AUU isoleucin
ACU threonin
AAU asparagin
AGU serin
U
AUC isoleucin
ACC threonin
AAC asparagin
AGC serin
C
AUA isoleucin
ACA threonin
AAA lysin
AGA arginin
A
AUG methionin
ACG threonin
AAG lysin
AGG arginin
G
GUU valin
GCU alanin
GAU kyselina asparagová
GGU glycin
U
GUC valin
GCC alanin
GAC kyselina asparagová
GGC glycin
C
GUA valin
GCA alanin
GAA kyselina glutamová
GGA glycin
A
GUG valin
GCG alanin
GAG kyselina glutamová
GGG glycin
G
A
G
Obsah
Tab. 1 Genetický kód
Třetí nukleotid
tRNA Kodony v mRNA nerozpoznávají přímo aminokyseliny, které specifikují. Translace mRNA do proteinu závisí na tRNA (transferová RNA), která je schopna jednou částí molekuly rozpoznat a spárovat se s kodonem v mRNA a jinou částí vázat aminokyselinu.
Touto částí váže příslušné aminokyseliny
Touto částí se páruje s kodonem v mRNA
Obsah
Obr. 1. Struktura tRNA
Struktura tRNA Jedna s částí tRNA se nazývá antikodon, což jsou tři nukleotidy komplementární ke kodonu v mRNA. Další důležitou oblastí je 3'-konec (vždy končí sekvencí CCA), na který je navázána příslušná aminokyselina.
3'-konec tRNA
Obsah
Obr. 1. Struktura tRNA
Struktura tRNA Molekuly tRNA jsou všechny přibližně 80 nukleotidů dlouhé. Jejich struktura připomíná jetelový lístek, který podléhá ještě dalšímu sbalení a vytváří konečnou strukturu ve tvaru písmene L.
Skutečný L-tvar tRNA
Obsah
Struktura jetelového listu
Obr. 2. L-tvar tRNA
Aminoacyl-tRNA-synthetasa Rozpoznání a připojení správné aminokyseliny je funkcí enzymů nazývaných aminoacyl-tRNA-synthetasy. Aminokyselina (Tryptofan) O OH
tRNA
H2N
N H
A C
C
Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Obsah
Obr. 3. Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Aminoacyl-tRNA-synthetasa Reakce katalyzovaná aminoacyl-tRNA-synthetasou vyžaduje dodání energie hydrolýzou ATP. Aminokyselina (Tryptofan) O
O
OH
O
tRNA
H2N
H2N
N
ATP
H
A C
AMP + 2Pi
N H
Vazba aminkokyseliny k tRNA
C
A C
C
Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Obsah
Obr. 3. Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Aminoacyl-tRNA-synthetasa Při této reakci vzniká vysokoenergetická (makroergická) vazba mezi tRNA a aminokyselinou. Tato energie je později využita pro tvorbu kovalentní vazby mezi rostoucím polypeptidovým řetězcem a nově navázanou aminokyselinou. Aminokyselina (Tryptofan) O
O
OH H2N
N
ATP
H
A C
Makroergická vazba HN
O
tRNA
H2N
O
AMP + 2Pi
2
N H
Vazba aminkokyseliny k tRNA
C
N H
A C
C
Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Obsah
O
Obr. 3. Aminoacyl-tRNA-synthetasa
Vazba kodonu k antikodonu 5'
A C
C Párování
U G G
mRNA
bází 3'
Translace probíhá na ribosomech Ribosom obsahuje čtyři vazebná místa pro molekuly RNA: jedno pro mRNA a tři pro tRNA (E-místo, A-místo, P-místo). Každý ribosom je tvořen z velké a malé podjednotky. E-místo
P-místo
A-místo Velká ribosomální jednotka
E
P
A Malá ribosomální jednotka
Vazebné místo pro mRNA Obr. 4. Model Ribosomu
Malá podjednotka zodpovídá za nasednutí tRNA na kodon mRNA. Velká podjednotka katalyzuje vznik peptidové vazby mezi aminokyselinou a polypeptidovým řetězcem. Obsah
Translace probíhá na ribosomech Obě podjednotky se spojují na molekule mRNA obvykle blízko jejího 5'-konce a zahajují syntézu proteinu. E-místo
P-místo
A-místo Velká ribosomální jednotka
E
P
A Malá ribosomální jednotka
Vazebné místo pro mRNA Obr. 4. Model Ribosomu
Ribosom se pohybuje podél mRNA, překládá nukleotidovou sekvenci do aminokyselinové za použití tRNA a po dosyntetizování proteinu se obě jednotky opět oddělí. Obsah
Iniciace translace Met
Translace začíná na iniciačním kodonu AUG a pro iniciaci je třeba iniciační tRNA, která má na sobě vázaný methionin (u bakterií formyl-methionin). iniciační tRNA, která má na sobě vázaný methionin
Malá ribosomální podjednotka
5'
U eukaryot je iniciační tRNA s navázaným methioninem připojená k malé ribosomální jednotce za asistence několika tzv. iniciačních faktorů.
AUG
3'
Obsah
Obr. 5A. Iniciace translace
mRNA
Iniciace translace Po navázání iniciační tRNA se malá podjednotka váže na 5'-konec mRNA a začne se pohybovat podél mRNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. Met
5'
AUG
3'
Obsah
Obr. 5B. Iniciace translace
mRNA
Iniciace translace Po navázání iniciační tRNA se malá podjednotka váže na 5'-konec mRNA a začne se pohybovat podél mRNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA.
Met
5'
AUG
3'
Obsah
Obr. 5B. Iniciace translace
mRNA
Iniciace translace E
P
A
Velká ribosomální podjednotka
Po rozpoznání iniciačního kodonu se od malé ribosomální podjednotky odpoutá několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky.
Met
5'
AUG
3'
Obsah
Obr. 5C. Iniciace translace
mRNA
Iniciace translace aa1
Met
E
5'
P
A
Iniciační tRNA se váže rovnou do P-místa, proto prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé tRNA s aminokyselinou do A-místa.
AUG
3'
Obsah
Obr. 5D. Iniciace translace
mRNA
Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2).
Vznik peptidové vazby Met
E
5'
P
aa2
A
AUG
Obsah
mRNA Obr. 5E. Iniciace translace
3'
Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2). Ribosom se posune o 3 nukleotidy podél mRNA. tRNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a tRNA z A-místa se přenese do P-místa.
Volná tRNA se uvolní Met
Met aa2
E
5'
P
A
aa2
Posun o tři nukleotidy podél mRNA
AUG
Obsah
E AUG
Obr. 5F. Iniciace translace
P
A
mRNA
3'
Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA navázána do A-místa.
aa4
NH2
aa1
aa2
E
aa3
P
A
5'
mRNA
Obsah
Obr. 6A. Elongace translace
3'
Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA navázána do A-místa. • Ve druhém kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi prodlužujícím se řetězcem a přicházející aminokyselinou.
Vznik peptidové vazby NH2
aa1
aa2
E
aa3
P
aa4
A
5'
mRNA
Obsah
Obr. 6B. Elongace translace
3'
Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA navázána do A-místa. • Ve druhém kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi prodlužujícím se řetězcem a přicházející aminokyselinou. • Ve třetím kroku se ribosom posune o 3 nukleotidy podél mRNA. tRNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a tRNA z Amísta se přenese do P-místa.
NH2
aa1
aa2
NH2
aa3
Posun o tři nukleotidy podél mRNA
aa4
E 5'
P
A mRNA
Obsah
3'
aa1
aa2
aa3 aa4
Volná tRNA se uvolní
E 5'
Obr. 6C. Elongace translace
aa5
P
A mRNA 3'
Elongace translace (prodlužování řetězce) Vazba tRNA s připojenou aminokyselinou do volného A-místa (1. krok elongace). Vznik peptidové vazby (2. krok elongace). Posun chromosomu a uvolnění volné tRNA (3. krok elongace).
Vazba aminoacyl-tRNA NH2
aa1
aa2
Vznik peptidové vazby
aa5 NH2
aa3
aa1
aa2
E
P A
P A
5' mRNA
Obsah
aa1
aa2
aa4 aa5
aa4
E
NH2
aa3
Obr. 6D. Elongace translace
aa3 aa4 aa5
Volná tRNA se uvolní Posun o tři nukleotidy podél mRNA
E
P A 3'
Elongace translace (prodlužování řetězce) mRNA je překládána ve směru 5' → 3' a nejprve vzniká N-konec proteinu.
Rostoucí peptidový řetězec
NH2 aa 1
aa2 aa3
E PA 5'
NH2 aa 1
mRNA 3'
aa2 aa3 aa4
E PA 5'
Celý cyklus všech tří kroků je opakován při každém předávání nové aminokyseliny do polypeptidového řetězce, dokud ribosom nenarazí na stop-kodon.
aa4
mRNA
NH2 aa aa aa 1 2 3 aa4
3'
Posun o tři nukleotidy
E PA 5'
mRNA
3'
aa5
Polypeptidový řetězec roste směrem od Nkonce k C-konci.
NH2 aa aa aa 1 2 3 aa4
E PA 5'
mRNA 3'
NH2 aa aa aa 1 2 3 tRNA
Obsah
Obr. 7. Elongace translace (Schéma)
aa4 aa5
E PA 5'
mRNA 3'
Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo tRNA se na stop kodon v A-místě vážou tzv. terminační faktory, které mění aktivitu peptidyltransferasy tak, že místo aminokyseliny použije molekulu vody pro uvolnění karboxylového konce hotového polypeptidového řetězce z tRNA v P-místě. Uvolňovací faktor NH2 aa1
aa2
aa3
aa4
E 5'
aa5
P
A UAA
Obsah
mRNA Obr. 8A. Terminace translace
3'
Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo tRNA se na stop kodon v A-místě vážou tzv. terminační faktory, které mění aktivitu peptidyltransferasy tak, že místo aminokyseliny použije molekulu vody pro uvolnění karboxylového konce hotového polypeptidového řetězce z tRNA v P-místě. NH2 H 2O NH2 aa1
aa2
aa3
aa4
aa5
E
P
Obsah
aa2
A UAA
5'
aa1
mRNA 3'
5'
Obr. 8B. Terminace translace
aa3
Protein se uvolňuje do cytoplasmy. aa4
aa5
E
P
COOH
A UAA
mRNA 3'
Terminace translace Po skončení proteosyntézy je mRNA odpojena od ribosomu a dojde k disociaci obou podjednotek ribosomu, které se mohou navázat na jinou molekulu mRNA a začít novou transkripci.
A P E
5'
UAA
Obsah
mRNA
Obr. 8C. Terminace translace
3'
Rostoucí peptidový řetězec
Met Malá ribosomální podjednotka s navázanými iniciačními faktory
5'
AUG Vazba na mRNA
Obr. 9. Iniciace, elongace, a terminace translace
NH2 aa 1
aa4
NH2 aa1
aa2 aa3
aa4 aa5
E PA
mRNA
3'
5'
E PA mRNA 3'
UAA
5'
3'
NH2
NH2 aa 1
Met
aa1
aa2 aa3 aa4
aa3
aa2
5'
AUG
mRNA
3'
Met
5'
5'
E PA
aa4
Velká ribosomální podjednotka
3'
AUG
mRNA
NH2 aa aa aa 1 2 3
3'
NH2
Posun o tři nukleotidy
H2O aa1
3'
aa2
E PA
AminoacyltRNA
3'
AUG
UAA
NH2
aa1
aa2
E PA
aa3
aa4 aa5
3'
COOH
5'
E PA mRNA 3'
UAA
5'
Vznik peptidové vazby
NH2 aa aa aa 1 2 3 aa
tRNA
E PA AUG
aa4 aa5
aa4
Met
5'
aa3
5'
aa5
NH2 aa aa aa 1 2 3
Met
3'
E PA mRNA
aa
5'
UAA
5'
E PA 5'
Uvolňovací faktor
aa4 aa5
E PA
E PA
Obsah
aa3
aa2
E
aa4 aa5
E PA 3'
5'
mRNA 3'
5'
P
3'
A
UAA
3'
Použitá literatura [1] ALBERTS, B. a kol. Základy buněčné biologie. Ústí nad Labem: Espero Publishing, 1997. [2] NEČAS, O. a kol. Obecná biologie pro lékařské fakulty. Jinočany: Nakladateství H&H, 2000. [3] KUBIŠTA, V. Buněčné základy životních dějů. Praha: Scientia, 1998.
Obsah
31
