Přehled

Robert Hooke objevil v roce 1665 pomocí mikroskopu drobné jednotky korkové tkáně, které mu připomínaly klášterní cely (místnosti) obývané mnichy. Proto tyto jednotky označil jako buňky. Ve skutečnosti však Hooke pomocí mikroskopu viděl mrtvé buněčné stěny tkáně. Teprve v roce 1674 Anton van Leeuwenhoek použil mikroskop k pozorování živé buňky.

Dnes se má všeobecně za to, že to, co Leeuwenhoek pozoroval pod mikroskopem, byla bakteriální buňka. Spolu s dalšími poznatky vedly tyto objevy k formulaci buněčné teorie Matthiase Schleidena v roce 1839, která tvrdí, že buňka je základní jednotkou života (teorie také tvrdí, že nové buňky vznikají z existujících buněk a že všechny živé organismy mají jednu nebo více buněk).

Dnes se buňky dělí do dvou hlavních kategorií, a to na prokaryotické buňky (Archaea a Bakterie) a eukaryotické buňky (rostliny, živočichové, protista atd.). Jak již názvy napovídají, tyto dva typy buněk jsou klasifikovány na základě způsobu uspořádání/organizace jejich genetického materiálu v buňce. Mají však také řadu dalších rozdílů, které umožňují oba typy buněk rozlišit.

* Slovo jádro je odvozeno z latinského slova nucleus, které znamená “jádro/jádro”.

* Zatímco “Eu” znamená pravý nebo dobrý, “Pro” znamená žádný – Zde tedy lze eukaryota popsat jako buňky, které mají jádro, zatímco prokaryota jsou buňky bez jádra. Stojí však za zmínku, že všechny mají genetický materiál.

Translace

V molekulární biologii a genetice se translace označuje jako proces, při kterém se dekóduje poselská ribonukleová kyselina (mRNA) za účelem syntézy polypeptidů nebo řetězců aminokyselin. MRNA zde nese genetické kódy (informace), které slouží jako předloha těchto molekul (slouží ke stavbě proteinů). V buňkách tento proces probíhá po transkripci a zahrnuje tři hlavní fáze.

• Iniciace
• Prodloužení
• Konec

Kromě rozdílů v uspořádání genetického materiálu mezi eukaryoty a prokaryoty lze mezi oběma typy buněk identifikovat rozdíly také v translaci.

Stručný popis transkripce u prokaryot a eukaryot

Vzhledem k tomu, že mRNA, která slouží jako předloha pro syntézu bílkovin, je sama produktem transkripce, je důležité získat obecnou představu o tomto procesu u prokaryot a eukaryot.

* Transkripci lze popsat jako proces, který spojuje DNA (nebo genetickou informaci obsaženou v DNA) s bílkovinou. Zde je informace obsažená v DNA nakonec použita k výrobě bílkovin.

V eukaryotických buňkách probíhá proces transkripce v jádře a výsledný přepis mRNA je transportován do cytoplazmy, kde se podílí na translaci. Naproti tomu u prokaryot probíhá transkripce v cytoplazmě, kde se nachází genetický materiál.

Zde je třeba poznamenat, že na rozdíl od eukaryotických buněk nemají prokaryota jádro, v němž je genetický materiál vázán membránou. V důsledku toho se genetický materiál buňky nachází v cytoplazmě.

U eukaryot i prokaryot (bakterií) se první fáze transkripce nazývá iniciační fáze a začíná, když se na promotor (sekvenci DNA) navážou přidružené proteiny a enzymy (RNA polymeráza).

Dobrým příkladem těchto sekvencí (na promotoru) je u eukaryot box TATA (jedná se o ideální místo vzhledem k tomu, že As a Ts jsou vázány několika (2) vodíkovými vazbami, a proto se vlákna snáze od sebe odtrhávají).

V eukaryotických buňkách se musí nejprve na místo promotoru navázat bílkoviny známé jako bazální transkripční faktory, aby pomohly polymeráze RNA se na toto místo připojit. To je rozdíl ve srovnání s prokaryoty, kde se polymeráza připojuje k promotoru přímo.

* Během iniciační fáze vede vazba polymerázy na promotorovou oblast k odvíjení DNA před zahájením druhé fáze.

* U eukaryot jsou transkripční faktory (TF) důležité v tom, že identifikují sekvenci DNA v promotorové oblasti a vážou se na ni. Jakmile se na toto místo navážou, vytvoří tzv. iniciační komplex, který přitahuje polymerázu, aby se navázala.

Další (druhá) fáze transkripce se nazývá elongace a lze ji zjednodušeně popsat jako prodlužování transkriptu. Zde polymeráza “čte” a “zapisuje” mRNA z (-) antisense vlákna templátu DNA, zatímco (+) sense vlákno ji chrání (negativní antisense vlákno templátu) před různými rušivými faktory.

Podle toho, že polymeráza kopíruje z templátového vlákna, je vznikající mRNA komplementární k tomuto vláknu. Toto nové vlákno však obsahuje spíše nukleotid uracil (U) než tymin (T) přítomný ve vlákně DNA.

* Během elongace se polymeráza “pohybuje” podél templátového vlákna ve směru od 3′ k 5′ a přidává do RNA nukleotid způsobem, který odpovídá nukleotidům vlákna DNA. Tím vzniká transkript (přepis RNA), který je téměř totožný s ne-šablonovým.

Poslední fáze transkripce je známá jako terminace, kdy přepis pokračuje, dokud není zastaven, což zase umožňuje uvolnění přepisu RNA. Zde může být polymeráza instruována k disociaci od templátu danými terminačními signály v závislosti na buňce.

U prokaryot signály založené na proteinech, jako je protein rho, řídí Rho-dependentní terminaci, která vede k disociaci polymerázy od templátu při uvolnění mRNA.

* Vzhledem k tomu, že u prokaryot probíhá transkripce v cytoplazmě, translace často začíná, zatímco transkripce pokračuje nebo bezprostředně po jejím ukončení. U eukaryot však jaderná membrána odděluje ribozom (zapojený do procesu translace) od procesu transkripce. Z tohoto důvodu musí být transkripce dokončena dříve, než jsou transkripty uvolněny do cytoplazmy, kde probíhá translace.

Charakteristika mRNA prokaryot a eukaryot

MRNA vzniklá v procesu transkripce se také nazývá transkript mRNA. Ačkoli mají řadu podobných vlastností, mají také několik rozdílů. Transkript prokaryotické mRNA lze rozdělit na několik částí/úseků, které zahrnují: nekódující oblast (nachází se na 5′ konci transkriptu), Shine-Dalgarnovu sekvenci, druhou nekódující oblast, start kodon, kódující oblast, stop kodon a další nekódující oblast na 3′ konci.

Eukaryotická mRNA naproti tomu začíná 5′ čepičkou a skládá se z guaninového nukleotidu. Na tento nukleotid je navázána methylová skupina a je vázán na sousední nukleotid. Guaninový nukleotid je připojen k nekódující oblasti, podobně jako v prokaryotické mRNA. Dalším úsekem je start kodon, od kterého se táhne kódující oblast.

Kódující oblast končí u stop kodonu. Následuje nekódující oblast a nakonec poly-A-ocas (tvořený adeniny a může se skládat až z 2200 nukleotidů) na 3′ konci. U eukaryot brání 5′ čepička a poly-A ocásek degradaci mRNA.

Zde je důležité si uvědomit, že u eukaryot musí být mRNA uvolněna do cytoplazmy, kde probíhá translace. Proto tyto dva úseky hrají důležitou roli při zachování integrity mRNA. U prokaryot mohou transkripce a translace probíhat současně, a proto tyto úseky nejsou nutné.

Na rozdíl od transkriptu eukaryot nemusí být tato mRNA transportována na velkou vzdálenost, a proto se nesetkává s různými enzymy, které by ji mohly degradovat. V důsledku toho mRNA u prokaryot nevyžaduje další ochranu, která by zabránila jejímu poškození.

Jak již bylo zmíněno, translace je proces, při kterém se z informací obsažených v mRNA vytvářejí stavební kameny bílkovin (polypeptidy/řetězce aminokyselin). Je to důležitý proces vzhledem k tomu, že při něm vznikají bílkoviny, které jsou potřebné pro různé funkce buňky.

Pro pochopení tohoto procesu je důležité znát některé složky a terminologii používanou při translaci.

Kromě mRNA (messenger RNA) mezi ně patří:

– Polypeptidy – Řetězce aminokyselin a jsou to molekuly, které tvoří bílkoviny.

– Nukleotidy – Strukturní složky DNA a RNA. Samy se skládají z nukleosidu a fosfátu a patří mezi ně adenin, thymin, cytosin a guanin (a také uracil).

– kodony – Skupina složená ze tří nukleotidů – Například AUG je dobrým příkladem kodonu – Zatímco kodony slouží jako stavební kameny aminokyselin, ostatní tento proces zastaví, jakmile je polypeptid dokončen.

– tRNA (transferová RNA) – Působí jako most mezi kodony mRNA a aminokyselinami.

– Ribozom – Ribozom se skládá z rRNA, a proteinu a jsou to struktury, ve kterých se vyrábějí polypeptidy.

Translace u prokaryot

Vzhledem k tomu, že genetický materiál (DNA) prokaryot není obsažen v jádře vázaném na membránu, probíhá transkripce v cytoplazmě. To pak umožňuje zahájit translaci v tomto prostředí, jakmile se mRNA vynoří z polymerázy (RNA polymerázy/RNAP).

V případech, kdy je dostatek místa (na mRNA) pro umístění ribozomu, může translace začít ještě před dokončením procesu transkripce.

V důsledku toho není scénář, kdy je vlákno DNA přepisováno více polymerázami s více ribozomy překládajícími tuto informaci (RNA), u prokaryot neobvyklý, zejména pokud jde o vysoce exprimované geny.

Stejně jako v případě transkripce existují tři fáze translace, které zahrnují iniciaci, elongaci a terminaci. Iniciační fáze je charakterizována tvorbou iniciačního komplexu a začíná navázáním malé podjednotky ribozomu (30S) na mRNA.

* Ribosom se skládá ze dvou podjednotek (podjednotek rRNA), přičemž jedna z podjednotek je menší než druhá. U prokaryot se menší podjednotka označuje 30S, zatímco větší 50S – jejich celkový počet je 70S (S znamená Svedbergovy jednotky.)

Iniciace

Aby mohla proběhnout iniciační fáze, musí se nejprve menší ribozomální podjednotka oddělit od větší (50S) ribozomální podjednotky. Jakmile je disociována, iniciační faktory (IF-1 a IF-2) se vážou na daná místa na podjednotkách 30S, kde plní různé funkce.

V místě A (ribozomální podjednotky) slouží IF-1 k tomu, aby v této fázi translace zabránil vstupu nové molekuly aminoacyl-tRNA. Kromě toho podporuje sestavení a stabilizaci komplexu.

Stejně tak iniciační faktor IF-3 podporuje vazbu podjednotky na mRNA. Třetí iniciační faktor (IF-2 GTP) zavádí iniciační aminoacyl-tRNA a váže P místo podjednotky. Přitom umožňuje připojení antikodonu tRNA ke start kodonu (AUG) mRNA.

Po hydrolýze GTP (a také po uvolnění ostatních iniciačních faktorů) se větší podjednotka ribosomu (50S) naváže na menší podjednotku (30S), čímž vznikne plně funkční ribosom. Po vytvoření plně funkčního ribosomu může místo A opět přijmout další molekulu aminoacyl-tRNA.

Na konci iniciační fáze se vytvořený iniciační komplex skládá z obou ribozomálních podjednotek (velké a menší podjednotky), mRNA a také tRNA, která nese také fMet (N-formyl-methionin).

* IF-1 a IF-3 také pomáhají oddělit menší ribozomální podjednotku (30S) od větší podjednotky (50S).

* Shine-Dalgarnova sekvence se nachází několik bází před start kodonem (v mRNA). Toto místo je důležité v tom, že signalizuje proces syntézy bílkovin tím, že správně zarovnává podjednotku ribozomu ke start kodonu.

* tRNA, která je jedním z iniciátorů, nese N-formylmethionin (fMet), který se vkládá do N-konce polypeptidových řetězců produkovaných např. prokaryoty E. R., jako je např.coli.

Elongace

Druhá fáze translace se nazývá elongace a je charakterizována prodlužováním polypeptidového řetězce. Zde má ribozom katalytickou funkci peptidotransferázy.

Celý proces lze rozdělit na tři hlavní kroky elongace, které zahrnují: vazbu aminoacyl-tRNA, tvorbu peptidové vazby a také translokaci. Během prvního kroku tohoto cyklu (vazba aminoacyl-tRNA) se aminoacyl-tRNA, která odpovídá druhému kodonu, váže na místo A (aminoacylové místo) prostřednictvím interakce kodon-antikodon.

Zde stojí za zmínku, že první aminokyselinou je methionin, který přišel s IF-2 spolu s iniciační tRNA během iniciační fáze. Vazba aminoacyl-tRNA je podporována GTP a elongačním faktorem (ET-Tu). Všechny tři se spojí a vytvoří komplex (aminoacyl-tRNA/EF-Tu/GTP komplex), který vede k hydrolýze GTP. Následně se uvolní elongační faktor (EF-Tu vázaný t GDP).

Uvolněná molekula EF-Tu pak může po regeneraci podpořit navázání další tRNA na ribozom. K tomu dochází, když se EF-Ts (rovněž elongační faktor) naváže a nahradí GDP na EF-Tu. EF-Ts je pak nahrazen GTP, což vede k vytvoření nově regenerovaného EF-Tu-GTP.

V druhém kroku, při tvorbě peptidové vazby, se karboxylový konec aminokyseliny na tRNA v peptidovém místě (P) oddělí a naváže se na aminoskupinu aminokyseliny, která je připojena k tRNA v místě A prostřednictvím peptidové vazby. Tento krok cyklu je katalyzován peptidyltransferázou.

Třetí krok cyklu (translokace) je charakterizován vazbou elongačního komplexu a GTP na ribozom. Hydrolýza GTP zde vede k produkci GDP a fosfátu, zatímco uvolnění elongačního faktoru (EF-G) jej uvolní k navázání GTP při přípravě dalšího elongačního cyklu.

Při přesunu deacylované tRNA z místa P do místa E a dipeptidylové tRNA z místa A do místa P zůstává místo prázdné, a tudíž volné pro přijetí další aminoacyltRNA. Aminokyselina je průběžně přidávána na terminální konec C polypeptidu, který roste na délku pro každý z kodonů, jak se peptidyl-tRNA přesouvá do míst P a A a zpět.

Terminace

* Během elongace se tRNA neustále pohybuje z místa P do místa A (dopředu), protože přináší další aminokyselinu, která má být přidána na předchozí řetězec (řetězec, který začal methioninem). Tento proces pokračuje, dokud do místa A nevstoupí stop kodon v mRNA, čímž se zastaví pokračování cyklu. Existují tři typy stop kodonů: UAA, UAG a UGA.

Poslední fáze translačního procesu se nazývá terminace a je to bod, ve kterém proces končí. Po vstupu do místa A zabrání stop kodon vazbě tRNA.

Jeden z uvolňovacích faktorů (RF-1 nebo RF-2 spolu s RF-3) se naváže na kodony a způsobí, že enzym (peptidyltransferáza) zodpovědný za peptidové vazby uvolní molekulu vody na poslední aminokyselinu v řetězci, což způsobí hydrolyzaci peptidu a tRNA připojené k místu P. V případě, že dojde k uvolnění peptidové vazby, dojde k uvolnění molekuly vody na poslední aminokyselinu v řetězci. V důsledku toho se nově vytvořený řetězec oddělí od tRNA a opustí ribozom.

* Zatímco RF-1 identifikuje UAA a UAG, RF-2 identifikuje UAA a UGA, zatímco RF-3 podporuje interakci některého z dalších dvou uvolňovacích faktorů s ribozomem.

* Uvolňovací faktory se vážou na stop kodon vzhledem k tomu, že žádná tRNA nemá u prokaryot antikodon pro stop kodon.

Mezi další děje, které probíhají během terminační fáze, patří např:

– mRNA je uvolněna

– tRNA je uvolněna z ribozomu, když se na místo A naváže faktor uvolňující ribozom

– ribozom se disociuje na velkou a malou podjednotku, když EF-G naváže na RRF (ribosome releasing factor)

Translace u eukaryot

Jako je tomu u prokaryot, translace je proces, při kterém se sekvence mRNA překládá na polypeptidy během syntézy bílkovin.

Jak již bylo zmíněno, procesy transkripce a translace probíhají u prokaryot v cytoplazmě (a mohou dokonce probíhat současně). U eukaryot však jaderná membrána odděluje ribozom umístěný v cytoplazmě od procesu transkripce, který probíhá v jádře. Z tohoto důvodu začíná translace až po ukončení transkripce a transportu mRNA do cytoplazmy.

* Aby se mRNA dostala do cytoplazmy, prochází jadernými póry na jaderné membráně.

* U eukaryot probíhá translace také v ribosomu umístěném v endoplazmatickém retikulu (ER).

U eukaryotických organismů probíhá translace také ve třech fázích, které zahrnují iniciaci, elongaci a terminaci. I když je tento proces podobný procesu u prokaryot, existuje několik rozdílů, zejména pokud jde o zúčastněné složky.

Iniciace

V průběhu iniciační fáze tvoří menší ribozomální podjednotka komplex se třemi iniciačními faktory. Zde je však menší ribozomální podjednotka 40S ve srovnání s mnohem menší 30S u prokaryot. Vazbou těchto iniciačních faktorů (IF-1, IF-A a IF-3) na ribozomální podjednotku vzniká preiniciační komplex, který se následně spojí s IF-5 (iniciační faktor 5) a tRNA.

Nakonec se tento komplex spojí s mRNA a vytvoří iniciační komplex. Stejně jako u prokaryot se malá ribozomální podjednotka pohybuje podél nepřekládané oblasti mRNA, když vyhledává startovací kodon (ve většině případů slouží u eukaryot jako startovací kodon první AUG).

* U eukaryot je sekvence mRNA nacházející se u startovacího kodonu známá jako Kozakova sekvence (ACCAUGG). Ačkoli tato sekvence plní podobnou funkci jako sekvence Shine-Dalgarno, obě se liší tím, že Kozakova sekvence skutečně obsahuje startovací sekvenci.

Po rozpoznání start kodonu se do komplexu rekrutuje větší podjednotka ribozomu (60S), což vede k vytvoření plně funkčního ribozomu (jedná se o proces závislý na energii, který zahrnuje hydrolýzu GTP a nakonec vytváří ribozom 80S). Po vytvoření plně funkčního ribozomu se uvolní iniciační faktory.

* Na konci iniciačního faktoru se iniciační tRNAmet nachází v místě P, zatímco místo A zůstává volné.

Elongace

Jedná se o druhou fázi translace a zahrnuje syntézu polypeptidu. Zatímco proces elongace u eukaryot je podobný procesu u eukaryot, EF-Tu je nahrazen EF-1α. Proteiny elongačního faktoru (EF) zde mají tři hlavní funkce.

První funkcí těchto proteinů (proteinů elongačních faktorů) je rekrutace nabitých tRNA do místa A. V tomto případě se jedná o proteiny, které se nacházejí v místě A. Kromě toho hrají důležitou roli při vytváření peptidové vazby mezi aminokyselinami a také při translokaci ribozomu podél mRNA.

Postup procesu zahrnuje translokační událost. Při každé z těchto událostí nabité tRNA vstupují do místa A, než se přesunou na místo P. Na konci každé události vstoupí tRNA do místa E, aby mohla být odstraněna.

Při pohybu ribozomu podél mRNA podporují elongační faktory peptidové vazby mezi aminokyselinami nacházejícími se na tRNA (v místě A) a karboxylovou skupinou aminoskupiny, která se nachází na tRNA místa P.

Katalyzátorem reakce je peptidyltransferáza (ribozym umístěný ve větší ribozomální podjednotce 50S). Aminokyselina spojená s tRNA na místě P se pak připojí k rostoucímu polypeptidovému řetězci, což umožňuje další růst délky řetězce. Tento proces umožňuje ribozomu pokračovat v pohybu podél mRNA, protože polypeptidový řetězec stále roste, než se zastaví ve fázi terminace.

Terminace

Jedná se o poslední fázi procesu translace. Nastává, když ribozom dorazí k nesmyslnému kodonu mRNA, kde tRNA nemá komplementární antikodon. Jakmile je nesmyslný kodon identifikován uvolňovacími faktory, aminokyselina v místě P se oddělí od tRNA, čímž se uvolní polypeptid.

Na druhé straně se ribozom oddělí nejen od mRNA, ale také na dvě podjednotky (malou a velkou ribozomální podjednotku), což jim umožní vstoupit do iniciační fáze v dalším procesu translace.

Zpět z Translace u eukaryot a prokaryot na úvodní stránku MicroscopeMaster

Birge E.A. (2000) Transcription and Překlad: Procesy a základní regulace. In: Transakce a transkripce: Bacterial and Bacteriophage Genetics.

Eric Wong. (2009). Cells: Molecules and Mechanisms: Translace :od RNA k proteinu.

Pelin Pelit Arayici, Tayfun Acar a Mesut Karahan. (2014). Transkripce a translace.

Julie A Theriot. (2013). Why are bacteria different from eukaryotes?”

Suzanne Clancy & William Brown. (2008). Translation: DNA k mRNA a k proteinu.

Odkazy

.