Áttekintés

1665-ben Robert Hooke mikroszkóp segítségével parafaszövet apró egységeit fedezte fel, amelyek a szerzetesek által lakott kolostorcellákra (szobákra) emlékeztették. Ezért ezeket az egységeket celláknak nevezte. Amit azonban Hooke a mikroszkóp segítségével valójában látott, azok a szövetek elhalt sejtfalai voltak. Csak 1674-ben történt meg, hogy Anton van Leeuwenhoek mikroszkóp segítségével élő sejtet figyelt meg.

Ma már széles körben elfogadott nézet, hogy amit Leeuwenhoek mikroszkóp alatt megfigyelt, az egy baktériumsejt volt. Más felfedezésekkel együtt ezek a felfedezések vezettek ahhoz, hogy Matthias Schleiden 1839-ben megfogalmazta a sejtelméletet, amely szerint a sejt az élet alapegysége (az elmélet szerint az új sejtek a meglévő sejtekből származnak, és minden élőlénynek van egy vagy több sejtje).

A sejteket manapság két fő kategóriára osztják, nevezetesen a prokarióta sejtekre (archaea és baktérium) és az eukarióta sejtekre (növények, állatok, protisták stb.). Ahogy a nevek is sugallják, a kétféle sejttípust az alapján osztályozzák, ahogyan a genetikai anyaguk a sejten belül elrendeződik/szerveződik. Azonban számos egyéb különbség is van közöttük, amelyek lehetővé teszik a két sejttípus megkülönböztetését.

* A mag szó a latin nucleus szóból származik, amely “magot/magot” jelent.

* Míg az “Eu” igazat vagy jót jelent, a “Pro” azt jelenti, hogy nincs – Itt tehát az eukarióták olyan sejtekként írhatók le, amelyeknek van sejtmagjuk, míg a prokarióták sejtmag nélküli sejtek. Érdemes azonban megjegyezni, hogy mindannyian rendelkeznek genetikai anyaggal.

Fordítás

A molekuláris biológiában és a genetikában a fordítás azt a folyamatot jelenti, amelynek során egy hírvivő ribonukleinsav (mRNS) dekódolásával polipeptideket vagy aminosavláncokat szintetizálnak. Itt az mRNS hordozza a genetikai kódokat (információkat), amelyek e molekulák (fehérjék felépítéséhez használt) tervrajzául szolgálnak. A sejtekben ez a folyamat az átírás után következik be, és három fő szakaszból áll.

Ezek közé tartoznak:

• Iniciáció
• Hosszabbítás
• Termináció

Az eukarióták és a prokarióták genetikai anyagának szerveződése közötti különbségeken túl a két sejttípus között a fordításban is különbségek mutathatók ki.

A transzkripció rövid leírása a prokariótákban és az eukariótákban

Mivel a fehérjék szintéziséhez sablonként szolgáló mRNS maga is a transzkripció terméke, fontos, hogy általános képet kapjunk erről a folyamatról a prokariótákban és az eukariótákban.

* Az átírás úgy írható le, mint az a folyamat, amely a DNS-t (vagy a DNS-ben található genetikai információt) fehérjévé kapcsolja. Itt a DNS-ben található információt végül fehérjék előállítására használják fel.

Az eukarióta sejtekben az átírási folyamat a sejtmagban zajlik, és a keletkező mRNS-átirat a citoplazmába kerül, ahol részt vesz a transzlációban. A prokariótákban ezzel szemben a transzkripció a citoplazmában zajlik, ahol a genetikai anyag található.

Itt érdemes megjegyezni, hogy az eukarióta sejtekkel ellentétben a prokariótáknak nincs sejtmagjuk, ahol a genetikai anyagot membrán köti meg. Ennek következtében a sejt genetikai anyaga a citoplazmában található.

Mind az eukariótákban, mind a prokariótákban (baktériumokban) az átírás első szakaszát iniciációs szakasznak nevezik, és akkor kezdődik, amikor a kapcsolódó fehérjék és enzimek (RNS-polimeráz) a promóterhez (egy DNS-szekvenciához) kötődnek.

Egy jó példa ezekre a szekvenciákra (a promóteren) a TATA-doboz az eukariótákban (ez egy ideális hely, tekintve, hogy az As és a Ts néhány (2) hidrogénkötéssel kapcsolódik, és így könnyebb széthúzni a szálakat).

Az eukarióta sejtekben a bazális transzkripciós faktoroknak nevezett fehérjéknek először a promóter helyéhez kell kötődniük, hogy segítsenek az RNS-polimeráznak a helyhez kapcsolódni. Ez eltér a prokariótákhoz képest, ahol a polimeráz közvetlenül a promóterhez kapcsolódik.

* Az iniciációs szakaszban a polimeráznak a promóter régióhoz való kötődése a DNS kitekeredését eredményezi, mielőtt a második szakasz megkezdődne.

* Az eukariótákban a transzkripciós faktorok (TF-ek) abban a tekintetben fontosak, hogy azonosítják a promóter régióban lévő DNS-szekvenciát, és ahhoz kötődnek. Miután a helyhez kötődnek, úgynevezett iniciációs komplexet alkotnak, amely a polimerázt kötődésre vonzza.

A transzkripció következő (második) szakaszát elongációnak nevezzük, és egyszerűen a transzkriptum megnyúlásaként írhatjuk le. Itt a polimeráz a DNS (-) antisense sablonszáláról “olvassa” és “írja” az mRNS-t, miközben a (+) sense szál védi azt (a negatív antisense sablonszálat) a különböző zavaró tényezőktől.

Mivel a polimeráz a sablonszálról másol, a képződő mRNS komplementer ehhez a szálhoz. Ez az új szál azonban egy Uracil (U) nukleotidot tartalmaz a DNS-szálban lévő Thymin (T) helyett.

* Az elongáció során a polimeráz a sablonszál mentén 3′ és 5′ irányban “mozog”, és a DNS-száléval megegyező módon nukleotidot ad hozzá az RNS-hez. Ezáltal egy olyan átirat (RNS-transzkriptum) keletkezik, amely szinte teljesen megegyezik a nem sablonszállal.

A transzkripció utolsó fázisa az úgynevezett termináció, ahol az átírás addig folytatódik, amíg le nem áll, ami viszont lehetővé teszi az RNS-transzkriptum felszabadulását. Itt a polimerázt adott terminációs jelek utasíthatják arra, hogy disszociáljon a templátról a sejttől függően.

A prokariótákban fehérje alapú jelek, mint például a rho fehérje, irányítják a Rho-függő terminációt, amelynek eredményeképpen a polimeráz disszociál a templátról, miközben az mRNS felszabadul.

* Tekintettel arra, hogy a prokariótákban a transzkripció a citoplazmában történik, a transzláció gyakran a transzkripció folytatása közben vagy közvetlenül annak befejezése után kezdődik. Az eukariótákban azonban egy magmembrán választja el a riboszómát (amely részt vesz a transzlációs folyamatban) a transzkripciós folyamattól. Emiatt a transzkripciónak be kell fejeződnie, mielőtt a transzkriptumok a citoplazmába kerülnek, ahol a transzláció zajlik.

A prokarióták és az eukarióták mRNS-ének jellemzői

A transzkripciós folyamat során keletkező mRNS-t mRNS-átiratnak is nevezik. Bár számos hasonló tulajdonságuk van, számos különbséggel is rendelkeznek. A prokarióta mRNS-átirat számos részre/szakaszra osztható, amelyek a következők: a nem kódoló régió (a transzkript 5′ végén található), a Shine-Dalgarno szekvencia, egy második nem kódoló régió, a startkódon, a kódoló régió, a stopkódon és egy másik nem kódoló régió a 3′ végén.

Az eukarióta mRNS ezzel szemben 5′ sapkával kezdődik, és egy guanin nukleotidból áll. Ehhez a nukleotidhoz egy metilcsoport kapcsolódik, és a szomszédos nukleotidhoz kötődik. A guanin nukleotid a prokarióta mRNS-hez hasonlóan a nem kódoló régióhoz kapcsolódik. A következő szakasz a startkódon, amelytől a kódoló régió kinyúlik.

A kódoló régió a stopkódonnál ér véget. Ezt követi a nem kódoló régió, végül a 3′ végén a poli-A-farok (adeninekből áll, és akár 2200 nukleotidból is állhat). Az eukariótákban az 5′ sapka és a poli-A farok megakadályozza az mRNS lebomlását.

Itt fontos megjegyezni, hogy az eukariótákban az mRNS-nek ki kell jutnia a citoplazmába, ahol a transzláció zajlik. Ezért a két szakasz fontos szerepet játszik az mRNS integritásának fenntartásában. A prokariótákban a transzkripció és a transzláció egyszerre is megtörténhet, így ezekre a szakaszokra nincs szükség.

Az eukarióta transzkriptummal ellentétben ennek az mRNS-nek nem kell nagy távolságot megtennie, és így nem találkozik különböző enzimekkel, amelyek valószínűleg lebontanák. Ennek következtében a prokarióták mRNS-ének nincs szüksége további védelemre a károsodás megelőzése érdekében.

Amint említettük, a transzláció az a folyamat, amelynek során a fehérjék építőkövei (polipeptidek/aminosavláncok) az mRNS-ben található információk felhasználásával épülnek fel. Ez egy fontos folyamat, tekintettel arra, hogy olyan fehérjéket állít elő, amelyek különböző sejtfunkciókhoz szükségesek.

A folyamat megértéséhez fontos ismerni néhány, a transzláció során használt összetevőt és fogalmat.

Az mRNS (messenger RNS) mellett ezek a következők:

– Polipeptidek – Aminosavak láncai és a fehérjéket alkotó molekulák.

– Nukleotidok – A DNS és az RNS szerkezeti elemei. Maguk is nukleozidból és foszfátból állnak, és ide tartozik az adenin, a timin, a citozin és a guanin (valamint az uracil).

– kodonok – Három nukleotidból álló csoport – Az AUG például jó példa a kodonokra – Míg a kodonok az aminosavak építőköveiként szolgálnak, addig mások a polipeptid elkészülte után leállítják a folyamatot.

– tRNS (transzfer RNS) – Az mRNS kodonjai és az aminosavak közötti hídként szolgálnak.

– Riboszóma – A riboszóma rRNS-ből, és fehérjéből áll, és azok a struktúrák, amelyekben a polipeptidek készülnek.

Fordítás a prokariótákban

Mivel a prokarióták genetikai anyaga (DNS) nem membránhoz kötött sejtmagban található, az átírás a citoplazmában történik. Ez pedig lehetővé teszi, hogy a transzláció ebben a környezetben kezdődjön, amint az mRNS kilép a polimerázból (RNS-polimeráz/RNAP).

Ahol van elég hely (az mRNS-en) a riboszóma számára, ott a transzláció már az átírási folyamat befejezése előtt megkezdődhet.

Az a forgatókönyv, amelyben egy DNS-szálat több polimeráz ír át, és több riboszóma fordítja le ezt az információt (az RNS-t), nem szokatlan a prokariótákban, különösen, ha magasan kifejezett génekről van szó.

A transzkripcióhoz hasonlóan a transzlációnak is három fázisa van, amelyek közé tartozik az iniciáció, az elongáció és a termináció. Az iniciációs fázist az iniciációs komplex kialakulása jellemzi, és a riboszóma kis alegységének (30S) az mRNS-hez való kötődésével kezdődik.

* A riboszóma két alegységből (rRNS-alegységek) áll, az egyik alegység kisebb, mint a másik. Prokariótákban a kisebb alegységet 30S-nek, míg a nagyobbat 50S-nek nevezik – ezek összessége 70S (az S a Svedberg-egységek rövidítése.)

Iniciáció

Az iniciációs fázishoz először a kisebb riboszómális alegységet el kell választani a nagyobb (50S) riboszómális alegységtől. Miután disszociálódott, az iniciációs faktorok (IF-1 és IF-2) a 30S alegység adott helyein kötődnek, ahol különböző funkciókat látnak el.

A riboszóma alegység A helyén (a riboszóma alegység A helyén) az IF-1 arra szolgál, hogy megakadályozza egy új aminoacil-tRNS molekula bejutását a transzláció ezen szakaszában. Ezenkívül elősegíti a komplex összeszerelését és stabilizálását.

Az IF-3 iniciációs faktor szintén elősegíti az alegység mRNS-hez való kötődését. A harmadik iniciációs faktor (IF-2 GTP) bevezeti az iniciátor aminoacil-tRNS-t és megköti az alegység P-helyét. Ezáltal lehetővé teszi, hogy a tRNS antikodonja az mRNS startkódonjához (AUG) kapcsolódjon.

A GTP hidrolízisét (valamint a többi iniciációs faktor felszabadulását) követően a nagyobb riboszóma alegység (50S) kötődik a kisebb alegységhez (30S), ami egy teljesen funkcionális riboszómát hoz létre. A teljesen működőképes riboszóma kialakulását követően az A hely ismét képes egy újabb aminoacil-tRNS molekulát befogadni.

A beindulási fázis végére a kialakult beindulási komplex mindkét riboszómális alegységből (a nagy és a kisebb alegységből), az mRNS-ből, valamint az fMet-et (N-formil-metionin) is hordozó tRNS-ből áll.

* Az IF-1 és IF-3 is segíti a kisebb riboszóma alegység (30S) disszociációját a nagyobb alegységtől (50S).

* A Shine-Dalgarno szekvencia néhány bázissal a startkódon előtt (az mRNS-ben) található. Ez a hely azért fontos, mert a riboszóma alegység startkódonhoz való megfelelő igazításával jelzi a fehérjeszintézis folyamatát.

* A tRNS, amely az egyik iniciátor hordozza az N-formil-metionint (fMet), amely az olyan prokarióták által termelt polipeptidláncok N-terminusába illeszkedik, mint az E.coli.

Elongáció

A transzláció második fázisa az úgynevezett elongáció, amelyet a polipeptidlánc megnyúlása jellemez. Itt a riboszóma peptid-transzferázként katalitikus funkciót tölt be.

A teljes folyamat az elongáció három fő lépésére osztható, amelyek a következők: aminoacil-tRNS kötés, a peptidkötés kialakulása, valamint a transzlokáció. A ciklus első lépése során (aminoacil-tRNS-kötés) a második kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS a kodon-antikodon kölcsönhatáson keresztül kötődik az A helyhez (aminoacil hely).

Itt érdemes megjegyezni, hogy az indító tRNS-szel együtt az IF-2-vel együtt érkezett metionin az indítási fázisban az első aminosav. Az aminoacil-tRNS megkötését a GTP és az elongációs faktor (ET-Tu) segíti elő. A három összekapcsolódva komplexet alkot (aminoacil-tRNS/EF-Tu/GTP komplex), amely a GTP hidrolízisét eredményezi. Az elongációs faktor (EF-Tu kötött t GDP) viszont felszabadul.

A felszabadult EF-Tu molekula ezután elősegítheti egy másik tRNS kötését a riboszómához, miután az regenerálódott. Ez akkor következik be, amikor az EF-Ts (szintén egy elongációs faktor) megköti és helyettesíti a GDP-t az EF-Tu-n. Az EF-Ts-t ezután GTP váltja fel, ami egy újonnan regenerált EF-Tu-GTP kialakulását eredményezi.

A második lépésben, a peptidkötés kialakításakor a peptidilhelyen (P) lévő tRNS-en lévő aminosav karboxil vége disszociálódik, és peptidkötésen keresztül kötődik az A helyen lévő tRNS-hez csatlakozó aminosav aminocsoportjához. A ciklusnak ezt a lépését a peptidiltranszferáz katalizálja.

A ciklus harmadik lépését (transzlokáció) az elongációs komplex és a GTP riboszómához való kötődése jellemzi. Itt a GTP hidrolízise GDP és egy foszfát keletkezését eredményezi, míg az elongációs faktor (EF-G) felszabadul, hogy GTP-t kössön az újabb elongációs ciklus előkészítéseként.

Mivel a deacilált tRNS a P helyről az E helyre, a dipeptidil tRNS pedig az A helyről a P helyre kerül, a hely üres marad, és így szabad egy újabb aminoaciltRNS befogadására. Egy aminosav folyamatosan hozzáadódik a polipeptid C-terminális végéhez, ahogyan az minden egyes kodon esetében nő a hossza, ahogyan a peptidil-tRNS a P és A helyekre és azokról elmozdul.

Termináció

* Az elongáció során a tRNS folyamatosan mozog a P helyről az A hely felé (előre), ahogy az előző láncra (metioninnal kezdődött láncra) hozza a következő aminosavat, amelyet hozzá kell adni. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg az mRNS-ben lévő stop kodon be nem lép az A helyre, és így a ciklus nem folytatódik tovább. Háromféle stop kodon létezik: UAA, UAG és UGA.

A fordítási folyamat utolsó fázisát terminációnak nevezzük, és ez az a pont, ahol a folyamat véget ér. Az A helybe lépve a stopkódon megakadályozza a tRNS megkötését.

A felszabadulási faktorok egyike (RF-1 vagy RF-2 egy RF-3-mal együtt) a kodonokhoz kötődik, ami azt eredményezi, hogy a peptidkötésekért felelős enzim (peptidiltranszferáz) egy vízmolekulát szabadít fel a lánc utolsó aminosavára, ami a P helyhez kötött peptid és tRNS hidrolízisét okozza. Ennek eredményeként az újonnan képződött lánc elválik a tRNS-től és elhagyja a riboszómát.

* Míg az RF-1 az UAA-t és az UAG-t, az RF-2 az UAA-t és az UGA-t azonosítja, addig az RF-3 elősegíti a másik két felszabadulási faktor bármelyikének kölcsönhatását a riboszómával.

* A felszabadulási faktorok a stopkódonhoz kötődnek, tekintettel arra, hogy a prokariótákban a tRNS-nek nincs antikódonja a stopkódonhoz.

A terminációs fázis során végbemenő egyéb események közé tartoznak a következők:

– Az mRNS felszabadul

– A tRNS felszabadul a riboszómáról, amikor a riboszóma felszabadító faktor az A helyhez kötődik

– A riboszóma disszociál a nagy és kis alegységekre, amikor az EF-G kötődik az RRF-hez (riboszóma felszabadító faktor)

Fordítás az eukariótákban

Mint a prokariótákban, a transzláció az a folyamat, amelynek során az mRNS egy szekvenciáját a fehérjeszintézis során polipeptidekké fordítják.

Mint említettük, a prokariótáknál a transzkripciós és a transzlációs folyamatok a citoplazmában zajlanak (és akár egyidejűleg is végbemehetnek). Eukariótákban azonban a sejtmagmembrán elválasztja a citoplazmában található riboszómát a sejtmagban zajló transzkripciós folyamattól. Emiatt a transzláció akkor kezdődik, amikor a transzkripció véget ér, és az mRNS a citoplazmába kerül.

* A citoplazmába jutáshoz az mRNS áthalad a magmembránon található magpórusokon.

* Az eukariótákban a transzláció az endoplazmatikus retikulumban (ER) található riboszómában is zajlik.

Eukarióta szervezetekben a transzláció szintén három fázisban zajlik, amelyek közé tartozik az iniciáció, az elongáció és a termináció. Bár ez hasonló a prokariótákban zajló folyamathoz, számos különbség van, különösen az érintett komponensek tekintetében.

Iniciáció

Az iniciációs fázis során a kisebb riboszómális alegység három iniciációs faktorral alkot komplexet. Itt azonban a kisebb riboszómális alegység 40S, szemben a prokarióták sokkal kisebb 30S-ével. Ezeknek az iniciációs faktoroknak (IF-1, IF-A és IF-3) a riboszómális alegységhez való kötődése hozza létre a preiniciációs komplexet, amely viszont az IF-5 (iniciációs faktor 5) és a tRNS-t egyesíti.

Ez a komplex végül az mRNS-hez kötődve alkotja az iniciációs komplexet. A prokariótákhoz hasonlóan a kis riboszómális alegység az mRNS nem transzlált régiója mentén mozog, miközben a startkódont keresi (eukariótákban a legtöbb esetben az első AUG szolgál startkódonként).

* Eukariótákban a startkódonnál található mRNS-szekvenciát Kozak-szekvenciának (ACCAUGG) nevezik. Bár ez a szekvencia hasonló funkciót tölt be, mint a Shine-Dalgarno szekvencia, a kettő abban különbözik egymástól, hogy a Kozak-szekvencia valójában a start-szekvenciát tartalmazza.

A startkódon felismerése után a nagyobb riboszóma (60S) alegység rekrutálódik a komplexbe, ami egy teljesen funkcionális riboszóma kialakulását eredményezi (ez egy energiafüggő folyamat, amely GTP-hidrolízissel jár, és végül egy 80S riboszómát hoz létre). A teljesen funkcionális riboszóma kialakulása után az iniciációs faktorok felszabadulnak.

* Az iniciációs faktor végén az iniciátor tRNSmet a P-helyen helyezkedik el, míg az A-hely üresen marad.

Elongáció

Ez a fordítás második fázisa és a polipeptid szintézisét foglalja magában. Míg az eukariótákban az elongáció folyamata hasonló az eukariótákéhoz, addig az EF-Tu-t az EF-1α helyettesíti. Itt az elongációs faktor fehérjéknek (EF) három fő funkciója van.

Ezeknek a fehérjéknek (elongációs faktor fehérjéknek) az első funkciója az, hogy a töltött tRNS-eket az A helyhez toborozzák. Ezenkívül fontos szerepet játszanak az aminosavak közötti peptidkötés kialakításában, valamint a riboszóma transzlokációjában az mRNS mentén.

A folyamat előrehaladása magában foglalja a transzlokációs eseményt. Mindegyik esemény során a töltött tRNS-ek belépnek az A-helyre, mielőtt a P-helyre tolódnának. Az egyes események végén a tRNS belép az E site-ba, hogy onnan eltávolítható legyen.

Amint a riboszóma az mRNS mentén halad, az elongációs faktorok elősegítik a peptidkötéseket a tRNS-en (az A site-on) található aminosavak és a P site tRNS-én található aminocsoport karboxilcsoportja között.

A reakció katalizálására itt a peptidiltranszferáz (a nagyobb 50S riboszómális alegységben található ribozim) szolgál. A P-helyen lévő tRNS-hez kapcsolódó aminosav ezután a növekvő polipeptidlánchoz kapcsolódik, ami lehetővé teszi a lánc további hossznövekedését. Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy a riboszóma tovább haladjon az mRNS mentén, miközben a polipeptidlánc tovább növekszik, mielőtt megáll a terminációs fázisban.

Termináció

Ez a fordítási folyamat utolsó fázisa. Akkor következik be, amikor a riboszóma az mRNS olyan nonszensz kodonjához érkezik, ahol a tRNS-nek nincs komplementer antikodonja. Amint a nonszensz kodont a felszabadulási faktorok azonosítják, a P-helyen lévő aminosav leválik a tRNS-ről, ami felszabadítja a polipeptidet.

A riboszóma viszont nemcsak az mRNS-ről, hanem a két alegységre (kis és nagy riboszómális alegység) is disszociálódik, ami lehetővé teszi, hogy egy újabb transzlációs folyamat során belépjenek az iniciációs fázisba.

Return from Translation in Eukaryotes and Prokaryotes to MicroscopeMaster home

Birge E.A. (2000) Transcription and Fordítás: Processes and Basic Regulation (Folyamatok és alapvető szabályozás). In: Bacterial and Bacteriophage Genetics.

Eric Wong. (2009). Sejtek: Molecules and Mechanisms: Translation :From RNA to Protein.

Pelin Pelit Arayici, Tayfun Acar és Mesut Karahan. (2014). Transzkripció és transzláció.

Julie A Theriot. (2013). Miért különböznek a baktériumok az eukariótáktól?

Suzanne Clancy & William Brown. (2008). Translation: DNS-ből mRNS-ből fehérjébe.

Linkek