Overzicht

Met behulp van een microscoop ontdekte Robert Hooke in 1665 minuscule eenheden kurkweefsel die hem deden denken aan kloostercellen (kamers) die monniken bewoonden. Hij noemde deze eenheden daarom cellen. Maar wat Hooke in werkelijkheid met zijn microscoop zag, waren dode celwanden van het weefsel. Pas in 1674 gebruikte Anton van Leeuwenhoek een microscoop om een levende cel waar te nemen.

Heden ten dage wordt algemeen aangenomen dat wat Leeuwenhoek onder de microscoop waarnam, een bacteriële cel was. Samen met andere bevindingen resulteerden deze ontdekkingen in de formulering van de celtheorie door Matthias Schleiden in 1839, die stelt dat een cel een basiseenheid van het leven is (de theorie stelt ook dat nieuwe cellen ontstaan uit bestaande cellen en dat alle levende wezens een of meer cellen hebben).

Heden ten dage worden cellen in twee hoofdcategorieën verdeeld, namelijk prokaryote cellen (Archaea en Bacteria) en eukaryote cellen (planten, dieren, protisten, enz.). Zoals de namen al suggereren, worden de twee soorten cellen ingedeeld op basis van de wijze waarop hun genetisch materiaal in de cel is gerangschikt/organiseerd. Er zijn echter ook een aantal andere verschillen die het mogelijk maken de twee soorten cellen van elkaar te onderscheiden.

* Het woord kern is afgeleid van het Latijnse woord nucleus dat “kern” betekent.

* Terwijl “Eu” waar of goed betekent, betekent “Pro” nee – Hier kunnen Eukaryoten dus worden omschreven als cellen die een kern hebben, terwijl prokaryoten cellen zonder kern zijn. Het is echter de moeite waard op te merken dat ze allemaal genetisch materiaal hebben.

Vertaling

In de moleculaire biologie en genetica is vertaling de term die wordt gebruikt om het proces te beschrijven waarbij een boodschapperribonucleïnezuur (mRNA) wordt gedecodeerd om polypeptiden of aminozuurketens te synthetiseren. Het mRNA draagt de genetische codes (informatie) die dienen als blauwdruk van deze moleculen (die worden gebruikt om eiwitten te bouwen). In cellen vindt dit proces plaats na de transcriptie en omvat het drie hoofdfasen.

Deze omvatten:

• Initiation
• Elongation
• Termination

Naast de verschillen in de wijze waarop genetisch materiaal tussen eukaryoten en prokaryoten wordt georganiseerd, kunnen ook verschillen in translatie tussen beide celtypen worden vastgesteld.

Een korte beschrijving van transcriptie bij prokaryoten en eukaryoten

Gezien het feit dat mRNA, dat als sjabloon dient voor de synthese van eiwitten, zelf een product is van transcriptie, is het van belang een algemeen idee te krijgen van dit proces bij prokaryoten en eukaryoten.

* Transcriptie kan worden omschreven als het proces dat DNA (of in DNA vervatte genetische informatie) verbindt tot eiwit. Hierbij wordt de informatie in het DNA uiteindelijk gebruikt om eiwitten te produceren.

In eukaryote cellen vindt het transcriptieproces plaats in de celkern en wordt het resulterende mRNA-transcript naar het cytoplasma getransporteerd waar het bij de translatie wordt betrokken. Bij prokaryoten daarentegen vindt de transcriptie plaats in het cytoplasma, waar het genetisch materiaal zich bevindt.

Hierbij moet worden opgemerkt dat prokaryoten, in tegenstelling tot eukaryote cellen, geen kern hebben waar het genetisch materiaal door een membraan wordt gebonden. Als gevolg daarvan bevindt het genetisch materiaal van de cel zich in het cytoplasma.

In zowel eukaryoten als prokaryoten (bacteriën) staat de eerste fase van de transcriptie bekend als de initiatie-fase en begint wanneer bijbehorende eiwitten en enzymen (RNA-polymerase) zich binden aan de promotor (een DNA-sequentie).

Een goed voorbeeld van deze sequenties (aan de promotor) is de TATA-box bij eukaryoten (dit is een ideale plaats omdat de As en Ts door enkele (2) waterstofbruggen gebonden zijn en de strengen dus gemakkelijker uit elkaar getrokken kunnen worden).

In eukaryote cellen moeten eiwitten die basale transcriptiefactoren worden genoemd, zich eerst aan de promotor binden om het RNA-polymerase te helpen zich aan de plaats te hechten. Dit is anders in vergelijking met prokaryoten, waar het polymerase zich direct aan de promotor hecht.

* Tijdens de initiatie-fase leidt binding van het polymerase aan de promotorregio tot het afwikkelen van het DNA voordat de tweede fase begint.

* Bij eukaryoten zijn de transcriptiefactoren (TF’s) in zoverre belangrijk dat zij de DNA-sequentie in de promotorregio identificeren en zich daaraan binden. Zodra zij zich aan de plaats binden, vormen zij het zogeheten initiatiecomplex dat het polymerase aantrekt om zich te binden.

De volgende (tweede) fase van de transcriptie staat bekend als elongatie en kan eenvoudig worden omschreven als de verlenging van het transcript. Hier “leest” en “schrijft” het polymerase het mRNA van de (-) antisense template-streng van het DNA, terwijl de (+) sense-streng het (de negatieve antisense template-streng) beschermt tegen diverse storende factoren.

Gezien het feit dat het polymerase van de template-streng kopieert, is het mRNA dat wordt gevormd complementair aan deze streng. Deze nieuwe streng bevat echter een Uracil (U)-nucleotide in plaats van een Thymine (T) die in de DNA-streng aanwezig is.

* Tijdens de elongatie “beweegt” het polymerase langs de sjabloonstreng in een 3′ tot 5′ richting en voegt een nucleotide toe aan het RNA op een wijze die overeenkomt met die van de DNA-streng. Hierdoor ontstaat een transcript (RNA-transcript) dat vrijwel identiek is aan de niet-template.

De laatste fase van de transcriptie staat bekend als beëindiging, waarbij het transcriberen doorgaat totdat het wordt gestopt, waardoor het RNA-transcript weer kan worden vrijgemaakt. Hier kan het polymerase, afhankelijk van de cel, door bepaalde terminatiesignalen opdracht krijgen zich van het sjabloon los te maken.

In prokaryoten regelen op eiwitten gebaseerde signalen, zoals het rho-eiwit, de Rho-afhankelijke terminatie, die ertoe leidt dat het polymerase zich van het sjabloon losmaakt en het mRNA vrijkomt.

* Aangezien bij prokaryoten de transcriptie in het cytoplasma plaatsvindt, begint de translatie vaak terwijl de transcriptie voortduurt of onmiddellijk nadat deze is beëindigd. Bij eukaryoten echter scheidt een kernmembraan het ribosoom (dat bij het vertaalproces betrokken is) van het transcriptieproces. Daarom moet de transcriptie worden voltooid voordat de transcripten worden vrijgegeven in het cytoplasma waar de vertaling plaatsvindt.

Kenmerken van het mRNA van prokaryoten en eukaryoten

MRNA dat door middel van het transcriptieproces wordt geproduceerd, wordt ook wel mRNA-transcripten genoemd. Hoewel zij een aantal gelijkaardige kenmerken hebben, zijn er ook verscheidene verschillen. Het prokaryote mRNA-transcript kan worden verdeeld in een aantal delen/secties die omvatten: het niet-coderende gebied (gelegen aan het 5′-uiteinde van het transcript), de Shine-Dalgarno-sequentie, een tweede niet-coderend gebied, het startcodon, het coderende gebied, het stopcodon en een ander niet-coderend gebied aan het 3′-uiteinde.

Het eukaryote mRNA daarentegen begint met een 5′ kapje en bestaat uit een guanine nucleotide. Dit nucleotide is verbonden met een methylgroep en gebonden aan het naburige nucleotide. De guanine-nucleotide is gebonden aan het niet-coderende gebied, vergelijkbaar met dat in prokaryotisch mRNA. Het volgende gedeelte is het startcodon van waaruit de coderende regio zich uitstrekt.

De coderende regio eindigt bij het stopcodon. Dit wordt gevolgd door een niet-coderende regio en tenslotte door de poly-A-staart (die uit adenines bestaat en tot 2200 nucleotiden kan omvatten) aan het 3′-uiteinde. Bij eukaryoten voorkomen de 5′-kap en de poly-A-staart dat het mRNA wordt afgebroken.

Hierbij is het belangrijk te bedenken dat in eukaryoten het mRNA moet worden vrijgegeven in het cytoplasma waar de translatie plaatsvindt. Daarom spelen de twee secties een belangrijke rol bij het behoud van de integriteit van het mRNA. Bij prokaryoten kunnen transcriptie en translatie gelijktijdig plaatsvinden en zijn deze secties dus niet nodig.

In tegenstelling tot het eukaryotentranscript hoeft dit mRNA niet over een lange afstand te worden getransporteerd en komt het dus niet in aanraking met verschillende enzymen die het waarschijnlijk zullen afbreken. Bijgevolg behoeft het mRNA in prokaryoten geen extra bescherming om beschadiging te voorkomen.

Zoals gezegd, is translatie het proces waarbij de bouwstenen van eiwitten (polypeptiden/aminozuurketens) worden opgebouwd met behulp van de informatie in het mRNA. Het is een belangrijk proces omdat het eiwitten produceert die nodig zijn voor diverse celfuncties.

Om het proces te begrijpen is het van belang enkele onderdelen en terminologieën te kennen die bij translatie worden gebruikt.

Naast mRNA (boodschapper-RNA) zijn dat onder meer:

– Polypeptiden – Ketens van aminozuren en zijn de moleculen waaruit eiwitten zijn opgebouwd.

– Nucleotiden – Structurele bestanddelen van DNA en RNA. Ze zijn zelf opgebouwd uit nucleoside en fosfaat en omvatten adenine, thymine, cytosine en guanine (en ook Uracil).

– Codons – Een groep die bestaat uit drie nucleotiden – AUG is bijvoorbeeld een goed voorbeeld van een codon – Terwijl codons dienen als de bouwstenen van aminozuren, stoppen andere het proces zodra het polypeptide compleet is.

– tRNA (transfer RNA) – Fungeert als de brug tussen mRNA- codons en aminozuren.

– Ribosoom – Ribosoom bestaat uit rRNA en eiwit en zijn de structuren waarin polypeptiden worden vervaardigd.

Vertaling in Prokaryoten

Gezien het genetisch materiaal (DNA) van prokaryoten zich niet in een membraangebonden kern bevindt, vindt de transcriptie plaats in het cytoplasma. Hierdoor kan de translatie in deze omgeving beginnen zodra het mRNA uit de polymerase (RNA polymerase/RNAP) komt.

In gevallen waarin er voldoende ruimte (op het mRNA) is om het ribosoom te herbergen, kan de translatie al beginnen voordat het transcriptieproces is voltooid.

Hieruit volgt dat een scenario waarin een streng DNA wordt getranscribeerd door meerdere polymerasen met meerdere ribosomen die deze informatie (van het RNA) vertalen, niet ongebruikelijk is bij prokaryoten, met name wanneer het gaat om genen die tot expressie komen.

Zoals bij de transcriptie zijn er bij de translatie drie fasen, namelijk de initiatie-, de elongatie- en de terminatiefase. De initiatiefase wordt gekenmerkt door de vorming van het initiatiecomplex en begint met de binding van de kleine subeenheid van het ribosoom (30S) aan het mRNA.

* Ribosoom bestaat uit twee subeenheden (rRNA subeenheden) waarbij één van de subeenheden kleiner is dan de andere. Bij prokaryoten wordt de kleinere subeenheid aangeduid met 30S en de grotere met 50S – het totaal van deze subeenheden is 70S (S staat voor Svedberg-eenheden.)

Initiatie

Om de initiatiefase te laten plaatsvinden, moet de kleinere ribosomale subeenheid eerst worden losgekoppeld van de grotere (50S) ribosomale subeenheid. Eenmaal losgekoppeld binden initiatie-factoren (IF-1 en IF-2) zich op bepaalde plaatsen op de 30S subeenheden, waar zij verschillende functies vervullen.

Op de A plaats (van de ribosoom-subeenheid) dient IF-1 om te voorkomen dat een nieuwe molecuul aminoacyl-tRNA binnenkomt in deze fase van de translatie. Bovendien bevordert het de assemblage en stabilisatie van het complex.

Zo bevordert ook de IF-3 initiatie-factor de binding van de subeenheid aan het mRNA. De derde initiatie-factor (IF-2 GTP) introduceert het initiator-aminoacyl-tRNA en bindt de P-site van de subeenheid. Hierdoor kan het anticodon van het tRNA zich aan het startcodon (AUG) van het mRNA hechten.

Na hydrolyse van het GTP (alsmede het vrijkomen van de andere initiatie-factoren) bindt de grotere ribosoom-subeenheid (50S) zich aan de kleinere subeenheid (30S), waardoor een volledig functioneel ribosoom ontstaat. Na de vorming van een volledig functioneel ribosoom kan de A-locatie weer een aminoacyl-tRNA-molecuul accepteren.

Aan het eind van de initiatiefase bestaat het gevormde initiatiecomplex uit beide ribosomale subeenheden (de grote en de kleinere subeenheid), het mRNA, alsmede het tRNA dat ook fMet (N-formyl-methionine) draagt.

* IF-1 en IF-3 helpen ook bij de scheiding tussen de kleinere ribosoom-subeenheid (30S) en de grotere (50S).

* De Shine-Dalgarno-sequentie bevindt zich enkele basen stroomopwaarts van het startcodon (in het mRNA). Deze plaats is belangrijk omdat hij het proces van eiwitsynthese inluidt door de ribosoom-subeenheid op de juiste wijze op het startcodon af te stemmen.

* tRNA, dat een van de initiatoren is, draagt N-formyl-methionine (fMet) dat wordt ingevoegd in de N-terminus van de polypeptideketens die worden geproduceerd door prokaryoten als E.coli.

Elongatie

De tweede fase van de translatie staat bekend als elongatie en wordt gekenmerkt door de elongatie van de polypeptideketen. Hier heeft het ribosoom een katalytische functie als peptido-transferase.

Het gehele proces kan worden onderverdeeld in drie hoofdstappen van de elongatie, die bestaan uit: binding van aminoacyl-tRNA, vorming van de peptidebinding, alsmede translocatie. Tijdens de eerste stap van deze cyclus (aminoacyl-tRNA binding) bindt een aminoacyl-tRNA dat overeenkomt met het tweede codon zich aan de A-site (aminoacyl-site) via de codon-anticodon interactie.

Hierbij is het vermeldenswaard dat methionine dat tijdens de initiatie-fase met het IF-2 meekwam met het initiator-tRNA, het eerste aminozuur is. Binding van het aminoacyl-tRNA wordt bevorderd door GTP en de elongatiefactor (ET-Tu). De drie verbinden zich tot een complex (aminoacyl-tRNA/EF-Tu/GTP-complex) dat resulteert in de hydrolyse van GTP. Op zijn beurt wordt de elongatiefactor (EF-Tu gebonden t GDP) vrijgemaakt.

Het vrijgemaakte EF-Tu molecuul kan vervolgens de binding van een ander tRNA aan het ribosoom bevorderen, zodra dit is geregenereerd. Dit gebeurt wanneer EF-Ts (ook een elongatiefactor) zich bindt en het GDP op de EF-Tu vervangt. De EF-Ts worden dan vervangen door GTP, wat resulteert in de vorming van een nieuw geregenereerd EF-Tu-GTP.

In de tweede stap, de vorming van de peptidebinding, wordt het carboxyl-uiteinde van het aminozuur op het tRNA op de peptidyl-locatie (P) losgemaakt en bindt het zich aan de aminogroep van het aminozuur dat op de A-locatie aan het tRNA is gebonden door middel van een peptidebinding. Deze stap in de cyclus wordt gekatalyseerd door het peptidyltransferase.

De derde stap van de cyclus (translocatie) wordt gekenmerkt door binding van het elongatiecomplex en GTP aan het ribosoom. Hier resulteert hydrolyse van het GTP in de productie van GDP en een fosfaat, terwijl het vrijkomen van de elongatiefactor (EF-G) deze vrijmaakt om GTP te binden ter voorbereiding van een nieuwe elongatiecyclus.

Wanneer het gedeacyleerde tRNA van de P-site naar de E-site verhuist en het dipeptidyl tRNA van de A naar de P-site, blijft de site leeg en dus vrij om een ander aminoacyltRNA te accepteren. Een aminozuur wordt voortdurend toegevoegd aan het C-eind van het polypeptide terwijl het in lengte toeneemt voor elk van de codons als het peptidyl-tRNA van en naar de P- en A-locaties beweegt.

Beëindiging

* Tijdens elongatie beweegt het tRNA voortdurend van de P- naar de A-locatie (naar voren) terwijl het het volgende aminozuur brengt dat aan de vorige keten moet worden toegevoegd (keten die begon met een methionine). Dit proces gaat door totdat een stopcodon in het mRNA op de plaats van A terechtkomt, waardoor de cyclus wordt stopgezet. Er zijn drie soorten stopcodons: UAA, UAG en UGA.

De laatste fase van het translatieproces staat bekend als terminatie en is het punt waarop het proces eindigt. Het stopcodon verhindert de binding van tRNA aan de A-locatie.

Een van de releasefactoren (RF-1 of RF-2 samen met een RF-3) bindt zich aan de codons, waardoor het enzym (peptidyltransferase) dat verantwoordelijk is voor de peptidebindingen, een watermolecuul loslaat op het laatste aminozuur van de keten, waardoor het peptide en het tRNA dat aan de P-locatie vastzit, worden gehydrolyseerd. Als gevolg hiervan wordt de nieuw gevormde keten gescheiden van het tRNA en verlaat het ribosoom.

* Terwijl RF-1 UAA en UAG identificeert, identificeert RF-2 UAA en UGA, terwijl RF-3 de interactie van een van de andere twee releasefactoren met het ribosoom bevordert.

* De releasefactoren binden zich aan het stopcodon, aangezien geen enkel tRNA bij prokaryoten een anticodon voor het stopcodon heeft.

Enkele van de andere gebeurtenissen die tijdens de terminatiefase plaatsvinden, zijn:

– Het mRNA komt vrij

– Het tRNA komt vrij van het ribosoom wanneer de ribosoom releasing factor zich bindt aan de A-locatie

– Het ribosoom splitst zich in de grote en kleine subeenheden wanneer EF-G zich bindt aan de RRF (ribosome releasing factor)

Vertaling bij Eukaryoten

Zoals bij prokaryoten, is translatie het proces waarbij een sequentie van mRNA wordt vertaald in polypeptiden tijdens de eiwitsynthese.

Zoals gezegd vinden bij prokaryoten het transcriptie- en het translatieproces plaats in het cytoplasma (en kunnen zelfs gelijktijdig plaatsvinden). Bij eukaryoten echter scheidt het kernmembraan het zich in het cytoplasma bevindende ribosoom van het transcriptieproces dat in de kern plaatsvindt. Daarom begint de translatie wanneer de transcriptie is voltooid en het mRNA naar het cytoplasma is getransporteerd.

* Om het cytoplasma te bereiken, passeert het mRNA de nucleaire poriën op het kernmembraan.

* Bij eukaryoten vindt de translatie ook plaats in ribosomen die zich in het Endoplasmatisch Reticulum (ER) bevinden.

In eukaryote organismen verloopt de translatie ook in drie fasen, namelijk de initiatie, elongatie en terminatie. Hoewel dit proces vergelijkbaar is met dat in prokaryoten, zijn er verscheidene verschillen, met name wat betreft de betrokken componenten.

Initiatie

Tijdens de initiatiefase vormt de kleinere ribosomale subeenheid een complex met drie initiatiefactoren. Hier is de kleinere ribosomale subeenheid echter 40S, vergeleken met de veel kleinere 30S in prokaryoten. Binding van deze initiatiefactoren (IF-1, IF-A, en IF-3) aan de ribosomale subeenheid levert het pre-initiatie complex op, dat op zijn beurt IF-5 (initiatiefactor 5) en tRNA verbindt.

Dit complex bindt uiteindelijk het mRNA om het initiatiecomplex te vormen. Net als bij prokaryoten beweegt de kleine ribosomale subeenheid zich langs de niet-vertaalde regio van het mRNA op zoek naar het startcodon (in de meeste gevallen dient bij eukaryoten de eerste AUG als startcodon).

* Bij eukaryoten staat de mRNA-sequentie ter hoogte van het startcodon bekend als de Kozak-sequentie (ACCAUGG). Hoewel deze sequentie een soortgelijke functie heeft als de Shine-Dalgarno-sequentie, verschillen de twee in die zin dat de Kozak-sequentie feitelijk de startsequentie bevat.

Zodra het startcodon is herkend, wordt de grotere ribosoom (60S) subeenheid gerekruteerd voor het complex, hetgeen resulteert in de vorming van een volledig functioneel ribosoom (dit is een energie-afhankelijk proces dat GTP hydrolyse inhoudt en uiteindelijk een 80S ribosoom produceert). Zodra een volledig functioneel ribosoom is gevormd, worden de initiatiefactoren vrijgegeven.

* Aan het eind van de initiatiefactor bevindt zich het initiator-tRNAmet op de P-site terwijl de A-site onbezet blijft.

Elongatie

Dit is de tweede fase van de translatie en omvat de synthese van polypeptide. Het elongatieproces bij eukaryoten is vergelijkbaar met dat bij eukaryoten, maar EF-Tu is vervangen door EF-1α. Hier heeft de elongatiefactor-eiwit (EF) drie hoofdfuncties.

De eerste functie van deze eiwitten (elongatiefactor-eiwitten) is het rekruteren van de geladen tRNA’s naar de A-site. Daarnaast spelen zij een belangrijke rol bij de vorming van een peptidebinding tussen de aminozuren en bij de translocatie van het ribosoom langs het mRNA.

De voortgang van het proces omvat de translocatiegebeurtenis. Bij elk van deze gebeurtenissen komen de geladen tRNA’s binnen op de A-locatie voordat ze naar de P-locatie worden verplaatst. Aan het eind van elke gebeurtenis gaat het tRNA de E-site binnen, zodat het kan worden verwijderd.

Terwijl het ribosoom langs het mRNA beweegt, bevorderen elongatiefactoren de peptidebindingen tussen aminozuren die zich op het tRNA (op de A-site) bevinden en de carboxylgroep van de aminogroep die zich op het tRNA van de P-site bevindt.

Hier dient peptidyl transferase (ribozyme dat zich in de grotere 50S ribosomale subeenheid bevindt) om de reactie te katalyseren. Het aminozuur dat verbonden is met het tRNA op de P-locatie wordt dan gekoppeld aan de groeiende polypeptideketen, waardoor de keten in lengte kan blijven toenemen. Door dit proces kan het ribosoom langs het mRNA blijven bewegen terwijl de polypeptideketen blijft groeien voordat deze stopt bij de terminatiefase.

Terminatie

Dit is de laatste fase van het vertaalproces. Zij treedt op wanneer het ribosoom aankomt bij het nonsense codon van het mRNA waar het tRNA geen complementair anticodon heeft. Zodra het nonsense codon is geïdentificeerd door releasefactoren, wordt het aminozuur op de P-site losgemaakt van het tRNA, waardoor het polypeptide vrijkomt.

Aan de andere kant wordt het ribosoom niet alleen losgemaakt van het mRNA, maar ook in de twee subeenheden (kleine en grote ribosomale subeenheden), waardoor ze de initiatieffase in een ander translatieproces kunnen ingaan.

Terugkeer van Translation in Eukaryotes and Prokaryotes naar MicroscopeMaster home

Birge E.A. (2000) Transcription and Vertaling: Processen en basisregulering. In: Bacteriële en Bacteriofaaggenetica.

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

Pelin Pelit Arayici, Tayfun Acar, and Mesut Karahan. (2014). Transcriptie en translatie.

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

Suzanne Clancy & William Brown. (2008). Translation: DNA naar mRNA naar Eiwit.

Links