Overview

Używając mikroskopu w 1665 roku, Robert Hooke odkrył maleńkie jednostki tkanki korkowej, które przypominały mu komórki (pomieszczenia) klasztorne, które zamieszkiwali mnisi. Dlatego nazwał te jednostki komórkami. Jednak to, co Hooke widział pod mikroskopem, to były martwe ściany komórkowe tkanki. Dopiero w 1674 roku Anton van Leeuwenhoek użył mikroskopu do obserwacji żywej komórki.

Dzisiaj powszechnie uważa się, że to, co Leeuwenhoek obserwował pod mikroskopem, było komórką bakteryjną. Wraz z innymi odkryciami, odkrycia te doprowadziły do sformułowania Teorii Komórki przez Matthiasa Schleidena w 1839 roku, która stwierdza, że komórka jest podstawową jednostką życia (teoria ta utrzymuje również, że nowe komórki powstają z istniejących komórek i że wszystkie żywe istoty mają jedną lub więcej komórek).

Dzisiaj komórki są podzielone na dwie główne kategorie, mianowicie komórki prokariotyczne (Archaea i Bakterie) i komórki eukariotyczne (rośliny, zwierzęta, protisty, itp.). Jak sugerują nazwy, te dwa typy komórek są klasyfikowane w oparciu o sposób, w jaki ich materiał genetyczny jest ułożony/zorganizowany w komórce. Jednakże, mają one również szereg innych różnic, które pozwalają na rozróżnienie tych dwóch typów komórek.

* Słowo jądro pochodzi od łacińskiego słowa nucleus, które oznacza “jądro/rdzeń”.

* Podczas gdy “Eu” oznacza prawdziwy lub dobry, “Pro” oznacza nie – W tym przypadku więc Eukariota może być opisany jako komórki, które mają jądro, podczas gdy prokariota to komórki bez jądra. Warto jednak zauważyć, że wszystkie one posiadają materiał genetyczny.

Translacja

W biologii molekularnej i genetyce, translacja jest terminem używanym do opisania procesu, poprzez który posłańczy kwas rybonukleinowy (mRNA) jest dekodowany w celu syntezy polipeptydów lub łańcuchów aminokwasów. W tym przypadku mRNA przenosi kody genetyczne (informacje), które służą jako schemat tych cząsteczek (używanych do budowy białek). W komórkach proces ten zachodzi po transkrypcji i obejmuje trzy główne etapy.

Obejmują one:

• Inicjacja
• Przedłużanie
• Terminacja

Oprócz różnic w sposobie organizacji materiału genetycznego między eukariotami a prokariotami, różnice można również wskazać w translacji między tymi dwoma typami komórek.

Krótki opis transkrypcji u prokariotów i eukariotów

Zważywszy, że mRNA, który służy jako szablon do syntezy białek, sam jest produktem transkrypcji, ważne jest, aby uzyskać ogólne pojęcie o tym procesie u prokariotów i eukariotów.

* Transkrypcja może być opisana jako proces, który łączy DNA (lub informację genetyczną zawartą w DNA) z białkiem. W tym przypadku informacja zawarta w DNA jest ostatecznie wykorzystywana do produkcji białek.

W komórkach eukariotycznych proces transkrypcji zachodzi w obrębie jądra, a powstały transkrypt mRNA jest transportowany do cytoplazmy, gdzie bierze udział w translacji. Natomiast u prokariotów transkrypcja odbywa się w cytoplazmie, gdzie znajduje się materiał genetyczny.

W tym miejscu warto zauważyć, że w przeciwieństwie do komórek eukariotycznych, prokariota nie posiada jądra, w którym materiał genetyczny jest związany błoną. W związku z tym materiał genetyczny komórki znajduje się w cytoplazmie.

W obu eukariotach i prokariotach (bakterie), pierwszy etap transkrypcji jest znany jako etap inicjacji i rozpoczyna się, gdy związane białka i enzymy (polimeraza RNA) wiążą się z promotorem (sekwencja DNA).

Dobrym przykładem takich sekwencji (w promotorze) jest pole TATA u eukariotów (jest to idealne miejsce, biorąc pod uwagę, że As i Ts są związane kilkoma (2) wiązaniami wodorowymi, a zatem łatwiejsze do rozciągnięcia nici).

W komórkach eukariotycznych, białka znane jako podstawowe czynniki transkrypcyjne muszą najpierw związać się z miejscem promotora, aby pomóc polimerazie RNA dołączyć do tego miejsca. Jest to odmienne w porównaniu z prokariotami, gdzie polimeraza przyłącza się do promotora bezpośrednio.

* Podczas etapu inicjacji, wiązanie polimerazy do regionu promotora powoduje odwijanie DNA przed rozpoczęciem drugiego etapu.

* U eukariotów czynniki transkrypcyjne (TF) są ważne, ponieważ identyfikują i wiążą się z sekwencją DNA w regionie promotora. Gdy już zwiążą się z tym miejscem, tworzą tak zwany kompleks inicjacyjny, który przyciąga polimerazę do wiązania.

Następny (drugi) etap transkrypcji znany jest jako elongacja i można go po prostu opisać jako wydłużanie transkryptu. Tutaj polimeraza “odczytuje” i “zapisuje” mRNA z (-) antysensownej nici szablonowej DNA, podczas gdy (+) nić sensowna chroni ją (negatywną antysensowną nić szablonową) przed różnymi czynnikami zakłócającymi.

Zważywszy, że polimeraza kopiuje z nici szablonowej, powstające mRNA jest komplementarne do tej nici. Ta nowa nić zawiera jednak nukleotyd Uracyl (U) zamiast Tyminy (T) obecnej w nici DNA.

* Podczas elongacji polimeraza “porusza się” wzdłuż nici szablonu w kierunku od 3′ do 5′, dodając nukleotydy do RNA w sposób zgodny z nukleotydami nici DNA. W ten sposób powstaje transkrypt (transkrypt RNA), który jest prawie identyczny z nieszablonowym.

Ostatnia faza transkrypcji znana jest jako terminacja, w której transkrypcja trwa aż do jej zatrzymania, co z kolei pozwala na uwolnienie transkryptu RNA. Tutaj polimeraza może być poinstruowany, aby oddzielić się od szablonu przez dane sygnały zakończenia w zależności od cell.

W prokariota, sygnały oparte na białkach, takich jak białko rho kontroli Rho-zależne zakończenie, które powoduje polimerazy oddzielając się od szablonu, jak mRNA jest wyzwolony.

* Biorąc pod uwagę, że transkrypcja zachodzi w cytoplazmie u prokariotów, translacja często rozpoczyna się podczas trwania transkrypcji lub zaraz po jej zakończeniu. U eukariotów jednak błona jądrowa oddziela rybosom (zaangażowany w proces translacji) od procesu transkrypcji. Z tego powodu transkrypcja musi być zakończona, zanim transkrypty zostaną uwolnione do cytoplazmy, gdzie odbywa się translacja.

Charakterystyka mRNA Prokaryota i Eukaryota

mRNA wytwarzane w procesie transkrypcji znane jest również jako transkrypty mRNA. Chociaż mają one wiele podobnych cech, mają też kilka różnic. Transkrypt prokariotycznego mRNA może być podzielony na szereg części/sekcji, które obejmują: region niekodujący (znajdujący się na 5′ końcu transkryptu), sekwencję Shine-Dalgarno, drugi region niekodujący, kodon startu, region kodujący, kodon stopu i kolejny region niekodujący na 3′ końcu.

Eukariotyczny mRNA, z drugiej strony, zaczyna się od 5′ czapeczki i składa się z nukleotydu guaniny. Nukleotyd ten jest przyłączony do grupy metylowej i związany z sąsiednim nukleotydem. Nukleotyd guaninowy przyłączony jest do regionu niekodującego, podobnego do tego, który występuje w prokariotycznym mRNA. Następny odcinek to kodon startu, od którego rozciąga się region kodujący.

Region kodujący kończy się na kodonie stop. Po nim następuje region niekodujący i wreszcie ogon poli-A (zbudowany z adenin i może składać się nawet z 2200 nukleotydów) na 3′ końcu. U eukariotów czapeczka 5′ i ogon poli-A zapobiegają degradacji mRNA.

W tym miejscu należy pamiętać, że u eukariotów mRNA musi zostać uwolnione do cytoplazmy, gdzie zachodzi translacja. Dlatego te dwa odcinki odgrywają ważną rolę w utrzymaniu integralności mRNA. U prokariotów transkrypcja i translacja mogą zachodzić w tym samym czasie i dlatego te sekcje nie są konieczne.

W przeciwieństwie do transkryptu u eukariotów, ten mRNA nie musi być transportowany na dużą odległość i dlatego nie napotyka różnych enzymów, które mogłyby go zdegradować. W związku z tym mRNA u prokariotów nie wymaga dodatkowej ochrony przed uszkodzeniem.

Jak wspomniano, translacja jest procesem, dzięki któremu budulec białek (polipeptydy/łańcuchy aminokwasów) jest budowany z wykorzystaniem informacji zawartej w mRNA. Jest to ważny proces biorąc pod uwagę, że produkuje białka, które są wymagane dla różnych funkcji komórki.

W celu zrozumienia procesu ważne jest, aby znać niektóre składniki i terminologie używane w tłumaczeniu.

Oprócz mRNA (messenger RNA) należą do nich:

– Polipeptydy – Łańcuchy aminokwasów i są cząsteczkami tworzącymi białka.

– Nukleotydy – Składniki strukturalne DNA i RNA. Same zbudowane są z nukleozydu i fosforanu i obejmują adeninę, tyminę, cytozynę i guaninę (a także uracyl).

– Kodony – Grupa składająca się z trzech nukleotydów – Na przykład AUG jest dobrym przykładem kodonu – Podczas gdy kodony służą jako budulec aminokwasów, inne zatrzymują ten proces, gdy polipeptyd jest już kompletny.

– tRNA (transferowe RNA) – Działają jako pomost między kodonami mRNA a aminokwasami.

– Rybosomy – Rybosomy składają się z rRNA oraz białka i są strukturami, w których wytwarzane są polipeptydy.

Translacja u Prokariotów

Zważywszy, że materiał genetyczny (DNA) prokariotów nie jest zawarty w jądrze otoczonym błoną, transkrypcja odbywa się w cytoplazmie. Pozwala to na rozpoczęcie translacji w tym środowisku, gdy tylko mRNA wyłoni się z polimerazy (polimeraza RNA/RNAP).

W przypadkach, w których jest wystarczająco dużo miejsca (na mRNA), aby pomieścić rybosom, translacja może rozpocząć się nawet przed zakończeniem procesu transkrypcji.

W rezultacie scenariusz, w którym nić DNA jest przepisywana przez wiele polimeraz z wieloma rybosomami tłumaczącymi tę informację (z RNA) nie jest niczym niezwykłym u prokariotów, szczególnie jeśli chodzi o wysoko wyrażone geny.

Jak w przypadku transkrypcji, istnieją trzy fazy tłumaczenia, które obejmują inicjację, elongację i zakończenie. Faza inicjacji charakteryzuje się tworzeniem kompleksu inicjacyjnego i rozpoczyna się od związania małej podjednostki rybosomu (30S) z mRNA.

* Rybosom składa się z dwóch podjednostek (podjednostek rRNA), przy czym jedna z podjednostek jest mniejsza od drugiej. U prokariotów mniejsza podjednostka jest oznaczana jako 30S, a większa jako 50S – w sumie jest to 70S (S oznacza jednostki Svedberga.)

Inicjacja

Aby faza inicjacji mogła się odbyć, mniejsza podjednostka rybosomalna musi najpierw zostać zdysocjowana od większej (50S) podjednostki rybosomalnej. Po jej odłączeniu, czynniki inicjacji (IF-1 i IF-2) wiążą się w określonych miejscach na podjednostkach 30S, gdzie pełnią różne funkcje.

W miejscu A (podjednostki rybosomu), IF-1 służy do zapobiegania przedostawaniu się nowej cząsteczki aminoacylo-tRNA na tym etapie translacji. Ponadto, promuje składanie i stabilizację kompleksu.

Jak również, czynnik inicjacji IF-3 promuje wiązanie podjednostki do mRNA. Trzeci czynnik inicjujący (IF-2 GTP) wprowadza inicjujący aminoacylo-tRNA i wiąże miejsce P podjednostki. W ten sposób pozwala antykodonowi tRNA przyłączyć się do kodonu startu (AUG) mRNA.

Po hydrolizie GTP (jak również uwolnieniu innych czynników inicjacji) większa podjednostka rybosomu (50S) wiąże się z mniejszą podjednostką (30S), co powoduje powstanie w pełni funkcjonalnego rybosomu. Po utworzeniu w pełni funkcjonalnego rybosomu, miejsce A może ponownie przyjąć kolejną cząsteczkę aminoacylo-tRNA.

Do końca fazy inicjacji, kompleks inicjacyjny, który jest utworzony składa się z obu podjednostek rybosomalnych (dużej i mniejszej podjednostki), mRNA, jak również tRNA, który również przenosi fMet (N-formylometionina).

* IF-1 i IF-3 pomagają również w odłączeniu mniejszej podjednostki rybosomu (30S) od większej (50S).

* Sekwencja Shine-Dalgarno znajduje się kilka zasad przed kodonem startu (w mRNA). Miejsce to jest o tyle ważne, że sygnalizuje proces syntezy białka poprzez odpowiednie ustawienie podjednostki rybosomu do kodonu startu.

* tRNA, który jest jednym z inicjatorów przenosi N-formylometioninę (fMet), która jest wprowadzana do N-końca łańcuchów polipeptydowych produkowanych przez takie prokariota jak E.coli.

Elongacja

Druga faza translacji znana jest jako elongacja i charakteryzuje się wydłużaniem łańcucha polipeptydowego. Rybosom pełni tu funkcję katalityczną jako peptydotransferaza.

Cały proces można podzielić na trzy główne etapy elongacji, do których należą: wiązanie aminoacylo-tRNA, tworzenie wiązania peptydowego, a także translokacja. Podczas pierwszego etapu tego cyklu (wiązanie aminoacyl-tRNA), aminoacyl-tRNA odpowiadający drugiemu kodonowi wiąże się z miejscem A (miejsce aminoacylowe) poprzez interakcję kodon-antykodon.

W tym miejscu warto zwrócić uwagę, że metionina, która w fazie inicjacji przybyła z IF-2 wraz z tRNA inicjatora, jest pierwszym aminokwasem. Wiązanie aminoacylo-tRNA jest promowane przez GTP i czynnik elongacyjny (ET-Tu). Te trzy elementy łączą się tworząc kompleks (kompleks aminoacylo-tRNA/EF-Tu/GTP), który powoduje hydrolizę GTP. Z kolei czynnik elongacji (EF-Tu związany t GDP) zostaje uwolniony.

Uwolniona cząsteczka EF-Tu może następnie promować wiązanie innego tRNA do rybosomu po jego regeneracji. Dzieje się tak, gdy EF-Ts (również czynnik elongacji) wiąże i zastępuje GDP na EF-Tu. EF-Ts jest następnie zastępowany przez GTP, co prowadzi do powstania nowo zregenerowanego EF-Tu-GTP.

W drugim etapie, tworząc wiązanie peptydowe, karboksylowy koniec aminokwasu na tRNA w miejscu peptydylowym (P) jest zdysocjowany i wiąże się z grupą aminową aminokwasu, który jest przyłączony do tRNA w miejscu A poprzez wiązanie peptydowe. Ten etap cyklu jest katalizowany przez transferazę peptydylową.

Trzeci etap cyklu (translokacja) charakteryzuje się wiązaniem kompleksu elongacyjnego i GTP do rybosomu. Tutaj hydroliza GTP skutkuje wytworzeniem GDP i fosforanu, natomiast uwolnienie czynnika elongacyjnego (EF-G) uwalnia go do wiązania GTP w przygotowaniu do kolejnego cyklu elongacji.

Po przeniesieniu deacylowanego tRNA z miejsca P do miejsca E i dipeptydylowego tRNA z miejsca A do P, miejsce to pozostaje puste, a więc wolne do przyjęcia kolejnego aminoacyltRNA. Aminokwas jest stale dodawany do C-końca polipeptydu, ponieważ rośnie w długości dla każdego z kodonów, gdy peptydyl-tRNA porusza się do i z miejsc P i A.

Zakończenie

* Podczas elongacji tRNA nieustannie przemieszcza się z miejsca P do A (do przodu), ponieważ przenosi następny aminokwas, który ma być dodany do poprzedniego łańcucha (łańcucha, który rozpoczął się od metioniny). Proces ten trwa do momentu, gdy kodon stop w mRNA wejdzie na miejsce A, zatrzymując w ten sposób kontynuację cyklu. Istnieją trzy rodzaje kodonów stopu, które obejmują; UAA, UAG i UGA.

Ostatnia faza procesu translacji jest znana jako zakończenie i jest punktem, w którym proces się kończy. Po wejściu do miejsca A, kodon stop zapobiega wiązaniu tRNA.

Jeden z czynników uwalniających (RF-1 lub RF-2 wraz z RF-3) wiąże się z kodonami powodując, że enzym (peptydylotransferaza) odpowiedzialny za wiązania peptydowe uwalnia cząsteczkę wody na ostatnim aminokwasie łańcucha, co powoduje hydrolizę peptydu i tRNA przymocowanego do miejsca P. W wyniku tego nowo powstały łańcuch ulega hydrolizie. W wyniku tego nowo powstały łańcuch oddziela się od tRNA i opuszcza rybosom.

* Podczas gdy RF-1 identyfikuje UAA i UAG, RF-2 identyfikuje UAA i UGA, podczas gdy RF-3 promuje interakcję któregoś z dwóch pozostałych czynników uwalniających z rybosomem.

* Czynniki uwalniające wiążą się z kodonem stop, biorąc pod uwagę, że żaden tRNA nie posiada antykodonu dla kodonu stop u prokariotów.

Kilka innych zdarzeń zachodzących w fazie terminacji obejmuje:

– mRNA jest uwalniany

– tRNA jest uwalniany z rybosomu, gdy czynnik uwalniający rybosom wiąże się na miejscu A

– Rybosom dysocjuje na dużą i małą podjednostkę, gdy EF-.G wiąże się z RRF (czynnikiem uwalniającym rybosomy)

Translacja u Eukariotów

Tak jak u prokariotów, translacja jest procesem, w którym sekwencja mRNA jest tłumaczona na polipeptydy podczas syntezy białka.

Jak wspomniano, procesy transkrypcji i translacji zachodzą w cytoplazmie u prokariotów (i mogą nawet zachodzić w tym samym czasie). Jednak u eukariontów błona jądra oddziela rybosom znajdujący się w cytoplazmie od procesu transkrypcji, który zachodzi w jądrze. Z tego powodu translacja rozpoczyna się po zakończeniu transkrypcji i przetransportowaniu mRNA do cytoplazmy.

* Aby dotrzeć do cytoplazmy, mRNA przechodzi przez pory jądrowe na błonie jądrowej.

* U eukariotów translacja zachodzi również w rybosomach znajdujących się w retikulum endoplazmatycznym (ER).

W organizmach eukariotycznych, tłumaczenie występuje również w trzech fazach, które obejmują inicjację, elongację i zakończenie. Chociaż jest to podobne do procesu w prokariota, istnieje kilka różnic, w szczególności w odniesieniu do składników zaangażowanych.

Inicjacja

Podczas fazy inicjacji, mniejsza podjednostka rybosomalna tworzy kompleks z trzema czynnikami inicjacji. Tutaj jednak mniejsza podjednostka rybosomalna ma rozmiar 40S w porównaniu do znacznie mniejszej 30S u prokariotów. Wiązanie tych czynników inicjacji (IF-1, IF-A, i IF-3) z podjednostką rybosomalną tworzy kompleks preinicjacyjny, który z kolei łączy się z IF-5 (czynnik inicjacji 5) i tRNA.

W końcu kompleks ten wiąże się z mRNA, tworząc kompleks inicjacyjny. Podobnie jak w przypadku prokariotów, mała podjednostka rybosomalna porusza się wzdłuż nieulegającego translacji regionu mRNA, szukając kodonu startu (w większości przypadków pierwszy AUG służy jako kodon startu u eukariotów).

* U eukariotów sekwencja mRNA znajdująca się przy kodonie startu znana jest jako sekwencja Kozaka (ACCAUGG). Podczas gdy sekwencja ta pełni podobną funkcję jak sekwencja Shine-Dalgarno, różnią się one tym, że sekwencja Kozaka faktycznie zawiera sekwencję startową.

Po rozpoznaniu kodonu startu większa podjednostka rybosomu (60S) jest rekrutowana do kompleksu, co skutkuje utworzeniem w pełni funkcjonalnego rybosomu (jest to proces zależny od energii, który obejmuje hydrolizę GTP i ostatecznie wytwarza rybosom 80S). Po uformowaniu w pełni funkcjonalnego rybosomu następuje uwolnienie czynników inicjacyjnych.

* Na końcu czynnika inicjacyjnego tRNAmet inicjujący znajduje się w miejscu P, podczas gdy miejsce A pozostaje wolne.

Elongacja

Jest to druga faza translacji i polega na syntezie polipeptydu. Choć proces elongacji u eukariotów przebiega podobnie, to EF-Tu jest zastąpiony przez EF-1α. Białka czynnika elongacji (EF) pełnią tu trzy główne funkcje.

Pierwszą funkcją tych białek (elongation factor proteins) jest rekrutacja naładowanych tRNA do miejsca A. Ponadto odgrywają one ważną rolę w tworzeniu wiązania peptydowego między aminokwasami, a także translokacji rybosomu wzdłuż mRNA.

Postęp tego procesu obejmuje zdarzenie translokacji. W każdym z tych zdarzeń, naładowane tRNA wchodzą do miejsca A przed przesunięciem na miejsce P. Na końcu każdego zdarzenia tRNA wchodzi do miejsca E, aby mogło zostać usunięte.

Jak rybosom porusza się wzdłuż mRNA, czynniki wydłużające promują wiązania peptydowe między aminokwasami znajdującymi się na tRNA (w miejscu A) i grupą karboksylową grupy aminowej, która znajduje się na tRNA w miejscu P.

Tutaj, peptydylotransferaza (rybozym znajdujący się w większej podjednostce 50S rybosomalnej) służy do katalizowania reakcji. Aminokwas związany z tRNA na miejscu P jest następnie połączony z rosnącym łańcuchem polipeptydowym, co pozwala łańcuchowi nadal rosnąć w długości. Proces ten umożliwia rybosomowi kontynuowanie ruchu wzdłuż mRNA, ponieważ łańcuch polipeptydowy nadal rośnie, zanim zatrzyma się w fazie zakończenia.

Zakończenie

Jest to ostatnia faza procesu translacji. Występuje, gdy rybosom dociera do kodonu nonsensownego mRNA, w którym tRNA nie ma komplementarnego antykodonu. Gdy kodon nonsensowny zostanie zidentyfikowany przez czynniki uwalniające, aminokwas w miejscu P zostaje odłączony od tRNA, co uwalnia polipeptyd.

Z drugiej strony rybosom zostaje nie tylko odłączony od mRNA, ale także podzielony na dwie podjednostki (małą i dużą podjednostkę rybosomalną), co pozwala im wejść w fazę inicjacji w kolejnym procesie translacji.

Powrót z Translation in Eukaryotes and Prokaryotes do MicroscopeMaster home

Birge E.A. (2000) Transcription and Translacja: Processes and Basic Regulation. In: Bacterial and Bacteriophage Genetics.

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

Pelin Pelit Arayici, Tayfun Acar, and Mesut Karahan. (2014). Transkrypcja i translacja.

Julie A Theriot. (2013). Dlaczego bakterie różnią się od eukariontów?

Suzanne Clancy & William Brown. (2008). Translation: DNA do mRNA do białka.

Linki

.