Översikt

Med hjälp av ett mikroskop upptäckte Robert Hooke 1665 små enheter av korkvävnad som påminde honom om klosterceller (rum) som munkar bebodde. Han kallade därför dessa enheter för celler. Vad Hooke i själva verket såg med hjälp av sitt mikroskop var dock vävnadens döda cellväggar. Det var inte förrän 1674 som Anton van Leeuwenhoek använde ett mikroskop för att observera en levande cell.

I dag är det allmänt vedertaget att det som Leeuwenhoek observerade i mikroskopet var en bakteriecell. Tillsammans med andra upptäckter resulterade dessa upptäckter i formuleringen av cellteorin av Matthias Schleiden 1839, enligt vilken en cell är en grundläggande enhet i livet (teorin menar också att nya celler uppstår ur befintliga celler och att alla levande varelser har en eller flera celler).

I dag delas cellerna in i två huvudkategorier, nämligen prokaryota celler (arkéer och bakterier) och eukaryota celler (växter, djur, protister osv.). Som namnen antyder klassificeras de två typerna av celler utifrån det sätt på vilket deras genetiska material är arrangerat/organiserat i cellen. De har dock även ett antal andra skillnader som gör det möjligt att skilja mellan de två typerna av celler.

* Ordet kärna härstammar från det latinska ordet nucleus som betyder “kärna/kärna”.

* Medan “Eu” betyder sant eller bra, betyder “Pro” nej – Här kan alltså eukaryoter beskrivas som celler som har en kärna, medan prokaryoter är celler utan kärna. Det är dock värt att notera att de alla har genetiskt material.

Translation

Inom molekylärbiologi och genetik är translation den term som används för att beskriva den process genom vilken en budbärarribonukleinsyra (mRNA) avkodas för att syntetisera polypeptider eller aminosyrakedjor. Här bär mRNA genetiska koder (information) som tjänar som blåkopia för dessa molekyler (som används för att bygga proteiner). I cellerna sker denna process efter transkriptionen och omfattar tre huvudfaser.

Dessa inkluderar:

• Initiering
• Förlängning
• Terminering

Avse de skillnader som finns i hur arvsmassan är organiserad mellan eukaryoter och prokaryoter, kan man också identifiera skillnader i översättningen mellan de två typerna av celler.

En kort beskrivning av transkription hos prokaryoter och eukaryoter

Med tanke på att mRNA, som tjänar som mall för proteinsyntesen, i sig självt är en produkt av transkription är det viktigt att få en allmän uppfattning om denna process hos prokaryoter och eukaryoter.

* Transkription kan beskrivas som den process som förbinder DNA (eller genetisk information som finns i DNA) med protein. Här används informationen som finns i DNA i slutändan för att producera proteiner.

I eukaryota celler sker transkriptionsprocessen i kärnan och det resulterande mRNA-transkriptet transporteras till cytoplasman där det är involverat i översättning. I prokaryoter däremot sker transkriptionen i cytoplasman där det genetiska materialet befinner sig.

Här är det värt att notera att till skillnad från eukaryota celler har prokaryoter inte en kärna där det genetiska materialet är bundet av ett membran. Som ett resultat av detta är cellens genetiska material lokaliserat i cytoplasman.

I både eukaryoter och prokaryoter (bakterier) kallas transkriptionens första steg för initieringssteget och startar när associerade proteiner och enzymer (RNA-polymeras) binder till promotorn (en DNA-sekvens).

Ett bra exempel på dessa sekvenser (vid promotorn) är TATA-boxen i eukaryoter (detta är en idealisk plats med tanke på att As och Ts är bundna med ett fåtal (2) vätebindningar och därmed lättare att dra isär strängarna).

I eukaryotiska celler måste proteiner som kallas basala transkriptionsfaktorer först binda till promotorns plats för att hjälpa RNA-polymeraset att fästa vid platsen. Detta är annorlunda jämfört med prokaryoter där polymeraset fäster direkt vid promotorn.

* Under initieringsfasen leder polymerasets bindning till promotorregionen till att DNA:t avvecklas innan den andra fasen startar.

* Hos eukaryoter är transkriptionsfaktorerna (TF:s) viktiga genom att de identifierar och binder till DNA-sekvensen i promotorregionen. När de binder till platsen bildar de ett så kallat initieringskomplex som lockar polymeraset att binda sig.

Nästa (andra) steg i transkriptionen kallas för elongation och kan helt enkelt beskrivas som förlängning av transkriptet. Här “läser” och “skriver” polymeraset mRNA från DNA:s (-) antisense-mallsträng medan (+) sense-strängen skyddar det (den negativa antisense-mallsträngen) från olika störande faktorer.

Med tanke på att polymeraset kopierar från mallsträngen är det mRNA som bildas komplementärt till denna sträng. Denna nya sträng innehåller dock en uracil (U)-nukleotid i stället för en tymin (T) som finns i DNA-strängen.

* Under elongationen “rör” sig polymeraset längs mallsträngen i en 3′- till 5′-riktning och lägger till en nukleotid till RNA på ett sätt som matchar DNA-strängens. Detta ger ett transkript (RNA-transkript) som är nästan identiskt med icke-mallsträngen.

Den sista fasen av transkriptionen kallas för terminering där transkriptionen fortsätter tills den stoppas vilket i sin tur gör att RNA-transkriptet kan frigöras. Här kan polymeraset instrueras att dissociera från mallen genom givna termineringssignaler beroende på cellen.

I prokaryoter styr proteinbaserade signaler som rho-protein Rho-beroende terminering vilket resulterar i att polymeraset dissocieras från mallen när mRNA:t frigörs.

* Med tanke på att transkriptionen sker i cytoplasman hos prokaryoter startar ofta översättningen medan transkriptionen fortsätter eller omedelbart efter att den avslutats. I eukaryoter skiljer dock ett kärnmembran ribosomen (som är involverad i översättningsprocessen) från transkriptionsprocessen. Därför måste transkriptionen avslutas innan transkriptionerna släpps ut i cytoplasman där översättningen äger rum.

Karakteristika för mRNA hos prokaryoter och eukaryoter

mRNA som produceras genom transkriptionsprocessen kallas också för mRNA-transkript. Även om de har ett antal liknande egenskaper har de också flera skillnader. Det prokaryotiska mRNA-transkriptet kan delas in i ett antal delar/avsnitt som omfattar: den icke-kodande regionen (belägen i 5′-ändan av transkriptet), Shine-Dalgarno-sekvensen, en andra icke-kodande region, startkodonet, den kodande regionen, stoppkodonet och ytterligare en icke-kodande region i 3′-ändan.

Det eukaryota mRNA:t börjar å andra sidan med en 5′ cap och består av en guaninnukleotid. Denna nukleotid är knuten till en metylgrupp och bunden till den angränsande nukleotiden. Guaninnukleotiden är knuten till den icke-kodande regionen, som liknar den i prokaryotiskt mRNA. Nästa avsnitt är startkoden från vilken den kodande regionen sträcker sig.

Den kodande regionen slutar vid stoppkodonet. Detta följs av en icke-kodande region och slutligen poly-A-tail (som består av adeniner och kan bestå av så många som 2200 nukleotider) i 3′-ändan. I eukaryoter förhindrar 5′-hättan och poly-A- svansen att mRNA bryts ned.

Här är det viktigt att komma ihåg att i eukaryoter måste mRNA:t släppas ut i cytoplasman där translation sker. Därför spelar de två sektionerna en viktig roll för att upprätthålla mRNA:s integritet. I prokaryoter kan transkription och translation ske samtidigt och därför är dessa avsnitt inte nödvändiga.

Till skillnad från transkriptet hos eukaryoter behöver detta mRNA inte transporteras långa sträckor och stöter därför inte på olika enzymer som kan tänkas bryta ned det. Därför behöver mRNA i prokaryoter inte ytterligare skydd för att förhindra skador.

Som nämnts är översättning den process genom vilken proteinernas byggstenar (polypeptider/aminosyrakedjor) byggs upp med hjälp av den information som finns i mRNA. Det är en viktig process med tanke på att den producerar proteiner som krävs för olika cellfunktioner.

För att förstå processen är det viktigt att känna till några av de komponenter och terminologier som används vid översättning.

Avsevärt mRNA (messenger RNA) innefattar de:

– Polypeptider – Kedjor av aminosyror och är de molekyler som utgör proteiner.

– Nukleotider – Strukturella beståndsdelar i DNA och RNA. De består i sin tur av nukleosid och fosfat och omfattar adenin, tymin, cytosin och guanin (samt uracil).

– Kodoner – En grupp som består av tre nukleotider – Till exempel är AUG ett bra exempel på en kodon – Medan kodoner tjänar som byggstenar för aminosyror, stoppar andra processen när polypeptiden är färdig.

– tRNA (transfer RNA) – Fungerar som brygga mellan mRNA-kodoner och aminosyror.

– Ribosom – Ribosomen består av rRNA och protein och är de strukturer i vilka polypeptider tillverkas.

Översättning i prokaryoter

Med tanke på att prokaryoternas genetiska material (DNA) inte finns i en membranbunden kärna sker transkriptionen i cytoplasman. Detta gör alltså att översättningen kan påbörjas i denna miljö så snart mRNA framträder ur polymeraset (RNA-polymeraset/RNAP).

I de fall där det finns tillräckligt med utrymme (på mRNA) för att rymma ribosomen kan översättningen påbörjas redan innan transkriptionsprocessen är avslutad.

Som ett resultat av detta är ett scenario där en DNA-sträng transkriberas av flera polymeraser med flera ribosomer som översätter denna information (från RNA) inte ovanligt hos prokaryoter, särskilt inte när det gäller högt uttryckta gener.

Som i fallet med transkription finns det tre faser i översättningen som omfattar initiering, förlängning och terminering. Initieringsfasen kännetecknas av bildandet av initieringskomplexet och börjar med att ribosomens lilla underenhet (30S) binder sig till mRNA.

* Ribosomen består av två underenheter (rRNA-underenheter) där den ena underenheten är mindre än den andra. Hos prokaryoter benämns den mindre underenheten 30S medan den större är 50S – den totala summan av dessa är 70S (S står för Svedberg-enheter.)

Initiering

För att initieringsfasen ska kunna äga rum måste den mindre ribosomala underenheten först skiljas från den större (50S) ribosomala underenheten. När den väl är dissocierad binder initieringsfaktorer (IF-1 och IF-2) på bestämda platser på 30S-underenheterna där de fyller olika funktioner.

På A-platsen (på ribosomunderenheten) tjänar IF-1 till att förhindra att en ny molekyl av aminoacyl-tRNA kommer in i detta skede av översättningen. Dessutom främjar den sammansättningen och stabiliseringen av komplexet.

Det är också så att initieringsfaktorn IF-3 främjar bindningen av underenheten till mRNA. Den tredje initieringsfaktorn (IF-2 GTP) introducerar initieringsaminoacyl-tRNA och binder till underenhetens P-plats. På så sätt gör den det möjligt för tRNA:s anticodon att fästa vid mRNA:s startkodon (AUG).

Efter hydrolys av GTP (liksom frigörandet av de andra initieringsfaktorerna) binder den större ribosomunderenheten (50S) till den mindre underenheten (30S), vilket ger en fullt fungerande ribosom. Efter bildandet av en fullt fungerande ribosom kan A-platsen återigen ta emot en annan aminoacyl-tRNA-molekyl.

I slutet av initieringsfasen består det initieringskomplex som bildas av de båda ribosomala subenheterna (den stora och den mindre subenheten), mRNA:t samt tRNA:t som också bär på fMet (N-formyl-methionin).

* IF-1 och IF-3 hjälper också till att dissociera den mindre ribosomunderenheten (30S) från den större underenheten (50S).

* Shine-Dalgarno sekvensen är belägen flera baser uppströms från startkodonet (i mRNA). Denna plats är viktig eftersom den signalerar proteinsyntesprocessen genom att korrekt anpassa ribosomunderenheten till startkodonet.

* tRNA, som är en av initiatorerna, bär på N-formylmethionin (fMet) som infogas i N-terminen av de polypeptidkedjor som produceras av sådana prokaryoter som E.coli.

Elongation

Den andra fasen av översättningen kallas elongation och kännetecknas av att polypeptidkedjan förlängs. Här har ribosomen en katalytisk funktion som peptidöverförare.

Helheten kan delas in i tre huvudsteg i förlängningen som innefattar: aminoacyl-tRNA-bindning, bildande av peptidbindningen samt translokation. Under det första steget i denna cykel (aminoacyl-tRNA-bindning) binder ett aminoacyl-tRNA som motsvarar det andra kodonet till A-platsen (aminoacylplatsen) genom interaktionen kodon-anticodon.

Här är det värt att notera att metionin som kom med IF-2 tillsammans med initiator-tRNA under initieringsfasen är den första aminosyran. Bindningen av aminoacyl-tRNA främjas av GTP och förlängningsfaktorn (ET-Tu). De tre förenas för att bilda ett komplex (aminoacyl-tRNA/EF-Tu/GTP-komplex) som resulterar i hydrolys av GTP. I sin tur frigörs förlängningsfaktorn (EF-Tu bunden t GDP).

Den frigjorda EF-Tu-molekylen kan sedan främja bindningen av ett annat tRNA till ribosomen när den har regenererats. Detta sker när EF-Ts (också en förlängningsfaktor) binder och ersätter GDP på EF-Tu. EF-Ts ersätts sedan av GTP, vilket leder till att en ny regenererad EF-Tu-GTP bildas.

I det andra steget, när peptidbindningen bildas, dissocieras karboxyländan av aminosyran på tRNA:t vid peptidylplatsen (P) och binds till aminogruppen i den aminosyra som är knuten till tRNA:t vid A-platsen genom en peptidbindning. Detta steg i cykeln katalyseras av peptidyltransferaset.

Det tredje steget i cykeln (translokation) kännetecknas av att elongationskomplexet och GTP binds till ribosomen. Här resulterar hydrolysen av GTP i produktion av GDP och en fosfat medan frigörandet av förlängningsfaktorn (EF-G) frigör den för att binda GTP som förberedelse för en ny förlängningscykel.

När det deacylerade tRNA:t flyttas från P-platsen till E-platsen och dipeptidyl-tRNA:t från A-platsen till P-platsen förblir platsen tom och därmed fri att ta emot ett annat aminoacyltRNA. En aminosyra läggs kontinuerligt till i den C-terminala änden av polypeptiden när den växer i längd för var och en av kodonerna när peptidyl-tRNA rör sig till och från P- och A-platserna.

Terminering

* Under förlängningen förflyttar sig tRNA kontinuerligt från P- till A-platsen (framåt) då det för med sig nästa aminosyra som ska läggas till på den föregående kedjan (kedjan som började med ett metionin). Denna process fortsätter tills ett stoppkodon i mRNA:t kommer in på A-sidan och därmed stoppar cykeln från att fortsätta. Det finns tre typer av stoppkodon: UAA, UAG och UGA.

Den sista fasen i översättningsprocessen kallas terminering och är den punkt där processen avslutas. Efter att ha gått in på A-sidan hindrar stoppkodonet tRNA från att binda sig.

En av frisättningsfaktorerna (RF-1 eller RF-2 tillsammans med en RF-3) binder sig till kodonerna vilket gör att enzymet (peptidyltransferas) som ansvarar för peptidbindningar frigör en vattenmolekyl på kedjans sista aminosyra, vilket leder till att peptiden och det tRNA som är knutet till P-sidan hydrolyseras. Som ett resultat av detta separeras den nybildade kedjan från tRNA och lämnar ribosomen.

* Medan RF-1 identifierar UAA och UAG identifierar RF-2 UAA och UGA medan RF-3 främjar interaktionen mellan någon av de andra två frisättningsfaktorerna och ribosomen.

* Frisättningsfaktorer binder sig till stoppkodonet med tanke på att inga tRNA har anticodon för stoppkodonet i prokaryoter.

Några andra händelser som äger rum under termineringsfasen är t.ex:

– mRNA frigörs

– tRNA frigörs från ribosomen när ribosomreleasing factor binder till A-platsen

– Ribosomen dissocieras i den stora och den lilla underenheten när EF-.G binder till RRF (ribosome releasing factor)

Översättning i eukaryoter

Som i prokaryoter, är translation den process genom vilken en sekvens av mRNA översätts till polypeptider under proteinsyntesen.

Som nämnts sker transkriptions- och translationsprocesserna i cytoplasman hos prokaryoter (och kan till och med ske samtidigt). Hos eukaryoter skiljer dock kärnmembranet den ribosom som finns i cytoplasman från transkriptionsprocessen som äger rum i kärnan. Av denna anledning börjar översättningen när transkriptionen avslutas och mRNA:t transporteras till cytoplasman.

* För att nå cytoplasman passerar mRNA genom kärnporerna på kärnmembranet.

* Hos eukaryoter sker translationen också i ribosomen som är belägen på det endoplasmatiska retikulumet (ER).

I eukaryota organismer sker translation också i tre faser som omfattar initiering, förlängning och terminering. Även om detta liknar processen i prokaryoter finns det flera skillnader, särskilt när det gäller de inblandade komponenterna.

Initiering

Under initieringsfasen bildar den mindre ribosomala underenheten ett komplex med tre initieringsfaktorer. Här är dock den mindre ribosomala underenheten 40S jämfört med den mycket mindre 30S i prokaryoter. Bindning av dessa initieringsfaktorer (IF-1, IF-A och IF-3) till den ribosomala underenheten ger upphov till preinitieringskomplexet som i sin tur förenar IF-5 (initieringsfaktor 5) och tRNA.

Slutligt binder detta komplex mRNA för att bilda initieringskomplexet. Liksom hos prokaryoter rör sig den lilla ribosomala underenheten längs mRNA:s otranslaterade region när den söker efter startkoden (i de flesta fall fungerar den första AUG som startkodon hos eukaryoter).

* Hos eukaryoter kallas den mRNA-sekvens som ligger vid startkoden för Kozak-sekvensen (ACCAUGG). Även om denna sekvens har en liknande funktion som Shine-Dalgarno-sekvensen skiljer sig de två från varandra genom att Kozak-sekvensen faktiskt innehåller startsekvensen.

När startkodonet känns igen rekryteras den större ribosomunderenheten (60S) till komplexet, vilket resulterar i bildandet av en fullt fungerande ribosom (detta är en energiberoende process som inbegriper GTP-hydrolys och som i slutändan producerar en 80S-ribosom). När en fullt fungerande ribosom har bildats frigörs initieringsfaktorerna.

* I slutet av initieringsfaktorn befinner sig initiatorns tRNAmet på P-platsen medan A-platsen förblir vakant.

Elongation

Detta är översättningens andra fas och innebär att polypeptiden syntetiseras. Elongationsprocessen hos eukaryoter liknar den hos eukaryoter, men EF-Tu är ersatt av EF-1α. Här har förlängningsfaktorproteinerna (EF) tre huvudfunktioner.

Den första funktionen för dessa proteiner (elongationsfaktorproteiner) är att rekrytera de laddade tRNA:erna till A-platsen. Dessutom spelar de en viktig roll för att bilda en peptidbindning mellan aminosyrorna samt för translokationen av ribosomen längs mRNA:et.

Processens framskridande inbegriper translokationshändelsen. I var och en av dessa händelser går de laddade tRNA:erna in på A-sidan innan de förflyttas till P-sidan. I slutet av varje händelse går tRNA:et in på E-sidan så att det kan avlägsnas.

När ribosomen förflyttar sig längs mRNA:et främjar förlängningsfaktorer peptidbindningarna mellan aminosyror som befinner sig på på tRNA:et (på A-sidan) och karboxylgruppen i den aminogrupp som befinner sig på tRNA:et på P-sidan.

Här tjänar peptidyltransferas (ribozym som finns i den större 50S ribosomala underenheten) som katalysator för reaktionen. Den aminosyra som är associerad med tRNA på P-platsen kopplas sedan till den växande polypeptidkedjan, vilket gör att kedjan kan fortsätta att växa i längd. Denna process gör att ribosomen kan fortsätta att röra sig längs mRNA:t eftersom polypeptidkedjan fortsätter att växa innan den stannar vid termineringsfasen.

Terminering

Detta är den sista fasen i översättningsprocessen. Den inträffar när ribosomen anländer till nonsenskodonet i mRNA där tRNA inte har något komplementärt anticodon. När nonsense-kodonet identifieras av frisättningsfaktorer lösgörs aminosyran på P-platsen från tRNA:t vilket frigör polypeptiden.

Å andra sidan lösgörs ribosomen inte bara från mRNA:t utan också i de två underenheterna (små och stora ribosomala underenheter) vilket gör att de kan gå in i initieringsfasen i en annan översättningsprocess.

Retur från Translation in Eukaryotes and Prokaryotes to MicroscopeMaster home

Birge E.A. (2000) Transkription och översättning: Processer och grundläggande reglering. In: Bacterial and Bacteriophage Genetics.

Eric Wong. (2009). Cells: Molekyler och mekanismer: Översättning: från RNA till protein.

Pelin Pelit Arayici, Tayfun Acar och Mesut Karahan. (2014). Transkription och översättning.

Julie A Theriot. (2013). Varför skiljer sig bakterier från eukaryoter?

Suzanne Clancy & William Brown. (2008). Översättning: DNA till mRNA till protein.

Länkar