Перевод (биология)

редактировать
Клеточный процесс синтеза белка Обзор трансляции эукариотической информационной РНК Диаграмма, показывающая трансляцию мРНК и синтез белков рибосомой. Стадии инициации и удлинения трансляции, как видно из увеличения азотистых оснований в РНК, рибосоме, тРНК и аминокислотах, с краткими пояснениями. Три фазы трансляции. Полимераза инициации трансляции связывается с цепью ДНК и перемещается, пока малая субъединица рибосомы не свяжется с ДНК. Удлинение инициируется, когда большая субъединица прикрепляется, а завершение завершает процесс удлинения.

В молекулярной биологии и генетике, трансляция - это процесс, в котором рибосомы в цитоплазме или эндоплазматическом ретикулуме синтезируют белки после процесса транскрипции ДНК в РНК в ядре клетки. Весь процесс называется экспрессией гена.

При трансляции информационная РНК (мРНК) декодируется в рибосоме вне ядра с образованием конкретной аминокислотной цепи., или полипептид. Позднее полипептид сворачивается в активный белок и выполняет свои функции в клетке. рибосома облегчает декодирование, индуцируя связывание комплементарные последовательности тРНК антикодона к кодонам мРНК . ТРНК несут определенные аминокислоты, которые связаны в полипептид, когда мРНК проходит через рибосомы и «считывается» ими.

Трансляция проходит в три фазы:

  1. Инициирование : рибосома собирается вокруг целевой мРНК. Первая тРНК присоединяется к стартовому кодону.
  2. Удлинение : тРНК переносит аминокислоту на тРНК, соответствующую следующему кодону. Затем рибосома перемещается (перемещается) к следующему кодону мРНК, чтобы продолжить процесс, создавая аминокислотную цепь.
  3. Терминация : при достижении стоп-кодона рибосома высвобождает полипептид.

In прокариот (бактерии), трансляция происходит в цитоплазме, где большая и малая субъединицы рибосомы связываются с мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитозоле или через мембрану эндоплазматического ретикулума в процессе, называемом ко-трансляционной транслокацией. При ко-трансляционной транслокации весь комплекс рибосома / мРНК связывается с внешней мембраной грубого эндоплазматического ретикулума (ER), и новый белок синтезируется и высвобождается в ER; вновь созданный полипептид может храниться внутри ER для будущего транспорта везикул и секреции вне клетки или немедленно секретироваться.

Многие типы транскрибируемой РНК, такие как транспортная РНК, рибосомная РНК и малая ядерная РНК, не подвергаются трансляции в белки.

Ряд антибиотиков действуют путем ингибирования трансляции. К ним относятся анизомицин, циклогексимид, хлорамфеникол, тетрациклин, стрептомицин, эритромицин, и пуромицин. Прокариотические рибосомы имеют структуру, отличную от структуры эукариотических рибосом, и, таким образом, антибиотики могут специфически воздействовать на бактериальные инфекции без какого-либо вреда для эукариотических хозяйских клеток.

Содержание

  • 1 Основные механизмы
  • 2 Клиническая значимость
  • 3 Математическое моделирование перевода
  • 4 Генетический код
    • 4.1 Таблицы перевода
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Основные механизмы

Рибосома, транслирующая белок, который секретируется в эндоплазматический ретикулум. тРНК окрашены в темно-синий цвет. Третичная структура тРНК. Хвост CCA желтым, ствол акцептора фиолетовым, переменная петля оранжевым, плечо D красным, рука Anticodon синим с Anticodon черным, плечо T зеленым.

Основной процесс производства белка - добавление одного аминокислота за один раз до конца белка. Эта операция выполняется рибосомой. Рибосома состоит из двух субъединиц, маленькой субъединицы и большой субъединицы. эти субъединицы объединяются перед трансляцией мРНК в белок, чтобы обеспечить место для осуществления трансляции и получения полипептида. Выбор типа аминокислоты для добавления определяется молекулой мРНК. Каждая добавленная аминокислота соответствует трехнуклеотидной подпоследовательности мРНК. Для каждого такого возможного триплета принимается соответствующая аминокислота. Последовательные аминокислоты, добавляемые в цепь, сопоставляются с последовательными триплетами нуклеотидов в мРНК. Таким образом, последовательность нуклеотидов в цепи матричной мРНК определяет последовательность аминокислот в созданной аминокислотной цепи. Добавление аминокислоты происходит на С-конце пептида, и поэтому говорят, что трансляция направлена ​​от амино к карбоксилу.

мРНК несет генетический информация, закодированная в виде рибонуклеотидной последовательности от хромосом до рибосом. Рибонуклеотиды «считываются» трансляционным аппаратом в последовательности триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Каждый из этих триплетов кодирует конкретную аминокислоту.

. Молекулы рибосомы переводят этот код в конкретную последовательность аминокислот. Рибосома представляет собой мультисубъединичную структуру, содержащую рРНК и белки. Это «фабрика», где аминокислоты превращаются в белки. тРНК представляют собой небольшие некодирующие цепи РНК (74–93 нуклеотида), которые транспортируют аминокислоты к рибосоме. тРНК имеют сайт для присоединения аминокислот и сайт, называемый антикодоном. Антикодон представляет собой триплет РНК, комплементарный триплету мРНК, который кодирует их груз аминокислота.

аминоацил тРНК синтетазы (ферменты ), катализирующие связывание между конкретными тРНК и аминокислот, которые требуют их антикодоновые последовательности. Продуктом этой реакции является аминоацил-тРНК. У прокариот эта аминоацил-тРНК переносится на рибосому с помощью EF-Tu, где кодоны мРНК сопоставляются посредством комплементарного спаривания оснований со специфическими антикодонами тРНК. Аминоацил-тРНК-синтетазы, которые неправильно спаривают тРНК с неправильными аминокислотами, могут продуцировать неправильно заряженные аминоацил-тРНК, что может привести к несоответствующим аминокислотам в соответствующем положении в белке. Эта «неправильная трансляция» генетического кода естественным образом происходит на низких уровнях у большинства организмов, но определенные клеточные среды вызывают увеличение разрешающего декодирования мРНК, иногда в пользу клетки.

Рибосома имеет три сайта для связывания тРНК. Это аминоацильный сайт (сокращенно A), пептидильный сайт (сокращенно P) и сайт выхода (сокращенно E). Что касается мРНК, три сайта ориентированы от 5 ’к 3’ E-P-A, потому что рибосомы перемещаются к 3 ’концу мРНК. A-сайт связывает входящую тРНК с комплементарным кодоном на мРНК. P-сайт содержит тРНК с растущей полипептидной цепью. E-сайт содержит тРНК без ее аминокислоты. Когда аминоацил-тРНК первоначально связывается со своим соответствующим кодоном на мРНК, она находится в сайте A. Затем между аминокислотой тРНК в сайте A и аминокислотой заряженной тРНК в сайте P образуется пептидная связь. Растущая полипептидная цепь переносится на тРНК в A-сайте. Происходит транслокация, перемещая тРНК из Р-сайта, теперь без аминокислоты, в Е-сайт; тРНК, которая была в сайте A, теперь заряженная полипептидной цепью, перемещается в сайт P. ТРНК в сайте E уходит, а другая аминоацил-тРНК входит в сайт A, чтобы повторить процесс.

После добавления новой аминокислоты в цепь и после выхода мРНК из ядра в ядра рибосомы, энергия, обеспечиваемая гидролизом GTP, связанного с транслоказой EF-Gпрокариотах ) и eEF-2эукариот ) перемещает рибосому на один кодон вниз по направлению к 3'-концу. Энергия, необходимая для трансляции белков, значительна. Для белка, содержащего n аминокислот, количество высокоэнергетических фосфатных связей, необходимых для его трансляции, составляет 4n-1. Скорость перевода варьируется; он значительно выше в прокариотических клетках (до 17–21 аминокислотных остатков в секунду), чем в эукариотических клетках (до 6–9 аминокислотных остатков в секунду).

Хотя рибосомы обычно считаются точными и процессивные машины, процесс трансляции подвержен ошибкам, которые могут привести либо к синтезу ошибочных белков, либо к преждевременному прекращению трансляции. Степень ошибки при синтезе белков оценивается как от 1/10 до 1/10 неправильно включенных аминокислот, в зависимости от условий эксперимента. Скорость преждевременного отказа от трансляции, напротив, была оценена порядка 10 событий на транслируемый кодон. Правильная аминокислота ковалентно связана с правильной транспортной РНК (тРНК) аминоацилтрансферазами. Аминокислота присоединена своей карбоксильной группой к 3 'ОН тРНК посредством сложноэфирной связи. Когда тРНК имеет связанную с ней аминокислоту, тРНК называют «заряженной». Инициация включает связывание небольшой субъединицы рибосомы с 5'-концом мРНК с помощью факторов инициации (IF). У прокариот инициация синтеза белка включает распознавание богатой пуринами инициирующей последовательности на мРНК, называемой последовательностью Шайна-Делгарно. Последовательность Шайна-Делгарно связывается с комплементарной богатой пиримидином последовательностью на 3'-конце части 16S рРНК 30S рибосомной субъединицы. Связывание этих комплементарных последовательностей гарантирует, что 30S рибосомная субъединица связана с мРНК и выровнена так, что инициирующий кодон помещается в 30S часть P-сайта. Как только мРНК и 30S-субъединица связаны должным образом, фактор инициации переносит комплекс инициаторной тРНК-аминокислоты, f-Met-тРНК, в сайт 30SP. Фаза инициации завершается, когда субъединица 50S присоединяется к субъединице 30, образуя активную 70S рибосому. Терминация полипептида происходит, когда сайт A рибосомы занят стоп-кодоном (UAA, UAG или UGA) на мРНК. тРНК обычно не может распознавать или связываться со стоп-кодонами. Вместо этого стоп-кодон индуцирует связывание белка фактора высвобождения. (RF1 и RF2), который вызывает разборку всего комплекса рибосома / мРНК за счет гидролиза полипептидной цепи из пептидилтрансферазного центра рибосомных препаратов или специальных мотивов последовательности на мРНК, может изменить структуру рибосомы, так что близкородственные тРНК связаны со стоп-кодоном вместо факторов высвобождения. В таких случаях «считывания трансляции» трансляция продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон.

Процесс трансляции строго регулируется как в эукариотических, так и в прокариотических организмах. Регуляция трансляции может влиять на общую скорость синтеза белка, которая тесно связана с метаболическим и пролиферативным состоянием клетки. Кроме того, недавняя работа показала, что генетические различия и их последующая экспрессия в виде мРНК также могут влиять на скорость трансляции РНК-специфическим образом.

Клиническая значимость

Контроль трансляции имеет решающее значение для развития и выживаемость рака. Раковые клетки должны часто регулировать фазу трансляции экспрессии генов, хотя не совсем понятно, почему трансляция осуществляется на таких этапах, как транскрипция. Хотя раковые клетки часто имеют генетически измененные факторы трансляции, гораздо чаще раковые клетки изменяют уровни существующих факторов трансляции. Несколько основных онкогенных сигнальных путей, включая пути RAS – MAPK, PI3K / AKT / mTOR, MYC и WNT – β-катенин, в конечном итоге репрограммируют геном через перевод. Раковые клетки также контролируют трансляцию, чтобы адаптироваться к клеточному стрессу. Во время стресса клетка транслирует мРНК, которые могут смягчить стресс и способствовать выживанию. Примером этого является экспрессия AMPK при различных формах рака; его активация запускает каскад, который в конечном итоге может позволить раку избежать апоптоза (запрограммированной гибели клеток), вызванного недостатком питания. Будущие методы лечения рака могут включать в себя нарушение механизма трансляции клетки, чтобы противостоять последующим эффектам рака.

Математическое моделирование трансляции

Рисунок M0. Базовая и простейшая модель синтеза белка M0. Здесь * M - количество мРНК с сайтом инициации трансляции, не занятым сборкой рибосомы, * F - количество мРНК с сайтом инициации трансляции, занятым сборкой рибосомы, * R - количество рибосом, сидящих на мРНК, синтезирующих белки, * P - количество синтезированные белки. Фиг. M1 '. Расширенная модель синтеза белка M1 с явным представлением связывания 40S, 60S и факторов инициации (IF).

Описание процесса транскрипции-трансляции, в котором упоминаются только самые основные «элементарные» процессы, состоит из:

  1. продукции молекулы мРНК (включая сплайсинг),
  2. инициация этих молекул с помощью факторов инициации (например, инициация может включать этап циркуляризации, хотя это не всегда требуется),
  3. инициация трансляции, рекрутирование малой субъединицы рибосомы,
  4. сборка полных рибосом,
  5. удлинение, т.е. движение рибосом вдоль мРНК с образованием белка,
  6. прекращение трансляции,
  7. деградация молекул мРНК,
  8. деградация белков.

Процесс синтеза и трансляции белков долгое время является предметом математического моделирования, начиная с первых детальных кинетических моделей, таких как или другие, с учетом учитывать стохастические аспекты перевода nd с помощью компьютерного моделирования. Многие модели синтеза белка, основанные на химической кинетике, были разработаны и проанализированы за последние четыре десятилетия. Помимо химической кинетики, используются различные формализмы моделирования, такие как полностью асимметричный простой процесс исключения (TASEP), Вероятностные логические сети (PBN), сети Петри и max. -plus algebra были применены для моделирования детальной кинетики синтеза белка или некоторых его стадий. Базовая модель синтеза белка, которая учитывала все восемь «элементарных» процессов, была разработана в соответствии с парадигмой, согласно которой «полезные модели просты и расширяемы». Простейшая модель M0 представлена ​​кинетическим механизмом реакции (рисунок M0). Он был обобщен для включения 40S, 60S и факторов инициации (IF) связывания (фигура M1 '). Он был расширен, чтобы включить влияние микроРНК на синтез белка. Большинство моделей в этой иерархии можно решить аналитически. Эти растворы были использованы для извлечения «кинетических сигнатур» различных специфических механизмов регуляции синтеза.

Генетический код

В то время как другие аспекты, такие как трехмерная структура, называемая третичной структурой, белка могут быть предсказаны только с использованием сложных алгоритмов, аминокислотная последовательность, называемая первичной структурой, может быть определена исключительно по последовательности нуклеиновой кислоты с помощью таблицы трансляции.

. Этот подход может не дать правильный аминокислотный состав белка, в частности, если нетрадиционные аминокислоты, такие как селеноцистеин, включены в белок, который кодируется обычным стоп-кодоном в сочетании с расположенной ниже шпилькой (последовательность вставки SElenoCysteine, или SECIS).

Существует множество компьютерных программ, способных переводить последовательность ДНК / РНК в последовательность белка. Обычно это выполняется с использованием стандартного генетического кода, однако немногие программы могут обрабатывать все «особые» случаи, такие как использование альтернативных кодонов инициации. Например, редкий альтернативный стартовый кодон CTG кодирует для метионина при использовании в качестве стартового кодона и для лейцина во всех других положениях.

Пример: сокращенная таблица перевода для Стандартного генетического кода (с веб-страницы Таксономии NCBI ).

AAs = FFLLSSSSYY ** CC * WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVVAAAADDEEGGGG Starts = --- M --------------- M -------------- -М ---------------------------- Base1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG Base2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG Base3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG строка

В "Запуск" указывают три стартовых кодона, UUG, CUG и очень распространенный AUG. Он также указывает на первый аминокислотный остаток, если интерпретировать его как начало: в данном случае это весь метионин.

Таблицы трансляции

Даже при работе с обычными эукариотическими последовательностями, такими как геном дрожжей, часто желательно иметь возможность использовать альтернативные таблицы трансляции, а именно для перевода митохондриальные гены. В настоящее время следующие таблицы трансляции определены таксономической группой NCBI для трансляции последовательностей в GenBank :

  1. стандартный код
  2. митохондриальный код позвоночных
  3. митохондриальный код дрожжей
  4. митохондриальный код плесневых, простейших и кишечнополостных и код микоплазмы / спироплазмы
  5. митохондриальный код беспозвоночных
  6. инфузорий, дазикладовых и Ядерный код hexamita
  7. код кинетопласта
  8. Митохондриальный код иглокожих и плоских червей
  9. ядерный код эуплотид
  10. код пластид бактерий, архей и растений
  11. альтернативный код ядра дрожжей
  12. митохондриальный код асцидии
  13. альтернативный митохондриальный код плоских червей
  14. ядерный код блефаризма
  15. митохондриальный код хлорофиана
  16. Митохондриальный код трематод
  17. Митохондриальный код Scenedesmus obliquus
  18. Митохондриальный код Thraustochytrium
  19. Митохондриальный код птеробранхий
  20. код SR1 и грацилибактерии
  21. Ядерный код Pachysolen tannophilus
  22. ядерный код кариореликта
  23. Ядерный код кондилостомы
  24. Ядерный код Mesodinium
  25. Ядерный код перитриха
  26. Ядерный код Blastocrithidia
  27. Митохондриальный код Cephalodiscidae

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Переводом (биология).
Последняя правка сделана 2021-06-11 09:55:32
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте