Übersetzung (Biologie) - Wikipedia

In der Molekularbiologie und Genetik ist translation der Prozess, bei dem Ribosomen im Zytoplasma oder ER Proteine ​​nach dem Transkriptionsprozess von DNA zu RNA im Zellkern synthetisieren. Der gesamte Prozess wird als Genexpression bezeichnet.

Bei der Translation wird Messenger-RNA (mRNA) in einem Ribosom decodiert, um eine spezifische Aminosäurekette oder ein bestimmtes Polypeptid zu erzeugen. Das Polypeptid faltet sich später zu einem aktiven Protein und erfüllt seine Funktionen in der Zelle. Das Ribosom erleichtert die Decodierung durch Induzieren der Bindung komplementärer tRNA-Anticodon-Sequenzen an mRNA-Codons. Die tRNAs tragen spezifische Aminosäuren, die zu einem Polypeptid verkettet werden, wenn die mRNA durch das Ribosom geht und von diesem "gelesen" wird.

Die Übersetzung erfolgt in drei Phasen:

1. Initiation : Das Ribosom sammelt sich um die Ziel-mRNA. Die erste tRNA ist am Startcodon gebunden.
2. Verlängerung : Die tRNA überträgt eine Aminosäure an die tRNA, die dem nächsten Codon entspricht. Das Ribosom bewegt sich dann (19459015] transloziert) zum nächsten mRNA-Codon, um den Prozess fortzusetzen und eine Aminosäurekette zu bilden.
3. 

   Die drei Phasen der Translationsinitiationspolymerase binden an den DNA-Strang und bewegen sich bis zum kleinen Strang ribosomale Untereinheit bindet an die DNA. Die Verlängerung wird eingeleitet, wenn die große Untereinheit anhängt und der Abbruch den Verlängerungsprozess beendet.
   Abbruch : Wenn ein Stopp-Codon erreicht wird, setzt das Ribosom das Polypeptid frei.

Bei Prokaryoten (Bakterien) erfolgt die Translation in den Cytosol ^[1]wo die mittleren und kleinen Untereinheiten des Ribosoms an die tRNA binden. Bei Eukaryonten findet die Translation im Cytosol oder über die Membran des endoplasmatischen Retikulums in einem Prozess statt, der als Co-translatorische Translokation bezeichnet wird. Bei der Co-Translations-Translokation bindet der gesamte Ribosomen / mRNA-Komplex an die äußere Membran des rauen endoplasmatischen Retikulums (ER), und das neue Protein wird synthetisiert und in den ER freigesetzt. Das neu erzeugte Polypeptid kann im ER für den späteren Transport und die Sekretion von Vesikeln außerhalb der Zelle gespeichert oder sofort sekretiert werden.

Viele Arten transkribierter RNA, wie Transfer-RNA, ribosomale RNA und kleine Kern-RNA, werden nicht in Proteine ​​übersetzt.

Eine Reihe von Antibiotika wirkt durch Hemmung der Translation. Dazu gehören Clindamycin, Anisomycin, Cycloheximid, Chloramphenicol, Tetracyclin, Streptomycin, Erythromycin und Puromycin. Prokaryontische Ribosomen haben eine andere Struktur als die eukaryontischer Ribosomen. Antibiotika können somit gezielt gegen bakterielle Infektionen gerichtet sein, ohne die Zellen eines eukaryotischen Wirts zu schädigen.

Grundmechanismen [ edit ]

Ein Ribosom, das ein Protein übersetzt, das in das endoplasmatische Retikulum sekretiert wird. tRNAs sind dunkelblau gefärbt.

Tertiärstruktur von tRNA. CCA-Schwanz in Gelb, Akzeptorstamm in Violett, Variable Schleife in Orange, D-Arm in Rot, Anticodon-Arm 19659017] in Blau mit Anticodon in Schwarz, T-Arm in Grün.

Der grundlegende Prozess der Translation ist die Hinzufügung einer Aminosäure zum Ende des Polypeptids gebildet werden. Dieser Prozess findet im Inneren des Ribosoms statt. Ein Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten, einer kleinen 40S-Untereinheit und einer großen 60S-Untereinheit. Diese Untereinheiten kommen vor der Translation von mRNA in ein Protein zusammen, um einen Ort für die durchzuführende Translation und ein zu produzierendes Polypeptid bereitzustellen. ^[2] Die Wahl des zu addierenden Aminosäuretyps wird durch den genetischen Code des mRNA-Moleküls bestimmt . Jede hinzugefügte Aminosäure ist an eine Drei-Nukleotid-Untersequenz der mRNA angepasst. Für jedes solche mögliche Triplett wird die entsprechende Aminosäure akzeptiert. Die aufeinanderfolgenden Aminosäuren, die an die Kette angefügt werden, sind an aufeinanderfolgende Nukleotidtripletts in der mRNA angepasst. Auf diese Weise bestimmt die Nukleotidsequenz in der Template-mRNA-Kette die Sequenz von Aminosäuren im erzeugten Polypeptid. ^[3] Die Zugabe einer Aminosäure erfolgt am C-Terminus des Peptids, und die Translation wird als Amino- Carboxyl-gerichtet ^[4]

Die mRNA trägt genetische Informationen, die als DNA-Sequenz von den Chromosomen zum Nukleolus kodiert sind. Die Ribonukleotide werden durch Translationsmaschinerie in einer Sequenz von Nukleotid-Tripletts, die als Codons bezeichnet werden, "gelesen". Jedes dieser Tripletts kodiert für eine bestimmte Aminosäure.

Die Ribosomenmoleküle übersetzen diesen Code in eine spezifische Aminosäuresequenz. Das Ribosom ist eine Multi-Untereinheit-Struktur, die rRNA und Proteine ​​enthält. Es ist die "Fabrik", in der Aminosäuren zu Proteinen zusammengefügt werden. tRNAs sind kleine, nicht kodierende RNA-Ketten (75-90 Nukleotide), die Aminosäuren zum Ribosom transportieren. tRNAs haben eine Stelle für die Aminosäureanheftung und eine Stelle, die als Anticodon bezeichnet wird. Das Anticodon ist ein RNA-Triplett, das zu dem mRNA-Triplett komplementär ist, das für die Ladung von Aminosäuren kodiert.

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (Enzyme) katalysieren die Bindung zwischen spezifischen tRNAs und den Aminosäuren, für die ihre Anticodonsequenzen erforderlich sind. Das Produkt dieser Reaktion ist eine Aminoacyl-tRNA. In Prokaryoten wird diese Aminoacyl-tRNA durch EF-Tu zum Ribosom transportiert, wobei mRNA-Codons durch komplementäre Basenpaarung an spezifische tRNA-Anticodons angepasst werden. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, die tRNAs mit den falschen Aminosäuren falsch machen, können zu Aminoacyl-tRNAs führen, die zu ungünstigen Aminosäuren an der jeweiligen Position im Protein führen können. Diese "Fehlübersetzung" ^[5] des genetischen Codes kommt in den meisten Organismen natürlich nur in geringen Mengen vor, aber bestimmte zelluläre Umgebungen führen zu einer Erhöhung der permissiven mRNA-Decodierung, manchmal zum Vorteil der Zelle.

Das Ribosom hat drei Bindungsstellen für tRNA. Sie sind die Aminoacylstelle (abgekürzt A), die Peptidylstelle (abgekürzt P) und die Austrittsstelle (abgekürzt E). In Bezug auf die mRNA sind die drei Stellen 5 '' bis 3 'E-P-A orientiert, da sich Ribosomen in Richtung des 3'-Endes der mRNA bewegen. Die A-Stelle bindet die ankommende tRNA mit dem komplementären Codon auf der mRNA. Die P-Stelle enthält die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette. Die E-Site enthält die tRNA ohne ihre Aminosäure. Wenn eine Aminoacyl-tRNA anfänglich an das entsprechende Codon auf der mRNA bindet, befindet sie sich in der A-Stelle. Dann bildet sich eine Peptidbindung zwischen der Aminosäure der tRNA in der A-Stelle und der Aminosäure der geladenen tRNA in der P-Stelle. Die wachsende Polypeptidkette wird auf die tRNA in der A-Stelle übertragen. Translokation tritt auf, wobei die tRNA in der P-Stelle jetzt ohne Aminosäure zur E-Stelle bewegt wird; Die tRNA an der A-Stelle, die jetzt mit der Polypeptidkette geladen ist, wird zur P-Stelle verschoben. Die tRNA in der E-Stelle verlässt und eine andere Aminoacyl-tRNA tritt in die A-Stelle ein, um den Prozess zu wiederholen. ^[6]

Nachdem die neue Aminosäure zur Kette hinzugefügt wurde und nachdem die mRNA freigesetzt wurde Aus dem Kern heraus und in den Kern des Ribosoms hinein bewegt die Energie, die durch die Hydrolyse eines an die Translokase EF-G (in Prokaryoten) und eEF-2 (in Eukaryoten) gebundenen GTPs bereitgestellt wird, das Ribosom um ein Codon in Richtung des 3'-Endes. Die für die Translation von Proteinen erforderliche Energie ist signifikant. Für ein Protein, das n Aminosäuren enthält, ist die Anzahl der für die Umsetzung erforderlichen hochenergetischen Phosphatbindungen 4 n +1. Die Übersetzungsrate variiert. es ist in prokaryotischen Zellen (bis zu 17-21 Aminosäurereste pro Sekunde) signifikant höher als in eukaryotischen Zellen (bis zu 6-9 Aminosäurereste pro Sekunde). ^[7]

Auch wenn Die Ribosomen werden in der Regel als genaue prozessive Maschinen betrachtet. Der Übersetzungsprozess unterliegt Fehlern, die entweder zur Synthese fehlerhafter Proteine ​​oder zum vorzeitigen Abbruch der Translation führen können. Die Fehlerrate bei der Synthese von Proteinen wurde auf 1/10 ⁵ und 1/10 ³ falsch eingebaute Aminosäuren geschätzt, abhängig von den experimentellen Bedingungen. ^[8] Die Rate von stattdessen wurde die vorzeitige Aufgabe der Translation in der Größenordnung von 10 ^-4 Ereignissen pro translatiertem Codon geschätzt. ^[9] Die korrekte Aminosäure wird durch kovalent an die korrekte Transfer-RNA (tRNA) gebunden Aminoacyltransferasen. Die Aminosäure ist mit ihrer Carboxylgruppe durch eine Esterbindung an das 3'-OH der tRNA gebunden. Wenn an die tRNA eine Aminosäure gebunden ist, wird die tRNA als "geladen" bezeichnet. Die Initiation beinhaltet die kleine Untereinheit des Ribosoms, die mit Hilfe von Initiationsfaktoren (IF) an das 5'-Ende der mRNA bindet. In Prokaryoten beinhaltet der Start der Proteinsynthese die Erkennung einer Purin-reichen Initiationssequenz auf der mRNA, die Shine-Dalgarno-Sequenz genannt wird. Die Shine-Dalgarno-Sequenz bindet an eine komplementäre, pyrimidinreiche Sequenz am 3'-Ende des 16S-rRNA-Teils der 30S-ribosomalen Untereinheit. Die Bindung dieser komplementären Sequenzen stellt sicher, dass die ribosomale 30S-Untereinheit an die mRNA gebunden und so ausgerichtet ist, dass das Initiationscodon im 30S-Abschnitt der P-Stelle platziert wird. Sobald die mRNA und die 30S-Untereinheit richtig gebunden sind, bringt ein Initiationsfaktor den Initiator-tRNA-Aminosäure-Komplex, f-Met-tRNA, an die 30S-P-Stelle. Die Initiierungsphase ist abgeschlossen, sobald sich eine 50S-Untereinheit mit der 30-Untereinheit verbindet und ein aktives 70S-Ribosom bildet. ^[10] Ein Abbruch des Polypeptids findet statt, wenn die A-Stelle des Ribosoms einem Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) auf der mRNA gegenübersteht . Normalerweise kann tRNA Codons nicht erkennen oder binden. Stattdessen induziert das Stopcodon die Bindung eines Freisetzungsfaktorproteins, das die Demontage des gesamten Ribosom / mRNA-Komplexes und die Hydrolyse und die Freisetzung der Polypeptidkette aus dem Ribosom veranlasst. Medikamente oder spezielle Sequenzmotive auf der mRNA können die ribosomale Struktur verändern, so dass nahe bezeichnende tRNAs anstelle der Freisetzungsfaktoren an das Stop-Codon gebunden werden. In solchen Fällen von "translationalem Durchlesen" wird die Translation fortgesetzt, bis das Ribosom auf das nächste Stopp-Codon trifft. ^[11]

Der Prozess der Translation ist in prokaryotischen und eukaryotischen Organismen stark reguliert. Die Regulation der Translation kann die globale Geschwindigkeit der Proteinsynthese beeinflussen, die eng mit dem metabolischen und proliferativen Zustand einer Zelle gekoppelt ist. Neuere Arbeiten haben außerdem gezeigt, dass genetische Unterschiede und ihre anschließende Expression als mRNAs auch die RNA-spezifische Translationsrate beeinflussen können. ^[12]

Genetic Code [ edit ]

Aspekte wie die 3D-Struktur, die als Tertiärstruktur bezeichnet wird, eines Proteins können nur mit Hilfe ausgefeilter Algorithmen vorhergesagt werden, die Aminosäuresequenz, die als Primärstruktur bezeichnet wird, kann allein aus der Nukleinsäuresequenz mit Hilfe einer Translationstabelle bestimmt werden.

Dieser Ansatz liefert möglicherweise nicht die richtige Aminosäurezusammensetzung des Proteins, insbesondere wenn unkonventionelle Aminosäuren wie Selenocystein in das Protein eingebaut werden, das von einem konventionellen Stop-Codon in Kombination mit einer nachgeschalteten Haarnadel (SElenoCystein Insertion) kodiert wird Sequenz oder SECIS).

Es gibt viele Computerprogramme, die eine DNA / RNA-Sequenz in eine Proteinsequenz übersetzen können. Normalerweise wird dies mit dem Standard-Genetic Code durchgeführt, jedoch können nur wenige Programme alle "Sonderfälle" handhaben, beispielsweise die Verwendung alternativer Initiations-Codons. Zum Beispiel kodiert das seltene alternative Startcodon CTG für Methionin, wenn es als Startcodon verwendet wird, und für Leucin an allen anderen Positionen.

Beispiel: Verkürzte Übersetzungstabelle für den Standard-genetischen Code (von der NCBI-Taxonomie-Webseite).

  AAs = FFLLSSSSYY ** CC * WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVAAADDEEGGGGG  Starts = --- M --------------- M --------------- M ------------ ----------------  Base1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGGGG  Base2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTCCCCAAAAGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTCCCCAAAAGGGG  Base3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG 

Übersetzungstabellen [ edit ]

Selbst wenn mit gewöhnlichen eukaryotischen Sequenzen wie dem Hefegenom gearbeitet wird, ist es häufig erwünscht, alternative Übersetzungstabellen verwenden zu können - nämlich für die Übersetzung von die mitochondrialen Gene. Derzeit werden von der NCBI Taxonomy Group folgende Übersetzungstabellen für die Übersetzung der Sequenzen in GenBank definiert:

1. The Standard
2. Der Wirbeltier-Mitochondriencode
3. Der Hefe-Mitochondriencode,
4. Der Schimmelpilz-, Protozoen- und Coelenterat-Mitochondriencode und der Mycoplasma / Spiroplasma-Code
5. Der mitochondriale Invertebraten-Code. Dasycladacean- und Hexamita-Nuklearcode
9. Der Mitochondriencode für Echinoderm und Plattwurm
10. Der Euplotid-Nuklearcode
11. Der Bakterien- und Pflanzen-Plastid-Code
12. Der alternative Yeast-Nuklearcode
13. Der Ascidian-Mitochondrialcode
14. Mitachondriencode für Plattwürmer
15. Blepharisma-Atomcode
16. Mitochondriencode für Chlorophysen
21. Trachoden-Mitochondriencode
22. Durchsuchungsverfahren
23. Szenedesmus obliquus mitochondrialer Code
24. Thraustochytrium-mitochondrialer Code. ]

    Referenzen [ edit ]

    1. ^ Gualerzi, Claudio O .; Pon, Cynthia L. (2002). "Initiierung der mRNA - Translation in Prokaryoten". Biochemie . 29 (25): 5881–5889. doi: 10.1021 / bi00477a001.
    2. ^ Biology . McGraw Hill Bildung. 2014. p. 249. ISBN 978-981-4581-85-1
    3. ^ Neill C. (1996). Biology (vierte Ausgabe). Die Benjamin / Cummings Publishing Company. S. 309–310. ISBN 978-0-8053-1940-8.
    4. ^ Stryer L. (2002). Biochemistry (fünfte Ausgabe). W. H. Freeman und Company. p. 826. ISBN 978-0-7167-4684-3.
    5. ^ Moghal A, Mohler K, Ibba M (November 2014). "Fehlübersetzung des genetischen Codes". FEBS Letters . 588 (23): 4305–10. Doi: 10.1016 / j.febslet.2014.08.035. PMC 4254111 . PMID 25220850.
    6. ^ Griffiths A (2008). "9". Einführung in die genetische Analyse (9. Ausgabe). New York: W.H. Freeman und Company. S. 335–339. ISBN 978-0-7167-6887-6.
    7. ^ Ross JF, Orlowski M. (Februar 1982). "Wachstumsrate-abhängige Anpassung der Ribosomenfunktion in durch Chemostat gezüchteten Zellen des Pilzes Mucor racemosus". Journal of Bacteriology . 149 (2): 650–3. PMC 216554 . PMID 6799491.
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    Weiterführende Literatur [ ]

    • . Champe PC, Harvey RA, Ferrier DR (2004). Lippincotts Illustrated Reviews: Biochemistry (3. Aufl.). Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-2265-0.
    • Cox M, DR Nelson Nelson, Lehninger AL (2005). Lehninger Prinzipien der Biochemie (4. Aufl.). San Francisco ...: W.H. Freeman ISBN 978-0-7167-4339-2.
    • Malys N., McCarthy JE (März 2011). "Translationsinitiation: Variationen des Mechanismus können erwartet werden". Zelluläre und molekulare Lebenswissenschaften . 68 (6): 991–1003. doi: 10.1007 / s00018-010-0588-z. PMID 21076851.

    Externe Links [ edit ]