Prevajanje (sinteza beljakovin): kako mRNA in ribosomi tvorijo beljakovine

Prevajanje je drugi korak v biosinteze beljakovin (izdelava beljakovin) in pomeni pretvorbo zaporedja nukleotidov v verigo aminokislin. Je ključni del procesa izražanja genov, saj iz informacij v DNK prek mRNA nastanejo funkcionalne beljakovine.

Preden pride do prevajanja, morajo biti izpolnjeni osnovni koraki na ravni nukleinskih kislin:

transkripcija, pri kateri se iz enega gena prepiše primarni RNK-prepis (pre-mRNA) iz DNK;
spajanje RNK s pomočjo spliceosomov, ki odstranijo introne in povežejo eksonske dele;
oblikovanje zrele sporočilne RNK iz eksonov, pogosto z 5' kapico in 3' poli-A repom v evkariontih.

Kje poteka prevajanje

Pri evkariontih poteka prevajanje v citoplazmi ter na zunanji površini endoplazemskega retikuluma (grobega ER), kadar je mRNA usmerjena k sintezi sekrecijskih ali membranskih beljakovin. Pri bakterijah se prevajanje v večini primerov dogaja neposredno v citoplazmi in je lahko ves čas v teku že med samim procesom transkripcije, saj bakterijske celice nimajo jedra.

Ribosomi, mRNA in polipeptid

Ribosomi so sestavljeni iz ribosomske RNK in beljakovin ter običajno iz male in velike podenote, ki skupaj tvorita delujoči ribosom in obdajata mRNA. Pri evkariontih je tipični ribosom označen kot 80S (40S + 60S), pri prokariotih pa kot 70S (30S + 50S). Ribosom prebere zaporedje mRNA v treh nukleotidnih enotah, imenovanih kodoni, kjer vsak kodon navodilo za določeno aminokislino. To zaporedje določi zaporedje aminokislin v nastajajočem polipeptidu, ki ga določa prvotna informacija v DNK.

Polipeptid je lahko že funkcionalna beljakovina ali pa le en poden celotne beljakovine in se mora pogosto združiti z drugimi polipeptidi ter pravilno zložiti, preden doseže končno funkcijo. Zlaganje pogosto pomagajo molekulske chaperone in se lahko nadaljuje s številnimi posttranslacijsko modifikacijami, kot so glikozilacija, fosforilacija ali tvorba disulfidnih vezi.

vloga tRNA in aminokislin

Aminokisline prenašajo posebne, s svojim koncem napolnjene tRNA, ki imajo na drugem koncu antikodon — zaporedje treh nukleotidov, komplementarno kodonu na mRNA. Vsaka tRNA ima svoj antikodon in je povezana z določeno aminokislino preko delovanja encimov aminoacil-tRNA sintetaz, ki »naložijo« pravilno aminokislino na tRNA (t.i. nabiranje ali charging). Antikodon je vedno povezan z isto aminokislino skozi ta proces.

Ko se tRNA uskladi z mRNA na ribosomu, pride do nastanka peptidne vezi med aminokislino, ki jo prinaša nova tRNA, in rastjočo verigo aminokislin, ki jo drži prejšnja tRNA. Ribosom ima tipično tri funkcionalna mesta: A (aminoacilno) mesto, kjer prispe nova tRNA, P (peptidilno) mesto, kjer raste polipeptid, in E (exit) mesto, kjer tRNA zapusti ribosom.

faže prevajanja

Prevajanje navadno poteka v treh glavnih fazah: inicacija — prepoznavanje start kodona (pogosto AUG, ki določi metionin) in sestava iniciacijskega kompleksa z ribosomskimi podenotami ter iniciacijskimi faktorskimi proteini; v evkariontih igrata vlogo 5' kapica in pogosto Kozakov konsenz v bližini start mesta, v prokariotih pa Shine–Dalgarno zaporedje v 5' UTR mRNA

elongacija — zaporedno pripeljejo aminoacil-tRNA v A-mesto, tvorba peptidne vezi in premik ribosoma naprej (translokacija), pri tem sodelujejo elongacijski faktorji in GTP kot energijska enota;

terminacija — ko ribosom naleti na enega izmed stop kodonov (npr. UAA, UAG, UGA), vstopijo sprostitveni faktorji, polipeptid se sprosti in ribosomske podenote se razpadejo.

poliribosomi, usmerjanje in nadaljnji transport

Več ribosomov lahko istočasno prevaja isto mRNA — nastane poliribosom ali polisom, kar poveča hitrost sinteze beljakovin. V primeru beljakovin, ki so namenjene v endoplazemski retikulum, ima nastajajoči polipeptid signalno peptidno sekvenco, ki jo prepozna signalno prepoznavno delovanje (SRP). Ta ustavi nadaljnje prevajanje in usmeri ribosom z mRNA na membrano grobega endoplazemskega retikuluma, kjer se prevajanje nadaljuje in beljakovina vstopi v lumen ER.

Veliko ribosomov se skupaj z mRNA pritrdi na zunanjo membrano grobega endoplazemskega retikuluma. Vse beljakovine, ki jih ti ribosomi ustvarijo in so namenjene za izločanje ali membrane, gredo v notranjost ER, kjer se pogosto pakirajo v vezikel. Vezikli bodo nato prenesli beljakovine v druge organele (npr. v Golgijev aparat) ali celo zunaj celice.

končna obdelava in kakovostna kontrola

Po sintezi polipeptida sledijo pogosto številne posttranslacijske modifikacije (gliciranje, definiranje disulfidnih vezi, proteolitična cepitev, dodajanje lipidnih skupin ipd.), ki so pomembne za aktivnost, stabilnost in lokalizacijo beljakovine. Molekule, ki se ne zložijo pravilno ali so poškodovane, običajno prepoznajo sistem ubikvitin–proteazom in jih celica razgradi kot del kakovostne kontrole.

Posebnosti: nekatera celicna mesta, kot so mitohondriji in kloroplasti, imajo svojo translacijsko mašinerijo, ki je podobna prokariontski in prevaja nekatere beljakovine neposredno v teh organelih.

Skupaj prevajanje povezuje genetsko informacijo s funkcionalnimi enotami v celici in vključuje natančno koordinacijo med mRNA, tRNA, ribosomi ter številnimi pomožnimi proteini in encimi, da je sintetizirana beljakovina pravilne sestave in funkcije.

Diagram, ki prikazuje prevajanje mRNA in sintezo beljakovin z ribosomom

Štiri stopnje

Prevajanje poteka v štirih fazah: aktivacija (priprava), iniciacija (začetek), elongacija (podaljšanje) in terminacija (ustavitev). Ti izrazi opisujejo rast aminokislinske verige (polipeptida).

Aminokisline se prenesejo v ribosome in sestavijo v beljakovine. V fazi aktivacije se pravilna aminokislina kovalentno poveže z ustrezno prenosno RNK (tRNA). Ko je tRNA povezana z aminokislino, je "nabita".
Iniciacija se zgodi, ko se manjši del ribosoma s pomočjo iniciacijskih dejavnikov (IF) poveže s 5' koncem mRNA.
Podaljševanje se zgodi, ko se aminokisline, ki jih prinesejo "nabite" tRNA, povežejo med seboj in tvorijo polipeptid.

Nekateri antibiotiki delujejo tako, da preprečujejo prevajanje. Prokariontski ribosomi se razlikujejo od evkariontskih ribosomov. Zato lahko antibiotiki uničijo bakterije, ne da bi poškodovali evkariontskega gostitelja. Antibiotiki, ki jih jemlje človek, lahko na primer uničijo bakterijo, zaradi katere je človek zbolel, vendar ga ne poškodujejo.

Pregled prevajanja evkariontske sporočilne RNK

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je prevajanje?

O: Prevajanje je drugi del biosinteze beljakovin, ki je proces nastajanja beljakovin. Je del izražanja genov in vključuje oblikovanje sporočilne RNK iz eksonov in intronov.

V: Kje poteka prevajanje pri evkariontih?

O: Pri evkariontih poteka prevajanje na ribosomih v citoplazmi in endoplazemskem retikulumu.

V: Kako delujejo tRNA med prevajanjem?

O: Med prevajanjem se tRNA z antikodoni povežejo z ustreznimi kodoni mRNA in prenašajo aminokisline. Ko se tRNA ujema z mRNA, se aminokislina, ki je bila z njo povezana, odklopi od tRNA in se poveže z aminokislino, ki jo je prinesla prejšnja tRNA.

V: Kako deluje ribosom med prevajanjem?

O: Ribosom med prevajanjem deluje kot borzna prevajalka in prevajalni trak. Veliko ribosomov se skupaj z mRNA pritrdi na zunanjo membrano grobega endoplazemskega retikuluma, kjer izdelujejo beljakovine, ki gredo v vezikle, ti pa jih nato prenesejo v druge organele ali zunaj celice.

V: Kaj je pred transkripcijo?

O: Pred transkripcijo pride do izražanja genov, ki ustvarja verigo intronov in eksonov s spajanjem RNA s spliceosomi, ki odstranijo introne.

V: Kaj se zgodi, ko so med prevajanjem izdelani polipeptidi?

O: Ko so polipeptidi med prevajanjem izdelani, jih je morda treba združiti z drugimi polipeptidi, da lahko tvorijo celotne beljakovine, ali jih zložiti, preden lahko delujejo kot beljakovine.

V: Kje v bakterijah poteka prevajanje?

O: Pri bakterijah poteka prevajanje v njihovi celični citoplazmi, saj nimajo jedra.