11.4: Protini awali (tafsiri)

Malengo ya kujifunza

• Eleza kanuni za maumbile na kuelezea kwa nini inachukuliwa kuwa karibu kabisa
• Eleza mchakato wa tafsiri na kazi za mashine ya Masi ya tafsiri
• Linganisha tafsiri katika eukaryotes na prokaryotes

Awali ya protini hutumia nishati zaidi ya seli kuliko mchakato wowote wa metabolic. Kwa upande mwingine, protini akaunti kwa wingi zaidi kuliko macromolecule nyingine yoyote ya viumbe hai. Wao hufanya karibu kila kazi ya kiini, hutumikia kama kazi zote mbili (kwa mfano, enzymes) na vipengele vya kimuundo. Mchakato wa tafsiri, au usanisi wa protini, sehemu ya pili ya kujieleza kwa jeni, inahusisha decoding kwa ribosome ya ujumbe wa mRNA kwenye bidhaa za polipeptidi.

Kanuni ya Maumbile

Tafsiri ya template ya mRNA inabadilisha habari za maumbile ya nucleotide kwenye “lugha” ya amino asidi ili kuunda bidhaa za protini. Mlolongo wa protini una asidi 20 ya kawaida ya amino. Kila asidi amino hufafanuliwa ndani ya mRNA na triplet ya nucleotidi inayoitwa codon. Uhusiano kati ya codon ya mRNA na asidi amino inayofanana inaitwa kanuni ya maumbile.

Nambari ya nucleotide tatu ina maana kwamba kuna jumla ya mchanganyiko 64 iwezekanavyo (4 ³, na nucleotides nne tofauti iwezekanavyo katika kila nafasi tatu tofauti ndani ya codon). Idadi hii ni kubwa kuliko idadi ya amino asidi na amino asidi iliyotolewa ni encoded na codon zaidi ya moja (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Hii redundancy katika kanuni ya maumbile inaitwa kuzorota. Kwa kawaida, ambapo nafasi mbili za kwanza katika codon ni muhimu kwa kuamua ambayo amino asidi itakuwa kuingizwa katika polipeptidi kuongezeka, nafasi ya tatu, aitwaye msimamo wobble, ni chini muhimu. Katika hali nyingine, ikiwa nucleotide katika nafasi ya tatu inabadilishwa, asidi amino sawa bado imeingizwa.

Wakati 61 kati ya 64 inawezekana triplets code kwa asidi amino, tatu kati ya 64 codons si code kwa asidi amino; wao kusitisha protini awali, ikitoa polipeptidi kutoka mashine tafsiri. Hizi zinaitwa kuacha codon s au nonsense codon s. Codon nyingine, Agosti, pia ina kazi maalum. Mbali na kubainisha methionine ya amino asidi, pia hutumika kama codon ya kuanza kuanzisha tafsiri. Sura ya kusoma, njia ya nucleotides katika mRNA ni makundi katika codons, kwa tafsiri imewekwa na Agosti kuanza codon karibu 5 'mwisho wa mRNA. Kila seti ya nucleotides tatu zifuatazo codon hii ya kuanza ni codon katika ujumbe wa mRNA.

Kanuni ya maumbile ni karibu kabisa. Isipokuwa chache, karibu aina zote hutumia kanuni sawa ya maumbile ya awali ya protini, ambayo ni ushahidi wenye nguvu kwamba maisha yote yaliyopo duniani hushiriki asili ya kawaida. Hata hivyo, asidi amino isiyo ya kawaida kama selenocysteine na pyrrolysine zimeonekana katika archaea na bakteria. Katika kesi ya selenocysteine, codon kutumika ni UGA (kawaida codon ya kuacha). Hata hivyo, UGA unaweza encode kwa selenocysteine kutumia muundo shina kitanzi (inayojulikana kama selenocysteine insertion mlolongo, au kipengele SECIS), ambayo hupatikana katika 3' untranslated mkoa wa mRNA. Pyrrolysine inatumia tofauti kuacha codon, UAG. Kuingizwa kwa pyrrolysine inahitaji jeni la PYL na RNA ya uhamisho wa kipekee (tRNA) na anticodon ya CUA.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Takwimu hii inaonyesha kanuni ya maumbile ya kutafsiri kila triplet ya nucleotide katika mRNA ndani ya asidi ya amino au ishara ya kukomesha katika protini ya asili. Barua ya kwanza ya codon inavyoonekana kwa wima upande wa kushoto, barua ya pili ya codon inavyoonekana kwa usawa juu, na barua ya tatu ya codon inavyoonekana kwa wima upande wa kulia. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Taasisi za Taifa za Afya)

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

1. Ni besi ngapi katika kila codon?
2. Nini amino asidi ni coded kwa codon AAU?
3. Ni nini kinachotokea wakati codon ya kuacha inafikiwa?

Protini awali Mashine

Mbali na template ya mRNA, molekuli nyingi na macromolecules huchangia mchakato wa tafsiri. Utungaji wa kila sehemu hutofautiana katika taxa; kwa mfano, ribosomu zinaweza kuwa na idadi tofauti za RNAs za ribosomal (RNAs) na polipeptidi kulingana na viumbe. Hata hivyo, miundo ya jumla na kazi za mashine ya awali ya protini zinafanana na bakteria hadi seli za binadamu. Tafsiri inahitaji pembejeo ya template ya mRNA, ribosomes, trNAs, na mambo mbalimbali ya enzymatic.

Ribosomu

Ribosome ni macromolecule tata linajumuisha RNAs za kichocheo (inayoitwa ribozymes) na RRNAs za miundo, pamoja na polypeptidi nyingi tofauti. RRNAs za kukomaa hufanya takriban 50% ya kila ribosome. Prokaryotes wana ribosomu za 70, wakati eukaryotes zina ribosomu za 80 katika cytoplasm na reticulum mbaya ya endoplasmic, na ribosomu za 70 katika mitochondria na kloroplasti. Ribosomes hutenganisha katika subunits kubwa na ndogo wakati wao si synthesizing protini na reassociate wakati wa kuanzishwa kwa tafsiri. Katika E. coli, subunit ndogo inaelezewa kama 30S (ambayo ina 16S rRNA subunit), na subunit kubwa ni 50S (ambayo ina 5S na 23S rRNA subunits), kwa jumla ya 70S (Svedberg vitengo si livsmedelstillsatser). Ribosomu za Eukaryote zina ndogo ndogo ya 40S (ambayo ina subunit ya 18S rRNA) na ndogo ndogo ya 60 (ambayo ina 5S, 5.8S na 28S rRNA subunits), kwa jumla ya 80S. Subunit ndogo ni wajibu wa kumfunga template ya mRNA, wakati subunit kubwa hufunga trNAs (kujadiliwa katika kifungu kinachofuata).

Kila molekuli ya mRNA hutafsiriwa wakati huo huo na ribosomu nyingi, protini zote za kuunganisha katika mwelekeo huo: kusoma mRNA kutoka 5' hadi 3' na kuunganisha polipeptidi kutoka kwa mwisho wa N hadi kwenye terminal C. Muundo kamili ulio na mRNA na ribosomu nyingi zinazohusiana huitwa polyribosome (au polysome). Katika bakteria na archaea, kabla ya kusitishwa kwa transcriptional hutokea, kila nakala ya protini-encoding tayari kutumika kuanza awali ya nakala nyingi za polipeptidi encoded (s) kwa sababu mchakato wa transcription na tafsiri yanaweza kutokea wakati huo huo, kutengeneza polyribosomes (Kielelezo \(\PageIndex{2}\)). Sababu kwa nini transcription na tafsiri zinaweza kutokea wakati huo huo ni kwa sababu michakato yote hii hutokea katika mwelekeo huo wa 5' hadi 3', wote wawili hutokea katika cytoplasm ya seli, na kwa sababu nakala ya RNA haipatikani mara moja imeandikwa. Hii inaruhusu kiini cha prokaryotic kujibu ishara ya mazingira inayohitaji protini mpya haraka sana. Kwa upande mwingine, katika seli za eukaryotic, transcription ya wakati mmoja na tafsiri haiwezekani. Ingawa poliribosomu pia huunda katika eukaryotes, haziwezi kufanya hivyo mpaka awali ya RNA ikamilika na molekuli ya RNA imebadilishwa na kusafirishwa nje ya kiini.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Katika prokaryotes, polymerases nyingi za RNA zinaweza kuandika jeni moja ya bakteria wakati huo huo ribosomu nyingi hutafsiri nakala za mRNA katika polypeptides. Kwa njia hii, protini maalum inaweza kufikia haraka mkusanyiko mkubwa katika seli ya bakteria.

Transfer RNAs

Transfer RNAs (trNAs) ni miundo RNA molekuli na, kulingana na spishi, aina nyingi za trNAs zipo katika saitoplazimu. Aina za bakteria huwa na aina kati ya 60 na 90. Kutumikia kama adapta, kila aina ya tRNA hufunga kwa codon maalum kwenye template ya mRNA na huongeza asidi amino inayofanana na mnyororo wa polipeptidi. Kwa hiyo, RNAs ni molekuli ambazo kwa kweli “hutafsiri” lugha ya RNA katika lugha ya protini. Kama molekuli ya adapta ya tafsiri, ni ajabu kwamba trNAs zinaweza kufaa maalum sana katika mfuko mdogo kama huo. Molekuli ya RNA inakabiliana na mambo matatu: synthetases ya aminoacyl RNA, ribosomes, na mRNA.

TRNAs kukomaa kuchukua muundo tatu-dimensional wakati misingi ya ziada wazi katika moja-stranded RNA molekuli hidrojeni dhamana na kila mmoja (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Sura hii inaweka tovuti ya kisheria ya asidi ya amino-asidi, inayoitwa mwisho wa kisheria wa asidi ya amino ya CCA, ambayo ni mlolongo wa cytosine-cytosine-adenine kwenye mwisho wa 3' wa tRNA, na anticodonat upande mwingine. Anticodon ni mlolongo wa nucleotide tatu ambao hufunga na codon ya mRNA kupitia kuunganisha msingi wa ziada.

Asidi amino huongezwa hadi mwisho wa molekuli ya tRNA kupitia mchakato wa tRNA “kuchaji,” wakati ambapo kila molekuli ya tRNA inaunganishwa na asidi amino yake sahihi au inayojulikana na kundi la enzymes inayoitwa aminoacyl trNA synthetases. Angalau aina moja ya aminoacyl trNA synthetase ipo kwa kila moja ya asidi amino 20. Wakati wa mchakato huu, asidi amino ni ya kwanza ulioamilishwa na kuongeza adenosine monophosphate (AMP) na kisha kuhamishiwa tRNA, na kuifanya trNA kushtakiwa, na AMP ni huru.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): (a) Baada ya kukunja unasababishwa na kuunganisha msingi wa intramolecular, molekuli ya tRNA ina mwisho mmoja ambao una anticodon, ambayo huingiliana na codon ya mRNA, na mwisho wa kisheria wa asidi ya amino ya CCA. (b) Mfano wa kujaza nafasi ni muhimu kwa kutazama sura tatu-dimensional ya tRNA. (c) Mifano rahisi ni muhimu wakati wa kuchora michakato tata kama vile awali ya protini.

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

1. Eleza muundo na muundo wa ribosome ya prokaryotic.
2. Katika mwelekeo gani template ya mRNA inasoma?
3. Eleza muundo na kazi ya tRNA.

Mfumo wa awali ya protini

Tafsiri ni sawa katika prokaryotes na eukaryotes. Hapa tutachunguza jinsi tafsiri hutokea katika E. coli, prokaryote mwakilishi, na kutaja tofauti yoyote kati ya tafsiri ya bakteria na eukaryotic.

Uanzishwaji

Kuanzishwa kwa awali ya protini huanza na kuundwa kwa tata ya kuanzishwa. Katika E. coli, tata hii inahusisha ribosomu ndogo ya 30S, template ya mRNA, mambo matatu ya uanzishwaji ambayo husaidia ribosomu kukusanyika kwa usahihi, triphosphate ya guanosine (GTP) ambayo hufanya kazi kama chanzo cha nishati, na mwanzilishi maalum tRNA inayobeba N -formyl-methionine (FMet-trna ^FMet ) (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Mwanzilishi wa RNA huingiliana na kanuni ya mwanzo Agosti ya mRNA na hubeba methionine iliyopangwa (FMet). Kwa sababu ya ushirikishwaji wake katika uanzishwaji, FMET inaingizwa mwanzoni (N terminus) ya kila mnyororo wa polipeptidi inayotengenezwa na E. coli. Katika E. coli mRNA, mlolongo wa kiongozi wa mto wa kwanza wa Agosti codon, inayoitwa mlolongo wa Shine-Dalgarno (pia inajulikana kama tovuti ya kisheria ya ribosomal AGGGG), huingiliana kupitia kuunganisha msingi wa ziada na molekuli za rRNA ambazo hutunga ribosomu. Mwingiliano huu nanga 30S ribosomal subunit katika eneo sahihi juu ya mRNA template. Kwa hatua hii, subunit ya 50 ya ribosomal kisha hufunga kwenye tata ya kuanzishwa, na kutengeneza ribosome isiyofaa.

Katika eukaryotes, uanzishwaji wa malezi tata ni sawa, na tofauti zifuatazo:

• Mwanzilishi wa RNA ni tRNA maalumu tofauti inayobeba methionine, inayoitwa Met-trnai
• Badala ya kumfunga mRNA katika mlolongo wa Shine-Dalgarno, tata ya uanzishwaji wa eukaryotic inatambua kofia ya 5' ya mRNA ya eukaryotic, halafu inafuatilia kando ya mRNA katika mwelekeo wa 5' hadi 3' mpaka codon ya kuanza Agosti itambuliwa. Kwa hatua hii, subunit ya 60 hufunga kwa tata ya Met-trnai, mRNA, na subunit ya 40S.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Tafsiri katika bakteria huanza na malezi ya tata ya kuanzishwa, ambayo inajumuisha subunit ndogo ya ribosomal, mRNA, mwanzilishi wa trNA inayobeba N-formyl-methionine, na sababu za kuanzishwa. Kisha subunit ya 50S inafunga, na kutengeneza ribosome isiyofaa.

Elongation

Katika prokaryotes na eukaryotes, misingi ya upanuzi wa tafsiri ni sawa. Katika E. coli, kisheria ya 50s ribosomal subunit kuzalisha intact ribosomu aina tatu functionally muhimu ribosomal maeneo: A (aminoacyl) tovuti kumfunga zinazoingia kushtakiwa aminoacyl RNAs. Tovuti ya P (peptidyl) hufunga TRNAs zilizosababishwa zinazobeba asidi za amino ambazo zimeunda vifungo vya peptidi na mnyororo unaoongezeka wa polipeptidi lakini bado hazijatenganishwa na tRNA zao zinazofanana. Tovuti ya E (exit) hutoa TRNAs zilizojitenga ili waweze kurejeshwa na asidi za amino za bure. Kuna tofauti moja inayojulikana kwa mstari huu wa mkutano wa RNAs: Wakati wa uanzishwaji wa malezi tata, bakteria FMET-TRNA ^FMet au eukaryotic Met-trnai inaingia kwenye tovuti ya P moja kwa moja bila ya kwanza kuingia kwenye tovuti A, kutoa tovuti ya bure tayari kukubali tRNA sambamba na codon ya kwanza baada Agosti.

Upanuzi unaendelea na harakati moja-codon za ribosome kila mmoja inayoitwa tukio la uhamisho. Wakati wa kila tukio la uhamisho, TRNAs zilizoshtakiwa zinaingia kwenye tovuti A, kisha ugeuke kwenye tovuti ya P, na kisha hatimaye kwenye tovuti ya E ya kuondolewa. Harakati za Ribosomal, au hatua, zinatokana na mabadiliko ya kimapenzi ambayo yanaendeleza ribosome na besi tatu katika mwelekeo wa 3'. Vifungo vya peptidi vinaunda kati ya kikundi cha amino cha asidi amino kilichounganishwa na TRNA ya A-site na kikundi cha carboxyl cha asidi amino kilichounganishwa na tRNA ya P-site. Uundaji wa kila dhamana ya peptidi huchochewa na transferase ya peptidyl, ribozyme yenye makao ya RNA ambayo imeunganishwa kwenye subunit ya ribosomal ya 50S. Asidi amino iliyofungwa kwenye PTRNA ya P-site pia inahusishwa na mnyororo unaoongezeka wa polipeptidi. Kama hatua ya ribosome kwenye mRNA, tRNA ya zamani ya P-tovuti inaingia kwenye tovuti ya E, inatenganisha na asidi ya amino, na inafukuzwa. Baadhi ya hatua wakati wa elongation, ikiwa ni pamoja na kisheria ya kushtakiwa aminoacyl trNA kwa tovuti A na translocation, zinahitaji nishati inayotokana na GTP hidrolisisi, ambayo ni kichocheo na sababu maalum elongation. Kwa kushangaza, vifaa vya kutafsiri E. coli huchukua sekunde 0.05 tu kuongeza kila asidi amino, maana yake ni kwamba protini 200 ya amino asidi inaweza kutafsiriwa katika sekunde 10 tu.

Kusitishwa

Kuondolewa kwa tafsiri hutokea wakati codon isiyo na maana (UAA, UAG, au UGA) imekutana ambayo hakuna tRNA ya ziada. Kwa kuzingatia tovuti ya A, codons hizi zisizo na maana zinatambuliwa na sababu za kutolewa katika prokaryotes na eukaryotes ambazo husababisha asidi ya amino ya P-site ikitenganisha kutoka kwa tRNA yake, ikitoa polipeptidi iliyopangwa hivi karibuni. Subunits ndogo na kubwa za ribosomal hutengana na mRNA na kutoka kwa kila mmoja; wao huajiriwa mara moja kwenye kitengo kingine cha kutafsiri kitengo cha iation.

Kwa muhtasari, kuna vipengele kadhaa muhimu vinavyofautisha usemi wa jeni wa prokaryotiki kutoka kwa ule unaoonekana katika eukaryotes. Hizi ni mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\) na waliotajwa katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): (a) Katika prokaryotes, taratibu za transcription na tafsiri hutokea wakati huo huo katika cytoplasm, kuruhusu majibu ya haraka ya mkononi kwa cue ya mazingira. (b) Katika eukaryotes, transcription ni localized kwa kiini na tafsiri ni localized kwa cytoplasm, kutenganisha taratibu hizi na kulazimisha usindikaji wa RNA kwa utulivu.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Kulinganisha tafsiri katika bakteria dhidi ya eukaryotes

Protini kulenga, Folding, na Urekebishaji

Wakati na baada ya kutafsiri, polypeptides inaweza kuhitaji kubadilishwa kabla ya kufanya kazi kwa biolojia. Marekebisho ya baada ya kutafsiri ni pamoja na:

1. kuondolewa kwa mlolongo wa ishara ya kutafsiriwa - mikia fupi ya amino asidi ambayo inasaidia kuongoza protini kwenye compartment maalum za mkononi
2. sahihi “kukunja” ya polipeptidi na chama cha subunits nyingi za polipeptidi, mara nyingi huwezeshwa na protini za chaperone, katika muundo tofauti wa tatu-dimensional
3. usindikaji wa proteolytic wa polypeptide isiyo na kazi ili kutolewa sehemu ya protini ya kazi, na
4. marekebisho mbalimbali ya kemikali (kwa mfano, fosforylation, methylation, au glycosylation) ya asidi amino binafsi.

Zoezi\(\PageIndex{3}\)

1. Je! Ni vipengele gani vya tata ya kuanzishwa kwa tafsiri katika prokaryotes?
2. Ni tofauti gani mbili kati ya kuanzishwa kwa tafsiri ya prokaryotic na eukaryotic?
3. Ni nini kinachotokea katika kila maeneo matatu ya kazi ya ribosome?
4. Ni nini kinachosababisha kukomesha tafsiri?

Dhana muhimu na Muhtasari

• Katika tafsiri, polipeptidi hutengenezwa kwa kutumia utaratibu wa mRNA na mashine za mkononi, ikiwa ni pamoja na trNAs zinazofanana na codoni za mRNA kwa asidi amino maalum na ribosomu zinazojumuisha RNA na protini zinazochochea mmenyuko.
• Kanuni ya maumbile imeharibika kwa kuwa kanuni kadhaa za mRNA za amino asidi sawa. Kanuni ya maumbile ni karibu kabisa kati ya viumbe hai.
• Prokaryotic (70S) na cytoplasmic eukaryotic (80S) ribosomu kila linajumuisha subunit kubwa na ndogo ndogo ndogo ya ukubwa tofauti kati ya makundi mawili. Kila subunit inajumuisha rRNA na protini. Ribosomu za Organelle katika seli za eukaryotic zinafanana na ribosomu za prokaryotic.
• Baadhi ya spishi 60 hadi 90 za tRNA zipo katika bakteria. Kila tRNA ina anticodon ya nucleotide tatu pamoja na tovuti ya kumfunga kwa asidi ya amino ya cognate. RNAs zote zilizo na anticodon maalum zitabeba asidi sawa ya amino.
• Kuanzishwa kwa tafsiri hutokea wakati ndogo ribosomal subunit kumfunga na mambo ya kuanzisha na mwanzilishi tRNA katika mwanzo codon mRNA, ikifuatiwa na kisheria kwa kuanzisha tata kubwa ribosomal subunit.
• Katika seli za prokaryotic, kanuni za kuanza za codon kwa N-formyl-methionine iliyofanywa na mwanzilishi maalum wa RNA. Katika seli za eukaryotic, kanuni za codon za kuanza kwa methionine zinafanywa na mwanzilishi maalum wa rNA. Aidha, wakati ribosomal kisheria ya mRNA katika prokaryotes ni kuwezeshwa na mlolongo Shine-Dalgarno ndani ya mRNA, ribosomu eukaryotic kumfunga kwa 5 'cap ya mRNA.
• Wakati wa hatua ya upanuzi wa tafsiri, tRNA iliyoshtakiwa hufunga kwa mRNA kwenye tovuti A ya ribosomu; dhamana ya peptidi huchochewa kati ya asidi amino mbili zilizo karibu, kuvunja dhamana kati ya asidi amino ya kwanza na tRNA yake; ribosomu huhamisha codon moja pamoja na mRNA; na tRNA ya kwanza imehamishwa kutoka kwenye tovuti ya P ya ribosome kwenye tovuti ya E na inacha tata ya ribosomal.
• Kuondolewa kwa tafsiri hutokea wakati ribosome inakabiliwa na codon ya kuacha, ambayo haina msimbo wa tRNA. Sababu za kutolewa husababisha polipeptidi kutolewa, na tata ya ribosomal hutengana.
• Katika prokaryotes, transcription na tafsiri inaweza kuwa pamoja, na tafsiri ya molekuli mRNA kuanza haraka kama transcription inaruhusu kutosha mRNA yatokanayo kwa kisheria ya ribosome, kabla ya kusitishwa transcription. Transcription na tafsiri si pamoja katika eukaryotes kwa sababu transcription hutokea katika kiini, ambapo tafsiri hutokea katika cytoplasm au kwa kushirikiana na reticulum mbaya endoplasmic.
• Mara nyingi polypeptides zinahitaji marekebisho moja au zaidi baada ya kutafsiri ili kuwa hai kwa biolojia.