Translation

Översiktstabell för translationen

Påminnelse om mRNA och tRNA

mRNA (messenger RNA) är en enkelsträngad molekyl som bär genetisk information från DNA till ribosomen, där proteinsyntesen sker. Informationen är kodad i form av kodoner – tripletter av nukleotider – där varje kodon motsvarar en specifik aminosyra. Det finns totalt 64 möjliga kodonkombinationer, varav 61 kodar för aminosyror och 3 fungerar som stoppkodoner som avslutar translationen.

tRNA (transfer RNA) är en liten RNA-molekyl som fungerar som adaptor mellan mRNA och aminosyror. Varje tRNA har ett antikodon, en triplett av nukleotider som är komplementär till ett specifikt kodon på mRNA. Molekylen är T-formad, med antikodonet vid den nedre spetsen. I ena änden (5') finns en fosfatgrupp, och i den andra änden (3') finns en OH-grupp som binder den aminosyra som tRNA transporterar till ribosomen under proteinsyntesen.

Genetiska kodens egenskaper och tRNA-struktur

Den genetiska koden är universell för nästan alla levande organismer och beskrivs av flera viktiga karaktäristika. Den är kommalös, vilket innebär att kodoner läses kontinuerligt utan avbrott – ett avsteg från detta förekommer endast i vissa virus. Koden är ej överlappande, vilket innebär att varje nukleotid ingår i endast ett kodon, även om undantag finns hos vissa virus där överlappning kan förekomma. Koden är också redundant eller degenererad, vilket betyder att flera kodoner kan koda för samma aminosyra. Denna egenskap bidrar till en viss tolerans mot mutationer. Ett relaterat fenomen är wobble-effekten, där tredje basen i ett kodon ofta tillåter viss variation. Detta är möjligt tack vare att tRNA ibland innehåller inosin i sitt antikodon – ett "wildcard" som kan baspara med A, U eller C, vilket minskar risken för att punktmutationer ska få effekt på aminosyrasekvensen.

tRNA har en karakteristisk klöverbladsstruktur med flera viktiga domäner. Vid 3'-änden finns en CCA-sekvens där aminosyror kovalent binder in. Den så kallade T-armen interagerar med ribosomen och hjälper tRNA att positioneras korrekt. I mitten av molekylen finns antikodonet, en triplett av baser som är komplementär till kodonet på mRNA. D-armen innehåller modifierade baser och spelar en central roll i att identifiera rätt tRNA-molekyl för tRNA-syntetas, det enzym som ansvarar för att "ladda" tRNA med rätt aminosyra. Slutligen finns 5'-änden, som bär en fosfatgrupp.

Innan ett tRNA kan delta i translationen måste det kopplas till rätt aminosyra. Detta sker i två steg. Först reagerar aminosyran med ATP och bildar en energirik intermediär, aminoacyl-AMP. Därefter binder tRNA in till aminoacyl-tRNA-syntetas, som kontrollerar att tRNA:s D-arm matchar korrekt enzym. Om det är rätt kombination, överförs aminosyran från aminoacyl-AMP till tRNA:s 3'-ände, och AMP avges. Det resulterande komplexet kallas för ett "lastat tRNA" (aminoacyl-tRNA) och är redo att leverera sin aminosyra till ribosomen.

Hämma prokaryotiska ribosomer

I prokaryoter består ribosomen av en liten (30S) och en stor (50S) subenhet, och flera antibiotika riktar in sig på dessa strukturer för att hämma proteinsyntesen. Till exempel blockerar vissa antibiotika bindningen av mRNA till den lilla subenheten, medan makrolider – som erytromycin – binder till den stora subenheten och förhindrar att peptidkedjan förlängs. Genom att störa translationen kan dessa läkemedel effektivt stoppa bakteriell tillväxt utan att påverka eukaryota ribosomer i samma utsträckning.

Initieringsfasen i translationen

Under initieringsfasen av translationen samlas ribosomen, mRNA och det första tRNA för att starta proteinsyntesen. Processen skiljer sig något mellan prokaryoter och eukaryoter, men grundprincipen är att ett startkodon (AUG) identifieras, och det första tRNA binder in i ribosomens P-plats.

Hos prokaryoter inleds proteinsyntesen med den modifierade aminosyran N-formylmetionin (fMet). Ribosomens lilla subenhet känner igen en sekvens strax uppströms om startkodonet, kallad Shine-Dalgarno-följden, som är rik på puriner (många A och G). Initieringsfaktorer binder till Shine-Dalgarno och positionerar ribosomen ungefär åtta nukleotider nedströms till första AUG-kodonet. tRNA som bär fMet anländer tillsammans med en initieringsfaktor som är bunden till GTP. När korrekt positionering uppnåtts spjälkas en fosfatgrupp av, vilket omvandlar GTP till GDP och frigör energi. Därefter ansluter ribosomens stora subenhet och tRNA med fMet placeras i P-platsen, som befinner sig centralt i ribosomens stora del.

I eukaryoter saknas Shine-Dalgarno-följden. Istället binder den lilla ribosomsubenheten nära 5'-änden av mRNA, där en eukaryotisk initieringsfaktor (ofta eIF4) känner igen 5'-capstrukturen. En annan initieringsfaktor (till exempel eIF2) levererar ett tRNA bundet till metionin och GTP. Ribosomen skannar mRNA tills den når första AUG-kodonet. När korrekt startposition identifierats hydrolyseras GTP, vilket frigör initieringsfaktorerna. Därefter binder den stora subenheten in, och det metioninbärande tRNA:t placeras i P-platsen.

Elongeringsfasen i translationen, belyst med ett exempel

Under elongeringsfasen förlängs den växande polypeptidkedjan genom att nya aminosyror successivt adderas, en i taget, enligt mRNA-sekvensens kodonordning. Ribosomen har tre platser i sin stora subenhet: A (aminoacyl), P (peptidyl) och E (exit), där tRNA rör sig genom under processen.

I vårt exempel har translationen just initierats i en eukaryot cell. Ett tRNA med metionin har bundit till startkodonet AUG i P-platsen. Nästa kodon på mRNA är AUA, vilket kräver att ett tRNA med antikodonet UAU kommer in i A-platsen. Detta tRNA levereras av en eukaryotisk elongeringsfaktor av typ 1 (eEF-1) tillsammans med en bunden GTP. När korrekt basparning mellan kodon och antikodon verifierats, hydrolyseras GTP, en fosfat spjälkas av och tRNA:t fixeras i A-platsen.

Nu sker själva kopplingen av aminosyrorna. Enzymet peptidyltransferas katalyserar reaktionen där aminogruppen på den nya aminosyran i A-platsen attackerar karboxylgruppen på den tidigare aminosyran i P-platsen. Resultatet blir en kovalent bindning mellan aminosyrorna, och den växande peptidkedjan flyttas över till tRNA:t i A-platsen.

Nästa steg är translokationen, där ribosomen förflyttas ett kodon framåt längs mRNA. Detta sker med hjälp av elongeringsfaktor typ 2 (eEF-2) och ännu en GTP. När GTP hydrolyseras flyttas det nu tomma tRNA:t från P-platsen till E-platsen, där det lämnar ribosomen, medan det peptidbärande tRNA:t i A-platsen flyttas till P-platsen. A-platsen är nu ledig för nästa inkommande tRNA.

Denna cykel upprepas tills ett stoppkodon når A-platsen. Då finns inget tRNA som matchar, utan en release factor binder in istället. Denna faktor signalerar för avslutning av translationen, och peptidkedjan i P-platsen klyvs av och frigörs till cytoplasman som ett färdigt protein.

Ribosomens placering och proteinsortering

Ribosomer finns i två huvudformer i eukaryota celler: bundna till det korniga endoplasmatiska retiklet (rER) eller fritt svävande i cytoplasman. Var ett protein kommer att syntetiseras avgörs tidigt under translationen, beroende på aminosyrornas sekvens i den växande polypeptiden.

Om aminosyrakedjan som växer från ribosomen innehåller en specifik signalföljd, känns denna igen av ett signaligenkännande protein, kallat SRP (signal recognition particle). SRP binder till signalföljden och styr ribosomen till rERs yta där en SRP-receptor väntar. Denna receptor aktiveras med GTP, och när SRP binder in spjälkas en fosfatgrupp av vilket öppnar translokon-kanalen i rER:s membran. Den växande peptidkedjan förs in i translokonet och träs in i lumen av rER. När SRP inte längre behövs lossnar det från komplexet. Samtidigt klyvs signalföljden bort från proteinet av enzymet signalpeptidas och bryts ner till fria aminosyror. Translationen fortsätter inne i translokonet tills peptiden är färdigsyntetiserad. Därefter stängs translokonet och ribosomen lämnar rER tillsammans med mRNA.

Proteiner som ska utsöndras från cellen (sekreterade), inkorporeras i plasmamembranet (membranproteiner) eller hamna i lysosomer tillverkas alla vid rER. Efter syntes transporteras de till Golgiapparaten för vidare modifiering och sortering till vesiklar som tar dem till rätt destination.

Proteiner som saknar signalföljd syntetiseras istället av fria ribosomer i cytosolen. Dessa inkluderar cytoplasmatiska proteiner, proteiner som ska till cellkärnan, samt enzymer som ska till mitokondrier och peroxisomer. Dessa proteiner bär ofta andra igenkänningssignaler som styr deras import till respektive organell efter translation.

Översikt över olika proteiners vägar

Posttranslationell modifiering

Posttranslationell modifiering (PTM) av proteiner är en process där proteiner genomgår kemiska förändringar efter att de har syntetiserats vid ribosomerna. Denna modifiering är viktig för att reglera proteiners funktion, aktivitet, stabilitet och interaktioner med andra molekyler. PTM kan inträffa på olika nivåer och har stor betydelse för en rad cellulära processer, såsom signalöverföring, genreglering, och cellcykelkontroll.

En av de mest kända posttranslationella modifieringarna är fosforylering. Detta innebär att en fosfatgrupp fästs på en aminosyra (oftast serin, threonin eller tyrosin) i proteinet. Fosforylering kan aktivera eller inaktivera ett protein, vilket gör den avgörande för reglering av många cellulära processer, som signaltransduktion och metabolism. En annan viktig modifiering är acetylering, där en acetylgrupp tillsätts till aminosyror, vilket ofta påverkar proteiners interaktion med andra molekyler, såsom DNA eller histoner.

Glykosylering är också en vanligt förekommande posttranslationell modifiering, där sockermolekyler kopplas till proteiner och bildar glykoproteiner. Detta påverkar proteinernas funktion och stabilitet, och är viktigt för processer som cell-cell-kommunikation och immunförsvaret. Ubiquitinering, där proteiner märks för nedbrytning av proteasomen, är en annan viktig posttranslationell modifiering som hjälper till att reglera cellulära nivåer av proteiner och styr olika cellulära funktioner.

Sammanfattningsvis är posttranslationella modifieringar avgörande för att finjustera proteinernas funktion och för att säkerställa att cellen fungerar korrekt. Utan dessa modifieringar skulle cellens proteinproduktion och funktion vara betydligt mer begränsade och okontrollerade.

Posttranslationella modifieringar