Μετάφραση: η σύνθεση των πρωτεϊνών
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 2 · tRNA, ριβοσώματα, έναρξη–επιμήκυνση–λήξη, πολύσωμα
Πώς ένα αντιβιοτικό σκοτώνει βακτήρια αλλά όχι εσένα;
Αντιβιοτικά όπως η στρεπτομυκίνη και η τετρακυκλίνη «μπλοκάρουν» τα ριβοσώματα των βακτηρίων και σταματούν τη σύνθεση των πρωτεϊνών τους. Τα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα των δικών σου κυττάρων διαφέρουν αρκετά ώστε να μην επηρεάζονται. Για να καταλάβεις γιατί αυτό είναι θανατηφόρο για το βακτήριο, δες πώς δουλεύει η μηχανή της μετάφρασης.
Οι «πρωταγωνιστές» της μετάφρασης
Η μετάφραση είναι η σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας με βάση την πληροφορία του mRNA. Γίνεται στα ριβοσώματα, στο κυτταρόπλασμα.
- mRNA: φέρει τα κωδικόνια.
- Ριβοσώματα: αποτελούνται από rRNA και πρωτεΐνες και έχουν δύο υπομονάδες, μια μικρή και μια μεγάλη, που ενώνονται μόνο κατά τη μετάφραση.
- tRNA: μικρά μόρια RNA που μεταφέρουν τα αμινοξέα. Κάθε tRNA έχει σε μια περιοχή του μια τριάδα νουκλεοτιδίων, το αντικωδικόνιο, συμπληρωματικό προς ένα κωδικόνιο του mRNA, και στο 3΄ άκρο του θέση πρόσδεσης για το συγκεκριμένο αμινοξύ που αντιστοιχεί σε αυτό το κωδικόνιο.
Η σύνδεση κάθε αμινοξέος με το κατάλληλο tRNA γίνεται από ειδικά ένζυμα και απαιτεί ενέργεια.
Το tRNA είναι διερμηνέας με δύο άκρα. Το αντικωδικόνιο «μιλάει» τη γλώσσα των νουκλεοτιδίων και ταιριάζει συμπληρωματικά στο κωδικόνιο. Στο 3΄ άκρο «κρατάει» το αμινοξύ, τη γλώσσα των πρωτεϊνών.
Τα στάδια της μετάφρασης
- Έναρξη: το mRNA προσδένεται, μέσω της 5΄ αμετάφραστης περιοχής του, στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος. Το tRNA που μεταφέρει μεθειονίνη (αντικωδικόνιο 3΄-UAC-5΄) προσδένεται στο κωδικόνιο έναρξης AUG. Στη συνέχεια προσδένεται η μεγάλη υπομονάδα και σχηματίζεται το λειτουργικό ριβόσωμα.
- Επιμήκυνση: ένα δεύτερο tRNA, με αντικωδικόνιο συμπληρωματικό προς το επόμενο κωδικόνιο, φέρνει το αμινοξύ του. Σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός ανάμεσα στα δύο αμινοξέα. Το ριβόσωμα μετακινείται κατά ένα κωδικόνιο προς το 3΄ άκρο του mRNA, το «άδειο» tRNA απελευθερώνεται, και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.
- Λήξη: όταν το ριβόσωμα φτάσει σε κωδικόνιο λήξης (UAA, UAG, UGA), δεν υπάρχει tRNA με συμπληρωματικό αντικωδικόνιο. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα απελευθερώνεται και οι υπομονάδες του ριβοσώματος διαχωρίζονται.
Η αλυσίδα συντίθεται από το αμινικό προς το καρβοξυλικό άκρο, καθώς το mRNA διαβάζεται 5΄ → 3΄. Συχνά η αρχική μεθειονίνη απομακρύνεται αργότερα.
Τι συμβαίνει όταν το ριβόσωμα συναντήσει κωδικόνιο λήξης;
Τον πεπτιδικό δεσμό στο ριβόσωμα δεν τον σχηματίζει πρωτεΐνη, αλλά το rRNA της μεγάλης υπομονάδας — ένα από τα λίγα παραδείγματα RNA που δρα ως καταλύτης. Η δομή του ριβοσώματος που το έδειξε χάρισε στους Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz και Ada Yonath το Νόμπελ Χημείας του 2009.
Πολύσωμα και διάρκεια ζωής του mRNA
- Κάθε μόριο mRNA μεταφράζεται ταυτόχρονα από πολλά ριβοσώματα: μόλις ένα ριβόσωμα απομακρυνθεί από το κωδικόνιο έναρξης, ένα άλλο μπορεί να αρχίσει. Το σύνολο λέγεται πολύσωμα. Έτσι παράγονται γρήγορα πολλά μόρια της ίδιας πρωτεΐνης.
- Το mRNA δεν είναι μόνιμο: μετά από κάποιο χρόνο αποικοδομείται από ένζυμα. Η διάρκεια ζωής του καθορίζει πόση πρωτεΐνη θα παραχθεί.
- Στους προκαρυωτικούς η μεταγραφή και η μετάφραση γίνονται στον ίδιο χώρο, οπότε η μετάφραση αρχίζει πριν ολοκληρωθεί η μεταγραφή. Στους ευκαρυωτικούς η μεταγραφή γίνεται στον πυρήνα και η μετάφραση στο κυτταρόπλασμα.
Μετά τη μετάφραση οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται και συχνά τροποποιούνται (π.χ. αφαίρεση αμινοξέων, προσθήκη σακχάρων) για να γίνουν λειτουργικές.
Μέθοδος: ερωτήσεις tRNA και αντικωδικονίων
- Γράψε το κωδικόνιο 5΄ → 3΄ στο mRNA.
- Το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο: κωδικόνιο 5΄-XYZ-3΄ ↔ αντικωδικόνιο 3΄-X΄Y΄Z΄-5΄.
- Αν ζητηθεί 5΄ → 3΄, αντέστρεψε τη σειρά.
- Αριθμός tRNA που χρησιμοποιούνται για πεπτίδιο αμινοξέων: (κανένα για το κωδικόνιο λήξης).
- Πεπτιδικοί δεσμοί: .
Παράδειγμα 1: Ποιο είναι το αντικωδικόνιο του tRNA που αναγνωρίζει το κωδικόνιο 5΄-UUU-3΄ (Phe) και ποιο εκείνο για το 5΄-GAG-3΄ (Glu);
Λύση: Για το 5΄-UUU-3΄: 3΄-AAA-5΄ (= 5΄-AAA-3΄). Για το 5΄-GAG-3΄: συμπληρωματικό 3΄-CUC-5΄, γραμμένο 5΄ → 3΄: 5΄-CUC-3΄ (εδώ τυχαίνει να είναι ίδιο και ανεστραμμένο). Για ένα μη συμμετρικό κωδικόνιο, π.χ. 5΄-GCU-3΄ (Ala): 3΄-CGA-5΄ = 5΄-AGC-3΄.
Παράδειγμα 2: Ένα mRNA μεταφράζεται και δίνει πεπτίδιο 60 αμινοξέων. Πόσα μόρια tRNA χρησιμοποιήθηκαν, πόσοι πεπτιδικοί δεσμοί σχηματίστηκαν και πόσα κωδικόνια διαβάστηκαν από το ριβόσωμα (από το AUG έως και το κωδικόνιο λήξης);
Λύση: tRNA: 60 (ένα ανά αμινοξύ). Πεπτιδικοί δεσμοί: 59. Κωδικόνια: 61 (το κωδικόνιο λήξης δεν «δέχεται» tRNA).
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Σε ένα βακτήριο παρατηρείται στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ένα μόριο DNA από το οποίο «κρέμονται» μόρια RNA, πάνω στα οποία είναι ήδη προσδεμένα πολλά ριβοσώματα.
(α) Ποια δύο φαινόμενα γίνονται ταυτόχρονα; (β) Γιατί αυτό δεν μπορεί να συμβεί σε ανθρώπινο κύτταρο; (γ) Ποια η σημασία των πολλών ριβοσωμάτων σε κάθε mRNA;
Λύση:
(α) Μεταγραφή (σύνθεση mRNA από την RNA πολυμεράση) και μετάφραση (σύνθεση πολυπεπτιδίων στα ριβοσώματα) ταυτόχρονα: στα προκαρυωτικά η μετάφραση αρχίζει πριν ολοκληρωθεί η μεταγραφή, αφού δεν υπάρχει πυρηνική μεμβράνη.
(β) Στα ευκαρυωτικά η μεταγραφή γίνεται στον πυρήνα, το πρόδρομο mRNA ωριμάζει εκεί, και μόνο το ώριμο mRNA εξέρχεται στο κυτταρόπλασμα, όπου γίνεται η μετάφραση.
(γ) Κάθε mRNA μεταφράζεται ταυτόχρονα από πολλά ριβοσώματα (πολύσωμα), ώστε να παράγονται γρήγορα πολλά αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης.
Ποιο είναι το αντικωδικόνιο (γραμμένο 5΄ → 3΄) για το κωδικόνιο 5΄-CCU-3΄;
Σε ποιο άκρο του tRNA προσδένεται το αμινοξύ;
Ένα ώριμο mRNA έχει 480 νουκλεοτίδια, με 5΄ αμετάφραστη περιοχή 30 νουκλεοτιδίων και 3΄ αμετάφραστη περιοχή 57 νουκλεοτιδίων. Το μεταφράζουν ταυτόχρονα 5 ριβοσώματα (πολύσωμα).
(α) Πόσα αμινοξέα έχει κάθε πεπτίδιο; (β) Πόσα πεπτίδια θα έχουν συντεθεί όταν τα 5 ριβοσώματα ολοκληρώσουν τη μετάφραση και πόσοι πεπτιδικοί δεσμοί συνολικά; (γ) Υπάρχει tRNA με αντικωδικόνιο 5΄-UUA-3΄;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Από το AUG έως και το κωδικόνιο λήξης: νουκλεοτίδια κωδικόνια. Χωρίς το κωδικόνιο λήξης: 130 αμινοξέα.
(β) Κάθε ριβόσωμα συνθέτει ένα πεπτίδιο: 5 πανομοιότυπα πεπτίδια. Κάθε πεπτίδιο έχει πεπτιδικούς δεσμούς, άρα συνολικά.
(γ) Το αντικωδικόνιο 5΄-UUA-3΄ ζευγαρώνει αντιπαράλληλα με το κωδικόνιο 5΄-UAA-3΄, που είναι κωδικόνιο λήξης. Για τα κωδικόνια λήξης δεν υπάρχουν tRNA, άρα όχι.
- «Η μετάφραση γίνεται στον πυρήνα.» Γίνεται στα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος (και του αδρού ΕΔ).
- «Υπάρχουν tRNA για τα κωδικόνια λήξης.» Δεν υπάρχουν.
- «Το ριβόσωμα κινείται προς το 5΄ άκρο.» Κινείται 5΄ → 3΄, προς το 3΄ άκρο του mRNA.
- «Κάθε mRNA μεταφράζεται μία φορά.» Μεταφράζεται πολλές φορές, από πολλά ριβοσώματα ταυτόχρονα.
- Μετάφραση στα ριβοσώματα (rRNA + πρωτεΐνες, μικρή και μεγάλη υπομονάδα)· tRNA με αντικωδικόνιο και αμινοξύ στο 3΄ άκρο.
- Έναρξη: mRNA (5΄ UTR) + μικρή υπομονάδα + tRNA-Met στο AUG + μεγάλη υπομονάδα.
- Επιμήκυνση: πεπτιδικός δεσμός, μετακίνηση κατά ένα κωδικόνιο προς το 3΄.
- Λήξη: κωδικόνιο λήξης, απελευθέρωση αλυσίδας, διαχωρισμός υπομονάδων.
- Πολύσωμα· στα προκαρυωτικά μετάφραση ταυτόχρονα με τη μεταγραφή.