Tulkošana ģenētikā: mRNS, tRNS un ribosomu loma proteīnu sintēzē

Tulkošana ir proteīnu biosintēzes (proteīnu veidošanās) otrā daļa. Tā ir svarīgs gēnu ekspresijas posms, kurā informācija no nukleīnskābju secības (mRNS) tiek pārvērsta aminoskābju secībā — polipeptīdā, kas veido olbaltumvielu.

Priekšapstrāde pirms tulkošanas

Pirms mRNS var tikt tulkota, eikariotu šūnās notiek vairāki priekšapstrādes soļi:

transkripcija, kas rada intronu un eksonu ķēdi.
RNS sazarošana ar spliceosomām, kas likvidē intronus, un
ziņneša RNS formulēšana no eksoniem.

Pēc šiem soļiem rodas nobriedusi ziņneša RNS (mRNS), kas satur kodonus — trīnīšu nukleotīdu secību, kas nosaka aminoskābju secību polipeptīdā.

Kur notiek tulkošana

Eikariontos tulkošana parasti notiek uz ribosomām, kas atrodas citoplazmā vai piestiprinātas pie endoplazmatiskā retikuluma (rauplās RE) ārējās membrānas. Baktērijās translācija norisinās šūnas citoplazmā, jo tām nav atdalīta kodola, kur notiek transkripcija — tādēļ prokariotos transkripcija un tulkošana var notikt pie vienas un tās pašas mRNS vienlaikus.

Ribosomas, mRNS un polipeptīda veidošanās

Ribosomas sastāv no divām subvienībām — mazās un lielās daļiņas. Mazā subvienība saistās ar mRNS un nodrošina kodonu atpazīšanu, kamēr lielā subvienība katalizē peptidilveidošanās reakciju. Ribosomā ir trīs galvenās vietas (savienošanās punkti tRNS): A (aminoacilā), P (peptidilā) un E (iziešanas). Tulkošanas gaitā ribosoma pārvietojas pa mRNS vienu kodonu pēc otra, pieņemot atbilstošas tRNS un savienojot aminoskābes.

mRNS secība (kodonti) sākas ar starta kodonu (parasti AUG, kurš kodē metionīnu eikariotos) un beidzas ar stop kodonu (piem., UAA, UAG, UGA), kas neiekļauj aminoskābi un signalizē tulkošanas beigām. Pareiza lasāmrāmis (reading frame) uzturēšana ir svarīga — pārbīde var radīt pilnīgi citus polipeptīdus.

tRNS un aminoskābju piegāde

Aminoskābes uz ribosomas atnes īpašas tRNS molekulas, kurām ir antikodons — trīs bāzes, kas pārojas ar mRNS kodonu. Katram antikodonam parasti atbilst noteikta aminoskābe; šo sasaisti nodrošina īpašas enzīmas — aminoacil-tRNS sintetāzes, kas "uzlādē" tRNS ar atbilstošu aminoskābi. Antikodons un attiecīgā aminoskābe parasti ir pastāvīga saite: katra tRNS šķirne nes savu aminoskābi.

Kad tRNS antikodons sakrīt ar mRNS kodonu ribosomas A vietā, aminoskābe tiek pārvietota un piesaistīta polipeptīda ķēdei, kas atrodas P vietā, veidojot peptīda saiti. Pēc tam tRNS pārvietojas uz E vietu un atbrīvojas, kamēr ribosoma pārvietojas par vienu kodonu tālāk. Šo procesu sauc par elongāciju.

Jaunāku aminoskābju atpazīšanā darbojas arī "vobļo" (wobble) princips — dažkārt trešā kodona bāze var pāroties ar vairāk nekā vienu antikodonu, kas ļauj vienai tRNS attiekties uz vairākiem kodoniem.

Tulkošanas posmi īsumā

Iniciācija: mazā ribosomas daļiņa saistās ar mRNS un atrod starta kodonu; iniciācijas faktori un iniciatorāla tRNS (nesot metionīnu) palīdz izveidot pilnu ribosomas kompleksu.
Elongācija: secīga tRNS pievieno aminoskābes, peptīda saites veidojas, un ribosoma pārvietojas pa mRNS.
Terminācija: stop kodons piesaista atbrīvošanas faktorus, kas izdala polipeptīdu no ribosomas un izjauc tulkošanas kompleksu.

Polisomas, RE un proteīnu tālākapstrāde

Viens mRNS var vienlaikus tikt tulkots vairākās ribosomās — tā veidojas polisoma (poliribosoma), kas ļauj strauju proteīnu ražošanu. Daudzas ribosomas pie rauplā endoplazmatiskā retikuluma veido proteīnus, kuri tieši tiek ievirzīti RE lūmenā (koordinē signalpeptīds un translokācijas kanāli). Visi proteīni, ko šīs ribosomas veido, nonāk endoplazmas retikuluma iekšpusē, kur tos var salocīt un modificēt. Pēc tam vezikulas nogādā olbaltumvielas uz citām organelām, plazmas membrānu vai ārpus šūnas.

Pirms polipeptīds funkcionē kā olbaltumviela, tam bieži nepieciešama pareiza salocīšanās ar palīdzību no molekulārajām «palīgām» — šaperoniem, kā arī posttranslacionālas modifikācijas (piem., glicosilācija, fosforilācija). Dažos gadījumos polipeptīdi apvienojas ar citiem polipeptīdiem, veidojot daudzsubvienību proteīnus.

Kāpēc tulkošana ir nozīmīga

Tulkošana nodrošina, ka ģenētiskā informācija, kas kodēta DNS, tiek realizēta kā funkcionalas olbaltumvielas. Kļūdas tulkošanā vai tās regulācijas traucējumi var ietekmēt šūnas darbību un būt saistīti ar slimībām. Sapratne par tulkošanas mehānismu ir pamatā molekulārajai bioloģijai, biotehnoloģijai un medicīnai.

Diagramma, kurā attēlota mRNS tulkošana un olbaltumvielu sintēze ar ribosomas palīdzību

Četri posmi

Tulkošana notiek četros posmos: aktivācija (sagatavošanās), iniciācija (sākums), elongacija (pagarināšanās) un terminācija (apstāšanās). Šie termini raksturo aminoskābju ķēdes (polipeptīda) augšanu.

Aminoskābes tiek nogādātas uz ribosomām un saliktas olbaltumvielās. Aktivizācijas posmā pareizā aminoskābe tiek kovalenti savienota ar pareizo pārneses RNS (tRNS). Kad tRNA ir savienota ar aminoskābi, tā ir "uzlādēta".
Iniciācija notiek, kad mazā ribosomas daļa ar iniciācijas faktoru (IF) palīdzību savienojas ar mRNS 5' galu.
Elonģēšana notiek tad, kad aminoskābes, ko "uzlādē" tRNA, tiek savienotas viena ar otru, veidojot polipeptīdu.

Dažas antibiotikas darbojas, neļaujot notikt tulkošanai. Prokariotu ribosomas atšķiras no eikariotu ribosomām. Tāpēc antibiotikas var nogalināt baktērijas, nekaitējot eikariotiskajam saimniekam. Piemēram, antibiotikas, ko lieto cilvēks, var nogalināt baktērijas, kas izraisa cilvēka saslimšanu, bet nekaitē cilvēkam.

Pārskats par eikariotu ziņnešu RNS translāciju

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir tulkojums?

A: Tulkošana ir olbaltumvielu biosintēzes otrā daļa, kas ir olbaltumvielu ražošanas process. Tā ir daļa no gēnu ekspresijas un ietver vēstnešu RNS veidošanos no eksoniem un introniem.

J: Kur notiek translācija eikariontos?

A: Eikariontos tulkošana notiek uz ribosomām citoplazmā un endoplazmas retikulā.

J: Kā tRNA darbojas translācijas laikā?

A: Tulkošanas laikā tRNA ar antikodoniem savienojas ar mRNS atbilstošajiem kodoniem un pārnes aminoskābes. Kad tRNA sakrīt ar mRNS, aminoskābe, kas bija ar to savienota, atvienojas no tRNS un savienojas ar aminoskābi, ko nes iepriekšējā tRNS.

J: Kā darbojas ribosoma tulkošanas laikā?

A: Tulkošanas laikā ribosoma darbojas kā akciju birža un lentes. Daudzas ribosomas kopā ar mRNS piestiprinās pie raupja endoplazmas retikuluma ārējās membrānas, kur tās veido olbaltumvielas, kas nonāk vezikulās, kuras pēc tam tās nogādā uz citām organelām vai ārpus šūnas.

J: Kas notiek pirms transkripcijas?

A: Pirms transkripcijas notiek gēnu ekspresija, kas rada intronu un eksonu ķēdi, izmantojot RNS sazarošanu ar spliceosomu palīdzību, kas noņem intronus.

J: Kas notiek pēc polipeptīdu izveides tulkošanas laikā?

A. Pēc tam, kad tulkošanas laikā ir izveidoti polipeptīdi, tie var būt jāapvieno ar citiem polipeptīdiem, lai tie veidotu veselus proteīnus, vai jāsalocās, lai tie varētu darboties kā proteīni.

J: Kur baktērijās notiek translācija?

A:Baktērijās translācija notiek to šūnu citoplazmā, jo tām nav kodola.