DNA-TRANSLATION: PROZESS IN EUKARYOTEN UND PROKARYOTEN - BIOLOGIE - 2025

Die Translation der DNA ist der Prozess, durch den die in der Messenger-RNA enthaltene Information, die während der Transkription erzeugt wird (Kopieren von Information in einer DNA-Sequenz als RNA), durch Proteinsynthese in eine Aminosäuresequenz "translatiert" wird.

Aus zellulärer Sicht ist die Genexpression eine relativ komplexe Angelegenheit, die in zwei Schritten abläuft: Transkription und Translation.

Durch ein Ribosom vermittelte RNA-Translation (Quelle: LadyofHats / Public Domain, über Wikimedia Commons)

Alle Gene, die exprimiert werden (unabhängig davon, ob sie für Peptidsequenzen, dh Proteine, kodieren oder nicht), tun dies zunächst, indem sie die in ihrer DNA-Sequenz enthaltenen Informationen durch einen sogenannten Prozess auf ein Messenger-RNA (mRNA) -Molekül übertragen Transkription.

Die Transkription wird durch spezielle Enzyme erreicht, die als RNA-Polymerasen bekannt sind und einen der komplementären Stränge der DNA des Gens als Matrize für die Synthese eines "Prä-mRNA" -Moleküls verwenden, das anschließend zu einer reifen mRNA verarbeitet wird.

Für Gene, die für Proteine ​​kodieren, werden die in reifen mRNAs enthaltenen Informationen "gelesen" und gemäß dem genetischen Code in Aminosäuren übersetzt, der angibt, welches Codon oder Nukleotidtriplett welcher bestimmten Aminosäure entspricht.

Die Spezifikation der Aminosäuresequenz eines Proteins hängt daher von der Anfangssequenz der stickstoffhaltigen Basen in der DNA ab, die dem Gen entspricht, und dann in der mRNA, die diese Information vom Kern zum Cytosol (in eukaryotischen Zellen) transportiert; Prozess, der auch als mRNA-gesteuerte Proteinsynthese definiert wird.

Da es 64 mögliche Kombinationen der 4 stickstoffhaltigen Basen gibt, aus denen DNA und RNA bestehen, und nur 20 Aminosäuren, kann eine Aminosäure von verschiedenen Tripletts (Codons) codiert werden, weshalb der genetische Code "entartet" ist. (mit Ausnahme der Aminosäure Methionin, die von einem einzigartigen AUG-Codon codiert wird).

Eukaryotische Übersetzung (Schritt-Prozess)

Diagramm einer eukaryotischen Tierzelle und ihrer Teile (Quelle: Alejandro Porto über Wikimedia Commons)

In eukaryotischen Zellen findet die Transkription im Zellkern und die Translation im Cytosol statt, sodass die beim ersten Prozess gebildeten mRNAs auch beim Informationstransport vom Zellkern zum Cytosol eine Rolle spielen, wo sich die Zellen befinden. Biosynthesemaschinerie (Ribosomen).

Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Kompartimentierung von Transkription und Translation in Eukaryoten für den Kern gilt, nicht jedoch für Organellen mit eigenem Genom wie Chloroplasten und Mitochondrien, deren Systeme denen prokaryotischer Organismen ähnlicher sind.

Eukaryontische Zellen haben auch cytosolische Ribosomen, die an die Membranen des endoplasmatischen Retikulums gebunden sind (raues endoplasmatisches Retikulum), bei denen die Translation von Proteinen erfolgt, die dazu bestimmt sind, in Zellmembranen inseriert zu werden, oder die eine posttranslationale Verarbeitung erfordern, die in diesem Kompartiment stattfindet. .

- Verarbeitung von mRNAs vor ihrer Translation

Die mRNAs werden an ihren Enden modifiziert, wenn sie transkribiert werden:

- Wenn das 5'-Ende der mRNA während der Transkription aus der Oberfläche der RNA-Polymerase II austritt, wird sie sofort von einer Gruppe von Enzymen "angegriffen", die eine "Haube" aus 7-Methylguanylat synthetisieren, die mit dem Nukleotid verbunden ist Terminal der mRNA über eine 5 ', 5' Triphosphatbindung.

- Das 3'-Ende der mRNA unterliegt einer "Spaltung" durch eine Endonuklease, die eine 3'-freie Hydroxylgruppe erzeugt, an die eine "Kette" oder ein "Schwanz" von Adeninresten (von 100 bis 250) gebunden ist. einzeln durch ein Poly (A) -Polymeraseenzym.

Die "5'-Haube" und der "Poly-A-Schwanz" erfüllen Funktionen beim Schutz von mRNA-Molekülen vor Abbau und zusätzlich beim Transport reifer Transkripte zum Cytosol sowie bei der Initiierung und Beendigung des Übersetzung.

C orth und Splicing

Nach der Transkription durchlaufen die "primären" mRNAs mit ihren beiden noch im Kern vorhandenen modifizierten Enden einen "Spleiß" -Prozess, bei dem intronische Sequenzen im Allgemeinen entfernt und die resultierenden Exons verbunden werden (posttranskriptionelle Verarbeitung). , mit denen reife Transkripte erhalten werden, die den Kern verlassen und das Cytosol erreichen.

Das Spleißen wird durch einen Riboproteinkomplex durchgeführt, der als Spleißosom (Spleißosomenangikalismus) bezeichnet wird und aus fünf kleinen Ribonukleoproteinen und RNA-Molekülen besteht, die in der Lage sind, die Regionen zu "erkennen", die aus dem Primärtranskript entfernt werden sollen.

In vielen Eukaryoten gibt es ein Phänomen, das als "alternatives Spleißen" bekannt ist, was bedeutet, dass verschiedene Arten von posttranskriptionellen Modifikationen verschiedene Proteine ​​oder Isozyme erzeugen können, die sich in einigen Aspekten ihrer Sequenzen voneinander unterscheiden.

- Ribosomen

Wenn reife Transkripte den Kern verlassen und zur Translation im Cytosol transportiert werden, werden sie von dem als Ribosom bekannten Translationskomplex verarbeitet, der aus einem Komplex von Proteinen besteht, die mit RNA-Molekülen assoziiert sind.

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, einer "großen" und einer "kleinen", die im Cytosol frei dissoziiert sind und an das translatierte mRNA-Molekül binden oder assoziieren.

Die Bindung zwischen Ribosomen und mRNA hängt von spezialisierten RNA-Molekülen ab, die mit ribosomalen Proteinen (ribosomale RNA oder rRNA und Transfer-RNA oder tRNA) assoziieren, von denen jedes spezifische Funktionen hat.

TRNAs sind molekulare "Adapter", da sie durch ein Ende jedes Codon oder Triplett in der reifen mRNA "lesen" können (durch Basenkomplementarität) und durch das andere an die Aminosäure binden können, die vom "gelesenen" Codon codiert wird.

Die rRNA-Moleküle sind andererseits dafür verantwortlich, den Bindungsprozess jeder Aminosäure in der entstehenden Peptidkette zu beschleunigen (zu katalysieren).

Eine reife eukaryotische mRNA kann von vielen Ribosomen "gelesen" werden, so oft die Zelle dies anzeigt. Mit anderen Worten, dieselbe mRNA kann zu vielen Kopien desselben Proteins führen.

Codon und Leserahmen starten

Wenn eine reife mRNA von ribosomalen Untereinheiten angefahren wird, "scannt" der Riboproteinkomplex die Sequenz des Moleküls, bis er ein Startcodon findet, das immer AUG ist und die Einführung eines Methioninrests beinhaltet.

Das AUG-Codon definiert den Leserahmen für jedes Gen und definiert zusätzlich die erste Aminosäure aller in der Natur translatierten Proteine ​​(diese Aminosäure wird posttranslational oft eliminiert).

Codons stoppen

Drei weitere Codons wurden als solche identifiziert, die eine Translationsterminierung induzieren: UAA, UAG und UGA.

Diejenigen Mutationen, die eine Änderung der stickstoffhaltigen Basen im Triplett beinhalten, das für eine Aminosäure kodiert, und die zu Stoppcodons führen, werden als Nonsense-Mutationen bezeichnet, da sie einen vorzeitigen Stopp des Synthesevorgangs verursachen, der kürzere Proteine ​​bildet.

Nicht übersetzte Regionen

Nahe dem 5'-Ende reifer mRNA-Moleküle befinden sich untranslatierte Regionen (UTRs), auch "Leader" -Sequenzen genannt, die sich zwischen dem ersten Nukleotid und dem Translationsstartcodon befinden ( AUG).

Diese nicht translatierten UTR-Regionen haben spezifische Stellen für die Bindung an Ribosomen und sind beim Menschen beispielsweise ungefähr 170 Nukleotide lang, darunter regulatorische Regionen, Proteinbindungsstellen, die bei der Regulation von funktionieren Übersetzung usw.

- Beginn der Übersetzung

Die Translation sowie die Transkription bestehen aus drei Phasen: einer Initiationsphase, einer Elongationsphase und schließlich einer Terminationsphase.

Einleitung

Es besteht aus dem Aufbau des Translationskomplexes auf der mRNA, der die Bindung von drei als Initiationsfaktor (IF) IF1, IF2 und IF3 bekannten Proteinen an die kleine Untereinheit des Ribosoms verdient.

Der durch die Initiationsfaktoren und die kleine ribosomale Untereinheit gebildete "Vorinitiations" -Komplex bindet wiederum an eine tRNA, die einen Methioninrest "trägt", und dieser Satz von Molekülen bindet an die mRNA nahe dem Startcodon. AUG.

Diese Ereignisse führen zur Bindung der mRNA an die große ribosomale Untereinheit, was zur Freisetzung von Initiationsfaktoren führt. Die große Ribosomenuntereinheit hat 3 Bindungsstellen für tRNA-Moleküle: die A-Stelle (Aminosäure), die P-Stelle (Polypeptid) und die E-Stelle (Ausgang).

Stelle A bindet an das Anticodon der Aminoacyl-tRNA, das zu dem der zu translatierenden mRNA komplementär ist; An der P-Stelle wird die Aminosäure von der tRNA auf das entstehende Peptid übertragen, und an der E-Stelle befindet sie sich in "leerer" tRNA, bevor sie nach Abgabe der Aminosäure in das Cytosol freigesetzt wird.

Grafische Darstellung der Initiations- und Verlängerungsphasen der Übersetzung (Quelle: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) über Wikimedia Commons)

Verlängerung

Diese Phase besteht aus der "Bewegung" des Ribosoms entlang des mRNA-Moleküls und der Translation jedes Codons, das "liest", was das Wachstum oder die Verlängerung der Polypeptidkette bei der Geburt impliziert.

Dieser Prozess erfordert einen Faktor, der als Elongationsfaktor G bekannt ist, und Energie in Form von GTP, was die Translokation von Elongationsfaktoren entlang des mRNA-Moleküls während der Translation antreibt.

Die Peptidyltransferaseaktivität von ribosomalen RNAs ermöglicht die Bildung von Peptidbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Aminosäuren, die der Kette hinzugefügt werden.

Beendigung

Die Translation endet, wenn das Ribosom auf eines der Terminationscodons trifft, da tRNAs diese Codons nicht erkennen (sie codieren keine Aminosäuren). Als Freisetzungsfaktoren bekannte Proteine ​​binden ebenfalls, was die Ablösung der mRNA vom Ribosom und die Dissoziation seiner Untereinheiten erleichtert.

Prokaryotische Übersetzung (Schritte-Prozesse)

In Prokaryoten wie in eukaryotischen Zellen befinden sich die für die Proteinsynthese verantwortlichen Ribosomen im Cytosol (was auch für die Transkriptionsmaschinerie gilt), was einen raschen Anstieg der cytosolischen Konzentration eines Proteins ermöglicht wenn die Expression der Gene, die es codieren, zunimmt.

Obwohl dies bei diesen Organismen kein äußerst häufiger Prozess ist, können die während der Transkription produzierten primären mRNAs durch "Spleißen" eine posttranskriptionelle Reifung erfahren. Am häufigsten werden jedoch Ribosomen beobachtet, die an das Primärtranskript gebunden sind und es gleichzeitig mit der Transkription aus der entsprechenden DNA-Sequenz translatieren.

In Anbetracht des Vorstehenden beginnt die Translation in vielen Prokaryoten am 5'-Ende, da das 3'-Ende der mRNA an der Matrizen-DNA gebunden bleibt (und gleichzeitig mit der Transkription auftritt).

Nicht übersetzte Regionen

Prokaryontische Zellen produzieren auch mRNA mit nicht translatierten Regionen, die als "Shine-Dalgarno-Box" bekannt sind und deren Konsensussequenz AGGAGG ist. Es ist offensichtlich, dass die UTR-Regionen von Bakterien erheblich kürzer sind als die von eukaryotischen Zellen, obwohl sie während der Translation ähnliche Funktionen ausüben.

Prozess

In Bakterien und anderen prokaryotischen Organismen ist der Translationsprozess dem von eukaryotischen Zellen ziemlich ähnlich. Es besteht auch aus drei Phasen: Initiierung, Verlängerung und Beendigung, die von spezifischen prokaryotischen Faktoren abhängen, die sich von den von Eukaryoten verwendeten unterscheiden.

Die Dehnung hängt beispielsweise eher von bekannten Dehnungsfaktoren wie EF-Tu und EF-Ts als vom G-Faktor von Eukaryoten ab.

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