2 Hauptschritte beim Mechanismus der Proteinsynthese: Transkription und Translation
Die wichtigsten Schritte im Mechanismus der Proteinsynthese sind 1. Transkription und 2. Translation!
Die Proteinbiosynthese steht in den meisten Fällen unter direkter DNA-Kontrolle oder unter der Kontrolle genetischer RNA, wenn keine DNA vorhanden ist.
Informationen zur Struktur eines Polypeptids werden in einer Polynukleotidkette gespeichert. 1958 schlug Crick vor, die in der DNA enthaltene Information (in Form einer Basensequenz) auf RNA zu übertragen und dann von RNA auf Protein (in Form einer Aminosäuresequenz) zu übertragen, und diese Information fließt nicht in die DNA umgekehrte Richtung, dh von Protein zu RNA zu DNA.
DNA-Moleküle liefern die Informationen für ihre eigene Replikation. Diese Beziehung zwischen DNA, RNA und Proteinmolekülen wird als zentrales Dogma bezeichnet. Temin (1970) berichtet, dass Retroviren ein zentrales Dogma Reverse (inverser Informationsfluss) oder Feminismus in Wirtszellen betreiben.
Genomische RNA dieser Viren synthetisiert zuerst DNA durch reverse Transkription; Dieser Prozess wird durch das Enzym Reverse Transkriptase katalysiert, DNA überträgt dann Informationen an die Messenger-RNA, die an der Translation der kodierten Informationen zur Bildung eines Polypeptids beteiligt ist.
Mechanismus der Proteinsynthese:
(i) Zwei Hauptschritte sind an der Proteinsynthese beteiligt. (i) Transkription, einschließlich Übertragung von genetischer Information von DNA zu mRNA, und (ii) Translation, einschließlich Übersetzung der Sprache von Nukleinsäuren in die von Proteinen.
I. Transkription:
Die Übertragung von genetischer Information von DNA zu mRNA wird als Transkription bezeichnet. Eine einzelne RNA-Polymerase führt die Synthese aller RNAs (einschließlich mRNA, rRNA und tRNA) in Bakterien durch. Eukaryonten enthalten dagegen mindestens drei verschiedene RNA-Polymerasen.
Eines davon im Nukleolus wird als RNA-Polymerase I oder 'A' bezeichnet und ist für die rRNA-Synthese verantwortlich. Die zweite eukaryotische RNA-Polymerase befindet sich im Nukleoplasma und wird als RNA-Polymerase II oder "B" bezeichnet. Sie ist für die Synthese von mRNA-Vorläufern verantwortlich, die als heterogene Kern-RNA (HnRNA) bezeichnet werden.
Die dritte eukaryotische RNA-Polymerase kommt auch im Nukleoplasma vor und wird RNA-Polymerase III oder "C" genannt, die für die Synthese von 5S-RNA und tRNA verantwortlich ist. Eukaryonten enthalten auch andere RNA-Polymerasen in Mitochondrien und Plastiden.
Die bakterielle RNA-Polymerase besteht aus vier verschiedenen Polypeptidketten: Kernenzym x (zwei Ketten von ∞ und eine einzelne Kette von β 'und β) und Sigma-Faktor (a)
1. Transkription von mRNA aus DNA:
In Gegenwart eines DNA-abhängigen RNA-Polymeraseenzyms wird die in DNA kodierte genetische Nachricht in mRNA transkribiert. Die beiden Stränge des spezifischen DNA-Moleküls spulen sich ab und einer dieser beiden Stränge fungiert als Templat (dieser Strang wird Antisense-Strang genannt), von dem die genaue Sequenz der Nukleotide in ein mRNA-Molekül transkribiert wird. Als Ergebnis ist die Basensequenz des mRNA-Moleküls komplementär zu der des Antisense-Strangs, der als Template diente. Wie die DNA-Synthese verläuft auch die RNA-Synthese von 5 'nach 3' (5 '- »3').
a) Transkription in Prokaryoten:
In Bakterien katalysieren nur einzelne RNA-Polymerasen die Synthese verschiedener RNA-Typen. Die RNA-Polymerase besteht aus vier Polypeptidketten (αββ'α 2 ), die das Kernenzym bilden, und einem Sigma-Faktor (σ), der lose an das Kernenzym gebunden ist. Der Sigma-Faktor hilft bei der Erkennung von Startsignalen auf einem DNA-Molekül und leitet die RNA-Polymerase bei der Auswahl der Initiationsstelle ein. In Abwesenheit von σ initiiert das Kernenzym die RNA-Synthese auf zufällige Weise.
Sobald die RNA-Synthese initiiert ist, dissoziiert ein Dissoziation und das Kernenzym bewirkt eine Verlängerung der mRNAA.
Der Transkriptionsmechanismus in Prokaryoten umfasst daher die folgenden Schritte:
1. Bindung von RNA-Polymerase-Holoenzym an eine Promotorstelle. Eine große Anzahl dieser Standorte, meistens vor dem Startpunkt (dh stromaufwärts), selten aber auch nach dem Startpunkt (dh stromabwärts), wurden identifiziert.
2. Abspulen von DNA, wodurch zwei Stränge getrennt werden, von denen nur einer transkribiert wird.
3. Dissoziation des Sigmafaktors (a).
4. Verlängerung des mRNA-Transkripts mit Hilfe des Core-Enzyms.
5. Die Termination der mRNA-Synthese wird durch das Terminationscodon der DNA bewirkt. In Bakterien wird dieses Beendigungssignal vom Faktor rho (P) erkannt.
(b) Transkription von mRNA in Eukaryoten:
In Eukaryoten gibt es mindestens zwei Arten von RNA-Polymerasen. RNA-Polymerase-A ist für die rRNA-Synthese verantwortlich. RNA-Polymerase-B bewirkt die Synthese von Hn-RNA (heterogene Kern-RNA aus DNA). Eine Sequenz von etwa 200 Nukleotiden von Adenylsäure-Poly-A (Polyadenylsäure) wird an das 3'-Ende von Hn-RNA gebunden. Gleichzeitig zerfällt Hn-RNA am 5'-Ende.Das Endprodukt ist als Poly-A-mRNA bekannt.
Es diffundiert aus dem Zellkern in das Zytoplasma, wo es für die Proteinsynthese genutzt wird (seine beiden Enden tragen eine spezifische Nukleotidsequenz. Das 5'-Ende des mRNA-Moleküls besitzt 7-Methylguanosin, während das 3'-Ende in der Poly-A-Sequenz endet. Die Nucleotidsequenz an den beiden Enden aller mRNA-Moleküle ist gleich, daher sollen mRNA-Moleküle markierte Enden haben.
Bildung von Aminoacyl-tRNA:
Studien von Lipmann und Mitarbeitern in den fünfziger Jahren zeigten, dass Aminosäuren an die tRNA-Moleküle anhaften: Diese Bindung hat die folgenden zwei Schritte:
1. Der erste Schritt besteht in der Aktivierung von Aminosäuren; Ein Aminosäuremolekül reagiert mit einem ATP (Adenosintriphosphat) -Molekül, um ein Aminoacyl-AMP (Aminoacyladenylat) -Molekül und ein Molekül Pryophosphat (PP) zu erhalten.
2. Im zweiten Schritt wird die Aminosäure aus dem Aminoacyl-AMP-Molekül auf ein spezifisches tRNA-Molekül übertragen und das AMP-Molekül (Adenosinmonophosphat) freigesetzt.
Beide Reaktionen werden durch dasselbe Enzym, die Aminoacyl-tRNA-Synthetase, katalysiert. Der Aminosäure-AMP-Komplex ist während der gesamten Reaktion fest an das Enzym gebunden. Die Carboxylgruppe der Aminosäure reagiert mit der -OH-Gruppe des Phosphatrestes von AMP unter Bildung von Aminoacyladenylaten, während sie sich an eine der -OH-Gruppen der Ribose des terminalen Adeninnukleotids anlagert, um Aminoacyl-tRNA herzustellen.
Jede Aminosäure hat ihre eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase, und einige Aminosäuren können mehr als ein aktivierendes Enzym aufweisen.
II. Übersetzung:
Der Übersetzungsschritt beinhaltet die Übersetzung der Sprache der Nukleinsäuren (verfügbar in Form von mRNA) in die Sprache der Proteine.
Der Übersetzungsprozess kann in folgende Schritte unterteilt werden:
(1) Einweihung
(2) Dehnung und
(3) Beendigung.
1. Initiierung der Polypeptidkette:
Die Initiierung der Polypeptidkette wird immer durch die Aminosäure Methionin bewirkt, die vom Codon AUG codiert wird. In E. coli erhalten zwei verschiedene tRNA Methionin - (i) tRNA mit met (nicht formylierbare tRNA) und (ii) tRNA mit met (formylierbare tRNA). tRNA f mot lagert formyliertes Methionin als erste Aminosäure der Polypeptidkette ab und initiiert so die Bildung der Polypeptidkette. tRNA m met lagert Methionin an der interkalaren Position in der Polypeptidkette ab.
Das bedeutet, dass jede Nachricht mit dem Codon AUG beginnt.
(i) Initiierung der Polypeptidkette in Prokaryoten:
Bei Prokaryoten erfolgt die Initiierung durch formyliertes Methionin.
In E. coli wird formyliertes Methionin von einer anderen tRNA aufgenommen, die durch tRNA bezeichnet wird (formylierbare tRNA). Methionin an der interkalaren Position in der Polypeptidkette wird von einer anderen met- tRNA-tRNA (nicht formylierbare tRNA) abgelagert.
Das formulierte Methionin bindet an die tRNA f met und bildet f-met-tRNA f met . Die kleine Untereinheit des Ribosoms (30S) bindet an das 5'-Ende der mRNA, die das AUG-Codon trägt, um einen Initiationskomplex (30S-mRNA) zu bilden. Dies wird durch ein Initiierungsprotein-Faktor 1F 3 -f-met-tRNA erleichtert, das an den Initiationskomplex gebunden wird, der 30S-mRNA-f-met-tRNA- Met bildet ; Initiierungsfaktor 1F 2 ist für diesen Schritt unerlässlich. Dies kombiniert mit der großen Untereinheit (50S), wodurch die Bildung von 70S-Ribosomen abgeschlossen wird. Diese Assoziation verbraucht Energie aufgrund der Spaltung eines GTP-Moleküls.
2. Dehnung der Polypeptidkette:
Nach der Bildung des 70S-mRNAf-met-tRNA- Met- Komplexes erfolgt die Verlängerung der Polypeptidkette durch regelmäßige Zugabe von Aminosäuren in den folgenden Schritten:
(i) Bindung von AA-tRNA an Stelle A der größeren Untereinheit des Ribosoms:
Am wahrscheinlichsten ist der Aminoacyl-tRNA-Komplex (AA-tRNA / - Met-tRNA-Met) an die Akzeptorstelle an der größeren Untereinheit des Ribosoms (A-Stelle) gebunden, und die tRNA-tragende Peptidkette ist an ihre Peptidyl- oder Donorstelle gebunden (P - Stelle): Dieses Verfahren beinhaltet ein Molekül von GTP, das die notwendige Energie liefert. Die zweite Aminoacyl-tRNA bindet an die A-Stelle und bindet an das zweite Codon GCU auf der mRNA. A-Stelle für die Anheftung von tRNA.
(ii) Bildung einer Peptidbindung:
Eine Peptidbindung wird zwischen der COOH-Gruppe der Peptidyl-tRNA an der Stelle-P und der-NH 2 -Gruppe der Aminoacyl-tRNA der Stelle-A gebildet. Nach der Bildung der Peptidbindung wird die tRNA von der P-Stelle freigesetzt und die Polypeptidkette wird auf die an der A-Stelle vorhandene tRNA übertragen.
(iii) Bewegung von Peptidyl-tRNA von der A-Stelle zur P-Stelle:
Sobald die tRNA von der P-Stelle freigesetzt wird, verschiebt sich die Peptidyl-tRNA von der A-Stelle zurück zur Stelle-P. Der Prozess wird mit Hilfe eines Moleküls aus GTP und Transferfaktor oder Enzymtranslokase abgeschlossen.
Während dieses Prozesses verschiebt sich das Ribosom entlang der mRNA in 5-3'-Richtung, so dass das nächste Codon der mRNA an der A-Stelle verfügbar ist. Dies erfordert G-Faktor und GTP.
Wenn sich ein Ribosom entlang der Länge der mRNA bewegt, wird der Startpunkt auf der mRNA frei. Es kann einen Initiationskomplex mit einer 30S-Untereinheit eines anderen Ribosoms bilden. Auf diese Weise werden mehrere Ribosomen an ein einzelnes mRNA-Molekül gebunden. Dieser Komplex wird als Polyribosomenkomplex bezeichnet.
Während des Prozesses der Proteinsynthese konnte eine Anzahl von Ribosomen gleichzeitig an ein einzelnes mRNA-Molekül gebunden werden, wobei sich jeweils eine Polypeptidkette bildete, wobei die Größe der Polypeptidketten auf verschiedenen Ribosomen unterschiedlich war.
Es gibt noch einen anderen Initiationsfaktor IF1; Dies ist der kleinste der drei Initiierungsfaktoren (IF1 - 9500 Dalton, IF2 - 73.000 Dalton; IF3 = 23.000 Dalton) und deren Rolle ist nicht klar verstanden. Es könnte sich darum handeln, die Freisetzung von IF2 aus dem Initiationskomplex zu unterstützen.
(iv) Initiierung der Polypeptidkette in Eukaryoten:
In Eukaryoten wird die Initiierung der Polypeptidkette durch eine spezielle Met-tRNA hervorgerufen, das Methionin wird jedoch nicht formyliert (weil die tRNA f met in Pflanzen fehlt und das Enzym transformylcise in Tieren fehlt). In Eukaryoten assoziiert eine kleinere Einheit (40 S) des Ribosoms mit der als tRNAy f bezeichneten Initiator-tRNA.
40S + Met-tRNA traf ich 40S-Met-tRNA, die ich traf
40S - Met-tRNA + mRNA -> 40S-mRNA-Met-tRNA met
40S - mRNA-met-tRNA wurde + 60S -> 80S-mRNA-met-tRNA erfüllt
In Eukaryonten gibt es mindestens zehn verschiedene Initiationsfaktoren. Dies sind elF1, eIF2, eIF3, eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF4F, eIF5 und eIF6. eIF3 und eIF2 sind analog zu IF2 und IF3 von Prokaryoten.
3. Terminierung des Polypeptids
Dies wird durch das Vorhandensein eines der drei Terminationscodons bewirkt, nämlich UAA, UAG und UGA. Diese Terminationscodons werden von einem der beiden Freisetzungsfaktoren RF1 und RF2 in E. coli erkannt. Von diesen Freigabefaktoren erkennt RF1 UAA und UAG, während RF2 UGA und UAA erkennt. Sie helfen dem Ribosom, diese Triolen zu erkennen.
Die Freisetzungsfaktoren scheinen auf A 'zu wirken, da Suppressor-tRNA, die Terminationscodons erkennen kann, durch den Eintritt an der A'-Stelle mit Freisetzungsfaktoren konkurrieren kann. Ein dritter Freisetzungsfaktor RF3 scheint die Wirkung von RF1 und RF2 zu stimulieren.
Für die Freisetzungsreaktion muss die Polypeptidyl-tRNA an der 'P'-Stelle vorhanden sein, und die Freisetzungsfaktoren helfen bei der Aufspaltung der Carboxylgruppe zwischen dem Polypeptid und der letzten tRNA, die diese Kette trägt. Das Polypeptid wird so freigesetzt und das Ribosom dissoziiert mit Hilfe von IF-3 in zwei Untereinheiten.
In Eukaryont ist nur ein Freisetzungsfaktor bekannt, dh eRF1.
4. Modifikation der freigesetzten Polypeptidkette:
Die Formylgruppe der ersten Aminosäure, Methionin, der freigesetzten Polypeptidkette wird durch das Enzym Deformylase entfernt. Einige andere Enzyme wie Expeptidasen entfernen einige der Aminosäuren entweder vom N-terminalen Ende oder vom C-terminalen Ende oder von beiden Enden der Polypeptidkette. Schließlich wird diese Polypeptidkette allein oder zusammen mit anderen Ketten gefaltet, um die tertiäre oder quaternäre Struktur anzunehmen und wird zu einem funktionellen Enzym.
