Proteinsynthese: Maschinen und Mechanismus der Proteinsynthese

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die Proteinsynthese zu erfahren: Maschinen und Mechanismus der Proteinsynthese!

Maschinen für die Proteinsynthese:

Es besteht aus Ribosomen, Aminosäuren, mRNA, tRNAs und Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. mRNA fungiert als Vorlage mit genetischer Information.

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Ribosom ist der Ort der Proteinsynthese. tRNA bringt die gewünschte Aminosäure, liest die genetische Information und platziert die Aminosäure an der richtigen Stelle. RNAs werden während der Transkription über DNA gebildet, während die Proteinsynthese im Cytoplasma über Ribosomen erfolgt.

Die beiden sind räumlich und zeitlich voneinander getrennt. Es verhindert die Vermischung von Rohstoffen, schützt die DNA vor den Atmungsenzymen und die ribosomalen Maschinen vor Nukleasen.

1. Ribosomen (Abb. 6.27):

Die Proteinsynthese findet über den Ribosomen statt. Ribosomen werden daher auch als Proteinfabriken bezeichnet. Jedes Ribosom hat zwei ungleiche Teile, klein und groß. Die größere Untereinheit des Ribosoms hat eine Nut, um das neu gebildete Polypeptid herauszudrücken und dieses vor zellulären Enzymen zu schützen.

Die kleinere Untereinheit passt wie eine Kappe über die größere, hinterlässt jedoch einen Tunnel für mRNA. Die beiden Untereinheiten kommen nur zum Zeitpunkt der Proteinbildung zusammen. Das Phänomen heißt Assoziation. Mg ²⁺ ist dafür wesentlich. Bald nach Abschluss der Proteinsynthese trennen sich die Untereinheiten. Das Phänomen wird als Dissoziation bezeichnet.

Ribosomen bilden während der aktiven Proteinsynthese normalerweise Rosetten- oder Helixgruppen. Sie sind als Polyribosomen oder Polysomen bekannt (Rich, 1963). Die verschiedenen Ribosomen eines Polysoms werden von einem Messenger-RNA-Strang zusammengehalten. Polyribosom hilft, eine Reihe von Kopien desselben Polypeptids herzustellen. Die benachbarten Ribosomen eines Polyribosoms sind etwa 340 A oder 34 nm voneinander entfernt. Die verschiedenen Teile eines Ribosoms, die mit der Proteinsynthese verbunden sind, sind:

(i) Ein Tunnel für mRNA. Sie liegt zwischen den beiden Untereinheiten.

(ii) Eine Furche für den Durchgang von neu synthetisiertem Polypeptid. Die Nut ist Teil der größeren Untereinheit.

(iii) Es gibt drei reaktive Stellen - P (D), A und E (Abb. 6.28). Die P-Stelle (Peptidyltransfer- oder Donorstelle) wird von den beiden ribosomalen Untereinheiten gemeinsam bereitgestellt. Die a-Stelle (Aminoacyl- oder Akzeptorstelle) befindet sich auf der größeren Untereinheit des Ribosoms. Es steht dem Tunnel zwischen den beiden Untereinheiten gegenüber. Die Ausgangs- oder Austrittsstelle ist Teil einer größeren Untereinheit, die der Tunnelstelle zugewandt ist.

(iv) Enzympeptidyltransferase ist ein Ribozym. Es ist Bestandteil einer größeren Untereinheit des Ribosoms (23S-rRNA in Prokaryoten).

(v) Eine kleinere Untereinheit des Ribosoms hat einen Punkt zum Erkennen der mRNA und des Bindungsbereichs für Initiationsfaktoren.

2. Aminosäuren:

Hunderte verschiedener Proteintypen können in einer einzigen Zelle hergestellt werden. Alle Arten von Proteinen werden aus den gleichen Aminosäuren gebildet. Es ist die Anordnung von Aminosäuren in den Polypeptiden und deren Anzahl, die den Proteinen Spezifität verleiht. Es gibt etwa 20 Aminosäuren und Amide, die Bausteine ​​oder Monomere von Proteinen bilden. Sie kommen im zellularen Pool vor.

3. mRNA:

Es handelt sich dabei um Messenger-RNA, die kodierte Informationen aus der DNA holt und an ihrer Translation beteiligt ist, indem Aminosäuren in einer bestimmten Sequenz während der Polypeptidsynthese eingebracht werden.

Die Codons der mRNA werden jedoch nicht von Aminosäuren, sondern von Anticodons ihrer Adaptormoleküle (tRNAs -> a-tRNAs) erkannt. Die Translation erfolgt über den Ribosomen. Dieselbe mRNA kann immer wieder verwendet werden. In Form von Polysomen kann es helfen, mehrere Kopien gleichzeitig zu synthetisieren.

4. tRNAs:

Es handelt sich um Transfer- oder lösliche RNAs, die bestimmte Aminosäuren (am CCA oder 3'-Ende) in dem als Ladung bezeichneten Prozess aufnehmen. Die geladenen tRNAs nehmen die gleiche mRNA über bestimmte Codons auf, die ihren Anticodons entsprechen.

Eine tRNA kann nur eine bestimmte Aminosäure aufnehmen, obwohl eine Aminosäure durch 2-6 tRNAs spezifisch gemacht werden kann. Jede tRNA hat einen Bereich, in dem sie mit Ribosom (T ¥ C) und dem Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase (DHU) in Kontakt kommen kann.

5. Aminoacyl-tRNA-Synthetase:

Es ist das Enzym, das die Aminosäure mit ihrer speziellen tRNA kombiniert. Das Enzym ist für jede Aminosäure spezifisch. Es wird auch als aktivierendes Enzym bezeichnet.

Mechanismus der Proteinsynthese (Abb. 6.29—31):

1. (a) Aktivierung von Aminosäuren

Es wird durch Aktivierung von Enzymen durchgeführt, die als Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bekannt sind (Zamecnik und Hoagland, 1957). In Gegenwart von ATP verbindet sich eine Aminosäure mit ihrer spezifischen Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Mg ²⁺ ist erforderlich.

Es produziert einen Aminoacyladenylat-Enzymkomplex. Die Energie, die der Aminosäure während ihrer Aktivierung zur Verfügung gestellt wird, wird später zur Bildung von Peptidbindungen verwendet.

Die Hydrolyse von Pyrophosphat mit Hilfe des Enzyms Pyrophosphatase liefert Energie, um die ersten Reaktionen voranzutreiben.

(b) Laden oder Aminoacylierung von tRNA:

Der Komplex reagiert mit tRNA, die für die Aminosäure spezifisch ist, um einen Aminoacyl-tRNA-Komplex zu bilden. Enzym und AMP werden freigesetzt. Mit Aminosäuren komplexierte tRNA wird manchmal als geladene tRNA bezeichnet. Die Aminosäure ist an das 3-OH-Ende der tRNA gebunden, wenn man von ihrer -COOH-Gruppe spricht.

2. Initiation:

Es erfordert Faktoren, die Initiierungsfaktoren genannt werden. In den Prokaryoten gibt es drei Initiationsfaktoren - IF3, IF2 und IF1. Eukaryoten haben neun Initiierungsfaktoren - eIF2, eIF3, eIF1, eIF4A, eIF4B, eIf4C, eIF4D, eIF5, eIF6. Von diesen ist IF3 oder eIF2 im dissoziierten Zustand an eine kleinere Untereinheit des Ribosoms gebunden. GTP ist erforderlich. Die mRNA bindet sich im Bereich ihrer Kappe an kleinere Untereinheiten des Ribosoms.

Die Kappe weist Nukleotide auf, die zu den am 3'-Ende von rRNA vorhandenen Nukleotiden komplementär sind. Die Anlagerung ist so, dass das Startcodon der mRNA (AUG oder GUG) an der P-Stelle zu liegen kommt. Ein Initiationsfaktor, der bereits in einer kleineren Untereinheit vorhanden ist, katalysiert die Reaktion (eIF2 in Eukaryonten und IF3 in Prokaryonten).

Aminoacyl-tRNA-Komplex, der für das Initiationscodon (Methionin-tRNA oder Valin-tRNA) spezifisch ist, erreicht die P-Stelle (D-Stelle). Anticodon (z. B. UAC von tRNA ^Met ) baut temporäre Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Initiationscodon (z. B. AUG) von mRNA auf. Die Codon-Anticodon-Reaktion tritt in Gegenwart von Initiationsfaktor eIF3 in Eukaryonten und IF2 in Prokaryonten auf. Der Schritt erfordert auch Energie, die von GTP bereitgestellt wird.

Die initiierende Methionin-akzeptierende tRNA wird im Cytoplasma von Eukaryonten und formyliertem Methionin (tRNA von ^Met ) in Prokaryoten, Plastiden und Mitochondrien mit nichtformyliertem Methionin (tRNA m ^Met ) beladen. tRNA, die formyliertes Methionin überträgt, unterscheidet sich von der, die nichtformyliertes Methionin überträgt.

In Gegenwart von Mg ^{2+ verbindet} sich die größere Untereinheit des Ribosoms jetzt mit dem 40S-mRNA-tRNA- ^Met- Komplex, um ein intaktes Ribosom zu bilden. Es erfordert den Initiierungsfaktor IF1 in Prokaryoten und die Faktoren elFl, eIF4 (А, В, C) in Eukaryonten. Das Zusammenkommen der zwei Untereinheiten von Ribosomen wird Assoziation genannt. Das intakte Ribosom umschließt den an der P-Stelle vorhandenen mRNA-tRNA-Komplex, hält jedoch die A-Stelle frei.

3. Dehnung (Polypeptidkettenbildung). Ein Aminoacyl-tRNA-Komplex erreicht die À-Stelle und bindet mit Hilfe seines Anticodons neben dem Startcodon an das mRNA-Codon. Der Schritt erfordert GTP und einen Dehnungsfaktor (eEFl in Eukaryonten und EF-Tu sowie EF-Ts in Prokaryonten).

Es wurde herausgefunden, dass in Escherichia coli das am häufigsten vorkommende Protein der Elongationsfaktor (EF-Tu) ist. Eine Peptidbindung (-CO-NH-) wird zwischen der Carboxylgruppe (-COOH) der an tRNA an der P-Stelle gebundenen Aminosäure und der Aminogruppe (-NH-7) der an der tRNA an der À-Stelle gebundenen Aminosäure gebildet.

Die Reaktion wird durch Enzym-Peptidyltransferase, ein RNA-Enzym, katalysiert. Aus diesem Grund wird die NH ₂ -Gruppe der ersten Aminosäure daran gehindert, sich mit einer anderen Aminosäure an der Bildung der Peptidbindung zu beteiligen. Dabei bricht die Verbindung zwischen tRNA und der Aminosäure an der P-Stelle. Die freie tRNA der P-Stelle rutscht mit Hilfe des G-Faktors zur E-Stelle und von dort zur Außenseite des Ribosoms. Die À-Stelle trägt einen Peptidyl-tRNA-Komplex.

Kurz nach dem Aufbau der ersten Peptidverknüpfung und dem Abrutschen der freigesetzten tRNA der P-Stelle dreht sich das Ribosom oder die mRNA leicht. Der Vorgang wird Translokation genannt. Er benötigt einen Faktor, der Translokase (EF-G in Prokaryoten und eEF2 in Eukaryoten) und Energie aus GTP genannt wird. Durch Translokation erreicht das À-Stelle-Codon zusammen mit dem Peptidyl-tRNA-Komplex die P-Stelle. Ein neues Codon wird an der А-Stelle exponiert. Es zieht einen neuen Aminoacyl-tRNA-Komplex an.

Der Prozess der Bindungsbildung und Translokation wird wiederholt. Nacheinander werden alle mRNA-Codons an der À-Stelle exponiert und durch Einbau von Aminosäuren in die Peptidkette entschlüsselt.

Die Peptidkette verlängert sich. Die langgestreckte Peptidkette oder das Polypeptid liegt in der Nut der größeren Untereinheit des Ribosoms, um sich vor zellulären Enzymen zu schützen, da es aufgrund seiner ausgedehnten Natur zum Zusammenbruch neigt. Die Helixbildung beginnt mit Hilfe von Kapronen aus der Ferne.

Bei der Proteinsynthese wird viel Energie verbraucht. Für jede einzelne in die Peptidkette eingebaute Aminosäure werden ein ATP- und zwei GTP-Moleküle verwendet.

4. Kündigung:

Die Polypeptidsynthese ist beendet, wenn ein Nonsense-Codon von mRNA die À-Stelle erreicht. Es gibt drei Nonsense-Codons: UAA (Ocker), UAG (Amber) und UGA (Opal). Diese Codons werden von keiner der tRNAs erkannt. Daher erreicht keine Aminoacyl-tRNA mehr die À-Stelle.

Die t-Stelle-tRNA wird hydrolysiert und das fertige Polypeptid wird in Gegenwart eines GTP-abhängigen Freisetzungsfaktors freigesetzt. Es ist single (eRFl) in Eukaryoten und zwei (RF1 und RF2) in Prokaryoten. In Prokaryoten ist RF1 spezifisch für UAG und UAA. RF2 ist spezifisch für UAA und UGA. GTP-abhängiges RF3 (eRF3 in Hefe) ist für die Freisetzung der RFs vom Ribosom erforderlich.

Ribosom bewegt sich über das Nonsense-Codon und rutscht von der mRNA-Kette ab. Die zwei Untereinheiten des Ribosoms trennen sich oder werden in Gegenwart des Dissoziationsfaktors (DF) dissoziiert.

In Prokaryoten ist formyliertes Methionin üblicherweise die initiierende Aminosäure. Es wird entweder deformyliert (mit Hilfe des Enzyms Deformylase) oder manchmal vom Polypeptid (durch Enxyme Aminopeptidase) entfernt. Das initiierende Methionin wird in Eukaryoten normalerweise nicht zurückgehalten.

Zu einem Zeitpunkt werden mehrere Polypeptide aus derselben mRNA durch ein Polyribosom synthetisiert, wobei eine Anzahl von Ribosomen an denselben mRNA-Strang gebunden ist. Jedes Ribosom eines Polyribosoms bildet den gleichen Polypeptidtyp. Die gleichzeitige Bildung mehrerer Kopien desselben Polypeptids aus einer mRNA mit Hilfe eines Polysoms wird als Translationsamplifikation bezeichnet.

Ein Polypeptid hat bei seiner Freisetzung aus dem Ribosom nur eine Primärstruktur. Es windet sich und faltet sich weiter, um Sekundär- und Tertiärstruktur zu haben. Ein Polypeptid kann mit anderen Polypeptiden assoziiert werden, um zu produzieren (i-gefaltete Struktur, die dann eine Tertiär- und eine Quartärstruktur bildet.

Im Fall von freien cytoplasmatischen Polyribosomen werden die Polypeptide oder Proteine ​​im Cytoplasma (Cytosol) freigesetzt, wo sie zur Synthese von mehr Cytoplasma, einigen Enzymen und Bestandteilen von Zellorganellen wie Kern, Mikrotubuli, Mikrofibrillen, Mikrokörpern usw. verwendet werden.

Einige Proteine ​​kommen auch in die Zusammensetzung von halbautonomen Organellen wie Plastiden und Mitochondrien, obwohl sie einen Teil ihres Proteinbedarfs durch ihre eigenen Polyribosomen herstellen. An Membranen des endoplasmatischen Retikulums angeheftete Polyribosomen produzieren Proteine, die entweder in ihr Lumen gelangen (Abb. 6.27 B) oder in ihre Membranen integriert werden.

Die in das ER-Lumen freigesetzten Proteine ​​erreichen im Allgemeinen den Golgi-Apparat für Modifikationen wie die Bildung von hydrolytischen Enzymen und die Glykosylierung (Zugabe von Zuckerresten). Die modifizierten Proteine ​​werden in Vesikel verpackt, um Lysosomen, Zellwandenzyme, Plasmamembran usw. zu exportieren oder zu bilden.

Die Proteinsynthese wird in Bakterien durch bestimmte Antibiotika gehemmt. Dies bildet die Grundlage für die Behandlung bestimmter Bakterieninfektionen.

Antibiotika-Inhibierung der Bakterienproteinsynthese: