Stadien des Mechanismus der Proteinsynthese an 70S-Ribosomen

Der Mechanismus der Proteinsynthese auf 70S-Ribosomen umfasst die folgenden Stufen:

1. Die Transkription:

Der Prozess der Proteinsynthese beginnt mit dem Abwickeln von DNA-Molekülsträngen. Ein DNA-Molekülstrang fungiert als Vorlage für die Bildung von mRNA. Die mRNA wird gemäß den Triplett-Codes der DNA durch den Kopier- oder Transkriptionsprozess gebildet.

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Sobald die mRNA gebildet ist, verlässt sie den Zellkern und gelangt in das Zytoplasma, wo sie sich mit der 30S-Untereinheit der Ribosomen verbindet. Die mRNA trägt die Triplett-Codons für die Proteinsynthese.

2. Bindung von mRNA an 30S-Ribosomen und Bildung von Polyribosomen:

In prokaryotischen Zellen wurde beobachtet, dass die Ribosomen vor dem Prozess der Proteinsynthese in dissoziiertem und inaktivem Zustand auftreten. Die mRNA bindet in Gegenwart von F ₂ -Proteinfaktor an die ribosomale 30S-Untereinheit. Bald kommt die N-Formylmethionyl-tRNA (F-met-t-RNAf) aus dem Zytoplasma und bindet mit dem ersten Triplett-Codon (AUG oder AUA) der mRNA, um den Prozess der Proteinsynthese zu initiieren und den Initiationskomplex zu bilden.

Die Bildung des Initiationskomplexes wird durch GTP (Guanosintriphosphat) und 3 Proteinfaktoren (F ₁, F ₂ und F ₃ ) unterstützt. Nach der Bildung des Initiationskomplexes vereinigt sich die 30S-ribosomale Untereinheit mit der 50S-ribosomalen Untereinheit, um das 70S-Ribosom zu bilden. Die Vereinigung ribosomaler Untereinheiten tritt in Gegenwart von Mg ++ - Ionen und F _{1 -} und F ₂ -Faktoren auf.

Die Codes der mRNA werden nicht nur von einem Ribosom gelesen, sondern viele Ribosomen bewegen sich und lesen die Codes der mRNA. Wenn viele Ribosomen an die mRNA binden, erfolgt die Bildung von Polysomen oder Polyribosomen.

3. Die Übertragung von Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese:

Die Aminosäuren werden von der tRNA aus dem intrazellulären Aminosäurepool auf die Ribosomen übertragen. Die Übertragungsvorgänge finden in verschiedenen Stufen statt, die wie folgt sind.

(a) Aktivierung von Aminosäuren

Jede der 20 Aminosäuren kommt im Zytoplasma in einem inaktiven Zustand vor. Jede Aminosäure wird vor ihrer Anlagerung mit ihrer spezifischen tRNA durch ein spezifisches aktivierendes Enzym aktiviert, das als Aminoacyl-Synthetase und ATP bekannt ist. Die freien Aminosäuren reagieren mit ATP, wodurch Aminoacyladenylat und Pyrophosphat gebildet werden:

AA + ATP + Enzym → AA ~ AMP - Enzym + PP

Aminosäure Aminoacyl-Synthetase Aminoacyl-Adenylat-Pyrophosphat-Synthetase-Komplex

Das Reaktionsprodukt Aminoacyladenylat ist in Form eines monokovalenten Komplexes an das Enzym gebunden. Dieser Aminoacyladenylat-Enzymkomplex verestert dann zu einem spezifischen tRNA-Molekül. Die Zelle besitzt mindestens 20 Aminoacyl-Synthetase-Enzyme für die 20 Aminosäuren. Jedes Enzym ist spezifisch und bindet sich fehlerfrei an die spezifische Aminosäure.

(b) Bindung von aktivierter Aminosäure an tRNA:

Das Aminoacyladenylat bleibt an das Enzym gebunden, bis es mit dem spezifischen tRNA-Molekül kollidiert. Dann wird die Carboxylgruppe der Säure des Aminosäurerestes des Aminoacyladenylats auf die 3 OH-Gruppe der Ribose des terminalen Adenosins am CCA-Ende der tRNA übertragen. Als Ergebnis werden AMP und Enzym freigesetzt und eine Aminoacyl-tRNA des Endprodukts wird durch das folgende Verfahren gebildet:

'A' = Aminoacylstelle oder Decodierungsstelle, 'P' = Peptidylstelle oder Kondensationsstelle, 'E' = Existenzstelle,

AA ₁ = N-Formylmethionin.

AA ₂ = Threonin.

AA - AMP - Enzym + tRNA → AA - tRNA + AMP + Enzym

Aminoacyladenylat und Enzym Aminoacyl-tRNA

Die Aminoacyl-tRNA bewegt sich in Richtung der Proteinsynthese, dh Ribosomen mit mRNA.

4. Initiierung der Proteinsynthese:

Wie bereits erwähnt, umfasst die Initiierung der Proteinsynthese im Bakterium Escherichia coli (E. coli) die Bildung eines 70S-Komplexes. In ihr hat die mRNA an ihrem Anfang (dh dem 5'-Ende) immer das erste Triplett-Codon als AUG. Die AUG-Codons sind die Codes für die Aminosäure Methionin.

Das Methionin bleibt formuliert und hat eine sehr wichtige Rolle bei der Einleitung des Proteinsyntheseprozesses. Bei jedem Proteintyp nimmt das Formylmethionin den ersten Platz im Molekül ein. Wenn das Proteinmolekül vollständig synthetisiert ist, löst sich das Formylmethionin häufig durch die Aktivität eines hydrolytischen Enzyms vom neu synthetisierten Proteinmolekül.

Da bei der Proteinsynthese die Peptidkette immer in der Sequenz von der freien terminalen Aminogruppe (-NH ₂ ) zum Carboxyl- (-COOH) -Ende wächst, ist die Funktion der Formylmethionin-tRNA (AA ₁ -tRNA in Abb. 38.22 und 38.23) ) soll sicherstellen, dass Proteine ​​in dieser Richtung synthetisiert werden.

In der Formylmethionin-tRNA wird die Amino (-NH ₂ ) -Gruppe durch die Formylgruppe blockiert, wobei nur die -COOH-Gruppe zur Verfügung steht, um mit der NH ₂ -Gruppe der zweiten Aminosäure (AA ₂ ) zu reagieren. Auf diese Weise folgt die Synthese der Proteinkette in der richtigen Reihenfolge.

5. Verlängerung der Polypeptidkette:

Mit der Bildung von funktionellem 70S-Ribosom (dh 70S-mRNA-F met tRNA) wird die Verlängerung der Polypeptidkette durch regelmäßige Anlagerung von Aminosäuren und relative Bewegungen von Ribosom und mRNA in Gegenwart von GTP-Molekülen bewirkt Ein neues Triplett-Codon steht für neue Aminoacyl-tRNA an der Decodierungs- oder A-Stelle des Ribosoms in jedem Schritt zur Verfügung. Daher muss sich F-met-tRNA von der Decodierungsstelle ('A'-Stelle) zur Peptidyl- oder' P'-Stelle bewegen, bevor die zweite Aminoacyl-tRNA (dh AA ₂ -tRNA) an das nächste Triplett-Codon binden kann, das bei der Decodierung oder auftritt A-Stelle des Ribosoms.

Die Aminoacyl-tRNA (AA ₂ -tRNA) bindet an das Codon der 'A'-Stelle in Gegenwart von GTP und zwei als Transferfaktoren bezeichneten Proteinen (als Tn und Ts bezeichnet), die mit Ribosomen assoziiert bleiben. Während dieses Bindungsprozesses wird ein Komplex zwischen GTP, den Transferfaktoren und der Aminoacyl-tRNA (AA ₂ -tRNA) gebildet, der schließlich Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle des Ribosoms unter Freisetzung der Transferfaktoren-GDP ablagert komplexes und anorganisches Phosphat.

Im nächsten Schritt wird aufgrund der relativen Bewegung von Ribosom und mRNA in Gegenwart eines einzelnen GTP-Moleküls das nächste Triplett-Codon (dh UUU-Codon in 38.21 und 38.22) für die nächste Aminoacyl-tRNA (nämlich AA ₃ -tRNA) verfügbar ) an der A-Stelle des Ribosoms. In diesem Stadium tritt f-met-tRNA am Ausgang der 'E'-Stelle auf, während AA ₂ -tRNA an der Peptidyl-' P'-Stelle auftritt. Ein als Transferase I bekanntes Enzym löst die tRNA von Formylmethionin (f-met oder AA ₁ ) aus und klappt das Formylmethionin auf die Aminoacyl-tRNA (AA ₂ -tRNA), die an der Peptidyl- oder P-Stelle gebunden ist. Der "G" -Faktor soll die freigesetzte oder deacylierte tRNA von der "E" -Stelle des Ribosoms freisetzen.

Es folgt die nächste Stufe des Verlängerungsprozesses, bei der eine Peptidbindung durch eine Reaktion zwischen der freien Aminogruppe der ankommenden Aminosäure (dh AA ₂ ) und der Carboxylgruppe der ersten Aminosäure (AA ₁ ) gebildet wird zu tRNA verestert. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, wird als Peptidyltransferase (oder Peptidsynthetase) bezeichnet und ist ein integraler Bestandteil der 50S-Untereinheit. Die Energie für die Peptidbindungssynthese stammt von der Spaltung der Esterbindung zwischen einer Aminosäure und ihrer tRNA.

Während der Verlängerung der Polypeptidkette gelangt somit jede geladene oder geladene tRNA (Aminoacyl-tRNA) in die Decodierungs- oder "A" -Stelle, bewegt sich zur Kondensations- oder "P" -Stelle, überträgt ihre Aminosäure an das Carboxylende des Polypeptids, bewegt sich zu die Austrittsstelle, wo die Polypeptidkette auf die benachbarte tRNA an der Kondensationsstelle übertragen wird und die tRNA dann vom Ribosom freigesetzt wird.

Dieser Vorgang wird als Translokation bezeichnet. Dies führt dazu, dass das dritte Codon in die A-Stelle gelangt und eine geeignete, mit einer dritten Aminosäure geladene tRNA an die A-Stelle binden würde. Der Prozess der Peptidbindungsbildung und -translokation würde wiederholt werden.

Wenn sich die mRNA in Bezug auf das Ribosom bewegt, würden somit alle Codons an der A-Stelle exponiert und die Peptidkette wächst. Diese Abfolge von Ereignissen, die an der Verlängerung beteiligt sind, muss sehr schnell vonstatten gehen, da berechnet wurde, dass E. coli unter optimalen Bedingungen wächst, und eine Polypeptidkette von etwa 40 Aminosäuren in 20 Sekunden hergestellt werden kann.

6. Terminierung und Freisetzung der Polypeptidkette:

Wenn die Synthese der Polypeptidkette gemäß den mRNA-Codons abgeschlossen ist, findet der Prozess der Terminierung und Freisetzung der Polypeptidkette statt. Die Terminierung der Polypeptidkette und die Freisetzung der vollständigen Kette aus dem Ribosom wird durch zwei Faktoren gesteuert.

Der Abbruch der Kette wird durch drei spezielle Terminations-Tripletts in der mRNA angezeigt, die in Bakterien UAG, UAA und UGA sind. Dies sind die sogenannten Nicht-Sense-Codons, die für keine Aminosäure kodieren. Die Polypeptidkette ist jedoch immer noch an die tRNA gebunden, die wiederum an die mRNA gebunden ist.

Die Kette wird aus dem Ribosom unter der Leitung von drei verschiedenen Proteinen freigesetzt, die als Freisetzungsfaktoren bezeichnet werden und als R _1, R ₂ und S bezeichnet werden. Diese sind an das Ribosom gebunden und steuern die Hydrolyse der Esterbindung zwischen tRNA und der Polypeptidkette. Sobald die Kette terminiert und freigesetzt wurde, trennt sich das Ribosom von der mRNA und dissoziiert aufgrund der Wirkung des F ₃ -Faktors in seine beiden Untereinheiten. Es ist bereit für einen neuen Zyklus der Polypeptidsynthese.

7. Modifikation des freigesetzten Polypeptids:

Die freigesetzte Polypeptidkette enthält das formulierte Methionin an einem Ende. Eine Enzymdeformylase entfernt die Formylgruppe von Methionin. Das Exopeptidase-Enzym kann einige Aminosäuren vom N-terminalen Ende oder vom C-terminalen Ende der Polypeptidkette entfernen.

In diesem Stadium besitzt das Polypeptid (Protein) seine Primärstruktur; Zumindest ein Teil vieler Proteine ​​hat eine Sekundärstruktur in Form einer Alpha-Helix. Die Proteinkette kann sich dann selbst zusammenfalten und interne Bindungen bilden (einschließlich der Speicherung von Disulfidbindungen), die ihre Tertiärstruktur zu einem genau und oft kompliziert gefalteten Muster stabilisieren. Zwei oder mehr Tertiärstrukturen können sich zu einer funktionalen Quartärstruktur zusammenschließen. Beispielsweise besteht Hämoglobin aus vier Polypeptidketten, zwei identischen a-Ketten und zwei identischen P-Ketten. Ein Protein wird erst dann zu einem aktiven Enzym, wenn es sein tertiäres oder quaternäres Muster angenommen hat.

Der Prozess der Initiierung, Verlängerung und Beendigung umfasst die Vermittlung mehrerer Proteinfaktoren und die Hydrolyse von GTP (Guanosintriphosphat), um Energie bereitzustellen. Die erläuterten detaillierten Schritte gelten für Prokaryoten und mit einigen Modifikationen auch für Eukaryoten.