PREKLAD DNA: PROCES V EUKARYOTOCH A PROKARYOTOCH - BIOLÓGIE - 2026

Preklad DNA je proces, pri ktorom sa informácia obsiahnutá v RNA vyrobenej počas transkripcie (kopírovanie informácií v DNA sekvencii ako RNA) je "preložený" v aminokyselinové sekvencii od syntézy proteínov.

Z bunkového hľadiska je génová expresia relatívne komplexná záležitosť, ktorá sa vyskytuje v dvoch krokoch: transkripcia a translácia.

Preklad RNA sprostredkovaný ribozómom (Zdroj: LadyofHats / Public Domain, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Všetky gény, ktoré sú exprimované (či už kódujú peptidové sekvencie, to znamená proteíny, alebo nie), spočiatku tak robia prenosom informácií obsiahnutých v ich DNA sekvencii na molekulu messenger RNA (mRNA) prostredníctvom procesu nazývaného transkripcie.

Transkripcia je dosiahnutá pomocou špeciálnych enzýmov známych ako RNA polymerázy, ktoré používajú jeden z komplementárnych reťazcov DNA génu ako templát pre syntézu molekuly „pre-mRNA“, ktorá sa následne spracúva do formy zrelej mRNA.

V prípade génov, ktoré kódujú proteíny, sa informácie obsiahnuté v zrelých mRNA „prečítajú“ a prevedú na aminokyseliny podľa genetického kódu, ktorý špecifikuje, ktorý kodón alebo nukleotidový triplet zodpovedá ktorej konkrétnej aminokyseline.

Špecifikácia aminokyselinovej sekvencie proteínu teda závisí od počiatočnej sekvencie dusíkatých báz v DNA, ktorá zodpovedá génu, a potom v mRNA, ktorá prenáša túto informáciu z jadra na cytosol (v eukaryotických bunkách); proces, ktorý je tiež definovaný ako syntéza proteínov vedená mRNA.

Vzhľadom na to, že existuje 64 možných kombinácií 4 dusíkatých báz, ktoré tvoria DNA a RNA a iba 20 aminokyselín, môže byť aminokyselina kódovaná rôznymi tripletmi (kodónmi), a preto sa hovorí, že genetický kód je „degenerovaný“. (s výnimkou aminokyseliny metionín, ktorý je kódovaný jedinečným AUG kodónom).

Eukaryotický preklad (step-process)

Schéma živočíšnej eukaryotickej bunky a jej častí (Zdroj: Alejandro Porto prostredníctvom Wikimedia Commons)

V eukaryotických bunkách prebieha transkripcia v jadre a translácia v cytosole, takže mRNA, ktoré sa tvoria počas prvého procesu, tiež hrajú úlohu pri prenose informácií z jadra do cytosolu, kde sa bunky nachádzajú. biosyntetické stroje (ribozómy).

Je dôležité spomenúť, že rozdelenie transkripcie a translácie v eukaryotoch platí pre jadro, ale nie je to rovnaké pre organely s vlastným genómom, ako sú chloroplasty a mitochondrie, ktoré majú systémy viac podobné systémom prokaryotických organizmov.

Eukaryotické bunky majú tiež cytozolické ribozómy pripojené k membránam endoplazmatického retikula (hrubé endoplazmatické retikulum), v ktorých dochádza k translácii proteínov, ktoré sú určené na vloženie do bunkových membrán alebo ktoré vyžadujú posttranslačné spracovanie, ku ktorému dochádza v uvedenej kompartmente. ,

- Spracovanie mRNA pred ich transláciou

Po transkripcii sú mRNA modifikované na svojich koncoch:

- Keď sa 5 'koniec mRNA objaví z povrchu RNA polymerázy II počas transkripcie, okamžite je „napadnutý“ skupinou enzýmov, ktoré syntetizujú „kapotu“ zloženú zo 7-metyl guanylátu a ktorá je spojená s nukleotidom koniec mRNA prostredníctvom 5 ', 5' trifosfátovej väzby.

- 3 'koniec mRNA sa podrobí „štiepeniu“ endonukleázou, ktorá vytvára 3' voľnú hydroxylovú skupinu, ku ktorej je pripojený „reťazec" alebo „koniec" zvyškov adenínu (od 100 do 250). jeden po druhom enzýmom poly (A) polymerázy.

„5 'kapucňa“ a „poly A chvost“ plnia funkcie pri ochrane molekúl mRNA proti degradácii a okrem toho fungujú pri transporte zrelých transkriptov smerom k cytosolu a pri iniciácii a ukončení terminácie mRNA. preklad, resp.

C orth a zostrih

Po transkripcii sa „primárne“ mRNA so svojimi dvoma modifikovanými koncami, stále prítomnými v jadre, podrobia procesu „zostrihu“, pri ktorom sa spravidla odstránia intrónové sekvencie a výsledné exóny sa spoja (post-transkripčné spracovanie). , čím sa získajú zrelé transkripty, ktoré opúšťajú jadro a dosahujú cytosol.

Zostrih je uskutočňovaný riboproteínovým komplexom nazývaným spliceozóm (spliceozómový anglicizmus), tvoreným piatimi malými ribonukleoproteínmi a molekulami RNA, ktoré sú schopné "rozoznať" oblasti, ktoré sa majú odstrániť z primárneho transkriptu.

V mnohých eukaryotoch je jav známy ako „alternatívne zostrihávanie“, čo znamená, že rôzne typy post-transkripčných modifikácií môžu produkovať rôzne proteíny alebo izozýmy, ktoré sa navzájom líšia v niektorých aspektoch svojich sekvencií.

- Ribozómy

Keď zrelé transkripty opúšťajú jadro a sú transportované na transláciu v cytozole, sú spracované translačným komplexom známym ako ribozóm, ktorý pozostáva z komplexu proteínov asociovaných s molekulami RNA.

Ribozómy sa skladajú z dvoch podjednotiek, jednej „veľkej“ a jednej „malej“, ktoré sú voľne disociované v cytozole a viažu sa alebo sa asociujú na translatovanej molekule mRNA.

Väzba medzi ribozómami a mRNA závisí od špecializovaných molekúl RNA, ktoré sa spájajú s ribozomálnymi proteínmi (ribozomálna RNA alebo rRNA a prenosová RNA alebo tRNA), z ktorých každá má špecifické funkcie.

TRNA sú molekulárne „adaptéry“, pretože prostredníctvom jedného konca môžu „čítať“ každý kodón alebo triplet v maturovanej mRNA (podľa komplementarity bázy) a cez druhý sa môžu viazať na aminokyselinu kódovanú „prečítaným“ kodónom.

Na druhej strane molekuly rRNA sú zodpovedné za urýchlenie (katalýzu) väzbového procesu každej aminokyseliny v rodiacom sa peptidovom reťazci.

Zrelá eukaryotická mRNA môže byť "prečítaná" mnohými ribozómami, koľkokrát to naznačuje bunka. Inými slovami, rovnaká mRNA môže viesť k mnohým kópiám toho istého proteínu.

Štart kodónu a čítacieho rámca

Keď sa k zrelej mRNA dostanú ribozomálne podjednotky, riboproteínový komplex "skenuje" sekvenciu uvedenej molekuly, kým nenájde štartovací kodón, ktorý je vždy AUG a vyžaduje zavedenie metionínového zvyšku.

AUG kodón definuje čítací rámec pre každý gén a navyše definuje prvú aminokyselinu všetkých translatovaných proteínov v prírode (táto aminokyselina je mnohokrát eliminovaná posttranslačne).

Zastavte kodóny

Ako kodóny, ktoré indukujú ukončenie prekladu, boli identifikované ďalšie tri kodóny: UAA, UAG a UGA.

Mutácie, ktoré zahŕňajú zmenu dusíkatých báz v triplete, ktorý kóduje aminokyselinu a ktoré vedú k stop kodónom, sú známe ako nezmyselné mutácie, pretože spôsobujú predčasné zastavenie procesu syntézy, ktoré tvorí kratšie proteíny.

Neprekladané regióny

Blízko 5 'konca zrelých molekúl mRNA sú nepreložené oblasti (UTR), tiež nazývané „vedúce“ sekvencie, ktoré sú umiestnené medzi prvým nukleotidom a štartovacím kodónom translácie ( augusta).

Tieto nepreložené UTR oblasti majú špecifické miesta pre väzbu s ribozómami a napríklad u ľudí sú dlhé približne 170 nukleotidov, medzi ktorými sú regulačné oblasti, proteínové väzbové miesta, ktoré fungujú pri regulácii preklad atď.

- Začiatok prekladu

Preklad, ako aj transkripcia, pozostáva z 3 fáz: iniciačnej fázy, predĺženej fázy a konečnej fázy ukončenia.

začatia

Pozostáva zo zostavenia translačného komplexu na mRNA, ktorý si zasluhuje väzbu troch proteínov známych ako iniciačný faktor (IF) IF1, IF2 a IF3 na malú podjednotku ribozómu.

„Pre-iniciačný“ komplex tvorený iniciačnými faktormi a malou ribozomálnou podjednotkou sa zase viažu s tRNA, ktorá „nesie“ metionínový zvyšok a táto skupina molekúl sa viaže k mRNA, blízko štartovacieho kodónu. auguste

Tieto udalosti vedú k väzbe mRNA na veľkú ribozomálnu podjednotku, čo vedie k uvoľneniu iniciačných faktorov. Veľká ribozómová podjednotka má 3 väzobné miesta pre molekuly tRNA: A miesto (aminokyselina), P miesto (polypeptid) a E miesto (výstup).

Miesto A sa viaže na antikodón aminoacyl-tRNA, ktorý je komplementárny k antikoónu translatovanej mRNA; miesto P je miesto, kde sa aminokyselina prenáša z tRNA na vznikajúci peptid a miesto E sa nachádza v „prázdnej“ tRNA pred uvoľnením do cytosolu po doručení aminokyseliny.

Grafické znázornenie fáz iniciácie a predĺženia prekladu (Zdroj: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

predĺženie

Táto fáza pozostáva z "pohybu" ribozómu pozdĺž molekuly mRNA a translácie každého kodónu, ktorý je "čítaný", čo znamená rast alebo predĺženie polypeptidového reťazca pri narodení.

Tento proces vyžaduje faktor známy ako elongačný faktor G a energia vo forme GTP, čo je hnacou silou translokácie elongačných faktorov pozdĺž molekuly mRNA pri translácii.

Peptidyltransferázová aktivita ribozomálnych RNA umožňuje tvorbu peptidových väzieb medzi postupnými aminokyselinami, ktoré sa pridávajú do reťazca.

ukončenie

Translácia končí, keď ribozóm narazí na niektorý z terminačných kodónov, pretože tRNA tieto kodóny nerozpoznávajú (nekódujú aminokyseliny). Taktiež sa viažu proteíny známe ako uvoľňovacie faktory, ktoré uľahčujú oddelenie mRNA od ribozómu a disociáciu jeho podjednotiek.

Prokaryotický preklad (kroky-procesy)

V prokaryotoch, ako v eukaryotických bunkách, sa nachádzajú ribozómy zodpovedné za syntézu proteínov v cytosóle (čo platí aj pre transkripčné mechanizmy), čo je skutočnosť, ktorá umožňuje rýchle zvýšenie cytosolovej koncentrácie proteínu keď sa zvýši expresia génov, ktoré ju kódujú.

Aj keď to nie je veľmi bežný proces v týchto organizmoch, primárne mRNA produkované počas transkripcie môžu podstúpiť post-transkripčné dozrievanie prostredníctvom zostrihu. Najbežnejšie je však pozorovať ribozómy pripojené k primárnemu transkriptu, ktoré ho prekladajú súčasne s transkripciou z príslušnej sekvencie DNA.

Vzhľadom na vyššie uvedené, translácia v mnohých prokaryotoch začína na 5 'konci, pretože 3' koniec mRNA zostáva pripojený k templátovej DNA (a vyskytuje sa súčasne s transkripciou).

Neprekladané regióny

Prokaryotické bunky tiež produkujú mRNA s netranslatovanými oblasťami známymi ako „Shine-Dalgarno box“ a ktorých konsenzuálna sekvencia je AGGAGG. Ako je zrejmé, oblasti UTR baktérií sú podstatne kratšie ako oblasti eukaryotických buniek, hoci počas translácie vykazujú podobné funkcie.

proces

V baktériách a iných prokaryotických organizmoch je proces translácie celkom podobný procesu eukaryotických buniek. Pozostáva tiež z troch fáz: iniciácia, predĺženie a ukončenie, ktoré závisia od konkrétnych prokaryotických faktorov, ktoré sa líšia od faktorov používaných v eukaryotoch.

Predĺženie napríklad závisí skôr od známych elongačných faktorov, ako sú EF-Tu a EF-Ts, než od faktora G eukaryot.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. a Walter, P. (2007). Molekulárna biológia bunky. Garland Science. New York, 1392.
2. Clancy, S. & Brown, W. (2008) Preklad: DNA na mRNA na proteín. Prírodné vzdelávanie 1 (1): 101.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, a Miller, JH (2005). Úvod do genetickej analýzy. Macmillan.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, Kalifornia, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
6. Rosenberg, LE a Rosenberg, DD (2012). Ľudské gény a genomény: veda. Health, Society, 317-338.