Bakteriell översättning
Bakteriell translation är den process genom vilken budbärar -RNA översätts till proteiner i bakterier .
Initiering
Initiering av translation i bakterier involverar sammansättning av komponenterna i translationssystemet, vilka är: de två ribosomala subenheterna ( 50S och 30S subenheter); det mogna mRNA:t som ska translateras; tRNA:t laddat med N-formylmetionin (den första aminosyran i den begynnande peptiden); guanosintrifosfat (GTP) som en energikälla, och de tre prokaryota initieringsfaktorerna IF1 , IF2 och IF3 , som hjälper till att sätta samman initieringskomplexet. Variationer i mekanismen kan förutses.
Ribosomen har tre aktiva ställen: A-stället, P-stället och E-stället. A -stället är ingångspunkten för aminoacyl-tRNA:t (förutom det första aminoacyl-tRNA:t, som går in på P-stället). P -stället är där peptidyl-tRNA bildas i ribosomen. Och E-stället som är utgångsstället för det nu oladdade tRNA:t efter att det ger sin aminosyra till den växande peptidkedjan.
Valet av ett initieringsställe (vanligtvis ett AUG-kodon) beror på interaktionen mellan 30S-subenheten och mRNA-mallen. 30S-subenheten binder till mRNA-mallen vid en purinrik region ( Shine-Dalgarno-sekvensen ) uppströms om AUG-initieringskodonet. Shine-Dalgarno-sekvensen är komplementär till en pyrimidinrik region på 16S rRNA-komponenten i 30S-subenheten. Denna sekvens har evolutionärt bevarats och spelar en stor roll i den mikrobiella värld vi känner till idag. Under bildningen av initieringskomplexet parar sig dessa komplementära nukleotidsekvenser för att bilda en dubbelsträngad RNA-struktur som binder mRNA till ribosomen på ett sådant sätt att initieringskodonet placeras vid P-stället.
Välkända kodande regioner som inte har AUG-initieringskodon är de för lacI (GUG) och lacA (UUG) i E. coli lac-operonet . Två studier har oberoende visat att 17 eller fler icke-AUG- startkodon kan initiera translation i E. coli .
Det finns tre initieringssätt: den kanoniska 30S-bindningsmodellen, 70S-skanningsläget och ledarlös initiering. I det kanoniska läget binder den 30S ribosomala subenheten, initieringsfaktorer och initiator fMet-tRNA till mRNA för att bilda pre-initieringskomplexet, som sedan rekryterar 50S ribosomala subenheten för att starta translationsförlängning. I skanningsläget kan hela 70S-ribosomen, medan den redan är på mRNA, binda till initieringsfaktorerna fMet-tRNA och initiera translation genom att skanna mRNA:t för en startplats. Detta läge anses vara viktigt för översättningen av gener som är klustrade i polycistroniska operoner, där det kanoniska bindningsläget kan vara störande på grund av små avstånd mellan närliggande gener på samma mRNA-molekyl. Ledarlös initiering kan inträffa när den kompletta 70S-ribosomen binder initieringsfaktorer och fMet-tRNA, men på mRNA som saknar 5' UTR och har ett startkodon på sin 3'-ände.
Förlängning
Förlängning av polypeptidkedjan involverar tillsats av aminosyror till karboxyländen av den växande kedjan. Det växande proteinet lämnar ribosomen genom polypeptidutgångstunneln i den stora subenheten.
Förlängning startar när fMet-tRNA:t går in i P-stället, vilket orsakar en konformationsförändring som öppnar A-stället för det nya aminoacyl-tRNA:t att binda. Denna bindning underlättas av förlängningsfaktor-Tu (EF-Tu), ett litet GTPas . För snabb och exakt igenkänning av lämpligt tRNA, använder ribosomen stora konformationsförändringar ( konformationell korrekturläsning) . Nu innehåller P-stället början av peptidkedjan av proteinet som ska kodas och A-stället har nästa aminosyra som ska läggas till peptidkedjan. Den växande polypeptiden kopplad till tRNA:t i P-stället lösgörs från tRNA:t i P-stället och en peptidbindning bildas mellan de sista aminosyrorna i polypeptiden och aminosyran som fortfarande är fäst vid tRNA:t i A-stället. Denna process, känd som peptidbindningsbildning , katalyseras av ett ribozym ( 23S ribosomalt RNA i den 50S ribosomala subenheten). Nu har A-stället den nybildade peptiden, medan P-stället har ett oladdat tRNA (tRNA utan aminosyror). Den nybildade peptiden i A-ställets tRNA är känd som dipeptid och hela sammansättningen kallas dipeptidyl-tRNA . tRNA i P-stället minus aminosyran är känt för att vara deacylerat . I det sista stadiet av förlängning, kallad translokation , flyttar det deacylerade tRNA:t (i P-stället) och dipeptidyl-tRNA:t (i A-stället) tillsammans med dess motsvarande kodon till E- respektive P-ställena, och ett nytt kodon flyttas in på A-webbplatsen. Denna process katalyseras av förlängningsfaktor G (EF-G). Det deacylerade tRNA:t vid E-stället frisätts från ribosomen under nästa A-ställe-ockupation av ett aminoacyl-tRNA igen underlättat av EF-Tu.
Ribosomen fortsätter att översätta de återstående kodonen på mRNA när mer aminoacyl-tRNA binder till A-stället, tills ribosomen når ett stoppkodon på mRNA (UAA, UGA eller UAG).
Översättningsmaskineriet fungerar relativt långsamt jämfört med enzymsystemen som katalyserar DNA-replikation. Proteiner i bakterier syntetiseras med en hastighet av endast 18 aminosyrarester per sekund, medan bakteriella replisomer syntetiserar DNA med en hastighet av 1000 nukleotider per sekund. Denna skillnad i hastighet återspeglar delvis skillnaden mellan att polymerisera fyra typer av nukleotider för att göra nukleinsyror och att polymerisera 20 typer av aminosyror för att göra proteiner. Att testa och avvisa felaktiga aminoacyl-tRNA-molekyler tar tid och saktar ner proteinsyntesen. I bakterier sker translationsinitiering så snart 5'-änden av ett mRNA syntetiseras, och translation och transkription kopplas. Detta är inte möjligt i eukaryoter eftersom transkription och translation utförs i separata fack i cellen (kärnan och cytoplasman).
Uppsägning
Avslutning sker när ett av de tre termineringskodonen flyttar in i A-stället. Dessa kodoner känns inte igen av några tRNA. Istället känns de igen av proteiner som kallas frisättningsfaktorer , nämligen RF1 (känner igen UAA- och UAG-stoppkodonen) eller RF2 (känner igen UAA- och UGA-stoppkodonen). Dessa faktorer utlöser hydrolysen av esterbindningen i peptidyl-tRNA och frisättningen av det nysyntetiserade proteinet från ribosomen. En tredje frisättningsfaktor RF-3 katalyserar frisättningen av RF-1 och RF-2 i slutet av avslutningsprocessen.
Återvinning
Komplexet efter terminering som bildas i slutet av termineringssteget består av mRNA med termineringskodonet vid A-stället, ett oladdat tRNA i P-stället och den intakta 70S-ribosomen. Ribosomåtervinningssteget är ansvarigt för demonteringen av det ribosomala komplexet efter avslutande. När det begynnande proteinet väl har släppts i avslutning ribosomåtervinningsfaktor och förlängningsfaktor G (EF-G) för att frigöra mRNA och tRNA från ribosomer och dissociera 70S-ribosomen till 30S- och 50S-subenheterna. IF3 ersätter sedan det deacylerade tRNA:t som frisätter mRNA. Alla översättningskomponenter är nu gratis för ytterligare översättningsomgångar.
Beroende på tRNA kan IF1 – IF3 också utföra återvinning.
Polysomer
Translation utförs av mer än en ribosom samtidigt. På grund av den relativt stora storleken på ribosomer kan de bara fästa till ställen på mRNA med 35 nukleotider från varandra. Komplexet av ett mRNA och ett antal ribosomer kallas en polysom eller polyribosom.
Reglering av översättning
När bakterieceller får slut på näringsämnen går de in i stationär fas och nedreglerar proteinsyntesen. Flera processer förmedlar denna övergång. Till exempel, i E. coli , bildar 70S ribosomer 90S dimerer vid bindning med ett litet 6,5 kDa protein, ribosommodulationsfaktor RMF. Dessa mellanliggande ribosomdimerer kan därefter binda en vilolägesfrämjande faktor (proteinet på 10,8 kDa, HPF) för att bilda en mogen 100S ribosomal partikel, i vilken dimeriseringsgränssnittet görs av de två 30S-subenheterna av de två deltagande ribosomerna. Ribosomdimererna representerar ett viloläge och är translationellt inaktiva. Ett tredje protein som kan binda till ribosomer när E. coli- celler går in i den stationära fasen är YfiA (tidigare känt som RaiA). HPF och YfiA är strukturellt lika, och båda proteinerna kan binda till de katalytiska A- och P-ställena i ribosomen. RMF blockerar ribosombindning till mRNA genom att förhindra interaktion av budbäraren med 16S rRNA. När den är bunden till ribosomerna stör den C-terminala svansen av E. coli YfiA bindningen av RMF, vilket förhindrar dimerisering och resulterar i bildandet av translationellt inaktiva monomera 70S-ribosomer.
Förutom ribosomdimerisering kan sammanfogningen av de två ribosomala subenheterna blockeras av RsfS (tidigare kallad RsfA eller YbeB). RsfS binder till L14, ett protein i den stora ribosomala subenheten, och blockerar därmed sammanfogningen av den lilla subenheten för att bilda en funktionell 70S-ribosom, vilket saktar ner eller blockerar translation helt. RsfS-proteiner finns i nästan alla eubakterier (men inte archaea ) och homologer finns i mitokondrier och kloroplaster (där de kallas C7orf30 respektive iojap ). Det är dock ännu inte känt hur uttrycket eller aktiviteten av RsfS regleras.
En annan ribosom-dissociationsfaktor i Escherichia coli är HflX , tidigare ett GTPas med okänd funktion. Zhang et al. (2015) visade att HflX är en värmechockinducerad ribosomsplittringsfaktor som kan dissociera såväl lediga som mRNA-associerade ribosomer. Den N-terminala effektordomänen av HflX binder till peptidyltransferascentret på ett slående liknande sätt som klass I-frisättningsfaktorerna och inducerar dramatiska konformationsförändringar i centrala intersubunit-bryggor, vilket främjar subenhetsdissociation. Följaktligen resulterar förlust av HflX i en ökning av avstannade ribosomer vid värmechock och möjligen andra stresstillstånd.
Effekt av antibiotika
Flera antibiotika utövar sin verkan genom att rikta in sig på översättningsprocessen i bakterier. De utnyttjar skillnaderna mellan prokaryota och eukaryota translationsmekanismer för att selektivt hämma proteinsyntesen i bakterier utan att påverka värden.