Translace druh krok genov exprese Od RNA k

Translace (druhý krok genové exprese) Od RNA k proteinu Milada Roštejnská Helena Klímová 1

Obsah Genetický kód t. RNA Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Translace probíhá na ribosomech Iniciace translace Elongace translace (prodlužování řetězce) Terminace translace Použitá literatura 2

Genetický kód Jakmile vznikne funkční m. RNA, informace v ní obsažená může být ihned použita pro syntézu proteinu. Pravidla, kterými se řídí prostřednictvím m. RNA přenos z nukleotidové sekvence DNA do aminokyselinové sekvence, jsou definovaná jako GENETICKÝ KÓD. Sekvence nukleotidů m. RNA je čtena po trojicích. G G C C A G U U A U G C G U m. RNA A C A A kodon Obsah Každá skupina tří nukletidů se nazývá kodon. 3

Genetický kód Dohromady Lze vytvořit 64 (43) kombinací trojic nukleotidů. Některé aminokyselině přísluší i několik tripletů, ale naopak jednomu tripletu přísluší nanejvýš jedna aminokyselina. V genetickém kódu platí konvence, že 5'-konec nukleotidové sekvence m. RNA je zapisován vlevo! G G C C A G U U A U G C G U m. RNA A C A A 5' 3' Genetický kód je téměř univerzální pro všechny organismy. Obsah 4

Genetický kód V principu může být m. RNA překládána ve všech třech čtecích rámcích podle toho, u kterého nukleotidu translace začne. Val Thr 5' 5' 5' Ala Lys Val Stop kodon G G C C A G U U A U G C G U m. RNA A C A A Gln Leu Ser Arg Pro G G C C A G U U A U G C G U m. RNA A C A A Ser Gly Cys Gln Leu G G C C A G U U A U G C G U m. RNA A C A A 3' 3' 3' Avšak jen v jednom čtecím rámci vzniká požadovaný protein. Obsah 5

U C První nukleotid A G Druhý nukleotid U C A Terminační kodony G UUU fenyalanin UCU serin UAU tyrosin UGU cystein U UUC fenyalanin UCC serin UAC tyrosin UGC cystein C UUA leucin UCA serin UAA stop kodon UGA stop kodon A UUG leucin UCG serin UAG stop kodon UGG tryptofan G CUU leucin CCU prolin CAU histidin CGU arginin U CUC leucin CCC prolin CAC histidin CGC arginin C CUA leucin CCA prolin CAA glutamin CGA arginin A CUG leucin CCG prolin CAG glutamin CGG arginin G AUU isoleucin ACU threonin AAU asparagin AGU serin U AUC isoleucin ACC threonin AAC asparagin AGC serin C lysin AGA arginin A AUA isoleucin Iniciační kodon. AAA ACA threonin AUG methionin ACG threonin AAG lysin AGG arginin G GUU valin GCU alanin GAU kyselina asparagová GGU glycin U GUC valin GCC alanin GAC kyselina asparagová GGC glycin C GUA valin GCA alanin GAA kyselina glutamová GGA glycin A GUG valin GCG alanin GAG kyselina glutamová GGG glycin G Obsah Tab. 1 Genetický kód Třetí nukleotid 6

t. RNA Kodony v m. RNA nerozpoznávají přímo aminokyseliny, které specifikují. Translace m. RNA do proteinu závisí na t. RNA (transferová RNA), která je schopna jednou částí molekuly rozpoznat a spárovat se s kodonem v m. RNA a jinou částí vázat aminokyselinu. Touto částí váže příslušné aminokyseliny Touto částí se páruje s kodonem v m. RNA Obsah Obr. 1. Struktura t. RNA 7

Struktura t. RNA Jedna s částí t. RNA se nazývá antikodon, což jsou tři nukleotidy komplementární ke kodonu v m. RNA. Další důležitou oblastí je 3'-konec (vždy končí sekvencí CCA), na který je navázána příslušná aminokyselina. 3'-konec t. RNA Obsah Obr. 1. Struktura t. RNA 8

Struktura t. RNA Molekuly t. RNA jsou všechny přibližně 80 nukleotidů dlouhé. Jejich struktura připomíná jetelový lístek, který podléhá ještě dalšímu sbalení a vytváří konečnou strukturu ve tvaru písmene L. Skutečný L-tvar t. RNA Obsah Struktura jetelového listu Obr. 2. L-tvar t. RNA 9

Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Rozpoznání a připojení správné aminokyseliny je funkcí enzymů nazývaných aminoacyl-t. RNA-synthetasy. Aminokyselina (Tryptofan) t. RNA A C C Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Obsah Obr. 3. Aminoacyl-t. RNA-synthetasa 10

Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Reakce katalyzovaná aminoacyl-t. RNA-synthetasou vyžaduje dodání energie hydrolýzou ATP. Aminokyselina (Tryptofan) t. RNA ATP A C AMP + 2 Pi Vazba aminokyseliny k t. RNA C C Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Obsah Obr. 3. Aminoacyl-t. RNA-synthetasa 11

Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Při této reakci vzniká vysokoenergetická (makroergická) vazba mezi t. RNA a aminokyselinou. Tato energie je později využita pro tvorbu kovalentní vazby mezi rostoucím polypeptidovým řetězcem a nově navázanou aminokyselinou. Aminokyselina (Tryptofan) Makroergická vazba t. RNA ATP A C AMP + 2 Pi Vazba aminokyseliny k t. RNA C C Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Obsah Obr. 3. Aminoacyl-t. RNA-synthetasa Vazba kodonu k antikodonu 5' A C C Párování U G G m. RNA bází 3' 12

Translace probíhá na ribosomech Ribosom obsahuje čtyři vazebná místa pro molekuly RNA: jedno pro m. RNA a tři pro t. RNA (E-místo, A-místo, P-místo). Každý ribosom je tvořen z velké a malé podjednotky. E-místo P-místo A-místo Velká ribosomální jednotka E P A Malá ribosomální jednotka Vazebné místo pro m. RNA Obr. 4. Model Ribosomu Malá podjednotka zodpovídá za nasednutí t. RNA na kodon m. RNA. Velká podjednotka katalyzuje vznik peptidové vazby mezi aminokyselinou a polypeptidovým řetězcem. Obsah 13

Translace probíhá na ribosomech Obě podjednotky se spojují na molekule m. RNA obvykle blízko jejího 5'-konce a zahajují syntézu proteinu. E-místo P-místo A-místo Velká ribosomální jednotka E P A Malá ribosomální jednotka Vazebné místo pro m. RNA Obr. 4. Model Ribosomu Ribosom se pohybuje podél m. RNA, překládá nukleotidovou sekvenci do aminokyselinové za použití t. RNA a po dosyntetizování proteinu se obě jednotky opět oddělí. Obsah 14

Iniciace translace Met Translace začíná na iniciačním kodonu AUG a pro iniciaci je třeba iniciační t. RNA, která má na sobě vázaný methionin (u bakterií formyl-methionin). iniciační t. RNA, která má na sobě vázaný methionin Malá ribosomální podjednotka 5' U eukaryot je iniciační t. RNA s navázaným methioninem připojená k malé ribosomální jednotce za asistence několika tzv. iniciačních faktorů. AUG 3' Obsah Obr. 5. Iniciace translace m. RNA 15

Iniciace translace Po navázání iniciační t. RNA se malá podjednotka váže na 5'-konec m. RNA a začne se pohybovat podél m. RNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační t. RNA. Met 5' AUG 3' Obsah Obr. 5. Iniciace translace m. RNA 16

Iniciace translace E P A Velká ribosomální podjednotka Met Po navázání iniciační t. RNA se malá podjednotka váže na 5'-konec m. RNA a začne se pohybovat podél m. RNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační t. RNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se od malé ribosomální podjednotky odpoutá několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky. Met E 5' P A Iniciační t. RNA se váže rovnou do Pmísta, proto prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé t. RNA s aminokyselinou do A-místa. AUG 3' Obsah Obr. 5. Iniciace translace m. RNA 17

Iniciace translace aa 2 Po navázání iniciační t. RNA se malá podjednotka váže na 5'-konec m. RNA a začne se pohybovat podél m. RNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační t. RNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se od malé ribosomální podjednotky odpoutá několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky. Met E 5' P A Iniciační t. RNA se váže rovnou do Pmísta, proto prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé t. RNA s aminokyselinou do A-místa. AUG 3' Obsah Obr. 5. Iniciace translace m. RNA 18

Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa 2). Met E 5' P aa 2 A m. RNA AUG Obsah Obr. 5. Iniciace translace 3' 19

Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa 2). Ribosom se posune o 3 nukleotidy podél m. RNA. t. RNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a t. RNA z A-místa se přenese do P-místa. Met aa 2 E 5' P A m. RNA AUG Obsah Obr. 5. Iniciace translace 3' 20

Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-t. RNA navázána do A-místa. aa 4 NH 2 aa 1 aa 2 E 5' aa 3 P A m. RNA Obsah Obr. 6. Elongace translace 3' 21

Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-t. RNA navázána do A-místa. • Ve druhém kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi prodlužujícím se řetězcem a přicházející aminokyselinou. NH 2 aa 1 aa 2 E 5' aa 3 P aa 4 A m. RNA Obsah Obr. 6. Elongace translace 3' 22

Elongace translace (prodlužování řetězce) Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-t. RNA navázána do A-místa. • Ve druhém kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi prodlužujícím se řetězcem a přicházející aminokyselinou. • Ve třetím kroku se ribosom posune o 3 nukleotidy podél m. RNA. t. RNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a t. RNA z Amísta se přenese do P-místa. NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 E P A 5' m. RNA Obsah Obr. 6. Elongace translace 3' 23

Elongace translace (prodlužování řetězce) Vazba t. RNA s připojenou aminokyselinou do volného A-místa (1. krok elongace). Vznik peptidové vazby (2. krok elongace). Posun chromosomu a uvolnění volné t. RNA (3. krok elongace). aa 5 NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 E aa 4 aa 5 P A 5' m. RNA Obsah Obr. 6. Elongace translace 3' 24

Elongace translace (prodlužování řetězce) m. RNA je překládána ve směru 5' → 3' a nejprve vzniká N-konec proteinu. Rostoucí peptidový řetězec NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 E PA 5' NH 2 m. RNA 3' aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 E PA 5' Celý cyklus všech tří kroků je opakován při každém předávání nové aminokyseliny do polypeptidového řetězce, dokud ribosom nenarazí na stop-kodon. aa 4 NH 2 m. RNA aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 3' Posun o tři nukleotidy E PA 5' m. RNA 3' aa 5 Polypeptidový řetězec roste směrem od Nkonce k C-konci. NH 2 aa 3 E PA 5' t. RNA Obr. 7. Elongace translace (Schéma) aa 2 aa 4 NH 2 Obsah aa 1 m. RNA 3' aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 aa 5 E PA 5' 25 m. RNA 3'

Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo t. RNA se na stop kodon v A-místě vážou tzv. terminační faktory, které mění aktivitu peptidyltransferasy tak, že místo aminokyseliny použije molekulu vody pro uvolnění karboxylového konce hotového polypeptidového řetězce z t. RNA v P-místě. Uvolňovací faktor NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 E 5' aa 5 P A UAA Obsah m. RNA Obr. 8. Terminace translace 3' 26

Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo t. RNA se na stop kodon v A-místě vážou tzv. terminační faktory, které mění aktivitu peptidyltransferasy tak, že místo aminokyseliny použije molekulu vody pro uvolnění karboxylového konce hotového polypeptidového řetězce z t. RNA v P-místě. H 2 O NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 aa 5 E 5' P Protein se uvolňuje do cytoplasmy. COOH A m. RNA UAA Obsah Obr. 8. Terminace translace 3' 27

Terminace translace Po skončení proteosyntézy je m. RNA odpojena od ribosomu a dojde k disociaci obou podjednotek ribosomu, které se mohou navázat na jinou molekulu m. RNA a začít novou transkripci. E 5' P A UAA Obsah m. RNA Obr. 8. Terminace translace 3' 28

Met Malá ribosomální podjednotka s navázanými iniciačními faktory 5' AUG Vazba na m. RNA Obr. 9. Iniciace, elongace, a terminace translace Rostoucí peptidový řetězec NH 2 aa 1 aa 4 NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 aa 2 aa 4 aa 5 E PA m. RNA 3' 5' m. RNA 3' E PA UAA 5' 3' NH 2 Met aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 aa 5 E PA 5' AUG 5' m. RNA 3' E PA Met 5' NH 2 m. RNA aa 1 3' AUG aa 2 3' NH 2 Posun o tři nukleotidy 5' aa 1 m. RNA aa 1 aa 2 H 2 O aa 2 3' AUG Aminoacylt. RNA aa 3 UAA NH 2 aa 1 aa 2 aa 3 3' E PA 5' NH 2 aa t. RNA E PA AUG aa 4 aa 5 5' aa 4 aa 5 3' COOH E PA m. RNA 3' UAA 5' Vznik peptidové vazby 5' aa 3 aa 4 E PA Met 3' E PA aa 5 NH 2 Uvolňovací faktor UAA 5' E PA Met 5' aa 3 aa 4 Velká ribosomální podjednotka aa Obsah aa 3 3' aa 1 aa 2 aa 3 E aa 4 aa 5 E PA 5' m. RNA 3' 5' P 3' A UAA 3' 29

Použitá literatura [1] ALBERTS, B. a kol. Základy buněčné biologie. Ústí nad Labem: Espero Publishing, 1997. [2] NEČAS, O. a kol. Obecná biologie pro lékařské fakulty. Jinočany: Nakladateství H&H, 2000. [3] KUBIŠTA, V. Buněčné základy životních dějů. Praha: Scientia, 1998. Obsah 30