В области молекулярной биологии и генетики , перевод представляет собой процесс , в котором рибосомы в цитоплазме или эндоплазматический ретикулум синтезируют белки , после того, как процесс транскрипции в ДНК с РНК в клетки ядра . Весь процесс называется экспрессией генов .
При трансляции информационная РНК (мРНК) расшифровывается в рибосоме за пределами ядра с образованием определенной аминокислотной цепи или полипептида . Позднее полипептид сворачивается в активный белок и выполняет свои функции в клетке. В рибосомах облегчают декодирование путем индукции связывания комплементарной тРНК антикодоновой последовательности мРНК кодоны . ТРНК несут определенные аминокислоты, которые объединяются в полипептид, когда мРНК проходит и «считывается» рибосомой.
Перевод осуществляется в три этапа:
- Инициирование : рибосома собирается вокруг целевой мРНК. Первая тРНК присоединяется к стартовому кодону .
- Удлинение : последняя тРНК, подтвержденная малой субъединицей рибосомы ( аккомодация ), переносит аминокислоту, которую она несет, к большой субъединице рибосомы, которая связывает ее с одной из ранее допущенных тРНК ( транспептидация ). Затем рибосома перемещается к следующему кодону мРНК, чтобы продолжить процесс ( транслокацию ), создавая аминокислотную цепь.
- Завершение : при достижении стоп-кодона рибосома высвобождает полипептид.
У прокариот (бактерий и архей) трансляция происходит в цитоплазме, где большие и малые субъединицы рибосомы связываются с мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитозоле или через мембрану эндоплазматического ретикулума в процессе, называемом ко-трансляционной транслокацией . При ко-трансляционной транслокации весь комплекс рибосома / мРНК связывается с внешней мембраной грубого эндоплазматического ретикулума (ER), и новый белок синтезируется и высвобождается в ER; вновь созданный полипептид может храниться внутри ER для будущего транспорта и секреции везикул. вне клетки или немедленно секретируется.
Многие типы транскрибируемой РНК, такие как транспортная РНК, рибосомная РНК и малая ядерная РНК, не подвергаются трансляции в белки.
Ряд антибиотиков действуют путем ингибирования трансляции. К ним относятся анизомицин , циклогексимид , хлорамфеникол , тетрациклин , стрептомицин , эритромицин и пуромицин . Прокариотические рибосомы имеют структуру, отличную от структуры эукариотических рибосом, и, таким образом, антибиотики могут специфически воздействовать на бактериальные инфекции без какого-либо вреда для эукариотических клеток- хозяев .
Основные механизмы [ править ]
Основной процесс производства белка - добавление одной аминокислоты в конец белка. Эта операция выполняется рибосомой . Рибосома состоит из двух субъединиц, маленькой субъединицы и большой субъединицы. Эти субъединицы объединяются перед трансляцией мРНК в белок, чтобы обеспечить место для осуществления трансляции и получения полипептида. [1] Выбор типа добавляемой аминокислоты определяется мРНК.молекула. Каждая добавленная аминокислота соответствует трехнуклеотидной подпоследовательности мРНК. Для каждого такого возможного триплета принимается соответствующая аминокислота. Последовательные аминокислоты, добавляемые к цепи, сопоставляются с последовательными триплетами нуклеотидов в мРНК. Таким образом, последовательность нуклеотидов в цепи матричной мРНК определяет последовательность аминокислот в созданной аминокислотной цепи. [2] Добавление аминокислоты происходит на С-конце пептида, и поэтому говорят, что трансляция направлена от амино к карбоксилу. [3]
МРНК несет генетическую информацию, закодированную в виде рибонуклеотидной последовательности, от хромосом к рибосомам. Рибонуклеотиды «считываются» трансляционным аппаратом в последовательности триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Каждый из этих триплетов кодирует определенную аминокислоту .
В рибосомы молекулы перевести этот код в определенной последовательности аминокислот. Рибосома представляет собой мультисубъединичную структуру, содержащую рРНК и белки. Это «фабрика», где аминокислоты превращаются в белки. тРНК представляют собой небольшие некодирующие цепи РНК (74–93 нуклеотида), которые транспортируют аминокислоты к рибосоме. тРНК имеют сайт для присоединения аминокислот и сайт, называемый антикодоном. Антикодон представляет собой триплет РНК, комплементарный триплету мРНК, который кодирует их грузовую аминокислоту .
Аминоацил тРНК синтетазы ( ферменты ) катализируют связывание определенных тРНК и аминокислот, которые требуются их антикодоновым последовательностям. Продуктом этой реакции является аминоацил-тРНК . У бактерий эта аминоацил-тРНК переносится на рибосому с помощью EF-Tu , где кодоны мРНК сопоставляются посредством комплементарного спаривания оснований со специфическими антикодонами тРНК . Аминоацил-тРНК-синтетазы, которые неправильно спаривают тРНК с неправильными аминокислотами, могут продуцировать неправильно заряженные аминоацил-тРНК, что может привести к несоответствующим аминокислотам в соответствующем положении в белке. Этот «неправильный перевод» [4] генетического кода естественным образом встречается на низких уровнях у большинства организмов, но определенные клеточные среды вызывают усиление разрешающего декодирования мРНК, иногда в пользу клетки.
Рибосома имеет три сайта для связывания тРНК. Это аминоацильный сайт (сокращенно A), пептидильный сайт (сокращенно P) и сайт выхода (сокращенно E). Что касается мРНК, три сайта ориентированы от 5 'до 3' EPA, потому что рибосомы перемещаются к 3 'концу мРНК. А-сайт связывает входящий тРНК с комплементарным кодоном на мРНК. P-сайт содержит тРНК с растущей полипептидной цепью. E-сайтсодержит тРНК без ее аминокислоты. Когда аминоацил-тРНК первоначально связывается со своим соответствующим кодоном на мРНК, она находится в сайте A. Затем между аминокислотой тРНК в сайте A и аминокислотой заряженной тРНК в сайте P образуется пептидная связь. Растущая полипептидная цепь переносится на тРНК в A-сайте. Происходит транслокация, перемещая тРНК из P-сайта, теперь без аминокислоты, в E-сайт; тРНК, которая была в сайте A, теперь заряженная полипептидной цепью, перемещается в сайт P. ТРНК в сайте E уходит, а другая аминоацил-тРНК входит в сайт A, чтобы повторить процесс. [5]
После добавления новой аминокислоты в цепь и после выхода мРНК из ядра в ядро рибосомы энергия, обеспечиваемая гидролизом GTP, связанного с транслоказой EF-G (у бактерий ) и / eEF-2 (у эукариот и архей ) перемещает рибосому на один кодон вниз к 3'-концу . Энергия, необходимая для трансляции белков, значительна. Для белка, содержащего n аминокислот, количество высокоэнергетических фосфатных связей, необходимых для его трансляции, составляет 4 n -1 [ необходима цитата ]. Скорость перевода варьируется; в прокариотических клетках он значительно выше (до 17–21 аминокислотных остатков в секунду), чем в эукариотических клетках (до 6–9 аминокислотных остатков в секунду). [6]
Несмотря на то, что рибосомы обычно считаются точными и обрабатывающими машинами, процесс трансляции подвержен ошибкам, которые могут привести либо к синтезу ошибочных белков, либо к преждевременному прекращению трансляции. Уровень ошибки при синтезе белков составляет от 1/10 5 до 1/10 3 неправильно включенных аминокислот, в зависимости от условий эксперимента. [7] Скорость преждевременного отказа от трансляции, напротив, оценивается как порядка 10 -4 событий на транслируемый кодон. [8] Правильная аминокислота ковалентно связана с правильной транспортной РНК (тРНК).аминоацилтрансферазами. Аминокислота присоединена своей карбоксильной группой к 3 'ОН тРНК сложноэфирной связью . Когда тРНК имеет связанную с ней аминокислоту, тРНК называют «заряженной». Инициация включает связывание небольшой субъединицы рибосомы с 5'-концом мРНК с помощью факторов инициации.(ЕСЛИ). У бактерий и у меньшинства архей инициация синтеза белка включает распознавание богатой пуринами инициирующей последовательности на мРНК, называемой последовательностью Шайна-Делгарно. Последовательность Шайна-Делгарно связывается с комплементарной богатой пиримидином последовательностью на 3'-конце части 16S рРНК 30S субъединицы рибосомы. Связывание этих комплементарных последовательностей гарантирует, что 30S рибосомная субъединица связана с мРНК и выровнена так, что инициирующий кодон помещается в 30S часть P-сайта. Как только мРНК и 30S-субъединица правильно связаны, фактор инициации переносит комплекс инициаторная тРНК-аминокислота, f-Met-тРНК, в сайт 30SP. Фаза инициации завершается, когда субъединица 50S присоединяется к субъединице 30, образуя активную рибосому 70S. [9]Терминация полипептида происходит, когда сайт А рибосомы занят стоп-кодоном (UAA, UAG или UGA) на мРНК. тРНК обычно не может распознавать или связываться со стоп-кодонами. Вместо этого стоп-кодон индуцирует связывание белка фактора высвобождения . [10] (RF1 и RF2), который вызывает разборку всего комплекса рибосома / мРНК путем гидролиза полипептидной цепи из пептидилтрансферазного центра рибосомы. [11] Лекарства или особые мотивы последовательности на мРНК могут изменять структуру рибосомы так что почти родственные тРНК связываются со стоп-кодоном вместо факторов высвобождения. В таких случаях «трансляционного чтения» трансляция продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон. [12]
Процесс трансляции строго регулируется как у эукариот, так и у прокариотических организмов. Регуляция трансляции может влиять на общую скорость синтеза белка, которая тесно связана с метаболическим и пролиферативным состоянием клетки. Кроме того, недавняя работа показала, что генетические различия и их последующая экспрессия в виде мРНК также могут влиять на скорость трансляции РНК-специфическим образом. [13]
Клиническое значение [ править ]
Трансляционный контроль имеет решающее значение для развития и выживания рака . Раковые клетки должны часто регулировать фазу трансляции экспрессии генов, хотя не совсем понятно, почему трансляция осуществляется на таких этапах, как транскрипция. В то время как раковые клетки часто имеют генетически измененные факторы трансляции, гораздо чаще раковые клетки изменяют уровни существующих факторов трансляции. [14] Несколько основных онкогенных сигнальных путей, включая RAS-MAPK , PI3K / AKT / mTOR , MYC и WNT-β-catenin пути, в конечном итоге репрограммируют геном посредством трансляции. [15]Раковые клетки также контролируют трансляцию, чтобы адаптироваться к клеточному стрессу. Во время стресса клетка транслирует мРНК, которые могут смягчить стресс и способствовать выживанию. Примером этого является экспрессия AMPK при различных формах рака; его активация запускает каскад, который в конечном итоге может позволить раку избежать апоптоза (запрограммированной гибели клеток), вызванного недостатком питания. Будущие методы лечения рака могут включать нарушение механизма трансляции клетки, чтобы противодействовать последующим эффектам рака. [14]
Математическое моделирование перевода [ править ]
Описание процесса транскрипции-перевода с упоминанием только самых основных «элементарных» процессов состоит из:
- производство молекул мРНК (включая сплайсинг),
- инициирование этих молекул с помощью факторов инициирования (например, инициирование может включать этап циркуляризации, хотя это не требуется повсеместно),
- инициация трансляции с привлечением малой субъединицы рибосомы,
- сборка полных рибосом,
- элонгация, т.е. движение рибосом вдоль мРНК с образованием белка,
- прекращение перевода,
- деградация молекул мРНК,
- деградация белков.
Процесс синтеза и трансляции белков давно является предметом математического моделирования, начиная с первых детальных кинетических моделей, таких как [17] или других, учитывающих стохастические аспекты трансляции и использующих компьютерное моделирование. Многие модели синтеза белка, основанные на химической кинетике, были разработаны и проанализированы за последние четыре десятилетия. [18] [19] Помимо химической кинетики, используются различные формализмы моделирования, такие как полностью асимметричный простой процесс исключения (TASEP) , [19] Вероятностные булевы сети (PBN) , сети Петри и алгебра max-plus.были применены для моделирования детальной кинетики синтеза белка или некоторых его стадий. Базовая модель синтеза белка, которая учитывала все восемь «элементарных» процессов, была разработана [16], следуя парадигме, согласно которой «полезные модели просты и расширяемы». [20] Простейшая модель M0 представлена кинетическим механизмом реакции (рисунок M0). Он был обобщен, чтобы включить связывание 40S, 60S и факторов инициации (IF) (Рисунок M1 '). Он был расширен, чтобы включить влияние микроРНК на синтез белка. [21]Большинство моделей в этой иерархии можно решить аналитически. Эти растворы были использованы для извлечения «кинетических сигнатур» различных специфических механизмов регуляции синтеза.
Генетический код [ править ]
В то время как другие аспекты, такие как трехмерная структура, называемая третичной структурой , белка, могут быть предсказаны только с использованием сложных алгоритмов , аминокислотная последовательность, называемая первичной структурой , может быть определена исключительно из последовательности нуклеиновой кислоты с помощью таблицы трансляции .
Этот подход может не дать правильный аминокислотный состав белка, в частности, если нетрадиционные аминокислоты, такие как селеноцистеин , включены в белок, который кодируется обычным стоп-кодоном в сочетании с расположенной ниже шпилькой (последовательность вставки SElenoCysteine или SECIS).
Существует множество компьютерных программ, способных переводить последовательность ДНК / РНК в последовательность белка. Обычно это выполняется с использованием стандартного генетического кода, однако немногие программы могут обрабатывать все «особые» случаи, такие как использование альтернативных кодонов инициации. Например, редкий альтернативный стартовый кодон CTG кодирует метионин, когда он используется в качестве стартового кодона, и лейцин во всех других положениях.
Пример: сокращенная таблица перевода для Стандартного генетического кода (с веб-страницы NCBI Taxonomy ).
AAs = FFLLSSSSYY ** CC * WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVVAAAADDEEGGGG Начинается = --- M --------------- M --------------- M ------------ ---------------- Base1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG Base2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG Base3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG
Строка «Starts» указывает три стартовых кодона, UUG, CUG и очень распространенный AUG. Он также указывает на первый аминокислотный остаток, если интерпретировать его как начало: в данном случае это весь метионин.
Таблицы перевода [ править ]
Даже при работе с обычными эукариотическими последовательностями, такими как геном дрожжей , часто желательно иметь возможность использовать альтернативные таблицы трансляции, а именно для трансляции митохондриальных генов. В настоящее время следующие таблицы трансляции определены NCBI Taxonomy Group для трансляции последовательностей в GenBank : [22]
- Стандартный код
- Позвоночный митохондриальный код
- Дрожжей митохондриальный код
- Плесени, простейшие и кишечнополостной митохондриальный код и микоплазма / код spiroplasma
- Беспозвоночное митохондриальный код
- Реснитчатые, dasycladacean и Hexamita ядерный код
- Код кинетопласта
- Иглокожих и митохондриальный код плоских червей
- Euplotid ядерный код
- Бактериальный, архейные и завод код пластид
- Альтернатива дрожжевой ядерный код
- Асцидии митохондриальный код
- Альтернативный червь митохондриальный код
- Blepharisma ядерный код
- Chlorophycean митохондриальный код
- Сосальщика митохондриальной код
- Зсепейезтиз косой митохондриальный код
- Thraustochytrium митохондриальный код
- Митохондриальный код перистожаберного
- Кандидат подразделение SR1 и gracilibacteria код
- В Pachysolen tannophilus ядерный код
- Karyorelict ядерный код
- Condylostoma ядерный код
- Mesodinium ядерный код
- Peritrich ядерный код
- Blastocrithidia ядерный код
- Митохондриальный код Cephalodiscidae
См. Также [ править ]
- Клетка (биология)
- Деление клеток
- Таблица кодонов ДНК
- Эпигенетика
- Расширенный генетический код
- Экспрессия гена
- Генная регуляция
- Ген
- Геном
- Жизнь
- Белковые методы
- Стартовый кодон
Ссылки [ править ]
- ^ Брукер RJ, Widmaier EP, Graham LE, Stiling PD (2014). Биология (Третье международное студенческое изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Образование Макгроу Хилл. п. 249. ISBN 978-981-4581-85-1.
- Перейти ↑ Neill C (1996). Биология (Четвертое изд.). Издательство Бенджамин / Каммингс. С. 309–310. ISBN 0-8053-1940-9.
- ^ Страйер L (2002). Биохимия (Пятое изд.). WH Freeman and Company . п. 826. ISBN 0-7167-4684-0.
- ^ Moghal А, Молер К, М IBBA (ноябрь 2014). «Неправильный перевод генетического кода» . Письма FEBS . 588 (23): 4305–10. DOI : 10.1016 / j.febslet.2014.08.035 . PMC 4254111 . PMID 25220850 .
- Перейти ↑ Griffiths A (2008). «9». Введение в генетический анализ (9-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. 335–339. ISBN 978-0-7167-6887-6.
- ^ Росс JF, Орловский M (февраль 1982 г.). «Регулировка функции рибосом в зависимости от скорости роста в клетках гриба Mucor racemosus, выращенных в хемостате» . Журнал бактериологии . 149 (2): 650–3. DOI : 10.1128 / JB.149.2.650-653.1982 . PMC 216554 . PMID 6799491 .
- ^ Wohlgemuth I, Pohl C, Mittelstaet J, Коневега А.Л., Роднина М.В. (октябрь 2011). «Эволюционная оптимизация скорости и точности декодирования на рибосомах» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 366 (1580): 2979–86. DOI : 10,1098 / rstb.2011.0138 . PMC 3158919 . PMID 21930591 .
- ^ Sin C, D Chiarugi, Valleriani A (апрель 2016). «Количественная оценка выпадения рибосом в E. coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (6): 2528–37. DOI : 10.1093 / NAR / gkw137 . PMC 4824120 . PMID 26935582 .
- ^ Накамото T (февраль 2011). «Механизмы инициации синтеза белка: связывание рибосом с мРНК в рамке считывания». Отчеты по молекулярной биологии . 38 (2): 847–55. DOI : 10.1007 / s11033-010-0176-1 . PMID 20467902 . S2CID 22038744 .
- ^ Баггетт NE, Zhang Y, Gross CA (март 2017). Ибба М (ред.). «Глобальный анализ терминации трансляции у E. coli» . PLOS Genetics . 13 (3): e1006676. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1006676 . PMC 5373646 . PMID 28301469 .
- Перейти ↑ Mora L, Zavialov A, Ehrenberg M, Buckingham RH (декабрь 2003 г.). «Остановить распознавание кодонов и взаимодействие с фактором высвобождения пептидов RF3 усеченных и химерных RF1 и RF2 из Escherichia coli» . Молекулярная микробиология . 50 (5): 1467–76. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.2003.03799.x . PMID 14651631 .
- ^ Schueren F, Томс S (август 2016). «Функциональное трансляционное чтение: перспектива системной биологии» . PLOS Genetics . 12 (8): e1006196. DOI : 10.1371 / JOURNAL.PGEN.1006196 . PMC 4973966 . PMID 27490485 .
- ^ Cenik С, Cenik Е.С., Byeon GW, Груберт F, Candille С.И., Спейсек D и др. (Ноябрь 2015 г.). «Интегративный анализ уровней РНК, трансляции и белка выявляет различные регуляторные вариации у людей» . Геномные исследования . 25 (11): 1610–21. DOI : 10.1101 / gr.193342.115 . PMC 4617958 . PMID 26297486 .
- ^ a b Xu Y, Ruggero D (март 2020 г.). «Роль управления трансляцией в онкогенезе и его терапевтическое значение» . Ежегодный обзор биологии рака . 4 (1): 437–457. DOI : 10,1146 / annurev-cancerbio-030419-033420 .
- ^ Truitt ML, Руджеро D (апрель 2016). «Новые рубежи в трансляционном контроле генома рака» . Обзоры природы. Рак . 16 (5): 288–304. DOI : 10.1038 / nrc.2016.27 . PMC 5491099 . PMID 27112207 .
- ^ a b c Горбань А.Н., Харель-Беллан А., Морозова Н., Зиновьев А. (июль 2019 г.). «Базовая, простая и расширяемая кинетическая модель синтеза белка» . Математические биологические науки и инженерия . 16 (6): 6602–6622. DOI : 10.3934 / mbe.2019329 . PMID 31698578 .
- ^ Макдональд CT, Гиббс JH, Пипкин AC (1968). «Кинетика биополимеризации на шаблонах нуклеиновых кислот». Биополимеры . 6 (1): 1–5. DOI : 10.1002 / bip.1968.360060102 . PMID 5641411 . S2CID 27559249 .
- ^ Генрих R, Rapoport TA (сентябрь 1980). «Математическое моделирование трансляции мРНК в эукариотах; устойчивое состояние, зависящие от времени процессы и применение к ретикулоцитам». Журнал теоретической биологии . 86 (2): 279–313. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (80) 90008-9 . PMID 7442295 .
- ^ a b Skjøndal-Bar N, Morris DR (январь 2007 г.). «Динамическая модель процесса синтеза белка в эукариотических клетках». Вестник математической биологии . 69 (1): 361–93. DOI : 10.1007 / s11538-006-9128-2 . PMID 17031456 . S2CID 83701439 .
- ^ Coyte KZ, Tabuteau H, Gaffney EA, Foster KR, Durham WM (апрель 2017). «Ответ Бэйви и Дарно: полезные модели просты и расширяемы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (14): E2804 – E2805. Bibcode : 2017PNAS..114E2804C . DOI : 10.1073 / pnas.1702303114 . PMC 5389313 . PMID 28341710 .
- ↑ Морозова Н., Зиновьев А., Нонне Н., Причард Л.Л., Горбань А.Н., Харель-Беллан А. (сентябрь 2012 г.). «Кинетические сигнатуры способов действия микроРНК» . РНК . 18 (9): 1635–55. DOI : 10,1261 / rna.032284.112 . PMC 3425779 . PMID 22850425 .
- ^ Elzanowski А, Джим Ostell (7 января 2019). «Генетические коды» . Национальный центр биотехнологической информации . Проверено 28 марта 2019 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Champe PC, Харви Р.А., Феррье Д.Р. (2004). Иллюстрированные обзоры Липпинкотта: биохимия (3-е изд.). Хагерствон, доктор медицины: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 0-7817-2265-9.
- Кокс М., Нельсон Д.Р., Ленингер А.Л. (2005). Принципы биохимии Ленингера (4-е изд.). Сан-Франциско ...: WH Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
- Малис Н., Маккарти Дж. Э. (март 2011 г.). «Инициирование перевода: можно ожидать вариаций в механизме». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 68 (6): 991–1003. DOI : 10.1007 / s00018-010-0588-z . PMID 21076851 . S2CID 31720000 .
Внешние ссылки [ править ]
Викискладе есть медиафайлы по теме перевода (биология) . |
- Коллекция Virtual Cell Animation: знакомство с переводом
- Инструмент перевода (из последовательности ДНК или РНК)