16. fejezet - Transzláció (fehérjeszintézis)

Tartalom

16.1. A fehérjeszintézis és az mRNS-leolvasás iránya
16.1.1. A fehérje az N-terminálistól a C-terminális felé szintetizálódik
16.1.2. Az mRNS 5'→ 3'-irányban olvasódik le
16.2. A fehérjeszintézis első fő szakasza, az aminosavak aktiválása és tRNS-hez kötése
16.2.1. A tRNS-ek közös tulajdonságai, és másodlagos szerkezete
16.2.2. Az aminosav aktiválás lépései
16.2.3. A tRNS specifikus felismerése a szintetáz által
16.3. A fehérjeszintézis riboszómális szakasza
16.3.1. A riboszómák térbeli és funkcionális felépítése
16.3.2. A transzláció lánckezdése (iniciáció)
16.3.3. Lánchosszabbítás (elongáció)
16.3.4. Lánczárás (termináció)
16.4. Az eukarióta transzláció néhány jellegzetessége
16.5. Transzláció gátlószerek
16.6. A fehérjeszintézis energiamérlege

(szerző: Pál Gábor)

A genetikai információs útvonal (lásd 13.1. fejezet) utolsó, fehérjeszintézishez vezető lépése a transzláció, amely során a lineáris, mRNS-en kódolt, 4-féle betűből álló információ alapján 20-féle aminosavból álló lineáris polipeptidlánc képződik.

(A latin eredetű transzláció kifejezés fordítást jelent, jelezve, hogy egy négybetűs nukleinsav nyelv húszbetűs aminosav nyelvre fordítódik. )

A transzláció a legbonyolultabb ismert bioszintetikus folyamat. Eukariótáknál  ~70-féle riboszómális protein, 20-féle aminosav aktiváló enzim, ~12-féle egyéb enzim illetve szabályzó fehérje, ~40-féle tRNS és 4-féle rRNS vesz benne részt. A transzláció a legösszetettebb szupramolekuláris komplexen, a riboszómán zajlik, és az összes, felépítő folyamatra fordított kémiai energiának mintegy 90%-a fehérjeszintézisre fordítódik. Egy tipikus baktérium sejtben ~20,000 riboszóma, ~100,000 fehérjefaktor ~200,000 tRNS vesz részt, ami ~35% az összes szárazanyag tömegnek

16.1. A fehérjeszintézis és az mRNS-leolvasás iránya

16.1.1. A fehérje az N-terminálistól a C-terminális felé szintetizálódik

A fehérjeszintézis irányát egy rendkívül szellemes kísérletben még azelőtt sikerült tisztázni, mielőtt az aminosavak összeépítésének pontos mechanizmusát feltárták volna. A kérdés egyszerű volt. Milyen irányban épülnek össze az aminosavak a fehérje szintézisekor? Maga a kérdés is egy rejtett, és megalapozatlan állítást tartalmaz, azt, hogy a folyamatnak van iránya. Elméleti alapon ugyanis számos lehetőség felmerült. Ezek közül az egyik valóban a szekvenciális felépülés, ami történhetne az N-től a C-terminális felé, fordítva, vagy esetleg vegyesen. A másik lehetőség, hogy a fehérje nem folyamatosan, aminosavanként épül fel, hanem előbb kis peptidek keletkeznek, majd ezek kerülnek összekapcsolásra. Annak eldöntése, hogy melyik modell a helyes, Howard Dintzis nevéhez fűződik.

Dintzis 1961-ben végrehajtott kísérletéhez egy olyan fehérjeszintetizáló rendszerre volt szükség, amely praktikusan csak egyfajta fehérjét állít elő. Természetes forrásként a vörösvértestek elő alakját, a retikulocitákat használta. Ezek a sejtek szinte csak hemoglobint szintetizálnak.

Dintzis a retikulocitáknak radioaktívan jelölt leucint adott, amely beépült a fehérjékbe. Kiderült, szobahőmérsékleten a beépülési folyamat túl gyors volt ahhoz, hogy követhesse, ezért a kísérletben a sejteket tartalmazó mintát 15ºC-ra hűtötte. Így már tudta időben követni a beépülést. A leucin adását követően különböző időtartamokban mintát vett, és izolálta a kész hemoglobin molekulákat. A csonka polipeptidek a riboszómákhoz voltak kötve. A riboszómákat ultracentrifugálással ki tudta ülepíteni, és velük együtt kiülepedtek a csonka fehérjék is. A teljes mértékben elkészült hemoglobinok a felülúszóban voltak.

A hemoglobinok α- és β-láncát külön vizsgálta. Elvégezte a láncoknak az „ujjlenyomat” analízisét. Ehhez tripszinnel hasította a láncokat, és a fragmentumokat egy kromatográfiát és elektroforézist kombináló kétdimenziós elválasztási módszerrel szeparálta. Ezekről a fragmentumokról korábban már kiderítették, hogy az eredeti polipeptidláncon hol helyezkednek el. A következőt állapította meg (lásd 16.1. ábra).

16.1. ábra: Dintzis igazolta, hogy a fehérjeszintézis az N-terminális felől a C-terminális felé halad

16.1. ábra: Dintzis igazolta, hogy a fehérjeszintézis az N-terminális felől a C-terminális felé halad

Négy perc után radioaktivitás csak a C-terminális végi fragmentumban volt kimutatható. Az idő növelésével a radioaktivitás a C-terminális felől az N-terminális felé húzódik. Bár a jelölődés a C-től az N-terminális felé terjed, a kísérlet logikájából következően ez a láncépítés tekintetében éppen fordított irányt jelent.

Dintzis, csak a már elkészült, teljes hemoglobinokat vizsgálta. Amikor kevesebb időt hagyott a szintézisre, mint amennyi egy teljes lánc elkészítéséhez kell, csak olyan láncok kerülhettek radioaktív formában a felülúszóba, amelyek szintézise folyamatban volt, amikor a radioaktív leucin beadásra került. Ezekben a fehérjékben a jel beadásáig már elkészült rész nem hordozhatott radioaktív jelet, csak az a rész, amelyik a jel beadása után keletkezett. Az, hogy a jelölés először a C-terminálison jelent meg, majd előre húzódott, tehát azt jelentette, hogy a polipeptidlánc szintézise az N-terminálistól a C-terminális felé halad.

16.1.2. Az mRNS 5'→ 3'-irányban olvasódik le

Láttuk, hogy a poli-A szintetikus RNS kóli citoplazma kivonatban poli-lizin polipeptidet eredményez, tehát ha az RNS szekvenciája: 5’-AAAAAA…AAAAAA-3’, akkor a keletkezett polipeptid szekvenciája: NH2-Lys-Lys-…-Lys-Lys-COOH.

Miután kiderült, hogy a fehérjék a N-terminálistól a C-terminális irányába szintetizálódnak, valamint megfejtésre került a genetikai kód, a klasszikus kísérletet alapul véve megvizsgálták, milyen polipeptid keletkezik egy olyan RNS alapján, amely poli-A szerkezetű, kivéve a 3’ végét, ahol egyetlen C van: 5’-AAAAAA…AAAAAC-3’.

Kiderült, hogy egy ilyen RNS alapján olyan polipeptid keletkezik, amely csupa lizinből áll, kivéve a C-terminálisát, ahol aszparagin van: NH2-Lys-Lys-....-Lys-Asn-COOH

Mivel tudjuk, hogy az AAC triplet Asn-t kódol, és azt is, hogy a polipeptidlánc N-terminális felől szintetizálódik, egyértelmű, hogy az mRNS az 5’ vég felől olvasódik le. Ezt a tényt elektronmikroszkópos képek is igazolták (lásd 16.2. ábra).

A kólibaktérium esetében kimutatták, hogy a még teljes hosszában el sem készült, éppen keletkező mRNS-re azonnal riboszómák kapcsolódnak.

A riboszómák csak akkor tudják azonnal „olvasni” az 5’→3’ irányban keletkező mRNS nukleinsav „szövegét”, ha ezt a „szöveget” 5'→3' irányban kell kiolvasni és lefordítani.

Azzal, hogy az mRNS keletkezésének iránya megegyezik a leolvasás irányával, a prokarióták sokkal gyorsabban képesek hasznosítani az mRNS-eket annál, mintha a leolvasás elkezdésével meg kellene várni, amíg az mRNS teljes hosszában létrejön. Eukariótáknál ez az előny nem jelentkezik, hiszen ott az RNS-nek még processzálódnia kell, és ki kell jutnia a sejtmagból.

16.2. ábra: Prokariótákban a még el sem készült mRNS-en lévő információt a riboszómák azonnal elkezdik leolvasni

16.2. ábra: Prokariótákban a még el sem készült mRNS-en lévő információt a riboszómák azonnal elkezdik leolvasni