Translace (druhý krok genové exprese)

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

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

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

4. Genetický kód G G C G A U C A U C U G G mRNA A A U A C 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 mRNA je zapisován vlevo! 3' 5' Genetický kód je téměř univerzální pro všechny organismy. Obsah

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

6. Terminační kodony Terminační kodony Terminační kodony Iniciační kodon Obsah Tab. 1 Genetický kód

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

8. Struktura tRNA Obr. 1. Struktura tRNA Jedna s částí tRNA se nazývá antikodon, což jsou tři nukleotidy komplementární ke kodonu v mRNA. Další důležitou oblastí je 3'-konec (vždy končí sekvencí CCA), na který je navázána příslušná aminokyselina. 3'-konec tRNA Obsah

9. Struktura tRNA Molekuly tRNA 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 tRNA Struktura jetelového listu Obr. 2. L-tvar tRNA Obsah

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

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

12. Aminoacyl-tRNA-synthetasa Aminokyselina (Tryptofan) Makroergická vazba tRNA ATP AMP + 2Pi A A C C C C U A C G C G Vazba aminokyseliny k tRNA Vazba kodonu k antikodonu Párování bází 3' 5' Aminoacyl-tRNA-synthetasa mRNA Při této reakci vzniká vysokoenergetická (makroergická) vazba mezi tRNA a aminokyselinou. Tato energie je později využita pro tvorbu kovalentní vazby mezi rostoucím polypeptidovým řetězcem a nově navázanou aminokyselinou. Obr. 3. Aminoacyl-tRNA-synthetasa Obsah

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

14. Translace probíhá na ribosomech A E P Obě podjednotky se spojují na molekule mRNA obvykle blízko jejího 5'-konce a zahajují syntézu proteinu. E-místo P-místo A-místo Velká ribosomální jednotka Malá ribosomální jednotka Vazebné místo pro mRNA Obr. 4. Model Ribosomu Ribosom se pohybuje podél mRNA, překládá nukleotidovou sekvenci do aminokyselinové za použití tRNA a po dosyntetizování proteinu se obě jednotky opět oddělí. Obsah

15. Iniciace translace Met 5' 3' mRNA Translace začíná na iniciačním kodonu AUG a pro iniciaci je třeba iniciační tRNA, která má na sobě vázaný methionin (u bakterií formyl-methionin). iniciační tRNA, která má na sobě vázaný methionin U eukaryot je iniciační tRNA s navázaným methioninem připojená k malé ribosomální jednotce za asistence několika tzv. iniciačních faktorů. Malá ribosomální podjednotka AUG Obsah Obr. 5. Iniciace translace

16. Met 5' 3' mRNA Iniciace translace Po navázání iniciační tRNA se malá podjednotka váže na 5'-konec mRNA a začne se pohybovat podél mRNA ve směru 5' →3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. AUG Obsah Obr. 5. Iniciace translace

17. Iniciace translace Met Met E E P P A A 5' 3' mRNA Po navázání iniciační tRNA se malá podjednotka váže na 5'-konec mRNA a začne se pohybovat podél mRNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se od malé ribosomální podjednotky odpoutá několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky. Velká ribosomální podjednotka Iniciační tRNA se váže rovnou do P-místa, proto prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé tRNA s aminokyselinou do A-místa. AUG AUG AUG Obsah Obr. 5. Iniciace translace

18. Met E P A aa2 AUG 5' 3' mRNA Iniciace translace Po navázání iniciační tRNA se malá podjednotka váže na 5'-konec mRNA a začne se pohybovat podél mRNA ve směru 5' → 3' a hledat první kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se od malé ribosomální podjednotky odpoutá několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky. Iniciační tRNA se váže rovnou do P-místa, proto prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé tRNA s aminokyselinou do A-místa. Obsah Obr. 5. Iniciace translace

19. E P A Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2). Met aa2 5' 3' AUG mRNA Obsah Obr. 5. Iniciace translace

20. E P A Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2). Ribosom se posune o 3 nukleotidy podél mRNA. tRNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a tRNA z A-místa se přenese do P-místa. Met aa2 5' 3' AUG mRNA Obsah Obr. 5. Iniciace translace

21. Elongace translace (prodlužování řetězce) E P A aa4 Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA navázána do A-místa. aa1 NH2 aa2 aa3 5' 3' mRNA Obsah Obr. 6. Elongace translace

22. Elongace translace (prodlužování řetězce) E P A aa1 NH2 aa2 aa3 Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA navázána do A-místa. • Ve druhém kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi prodlužujícím se řetězcem a přicházející aminokyselinou. aa4 5' 3' mRNA Obsah Obr. 6. Elongace translace

23. Elongace translace (prodlužování řetězce) E P A aa1 NH2 aa2 aa3 Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: • V prvním kroku je aminoacyl-tRNA 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 mRNA. • tRNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a tRNA z A-místa se přenese do P-místa. aa4 5' 3' mRNA Obsah Obr. 6. Elongace translace

24. Elongace translace (prodlužování řetězce) E P A aa5 aa5 aa1 NH2 aa2 aa3 aa4 Vazba tRNA s připojenou aminokyselinou do volného A-místa (1. krok elongace). Vznik peptidové vazby (2. krok elongace). Posun chromosomu a uvolnění volné tRNA (3. krok elongace). 5' 3' mRNA Obsah Obr. 6. Elongace translace

25. Rostoucí peptidový řetězec NH2 aa1 aa2 aa3 5' mRNA 3' NH2 aa1 aa2 aa3 aa4 5' mRNA 3' NH2 aa1 aa2 aa3 Posun o tři nukleotidy E E E E E P P P P P A A A A A aa4 5' mRNA 3' aa5 aa4 NH2 aa1 aa2 aa3 aa4 5' mRNA 3' NH2 aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 tRNA 5' mRNA 3' Elongace translace (prodlužování řetězce) mRNA je překládána ve směru 5'→3' a nejprve vzniká N-konec proteinu. Celý cyklus všech tří kroků je opakován při každém předávání nové aminokyseliny do polypeptidového řetězce, dokud ribosom nenarazí na stop-kodon. Polypeptidový řetězec roste směrem od N-konce k C-konci. Obsah Obr. 7. Elongace translace (Schéma)

26. Terminace translace E P A Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo tRNA 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 tRNA v P-místě. Uvolňovací faktor NH2 aa1 aa3 aa2 aa4 aa5 5' 3' UAA mRNA Obsah Obr. 8. Terminace translace

27. Terminace translace E P A NH2 NH2 aa1 aa1 aa3 aa3 aa2 aa2 aa4 aa5 aa4 aa5 COOH Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (UAA, UAG nebo UGA). Těmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo tRNA 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 tRNA v P-místě. H2O Protein se uvolňuje do cytoplasmy. 5' 3' mRNA UAA Obsah Obr. 8. Terminace translace

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

29. Rostoucí peptidový řetězec NH2 Malá ribosomální podjednotka s navázanými iniciačními faktory NH2 aa1 aa3 aa1 aa2 aa3 aa2 aa4 aa5 5' mRNA 3' 5' 3' UAA AUG 5' 3' mRNA Vazba na mRNA NH2 NH2 aa1 aa3 aa2 aa1 aa4 aa5 aa2 aa3 aa4 Uvolňovací faktor UAA 5' 3' 5' mRNA 3' AUG 5' 3' mRNA NH2 NH2 H2O aa1 aa2 aa3 Posun o tři nukleotidy E E E E E E E E E E E E P P P P P P P P P P P P A A A A A A A A A A A A aa1 aa3 aa4 aa2 Met Met Met Met Met aa4 aa5 Velká ribosomální podjednotka 5' mRNA 3' UAA 5' 3' 5' 3' AUG aa5 aa4 aa aa1 aa3 aa2 NH2 NH2 aa4 aa5 aa1 aa2 aa3 COOH aa4 Aminoacyl-tRNA 5' mRNA 3' 5' 3' UAA AUG 5' 3' Vznik peptidové vazby A NH2 P aa1 aa2 aa3 E aa aa4 aa5 tRNA UAA 5' 3' 5' 3' 5' mRNA 3' AUG Obr. 9. Iniciace, elongace, a terminace translace Obsah

30. 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