DNA-VERTALING: PROCES IN EUKARYOTEN EN PROKARYOTEN - BIOLOGIE - 2025

De vertaling van het DNA is het proces waarbij de informatie in het boodschapper-RNA geproduceerd tijdens transcriptie (kopiëren van informatie in een DNA-sequentie als RNA) wordt "vertaald" in een aminozuursequentie door eiwitsynthese.

Vanuit een cellulair perspectief is genexpressie een relatief complexe aangelegenheid die plaatsvindt in twee stappen: transcriptie en translatie.

RNA-vertaling gemedieerd door een ribosoom (Bron: LadyofHats / Public domain, via Wikimedia Commons)

Alle genen die tot expressie worden gebracht (of ze nu coderen voor peptidesequenties, dat wil zeggen eiwitten) doen dit aanvankelijk door de informatie in hun DNA-sequentie over te brengen naar een boodschapper-RNA (mRNA) -molecuul via een proces genaamd transcriptie.

Transcriptie wordt bereikt door speciale enzymen die bekend staan ​​als RNA-polymerasen, die een van de complementaire strengen van het gen-DNA gebruiken als een sjabloon voor de synthese van een "pre-mRNA" -molecuul, dat vervolgens wordt verwerkt om een ​​volwassen mRNA te vormen.

Voor genen die coderen voor eiwitten, wordt de informatie in rijpe mRNA's 'gelezen' en vertaald in aminozuren volgens de genetische code, die specificeert welk codon of nucleotide triplet overeenkomt met welk specifiek aminozuur.

De specificatie van de aminozuursequentie van een eiwit hangt daarom af van de initiële sequentie van stikstofhoudende basen in het DNA dat overeenkomt met het gen en vervolgens in het mRNA dat deze informatie van de kern naar het cytosol (in eukaryote cellen) draagt; proces dat ook wordt gedefinieerd als mRNA-geleide eiwitsynthese.

Gezien het feit dat er 64 mogelijke combinaties zijn van de 4 stikstofbasen die DNA en RNA vormen en slechts 20 aminozuren, kan een aminozuur worden gecodeerd door verschillende tripletten (codons), daarom wordt er gezegd dat de genetische code "gedegenereerd" is. (behalve het aminozuur methionine, dat wordt gecodeerd door een uniek AUG-codon).

Eukaryotische vertaling (stap-proces)

Diagram van een dierlijke eukaryote cel en zijn onderdelen (Bron: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

Bij eukaryote cellen vindt transcriptie plaats in de celkern en translatie in het cytosol, dus de mRNA's die gevormd worden tijdens het eerste proces spelen ook een rol bij het transport van informatie van de celkern naar het cytosol, waar de cellen worden aangetroffen. biosynthetische machines (ribosomen).

Het is belangrijk om te vermelden dat de compartimentering van transcriptie en translatie in eukaryoten waar is voor de kern, maar niet hetzelfde voor organellen met hun eigen genoom, zoals chloroplasten en mitochondriën, die systemen hebben die meer lijken op die van prokaryote organismen.

Eukaryote cellen hebben ook cytosolische ribosomen die zijn bevestigd aan de membranen van het endoplasmatisch reticulum (ruw endoplasmatisch reticulum), waarin de translatie plaatsvindt van eiwitten die bestemd zijn om in celmembranen te worden ingebracht of die posttranslationele verwerking vereisen die in dat compartiment plaatsvindt. .

- Verwerking van mRNA's voorafgaand aan hun vertaling

De mRNA's worden aan hun uiteinden gewijzigd terwijl ze worden getranscribeerd:

- Wanneer het 5'-uiteinde van het mRNA tijdens transcriptie uit het oppervlak van RNA-polymerase II komt, wordt het onmiddellijk 'aangevallen' door een groep enzymen die een 'kap' synthetiseren die bestaat uit 7-methylguanylaat en die is verbonden met het nucleotide. terminal van het mRNA via een 5 ', 5' trifosfaatbinding.

- Het 3'-uiteinde van het mRNA ondergaat een "splitsing" door een endonuclease, dat een 3'-vrije hydroxylgroep genereert waaraan een "string" of "staart" van adenineresiduen (van 100 tot 250) is gehecht. een voor een door een poly (A) polymerase-enzym.

De "5'-kap" en de "poly-A-staart" vervullen functies bij de bescherming van mRNA-moleculen tegen afbraak en bovendien bij het transport van rijpe transcripten naar het cytosol en bij de initiatie en beëindiging van de vertaling, respectievelijk.

C oord en splitsing

Na transcriptie ondergaan de "primaire" mRNA's met hun twee gemodificeerde uiteinden, die nog steeds in de kern aanwezig zijn, een "splitsings" -proces waarbij intronische sequenties in het algemeen worden verwijderd en de resulterende exons worden samengevoegd (post-transcriptionele verwerking). , waarmee rijpe transcripten worden verkregen die de kern verlaten en het cytosol bereiken.

Splitsing wordt uitgevoerd door een riboproteïnecomplex genaamd spliceosoom (spliceosoomanglicisme), bestaande uit vijf kleine ribonucleoproteïnen en RNA-moleculen, die in staat zijn om de te verwijderen gebieden uit het primaire transcript te "herkennen".

In veel eukaryoten is er een fenomeen dat bekend staat als "alternatieve splitsing", wat betekent dat verschillende soorten post-transcriptionele modificaties verschillende eiwitten of isozymen kunnen produceren die van elkaar verschillen in sommige aspecten van hun sequenties.

- Ribosomen

Wanneer rijpe transcripten de kern verlaten en worden getransporteerd voor translatie in het cytosol, worden ze verwerkt door het translationele complex dat bekend staat als het ribosoom, dat bestaat uit een complex van eiwitten die zijn geassocieerd met RNA-moleculen.

Ribosomen zijn samengesteld uit twee subeenheden, een "grote" en een "kleine", die vrijelijk gedissocieerd zijn in het cytosol en binden of associëren op het mRNA-molecuul dat wordt getranslateerd.

De binding tussen ribosomen en mRNA hangt af van gespecialiseerde RNA-moleculen die associëren met ribosomale eiwitten (ribosomaal RNA of rRNA en transfer-RNA of tRNA), die elk specifieke functies hebben.

TRNA's zijn moleculaire "adapters", aangezien ze via het ene uiteinde elk codon of triplet in het rijpe mRNA kunnen "lezen" (door base-complementariteit) en via het andere kunnen ze binden aan het aminozuur dat wordt gecodeerd door het "gelezen" codon.

De rRNA-moleculen daarentegen zijn verantwoordelijk voor het versnellen (katalyseren) van het bindingsproces van elk aminozuur in de ontluikende peptideketen.

Een rijp eukaryoot mRNA kan door vele ribosomen worden "gelezen", zo vaak als de cel aangeeft. Met andere woorden, hetzelfde mRNA kan aanleiding geven tot veel kopieën van hetzelfde eiwit.

Start codon en leeskader

Wanneer een rijp mRNA wordt benaderd door ribosomale subeenheden, "scant" het riboproteïnecomplex de sequentie van het molecuul totdat het een startcodon vindt, dat altijd AUG is en de introductie van een methionineresidu omvat.

Het AUG-codon definieert het leeskader voor elk gen en definieert bovendien het eerste aminozuur van alle eiwitten die in de natuur worden vertaald (dit aminozuur wordt posttranslationeel vaak geëlimineerd).

Stop codons

Drie andere codons zijn geïdentificeerd als degenen die terminatie van vertaling induceren: UAA, UAG en UGA.

Die mutaties die een verandering van stikstofbasen in het triplet met zich meebrengen die coderen voor een aminozuur en die resulteren in stopcodons, staan ​​bekend als onzinmutaties, omdat ze een voortijdige stopzetting veroorzaken van het syntheseproces, dat kortere eiwitten vormt.

Onvertaalde regio's

Nabij het 5'-uiteinde van rijpe mRNA-moleculen bevinden zich onvertaalde regio's (UTR's), ook wel 'leader'-sequenties genoemd, die zich tussen het eerste nucleotide en het translatiestartcodon ( AUG).

Deze niet-vertaalde UTR-regio's hebben specifieke locaties voor binding met ribosomen en bij mensen zijn ze bijvoorbeeld ongeveer 170 nucleotiden lang, waaronder regulerende regio's, eiwitbindingsplaatsen die functioneren bij de regulatie van vertaling, etc.

- Start van de vertaling

Zowel de vertaling als de transcriptie bestaat uit 3 fasen: een initiatiefase, een verlengingsfase en tenslotte een beëindigingsfase.

Inwijding

Het bestaat uit de assemblage van het translationele complex op het mRNA, dat de binding verdient van drie eiwitten die bekend staan ​​als Initiation Factor (IF) IF1, IF2 en IF3 aan de kleine subeenheid van het ribosoom.

Het "pre-initiatie" -complex dat wordt gevormd door de initiatiefactoren en de kleine ribosomale subeenheid, bindt op zijn beurt met een tRNA dat een methionineresidu "draagt" en deze set moleculen bindt zich aan het mRNA, nabij het startcodon. AUG.

Deze gebeurtenissen leiden tot de binding van het mRNA aan de grote ribosomale subeenheid, wat leidt tot het vrijkomen van initiatiefactoren. De grote ribosoomsubeenheid heeft 3 bindingsplaatsen voor tRNA-moleculen: de A-plaats (aminozuur), de P-plaats (polypeptide) en de E-plaats (uitgang).

Plaats A bindt aan het anticodon van het aminoacyl-tRNA dat complementair is aan dat van het mRNA dat wordt getranslateerd; de P-plaats is waar het aminozuur wordt overgebracht van het tRNA naar het ontluikende peptide en de E-plaats is waar het wordt gevonden in "leeg" tRNA voordat het wordt vrijgegeven in het cytosol nadat het aminozuur is afgeleverd.

Grafische weergave van de vertaalinitiatie- en verlengingsfasen (Bron: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

Verlenging

Deze fase bestaat uit de "beweging" van het ribosoom langs het mRNA-molecuul en de translatie van elk codon dat "leest", wat de groei of verlenging van de polypeptideketen bij de geboorte impliceert.

Dit proces vereist een factor die bekend staat als verlengingsfactor G en energie in de vorm van GTP, wat de translocatie van verlengingsfactoren langs het mRNA-molecuul drijft terwijl het wordt getranslateerd.

De peptidyltransferase-activiteit van ribosomale RNA's maakt de vorming van peptidebindingen mogelijk tussen opeenvolgende aminozuren die aan de keten worden toegevoegd.

Beëindiging

Vertaling eindigt wanneer het ribosoom een ​​van de terminatiecodons tegenkomt, aangezien tRNA's deze codons niet herkennen (ze coderen niet voor aminozuren). Eiwitten die bekend staan ​​als afgiftefactoren binden ook, wat het losmaken van het mRNA van het ribosoom en de dissociatie van zijn subeenheden vergemakkelijkt.

Prokaryotische vertaling (stappen-processen)

In prokaryoten, zoals in eukaryote cellen, worden de ribosomen die verantwoordelijk zijn voor de eiwitsynthese gevonden in het cytosol (wat ook geldt voor de transcriptionele machinerie), een feit dat de snelle toename van de cytosolische concentratie van een eiwit mogelijk maakt. wanneer de expressie van de genen die ervoor coderen toeneemt.

Hoewel het bij deze organismen geen extreem gebruikelijk proces is, kunnen de primaire mRNA's die tijdens transcriptie worden geproduceerd, post-transcriptionele rijping ondergaan door "splicing". De meest gebruikelijke is echter om ribosomen te observeren die aan het primaire transcript zijn bevestigd en die het vertalen op hetzelfde moment dat het wordt getranscribeerd vanuit de overeenkomstige DNA-sequentie.

Met het oog op het bovenstaande begint translatie in veel prokaryoten aan het 5'-uiteinde, aangezien het 3'-uiteinde van het mRNA gehecht blijft aan het matrijs-DNA (en gelijktijdig met transcriptie plaatsvindt).

Onvertaalde regio's

Prokaryote cellen produceren ook mRNA met niet-getranslateerde gebieden die bekend staan ​​als de "Shine-Dalgarno-box" en waarvan de consensussequentie AGGAGG is. Zoals duidelijk is, zijn de UTR-gebieden van bacteriën aanzienlijk korter dan die van eukaryote cellen, hoewel ze vergelijkbare functies uitoefenen tijdens translatie.

Werkwijze

Bij bacteriën en andere prokaryote organismen lijkt het translatieproces sterk op dat van eukaryote cellen. Het bestaat ook uit drie fasen: initiatie, verlenging en beëindiging, die afhankelijk zijn van specifieke prokaryotische factoren, verschillend van die welke door eukaryoten worden gebruikt.

Verlenging hangt bijvoorbeeld af van bekende verlengingsfactoren zoals EF-Tu en EF-Ts, in plaats van de G-factor van eukaryoten.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Moleculaire biologie van de cel. Garland Science. New York, 1392.
2. Clancy, S. & Brown, W. (2008) Vertaling: DNA naar mRNA naar proteïne. Natuureducatie 1 (1): 101.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT en Miller, JH (2005). Een inleiding tot genetische analyse. Macmillan.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A., … & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.
6. Rosenberg, LE en Rosenberg, DD (2012). Menselijke genen en genomen: wetenschap. Gezondheid, Maatschappij, 317-338.