BIOSYNTÉZA PROTEÍNOV TRANSLÁCIA

BIOCHÉMIA II KATEDRA CHÉMIE, FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED, UNIVERZITA MATEJA BELA BANSKÁ BYSTRICA

BIOSYNTÉZA PROTEÍNOV

(TRANSLÁCIA)

TÉMA 12 DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.

2

o Francis Crick (1958) „Centrálna dogma molekulárnej biológie“

proteosyntéza

„TOK“ GENETICKEJ INFORMÁCIE V BUNKE

3

PROTEOSYNTÉZA = TRANSKRIPCIA + TRANSLÁCIA

4

o translácia = preklad

VÝZNAM:

o preklad poradia nukleotidov mRNA do poradia aminokyselín syntetizovaného proteínu

o syntéza proteínov podľa informácie v mRNA

o transláciou vznikajú všetky druhy proteínov

o nadväzuje na transkripciuo prebieha na ribozómocho mRNA obsahuje signály určujúce začiatok a koniec syntézy proteínovo genetická informácia mRNA (DNA) = genetický kódo proteíny sú syntetizované z jednotlivých (proteinogénnych) AK

TRANSLÁCIA - INTRO

5

GENETICKÝ KÓD

6

a) je tripletovýb) je jednoznačný

a) Genetický kód je tripletový

o triplet = trojica nukleotidov mRNA = kodóno každý triplet vzniká kombináciou 4 možných nukleozidov (A,T, C a G)

43 = 64 kombinácií (64 kodónov)o všetkých 64 kodónov má význam

c) je neprekrývajúci sad) nie je izolovaný

e) je degenerovanýf) je univerzálny

b) Genetický kód je jednoznačný

o každý kodón definuje (kóduje) len jednu aminokyselinuo kódovaných je všetkých 20 proteinogénnych AK o 61 kodónov kóduje 20 proteinogénnych AK + 3 „stop“ kodóny

VLASTNOSTI GENETICKÉHO KÓDU

7

c) Genetický kód je neprekrývajúci sa

o susedné triplety nemajú spoločný ani jeden nukleozid

d) Genetický kód nie je izolovaný

o susedné triplety nie sú oddelené jedným (ani viacerými) „nekódujúcimi“ nukleozidmi

8

e) Genetický kód je degenerovaný

o len 2 AK sú určené jediným kodónom (Met a Trp)

o ostatné AK sú určené minimálne dvomi rozdielnymi kodónmimaximálne šiestimi (Arg)

o 8 AK má irelevantný 3. nukleozid = degenerácia významu 3. nukleozidu(Leu, Val, Ser, Pro, Thr, Ala, Gly a Arg)Tieto AK sú jednoznačne určené už prvými dvomi nukleozidmi3. báza = „wobble“ báza (s irelevantným významom)

o 2. nukleozid je dôležitýnapr. ak je 2. nukleozid U, všetky AK sú hydrofóbne

o u 15 AK kódovaných dvomi, tromi alebo štyrmi tripletmi je len 3. nukleozidvariabilný

o degenerácia kódu zabezpečuje ochranu proti možným chybám (mutáciám)

9

10

f) Genetický kód je univerzálny

o je rovnaký pre všetky organizmy (vírusy, prokaryoty, eukaryoty)

o u všetkých organizmov sú jednotlivé AK kódované tými istými kodónmi

Výnimky:

o niektoré kodóny v mitochondriách

o zatiaľ 16 známych organizmov s niektorými odlišnými kodónmi• morská riasa Acetabularia (normálne stop kodóny UAG a UAA

prekladá ako kodóny pre Gly)• kvasinky Candida prekladajú kodón CUG (normálne Leu) ako Ser

11

TRANSLÁCIA

12

1. aktivácia aminokyselín

2. iniciácia

3. elongácia

4. terminácia

4 STUPNE TRANSLÁCIE

13

o aktivácia AK = naviazanie príslušnej AK na jej zodpovedajúcu tRNA

o enzým aminoacyl-tRNA syntetáza• zabezpečuje špecifitu naviazania AK na príslušnú tRNA• pre každú AK existuje iná špecifická aminoacyl-tRNA syntetáza• na tRNA sú špecifické variabilné miesta rozpoznávané rôznymi aminoacyl-

tRNA syntetázami

o prebieha v 2 krokoch:1. AK + ATP → aminoacyl-AMP + PPi

2. aminoacyl-AMP + tRNA → aminoacyl-tRNA + AMP

1. AKTIVÁCIA AMINOKYSELÍN

14

o na tRNA sú špecifické variabilné miesta rozpoznávané rôznymi aminoacyl-tRNA syntetázami

ŠTRUKTÚRA tRNA

15

Štruktúra glutaminyl-tRNAGln syntetázy E. coli, komplex s RNAGln a ATP

fialová = tRNAGln

zelená = ATP

(pdb id = 1GSG)

AM

INO

AC

YL-

TRN

ASY

NTE

TÁZA

16

o hoci existuje 64 kodónov, počet tRNA je menšío niektoré tRNA rozpoznávajú len 1 kodóno mnohé tRNA sa viažu na viaceré (degenerované) kodónyo dôvodom je „wobble“ párovanie bázo „wobble“ je 1. báza na antikodóne (tRNA)

komplementárna k 3. báze kodónu (mRNA)

KOĽKO tRNA POZNÁME?

17

nepravdepodobné

možnénepravdepodobné

možné

možné

„WOBBLE“ PÁROVANIE DUSÍKATÝCH BÁZ

18

o kompaktné ribonukleoproteínové komplexy

o cytoplazma, matrix, stroma

o mechanochemické systémy pohybujúce sa po mRNA

o Skladajú sa z 2 podjednotiek:

malá podjednotka veľká podjednotka komplex

prokaryotický r. 30 S 50 S 70 S

eukaryotický r. 40 S 60 S 80 S

S = sedimentačný koeficient [Svedberg], 1 S = 10–13 s

RIBOZÓMY

19

Štruktúra ribozomálnych podjednotiek a 70S komplexu Thermus Thermophilus

a) 30S (pdb id = 2J02, b) 50S (pdb id = 2J03) c) 70S komplex d) 70S komplex (pohľad zboku)

Š TR

UK

TÚR

AR

IBO

ZÓM

U

20

I.PROKARYOTICKÁ TRANSLÁCIA

21

o tvorba iniciačného komplexuo naviazanie N-koncovej AK (1. AK v budúcom polypeptidovom reťazci)

o syntéza proteínov sa začína od štart-signálu na mRNA (5’-AUG-3’)

o mRNA (aj kódujúci reťazec DNA) sú čítané v smere 5’ → 3’

o u prokaryot je iniciačnou AK všetkých proteínov N-formylmetionín (fmet)často je z proteínu posttranslačne odstránený

viaže sa na osobitnú tRNAfmet

Tvorba N-formylmetionín-tRNAfmet

Met musí byť naviazaný na tRNAfmet

ešte pred formyláciou

2. INICIÁCIA (PROKAR.)

22

o potrebných 8 komponentov:

1. mRNA

2. malá podjednotka (30S)

3. fmet-tRNAfmet

4. GTP

5. IF-1

6. IF-2viaže GTP a pomáha pri selekcii fmet-tRNAfmet

7. IF-3pomáha naviazať mRNA na 30S

8. veľká podjednotka (50S)

3 iniciačné faktory

TVORBA INICIAČNÉHO

KOMPLEXU 70S

23

Ribozómový iniciačný komplex(RTG-kryštalografia)

oranžová = tRNAžltá = časť mRNA

24

o štartovací signál na mRNA = Shine-Delgarno sekvenciasekvencia 5’ ....... GGAGGU ....... 3’

o bohaté na purín

o nachádza sa okolo pozície –10 od AUG (–10 upstream)

Príklad niektorých Shine-Delgarno sekvencií E. coli

AKO RIBOZÓM ROZPOZNÁ ZAČIATOK TRANSLÁCIE?

25

o postupné naväzovanie ďalších AK = predlžovanie polypeptid. reťazca

o 3 väzbové miesta na podjednotke 50S:1. A (aminoacyl) – nasledovná prichádzajúca AK vo forme aminoacyl-tRNA2. P (peptidyl) – posledná naviazaná AK vznikajúceho polypeptid. reťazca3. E (exit) – „prázdna“ predchádzajúca tRNA (bez AK)

o komponenty potrebné na elongáciu:

1. 70S komplex

2. GTP

3. EF-Ppomáha katalyzovať vytvorenie peptidovej väzby

4. EF-Tu (Tu = temperature unstable)

vedie aminoacyl-tRNA do väzbového miesta A a nasmeruje kodón k antikodónu

5. EF-Ts (Ts = temperature stable)

3 elongačnéfaktory

3. ELONGÁCIA (PROKAR.)

26

o vytvorenie peptidovej väzby medzi aminokyselinami v miestach P a A

o translokácia = posunom ribozómu v smere translácie sa presunutie peptidyl-tRNA z miesta A do miesta P

o uvoľnenie miesta A pre nasledujúcu aminoacyl-tRNAo AK z miesta P je už súčasťou polypeptid. reťazca, ktorý vychádza von z ribozómuo „prázdna“ tRNA z miesta P sa presunie do miesta E (a následne je uvoľnená)

o enzým peptidyl-transferáza

o nukleofilný atak α-aminosk. AK z miesta A na karbonylovú sk. AK v mieste P

o v mieste A tak vzniknepeptidyl-tRNA

ELONGÁCIA (CONT’D)

27

CEL

KOV

ÁSC

HÉM

AEL

ON

GÁ

CIE

( PR

OK

AR

.)

28

o terminácia = ukončenie translácie, dosiahnutie „stop“ kodónov

o 3 „stop“ kodóny: UAA, UAG, UGA

o „stop“ kodóny neviažu tRNA ale uvoľňovacie(release) faktory:

• RF-1 – viaže sa na UAA a UAG

• RF-2 – viaže sa na UAA a UGA

• RF-3 – viaže sa na GTP

o RFs blokujú naviazanie ďalšej aminoacyl-tRNAdo miesta A

o pomáhajú peptidyl-transferáze hydrolyzovať väzbu medzi AK a tRNA v mieste P

4. TERMINÁCIA (PROKAR.)

29

SUMARIZÁCIA KOMPONENTOV TRANSLÁCIE

30

o jednu mRNA môže naraz „čítať“ viac ribozómov

POLYZÓMY (POLYRIBOZÓMY)

31

II.EUKARYOTICKÁ TRANSLÁCIA

32

o principiálne rovnaká ako u prokaryot

o najväčší rozdiel je v iniciácii

o rozdiely vyplývajú aj z rozdielnej štruktúry mRNA u eukaryot(7-metyl-guanozínová „čiapočka“ + poly(A) „chvost“)eukaryotická mRNA podlieha postranskripčným modifikáciám, prokaryotická nie

EUKARYOTICKÁ TRANSLÁCIA - INTRO

33

o prítomnosť až 13 iniciačných faktorov

o prebieha v 3 krokoch:

2. INICIÁCIA (EUKAR.)

34

EUKARYOTICKÉ INICIAČNÉ FAKTORY

35

o predlžovanie polypeptid. reťazca podobné ako u prokaryot

o rovnaký mechanizmus činnosti peptidyl-transferázy a translokácie ako u prokar.

o na eukar. ribozóme sú prítomné len väzbové miesta A a P, chýba miesto E

o 2 elongačné faktory u eukaryot: eEF1 a eEF2

o rovnaký mechanizmus ako u prokaryot = dosiahnutie „stop“ kodónov

o len 1 uvoľňovací faktor – viaže sa na všetky 3 typy „stop“ kodónov

3. ELONGÁCIA (EUKAR.)

4. TERMINÁCIA (EUKAR.)

36

CELKOVÁ SCHÉMA EUKARYOTICKEJ TRANSLÁCIE

37

o modifikácia štruktúry proteínu po translácii

o modifikácia kovalentných väzieb (napr. disulfidových väzieb)

o modifikácia pôvodných AK (napr. kolagén)

Príklad posttranslačnej modifikácie vedúcej k tvorbe inzulínu

POSTTRANSLAČNÉ MODIFIKÁCIE PROTEÍNOV

DOC. RNDR. MAREK SKORŠEPA, PHD.

[email protected]

KATEDRA CHÉMIE

FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED

UNIVERZITA MATEJA BELA V BANSKEJ BYSTRICI