Em formação

Tradução - Síntese de Proteínas * # - Biologia


Síntese proteíca

Introdução

O processo de tradução em biologia é a decodificação de uma mensagem de mRNA em um produto polipeptídico. Dito de outra forma, uma mensagem escrita na linguagem química dos nucleotídeos é "traduzida" para a linguagem química dos aminoácidos. O processo de decodificação e "ligação" é catalisado por um complexo de ribonucleoproteína chamado de ribossomos e pode resultar em cadeias de aminoácidos de comprimentos que variam de dezenas a mais de 1.000.

As proteínas resultantes são tão importantes para a célula que sua síntese consome mais energia da célula do que qualquer outro processo metabólico. Como a replicação e a transcrição do DNA, a tradução é um processo molecular complexo que podemos abordar usando as rubricas Energy Story e Design Challenge. Descrever o processo geral, ou etapas no processo, requer a contabilização da matéria e da energia antes e depois do processo e uma descrição de como essa matéria é transformada e a energia transferida durante o processo. Do ponto de vista do Desafio de Design, podemos - antes mesmo de nos aprofundarmos no que é ou não entendido sobre tradução - tentar inferir algumas das questões básicas que precisaremos responder a respeito desse processo.

Comecemos considerando o problema básico. Temos uma fita de RNA (chamada mRNA) e um monte de aminoácidos e precisamos projetar de alguma forma uma máquina que irá:

(a) decodificar a linguagem química dos nucleotídeos na linguagem dos aminoácidos,
(b) juntar aminoácidos de uma maneira muito específica,
(c) concluir este processo com precisão razoável, e
(d) fazer isso a uma velocidade razoável. Razoável, é claro definido pela seleção natural.

Como antes, podemos identificar subproblemas

(a) Como nossa máquina molecular determina onde e quando começar a trabalhar?
(b) Como a máquina molecular coordena a decodificação e as formações de ligação?
(c) de onde vem e quanto vem a energia para esse processo?
(d) como a máquina sabe onde parar?

Outras questões e problemas / desafios funcionais certamente surgirão à medida que nos aprofundarmos.

A questão, como sempre, é que mesmo sem saber nada específico sobre tradução, podemos usar nossa imaginação, curiosidade e bom senso para imaginar alguns requisitos para o processo sobre os quais precisaremos aprender mais. Compreender essas questões como o contexto para o que se segue é fundamental.

Uma ligação peptídica liga a extremidade carboxila de um aminoácido à extremidade amino de outro, expelindo uma molécula de água. O R1 e R2 designação refere-se à cadeia lateral do aminoácido os dois aminoácidos.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra original).

Máquinas de síntese de proteínas

Os componentes que entram no processo

Muitas moléculas e macromoléculas diferentes contribuem para o processo de tradução. Embora a composição exata dos "jogadores" no processo possa variar de espécie para espécie - por exemplo, os ribossomos podem consistir em diferentes números de rRNAs (RNAs ribossômicos) e polipeptídeos dependendo do organismo - as funções gerais da maquinaria de síntese de proteínas são comparáveis ​​das bactérias às células humanas. Nós nos concentramos nessas semelhanças. No mínimo, a tradução requer um modelo de mRNA, aminoácidos, ribossomos, tRNAs, uma fonte de energia e várias enzimas acessórias adicionais e pequenas moléculas.

Lembrete: Aminoácidos

Vamos simplesmente lembrar que a estrutura básica dos aminoácidos é composta de uma estrutura composta por um grupo amino, um carbono central (chamado de carbono α) e um grupo carboxila. Ligado ao carbono α está um grupo variável que ajuda a determinar algumas das propriedades químicas e reatividade do aminoácido.

Um aminoácido genérico.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Os 20 aminoácidos comuns.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Ribossomos

UMA ribossomo é uma macromolécula complexa composta de rRNAs estruturais e catalíticos e muitos polipeptídeos distintos. À medida que começamos a tentar pensar sobre a contabilidade de energia na célula, é importante notar que os ribossomos não vêm "de graça". Mesmo antes de um mRNA ser traduzido, uma célula deve investir energia para construir cada um de seus ribossomos. No E. coli, existem entre 10.000 e 70.000 ribossomos presentes em cada célula em um determinado momento.

Os ribossomos existem no citoplasma em bactérias e arquéias e no citoplasma e no retículo endoplasmático rugoso em eucariotos. As mitocôndrias e os cloroplastos também têm seus próprios ribossomos na matriz e no estroma, que se parecem mais com os ribossomos bacterianos (e têm sensibilidades semelhantes às drogas) do que os ribossomos logo fora de suas membranas externas no citoplasma. Os ribossomos se dissociam em subunidades grandes e pequenas quando não estão sintetizando proteínas e se reassociam durante o início da tradução. coli, a subunidade pequena é descrita como 30S e a subunidade grande é 50S. Os ribossomos de mamíferos têm uma pequena subunidade 40S e uma grande subunidade 60S. A subunidade pequena é responsável pela ligação ao molde de mRNA, enquanto a subunidade grande se liga sequencialmente aos tRNAs. Cada molécula de mRNA é traduzida simultaneamente por muitos ribossomos, todos sintetizando proteínas na mesma direção: lendo o mRNA de 5 'para 3' e sintetizando o polipeptídeo do terminal N para o terminal C. A estrutura completa do mRNA / poli-ribossomo é chamada de polissomo.

A maquinaria de síntese de proteínas inclui as subunidades grandes e pequenas do ribossomo, mRNA e tRNA.
Fonte: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m.../ribosome.html

TRNAs

tRNAs são moléculas de RNA estruturais que foram transcritas de genes. Dependendo da espécie, 40 a 60 tipos de tRNAs existem no citoplasma. Servindo como adaptadores, tRNAs específicos se ligam a sequências no molde de mRNA e adicionam o aminoácido correspondente à cadeia polipeptídica. Portanto, os tRNAs são as moléculas que realmente “traduzem” a linguagem do RNA para a linguagem das proteínas.

Dos 64 possíveis mRNA códons—Ou combinações triplas de A, U, G e C, três especificam o término da síntese de proteínas e 61 especificam a adição de aminoácidos à cadeia polipeptídica. Destes 61, um códon (AUG) também codifica o início da tradução. Cada tRNA anticódon pode emparelhar bases com um dos códons de mRNA e adicionar um aminoácido ou encerrar a tradução, de acordo com o código genético. Por exemplo, se a sequência CUA ocorresse em um molde de mRNA no quadro de leitura adequado, ela se ligaria a um tRNA que expressa a sequência complementar, GAU, que estaria ligada ao aminoácido leucina.

A estrutura secundária dobrada de um tRNA. A alça anticódon e a haste aceitadora de aminoácidos são indicadas.
Fonte: http: //mol-biol4masters.masters.grkr...ansfer_RNA.htm

Aminoacil ARNt sintetases

O processo de síntese do pré-tRNA pela RNA polimerase III cria apenas a porção de RNA da molécula adaptadora. O aminoácido correspondente deve ser adicionado posteriormente, uma vez que o tRNA é processado e exportado para o citoplasma. Através do processo de "carregamento" do tRNA, cada molécula de tRNA é ligada ao seu aminoácido correto por um grupo de enzimas chamadas aminoacil tRNA sintetases. Existe pelo menos um tipo de aminoacil ARNt sintetase para cada um dos 20 aminoácidos; o número exato de aminoacil tRNA sintetases varia por espécie. Essas enzimas primeiro se ligam e hidrolisam ATP para catalisar uma ligação de alta energia entre um aminoácido e monofosfato de adenosina (AMP); uma molécula de pirofosfato é expelida nesta reação. O aminoácido ativado é então transferido para o tRNA e o AMP é liberado.

O mecanismo de síntese de proteínas

Assim como com a síntese de mRNA, a síntese de proteínas pode ser dividida em três fases: iniciação, alongamento e término. O processo de tradução é semelhante em bactérias, arquéias e eucariotos.

Iniciação da Tradução

Em geral, a síntese de proteínas começa com a formação de um complexo de iniciação. A pequena subunidade ribossômica se ligará ao mRNA no sítio de ligação ribossomal. Logo depois, o tRNA da metionina se ligará ao códon de início do AUG (por meio da ligação complementar com seu anticódon). Este complexo é então unido por uma grande subunidade ribossômica. Este complexo de iniciação então recruta o segundo tRNA e, assim, a tradução começa.

A tradução começa quando um anticódon tRNA reconhece um códon no mRNA. A subunidade ribossômica grande se junta à subunidade pequena e um segundo tRNA é recrutado. À medida que o mRNA se move em relação ao ribossomo, a cadeia polipeptídica é formada. A entrada de um fator de liberação no site A encerra a tradução e os componentes se dissociam.

Iniciação bacteriana vs eucariótica

No E. coli mRNA, uma sequência a montante do primeiro códon AUG, chamada de Sequência Shine-Dalgarno (AGGAGG), interage com uma molécula de rRNA. Esta interação ancora a subunidade ribossômica 30S no local correto no modelo de mRNA. Pare por um momento para apreciar a repetição de um mecanismo que você encontrou antes. Nesse caso, conseguir que um complexo de proteína se associe - no registro adequado - a um polímero de ácido nucleico é realizado alinhando duas fitas antiparalelas de nucleotídeos complementares uma com a outra. Também vimos isso na função da telomerase.

Em vez de se ligar à sequência de Shine-Dalgarno, o complexo de iniciação eucariótica reconhece o cap 7-metilguanosina na extremidade 5 'do mRNA. Uma proteína de ligação à capa (CBP) auxilia no movimento do ribossomo para a capa 5 '. Uma vez no limite, o complexo de iniciação segue ao longo do mRNA na direção de 5 'para 3', em busca do códon de início de AUG. Muitos mRNAs eucarióticos são traduzidos do primeiro AUG, mas nem sempre é esse o caso. De acordo com Regras de Kozak, os nucleotídeos ao redor do AUG indicam se é o códon de início correto. As regras de Kozak afirmam que a seguinte sequência de consenso deve aparecer em torno do AUG dos genes de vertebrados: 5'-gccRccAUGG-3 '. O R (para purina) indica um local que pode ser A ou G, mas não pode ser C ou U. Essencialmente, quanto mais próxima a sequência estiver desse consenso, maior será a eficiência da tradução.

Alongamento de tradução

Durante o alongamento da tradução, o modelo de mRNA fornece especificidade. À medida que o ribossomo se move ao longo do mRNA, cada códon de mRNA fica "visível" e a ligação específica com o anticódon de tRNA carregado correspondente é assegurada. Se o mRNA não estivesse presente no complexo de alongamento, o ribossomo se ligaria aos tRNAs de forma não específica. Observe novamente o uso do emparelhamento de bases entre duas fitas antiparalelas de nucleotídeos complementares para trazer e manter nossa máquina molecular em registro e, neste caso, também para realizar o trabalho de "tradução" entre a linguagem dos nucleotídeos e dos aminoácidos.

A grande subunidade ribossômica consiste em três compartimentos: o local A liga tRNAs carregados de entrada (tRNAs com seus aminoácidos específicos anexados), o local P liga tRNAs carregados carregando aminoácidos que formaram ligações com a cadeia polipeptídica em crescimento, mas ainda não se dissociaram seu tRNA correspondente e o sítio E que libera tRNAs dissociados para que possam ser recarregados com outro aminoácido livre.

O alongamento prossegue com tRNAs carregados entrando no local A e, em seguida, mudando para o local P seguido pelo local E com cada "etapa" de códon único do ribossomo. As etapas ribossomais são induzidas por mudanças conformacionais que avançam o ribossomo em três bases na direção 3 '. A energia para cada etapa do ribossomo é doada por um fator de alongamento que hidrolisa o GTP. As ligações peptídicas se formam entre o grupo amino do aminoácido ligado ao tRNA do local A e o grupo carboxila do aminoácido ligado ao tRNA do local P. A formação de cada ligação peptídica é catalisada por peptidil transferase, uma enzima baseada em RNA que é integrada na subunidade ribossômica 50S. A energia para cada formação de ligação peptídica é derivada da hidrólise do GTP, que é catalisada por um fator de alongamento separado. O aminoácido ligado ao tRNA do sítio P também está ligado à crescente cadeia polipeptídica. À medida que o ribossomo atravessa o mRNA, o antigo tRNA do local P entra no local E, se desprende do aminoácido e é expelido. O ribossomo se move ao longo do mRNA, um códon por vez, catalisando cada processo que ocorre nos três locais. Com cada etapa, um tRNA carregado entra no complexo, o polipeptídeo torna-se um aminoácido a mais e um tRNA não carregado se afasta. Surpreendentemente, esse processo ocorre rapidamente na célula, o E. coli aparelho de tradução leva apenas 0,05 segundos para adicionar cada aminoácido, o que significa que um polipeptídeo de 200 aminoácidos poderia ser traduzido em apenas 10 segundos.

Discussão sugerida

Muitos antibióticos inibem a síntese de proteínas bacterianas. Por exemplo, a tetraciclina bloqueia o local A no ribossomo bacteriano e o cloranfenicol bloqueia a transferência de peptidil. Que efeito específico você espera que cada um desses antibióticos tenha na síntese de proteínas?

O Código Genético

Para resumir o que sabemos até este ponto, o processo celular de transcrição gera RNA mensageiro (mRNA), uma cópia molecular móvel de um ou mais genes com um alfabeto de A, C, G e uracila (U). A tradução do modelo de mRNA converte a informação genética baseada em nucleotídeos em um produto proteico. As sequências de proteínas consistem em 20 aminoácidos de ocorrência comum; portanto, pode-se dizer que o alfabeto da proteína consiste em 20 letras. Cada aminoácido é definido por uma sequência de três nucleotídeos chamada tripleto códon. A relação entre um códon de nucleotídeo e seu aminoácido correspondente é chamada de Código genético. Dados os diferentes números de “letras” no mRNA e “alfabetos” de proteínas, significa que há um total de 64 (4 × 4 × 4) códons possíveis; portanto, um determinado aminoácido (20 no total) deve ser codificado por mais de um códon.

Três dos 64 códons terminam a síntese de proteínas e liberam o polipeptídeo do mecanismo de tradução. Esses trigêmeos são chamados parar códons. Outro códon, AUG, também tem uma função especial. Além de especificar o aminoácido metionina, também serve como o códon de início para iniciar a tradução. O quadro de leitura para tradução é definido pelo códon de início AUG próximo à extremidade 5 'do mRNA. O código genético é universal. Com algumas exceções, virtualmente todas as espécies usam o mesmo código genético para a síntese de proteínas, o que é uma evidência poderosa de que toda a vida na Terra compartilha uma origem comum.

Esta figura mostra o código genético para traduzir cada tripleto de nucleotídeo, ou códon, em mRNA em um aminoácido ou um sinal de terminação em uma proteína nascente. (crédito: modificação do trabalho por NIH)

Redundante, não ambíguo

A informação no código genético é redundante. Vários códons codificam para o mesmo aminoácido. Por exemplo, usando o gráfico acima, você pode encontrar 4 códons diferentes que codificam para Valina, da mesma forma, existem dois códons que codificam para Leucina, etc. Mas o código não é ambíguo, o que significa que se você recebesse um códon, Se você souber definitivamente para qual aminoácido está codificando, um códon codificará apenas para um aminoácido específico. Por exemplo, GUU sempre codificará para Valine e AUG sempre codificará para Metionina. Isso é importante, você será solicitado a traduzir um mRNA em uma proteína usando um gráfico de códons como o mostrado acima.

Rescisão de tradução

O término da tradução ocorre quando um códon de parada (UAA, UAG ou UGA) é encontrado. Quando o ribossomo encontra o códon de parada, nenhum tRNA entra no local A. Em vez disso, uma proteína conhecida como fator de liberação liga-se ao complexo. Essa interação desestabiliza a maquinaria de tradução, causando a liberação do polipeptídeo e a dissociação das subunidades do ribossomo do mRNA. Depois que muitos ribossomos completaram a tradução, o mRNA é degradado para que os nucleotídeos possam ser reutilizados em outra reação de transcrição.

Discussão sugerida

Quais são as vantagens e desvantagens de traduzir um único mRNA várias vezes?

Acoplamento entre transcrição e tradução

Como discutido anteriormente, as bactérias e arqueas não precisam transportar seus transcritos de RNA entre um núcleo ligado à membrana e o citoplasma. A RNA polimerase está, portanto, transcrevendo RNA diretamente no citoplasma. Aqui, os ribossomos podem se ligar ao RNA e iniciar o processo de tradução, em alguns casos, enquanto a transcipção ainda está ocorrendo. O acoplamento desses dois processos, e até mesmo a degradação do mRNA, é facilitado não apenas porque a transcrição e a tradução acontecem no mesmo compartimento, mas também porque ambos os processos acontecem na mesma direção - a síntese do transcrito do RNA acontece de 5 'a 3 'direção e tradução lê a transcrição na direção 5' para 3 '. Este "acoplamento" da transcrição com a tradução ocorre em bactérias e arqueas e é, de fato, essencial para a expressão gênica adequada em alguns casos.

Múltiplas polimerases podem transcrever um único gene bacteriano enquanto numerosos ribossomos traduzem simultaneamente os transcritos de mRNA em polipeptídeos. Dessa forma, uma proteína específica pode atingir rapidamente uma alta concentração na célula bacteriana.

Classificação de proteínas

No contexto de um Desafio de Design de síntese de proteínas, também podemos levantar a questão / problema de como as proteínas chegam onde deveriam ir. Sabemos que algumas proteínas são destinadas à membrana plasmática, outras em células eucarióticas precisam ser direcionadas a várias organelas, algumas proteínas, como hormônios ou proteínas eliminadoras de nutrientes, são destinadas a ser secretadas pelas células, enquanto outras podem precisar ser direcionadas a partes do citosol para servir a funções estruturais. Como isso acontece?

Uma vez que vários mecanismos foram descobertos, os detalhes desse processo não são facilmente resumidos em um ou dois parágrafos breves. No entanto, alguns elementos-chave comuns de todos os mecanismos podem ser mencionados. Em primeiro lugar, há a necessidade de uma "etiqueta" específica que possa fornecer algumas informações moleculares sobre para onde a proteína de interesse é destinada. Essa tag geralmente assume a forma de uma pequena cadeia de aminoácidos - um chamado peptídeo sinal - que pode codificar informações sobre onde a proteína deve terminar. O segundo componente necessário do mecanismo de classificação de proteínas deve ser um sistema para realmente ler e classificar as proteínas. Nos sistemas bacteriano e arqueado, geralmente consiste em proteínas que podem identificar o peptídeo sinal durante a tradução, ligar-se a ele e direcionar a síntese da proteína nascente para a membrana plasmática. Em sistemas eucarióticos, a classificação é necessariamente mais complexa e envolve um conjunto bastante elaborado de mecanismos de reconhecimento de sinal, modificação de proteínas e tráfego de vesículas entre organelas ou a membrana. Essas etapas bioquímicas são iniciadas no retículo endoplasmático e posteriormente "refinadas" no aparelho de Golgi, onde as proteínas são modificadas e empacotadas em vesículas ligadas por várias partes da célula.

Alguns dos vários mecanismos específicos podem ser discutidos por seu instrutor em classe. A chave para todos os alunos é apreciar o problema e ter uma ideia geral dos requisitos de alto nível que as células adotaram para resolvê-los.

Modificação de proteína pós-tradução

Após a tradução, os aminoácidos individuais podem ser modificados quimicamente. Essas modificações adicionam variação química e novas propriedades que estão enraizadas nas químicas dos grupos funcionais que estão sendo adicionados. Modificações comuns incluem grupos fosfato, metil, acetato e grupos amida. Algumas proteínas, normalmente direcionadas às membranas, serão lipidadas - um lipídio será adicionado. Outras proteínas serão glicosiladas - um açúcar será adicionado. Outra modificação pós-tradução comum é a clivagem ou ligação de partes da própria proteína. Os péptidos de sinal podem ser clivados, partes podem ser excisadas do meio da proteína ou podem ser feitas novas ligações covalentes entre a cisteína ou outras cadeias laterais de aminoácidos. Quase todas as modificações serão catalisadas por enzimas e todas alteram o comportamento funcional da proteína.

Resumo da Seção

O mRNA é usado para sintetizar proteínas pelo processo de tradução. O código genético é a correspondência entre o códon do mRNA de três nucleotídeos e um aminoácido. O código genético é “traduzido” pelas moléculas de tRNA, que associam um códon específico a um aminoácido específico. O código genético é degenerado porque 64 códons tripletos no mRNA especificam apenas 20 aminoácidos e três códons de parada. Isso significa que mais de um códon corresponde a um aminoácido. Quase todas as espécies do planeta usam o mesmo código genético.


Os atores na tradução incluem o modelo de mRNA, ribossomos, tRNAs e vários fatores enzimáticos. A pequena subunidade ribossômica se liga ao modelo de mRNA. A tradução começa no AUG inicial no mRNA. A formação de ligações ocorre entre aminoácidos sequenciais especificados pelo modelo de mRNA de acordo com o código genético. O ribossomo aceita tRNAs carregados e, à medida que avança ao longo do mRNA, catalisa a ligação entre o novo aminoácido e o fim do polipeptídeo em crescimento. Todo o mRNA é traduzido em "etapas" de três nucleotídeos do ribossomo. Quando um códon de parada é encontrado, um fator de liberação se liga e dissocia os componentes e libera a nova proteína.


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Kanzo Suzuki, Lisa M. Monteggia, em Advances in Pharmacology, 2020

6 A fosforilação de eEF2 mediada por eEF2K é uma mudança molecular para regular o alongamento do peptídeo

A tradução da proteína ocorre em três etapas principais: iniciação, alongamento e término. Na etapa de alongamento do peptídeo, um aminoacil-tRNA de entrada é entregue ao ribossomo como parte do complexo com o fator de alongamento 1 (eEF1) e se liga ao sítio A (aminoacil). A ligação de tRNA induz mudança conformacional no ribossomo que desencadeia a reação de peptidil-transferase entre aminoacil-tRNA e peptidil-tRNA permitindo-lhes fazer a formação de ligação de peptídeo (Dever & amp Green, 2012). Após a formação da ligação do peptídeo, o ribossomo é translocado ao longo do mRNA para o próximo códon. eEF2 facilita esta translocação por hidrólise de GTP, o que faz com que o tRNA desacilado no local P (peptidil) se mova para o local E (Saída) e o peptidil-tRNA no local A se mova para o local P (Dever & amp Green, 2012 ) É importante ressaltar que a fosforilação de eEF2 mediada por eEF2K prejudica essa translocação (Fig. 1). eEF2K fosforila eEF2 em Thr-56, que está localizado no domínio de ligação de GTP, diminuindo assim a afinidade de ligação para GTP e evitando seu recrutamento para ribossomos e, assim, retardando o alongamento do peptídeo (Carlberg, Nilsson, & amp Nygard, 1990 Dumont-Miscopein, Lavergne , Guillot, Sontag, & amp Reboud, 1994 Jorgensen, Merrill, & amp Andersen, 2006 Ryazanov & amp Davydova, 1989 Ryazanov, Shestakova, et al., 1988). Por esta razão, a ativação de eEF2K suprime o alongamento da tradução mediado por eEF2, enquanto a inibição de eEF2K aumenta a tradução da proteína. Coletivamente, a fosforilação de eEF2 é uma chave molecular que regula a tradução de proteínas em neurônios com a atividade de eEF2K impactando diretamente no alongamento da tradução.

Figura 1 . Visão geral do alongamento da tradução eucariótica. Após o aminoacil-tRNA ser traduzido no local A em associação com eEF1, o peptídeo no local P é transferido para o aminoácido no local A através da reação de peptidil-transferase. Após a formação da ligação do peptídeo, o eEF2 induz a translocação do ribossomo ao longo do mRNA a uma distância igual a um códon. eEF2K pode fosforilar eEF2, o que prejudica o alongamento da tradução.


Tradução: Síntese de Proteínas (com Diagrama)

Tradução é o mecanismo pelo qual a sequência de bases triplas de um mRNA guia a ligação de uma sequência específica de aminoácidos para formar um polipeptídeo (proteína) nos ribossomos.

A síntese de proteínas requer aminoácidos, DNA, RNAs, ribossomos e enzimas. O mecanismo de síntese de proteínas envolve quatro etapas. As quatro etapas são: (1) Ativação de Aminoácidos (2) Carregamento de tRNA (3) Ativação de Ribossomos e (4) Montagem de Aminoácidos (Formação de Polipeptídeo).

Maquinário para Síntese de Proteínas:

A síntese de proteínas requer aminoácidos, DNA, RNAs, ribossomos e enzimas.

EU. Aminoácidos:

As proteínas são os polímeros de aminoácidos. Portanto, os aminoácidos constituem a matéria-prima para a síntese de proteínas. As proteínas dos organismos vivos precisam de cerca de 20 aminoácidos como blocos de construção ou monômeros. Estes estão disponíveis na matriz citoplasmática como um pool de aminoácidos.

II. DNA como controle de especificidade:

Uma célula, para manter suas características especiais, deve fabricar proteínas exatamente semelhantes às já presentes nela. Assim, a síntese de proteínas requer controle de especificidade para fornecer instruções sobre a sequência exata na qual os números e tipos de aminoácidos dados devem ser ligados para obter os polipeptídeos desejados.

O controle da especificidade é exercido pelo DNA por meio de sequências de mRNA de 3 bases nitrogenadas consecutivas na dupla hélice do DNA que formam o código bioquímico ou genético. Cada tripleto de base codifica um aminoácido específico. Como o DNA é mais ou menos estável, as proteínas formadas em uma célula são exatamente como as proteínas preexistentes.

III. RNAs:

A molécula de RNA é um polímero de ribonucleotídeos longo, não ramificado e de fita simples (Fig. 7.12). Cada unidade de nucleotídeo é composta de três moléculas menores: um grupo fosfato, um açúcar ribose de 5 carbonos e uma base contendo nitrogênio. As bases do RNA são adenina, guanina, uracial e citosina. Os vários componentes estão ligados como no DNA.

Existem três tipos de RNA em cada célula: RNA mensageiro ou mRNA, RNA ribossômico ou rRNA e RNA de transferência ou tRNA. Os três tipos de RNAs são transcritos de diferentes regiões do molde de DNA, a cadeia de RNA é complementar à fita de DNA que a produz. Todos os três tipos de RNAs desempenham um papel na síntese de proteínas.

O DNA, que controla a síntese de proteínas, está localizado nos cromossomos dentro do núcleo, enquanto os ribossomos, nos quais a síntese de proteínas realmente ocorre, estão localizados no citoplasma. Portanto, deve existir algum tipo de agência para transportar as instruções do DNA para os ribossomos. Esta agência existe na forma de mRNA.

O mRNA carrega a mensagem (informação) do DNA sobre a sequência de aminoácidos específicos a serem unidos para formar um polipeptídeo, daí seu nome. É também chamado de RNA informativo ou RNA modelo. O mRNA forma cerca de 5% do RNA total de uma célula. Sua molécula é linear e a mais longa de todos os três tipos de RNA. Seu comprimento está relacionado ao tamanho do polipeptídeo a ser sintetizado com sua informação.

Existe um mRNA específico para cada polipeptídeo. Devido à variação de tamanho na população de mRNA em uma célula, o mRNA é frequentemente chamado de RNA nuclear heterogêneo ou RNA hn:

Em eucariotos, o mRNA carrega informações para apenas um polipeptídeo. É monocistrônico (monogênico) porque é transcrito de um único cistron (gene) e tem um único códon iniciador e um único códon terminador.

O mRNA bacteriano freqüentemente carrega informações para mais de uma cadeia polipeptídica. Tal mRNA é dito ser policistrônico (poligênico) porque é transcrito de muitos genes contíguos (adjacentes). Um mRNA policistrônico tem um códon iniciador e um códon terminador para cada polipeptídeo a ser formado por ele.

O tRNA tem muitas variedades. Cada variedade carrega um aminoácido específico do pool de aminoácidos para o mRNA nos ribossomos para formar um polipeptídeo, daí seu nome. Os tRNAs formam cerca de 15% do RNA total de uma célula. Sua molécula é o menor de todos os tipos de RNA.

Uma molécula de tRNA tem a forma de uma folha de trevo. Possui quatro regiões:

Esta é a extremidade 3 & # 8242 da molécula. Aqui, um aminoácido específico se junta a ele. Em todos os casos, tem um tripleto de base CCA com & # 8211 OH na ponta. O & # 8211 COOH do aminoácido junta-se ao & # 8211 OH.

É a extremidade oposta da molécula. Possui 3 ribonucleotídeos não pareados. As bases desses ribonucleotídeos têm bases complementares na cadeia de mRNA. Um tripleto de base na cadeia de mRNA é denominado códon, e seu tripleto de base complementar na molécula de tRNA é denominado anticódon. O anticodon lê seu códon apropriado e temporariamente se junta a ele por ligações de hidrogênio durante a síntese de proteínas.

Está em um lado da molécula. Destina-se a uma enzima de carga específica que catalisa a união de um aminoácido específico à molécula de tRNA.

Ele está do outro lado da molécula. Destina-se a fixação a um ribossomo.

A molécula de rRNA é muito enrolada. Em combinação com proteínas, forma as subunidades pequenas e grandes dos ribossomos, daí seu nome. Ele forma cerca de 80% do RNA total de uma célula. O rRNA também parece desempenhar algum papel geral na síntese de proteínas.

(IV) Ribossomos:

Os ribossomos servem como local para a síntese de proteínas. As subunidades pequenas e grandes dos ribossomos ocorrem separadamente quando não estão envolvidas na síntese de proteínas. As duas subunidades formam associação (junção) quando a síntese de proteínas começa e sofrem dissociação (separam-se) quando a síntese de proteínas é interrompida. Muitos ribossomos se alinham na cadeia de mRNA durante a síntese de proteínas. Esse grupo de ribossomos ativos é chamado de polirribossomo, ou simplesmente polissomo.

Em um polissomo, os ribossomos adjacentes estão separados por cerca de 340 Å. O número de ribossomos em um polissoma está relacionado ao comprimento da molécula de mRNA, que reflete o comprimento do polipeptídeo a ser sintetizado. Foi estabelecido que os polipeptídeos são sintetizados nos polissomos e não nos ribossomos livres individuais como realizado anteriormente. Isso é verdadeiro tanto para procariotos quanto para eucariotos, bem como para organelas celulares, como mitocôndrias e plastídios.

Um ribossomo tem dois locais de ligação para moléculas de tRNA. Um é denominado sítio A (aceptor ou aminoacil) e o outro é denominado sítio P (peptidil). Esses locais abrangem as subunidades grandes e pequenas do ribossomo (Fig. 7.13). O sítio A recebe o complexo tRNA-aminoácido. Do sítio P, o tRNA sai após deixar seu aminoácido para o polipeptídeo em formação. No entanto, o primeiro complexo tRNA-aminoácido entra diretamente no sítio P do ribossomo.

A função do ribossomo é manter em posição o mRNA, o tRNA e as enzimas associadas, controlando o processo até que uma ligação peptídica se forme entre os aminoácidos adjacentes.

Mecanismo de síntese de proteínas:

A biossíntese de proteínas envolve as seguintes etapas principais:

(i) Ativação de Aminoácidos:

O aminoácido reage com o ATP para formar o complexo aminoácido -AMP e o pirofosfato. A reação é catalisada por uma enzima ativadora de aminoácidos específica chamada aminoacil-tRNA sintetase na presença de Mg 2+. Há uma enzima de síntese separada de aminoacil & # 8211 tRNA para cada tipo de aminoácido. Grande parte da energia liberada pela separação dos grupos fosfato do ATP é aprisionada no complexo aminoácido - AMP.

O complexo permanece temporariamente associado à enzima. O complexo aminoácido-AMP-enzima é chamado de aminoácido ativado (Fig. 7.14). O pirofosfato é hidrolisado em 2Pi, levando a reação para a direita.

(ii) Carregamento de tRNA:

The amino acid-AMP- enzyme complex joins to the amino acid binding site of its specific tRNA, where its -COOH group bonds to – OH group of the terminal base triplet CCA. The reaction is catalyzed by the same aminoacyl-tRNA synthetase enzyme.

The resulting tRNA-amino acid complex is called a charged tRNA (Fig. 7.14). AMP and enzyme are freed. The freed enzyme can activate and attach another amino acid molecule to another tRNA molecule. The energy released by change of ATP to AMP is retained in the amino acid-tRNA complex. This energy is later used to drive the formation of peptide bond when amino acids link together on ribosomes.

The tRNA-amino acid complex moves to the site of protein synthesis, the ribosome.

(iii) Activation of Ribosomes:

The small and the large subunits of ribosomes must be joined together for protein synthesis. This is brought about by mRNA chain. The latter joins the small ribosomal subunit by first codon through base pairing with appropriate sequence on rRNA. The combination of the two is called initiation complex (Fig. 7.15). The large subunit later joins the small subunit, forming active ribosome. Activation of ribosome by mRNA requires proper concentration of Mg 2+ (0.001 Molar conc.)

(iv) Assembly of Amino Acids (Polypeptide Formation):

The events in protein synthesis are better known in bacteria than in eukaryotes. Although these are thought to be similar in the two groups, some differences do occur. The following description refers mainly to protein synthesis in bacteria on the 70S ribosomes. Polypeptide formation involves 3 events: initiation, elongation and termination of amino acid chain.

(a) Initiation of Polypeptide Chain:

The mRNA chain has at its 5′ end an “initiator” or “start” codon (AUG) that signals the start of polypeptide formation. This codon lies close to the P site of the ribosome. The amino acid formyl-methionine (methionine in eukaryotes) initiates the process. It is carried by tRNA having UAC anticodon which bonds to AUG initiator codon of mRNA by hydrogen bonds.

Initiation factors (IF 1, IF 2 and IF 3) and GTP promote the initiation process. The large ribosomal subunit now joins the small subunit to complete the ribosome. At this stage, GTP is hydrolyzed to GDP. The ribosome has formylmethionine-bearing tRNA (tRNA f Met ) at the P site (Fig. 7.15). Later, the formylmethionine is changed to normal methionine by the enzyme deformylase. If not required, methionine is later separated from the polypeptide chain by a proteolytic enzyme amino peptidase.

Initiation factors are used again to start new chains. As already established, translation of the codons of mRNA takes place in the 5′ – 3′ direction, thus P site and A site on the ribosomes recognize the polarity of the mRNA chain.

At this point fmet- tRNAf met molecule in the 70S initiation complex occupies the P site on the ribosome. The other site for a tRNA molecule, i.e. the A site, is empty. The fmet-tRNAf met is positioned in such a way that its anticodon pairs with the initiating AUG (or GUG) codon on mRNA. The reading frame is specified by this interaction and by pairing of the adjoining purine-rich sequence to a pyrimidine-rich sequence in 16S rRNA.

The elongation cycle in the protein synthesis begins with the insertion of an aminoacyl tRNA into the empty A site on the ribosome. The species of tRNA to be inserted depends upon the mRNA codon that is present in the A site. The complementary aminoacyl tRNA is transferred to the A site by a non-ribosomal specific cytoplasmic protein, called the elongation factor T (EF-T) that binds to the aminoacyl tRNA.

The factor EF-T contains two subunits, EF-Ts and EF-Tu. EF-Tu like IF2 contains a bound guanyl nucleotide and cycles between a GTP and a GDP. If the codon matches the anticodon, GTP is hydrolysed, positioning the aminoacyl tRNA in the A site and GDP bound with EF-Tu dissociates from the ribosome. A second elongation factor EF-Ts joins the EF-Tu complex and GDP is displaced from the complex forming a EF-Tu-Ts complex.

Finally, GTP binds to the EF-Tu- EF-Ts complex, releasing EF-Ts. EF-Tu containing bound GTP is ready to pick up another aminoacyl tRNA and deliver to the A site of the ribosome. This GTP-GDP cycle keeps repeating. It should be noted that EF-Tu does not recognise the fmet-tRNA initiator, hence the initiator tRNA is not delivered to the A site.

On the contrary before fmet-tRNAet, like all other aminoacyl tRNAs, can bind to EF-Tu. This explains why internal AUG codons are not read by initiator tRNA. It has been observed that rapid binding of EF-Tu to an activated aminoacyl-tRNA prevents hydrolysis, but after the formation of H’-Tu-GTP-tRNA complex, a time lag of several milliseconds allows the codon-anticodon mismatches to diffuse away (before OTP hydrolysis).

Peptide Bond Formation and Translocation:

Once the initiator fmet-tRNA occupies the P site and the next aminoacyl-tRNA occupies the A site, a peptide bond between the adjacent amino acids is formed by an enzyme, peptidyl transferase belonging to the 50S subunit. The active site of the peptidyl transferase is the 23 S rRNA. The uncharged tRNAf met occupies the P site and the dipeptide formed is attached to the second tRNA occupying the A site following the formation of a peptide bond. The product of the first peptide bond formation is called dipeptidyl-tRNA bound to the A site.

The next step of the elongation cycle is translocation, which requires a third elongation factor EF-G (also called translocase) causing hydrolysis of GTP.

Three important movements occur:

(1) The fmet-tRNA which is now uncharged leaves the P site,

(2) The second tRNA with bound dipeptide is moved to the P site, and

(3) mRNA moves a distance of three nucleotides.

After translocation, the A site is opened up to accept the incoming aminoacyl-tRNA to match the next codon, now positioned at the A site for the next round of elongation (Fig. 7.16). The factor EF-Tu delivers the next aminoacyl-tRNA for the empty A site.

The accuracy of protein synthesis depends on having the correct aminoacyl-tRNA in the A site when the peptide bond is formed, hence the incoming aminoacyl-tRNA is meticulously scrutinized so that its anticodon is complementary and matches the codon at the A site. A mismatch aminoacyl- tRNA may bind with two or three nucleotides of a codon only temporarily, but will leave the A site before a peptide bond is formed. It takes a few milliseconds for the ribosome to decide if the incoming aminoacyl-tRNA is the correct one or not and the time lag is determined by GTPase site of EF-Tu. A peptide bond cannot be formed until EF-Tu is released from the aminoacyl-tRNA and the process requires hydrolysis of GTP to GDP and Pi.

Two conditions are necessary for termination of protein synthesis. One is the presence of a stop codon that signals the chain elongation to terminate, and the other is the presence of release factors (RF) which recognise the chain terminating signal. There are three terminating codons, UAA, UGA and UAG for which tRNAs do not exist. Termination of polypeptide chain is signaled by one of these codons in the mRNA. Behind all this complexity is the fact that after the polypeptide chain has reached its full length, its carboxyl end is still bound to its tRNA adapter.

Termination must, therefore, involve the splitting of the terminal tRNA. Release of the peptidyl tRNA from the ribosome is promoted by three specific release factors, RF1, RF2 and RF3. RF1 recognises triplets UAA and UAG, while RF2 recognises UAA and UGA. The third factor RF3 does not possess any release activity of its own, but it binds to OTP and stimulates the binding of RF1 and RF2 with the ribosome.

In E. coli, 16S rRNA is essential in reading the stop codon. The release factors bind to stop codon to cause a shift of the polypeptidyl-tRNA from A to P site (Fig. 7.17). Whether OTP hydrolysis is required for chain termination is not yet firmly established, although the RF3, which appears to enhance RF1 and RF2 binding with ribosome, does not bind to OTP.

The ester bond between the polypeptide chain and the last tRNA is then hydrolysed. Binding of RF to the terminating codon causes water to act as the acceptor of the growing peptide and not another amino acid on a tRNA Release of the polypeptide chain is followed by dissociation of mRNA and tRNA. Subsequently dissociation of 30S and SOS ribosome subunits takes place with concomitant binding of IF3 to 30S subunit to prevent reassembly in the absence of mRNA and fmet-tRNA.

Modification of Released Polypeptide:

The just released polypeptide has primary structure, i.e., it is a straight, linear molecule. It is often called as nascent polypeptide. It may lose some amino acids from the end with the help of an exopeptidase enzyme, and then coil and fold on itself to acquire secondary and tertiary structure. It may combine with other polypeptides to have quaternary structure. The proteins synthesized on free polysomes are released into the cytoplasm and function as structural and enzymatic proteins. The proteins formed on the polysomes attached to ER pass into the ER channels and are exported as cell secretions by exocytosis after packaging in the Golgi apparatus.

Polysome Formation and Translational Amplification:

When the ribosome has moved sufficiently down the mRNA chain towards 3′ end, another ribosome takes up position at the initiator codon of mRNA, and starts synthesis of a second copy of the same polypeptide chain. At any given time, the mRNA chain will, therefore, carry many ribosomes over which are similar polypeptide chains of varying length, shortest near the initiator codon and longest near the stop codon.

A row of ribosomes joined to the mRNA molecule, is called a polyribosome, or simply a polysome. Synthesis of many molecules of the same polypeptide simultaneously from one mRNA molecule by a polysome is called translational amplification.

Inhibitors of Protein Synthesis in Prokaryotes:

Antibiotics are the bio-chemicals synthesized by bacteria and some fungi. Many antibiotics are known to block the bacterial translocation. This forms the basis of checking bacterial infection without harming the human host.


Protein synthesis begins with the formation of an initiation complex. No E. coli, this complex involves the small ribosomal subunit, the mRNA template, three initiation factors (IF-1, IF-2, and IF-3), and a special initiator tRNA, called tRNAF Met . The initiator tRNA interacts with the start codon AUG, links to a formylated methionine amino acid called fMet, and can also bind IF-2. Formylated methionine is inserted by fMet-tRNAF Met at the beginning of every polypeptide chain synthesized by E. coli, but it is usually clipped off after translation is complete. When an in-frame AUG is encountered during translation elongation, a non-formylated methionine is inserted by a regular Met-tRNA Met .

No E. coli mRNA, a sequence upstream of the first AUG codon, called the Shine-Dalgarno sequence (AGGAGG), interacts with the rRNA molecules that compose the ribosome. This interaction anchors the small ribosomal subunit at the correct location on the mRNA template. Guanosine triphosphate (GTP), which is a purine nucleotide triphosphate, acts as an energy source during translation—both at the start of elongation and during the ribosome’s translocation.

In eukaryotes, a similar initiation complex forms, comprising mRNA, the small ribosomal subunit, IFs, and nucleoside triphosphates (GTP and ATP). The charged initiator tRNA, called Met-tRNAeu, does not bind fMet in eukaryotes, but is distinct from other Met-tRNAs in that it can bind IFs. Like in E. coli, a “normal” methionine amino acid is inserted when the ribosome encounters in-frame AUG codons.

Instead of depositing at the Shine-Dalgarno sequence, the eukaryotic initiation complex recognizes the 7-methylguanosine cap at the 5′ end of the mRNA. A cap-binding protein (CBP) and several other IFs assist the movement of the ribosome to the 5′ cap. Once at the cap, the initiation complex tracks along the mRNA in the 5′ to 3′ direction, searching for the AUG start codon. Many eukaryotic mRNAs are translated from the first AUG, but this is not always the case. The sequence of bases around each AUG helps determine if that AUG will be used as the start codon.

Once the appropriate AUG is identified, the large ribosomal subunit binds to the complex of Met-tRNAeu, mRNA, and the small ribosomal subunit. This step completes the initiation of translation in eukaryotes.

Resumo: In both prokaryotes and eukaryotes, the small ribosomal subunit binds to the special initiator methionine tRNA. With the help of several other factors, this complex identifies the start codon (AUG) based on the sequence of nucleotides nearby (Figure 4, top diagram). Then, the large ribosomal subunit binds (Figure 4, middle diagram).

Figure 4 Translation begins when a tRNA anticodon recognizes a codon on the mRNA. The large ribosomal subunit joins the small subunit, and a second tRNA is recruited. As the mRNA moves relative to the ribosome, the polypeptide chain is formed. Entry of a release factor into the A site terminates translation and the components dissociate.


Conteúdo

The basic process of protein production is addition of one amino acid at a time to the end of a protein. This operation is performed by a ribosome. A ribosome is made up of two subunits, a small subunit and a large subunit. These subunits come together before translation of mRNA into a protein to provide a location for translation to be carried out and a polypeptide to be produced. [1] The choice of amino acid type to add is determined by an mRNA molecule. Each amino acid added is matched to a three nucleotide subsequence of the mRNA. For each such triplet possible, the corresponding amino acid is accepted. The successive amino acids added to the chain are matched to successive nucleotide triplets in the mRNA. In this way the sequence of nucleotides in the template mRNA chain determines the sequence of amino acids in the generated amino acid chain. [2] Addition of an amino acid occurs at the C-terminus of the peptide and thus translation is said to be amino-to-carboxyl directed. [3]

The mRNA carries genetic information encoded as a ribonucleotide sequence from the chromosomes to the ribosomes. The ribonucleotides are "read" by translational machinery in a sequence of nucleotide triplets called codons. Each of those triplets codes for a specific amino acid.

The ribosome molecules translate this code to a specific sequence of amino acids. The ribosome is a multisubunit structure containing rRNA and proteins. It is the "factory" where amino acids are assembled into proteins. tRNAs are small noncoding RNA chains (74–93 nucleotides) that transport amino acids to the ribosome. tRNAs have a site for amino acid attachment, and a site called an anticodon. The anticodon is an RNA triplet complementary to the mRNA triplet that codes for their cargo amino acid.

Aminoacyl tRNA synthetases (enzymes) catalyze the bonding between specific tRNAs and the amino acids that their anticodon sequences call for. The product of this reaction is an aminoacyl-tRNA. In bacteria, this aminoacyl-tRNA is carried to the ribosome by EF-Tu, where mRNA codons are matched through complementary base pairing to specific tRNA anticodons. Aminoacyl-tRNA synthetases that mispair tRNAs with the wrong amino acids can produce mischarged aminoacyl-tRNAs, which can result in inappropriate amino acids at the respective position in protein. This "mistranslation" [4] of the genetic code naturally occurs at low levels in most organisms, but certain cellular environments cause an increase in permissive mRNA decoding, sometimes to the benefit of the cell.

The ribosome has three sites for tRNA to bind. They are the aminoacyl site (abbreviated A), the peptidyl site (abbreviated P) and the exit site (abbreviated E). With respect to the mRNA, the three sites are oriented 5’ to 3’ E-P-A, because ribosomes move toward the 3' end of mRNA. The A-site binds the incoming tRNA with the complementary codon on the mRNA. The P-site holds the tRNA with the growing polypeptide chain. The E-site holds the tRNA without its amino acid. When an aminoacyl-tRNA initially binds to its corresponding codon on the mRNA, it is in the A site. Then, a peptide bond forms between the amino acid of the tRNA in the A site and the amino acid of the charged tRNA in the P site. The growing polypeptide chain is transferred to the tRNA in the A site. Translocation occurs, moving the tRNA in the P site, now without an amino acid, to the E site the tRNA that was in the A site, now charged with the polypeptide chain, is moved to the P site. The tRNA in the E site leaves and another aminoacyl-tRNA enters the A site to repeat the process. [5]

After the new amino acid is added to the chain, and after the mRNA is released out of the nucleus and into the ribosome's core, the energy provided by the hydrolysis of a GTP bound to the translocase EF-G (in bacteria) and a/eEF-2 (in eukaryotes and archaea) moves the ribosome down one codon towards the 3' end. The energy required for translation of proteins is significant. For a protein containing n amino acids, the number of high-energy phosphate bonds required to translate it is 4n-1 [ citação necessária ] The rate of translation varies it is significantly higher in prokaryotic cells (up to 17–21 amino acid residues per second) than in eukaryotic cells (up to 6–9 amino acid residues per second). [6]

Even though the ribosomes are usually considered accurate and processive machines, the translation process is subject to errors that can lead either to the synthesis of erroneous proteins or to the premature abandonment of translation. The rate of error in synthesizing proteins has been estimated to be between 1/10 5 and 1/10 3 misincorporated amino acids, depending on the experimental conditions. [7] The rate of premature translation abandonment, instead, has been estimated to be of the order of magnitude of 10 −4 events per translated codon. [8] The correct amino acid is covalently bonded to the correct transfer RNA (tRNA) by amino acyl transferases. The amino acid is joined by its carboxyl group to the 3' OH of the tRNA by an ester bond. When the tRNA has an amino acid linked to it, the tRNA is termed "charged". Initiation involves the small subunit of the ribosome binding to the 5' end of mRNA with the help of initiation factors (IF). In bacteria and a minority of archaea, initiation of protein synthesis involves the recognition of a purine-rich initiation sequence on the mRNA called the Shine-Delgarno sequence. The Shine-Delgarno sequence binds to a complementary pyrimidine-rich sequence on the 3' end of the 16S rRNA part of the 30S ribosomal subunit. The binding of these complementary sequences ensures that the 30S ribosomal subunit is bound to the mRNA and is aligned such that the initiation codon is placed in the 30S portion of the P-site. Once the mRNA and 30S subunit are properly bound, an initiation factor brings the initiator tRNA-amino acid complex, f-Met-tRNA, to the 30S P site. The initiation phase is completed once a 50S subunit joins the 30 subunit, forming an active 70S ribosome. [9] Termination of the polypeptide occurs when the A site of the ribosome is occupied by a stop codon (UAA, UAG, or UGA) on the mRNA. tRNA usually cannot recognize or bind to stop codons. Instead, the stop codon induces the binding of a release factor protein. [10] (RF1 & RF2) that prompts the disassembly of the entire ribosome/mRNA complex by the hydrolysis of the polypeptide chain from the peptidyl transferase center of the ribosome [11] Drugs or special sequence motifs on the mRNA can change the ribosomal structure so that near-cognate tRNAs are bound to the stop codon instead of the release factors. In such cases of 'translational readthrough', translation continues until the ribosome encounters the next stop codon. [12]

The process of translation is highly regulated in both eukaryotic and prokaryotic organisms. Regulation of translation can impact the global rate of protein synthesis which is closely coupled to the metabolic and proliferative state of a cell. In addition, recent work has revealed that genetic differences and their subsequent expression as mRNAs can also impact translation rate in an RNA-specific manner. [13]

Translational control is critical for the development and survival of cancer. Cancer cells must frequently regulate the translation phase of gene expression, though it is not fully understood why translation is targeted over steps like transcription. While cancer cells often have genetically altered translation factors, it is much more common for cancer cells to modify the levels of existing translation factors. [14] Several major oncogenic signaling pathways, including the RAS–MAPK, PI3K/AKT/mTOR, MYC, and WNT–β-catenin pathways, ultimately reprogram the genome via translation. [15] Cancer cells also control translation to adapt to cellular stress. During stress, the cell translates mRNAs that can mitigate the stress and promote survival. An example of this is the expression of AMPK in various cancers its activation triggers a cascade that can ultimately allow the cancer to escape apoptosis (programmed cell death) triggered by nutrition deprivation. Future cancer therapies may involve disrupting the translation machinery of the cell to counter the downstream effects of cancer. [14]


Translation—Protein Synthesis*# - Biology

This article has been peer reviewed. It is the authors' final version prior to publication in Journal of Molecular Biology

Volume 417, Issue 5, 13 April 2012, Pages 425-439

The published version is available at DOI: 10.1016/j.jmb.2012.02.008. Copyright © Elsevier Inc.

Resumo

During translation, ribosomes stall on mRNA when the aminoacyl-tRNA to be read is not readily available. The stalled ribosomes are deleterious to the cell and should be rescued to maintain its viability. To investigate the contribution of some of the cellular translation factors on ribosome rescuing, we provoked stalling at AGA codons in mutants that affected the factors and then analyzed the accumulation of oligopeptidyl (peptides of up to 6 amino acid residues, oligopep-)-tRNA or polypeptidyl (peptides of more than 300 amino acids in length, polypep-)-tRNA associated with ribosomes. Stalling was achieved by starvation for aminoacyl-tRNA(Arg4) upon induced expression of engineered lacZ (β-galactosidase) reporter gene harboring contiguous AGA codons close to the initiation codon or at internal codon positions together with minigene ATGAGATAA accompanied by reduced peptidyl-tRNA hydrolase (Pth). Our results showed accumulations of peptidyl-tRNA associated with ribosomes in mutants for release factors (RF1, RF2, and RF3), ribosome recycling factor (RRF), Pth, and transfer-messenger RNA (tmRNA), implying that each of these factors cooperate in rescuing stalled ribosomes. The role of these factors in ribosome releasing from the stalled complex may vary depending on the length of the peptide in the peptidyl-tRNA. RF3 and RRF rescue stalled ribosomes by "drop-off" of peptidyl-tRNA, while RF1, RF2 (in the absence of termination codon), or Pth may rescue by hydrolyzing the associated peptidyl-tRNA. This is followed by the disassembly of the ribosomal complex of tRNA and mRNA by RRF and elongation factor G.


Class 12 Biology Chapter 6 Translation

In order to create a new generation, the genetic information that is stored in the DNA must be transferred from one generation to another which is done by the replication of DNA, followed by transcription and translation.
In genetics and molecular biology, translation is the procedure wherein ribosomes in the cytoplasm or endoplasmic reticulum combine proteins after the recording of DNA to RNA in the cell&aposs core. The whole cycle is called gene expression. Or in other words, translation is the process where protein synthesis takes place in the human body or any eukaryotic or prokaryotic cells. In the rest of the articles, we will discuss the translation, protein synthesis, explanation on the translation process. 

Define Translation 

In translation, courier RNA (mRNA) is decoded in a ribosome, on the outer side of the nucleus, to deliver a particular amino corrosive chain or polypeptide. The polypeptide later bends into a functioning protein and executes its responsibility in the cell. The ribosome helps in decryption by generating the binding of correlative tRNA anticodon patterns to mRNA codons. The tRNAs help in transferring certain amino acids that are secured together into a polypeptide as the mRNA goes through and is "read" by the ribosome. There are three particular steps to translation:

Protein Synthesis- Translation

Protein synthesis is eliminated by the protein process translation. When a DNA molecule transcribes a transcription, the RNA of the messenger is translated into protein synthesis. In the translation process, the RNA messenger is active and RNA transfer (tRNA) and ribosome for the protein synthesis process. The whole process of transcribing a transcription and translation is called genetics. Protein synthesis can be defined as the process by which amino acid molecules are presently arranged as a single line into proteins including ribosomal RNA, transmit RNA, messenger RNA, and other enzymes.

Protein Synthesis Process

Translation process- Explanation

The translation of all living things begins when a small ribosomal subunit binds near the end of the 5 &aposmRNA and indicates the sequence of the original code. In the next section, initiating tRNA, the tRNA contains the initial amino acid of the polypeptide, binding to the original code. In the final initiation phase, the larger unit joins the smaller unit forming a fixed ribosome, and then the translation begins. In these phases, the protein factor that helps regulate the ribosome formation and binding of initiator tRNA, and guanosine triphosphate (GTP) provide energy. TRNAs used during translation each carry a specific amino acid and do not identify as charged tRNAs. In contrast, tRNA without amino acid is not charged. Special enzymes are discussed in the latter section they are responsible for different vision TRNAs and also charge each other with the appropriate amino acid. Getting started translating into the original (correct) codon is important for translating the Errant translation polypeptide starting at the wrong code, or an incorrect nucleotide of the original code may produce an abnormal polypeptide and result in an inactive protein. Therefore, critical questions for biologists studying the beginning of translation are: How to get a ribosome, the first true codon? And if it is more than AUG (start codon sequence) occurs late 5 &aposmRNA, how is the original true codon identified? Bacteria and eukaryotes use a variety of methods to determine authenticity starting codon.

Implementation of Coli Bacteria Interpretation, six critical cell components come together to begin the translation process: (1) mRNA, (2) a small ribosomal subunit, (3) a large ribosomal subunit, (4) an initiator tRNA, (5) three essential starter proteins, and (6) GTP. With the onset of more translation into bacteria, 30S ribosomal subunit combined with a starter element (IF) protein called IF3, which helps bind in between mRNA and 30S subunit. IF3 also blocks the 30S subunit from binding to the 50S subunit Subunit-IF3 complex binds near end 5 mRNA, and searches for AUG sequences that act as first code. Basic forms are named there. The true sequence of the first codon is identified by the base of a comparison that occurred between 16S rRNA in the 30S ribosome and a short mRNA sequence detected a few nucleotides above the first codon at 5 &aposUTR of mRNA. John Shine and Lynn Dalgarno identified the location and sequence of this region in 1974, and so on named the Shine series - Dalgarno in recognition of their work. Shine Sequence - Dalgarno is a purine-rich sequence of about six to nine nucleotides increases with the first codon. A rich component of pyrimidine that contains sequences UCC UCC is found near the end of the 3 &aposof 16S rRNA, too pairs in the order of Shine - Dalgarno to place iMRNA at a fraction below 30S. Shine– The Dalgarno sequence is another example of a consensus sequence. The position associated with the original codon, but its exact nucleotide sequence varies slightly from one mRNA to another

In the next phase of the translation process, the initial tRNA binds to the initial code where it wishes to become part of the P site after the ribosome meeting. The amino acid in the initiator tRNA is a modified methionine called N-formyl methionine (f Met) therefore, you are charged initiator tRNA achieved by shortened tRNA. And tRNA in. The corresponding 3&apos-UAC-5 &aposanticodon sequence shows the original sequence. Startup factor (IF) selected IF2 proteins and GTP molecules are bound at the P site to facilitate the binding of compounded tRNA. Initiation Item 1 (IF1) also integrates with the structure to block the attachment of the 50S subunit. This time, the start of the 30S complex, including mRNA bound to the 30S subunit tRNAfMet found at the beginning of the codon, three starters, and a GTP molecule, have been developed. In the last final phase, the 50S subunit joins the 30S subunit to form a stable ribosome. The power of a two-unit union is available from GTP hydrolysis to GDP (guanosine diphosphate). The IF1, IF2, and IF3 classifications are compatible with joining the subunits forming the 70S complex. This complex is a fully functional ribosome with P site, site A, site E, and exit channel polypeptide. The original tRNA (tRNAfMet) is already paired with mRNA on-site P, and open site A contains the second codon and awaits the next charged tRNA.

Figure: The Process of Translation

Implementation of Eukaryotic Translation Eukaryotic 40S ribosomal subunit structures with three eukaryotic initiation factor (eIF) proteins for IF1, IF1A, and eIF3 to build the original structure. Step by step, 2 the preinitiation complex joins the initiator tRNA and eIF5.

The start-up complex is built on the binding of mRNA. This starts a process called scanning, where the ribosomal subunit is small and runs at 5 &aposUTR looking for the original code. About 90% of eukaryotic mRNAs use the first AUG associated with the onset problem as the first codon, but the remaining 10% use a second or, in some cases, the third AUG as the first codon. The first building is able to accurately detect the first true codon because the codon is embedded in a consistent sequence it is readable 5&apos-ACCAUGG-3 &apos (the first codon is highlighted in bold). This is consistent.

The sequence is called the Kozak sequence behind Marilyn Kozak, who acquired it in 1978. Recovery of the first codon leads to the recovery of the 60S complex subunit, using power based on GTP hydrolysis. This is the final step in creating the 80S ribosome associated with the joining of the two subunits and the breakdown of eIF proteins. In the 80S ribosome, tRNAMet starter is available in P area

The site is empty, waiting for the arrival of the second tRNA.

Sample Questions on Translation

Ques. What is the role of messenger RNA and ribosomes for protein synthesis?

Resp. Messenger RNA is responsible for acting as a template in which ribosomes will read the codons, and then assemble the polypeptide. Codons are a group of three nucleotides, corresponding to one amino acid. This process is known as translation. Prokaryotes are able to synthesize several polypeptides from a single mRNA.

Ques. What are the steps included in translation?

Resp. In translation, courier RNA (mRNA) is decoded in a ribosome, on the outer side of the nucleus, to deliver a particular amino corrosive chain or polypeptide. The polypeptide later bends into a functioning protein and executes its responsibility in the cell. The ribosome helps in decryption by generating the binding of correlative tRNA anticodon pattern to mRNA codons. The tRNAs help in transferring certain amino acids that are secured together into a polypeptide as the mRNA goes through and is "read" by the ribosome. There are three particular steps to translation:

Ques. Describe the process through which RNA translation happens.

Resp. Genetic mutations come in many forms and can occur in a variety of ways. It could be the result of a genetic defect, a sequence of DNA damage caused by environmental factors, or an error in the translation and production of proteins. For example, proteins and RNAs that are responsible for creating proteins can incorporate the wrong amino acid, detect lies with stop codon, or ignore codon translation.

Ques. Which RNA is involved in protein synthesis, explain?


DNA Transcription & Translation: Synthesis of Proteins

DNA (deoxyribonucleic acid) is a large molecule containing the genes that code instructions for the synthesis of proteins. The code consists of a sequence of repeating subunits, or nucleotides. Each nucleotide has three parts:

  1. a phosphate group (an acid),
  2. a sugar (in the case of DNA, deoxyribose), and
  3. a ring of carbon and nitrogen atoms (the nitrogen can form a bond with hydrogen so the nucleotide is basic).

A chain of nucleotides (nucleic acids) is formed by linking the phosphate group of one nucleotide to the sugar of an adjacent nucleotide. The bases stick out from the side of the phosphate-sugar backbone. The 3rd component described above, the base consisting of a ring of carbon and nitrogen atoms, occurs in 4 forms for DNA. These bases can be divided into two classes: the purine bases (adenine and guanine), which have double rings of nitrogen and carbon atoms, and the pyrimidine bases (cytosine and thymine), which have only a single ring.

A molecule of DNA consists of two polynucleotide chains coiled around each other in the form of a double helix. The chains are held together by hydrogen bonds between purine and pyrimidine bases – specifically, adenine is paired with thymine and guanine is paired with cytosine. Thus, one chain in the double helix is complementary to the other.

From: www.thepepproject.net P = phosphate S = sugar

Síntese proteíca

DNA is “read” by using three-base sequences to form “words” that direct the production of specific amino acids. These three-base sequences, known as triplets, or codons, are arranged in a linear sequence along the DNA. A linear stretch of DNA that codes for a specific protein is called a gene. The entirety of genes in the human population is termed the human genome.

Most of the DNA is contained in the nucleus of the cell (a small amount is in the mitochondria), yet most protein synthesis occurs in the cytoplasm of the cell. Since DNA molecules are too large to pass through the nuclear membrane into the cytoplasm, a message must carry the genetic information from the nucleus into the cytoplasm. This message is carried by messenger RNA (mRNA ribonucleic acid) molecules, small single-stranded nucleic acids that contain the coding information of individual genes. The passage of information from DNA to mRNA in the nucleus is called transcription because an individual gene’s DNA sequence is actually transcribed into a corresponding RNA.

Then, the mRNA moves into the cytoplasm where it directs the assembly of a specific sequence of amino acids to form the gene’s protein – this process is called translation. Translation occurs on ribosomes either free in the cytoplasm or attached to the endoplasmic reticulum. Thus, the synthesis of a protein is governed by the information in its DNA, with the help of messengers (mRNA) and translators (tRNA).

In the nucleus, DNA is transcribed to RNA. The mRNA carries the message out of the nucleus to the ribosome in the cytoplasm where the tRNA helps translate the message to make a protein.


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Translation Related Factors Improve the Productivity of a Streptomyces-Based Cell-Free Protein Synthesis System

Cell-free protein synthesis (CFPS) systems are emerging as effective platforms for the production of recombinant proteins em vitro. To enable the expression of various proteins, different CFPS systems have been developed to better mimic the cellular environment of native hosts. In this context, a Streptomyces-based CFPS system was recently developed to express high GC-content genes. Unfortunately, protein yields from the initial system were relatively low (∼50 μg/mL). Here, we sought to address this limitation and enhance the productivity of the Streptomyces-based CFPS system. By adding protein translation related factors to CFPS reactions, we were able to achieve protein yields of approximately 400 μg/mL, which is the highest yield reported to date. We expect our enhanced Streptomyces CFPS system will set the stage for novel applications in metabolic engineering and synthetic biology such as em vitro discovery and synthesis of natural products, which are produced by Streptomyces species with high GC-content (>70%) genomes.

Palavras-chave: Streptomyces cell-free protein synthesis in vitro transcription and translation protein expression synthetic biology.


Assista o vídeo: Síntese de Proteínas - Tradução (Novembro 2021).