Proces a struktura RNA proteinů: Krok za krokem

by

Syntéza bílkovin je komplikovaný proces začínající v jádře a končící v cytoplazmě.

Syntéza proteinů se týká procesu produkce nových peptidových molekul a jejich následného spojení za vzniku proteinů kódováním genů do mRNA a jejich následným překladem.

U prokaryot tento proces zahrnuje méně změn kvůli jednoduchosti DNA, ale pokud jde o eukaryota, proces se stává složitějším.

Krok za krokem přenos syntézy proteinů RNA Proces a struktura:

RNA  Proteosyntéza proces zahrnuje celkem 4 hlavní kroky:

Transkripce genů na mRNA nebo hnRNA:

Počáteční fází dekódování genetické informace buňky je transkripce. RNA polymerázy jsou specifické enzymy používané k produkci molekul RNA, které jsou komplementární ke každé dusíkové bázi přítomné na templátovém řetězci dvojité šroubovice DNA během přepis.

DNA obsahuje dva komplementární polynukleotidové řetězce, které jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami mezi páry bází v antiparalelní struktuře dvojité šroubovice. The helikázový enzym pak hraje svou roli tím, že rozbije vodíkové vazby a způsobí, že se specifická oblast dvojité šroubovice DNA začne odvíjet. Jak k tomu dojde, jsou dvě vlákna oddělena a dusíkové báze jsou vystaveny transkripci jako kodony.

330px Odvinutý duplex DNA
Obrázek znázorňující, jak se odvíjí dvouvláknová molekula DNA
Obrázek: Wikipedia

I když je molekula DNA dvouvláknová, pouze jedno z vláken slouží jako templát pro syntézu hnRNA, který jednoduše nazýváme šablonovým řetězcem. Kódující řetězec je druhý řetězec DNA komplementární k templátovému řetězci, protože transkriptovaná hnRNA je identická s kódujícím řetězcem, pouze nahrazuje T s U.

DNA i RNA mají vnitřní směrový smysl, který je v přírodě biologicky zasazen do toho, jak se navíjejí nebo odvíjejí, což znamená, že existují dva odlišné konce molekuly. Protože všechny nukleotidové podjednotky jsou ve skutečnosti asymetrické, kvůli umístění fosfátové skupiny na jedné straně pentózového cukru a N-bázi na druhé. Právě toto uspořádání dává vzniknout směrové vlastnosti vláken nukleové kyseliny.

rna-protein-syntheis-process
Proces transkripce RNA
Obrázek: Wikipedia

Číslování pěti uhlíků v pentózovém cukru je od 1' do 5′. Dva nukleotidy na komplementárním řetězci jsou spolu spojeny speciální chemickou vazbou nazývanou fosfodiesterové vazby. Dva řetězce ve šroubovici DNA jsou antiparalelní, tj. jeden probíhá od 3′ do 5′; zatímco druhý běží v opačném směru od 5′ do 3′.

Post-transkripční zpracování:

Jde o soubor biologických modifikací používaných k přeměně hnRNA na mRNA. Skládá se z několika kroků, včetně:

  • Zakrytí na 5' konci:

 Capping není nic jiného než připojení molekuly 7-methylguanosinu (m7G) na 5′ konec molekuly hnRNA. Při procesu uzavírání musí být terminálně umístěný fosfát na 5' konci odstraněn a to dělá enzym fosfatáza. Proces je pak katalyzován enzym guanosyltransferáza, který tvoří difosfátový 5′ konec.

Tento velmi 5′ konec pak reaguje s molekulou GTP se třemi fosfátovými skupinami. Jde a připojí se k guaninovému reziduu tím, že napadne a odstraní atom alfa fosforu molekuly GTP.

Enzym (guanin-N7-)-methyltransferáza ("cap MTase") přidává methylovou skupinu na guaninový kruh z S-adenosylmethioninu.

 Struktura cap 0 je definována jako cap s pouze (m7G) na svém místě. Ribóza následujícího nukleotidu může být podobně methylována za vzniku čepičky 1. Metylace nukleotidů po směru od molekuly RNA vede k čepičce 2, čepičce 3 a dalším strukturám. Během této doby methylové skupiny pokračují a připojují se k 2'-OH skupinám ribózových cukrů. Čepice chrání 5′ konec transkriptu mateřské RNA před ribonukleázami, které jsou specializované na 3'5′ fosfodiesterové vazby.

  • Ocas na 3' konci:

Konec hnRNA indikuje přidání téměř 250 adeninových zbytků na 3' konec hnRNA po jejím odštěpení. To vede k něčemu, co vědci označují jako poly(A) ocas. Ke štěpení a adenylaci (nebo adici více adeninových zbytků) dochází pouze tehdy, když je specifická signální sekvence nalezena na 3′ konci hnRNA. To se nazývá polyadenylační signální sekvence (5′-AAUAAA-3′) a musí být následována další sekvencí (5′-CA-3′), která označuje místo štěpení.

Teprve když je tato specifická sekvence splněna, začíná štěpení a adenylace. Pomocí ATP jako prekurzoru přidává Poly(A) polymeráza přibližně 200 jednotek adeninu na nový 3′ konec molekuly RNA. Poly(A) ocas váže četné kopie poly(A)-vazby protein jako generované. To má chránit 3'konec mRNA před bytím štěpení enzymem ribonukleázou komplexy, jako je CCR4-Not komplex.

  • Spojování:

sestřih RNA se týká odstranění intronů (sekcí RNA, které nekódují proteiny) z pre-mRNA a spojení zbývajících exonů za vzniku jediné nepřerušené molekuly. Exony jsou segmenty mRNA, které jsou „přeloženy“ nebo přeměněny na proteiny. Jsou to kódující segmenty molekuly mRNA. I když většina sestřihu RNA nastává poté, co byla pre-mRNA plně vytvořena a zakončena, transkripty s velkým počtem exonů mohou být spojeny společně.transkripčně.

 Obrovský proteinový komplex nazývaný spliceosom katalyzuje sestřihovou reakci, která se skládá z proteinů a malých molekul jaderné RNA, které rozpoznávají místa sestřihu v sekvenci hnRNA. Mnoho hn-mRNA, jako jsou ty kódující protilátky, lze všechny sestřihnout různými způsoby, aby se získaly různé zralé mRNA kódující různé proteinové sekvence. Tomu se říká alternativa sestřiha umožňuje vytvoření široké škály proteinů z malého množství DNA.

Translace mRNA na protein:

mRNA je přeměněna nebo ve vědeckém žargonu „přeložena“ na řetězec aminokyselin podle genetického kódu přítomného na kódujícím řetězci DNA. Takto se DNA sekvence vztahuje k aminokyselinové sekvenci v polypeptidovém řetězci, což je druhý primární krok v genové expresi během translace. Každý kodon v mRNA obsahuje tři dusíkaté báze a každý kodon označuje nebo kóduje konkrétní aminokyselinu nebo některé pro zahájení nebo zastavení procesu translace. Sekvence mRNA je tedy použita jako templát pro konstrukci řetězce aminokyselinového řetězce, který tvoří protein ve správném pořadí. Translace mRNA probíhá v řadě kroků, jak je podrobně uvedeno níže:

800px Syntéza bílkovin.svg
Translace RNA na protein
Obrázek: Wikipedia
  • Zahájení:

Ribozom přichází a obklopuje zájmovou mRNA, která má být přeložena, a poté přichází a připojuje se ke startovacímu kodonu. Start kodon nekóduje žádnou aminokyselinu, ale spíše působí pouze jako místo připojení ribozomů zahajujících proces translace.

  • Prodloužení:

Elongace zahrnuje konečnou tRNA rozpoznávanou menší ribozomální podjednotkou, která nese aminokyselinu a přenáší ji do větší ribozomální podjednotky. Tato větší podjednotka pak připojila tuto aminokyselinu k dříve rozpoznané a přijaté molekule tRNA. Tyto 2 současné kroky se nazývají akomodace a transpeptidace. Ribozom se poté přesune k dalšímu kodonu a pokračuje v procesu stejným způsobem, tzv translokace. Tento pokračující pohyb aminokyselin vede k vytvoření velkého polypeptidového řetězce, tvořeného aminokyselinami spojenými peptidovými vazbami.

  • Zakončení:

Když ribozom dosáhne kodonové sekvence jako UAA, UAG nebo UGA označované jako stop kodonse oddělí od mRNA a polypeptidu, který přeložil. To znamená konec procesu překladu způsobujícího ukončení.

Posttranslační modifikace přeloženého polypeptidového řetězce:

Poslední krok syntézy proteinu RNA se týká změn, které polypeptidový řetězec podstoupí před sestavením do makromolekul proteinu.

Posttranslační modifikace (PTM) podporují funkční rozmanitost proteomu kovalentním připojením funkčních skupin nebo proteinů, proteolytickým štěpením regulačních podjednotek nebo ničením celých proteinů. Tyto změny proteinových molekul zahrnují fosforylaci, glykosylaci, ubikvitinaci, nitrosylaci, methylaci, acetylaci, lipidaci a proteolýzu.

800px Cesta inzulínu.svg
Obrázek znázorňující posttranslační modifikace, kterým prošel inzulín (hormon)
Obrázek: Wikipedia

Tyto modifikace jsou důležité a hrají významnou roli nejen v normálním zdraví a funkci buněk, ale také v léčbě a prevenci nemocí. Identifikace a pochopení PTM je proto zásadní při studiu buněčné biologie, stejně jako při léčbě a prevenci onemocnění. Zde budeme diskutovat o některých z nich.

  1. Fosforylace:

Fosforylace proteinů je jedním z mála biologických reverzibilních procesů, což z ní dělá jednu z nejlepších studií biologických jevů mezi vědci. Nejčastěji se vyskytuje na aminokyselinách, jako je serin, threonin, které mají polární neutrální postranní řetězce a tyrosin, který má aromatický postranní řetězec. Fosforylace reguluje několik biologických funkcí, včetně buněčného cyklu, proliferace, smrti a signálních transdukčních drah.

  • Glykosylace:

Glykosylace proteinu je považována za základní posttranslační modifikaci, která má značný dopad na skládání proteinu, tvar, distribuci, stabilitu a aktivitu. Glykosylace se týká širokého spektra adice cukerné části k proteinům, od jednoduchých změn monosacharidů v transkripčních faktorech jádra až po extrémně komplikované změny rozvětvených polysacharidů v receptorech buněčného povrchu. Mnoho buněčných povrchů a vylučovaných bílkoviny obsahují sacharidy ve formě asparaginem vázaných (N vázaných) nebo serin/threoninem vázaných (O vázaných) oligosacharidů.

  • S-nitrosylace

S-nitrosylace je reverzibilní proces a SNO (S-nitrothioly) mají krátký poločas rozpadu v cytoplazmě v důsledku velkého množství redukcí enzymy, které denitrosylují proteinyvčetně glutathionu (GSH) a thioredoxinu. Díky své vysoké reaktivitě jsou SNO místo volného pohybu v cytoplazmě zadržovány v organelách, jako jsou membrány, vezikuly, intersticiální prostory a dokonce i v lipofilních proteinech, takže nejsou jednoduše denitrosylovány.

 Kaspázy, které zprostředkovávají apoptózu, jsou například uloženy jako SNO v mitochondriální mezimembránové mezeře.

Jakmile extracelulární nebo intracelulární signály projdou přes kaspázy, jsou uvolněny do cytoplazmy. Vzhledem k tomu, cytoplazma je svou povahou vysoce redukující proteiny se rychle denitrolyzují. Tato denitrolyzace aktivuje aktivaci kaspázy a indukuje proces apoptózy.

  • všudypřítomnost:

Ubikvitinace je připojení ubiquitinu k proteinu, 8-kDa polypeptidu tvořenému 76 aminokyselinami, které se vážou na Î-NH2 lysinu v proteinových cílech prostřednictvím ubikvitinového C-terminálního glycinu. Po první monoubikvitinační události se může vytvořit ubikvitinový polymer a polyubikvitinované proteiny jsou následně identifikovány proteazomem 26S, který katalyzuje rozklad ubikvitinu a recyklaci ubikvitinu. Následující experiment demonstruje způsob detekce ubikvitinovaných proteinů.

Také čtení: