Translacija – biosinteza proteina
Nakon prepisivanja ili transkripcije genetske informacije u jezgri, u citoplazmi stanice događa se biosinteza proteina – translacija (slika 11.5.a. i b.).
Slika 11.5.a. Translacija ili prevođenje upute sa mRNA događa se na ribosomima uz pomoć molekula tRNA (crtež Renata Horvat).
Slika 11.5.b. Translacija: inicijacija, elongacija i terminacija (crtež Renata Horvat).
Translacija se događa na ribosomima (slika 11.6.a. i b.) prema genetskoj informaciji u mRNA. U tom procesu sudjeluju transportna ili tRNA i ribosomska ili rRNA i proteini.
Slika 11.6.a. Ribosom čine mala i velika podjedinica (crtež Renata Horvat).
Transportna ili tRNA nalazi se u citoplazmi. Molekula tRNA nastaje transkripcijom gena za određenu tRNA, a nakon sinteze na nju se veže pripadajuća aminokiselina uz pomoć grupe enzima: aminoacil-tRNA-sintetaza. Svaka aminoacil-tRNA-sintetaza prepoznaje točno određenu tRNA za koju veže odgovarajuću aminokiselinu. Nakon toga tRNA prenosi aminokiselinu do ribosoma, mjesta biosinteze proteina. Postoji najmanje 20 različitih tRNA-molekula, po jedna za svaku aminokiselinu, a sve su slične u osnovnoj strukturi. Budući da genetski kod ima 61 kodon za 20 aminokiselina (slika 11.2.) moguće je da je broj različitih tRNA i do 61. Molekula tRNA je jednolančana, a sparivanjem pojedinih komplementarnih dijelova nastaju dvolančane regije pri čemu nastaje struktura slična listu djeteline (slika 11.7.).
Jedan jednolančani kraj molekule tRNA sadržava triplet nukleotida koji nazivamo antikodonom, a on je komplementaran jednom kodonu u molekuli mRNA.
Drugi jednolančani kraj molekule tRNA ima mjesto za prihvaćanje odgovarajuće aminokiseline.
Slika 11.6.b. Na ribosomu se odvija sinteza proteina na temelju upute u mRNA (slika modificirana prema radu NIGMS, NIH; https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/9-4-translation).
Slika 11.7. Tercijarna struktura tRNA: žuto je označen 3’ kraj za vezanje aminokiseline, a crnom linijom u plavom krugu (desno) je označen antikodon (vlastiti rad Yikrazuul; https://en.wikipedia.org/wiki/Transfer_RNA#/media/File:TRNA-Phe_yeast_1ehz.png).
Ribosomska ili rRNA sastavni je dio ribosoma. Ribosomi (slika 11.6.) su stanične strukture na kojima i pomoću kojih se odvija biosinteza proteina. Čine ih mala i velika podjedinica (monosom) koje su građene od proteina i molekula rRNA.
U prokariota su ribosomi 70S (S – Svedbergov koeficijent na bazi sedimentacije ovisan o gustoći, masi i obliku). Velika podjedinica prokariotskog ribosoma (50S) građena je od 23S rRNA i 5S rRNA te 31 ribosomskog proteina. Mala podjedinica (30S) građena je od 16S rRNA i 21 proteina. U genomu E. coli nalazi se 7 kopija klastera gena za 23S, 16S i 5S rRNA.
Ribosomi eukariota su 80S. Veliku podjedinicu čini 28S, 5,8S i 5S rRNA te 46 proteina. Mala podjedinica građena je od 18S rRNA i 33 proteina. Kod eukariota je veliki broj kopija skupina gena (klaster) za 28S, 18S i 5,8S. Geni za rDNA su rDNA-geni i dio su umjereno ponavljajuće sekvencije DNA koja se nalazi u klasterima na različitim mjestima u genomu (slika 11.8.). Kod ljudi klasteri gena za 28S, 18S i 5,8S rRNA nalaze se na krajevima kromosoma 13, 14, 15, 21 i 22. Klaster gena za 5S rRNA nalazi se na kromosomu 1. Svaki klaster se ponavlja određeni broj puta u genomu (ponavljanja u nizu, engl. tandem repeats). Između gena u klasteru nalazi se nekodirajuća DNA-razmaknica (engl. spacer).
Ribosom se kreće duž molekule mRNA te čita po tri slova jednog kodona i prevodi tu poruku u odgovarajuću aminokiselinu (slika 11.5.).
Svaki ribosom ima dva mjesta za vezanje odgovarajućih molekula tRNA koje se svojim antikodonom vežu za komplementaran kodon u mRNA.
Slika 11.8. Klaster ribosomskih gena eukariota (crtež: Renata Horvat).
Translaciju čine tri faze: inicijacija, elongacija i terminacija.
Inicijacija
Inicijacija je vezanje inicijacijskih faktora i 5’-kraja mRNA na malu podjedinicu ribosoma uz pomoć energije GTP-a. Start kodon AUG vezan je na P-mjesto (peptidilno mjesto) male podjedinice ribosoma te se tRNA koja nosi aminokiselinu metionin veže svojim antikodonom na taj kodon. To nazivamo inicijacijski kompleks.
U inicijacijski kompleks se na kraju veže i velika podjedinica ribosoma te time nastaje funkcionalni ribosom (slika 11.5.a.).
Elongacija
Slijedi faza elongacije (slika 11.5.b.) u kojoj se na A-mjesto (aminoacilno mjesto) veže tRNA sa novom aminokiselinom na temelju informacije kodona. Zatim se aminokiselina tRNA na P-mjestu poveže sa aminokiselinom na A-mjestu peptidnom vezom. Taj proces pomaže odvajanje aminokiseline i tRNA na P-mjestu te prebacivanje cijelog rastućeg aminokiselinskog lanca na A-mjesto. Za to je zadužen enzim peptidil-transferaza. Pomicanjem ribosoma za tri baze, tRNA sa lancem aminokiselina pomiče se na P-mjesto što oslobađa A-mjesto za vezanje nove tRNA.
Terminacija
Translacija završava terminacijom (slika 11.5.b.) kada ribosom dođe do jednog od tri moguća stop kodona u mRNA (UAA, UAG, UGA) (slika 11.2.). Stop kodon na A-mjestu signal je za završetak translacije, aktivira se oslobađajući faktor ovisan o GTP-u, a on stimulira hidrolizu polipeptida sa tRNA. Nakon toga oslobađa se tRNA od ribosoma koji disocira na podjedinice, a također se oslobađa i mRNA.
Jedna molekula mRNA kod prokariota služi za sintezu nekoliko kopija proteina jer nekoliko ribosoma u isto vrijeme „čita” i prevodi poruku. Takve su nakupine ribosoma poliribosomi ili polisomi, a mogu se vidjeti s pomoću elektronskog mikroskopa (slika 11.9.).
Slika 11.9. Poliribosomi – više ribosoma (crveno) na istoj molekuli mRNA čitaju i prevode poruku u polipeptid. Na taj način nastaje više polipeptida.
Slika 11.10. Središnja dogma molekularne biologije (crtež Renata Horvat).
Uloga RNA-molekula
Francis Crick je 1959. predložio teoriju nazvanu središnja dogma molekularne biologije (engl. Central Dogma of Molecular Biology) (slika 11.10.). Prema toj teoriji molekula RNA je kratkoživuća molekula koja prenosi informaciju zapisanu u DNA do proteina. Međutim ovaj model ne uključuje različite vrste nekodirajućih molekula RNA za koje danas znamo da imaju vrlo važne uloge u različitim genetičkim procesima. Rezultati istraživanja od 1990. do danas ukazuju na to da samo oko 1,5 % genoma čovjeka (od 3,2 milijardi pb) nosi informaciju za proteine. Više od 75 % genoma se transkribira u veliki broj raznovrsnih nekodirajućih molekula RNA. Nekodirajuće RNA imaju mnogobrojne funkcije u stanici: kataliziraju kemijske reakcije, modificiraju aktivnost proteina, reguliraju ekspresiju gena te služe kao obrana stanici od stranih nukleinskih kiselina.
Još je 1960.-tih godina prošlog stoljeća nekoliko istraživača predložilo ulogu RNA kao katalizatora budući da može stvarati kompleksne sekundarne strukture. Prvi dokazi da RNA djeluje kao katalizator su ribozimi otkriveni 1980.-tih godina. Kod nekih molekula RNA, introni se mogu izrezivati bez prisustva proteina (enzima). Takvi samoizrezujući (engl. self-splicing) introni dokazuju da se RNA može cijepati i stvarati fosfodiestersku vezu (npr. rRNA) a sama se može replicirati (retrovirusi).
Otkriće ribozima je bilo važno za hipotezu RNA-svijet po kojoj su samoreplicirajuće molekule RNA bile vjerojatno prve molekule staničnog života. No s napretkom evolucije RNA je zamjenjena puno stabilnijom molekulom DNA (nositeljica upute) i puno djelotvornijim katalizatorima enzimima.
Srodnost i raznolikost organizama vezana uz DNA i genski kod
Genski je kod jednak za sve organizme na Zemlji pa čak i viruse koji svojstva živoga pokazuju samo u stanicama koje inficiraju. To znači da, primjerice kodon UUU kodira uvijek za aminokiselinu fenilalanin kod različitih organizama (hrast, bakterija ili čovjek). No nije samo kodiranje, tj. informacija u DNA jedina činjenica koja ukazuje na zajedničko podrijetlo svih organizama. Naime osnovni procesi koje opisuje središnja dogma molekularne biologije uključuju samoreplicirajuću DNA koja nosi informaciju, te različite molekule RNA koje prenose informaciju do ribosoma na kojima se sintetizira protein građen od uvijek istog seta aminokiselina. Sve su to univerzalni procesi u živom svijetu što nam govori o srodnosti svih organizama, ali s druge strane objašnjava i raznolikost živog svijeta na Zemlji.