6. Fehérjeszintézis. Fehérjeszintézis I. PROKARIÓTÁKBAN

Átírás

1 A fehérjeszintézist 3 lépésre szthatjuk: 6. Fehérjeszintézis Fehérjeszintézis I. PROKARIÓTÁKBAN iniciáció a ribszóma kapcslódása a mrns-hez, az első trns bekötődése elngáció az aminsavak egyenkénti hzzáadása az épülő peptid lánchz (lánchsszabbítás) termináció a fehérje szintézis vége, a kész fehérje disszciációja a ribszómákról A prkariótáknál az iniciációs faktrkat IF-eknek az elngációs faktrkat EF-eknek nevezzük, míg az eukariótáknál eif és eef az elnevezésük, ahl e az eukarióta szó rövidítése. A prkarióta és az eukarióta transzláció között a legtöbb különbség az iniciációban van. Egyébként, az élővilág e két divíziójában nagyn hasnlóan megy végbe ez a flyamat. Ezért, a prkarióták mechanizmusát mutatjuk be részletesen, s az eukariótáknál főként a különbségeket tárgyaljuk. 0. A trns-ek aminsavhz kapcslódása (töltés) A transzláció ribszómán zajló flyamatát megelőzi a trns-aminsav kapcslódás. Ennek mechanizmusa a következő: 1. Az aminacil transzferáz enzim megköti a megfelelő aminsavat, s közben aktiválja azáltal, hgy elbnt egy ATP-t, s a keletkezett AMP mlekulát az aminsavhz köti (két fszfátból álló ún. pirfszfát is felszabadul). Megjegyzés: minden aminsavat különböző enzim ismer fel. 2. Az aktivált aminsavat hrdzó enzim felismeri a megfelelő trns-t, s hzzáköti az aminsavat. 3. A töltött trns a megfelelő aminsavat a ribszómáhz szállítja, ahl részt vesz a transzláció elngációs szakaszában I. Iniciáció Az iniciációs lépések célja a ribszómáknak a mrns kezdőpntjáhz való verbuválása, és a kezdő aminsavat (frmil-metinin) szállító trna bekötése. A kezdő fázis kmpnensei a követkők: a nagy (50S) és kis (30S) ribszóma alegység, a mrns, az iniciátr trns-fmet (a frmilmetinint hrdzó trns) és a 3 iniciációs faktr: IF 1, IF 2, és IF 3), valamint a GTP. Az iniciálás flyamata a következőképpen megy végbe: 1 1. Az IF 1 és IF 3 a szabad 30S ribszóma alegységhez kötődik azért, hgy mrns hiányában megakadályzza a két alegység kapcslódását. 2. Az IF 2 kapcslódik a GTP-vel, s ezt követően a 30S alegységhez kötődik. Ez a reakció a töltött iniciátr trns (frmil-metinint hrdzó trns) mrns-hez való kötődésében segít. 3. A 30S alegység az mrns ribszóma-kötőhelyéhez (Shine-Dalgarn szekvencia) helyéhez kapcslódik. 4. Az iniciátr trns CAU antikdnával kapcslódik a mrns AUG kdnáhz. Ezt követően az IF 3 kötődése a ribszómáhz megszűnik. Az így keletkezett kmplex neve 30S iniciációs kmplex. 5. Mivel az IF 3 nem akadály többé, az 50S alegység kapcslódik a 30S alegységgel, s közben az IF 1 és IF 2-GTP kis alegységhez való kötődése megszűnik, és a GTP GDP-vé alakul (ez szlgáltatja az energiát a flyamathz). Az iniciációs fázis végén képződött kmplex neve 70S inicációs kmplex. Mint a dia mutatja, a kis alegységen két mrns kötő hely van: A-hely és P-hely (A: aminsav; P: peptid). A belépő aminacil-trns-ek az A-helyhez kötődnek, míg a P-hely a növekedő plipeptid kötőhelye. Az iniciátr trns az egyetlen kivétel, mert ez a mlekula a P-helyhez kötődik. Az újabb kutatásk szerint egy 3. az ún. E-hely is található a ribszómán, ide kapcslódnak a ribszómáról leválni készülő trnsek.

2 II. Elngáció A 70S iniciációs kmplex képződésével megkezdődik az elngációs ciklus, melyet 3 lépésre lehet bntani: 1. Aminacil-tRNS szállítás Az EF-Tu GTP elngációs faktr az aminacil-trns-ek A-helyre való szállítását végzi. A trns-ekhez való kötődés energiaigényes flyamat, melyet a GTP GDP-vé való hidrlízise biztsít. A levált EF-Tu GDP kmplex regenerációját az EF-T faktrk végzik. Az EF-T faktrk eltávlítják a GDP-t, s a helyére GTP-t tesznek. Az így keletkezett EF-Tu GTP kmplex készen áll egy újabb aminacil-trns megkötésére, s ribszómára való szállítására. Az iniciátr trns-t leszámítva, minden aminacil-trns képes az EF-Tu GTP-vel kmplexet alktni. Megjegyzés: száms más mlekuláris flyamatra is jellemző, hgy a GDP egy külön reakcióban alakul vissza GTP-vé, nem pedig a GTP-vel kmplexet alktó mlekulán. 2. Peptidkötés kialakulása Az aminacil-trns A-helyhez való kötődése után, mind az A-, mind a P-helyen 1-1 aminacil-trns tartózkdik (az A-helyen az újnnan jövő trns egy aminsavval, a P-helyen a peptideket kötő trns). A két egymáshz közel került aminsav között az 50S ribszóma (RNS-ek ribzim aktivitással) kialakítja a peptidkötést, melyhez nem kell újabb energiát befektetni, mert a reakciót az előzetesen ATP-által aktivált aminsav biztsítja. A peptidek tehát átkerülnek a később jövő trns-re 3. Transzlkáció Az EF-G (transzlkáz) és a GTP által alkttt kmplex a ribszómáhz kötődik, inaktiválja a trns-t, amely így leválik a P-helyről, s helyét az A-helyen tartózkdó peptideket kötő peptidil-trns veszi át. A ribszóma mzgása következtében a peptidil-trns az A-helyről a P-helyre kerül, s így az A-helyen az mrns következő kdnja jelenik meg. Megjegyzés: a legújabb eredmények szerint, az EF-G GTPR által inaktivált trns-ek nem aznnal válnak le a ribszómáról, hanem az ún. E-helyre (E: exit) helyre kerülnek, s csak akkr válnak le a ribszómáról, amikr beköt az újabb aminacil-trns. E kétlépéses trns leválás valószínű ka az, hgy így a ribszóma egyszerre 6 bázispárral kapcslódik a mrns-hez, s ezért csökken a kereteltlódáss lelvasás esélye. III. Termináció Az elngációs ciklus egészen addig flytatódik, amíg a 3 stp kdn valamelyike meg nem jelenik az A-helyen. Nincs lyan trns, amely a stp kdnt ismerné fel. Ehelyett ún. elbcsátó (release) faktrk ismerik fel a stp kdnkat, majd végzik el a kész fehérje disszciációját. Az RF1 ismeri fel az UAA és UGA, az RF2 pedig az UAA és UAG stp kdnkat. Az RF3 segíti az RF1-t és RF2-t ebben a flyamatban. A RF-k a peptidil-transzferázra vannak hatással, melynek következtében az nem egy aminacil-trns-hez (nincs is jelen) kötik a plipeptidet, hanem a citplazmába bcsátják. A mrns és a töltetlen trns P-helyről való leválását és a ribszóma alegységek disszciációját az EF-G végzi. Ezt követően, az IF 3 a kis alegységhez kötődik, s egy új fehérje szintéziséig megakadályzza a két alegység kapcslódását. 2 A pliszóma egy mrns és az ahhz kapcslódó ribszómák összessége. A baktériumk transzlációjának jellemzője, hgy egy mrns-en párhuzamsan flyik a fehérjék szintézise. Egy prkarióta mrns rendszerint több gént tartalmaz (pern), s mindegyik gén ribszóma felismerő helyéhez (Shine-Dalgarn szekvencia) önállóan kapcslódhat a ribszóma. Másrészt, a transzláció srán egy génen belül is követik egymást a ribszómák.

3 II. 6. Fehérjeszintézis EUKARIÓTÁKBAN Az eukarióta sejtekben a fehérjeszintézis részletei több pntn is eltérnek a prkariótáknál leírtaktól (a mitkndriumban és a klrplasztiszban a fehérjeszintézis hasnló a prkariótákéhz endszimbinta elmélet). A legtöbb eltérés a transzláció iniciációs fázisnál van, amelyben a prkariótákétól nagybb számú eif (e: eukarióta) vesz részt. Az eukariótákban nincs Shine-Dalgarn szekvencia, ribszóma a mrns cap-helyéhez kapcslódik, tehát távl a transzlációt kezdő kdntól (AUG). Kzák hiptézise szerint a ribszóma egy ún. szkennelő mechanizmussal találja meg a megfelelő start szekvenciát, ami nem feltétlenül a cap után következő első AUG triplet. Az elképzelés szerint a kis ribszóma alegység (40S) már megkötve az iniciációs trna-met mlekulát a mrns 5 végétől indulva végig szkenneli az RNS mlekulát, amíg egy AUG kdnt magában fglaló knszenzus szekvenciát (5 - GCCRCCAUGG-3 ; Kzak szekvencia) nem talál. Az eukariótáknál szintén metinin a kezdő aminsav, de nincs frmilálva. Az eukarióta transzláció lépései: I. Iniciáció 4 lépést fglal magában: 1. A 43S pre-iniciációs kmplex összeállása egy multifaktriális kmplex (MFC) segítségével. 2. A 43S pre-iniciációs kmplex mrns általi verbuválása az 5 végen 3. Szkennelés az iniciációs kdn megtalálására 4. A 60S alegység verbuválása a 80S iniciációs kmplex létrehzására Legalább 12 iniciációs faktr (eif) vesz részt a transzláció első lépésének kivitelezésében, néhányuk a 3 bakteriális IF-al analóg funkciót végez. Csprtsításuk aszerint, hgy melyik lépésben vesznek részt: a 43S pre-iniciációs kmplex összeszerelésében résztvevők, eif1, eif1a, eif3, és eif5 amelyek a mrns cap régiójáhz kapcslódnak, s megszüntetik az RNS mlekula másdlags szerkezetét: eif4b és eif4f. amelyek a 60S alegység kapcslódását segítik azáltal, hgy a gátló faktrkat eltávlítják, pl. eif5b faktr, amely öt gátló faktrt távlít el. 3 (1) Első lépésben egy hárm tagból álló kmplex képződik, melynek kmpnensei az iniciátr trns, az eif2 és a GTP. Az összeállást követően, ez a hármas kmplex tvább bnylódik, s egy multifaktrs kmplex (MFC) jön létre a következő alktókból: eif1, eif2-gtp, trns, eif3 és eif5. Az MFC 40S alegységhez való kapcslódása eif1a faktr közreműködésével megy végbe. Az így keletkező kmplex neve 43S pre-iniciációs kmplex. Vegyük észre az összeszerelődés különbözőségét az eukariótákban: a ribszóma kis alegysége az iniciátr trns-hez hamarabb kapcslódik, mint a mrnshez. A nagy alegység mrns-hez való kapcslódását megelőzően, az utóbbinak kölcsönhatásba kell lépnie az eif4b és az eif4f (ez ismeri fel az 5 -cap-et az eif4e által) faktrkkal, mely ATP igényes. Az eif4a feladata az mrns másdlags szerkezeteinek az eltávlítása. (2) A másdik fő lépés akkr történik, amikr a 43S pre-iniciációs kmplex a mrns-hez kötődik az eif4g és eif3 faktrkkal való kölcsönhatás által. (3) A harmadik lépésben, az mrns szkennelése történik a megfelelő AUG kdn detektálására. (4) A negyedik lépésben a 60S alegység kötődéséhez az eif5b faktr eltávlítja az eif1, eif2, eif3, eif5 faktrkat. Az eif1a és eif5b eltávlítódik amikr a 60S alegység bekötődik, s így létrejön a 80S iniciációs kmplex. A levált eif2 GDP kmplex reciklizációját az eif2b irányítja, s a reciklizáció srsa (s így a fehérjeszintézis sebesség) az eif2 -alegységének fszfrilációjától függ. Biznys események, pl. vírusfertőzés, és az ezt követő megemelkedett interfern szint azáltal gátlja a fehérjeszintézist, hgy elősegíti az eif2 fszfrilációját. II. Elngáció Ez a fázis nagyn hasnló a baktériumk és az eukarióták esetében. Hárm faktrra van szükség a flyamat lebnylításáhz: eef1, eef1 és eef2, melyek ugyanazkat a feladatkat látják el, mint a prkarióta EF-Tu, EF-Ts és EF-G. III. Termináció Az eukariótákban egyetlen release faktr (erf) mindhárm stp kdnt felismeri, s ugyanazt a szerepet tölti be, mint a prkariótáknál az RF1, RF2 és RF3. Az erf GTP igényű, de a pnts hatásmechanizmusa még nem ismert.

4 III. A TRANSZLÁCIÓ SZABÁLYOZÁSA A transzláció leállítása hiányzó, vagy túl krai stp kdn esetén Az eukarióta sejtekben vannak ellenőrző mechanizmusk, amelyek a megállt ribszómák leválását, ill. a hibás mrns-ek degradációját idézik elő. (1) Nnstp-mediált lebntás leválasztja a megállt ribszómát, amely stp kdnt nem tartalmazó mrns-t lvastt le (mediált = közvetített). A transzlációs prduktum hibás lesz, mivel a C- terminálisán pli-lizint tartalmaz, amely a plia szekvenciák lelvasásából keletkezik (nrmálisan nem lvasódik le ez a szekvencia). Egy ski7 nevű fehérje faktr segít a ribszómák disszciációjában és az exnukleázk verbuválásában, amelyek lebntják a hibás RNS-t. (2) A nnszensz-mediált mrns lebntás Azk a mrns-ek, amelyek mutáció révén egy a kódló szakaszn belül stp kdnt tartalmaznak degradálódnak. E mechanizmus végrehajtói speciális fehérje kmplexek, amelyek az exn-exn határn dkklnak. A nrmális mrns-ekről az első ribszómák eltávlítják ezeket fehérjéket. A defektív mrns-ekben az abnrmális helyen lévő stp kdnt hamarabb eléri a ribszóma, mint ahgy az összes fehérje kmplexet elmzdítaná, s ez a cap eltávlítását eredményező flyamatt indít el; a cap nélküli mrns-t pedig az exnukleázk megemésztik. A transzláció szabályzása eukariótáknál A fehérjék mennyiségét egy sejtben az eukarióták leggyakrabban a transzkripció szabályzásával határzzák meg. A szintén sejtmagban történő RNS érési flyamatk is fnts szabályzási pntk. Néhány szabályzási mechanizmus aznban a citplazmában történik. Ezek a következők: (1) A több kópiában jelenlévő 5 -AUUU-3 szekvenciák a mrns gyrs degradációját jelzik, tehát az ilyen RNS-ek nem állnak skáig a fehérjeszintézis rendelkezésére. (2) Biznys fehérjék közvetlenül a mrns-hez kapcslódnak, megakadályzván azk lelvasását. Ezek a maszkírztt RNS-ek, melyekről a fehérjéket el kell távlítani ahhz, hgy transzláció flyhassn a sejtben. (3) Egy speciális transzlációt szabályzó mechanizmus a vasn alapul. A vas néhány fehérje működéséhez alapvetően fnts. A vas a transzferrin receptrk által jut be a sejtbe (internalizáció), ahl a ferritin nevű prteinhez kapcslódva tárlódik. A vas által szabályztt fehérjék mrns-einek nem-kódló szakaszaikban egy knszenzus szekvencia (IRE; irn respnse element; vasra-reagáló elem) található, amely egy hurkszerű másdlags szerkezetet alakít ki; s ehhez speciális fehérjék (ISP; irn sensing prteins; vas-érzékelő fehérjék) kapcslódhatnak. Aznban, az IRE helyzete és a kötődő fehérjék hatása génenként más és más. A transzferrin receptr mrns-en az IRE a 3 nem-kódló régióban (UTR) található. Az ISP kötődése az IRE elemhez stabilizáló hatást fejt ki a mrns-re, ami ezáltal több fehérje mlekula lelvasását teszi lehetővé. Az ISP vashiányban kötődik a transzferrin receptr mrns-hez, aminek a nyilvánvaló ka az, hgy a kismennyiségben jelenlévő vasat hatéknyabban fel tudja venni a sejt. Magas vas szint esetén az ISP ledisszciál az IRE szekvenciáról, amely így elvesztvén a maszkírzó fehérjét, a nukleázk célpntja lesz, s a receptr mrns-ek degradálódnak. Ezzel a mechanizmussal párhuzamsan egy másik flyamat is zajlik a sejtben. Nevezetesen, magas vas tartalm esetén, a ferritin tárló-fehérje mrns-ének mennyisége növekszik. Ennek ka az, hgy alacsny vas szint esetén az IRE (a mrns 5 UTR-ében található) megköti az ISP-t, ami gátlja a ribszómákat, s így a ferritin mrns transzlációját. A vas szint emelkedésének hatására az ISP ledisszciál az IRE szekvenciáról, ami magas szintű transzlációt eredményez, mivel a ribszómák haladása mst már nem gátlt. Ez a transzlációs szabályzási mechanizmus az intracelluláris vas szintet határzza meg (ld dia). Más, egyéb példák is vannak arra mechanizmusra, amely azn alapul, hgy fehérjék kapcslódnak a mrns-ek destabilizáló szekvenciáihz, és gátlják azk endnuklázk általi felismerését. (4) Az mirns-ek szintén a transzlációt szabályzzák a mrns gátlásán vagy degradációján keresztül. (5) Az eif4e gátló prteinek megakadályzzák a cap-függő transzláció iniciációt. (6) A tiamin (B1 vitamin) és egyéb kis mlekulák a bakteriális mrns-ek Shine-Dalgarn szekvenciáihz kapcslódnak, s így gátlják a transzlációt. 4

5 JEGYZETEIM: 5