Μετάφραση (Βιολογία): Ορισμός, Βήματα, Διάγραμμα

DNA(δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) είναι το γενετικό υλικό όλων των γνωστών ζωών, από τα απλούστερα μονοκύτταρα βακτήρια έως τον πιο υπέροχο ελέφαντα πέντε τόνων στην αφρικανική πεδιάδα. Το "γενετικό υλικό" αναφέρεται στα μόρια που περιέχουν δύο σημαντικά σύνολα οδηγιών: ένα για παραγωγή πρωτεϊνών για τις τρέχουσες ανάγκες του κελιού και το άλλο για φτιάχνουν αντίγραφα τους, ή αναπαραγωγή, έτσι ώστε ο ίδιος γενετικός κώδικας μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις μελλοντικές γενιές κυττάρων.

Η διατήρηση του κυττάρου σε αρκετή ώρα για αναπαραγωγή απαιτεί πολλά από αυτά τα προϊόντα πρωτεΐνης, τα οποία παραγγέλνει το DNA μέσω του mRNA (messenger ριβονουκλεϊκό οξύ) δημιουργεί ως απεσταλμένος στα ριβοσώματα, όπου οι πρωτεΐνες συντίθενται πραγματικά.

Καλείται η κωδικοποίηση γενετικών πληροφοριών από το DNA στο αγγελιοφόρο RNA μεταγραφή, ενώ καλείται η παραγωγή πρωτεϊνών με βάση οδηγίες από το mRNA μετάφραση.

Η μετάφραση περιλαμβάνει το λιθόστρωτο μαζί πρωτεΐνες μέσω πεπτιδικών δεσμών για να σχηματίσουν μεγάλες αλυσίδες

Η σύνθεση πρωτεϊνών στη μετάφραση περιλαμβάνει μια συντονισμένη συνάντηση συμπλοκών mRNA, αμινοακυλ-tRNA και ένα ζευγάρι ριβοσωμικών υπομονάδων, μεταξύ άλλων παικτών.

Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες υπομονάδες, ή μονομερή, που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από τρία ξεχωριστά συστατικά του: α ριβόζη (πέντε-άνθρακα) ζάχαρη, ένα έως τρία φωσφορικές ομάδες και ένα άζωτο βάση.

Κάθε νουκλεϊκό οξύ έχει ένα τέσσερις πιθανές βάσεις σε κάθε νουκλεοτίδιο, δύο εκ των οποίων είναι πουρίνες και δύο εκ των οποίων είναι πυριμιδίνες. Οι διαφορές στις βάσεις μεταξύ των νουκλεοτιδίων είναι αυτό που δίνει στα διαφορετικά νουκλεοτίδια τον ουσιαστικό τους χαρακτήρα.

Τα νουκλεοτίδια μπορούν να υπάρχουν εκτός των νουκλεϊκών οξέων, και στην πραγματικότητα, μερικά από αυτά τα νουκλεοτίδια είναι κεντρικά σε όλο το μεταβολισμό. Τα νουκλεοτίδια διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) βρίσκονται στην καρδιά των εξισώσεων στις οποίες η ενέργεια για κυτταρική χρήση εξάγεται από τους χημικούς δεσμούς των θρεπτικών ουσιών.

Τα νουκλεοτίδια στο νουκλεϊκά οξέα, ωστόσο, έχουν μόνο ένα φωσφορικό, το οποίο μοιράζεται με το επόμενο νουκλεοτίδιο στον κλώνο νουκλεϊκού οξέος.

Σε μοριακό επίπεδο, το DNA διαφέρει από το RNA με δύο τρόπους. Το ένα είναι ότι η ζάχαρη στο DNA είναι δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA είναι ριβόζη (εξ ου και τα αντίστοιχα ονόματά τους). Η δεοξυριβόζη διαφέρει από τη ριβόζη στο ότι, αντί να έχει ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ) στη θέση άνθρακα αριθμού-2, έχει άτομο υδρογόνου (-Η). Επομένως, η δεοξυριβόζη είναι ένα άτομο οξυγόνου που στερείται ριβόζης, εξ ου και «δεοξυ».

Η δεύτερη δομική διαφορά μεταξύ των νουκλεϊκών οξέων έγκειται στη σύνθεση αυτών αζωτούχες βάσεις. Το DNA και το RNA περιέχουν και τις δύο βάσεις πουρίνης αδενίνη (Α) και γουανίνη (G) καθώς και την κυτοσίνη βάσης πυριμιδίνης (C). Όμως, ενώ η δεύτερη βάση πυριμιδίνης στο DNA είναι θυμίνη (Τ) στο RNA, αυτή η βάση είναι η ουρακίλη (U).

Όπως συμβαίνει, στα νουκλεϊκά οξέα, το Α συνδέεται με και μόνο με το Τ (ή το U, εάν το μόριο είναι RNA) και το C συνδέεται με και μόνο με το G. Αυτό το συγκεκριμένο και μοναδικό συμπληρωματικός συνδυασμός βάσεων απαιτείται ρύθμιση για τη σωστή μετάδοση πληροφοριών DNA σε πληροφορίες mRNA σε μεταγραφή και πληροφορίες mRNA σε πληροφορίες tRNA κατά τη διάρκεια της μετάφρασης.

Σε πιο μακροοικονομικό επίπεδο, το DNA είναι διπλόκλωνο ενώ το RNA είναι μονόκλωνο. Συγκεκριμένα, το DNA έχει τη μορφή διπλής έλικας, που είναι σαν μια σκάλα που στρίβεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και στα δύο άκρα.

Οι κλώνοι συνδέονται σε κάθε νουκλεοτίδιο με τις αντίστοιχες αζωτούχες βάσεις τους. Αυτό σημαίνει ότι ένα νουκλεοτίδιο που φέρει "Α" μπορεί να έχει μόνο ένα νουκλεοτίδιο που φέρει "Τ" στο νουκλεοτίδιο "εταίρος" του. Αυτό σημαίνει ότι συνολικά, οι δύο κλώνοι DNA είναι συμπληρωματικός ο ένας στον άλλον.

Τα μόρια DNA μπορούν να είναι χιλιάδες βάσεις (ή πιο σωστά, ζεύγη βάσεων) μακρύς. Στην πραγματικότητα, ένας άνθρωπος χρωμόσωμα δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα πολύ μακρύ σκέλος DNA σε συνδυασμό με πολλές πρωτεΐνες. Τα μόρια RNA όλων των τύπων, από την άλλη πλευρά, τείνουν να είναι συγκριτικά μικρά.

Επίσης, το DNA βρίσκεται κυρίως στους πυρήνες των ευκαρυωτικών αλλά και στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες. Το μεγαλύτερο μέρος του RNA, από την άλλη πλευρά, βρίσκεται στον πυρήνα και το κυτταρόπλασμα. Επίσης, όπως θα δείτε σύντομα, το RNA διατίθεται σε διάφορους τύπους.

Το RNA διατίθεται σε τρεις βασικούς τύπους. Το πρώτο είναι mRNA, το οποίο κατασκευάζεται από ένα πρότυπο DNA κατά τη μεταγραφή στον πυρήνα. Μόλις ολοκληρωθεί, ο κλώνος mRNA βγαίνει από τον πυρήνα μέσω ενός πόρου στον πυρηνικό φάκελο και καταλήγει να κατευθύνει την παράσταση στο ριβόσωμα, την τοποθεσία του πρωτεϊνική μετάφραση.

Ο δεύτερος τύπος RNA είναι μεταφορά RNA (tRNA). Αυτό είναι ένα μικρότερο μόριο νουκλεϊκού οξέος και έρχεται σε 20 υποτύπους, ένας για κάθε αμινοξύ. Σκοπός του είναι να μεταφέρει το "εκχωρημένο" αμινοξύ του στη θέση μετάφρασης στο ριβόσωμα έτσι ώστε να μπορεί να προστεθεί στην αλυσίδα του αναπτυσσόμενου πολυπεπτιδίου (μικρή πρωτεΐνη, συχνά σε εξέλιξη).

Ο τρίτος τύπος RNA είναι ριβοσωμικό RNA (rRNA). Αυτός ο τύπος RNA αποτελεί ένα σημαντικό κλάσμα της μάζας των ριβοσωμάτων με πρωτεΐνες ειδικές για τα ριβοσώματα που αποτελούν το υπόλοιπο της μάζας.

Το «κεντρικό δόγμα» της μοριακής βιολογίας είναι συχνά DNA έως RNA σε πρωτεΐνη. Φράση ακόμα πιο σύντομα, μπορεί να τεθεί μεταγραφή σε μετάφραση. Μεταγραφή είναι το πρώτο οριστικό βήμα προς τη σύνθεση πρωτεϊνών και είναι μία από τις συνεχιζόμενες ανάγκες οποιουδήποτε κυττάρου.

Αυτή η διαδικασία ξεκινά με το ξετύλιγμα του μορίου DNA σε μονόκλωνα, έτσι ώστε τα ένζυμα και τα νουκλεοτίδια που συμμετέχουν στη μεταγραφή να έχουν χώρο για να μετακινηθούν στη σκηνή.

Στη συνέχεια, κατά μήκος ενός από τους κλώνους DNA, ένας κλώνος του mRNA συναρμολογείται με τη βοήθεια του ενζύμου RNA πολυμεράσης. Αυτός ο κλώνος mRNA έχει μια αλληλουχία βάσης συμπληρωματική με αυτήν του κλώνου προτύπου, εκτός από το γεγονός ότι το U εμφανίζεται όπου ο Τ θα εμφανιζόταν στο DNA.

• Για παράδειγμα, εάν η ακολουθία DNA που υποβάλλεται σε μεταγραφή είναι ATTCGCGGTATGTC, τότε το προκύπτον κλώνο του mRNA θα έχει την ακολουθία UAAGCGCCAUACAG.

Όταν συντίθεται ένας κλώνος mRNA, ορισμένα μήκη DNA, που ονομάζονται ιντρόνια, τελικά μαζεύονται έξω από την αλληλουχία mRNA επειδή δεν κωδικοποιούν προϊόντα πρωτεΐνης. Μόνο τα τμήματα του κλώνου DNA που πραγματικά κωδικοποιούν κάτι, που ονομάζεται εξόνια, συμβάλλουν στο τελικό μόριο mRNA.

Απαιτούνται διάφορες δομές στο χώρο της πρωτεϊνικής σύνθεσης για επιτυχημένη μετάφραση.

Το ριβόσωμα: Κάθε ριβοσώμα αποτελείται από μια μικρή ριβοσωμική υπομονάδα και μια μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα. Αυτά υπάρχουν μόνο ως ζεύγος μόλις αρχίσει η μετάφραση. Περιέχουν μεγάλη ποσότητα rRNA καθώς και πρωτεΐνης. Αυτά είναι ένα από τα λίγα συστατικά των κυττάρων που υπάρχουν τόσο στους προκαρυωτικούς όσο και στους ευκαρυωτικούς.

mRNA: Αυτό το μόριο μεταφέρει απευθείας οδηγίες από το DNA του κυττάρου για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Εάν το DNA μπορεί να θεωρηθεί ως το σχεδιάγραμμα ολόκληρου του οργανισμού, ένα σκέλος του mRNA περιέχει αρκετές πληροφορίες για να κάνει ένα καθοριστικό συστατικό αυτού του οργανισμού.

tRNA: Αυτό το νουκλεϊκό οξύ σχηματίζει δεσμούς με αμινοξέα σε βάση ένα προς ένα για να σχηματίσει αυτά που ονομάζονται σύμπλοκα αμινοακυλ-tRNA. Αυτό σημαίνει απλώς ότι το ταξί (το tRNA) μεταφέρει επί του παρόντος τον επιδιωκόμενο και μοναδικό τύπο επιβάτη (το συγκεκριμένο αμινοξύ) μεταξύ των 20 "τύπων" ατόμων που βρίσκονται κοντά.

Αμινοξέα: Αυτά είναι μικρά οξέα με αμινο (-NH₂) ομάδα, μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος (-COOH) και μια πλευρική αλυσίδα συνδεδεμένη με ένα κεντρικό άτομο άνθρακα μαζί με ένα άτομο υδρογόνου. Είναι σημαντικό, οι κωδικοί για καθένα από τα 20 αμινοξέα μεταφέρονται σε ομάδες τριών βάσεων mRNA που ονομάζονται τριπλή κωδικόνια.

Μετάφραση βασίζεται σε έναν σχετικά απλό τριπλό κώδικα. Σκεφτείτε ότι οποιαδήποτε ομάδα τριών διαδοχικών βάσεων μπορεί να περιλαμβάνει έναν από τους 64 πιθανούς συνδυασμούς (για παράδειγμα, AAG, CGU, κ.λπ.), επειδή τέσσερις που ανεβαίνουν στην τρίτη ισχύ είναι 64.

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν περισσότεροι από αρκετοί συνδυασμοί για τη δημιουργία 20 αμινοξέων. Στην πραγματικότητα, θα ήταν δυνατό για περισσότερα από ένα κωδικόνια να κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ.

Αυτό ισχύει στην πραγματικότητα. Ορισμένα αμινοξέα συντίθενται από περισσότερα από ένα κωδικόνια. Για παράδειγμα, η λευκίνη σχετίζεται με έξι διακριτές αλληλουχίες κωδικονίων. Ο τριπλός κώδικας είναι αυτός «εκφυλισμένος».

Ωστόσο, είναι σημαντικό ότι δεν είναι περιττός. Αυτό είναι το ίδιο κωδικόνιο mRNA δεν μπορώ κωδικός για ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΕΝΑ αμινοξέων.

Η φυσική τοποθεσία της μετάφρασης σε όλους τους οργανισμούς είναι η ριβόσωμα. Ορισμένα τμήματα του ριβοσώματος έχουν επίσης ενζυματικές ιδιότητες.

Η μετάφραση στα προκαρυωτικά αρχίζει με την έναρξη μέσω ενός σήματος παράγοντα εκκίνησης από ένα κωδικόνιο που ονομάζεται κατάλληλα το κωδικόνιο START. Αυτό απουσιάζει από τα ευκαρυωτικά, και αντ 'αυτού, το πρώτο αμινοξύ που επιλέγεται είναι η μεθειονίνη, που κωδικοποιείται από το AUG, το οποίο λειτουργεί ως είδος κωδικονίου START.

Καθώς κάθε πρόσθετη λωρίδα τριών τμημάτων του mRNA εκτίθεται στην επιφάνεια του ριβοσώματος, ένα tRNA που φέρει το απαιτούμενο αμινοξύ περιπλανιέται στη σκηνή και πέφτει από τον επιβάτη του. Αυτή η δεσμευτική τοποθεσία ονομάζεται θέση «Α» του ριβοσώματος.

Αυτή η αλληλεπίδραση συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο επειδή αυτά τα μόρια tRNA έχουν αλληλουχίες βάσης συμπληρωματικές προς το εισερχόμενο mRNA και ως εκ τούτου συνδέονται εύκολα στο mRNA.

Στο επιμήκυνση φάση της μετάφρασης, το ριβόσωμα κινείται με τρεις βάσεις, μια διαδικασία που ονομάζεται μετάφραση. Αυτό εκθέτει την τοποθεσία "Α" εκ νέου και οδηγεί στο πολυπεπτίδιο, ανεξάρτητα από το μήκος του σε αυτό το πείραμα σκέψης, να μετατοπιστεί στην τοποθεσία "Ρ".

Όταν ένα νέο σύμπλοκο αμινοακυλ-tRNA φτάνει στη θέση "Α", ολόκληρη η αλυσίδα πολυπεπτιδίου αφαιρείται από την τοποθεσία "P" και προσκολλημένη στο αμινοξύ που μόλις εναποτέθηκε στην τοποθεσία "Α", μέσω ενός πεπτιδίου δεσμός. Έτσι, όταν η μετατόπιση του ριβοσώματος κάτω από το "ίχνος" του μορίου mRNA επαναλαμβάνεται, θα έχει ολοκληρωθεί ένας κύκλος και η αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα είναι πλέον μεγαλύτερη από ένα αμινοξύ.

Στο λήξη φάση, το ριβόσωμα συναντά ένα από τα τρία κωδικόνια τερματισμού ή κωδικόνια STOP, τα οποία ενσωματώνονται στο mRNA (UAG, UGA και UAA). Αυτό προκαλεί όχι το tRNA αλλά ουσίες που ονομάζονται παράγοντες απελευθέρωσης να συρρέουν στην περιοχή, και αυτό οδηγεί στην απελευθέρωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Τα ριβοσώματα χωρίζονται στις συστατικές τους υπομονάδες και η μετάφραση είναι πλήρης.

Η διαδικασία της μετάφρασης δημιουργεί μια πολυπεπτιδική αλυσίδα που πρέπει ακόμη να τροποποιηθεί πριν μπορέσει να λειτουργήσει σωστά ως νέα πρωτεΐνη. Η κύρια δομή του a πρωτεΐνη, η αλληλουχία αμινοξέων του, αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικρό μέρος της τελικής λειτουργίας του.

Η πρωτεΐνη τροποποιείται μετά τη μετάφραση αναδιπλούμενη σε συγκεκριμένα σχήματα, μια διαδικασία που συμβαίνει συχνά αυθόρμητα λόγω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ αμινοξέων σε μη γειτονικά σημεία κατά μήκος της πολυπεπτιδική αλυσίδα.

Τα ριβοσώματα είναι εξαιρετικοί εργαζόμενοι, αλλά δεν είναι μηχανικοί ελέγχου ποιότητας. Μπορούν να δημιουργήσουν πρωτεΐνες μόνο από το πρότυπο mRNA που τους έχουν δοθεί. Δεν μπορούν να εντοπίσουν σφάλματα σε αυτό το πρότυπο. Επομένως, τα λάθη στη μετάφραση θα ήταν αναπόφευκτα ακόμη και σε έναν κόσμο τέλεια λειτουργούντων ριβοσωμάτων.

Μεταλλάξεις που αλλάζουν ένα μόνο αμινο μπορεί να διαταράξει τη λειτουργία των πρωτεϊνών, όπως η μετάλλαξη που προκαλεί δρεπανοκυτταρική αναιμία. Οι μεταλλάξεις που προσθέτουν ή διαγράφουν ένα ζεύγος βάσεων μπορούν να πετάξουν ολόκληρο τον κωδικό τριάδας έτσι ώστε τα περισσότερα ή όλα τα επόμενα αμινοξέα να είναι επίσης λάθος.

Οι μεταλλάξεις θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα πρώιμο κωδικόνιο STOP, που σημαίνει ότι μόνο μέρος της πρωτεΐνης συντίθεται. Όλες αυτές οι καταστάσεις μπορεί να είναι εξουθενωτικές σε διάφορους βαθμούς και η απόπειρα να κατακτήσει τα εγγενή λάθη όπως αυτά αντιπροσωπεύουν μια συνεχή και περίπλοκη πρόκληση για τους ιατρικούς ερευνητές.