Vertaling (biologie): definitie, stappen, diagram

DNA(desoxyribonucleïnezuur) is het genetische materiaal van al het bekende leven, van de eenvoudigste eencellige bacterie tot de meest magnifieke olifant van vijf ton op de Afrikaanse vlakte. "Genetisch materiaal" verwijst naar de moleculen die twee belangrijke sets instructies bevatten: een voor eiwitten maken voor de huidige behoeften van de cel, en de andere voor kopieën van zichzelf maken, of repliceren, zodat exact dezelfde genetische code kan worden gebruikt door toekomstige generaties cellen.

Om de cel lang genoeg in leven te houden om zich voort te planten zijn veel van deze eiwitproducten nodig, die het DNA via de. bestelt mRNA (boodschapper ribonucleïnezuur) creëert het als een afgezant naar de ribosomen, waar eiwitten daadwerkelijk worden gesynthetiseerd.

De codering van genetische informatie door DNA in boodschapper-RNA wordt genoemd transcriptie, terwijl het maken van eiwitten op basis van aanwijzingen van mRNA heet vertaling.

Vertaling omvat het in elkaar knutselen van eiwitten

De eiwitsynthese bij translatie omvat een gecoördineerde ontmoeting van onder andere mRNA, aminoacyl-tRNA-complexen en een paar ribosomale subeenheden.

Nucleïnezuren bestaan ​​uit herhalende subeenheden, of monomeren, genaamd nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit drie afzonderlijke componenten: a ribose (vijf-koolstof) suiker, één tot drie fosfaatgroepen en een Stikstofbasis.

Elk nucleïnezuur heeft een van vier mogelijke bases in elk nucleotide, waarvan twee purines en twee pyrimidinen. De verschillen in de basen tussen nucleotiden geven verschillende nucleotiden hun essentiële karakter.

Nucleotiden kunnen bestaan ​​buiten nucleïnezuren, en in feite staan ​​sommige van deze nucleotiden centraal in het hele metabolisme. De nucleotiden adenosinedifosfaat (ADP) en adenosinetrifosfaat (ATP) vormen de kern van de vergelijkingen waarin energie voor cellulair gebruik wordt gewonnen uit de chemische bindingen van voedingsstoffen.

De nucleotiden in nucleïnezurenhebben echter slechts één fosfaat, dat wordt gedeeld met het volgende nucleotide in de nucleïnezuurstreng.

Op moleculair niveau verschilt DNA op twee manieren van RNA. Een daarvan is dat de suiker in DNA is deoxyribose, terwijl het in RNA ribose is (vandaar hun respectievelijke namen). Deoxyribose verschilt van ribose doordat het, in plaats van een hydroxyl (-OH) groep op de nummer 2 koolstofpositie, een waterstofatoom (-H) heeft. Dus deoxyribose is één zuurstofatoom minder dan ribose, vandaar "deoxy".

Het tweede structurele verschil tussen de nucleïnezuren ligt in de samenstelling van hun stikstofbasen. DNA en RNA bevatten beide de twee purinebasen adenine (A) en guanine (G) evenals de pyrimidinebase cytosine (C). Maar terwijl de tweede pyrimidinebase in DNA thymine (T) in RNA is, is deze base uracil (U).

In nucleïnezuren bindt A namelijk aan en alleen aan T (of U, als het molecuul RNA is), en C bindt aan en alleen aan G. Deze specifieke en unieke complementaire basenparing opstelling is vereist voor de juiste overdracht van DNA-informatie naar mRNA-informatie in transcriptie en mRNA-informatie naar tRNA-informatie tijdens translatie.

Op een meer macroniveau is DNA dubbelstrengs, terwijl RNA enkelstrengs is. In het bijzonder neemt DNA de vorm aan van een dubbele helix, die lijkt op een ladder die aan beide uiteinden in verschillende richtingen is gedraaid.

De strengen zijn bij elk nucleotide gebonden door hun respectieve stikstofbasen. Dit betekent dat een "A"-dragend nucleotide alleen een "T"-dragend nucleotide op zijn "partner"-nucleotide kan hebben. Dit betekent dat in totaal de twee DNA-strengen zijn: complementair naar elkaar.

DNA-moleculen kunnen duizenden basen zijn (of beter gezegd, basenparen) lang. In feite, een mens chromosoom is niets meer dan een enkele zeer lange DNA-streng gekoppeld aan een groot deel van het eiwit. Aan de andere kant zijn RNA-moleculen van alle soorten relatief klein.

Ook wordt DNA voornamelijk gevonden in de kernen van eukaryoten, maar ook in mitochondriën en chloroplasten. Het meeste RNA wordt daarentegen gevonden in de kern en het cytoplasma. Ook, zoals je snel zult zien, komt RNA in verschillende soorten voor.

RNA komt in drie primaire typen. De eerste is mRNA, die is gemaakt van een DNA-sjabloon tijdens transcriptie in de kern. Eenmaal voltooid, baant de mRNA-streng zijn weg uit de kern via een porie in de nucleaire envelop en leidt de show naar het ribosoom, de plaats van eiwit vertaling.

Het tweede type RNA is overdracht RNA (tRNA). Dit is een kleiner nucleïnezuurmolecuul en komt in 20 subtypes, één voor elk aminozuur. Het is bedoeld om het "toegewezen" aminozuur naar de plaats van translatie op het ribosoom te pendelen, zodat het kan worden toegevoegd aan de groeiende polypeptideketen (klein eiwit, vaak in uitvoering).

Het derde type RNA is ribosomaal RNA (rRNA). Dit type RNA vormt een aanzienlijk deel van de massa van ribosomen, waarbij eiwitten die specifiek zijn voor ribosomen de rest van de massa vormen.

Het vaak geciteerde "centrale dogma" van de moleculaire biologie is: DNA naar RNA naar eiwit. Nog beknopter geformuleerd, zou het kunnen zijn transcriptie naar vertaling. Transcriptie is de eerste definitieve stap in de richting van eiwitsynthese en is een van de voortdurende behoeften van elke cel.

Dit proces begint met het afwikkelen van het DNA-molecuul in enkele strengen, zodat de enzymen en nucleotiden die deelnemen aan transcriptie ruimte hebben om naar het toneel te gaan.

Vervolgens wordt langs een van de DNA-strengen een streng mRNA geassembleerd met behulp van het enzym RNA-polymerase. Deze mRNA-streng heeft een basensequentie die complementair is aan die van de matrijsstreng, behalve dat U overal verschijnt waar T in DNA zou verschijnen.

• Als de DNA-sequentie die transcriptie ondergaat bijvoorbeeld ATTCGCGGTATGTC is, dan zou de resulterende mRNA-streng de sequentie UAAGCGCCAUACAG bevatten.

Wanneer een mRNA-streng wordt gesynthetiseerd, worden bepaalde stukken DNA, introns genaamd, uiteindelijk uit de mRNA-sequentie gesplitst omdat ze niet coderen voor eiwitproducten. Alleen de delen van de DNA-streng die daadwerkelijk ergens voor coderen, exons genaamd, dragen bij aan het uiteindelijke mRNA-molecuul.

Voor een succesvolle translatie zijn verschillende structuren nodig op de plaats van eiwitsynthese.

Het ribosoom: Elk ribosoom bestaat uit een kleine ribosomale subeenheid en een grote ribosomale subeenheid. Deze bestaan ​​alleen als een paar zodra de vertaling begint. Ze bevatten een grote hoeveelheid rRNA en eiwit. Dit zijn een van de weinige celcomponenten die voorkomen in zowel prokaryoten als eukaryoten.

mRNA: Dit molecuul draagt ​​directe instructies van het DNA van de cel om een ​​specifiek eiwit te produceren. Als DNA kan worden gezien als de blauwdruk van het hele organisme, bevat een mRNA-streng net genoeg informatie om één beslissend onderdeel van dat organisme te maken.

tRNA: Dit nucleïnezuur vormt één-op-één bindingen met aminozuren om zogenaamde aminoacyl-tRNA-complexen te vormen. Dit betekent alleen dat de taxi (het tRNA) momenteel zijn beoogde en enige soort passagier (het specifieke aminozuur) vervoert van de 20 "types" mensen in de buurt.

Aminozuren: Dit zijn kleine zuren met een amino (-NH₂) groep, een carbonzuur (-COOH) groep en een zijketen gebonden aan een centraal koolstofatoom samen met een waterstofatoom. Belangrijk is dat codes voor elk van de 20 aminozuren worden gedragen in groepen van drie mRNA-basen, genaamd triplet codons.

Vertaling is gebaseerd op een relatief eenvoudige tripletcode. Bedenk dat elke groep van drie opeenvolgende basen een van de 64 mogelijke combinaties kan bevatten (bijvoorbeeld AAG, CGU, enz.), omdat vier verheven tot de derde macht 64 is.

Dit betekent dat er meer dan genoeg combinaties zijn om 20 aminozuren te genereren. In feite zou het mogelijk zijn dat meer dan één codon voor hetzelfde aminozuur codeert.

Dit is in feite het geval. Sommige aminozuren worden gesynthetiseerd uit meer dan één codon. Leucine is bijvoorbeeld geassocieerd met zes verschillende codonsequenties. De triplet-code is deze 'gedegenereerde'.

Belangrijk is echter dat het niet overtollig. Dat is de dezelfde mRNA-codon kan niet code voor meerdere aminozuur.

De fysieke plaats van translatie in alle organismen is de ribosoom. Sommige delen van het ribosoom hebben ook enzymatische eigenschappen.

Vertaling in prokaryoten begint met initiatie via een initiatiefactorsignaal van een codon dat toepasselijk het START-codon wordt genoemd. Dit is afwezig in eukaryoten, en in plaats daarvan is het eerste geselecteerde aminozuur methionine, gecodeerd door AUG, dat functioneert als een soort START-codon.

Terwijl elke extra mRNA-strip met drie segmenten wordt blootgesteld aan het oppervlak van het ribosoom, dwaalt een tRNA met het opgeroepen aminozuur het toneel binnen en valt zijn passagier af. Deze bindingsplaats wordt de "A"-plaats van het ribosoom genoemd.

Deze interactie vindt plaats op moleculair niveau omdat deze tRNA-moleculen basensequenties hebben die complementair zijn aan het binnenkomende mRNA en daarom gemakkelijk aan het mRNA binden.

In de verlenging translatiefase beweegt het ribosoom met drie basen, een proces dat translatie wordt genoemd. Dit legt de "A"-plaats opnieuw bloot en leidt ertoe dat het polypeptide, ongeacht de lengte ervan in dit gedachte-experiment, wordt verschoven naar de "P"-plaats.

Wanneer een nieuw aminoacyl-tRNA-complex op de "A"-site arriveert, wordt de hele polypeptideketen verwijderd van de "P"-site en gehecht aan het aminozuur dat zojuist is afgezet op de "A"-site, via een peptide band. Dus wanneer de translocatie van het ribosoom langs het "spoor" van het mRNA-molecuul opnieuw plaatsvindt, zal een cyclus zijn voltooid en is de groeiende polypeptideketen nu één aminozuur langer.

In de beëindiging fase ontmoet het ribosoom een ​​van de drie terminatiecodons, of STOP-codons, die zijn opgenomen in mRNA (UAG, UGA en UAA). Dit zorgt ervoor dat niet tRNA, maar stoffen die afgiftefactoren worden genoemd, naar de plaats stromen, en dit leidt tot de afgifte van de polypeptideketen. De ribosomen scheiden zich in hun samenstellende subeenheden en de translatie is voltooid.

Het proces van translatie creëert een polypeptideketen die nog moet worden aangepast voordat het goed kan werken als een nieuw eiwit. De primaire structuur van a eiwit, zijn aminozuursequentie, vertegenwoordigt slechts een klein deel van zijn uiteindelijke functie.

Het eiwit wordt na translatie gemodificeerd door het in specifieke vormen te vouwen, een proces dat vaak voorkomt spontaan als gevolg van elektrostatische interacties tussen aminozuren op niet-naburige plekken langs de polypeptide keten.

Ribosomen zijn geweldige werkers, maar het zijn geen kwaliteitscontrole-ingenieurs. Ze kunnen alleen eiwitten maken van het mRNA-sjabloon dat ze krijgen. Ze kunnen geen fouten in die sjabloon detecteren. Daarom zouden vertaalfouten onvermijdelijk zijn, zelfs in een wereld van perfect functionerende ribosomen.

Mutaties die een enkele amino veranderen, kan de eiwitfunctie verstoren, zoals de mutatie die sikkelcelanemie veroorzaakt. Mutaties die een basenpaar toevoegen of verwijderen, kunnen de hele tripletcode weggooien, zodat de meeste of alle volgende aminozuren ook fout zijn.

Mutaties kunnen een vroeg STOP-codon creëren, wat betekent dat slechts een deel van het eiwit wordt gesynthetiseerd. Al deze aandoeningen kunnen in verschillende mate slopend zijn, en pogingen om aangeboren fouten zoals deze te overwinnen, vormen een voortdurende en complexe uitdaging voor medische onderzoekers.