Valgusüntees prokarüootides

Valgusüntees ribosoomides. Small subunit – väike alaühik; large subunit – suur alaühik; amino acids – aminohapped; P-site – P-sait; A-site – A-sait; newly born protein – sünteesitud valk.

Valgusüntees ehk translatsioon prokarüootides on protsess, mille käigus sünteesitakse eeltuumsetes organismides aminohapetest koosnevaid peptiidahelaid ehk valke. See toimub geneetilise koodi põhjal. Laiemas tähenduses võib valgusüntees hõlmata ka translatsioonile eelnevaid ja järgnevaid protsesse, nagu transkriptsiooni ja valkude translatsioonijärgset modifitseerimist. Prokarüootides toimub valgusüntees tsütoplasmas ja eukarüootide puhul toimub see endoplasmaatilises retiikulumis (ER). Eukarüootides toimuvat valgusünteesi veel uuritakse ja kõik selle detailsed mehhanismid ei ole teada, kuid prokarüootide valgusünteesi mõistetakse paremini.

Prokarüootide valgusüntees toimub ribosoomides, mis koosnevad rRNA-st ja valkudest (r-valgud). Kogu sünteesis osaleb 3 erinevat RNA-d: 1) mRNA (messenger RNA) ehk info-RNA – valkude sünteesiks vajaminevat informatsiooni kandev üksus; 2) tRNA (transfer RNA) ehk transport-RNA – molekulid, mis liigutavad aminohappeid vastavalt mRNA-s sisalduvale geneetilisele informatsioonile; 3) rRNA (ribosomal RNA) – ribosoom-RNA, mis moodustab ribosoome.

Ribosoom sünteesimas uut valku. Tumesinisena on kujutatud tRNA.

Prokarüootide valgusünteesis eristatakse kolme etappi: initsiatsioon, elongatsioon ja terminatsioon. Initsiatsiooni käigus toimub ribosoomi alaühikute seondumine, äratundmisjärjestuse leidmine mRNA-l ning esimese peptiidsideme süntees. Elongatsiooni käigus valguahel pikeneb ja terminatsiooni faasi jõuab süntees siis, kui kohtutakse stoppkoodoniga. Sünteesi lõppfaasis eralduvad sünteesitud valk, mRNA ja tRNA ning omavahel lahknevad ribosoomi alaühikud.

Veel eristatakse preribosomaalset ja ribosomaalset etappi, millest esimeses sünteesitakse väljaspool ribosoomi vastavate süntetaaside abil aminoatsüül-tRNA (aa-tRNA). Just aminoatsüül-tRNA süntetaas on ensüüm, mis identifitseerib tRNA molekuli ning sünteesib tRNA molekuli ja vastava aminohappe vahele estersideme. Valgusünteesi teises etapis, mis toimub juba ribosoomis, pannakse mRNA-s olev kolmest järjestikusest nukleotiidist koosnev koodon vastavusse tRNA-s sisalduva antikoodoniga. Ribosoom sünteesib koodoni ja antikoodoni vahele peptiidsideme.

Aminoatsüül-tRNA teke

Aminohappe liitmine tRNA molekulile toimub kahes jaos – nagu eespool kirjeldatud, on võtmeensüümiks aminoatsüül-tRNA süntetaas ja süntetaasiga seondumine toimub erinevatel hetkedel. Esimeses reaktsioonis seonduvad süntetaasiga aminohape ja ATP, mis moodustavad ensüümi pinnal aminoatsüül-adenülaadi. Selles ühendis on aminohape aktiveeritud karboksüülrühma kaudu. Teises reaktsioonis sünteesitakse aminohappe karboksüülrühma ja tRNA vahele esterside, mille tagajärjel vabaneb AMP.

1. sünt + aa + ATP ↔ sünt ATP aa ↔ sünt AMP-aa + PP
2. sünt AMP-aa + tRNA ↔ sünt AMP-aa tRNA ↔ sünt aa-tRNA + AMPLeft ↔ sünt + aa-tRNA

Legend

(sünt – aminoatsüül-tRNA süntetaas, aa – aminohape, AMP-aa – aminoatsüül-adenülaat, "-" tähistab kovalentset sidet.)

Aminoatsüül-tRNA süntees toimub erakordselt täpselt – üks viga 100 000 õigesti sünteesitud aa-tRNA kohta.

tRNA molekuli valimine

Süntetaasil on valida mitme tRNA molekuli vahel. Kineetilise korrektuuri abil tehakse kindlaks, milline molekul on õige. See toimub kahes etapis: 1) süntetaasi seondumine õigele tRNA molekulile; 2) õige tRNA aminoatsüleerimine tänu süntetaasi konformatsioonilistele muutustele. Vale molekuli seondumise korral võib tRNA küll süntetaasiga seonduda, kuid teda ei aminoatsüleerita, sest ta ei kutsu süntetaasis esile konformatsioonilist muutust. Seega ei jõua vale tRNA keemilist sidet looma hakata, enne kui ta ensüümilt eemaldub.

Initsiatsioon

Initsiatsioonis osalevad lisaks ribosoomile veel initsiaator-tRNA, GTP ja initsiatsioonifaktorid. Viimaseid on bakteritel kolm tükki, kaks neist on muutumatud (IF-2 (initsiatsioonifaktor 2) ja IF-3 on leitud kõigil bakteritel, IF-1 esineb osal neist). Kõige suurem faktor on IF-2 ja tema ülesandeks on GTP juuresolekul seonduda initsiaator-tRNAga (bakterirakus on selleks fMet-tRNA^fMet). See kompleks seondub bakteri väiksema ribosoomi 30S-ga ja moodustab stabiilse kompleksi. IF-3 ülesandeks on takistada ribosoomide alaühikute assotsieerumist – sellega tehakse võimalikuks mRNA ja IF-2 GTP fMet-tRNA^fMet kompleksi seondumine väiksele alaühikule. Initsiatsioon saab alguse initsiaatorkoodonist, milleks on tavaliselt AUG (10% juhtudest on selleks GUG). Initsiaatorkoodonile eelneb RBS ehk ribosome binding site (kutsutakse ka Shine-Dalgarno järjestuseks), mis kujutab endast 4–7-nukleotiidilist järjestust, mis on komplementaarne ribosoomi 30S alaühiku RNA otsaga. RBS asub AUG-st 5–7 nukleotiidi eespool. Translatsiooni alguseks võib lugeda järgnevat protsessi, kus mRNA 30S kompleks seondub IF-2 GTP fMet-tRNA^fMet kompleksiga, misläbi tekib esimene koodon-antikoodon paardumine. Sellega määratakse ka lugemisraami algus. Edasi seondub initsiaator-tRNA (fMet-tRNA^fMet) 30S ribosoomi P-saiti (vt alapunkti "Ribosoomides paiknevad tRNA saidid"). Järgmiseks initsiatsiooni etapiks on ribosoomi suurema alaühiku 50S kompleksile seondumine ja 70S ribosoomi teke. Sellega kaasneb IF-2-ga seotud GTP hüdrolüüs, mille käigus vabanevad IF-2, IF-3 ja GDP. Pärast esimese peptiidsideme sünteesi on valgusüntees jõudnud elongatsiooni etapini.

Ribosoomides paiknevad tRNA saidid

Ribosoomide alaühikute vahele jääv ala on piirkond, mida nimetatakse tRNA sidumiskohaks ehk aktiivtsentriks. Selliseid piirkondi on kolm: A-, P- ja E-sait.

• A-saiti seondub aminoatsüül-tRNA (samas kohas toimub ka aa-tRNAde valik mRNA koodoni alusel). aa-tRNA reageerib peptidüül-tRNAga, mille tulemusena moodustub peptiidside. Nüüd paikneb A-saidis peptidüül-tRNA.
• P-saiti seondub peptidüül-tRNA. Pärast peptiidsideme moodustumist A-saidis kantakse kasvav peptiidahel peptidüül-tRNAlt üle A-saidis asuvale aa-tRNAle ning P-saiti jääb deatsüleeritud tRNA.
• E-sait on spetsiifiline sait, millele liigub P-saidis deatsüleeritud tRNA. Koos sellega liigub nii deatsüleeritud tRNA kui ka mRNA ühe koha võrra edasi. E-saidi kaudu väljub deatsüleeritud tRNA ribosoomist ja läheb uuele ringile.

mRNA ja tRNA interaktsioonid valgusünteesil. Protein synthesis – valgusüntees; ribosome – ribosoom; growing peptide chain – kasvav peptiidahel; outgoing empty tRNA – tühi tRNA, mis lahkub ribosoomilt; Messenger RNA – mRNA ehk info-RNA.

Elongatsioon

Elongatsiooni käigus toimub ribosoomis peptiidahela pikenemine vastavalt mRNA järjestusele. Elongatsioon on tsükliline protsess – iga tsükli käigus lisatakse kasvavasse peptiidi üks aminohape. Protsessi kiiruseks on kuni 20 aminohapet sekundis. Elongatsioonil osalevad faktorid EF-Tu, EF-Ts, EF-G ja kofaktorina esinev GTP. Elongatsioonifaktorid EF-Tu ja EF-Ts moodustavad kompleksi, mida nimetatakse EF-T kompleksiks. (EF-T – T tuleneb sõnast transfer, "u" ja "s" tähistavad siinkohal termilist stabiilsust: u – unstable (ebastabiilne), s – stable (stabiilne). Seega kujutab EF-Tu endast ebastabiilset ja EF-Ts stabiilset struktuuri. Viimane faktor, milleks on EF-G, hüdrolüüsib ribosoomide juuresolekul GTP-d. EF-Tu ja EF-Ts osalevad aa-tRNA transpordil ribosoomi A-saiti. Alguses moodustab EF-Tu kompleksi aa-tRNA ja GTP-ga (nn kolmikkompleks) ja see liigub A-saiti. Seejärel kontrollitakse antikoodoni vastavust ribosoomis paikneva koodoniga. Kui aa-tRNA antikoodon on komplementaarne vastava ribosoomi koodoniga, siis toimub EF-Tu-l GTP hüdrolüüs ning EF-Tu GDP ja fosfaadijääk lahkuvad ribosoomist. Alles pärast EF-Tu GDP kompleksi lahkumist saab toimuda peptiidsideme süntees. Kui komplementaarsust pole, siis kolmikkompleks ribosoomile ei seondu. Seondumise korral katalüüsib EF-Ts EF-Tu-l nukleotiidi vahetuse (GDP→GTP) ja pärast seda tekib EF-Tu-GTP kompleks, mis on valmis siduma järgmist aa-tRNA-d (EF-Tu-GDP kompleks seda ei suuda).

Järgmiseks reaktsiooniks on peptiidsideme süntees, mida katalüüsitakse peptidüültransferaasses tsentris, mis asub ribosoomi suurel alaühikul. Sünteesi käigus kantakse peptiidjääk peptidüül-tRNAlt üle aa-tRNAle ehk aminohape, mis on tRNA 3'-otsas, reageerib aminorühma kaudu peptidüül-tRNA karboksüülrühmaga. Edasi toimub translokatsioon, mille käigus liigub mRNA kompleks (mRNA + kaks tRNAd) ühe koodoni võrra edasi. Nüüd jõuab peptidüül-tRNA P-saiti ja deatsüül-tRNA omakorda E-saiti. Seda reaktsiooni viib läbi EF-G koos GTP-ga. Pärast katalüüsi toimumist hüdrolüüsub GTP EF-G pinnal GDP-ks ning mõlemad lahkuvad ribosoomist.

Terminatsioon

Valgusüntees toimub nii kaua, kuni A-saiti jõuab üks kolmest stoppkoodonist: UUA, UAG või UGA. UAA koodon on ilmselt kõige enam esinev stoppkoodon ja ka kõige tugevam. Igale koodonile on spetsiifiline terminatsioonifaktor: RF-1 tunneb ära UUA ja UAG ning RF-2 identifitseerib koodonid UAA ja UGA. Veel on olemas RF-3, mis seondub ribosoomile siis, kui seal on juba ees RF-1 või RF-2. RF-3 ülesandeks on soodustada RF-1 ja RF-2 reaktsiooni ehk peptidüül-tRNA hüdrolüüsi, misjärel polüpeptiidahel vabaneb ribosoomist. Esineb ka neljas terminatsioonifaktor RRF(ribosome releasing factor), mis on vajalik mRNA vabanemiseks. RF-1 ja RF-2 seonduvad ribosoomi A-saiti ja interakteeruvad seal nii 30S kui ka 50S alaühikutega. Seondumisel on lisaks stoppkoodoni olemasolule oluline ka polüpeptidüül-tRNA olemasolu P-saidis. Kui ribosoomis juhtub olema lühike peptidüül-tRNA, siis ei ole terminatsioonifaktorite seondumine stabiilne ning terminatsiooni toimumine on ebatõenäoline.

Kui terminatsioon on edukas, eemalduvad faktorid, mRNA ja tRNA ribosoomist. Ribosoomide alaühikud eralduvad teineteisest, et saaks alata uue valgu süntees.

Välislingid

• Virtual Cell Animation Collection: Introducing Translation