Traducerea este un proces care implică sinteza unui lanț de aminoacizi pornind de la o schiță de ARNm. Aceste lanțuri polipeptidice se pliază în proteine funcționale. Traducerea are loc în afara nucleului după ce procesarea nucleară a ARN pre-m este completă și moleculele de ARNm au fost transportate în citoplasmă prin porii nucleari. Traducerea este facilitată în principal de ribozomii localizați pe reticulul endoplasmatic dur, pe suprafața exterioară a învelișului nuclear sau în citoplasmă.
- Inițiere
- Alungire
- Terminare
- Reciclare
O serie de componente moleculare joacă un rol în traducere, cea mai importantă fiind ribozomul. Acest complex macromolecular este alcătuit din mai multe proteine și molecule de ARNr. Toți ribozomii prezintă o subunitate mică și una mare, însă alcătuirea acestor subunități diferă substanțial de la o specie la alta. La om, de exemplu, subunitatea mică 40S este compusă din 33 de proteine și o singură moleculă de ARNr 18S, în timp ce subunitatea mare 60S este compusă din 47 de proteine și trei ARNr (5S, 5,8S și 28S) .
În ciuda identificării a 80 de proteine asociate cu ribozomul uman, doar 34 se găsesc la alte eucariote sau procariote . În timp ce au fost propuse funcții generale pentru proteinele asociate ribozomului, cum ar fi stabilizarea complexului și reglarea traducerii, unele au fost, de asemenea, atribuite modificării translaționale a proteinelor nou sintetizate (revizuit în ).
Alungirea
În contrast cu etapele de inițiere, terminare și reciclare a ribozomului din traducere, mecanismele care conduc alungirea sunt foarte conservate între eucariote și bacterii (revizuit în ).
Recunoașterea codonilor
Elongația are loc în mai multe etape bine definite, începând cu recunoașterea codonilor ARNm de către aminoacil-ARNt corespunzător. Asocierea cu ARNm are loc prin intermediul situsului A ribosomal și este influențată de diverși factori de alungire. De exemplu, GTPaza eEF1A livrează aminoacil-ARNt la situsul A după ce a fost activată de eEF1B, un factor de schimb de nucleotide de guanină (GEF) care accelerează disocierea GDP de eEF1A .
Formarea legăturii peptidice
În urma recunoașterii codonului ARNm, se creează o legătură peptidică între aminoacil-ARNt și peptidil-ARNt (care este localizat în situsul P ribozomal). Această reacție este facilitată de peptidil transferaza, care la rândul ei nu este o proteină, ci un ARN ribozomal foarte conservat . Mecanismul de formare a legăturii peptidice implică modificări de conformație la nivelul situsului activ, mai degrabă decât cataliză chimică de către grupurile ribozomale, și este determinat de modificarea entropiei favorabile .
Translocarea ARNm și a ARNt prin ribozom
După ce s-a format legătura peptidică, situsul A devine vacant atunci când ARNt peptidilat care îl ocupă se mută în situsul P al subunității ribozomale mari, înlocuind concomitent un ARNt dezacilatat existent care se mută în situsul E înainte de a ieși din ribozom . Pe măsură ce lanțul de aminoacizi crește, iar situsurile A și P sunt ocupate în mod tranzitoriu de noi ARN-t peptidil și, respectiv, aminoacil- și peptidil-ARNt, are loc o translocare a ARNm prin ribozom.
Două mecanisme, care se caracterizează prin modificări conformaționale în subunitățile ribozomale, facilitează translocarea ARNm și ARNt. Acestea sunt cunoscute sub numele de „ratcheting” și „swiveling”.
Ratchetarea este observată în toate etapele de translație și vede subunitatea ribozomală mică suferind o ușoară rotație, de aproximativ ~8° în raport cu subunitatea mare (revizuit în ). Acest lucru este diferit de pivotare, care implică o mișcare a domeniului capului (30S) al subunității mici. Este important de menționat că rotirea joacă un rol în activitatea de elicoză intrinsecă a ribozomului, care este importantă pentru derularea structurilor secundare ale ARNm.
Aceste mecanisme asigură, în cele din urmă, deplasarea ARNt într-o manieră secvențială (de la situl A la situl P la situl E) și permit formarea stărilor intermediare despre care se știe că există în timpul translocației ARNm-ARNt. Aceste stări, cunoscute și sub numele de stări hibride , pot fi descrise folosind ca exemplu modelul eucariot. Aici, capetele 3′ ale ARNt care ocupă situsurile A și P se deplasează pentru a ocupa situsurile P și E din subunitatea 60S, în timp ce capetele 5′, care sunt asociate cu ARNm, rămân ancorate la situsurile A și, respectiv, P ale subunității 40S .
Aceste stări hibride sunt stabilizate momentan prin legarea eEF2-GTP (EF-G – GTP la procariote) la situsul A ribozomal. Cu toate acestea, hidroliza GTP-ului, care este mediată prin activitatea de GTPază a EF-G sau a omologului eucariot eEF2, permite continuarea mecanismului de ratare și face ca ARNm și capetele 5′ ale ARNt să se deplaseze din situsurile A și P în situsurile P și, respectiv, E. Odată ce conformația canonică A/A, P/P, E/E (60S/40S) este restabilită, EF-G – GDP se disociază de ribozom, lăsând situsul A deschis pentru a primi o nouă moleculă de aminoacil-ARNt .
Hidroliza GTP de către EF-G / eEF2 și rotirea ulterioară a domeniului capului ajută și mai mult la translocarea ARNt prin împiedicarea oricărei mișcări spontane înapoi a ARNt .
Inițierea traducerii
Primul pas în traducere este cunoscut sub numele de inițiere. Aici, unitățile ribozomale mari (60S) și mici (40S) sunt asamblate într-un ribozom 80S complet funcțional. Acesta este poziționat la nivelul codonului de start (AUG) al șirului de ARNm care urmează să fie tradus (revizuit în ).
Inițierea este considerată a fi etapa de limitare a vitezei în procesul global și este reglată și coordonată în principal de un grup de proteine cunoscute sub numele de factori de inițiere eucarioți (eIF) . Acești factori variază ca mărime și complexitate; de la o singură subunitate eIF1 de 113 kDa până la complexul eIF3 de 700 kDa. La om, cel puțin 12 eIF funcționează în mod concertat pentru a regla inițierea, fiecare având un rol distinct, care a fost analizat pe larg în .
Inițierea începe cu formarea unui complex ternar care cuprinde eIF2, GTP și ARNt inițiator (Met-ARNt). Rolul principal al complexului ternar este de a livra inițiatorul către subunitatea 40S, care ulterior stabilește un complex 43S, numit și PIC (complex de preinițiere). Cu ajutorul lui eIF4G și eIF3, PIC se leagă la sau aproape de terminalul 5′ al ARNm. Aceasta este marcată de un capac de 7-metilguanosină (m7-G-cap). Odată legat, PIC scanează regiunea netranslatată 5′ pentru a localiza codonul de inițiere .
Secvența conducătoare a extremității 5′-terminale este menținută în stare derulată de activitatea de elicoză a mai multor eIF-uri (inclusiv eIF4F, eIF4G, eIF4A, eIF4B, eIF3). Odată ce subunitatea 40S este poziționată la nivelul codonului de inițiere, subunitatea 60S este recrutată pentru a forma un ribozom 80S competent pentru alungire. În acest moment, codonul de început al ARNm este localizat în situsul P ribozomal, iar întregul complex de inițiere este gata să intre în faza de alungire .
Este important de reținut că subunitatea 40S se poate lega de ARNm independent de capacul m7-G. Cel mai proeminent exemplu în acest sens, despre care se crede că apare la 5-10% din ARNm celulare, implică legarea subunității 40S la un situs de intrare internă a ribozomului (IRES) . Alte căi de inițiere independente de capacul m7-G includ shunting , tethering , intensificatori de traducere , un element TISU și un lider poliadenilat în extremitatea 5′ .
Reciclarea ribozomului
Etapa finală a traducerii este reciclarea ribozomului, în care ribozomul se împarte în părțile sale subunitare mai mici și se pregătește pentru o altă rundă de traducere. La eucariote, acest lucru înseamnă că ribozomul 80S se împarte în subunitățile sale 40S și 60S. Deși această etapă marchează finalizarea procesului de traducere, ea poate avea loc și din diverse alte motive, inclusiv atunci când sinteza lanțului polipeptidic eșuează, când se întâlnește ARNm deteriorat sau ca urmare a asamblării ribozomilor goi. În plus, această etapă este adesea descrisă ca fiind începutul inițierii, proteina-cheie care facilitează divizarea ribozomilor asociindu-se, de asemenea, cu mai mulți factori de inițiere (s-a demonstrat că ABCE1 se asociază cu eIF2, eIF3 și eIF5 în modelele de drojdie ).
La eucariote, reciclarea ribozomilor este facilitată în principal de ABCE1 (Rli1 în drojdie), care este un membru al superfamiliei ABC de ATPaze. Această proteină, care posedă două domenii de legare a nucleotidelor și un domeniu unic de cluster FeS1, se leagă de complexul postterminal odată ce RF3-GDP s-a disociat de ribozom. Această asociere se formează prin interacțiunea dintre clusterul FeS și eRF1. Este important faptul că ACBE1 conține, de asemenea, numeroase situsuri de legare care permit interacțiuni între subunitățile ribozomale și diverse proteine ribozomale. De exemplu, s-a demonstrat că un motiv HLH din primul domeniu de legare a nucleotidelor se leagă de ARNr 18S, precum și de rpS24-A . Deși mecanismul exact care determină scindarea ribozomală rămâne neclar, s-a propus ca la eucariote, acesta să fie rezultatul unei modificări conformaționale a ABCE1 care este indusă de hidroliza ATP.
Cum s-a menționat anterior, eliberarea peptidelor nu este o condiție prealabilă pentru disocierea subunităților ribozomale sau pentru legarea ABCE1 . Acest lucru este important atunci când reciclarea ribozomilor este indusă ca răspuns la deteriorarea ARNm sau la asamblarea ribozomilor vacanți, deoarece nu va fi detectat niciun stop-codon pentru a iniția terminarea și eliberarea peptidelor. Pentru a depăși această problemă, ABCE1 este capabil să faciliteze eliberarea peptidelor într-o manieră similară cu cea a complexului ternar eRF1-eRF3-GTP, și s-a demonstrat că acest lucru are loc independent de hidroliza ATP. Aici, hidroliza ATP induce o schimbare conformațională în eRF1 care promovează hidroliza peptidil-ARNt.
Important este faptul că eRF1 și eRF3 pot fi suficiente pentru a iniția disocierea subunității; cu toate acestea, acest lucru se va produce la o rată mai lentă .
Mecanismele de reciclare la procariote sunt distincte de cele de la eucariote, principala diferență fiind prezența factorului specializat de reciclare a ribozomului (RRF) care acționează împreună cu EF-G pentru a separa subunitățile ribozomale la bacterii .
Terminarea traducerii
Postul următor în procesul de traducere este terminarea. În această etapă, un codon de oprire a ARNm indică faptul că niciun aminoacid suplimentar nu trebuie să fie adăugat la proteina în creștere. Terminarea la eucariote este facilitată de numai doi factori (eRF1 și eRF3) și diferă semnificativ de procesul de la procariote, care implică trei factori (RF1, RF2 și RF3) . La eucariote, trebuie să aibă loc două procese distincte pentru ca alungirea peptidelor să se încheie cu succes: eliberarea peptidelor și stabilirea complexului de postterminare. În unele cazuri, atunci când traducerea trebuie să se încheie înainte de detectarea unui codon de oprire, etapa de terminare poate fi omisă, iar reciclarea ribozomilor poate fi inițiată mai devreme. În acest caz, eliberarea peptidelor va fi facilitată de ABCE1.
Terminarea este declanșată de intrarea unui codon de oprire (UAA, UGA sau UAG) în situsul A ribozomal. Acest codon este recunoscut de un factor de eliberare de clasă 1 (RF1). La eucariote, acest factor (eRF1) se leagă de ribozom ca parte a unui complex ternar preasamblat care cuprinde eRF1, eRF3 și GTP . Stop-codonul este recunoscut de un motiv conservat situat la capătul amino-terminal al proteinei, cum ar fi motivul NIKS .
eRF1 ajută, de asemenea, la hidroliza peptidil-ARNt și la eliberarea peptidei din centrul peptidil-transferazei (PTC). Acest lucru are loc ca urmare a hidrolizei GTP de către eRF3, care induce o modificare conformațională în eRF1 care permite motivului său Gly-Gly-Gln (GGQ), care este situat în domeniul „mijlociu” (M), să intre în PTC ribozomal și să faciliteze hidroliza peptidil-ARNt. Acest mecanism diferă la procariote, unde eliberarea peptidelor este necesară pentru, și astfel precede, hidroliza GTP de către RF3 .
În urma hidrolizei GTP și a eliberării peptidei, RF3-GDP se va disocia de proteină, lăsând în urmă RF1, care rămâne legat de ribozom în ceea ce se numește complexul postterminal . Acest lucru, în esență, pregătește ribozomul pentru reciclarea ribozomală.
.