Biologie

E-learning jako vzdělávací nástroj školy 3. tisíciletí

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Translace

Email Tisk PDF

 

Translace navazuje v proteosyntéze na transkripci a je reakcí, která dává vznik bílkovinám. Zjednodušeně řečeno se jedná o překlad genetické informace z RNA do bílkovin. Ty pak jakožto základní stavební látky organismů uskutečňují fenotypový projev této genetické informace.

U živočichů probíhá translace ve dvou různých kompartmentech – v cytoplazmě a v mitochondriích (u rostlin pak ještě navíc v chloroplastech), a to vždy na ribozomech – na volných (v cytoplazmě) i vázaných (na drsném ER).

Ještě před samotnou translací je důležité dozvědět se něco o tom, co je to genetický kód a jak v biologickém světě funguje. Genetický kód je soubor pravidel pro převod genetické informace z mRNA do proteinů. Již v 50. letech minulého století existovala teorie o přepisu genetické informace z DNA do RNA a následně do lineární sekvence aminokyselin – proteinů. Samotný genetický kód byl však rozluštěn až v 60. letech – bylo zjištěno, že sekvence nukleotidů RNA je čtena po trojicích bází. Taková skupina tří nukleotidů pak dává dohromady tzv. kodon (triplet), který určuje příslušnou aminokyselinu. Celkem existuje 64 kombinací pro kódování 21 (20) aminokyselin – některé aminokyseliny jsou tedy kódovány více způsoby, z čehož plyne další vlastnost genetického kódu – degenerativnost. Genetický kód je degenerovaný, neboť pro 1 aminokyselinu může existovat a existuje hned několik kódujících kodonů. Naopak jeden konkrétní kodon může vždy kódovat pouze jednu aminokyselinu. Velkou výhodou genetického kódu je, že je univerzální a platí pro všechny organismy stejně – z tohoto poznatku vznikly teorie, že genetický kód musel být stvořen pravděpodobně ve stejném období jako samotný život.

geneticky_kod

Obrázek č. 1 Tabulka genetického kódu. Zdroj: KOČÁREK, Eduard. Genetika : obecná genetika a cytogenetika, molekulární biologie, biotechnologie a genomika. 2. vydání. Praha : NAKLADATELSTVÍ SCIENTIA, spol. s. r. o., 2008. "Na počátku bylo slovo" aneb kód života, s. 143. ISBN 978-80-86960-36-4.

Úkol 1: Zkuste v tabulce vyhledat možné kodony mRNA, které budou kódovat aminokyseliny prolin, glycin a cystein.

Úkol 2: Vyhledejte v tabulce, které aminokyseliny kódují následující kodony: ACA, CGG, GUG a AAA.

Translace probíhá ve třech částech – iniciaceelongaceterminace. Na translaci se kromě mRNA, která nese genetickou informaci z jádra, podílí ještě rRNA na ribozomech a tRNA, která nese stavební látky pro vznik bílkovin – volné aminokyseliny z cytoplazmy.

Při popisu průběhu translace pro nás bude důležitých několik pojmů a vědomostí z předešlého studia:

-   stavba molekuly mRNA (možno zopakovat zde);

-   stavba molekuly tRNA (možno zopakovat zde);

-   pojem ANTIKODON, což je specifický triplet na antikodonovém rameni tRNA, který se komplementárně váže k příslušnému kodonu na mRNA;    

Celá translace v eukaryotické buňce probíhá za pomoci složitých multienzymatických komplexů, které se dohromady nazývají proteosyntetický aparát. Patří sem ribozomy (tvořené rRNA a proteiny), molekuly mRNA a tRNA, volné cytoplazmatické aminokyseliny, energie z ATP (GTP) a samozřejmě skupina enzymů (např. aminoacyl-tRNA-synteáza), které celou translaci katalyzují a bez kterých by se žádná složitější biochemická reakce neobešla. Ribozomy se skládají s malé a velké podjednotky. Na malou podjednotku se váže mRNA, na velkou pak tRNA. mRNA vzniká v jádře transkripcí a posttranskripčními úpravami. tRNA je molekula schopná jednou svou částí (antikodonovým ramenem) rozpoznat kodon na mRNA, přičemž druhou částí (akceptorovým ramenem) váže příslušnou aminokyselinu. Aminokyseliny se však nemohou k jiné molekule připojit jenom tak, neboť jak AK, tak molekula tRNA jsou chemicky poměrně stabilní látky. Proto je nutné pro připojení AK k akceptorovému ramenu tRNA využít enzym – zde konkrétně výše zmíněnou aminoacyl-tRNA-synteázu. Energii pro toto připojení dodává opět ATP. Každá buňka obsahuje 20 různých aminoacyl-tRNA-synteáz. Další enzym je potřebný pro specifitu vazby mezi určitou aminokyselinou a odpovídající molekulou tRNA. Tuto zajišťuje aminoacyl-tRNA-syntetáza.

trna_struktura

Obrázek č. 2 Struktura tRNA. Žlutá barva značí akceptorové rameno, černá barva pak antikodovoné rameno.

Zdroj: http://en.wikipedia.org.


Iniciační a stop kodony 

Věnujte pozornost tabulce a konkrétně kodonům AUG, UAA, UGA a UAG. Vidíme, že jsou zvýrazněny. Jedná se totiž o kodony velmi důležité pro samotný průběh translace. Kodon AUG (kódující aminokyselinu metionin) je tzv. iniciační kodon. To znamená, že translace může na molekule mRNA probíhat pouze od místa, kde se v sekvenci nukleotidů vyskytuje triplet AUG. Zde se jako první naváže molekula tRNA mající na svém akceptorovém rameni aminokyselinu metionin, čímž započne celý proces vzniku polypeptidického řetězce. Naopak kodony UAA, UGA a UAG nekódují žádné kyseliny a jsou označeny jako stop kodony. Jakmile probíhající translace narazí v sekvenci mRNA na některý z těchto kodonů, translace je ukončena (Pozn. autora: k těmto jevům podrobněji níže v průběhu translace).

 

Průběh translace

Po proběhnutí transkripce a transportu upravené mRNA do cytoplazmy následuje její přiblížení k ribozomům. Zde započne iniciace translace. Je zaktivován celý proteosyntetický aparát, příslušný ribozom se rozpadá na velkou a malou podjednotku. Na malou ribozomální podjednotku se nejdříve vážou iniciační faktory a tRNA s navázaným metioninem a tedy s antikodonem pro mRNA kodon AUG, poté až samotná mRNA. Malá podjednotka i s tRNA zahájí posun po mRNA ve směru 5´ → 3´, dokud nenarazí na iniciační kodon AUG. Jakmile k tomu dojde, zaktivují se všechny iniciační enzymy, dojde k navázání velké ribozomální podjednotky a translace je zahájena. Podle kodonu, který v sekvenci mRNA následuje za iniciačním kodonem AUG se naváže druhá tRNA s příslušnou aminokyselinou a je zahájena elongace (prodlužování polypeptidického řetězce). Při elongaci se neustále opakují 3 kroky. Nejdříve se tRNA s příslušným antikodonem a aminokyselinou napojí na komplementární kodon mRNA. Poté vzniká peptidická vazba mezi právě navázanou a sousední aminokyselinou. Posledním krokem je posun velké ribozomální podjednotky o tři nukleotidy ve směru 3´ → 5´, čímž vznikne místo pro navázání další tRNA s další aminokyselinou. Takto elongace probíhá, dokud celý translační komplex nenarazí na jeden ze stop kodonů (UAA, UGA nebo UAG). Jakmile k tomu dojde, dochází k zastavení translace, enzymy zastavují svou funkci, rozpadá se celý proteosyntetický aparát a nový polypeptidický řetězec je uvolněn do cytoplazmy. Důležité je také zmínit, že translace takto může probíhat na mnoha úsecích mRNA najednou, aby tak byla uspokojena poptávka po proteinech.

 prubeh_translace

Obrázek č. 3 Průběh translace.

VIDEO - průběh translace: http://www.youtube.com/watch?v=WsofH466lqk;

Posttranslační úpravy

Posttranslační úpravy jsou především předmětem vysokoškolského učiva, nicméně můžeme se o nich aspoň okrajově zmínit. Stejně jako produkty transkripce i produkty translace podléhají posttranaslačním úpravám. Vzniklé proteiny nejsou totiž biologicky aktivní a musí dojít k jejich modifikaci. Zpravidla dochází k odštěpení koncového metioninu, který je navázán při iniciaci a dále může v závislosti na typu bílkoviny docházet k několika různým chemickým modifikacím. Nejčastější modifikací (asi u 80 % bílkovin) je acetylace (adice acetylové skupiny na volnou NH2 skupinu), která bílkoviny v důsledku chrání před proteolýzou (leze proteinů = rozklad bílkovin). U kolagenu například dochází k hydroxylaci (vnesení hydroxy skupiny na prolin nebo lysin). Kolagen je tvořen pouze 4 aminokyselinami – glycinem, prolinem, hydroxyprolinem a hydroxylysinem. Právě poslední dvě aminokyseliny vznikají zmíněnou posttranslační chemickou modifikací. Bez ní by kolagen nikdy nemohl plnit svou významnou funkci jako základní stavební látka pojivových tkání. Dalšími chemickými modifikacemi jsou například fosforylace, tvorba disulfidických můstků nebo připojení prostetických skupin (např. u hemoglobinu).

 


Příklady - pořadí nukleotidů v molekule DNA podle pořadí aminokyselin:
  1. Počátek většího ze dvou polypeptidických řetězců bílkoviny inzulínu (tzv. řetězec B) je tvořen těmito AK: fenylalanin-valin-asparagin-glutamová kyselina-histidin-leucin...... Napište pořadí nukleotidů v úseku molekuly DNA, odpovídající za genetickou informaci pro tvorbu této bílkoviny.
  2. Jaké je pořadí nukleotidů v molekule DNA, která kóduje část bílkovinného řetězce o složení:
    prolin-valin-arginin-prolin-leucin-valin-arginin.....

Řešený příklad - pořadí aminokyselin podle pořadí nukleotidů v molekule DNA

  1. Jaké pořadí aminokyselin je v úseku bílkovinného řetězce, který je kódován polynukleotidovým řetězcem s následujícím pořadím nukleotidů: ACGCCCATGGCCGGT ... Jak se změní složení polypeptidového řetězce, jestliže pod vlivem např. ozáření vypadne z polynukleotidového řetězce v pořadí sedmý nukleotid?
Řešení:
Vzhledem k uvedenému pořadí nukleotidů v DNA se bude tvořit mediátorová RNA o následujícím složení: UGCGGGUACCGGCCA. Podle tabulky genetického kódu takovému pořadí tripletů odpovídá pořadí aminokyselin: cystein-glycin-tyrosin-arginin-prolin...
Po vypadnutí sedmého nukleotidu se od tohoto místa změní složení tripletů a daný gen bude kódovat polypeptidický řetězec o složení: cystein-glycin-threonin-glycin.

Neřešené příklady - pořadí aminokyselin podle pořadí nukleotidů v molekule DNA

  1. Uveďte pořadí aminokyselin v úseku molekuly bílkoviny, víte-li, že je kódován následujícím pořadím nukleotidů: TGATGCGTTTATGCGC... Jak se změní složení aminokyselin, vypadnou-li z DNA např. účinkem určitého chemomutagenu v pořadí devátý a dvanáctý nukleotid?
  2. Jaké pořadí aminokyselin je kódováno tímto pořadím nukleotidů: CCTAGTGTGAACCAG... Jaký následek bude mít vmezeření nukleotidu obsahujícího thymin mezi v pořadí šestý a sedmý nukleotid?

Opakovací otázky:

  1. Odkud kam probíhá přenos genetické informace při translaci?
  2. Kde přesně probíhá translace?
  3. Vysvětli pojem proteosyntéza, proč je tento proces pro organismy tak důležitý?
  4. Vyjmenuj stop kodony a iniciační kodon translace (kteoru aminokyselinu kóduje tento iniciační kodon?).
  5. Jaká vazba vzniká mezi aminokyselinami v proteinech, Dokázal bys ji napsat?
  6. Co znamenají tyto pojmy ve spojení s genetickým kódem:
  • kodon (triplet)
  • degenerativnost
  • univerzálnost

Autor: Tomáš Durčák