Olbaltumvielu translācija: kā ribosoma lasa mRNS

Translācijai vajadzīgi vairāki savstarpēji saskaņoti dalībnieki. Katram no tiem ir precīzi noteikta funkcija, un jebkura no tiem trūkums apstādina visu procesu.

Šo dalībnieku saskaņotība ir tikpat svarīga kā katra atsevišķā daļa. Ja šūnā trūkst kādas aminoskābes, attiecīgās tRNS paliek tukšas, ribosomas apstājas pie pirmā kodona, kas šo aminoskābi pieprasa, un iedarbojas atsevišķa signālsistēma, kas nomāc olbaltumvielu sintēzi visā šūnā. Tieši tāpēc ilgstošs olbaltumvielu trūkums uzturā ietekmē ne tikai muskuļus, bet arī imūnsistēmu un brūču dzīšanu.

• Informācijas RNS jeb mRNS: nes kodonu secību, tātad instrukciju.
• Transporta RNS jeb tRNS: vienā galā antikodons, otrā piesaistīta aminoskābe.
• Ribosoma: satur mRNS un tRNS pareizā stāvoklī un veido peptīdsaiti.
• Aminoacil tRNS sintetāzes: piesaista katrai tRNS tieši to aminoskābi, kas tai pienākas.
• Iniciācijas, elongācijas un terminācijas faktori: vada procesa sākumu, gaitu un beigas.
• Guanozīna trifosfāts: enerģijas avots soļu pareizības pārbaudei un ribosomas virzībai.

Neatkarīgi no tā, kura olbaltumviela tiek būvēta, gaita ir viena un tā pati.

Viss cikls atkārtojas ļoti ātri: viena aminoskābe tiek pievienota tikai nelielas sekundes daļas laikā, tāpēc vidēja izmēra olbaltumviela tiek uzbūvēta ātrāk, nekā šūna paspēj izdalīt vienu jaunu mRNS molekulu. Ātrums ir arī iemesls, kāpēc precizitātes pārbaudei jābūt iebūvētai pašā procesā, nevis veiktai pēc tam.

1. Mazā ribosomas apakšvienība kopā ar iniciācijas faktoriem piesaistās mRNS un atrod sākuma kodonu, kas parasti ir AUG.
2. Sākuma kodonam pretī nostājas tRNS, kas nes metionīnu, un pievienojas lielā apakšvienība, tā izveidojot darbspējīgu ribosomu.
3. Nākamā tRNS ar atbilstošu antikodonu ienāk ribosomas A vietā, un, ja sakritība ir pareiza, izveidojas peptīdsaite starp jauno aminoskābi un augošo ķēdi.
4. Ribosoma pārvietojas par vienu kodonu uz priekšu, atbrīvotā tRNS iziet, un cikls atkārtojas.
5. Sasniedzot stopkodonu, ienāk atbrīvošanas faktors, gatavā ķēde atdalās, un ribosoma sadalās apakšvienībās, lai sāktu no jauna.

Kļūda translācijā nozīmē nepareizu aminoskābi olbaltumvielā, kas var padarīt to nefunkcionālu vai pat kaitīgu. Precizitāti nodrošina divi neatkarīgi pārbaudes punkti.

Pirmais ir aminoacil tRNS sintetāze, kurai jāatšķir savstarpēji ļoti līdzīgas aminoskābes. Daļai šo fermentu ir atsevišķa labošanas kabata, kurā nepareizi piesaistīta aminoskābe tiek nogriezta, pirms tRNS tiek atbrīvota. Otrais ir pati ribosoma, kas pārbauda, vai antikodons patiešām sader ar kodonu visās trijās pozīcijās, un tikai tad ļauj veidot saiti.

Šo divpakāpju pārbaudi papildina kontrole pēc procesa. Nepareizi salocījušās olbaltumvielas atpazīst šaperoni, kas mēģina tās salocīt no jauna, un, ja tas neizdodas, tās tiek iezīmētas un sadalītas. Tāpēc kļūdaina olbaltumviela reti nonāk līdz darbam.

Daļa ribosomu brīvi peld citoplazmā, un tās ražo olbaltumvielas, kas paliks pašā citoplazmā, kodolā vai mitohondrijos. Citas ribosomas ir piestiprinātas granulārajam endoplazmatiskajam tīklam, un tur tiek ražotas olbaltumvielas, kas nonāks šūnas membrānā, lizosomās vai tiks izvadītas ārā.

Izvēli nosaka pati topošā olbaltumviela. Ja tās sākumā ir īpaša aminoskābju virkne, ko sauc par signālpeptīdu, to atpazīst signālu atpazīšanas daļiņa un nogādā visu ribosomu pie endoplazmatiskā tīkla, kur olbaltumviela tiek sintezēta tieši tīkla iekšienē.

Mitohondrijiem ir savas ribosomas un savs neliels genoms, un tie daļu savu olbaltumvielu ražo paši. Šīs ribosomas pēc uzbūves līdzinās baktēriju ribosomām, un tieši tāpēc dažas antibiotikas lielās devās var ietekmēt arī cilvēka mitohondriju darbību.

• Brīvās ribosomas: olbaltumvielas citoplazmai, kodolam, peroksisomām.
• Ribosomas uz endoplazmatiskā tīkla: izdalāmās un membrānu olbaltumvielas.
• Mitohondriju ribosomas: elpošanas ķēdes sastāvdaļas.

Šie divi termini tiek jaukti biežāk nekā jebkuri citi molekulārās bioloģijas jēdzieni. Tabula parāda galvenās atšķirības.

Tas, ka šūnā ir mRNS, vēl nenozīmē, ka olbaltumviela tiks uzbūvēta. Translācijas ātrumu regulē gan iniciācijas faktoru stāvoklis, gan mRNS pašas uzbūve, gan mazās regulējošās RNS, kas var mRNS bloķēt vai novest līdz noārdīšanai.

Stresa apstākļos, piemēram, skābekļa vai barības vielu trūkumā, šūna strauji nomāc vispārējo translāciju, jo olbaltumvielu sintēze ir viens no dārgākajiem procesiem. Vienlaikus atsevišķas stresa olbaltumvielas turpina tikt ražotas, izmantojot alternatīvus iniciācijas ceļus.

Attīstībā un nervu šūnās translācija bieži notiek tieši tur, kur olbaltumviela vajadzīga. Neironā mRNS var tikt transportēta līdz sinapses tuvumam un tulkota tur uz vietas, kad sinapse tiek aktivēta. Šis mehānisms tiek uzskatīts par vienu no ilgtermiņa atmiņas molekulārajiem pamatiem.

Mutācija, kas maina vienu kodonu, var nomainīt vienu aminoskābi, un ar to pietiek, lai olbaltumviela zaudētu funkciju. Sirpjveida šūnu anēmija ir klasisks piemērs, kurā viena aminoskābes maiņa hemoglobīnā maina visas sarkanās asins šūnas formu.

Vēl smagākas sekas ir mutācijai, kas priekšlaikus rada stopkodonu: ķēde tiek nolasīta tikai līdz pusei, un šūnai ir mehānisms, kas šādu mRNS atpazīst un iznīcina, tāpēc olbaltumvielas nav vispār. Daļa retu iedzimtu slimību rodas tieši šādi, un pētniecībā meklē vielas, kas liek ribosomai šādu priekšlaicīgu stopkodonu ignorēt.

Praktiski svarīgākā ikdienas saikne ir antibiotikas. Baktēriju ribosoma pietiekami atšķiras no cilvēka ribosomas, lai to varētu selektīvi bloķēt: makrolīdi, tetraciklīni, aminoglikozīdi un vairākas citas grupas visas traucē baktērijas translāciju dažādos posmos. Ar iedzimtām translācijas traucējumu slimībām nodarbojas medicīnas ģenētiķis, un diagnostika balstās ģenētiskā izmeklēšanā.

Translācijas ātrums nav vienmērīgs. Ribosoma pa dažiem mRNS posmiem slīd ātri, bet pie retāk lietotiem kodoniem apstājas un gaida atbilstošo tRNS. Ilgu laiku šo nevienmērību uzskatīja par troksni, taču izrādījās, ka tā ir izmantojama: pauzes dod laiku jau uzbūvētajam ķēdes posmam pareizi salocīties, pirms iznāk nākamais.

No tā izriet praktiskas sekas biotehnoloģijā. Ja gēna secību „optimizē", nomainot retos kodonus pret biežajiem, lai palielinātu ražību, olbaltumviela dažkārt tiek uzbūvēta ātrāk, bet salokās nepareizi un ir mazāk aktīva. Tātad viena un tā pati aminoskābju secība atkarībā no nolasīšanas ritma var dot atšķirīgas kvalitātes produktu.

Otrs mazāk zināms fakts ir tas, ka uz vienas mRNS vienlaikus strādā daudzas ribosomas cita aiz citas, veidojot poliribosomu. Tāpēc no viena mRNS eksemplāra šūna var ātri iegūt daudzas olbaltumvielas kopijas, un tieši šī paralēlā lasīšana ļauj šūnai reaģēt uz signālu minūšu, nevis stundu laikā.