Kompil Snustad.docx

RESUME GENET MEGA SINTESIS PROTEIN : TRANSLASI Informasi genetik dalam molekul mRNA diterjemahkan ke dalam urutan asam amino polipeptida sesuai dengan spesifikasi kode genetik. Proses dimana informasi genetik yang disimpan dalam urutan nukleotida dalam mRNA diterjemahkan, sesuai dengan spesifikasi kode genetik, ke dalam urutan asam amino dalam produk gen polipeptida yang kompleks, membutuhkan fungsi sejumlah besar makromolekul. Ini termasuk (1) lebih dari 50 polipeptida dan tiga hingga lima molekul RNA hadir di setiap ribosom (komposisi yang tepat bervariasi dari spesies ke spesies), (2) setidaknya 20 enzim pengaktif asam amino, (3) 40 hingga 60 molekul tRNA berbeda , dan (4) banyak protein larut yang terlibat dalam inisiasi, perpanjangan, dan pemutusan rantai polipeptida. Karena banyak dari makromolekul ini, terutama komponen ribosom, terdapat dalam jumlah besar di setiap sel, sistem penerjemahan merupakan bagian utama dari mesin metabolisme setiap sel. Gambaran Umum Sintesis Protein Sebelum berfokus pada detail proses penerjemahan, kita harus melihat dulu proses sintesis protein secara keseluruhan. Gambaran umum sintesis protein, menggambarkan kompleksitasnya dan makromolekul utama yang terlibat, disajikan pada Gambar 12.8. Langkah pertama dalam ekspresi gen, transkripsi, melibatkan transfer informasi yang disimpan dalam gen ke perantara messenger RNA (mRNA), yang membawa informasi tersebut ke situs sintesis polipeptida dalam sitoplasma. Transkripsi dibahas secara rinci dalam Bab 11. Langkah kedua, terjemahan, melibatkan transfer informasi dalam molekul mRNA ke dalam urutan asam amino dalam produk gen polipeptida. Terjemahan terjadi pada ribosom, yang merupakan struktur makromolekul kompleks yang terletak di sitoplasma. Terjemahan melibatkan tiga jenis RNA, yang semuanya ditranskripsi dari templat DNA (gen kromosom). Selain mRNA, tiga hingga lima molekul RNA (molekul rRNA) hadir sebagai bagian dari struktur setiap ribosom, dan 40 hingga 60 molekul RNA kecil (molekul tRNA) berfungsi sebagai adaptor dengan memediasi penggabungan asam amino yang tepat ke dalam polipeptida. dalam menanggapi urutan nukleotida spesifik dalam mRNA. Asam amino melekat pada molekul tRNA yang benar oleh satu set enzim pengaktif yang disebut aminoacyl tRNA synthetases.

Urutan nukleotida dari molekul mRNA diterjemahkan ke dalam urutan asam amino yang sesuai sesuai dengan dikte kode genetik. Beberapa polipeptida yang baru lahir mengandung sekuens asam amino pendek pada amino atau karboksil termini yang berfungsi sebagai sinyal untuk transpornya ke kompartemen seluler tertentu seperti retikulum endoplasma, mitokondria, kloroplas, atau nuklei. Protein sekretorik yang baru lahir, misalnya, mengandung urutan sinyal pendek pada terminal amino yang mengarahkan polipeptida yang muncul ke membran retikulum endoplasma. Sekuens penargetan yang serupa juga terdapat pada amino termini dari protein yang ditakdirkan untuk diimpor ke mitokondria dan kloroplas. Beberapa protein nuklir mengandung ekstensi penargetan di carboxyl termini. Dalam banyak kasus, peptida penargetan dihilangkan secara enzimatik oleh peptidase spesifik setelah pengangkutan protein ke kompartemen seluler yang sesuai. Ribosom dapat dianggap sebagai meja kerja, lengkap dengan mesin dan peralatan yang diperlukan untuk membuat polipeptida. Mereka tidak spesifik dalam arti bahwa mereka dapat mensintesis polipeptida (urutan asam amino apa pun) yang dikodekan oleh molekul mRNA tertentu, bahkan mRNA dari spesies yang berbeda. Setiap molekul mRNA diterjemahkan secara simultan oleh beberapa ribosom, menghasilkan pembentukan polyribosome, atau polysome. Dengan tinjauan singkat sintesis protein ini, kami sekarang akan memeriksa beberapa komponen yang lebih penting dari mesin terjemahan dengan lebih cermat.

KOMPONEN YANG DIPERLUKAN UNTUK SINTESIS PROTEIN: RIBOSOM Sel-sel hidup mencurahkan lebih banyak energi untuk sintesis protein daripada aspek metabolisme lainnya. Sekitar sepertiga dari total massa kering sebagian besar sel terdiri dari molekul yang berpartisipasi langsung dalam biosintesis protein. Dalam E. coli, sekitar 200.000 ribosom merupakan 25 persen dari berat kering setiap sel. Komitmen sebagian besar dari mesin metabolisme sel untuk proses sintesis protein mendokumentasikan pentingnya dalam bentuk kehidupan yang ada di planet kita. Ketika situs sintesis protein diberi label dalam sel yang ditanam untuk interval pendek di hadapan asam amino radioaktif dan divisualisasikan dengan autoradiografi, hasilnya menunjukkan bahwa protein disintesis pada ribosom. Pada prokariota, ribosom didistribusikan ke seluruh sel; pada eukariota, mereka terletak di sitoplasma, sering pada jaringan membran intraseluler yang luas dari retikulum endoplasma. Ribosom sekitar setengah protein dan setengah RNA (Gambar 12.9). Mereka terdiri dari dua subunit, satu besar dan satu kecil, yang berdisosiasi ketika penerjemahan molekul mRNA selesai dan

bergabung kembali selama inisiasi terjemahan. Setiap subunit mengandung molekul RNA besar yang terlipat tempat protein ribosom berkumpul. Ukuran ribosom paling sering dinyatakan dalam hal laju sedimentasi selama sentrifugasi, di unit Svedberg (S). [Satu unit Svedberg sama dengan koefisien sedimentasi (kecepatan / gaya sentrifugal) 10? 13 detik.] Ribosom E. coli, seperti ribosom prokariota lain, memiliki berat molekul 2,5? 106, ukuran 70S, dan dimensi sekitar 20 nm? 25 nm. Ribosom eukariota lebih besar (biasanya sekitar 80-an); Namun, ukuran bervariasi dari satu spesies ke spesies lainnya. Ribosom hadir dalam mitokondria dan kloroplas sel eukariotik lebih kecil (biasanya sekitar 60S).

GAMBAR 12.9 Komposisi makromolekul dari ribosom prokariotik dan eukariotik.

Walaupun ukuran dan komposisi makromolekul ribosom bervariasi, keseluruhan struktur tiga dimensi ribosom pada dasarnya sama di semua organisme. Dalam E. coli, subunit ribosom kecil (30S) mengandung molekul RNA 16S (berat sekitar 6 3 105) ditambah 21 polipeptida yang berbeda, dan subunit besar (50S) berisi dua molekul RNA (5S, berat molekul sekitar 4 3 104), dan 23S, berat molekul sekitar 1,2 3 106) ditambah 31 polipeptida. Dalam ribosom mamalia, subunit kecil mengandung molekul RNA 18S ditambah 33 polipeptida, dan subunit besar berisi tiga molekul RNA ukuran 5S, 5,8S, dan 28S plus 49 polipeptida. Dalam organel, ukuran rRNA yang sesuai adalah 5S, 13S, dan 21S. Masayasu Nomura dan rekan-rekannya mampu membongkar 30S subunit ribosom E. coli ke dalam makromolekul individu dan kemudian menyusun kembali subunit 30S fungsional dari komponen. Dengan cara ini, mereka mempelajari fungsi rRNA individu dan molekul protein ribosom. Molekul RNA ribosom, seperti molekul mRNA, ditranskripsi dari cetakan DNA. Pada eukariota, sintesis rRNA terjadi pada nukleolus (lihat Gambar 2.1) dan dikatalisis oleh RNA polimerase I. Nukleolus adalah komponen yang sangat khusus dari nukleus yang dikhususkan untuk sintesis rRNA dan rakitannya menjadi ribosom. Gen RNA ribosom hadir dalam array duplikasi tandemly dipisahkan oleh daerah spacer intergenik. Transkripsi set tandem gen rRNA ini dapat divisualisasikan secara langsung dengan mikroskop elektron. (j Gambar 12.10) menunjukkan diagram skematik dari transkripsi yang diamati.

Transkripsi gen rRNA menghasilkan prekursor RNA yang jauh lebih besar daripada molekul RNA yang ditemukan dalam ribosom. Prekursor rRNA ini menjalani pemrosesan posttranskripsi untuk menghasilkan molekul rRNA yang matang. Dalam E. coli, transkrip gen rRNA adalah prekursor 30S, yang mengalami pembelahan endonukleolitik untuk menghasilkan rRNA 5S, 16S, dan 23S ditambah satu molekul RNA transfer 4S (j Gambar 12.11a). Pada mamalia, rRNA 5.8S, 18S, dan 28S dibelah dari prekursor 45S (j Gambar 12.11b), sedangkan rRNA 5S diproduksi oleh pemrosesan posttranskripsi dari transkrip gen terpisah. Selain pembelahan posttranskripsional dari prekursor

rRNA, banyak nukleotida dalam rRNA yang dimetilasi secara posttranskripsi. Metilasi dianggap melindungi molekul rRNA dari degradasi oleh ribonucleases.

GAMBAR 12.11 Sintesis dan pemrosesan (a) prekursor 30S rRNA dalam E. coli dan (b) prekursor 45S rRNA pada mamalia.

Beberapa salinan gen untuk rRNA hadir dalam genom semua organisme yang telah dipelajari hingga saat ini. Redundansi gen rRNA ini tidak mengejutkan mengingat sejumlah besar ribosom hadir per sel. Dalam E. coli, tujuh gen rRNA (rrnA — rrnE, rrnG, rrnH) didistribusikan di antara tiga situs berbeda pada kromosom. Pada eukariota, gen rRNA hadir dalam ratusan hingga ribuan salinan. Gen 5,8S-18S-28S rRNA dari eukariota hadir dalam susunan tandem di daerah pengatur nukleolus dari kromosom. Pada beberapa eukariota, seperti jagung, ada satu pasang pengatur nukleolar (pada kromosom 6 pada jagung). Di Drosophila dan kodok bercakar Afrika Selatan, Xenopus laevis, kromosom seks membawa pengorganisasi nukleol. Manusia memiliki lima pasang organ pengatur nukleolar yang terletak di lengan pendek kromosom 13, 14, 15, 21, dan 22. Gen 5S rRNA pada eukariota tidak terletak di daerah pengatur nukleol. Sebagai gantinya, mereka didistribusikan melalui beberapa kromosom. Namun, gen rRNA 5S sangat redundan, seperti halnya gen rRNA 5.8S-18S-28S.

KOMPONEN YANG DIPERLUKAN UNTUK SINTESIS PROTEIN: RNA TRANSFER Meskipun ribosom menyediakan banyak komponen yang diperlukan untuk sintesis protein, dan spesifikasi untuk setiap polipeptida dikodekan dalam molekul mRNA, terjemahan pesan mRNA yang dikodekan ke dalam urutan asam amino dalam polipeptida membutuhkan satu kelas tambahan molekul RNA , molekul RNA transfer (tRNA). Pertimbangan kimia menunjukkan bahwa interaksi langsung antara asam amino dan kembar tiga nukleotida atau kodon dalam mRNA tidak mungkin. Jadi, pada tahun 1958, Francis Crick mengusulkan bahwa beberapa jenis molekul adaptor harus memediasi spesifikasi asam amino oleh kodon dalam mRNA selama sintesis protein. Molekul adaptor segera diidentifikasi oleh peneliti lain

dan terbukti menjadi molekul RNA kecil (4S, 70-95 nukleotida). Molekul-molekul ini, yang pertama disebut molekul RNA (sRNA) terlarut dan selanjutnya mentransfer molekul RNA (tRNA), mengandung sekuens nukleotida triplet, antikodon, yang saling melengkapi dan berpasangan dengan sekuens kodon dalam mRNA selama penerjemahan. Ada satu hingga empat tRNA untuk masing-masing dari 20 asam amino. Asam amino melekat pada tRNA oleh ikatan berenergi tinggi (sangat reaktif) (disimbolkan ~) antara gugus karboksil dari asam amino dan 3? -Hidroksil termini dari tRNA. TRNA diaktifkan atau diisi dengan asam amino dalam proses dua langkah, dengan kedua reaksi dikatalisis oleh enzim yang sama, aminoacyl-tRNA synthetase. Setidaknya ada satu aminoetil-tRNA sintetase untuk masing-masing dari 20 asam amino. Langkah pertama dalam sintesis aminoasil-tRNA melibatkan aktivasi asam amino menggunakan energi dari adenosin trifosfat (ATP): gambar Asam amino ~ AMP intermediate biasanya tidak dilepaskan dari enzim sebelum menjalani langkah kedua dalam sintesis aminoacyl-tRNA, yaitu reaksi dengan tRNA yang sesuai: Gambar Asam aminoasil ~ tRNA adalah substrat untuk sintesis polipeptida pada ribosom, dengan masingmasing tRNA teraktivasi mengenali kodon mRNA yang benar dan menyajikan asam amino dalam konfigurasi sterik (struktur tiga dimensi) yang memfasilitasi pembentukan ikatan peptida. TRNA ditranskripsi dari gen. Seperti dalam kasus rRNA, tRNA ditranskripsikan dalam bentuk molekul prekursor yang lebih besar yang menjalani proses posttranskripsi (pembelahan, pemangkasan, metilasi, dan sebagainya). Molekul tRNA dewasa mengandung beberapa nukleosida yang tidak ada dalam gen tRNA primer transkrip. Nukleosida yang tidak biasa ini, seperti inosin, pseudouridin, dihidrouridin, 1-metil guanosin, dan beberapa lainnya, diproduksi oleh kation-kation yang dimodifikasi pasca-transkripsi, yang diaktivasi oleh enzim dari empat nukleosida yang dimasukkan ke dalam RNA selama transkripsi. Karena ukurannya yang kecil (panjangnya paling banyak 70 hingga 95 nukleotida), tRNA lebih cocok untuk analisis struktural daripada yang lain, molekul RNA yang lebih besar terlibat dalam sintesis protein. Urutan nukleotida lengkap dan struktur semanggi yang diusulkan dari alanine tRNA ragi (Gambar 12.12) diterbitkan oleh Robert W. Holley dan rekan pada tahun 1965; Holley membagikan Hadiah Nobel 1968 dalam Fisiologi atau Kedokteran untuk pekerjaan ini. Struktur tiga dimensi dari tRNA fenilalanin ragi ditentukan oleh studi difraksi sinar-X pada tahun 1974 (Gambar 12.13). Antikodon dari masing-masing tRNA terjadi dalam satu lingkaran (daerah yang tidak terikat hidrogen) di dekat bagian tengah molekul. Harus jelas bahwa molekul tRNA harus mengandung yang besar kesepakatan kota tertentu meskipun ukurannya kecil. Mereka tidak hanya harus (1) memiliki urutan antikodon yang benar, sehingga untuk menanggapi kodon yang tepat, tetapi mereka juga harus (2) dikenali oleh sintetase aminoasil-tRNA yang benar, sehingga mereka diaktifkan dengan asam amino yang benar, dan (3) mengikat ke situs yang sesuai pada ribosom untuk menjalankan fungsi adaptor mereka.

Ada tiga situs pengikatan tRNA pada setiap ribosom (Gambar 12.14a-b). Situs A atau aminoasil mengikat aminoasil-tRNA yang masuk, tRNA yang membawa asam amino berikutnya untuk ditambahkan ke rantai polipeptida yang sedang tumbuh. Situs P atau peptidyl mengikat tRNA yang melekat polipeptida tumbuh. Situs E atau keluar mengikat berangkat tRNA tidak bermuatan. Struktur tiga dimensi dari ribosom 70S dari bakteri Thermus thermophilus telah diselesaikan dengan resolusi 0,55 nm oleh kristalografi sinar-X (Gambar 12,15a-c). Struktur kristal menunjukkan posisi tiga situs pengikatan tRNA pada antarmuka 50S-30S dan posisi relatif rRNA dan ribosom protein. Meskipun situs pengikatan aminoasil-tRNA sebagian besar terletak pada subunit 50S dan molekul mRNA terikat oleh subunit 30S, kota spesifik untuk pengikatan aminoasilglNA di setiap situs disediakan oleh kodon mRNA yang membentuk bagian dari situs pengikatan (lihat Gambar 12.14b). Ketika ribosom bergerak di sepanjang mRNA (atau ketika mRNA dipindah melintasi ribosom), kota spesifik untuk ikatan aminoasil-tRNA di situs A, P, dan E berubah ketika kodon mRNA yang berbeda berpindah ke register di situs pengikatan. Situs pengikatan ribosom dengan sendirinya (minus mRNA) dengan demikian mampu mengikat setiap aminoasil-tRNA.

TRANSLASI: SINTESIS POLIPPEIDID MENGGUNAKAN TEMPLAT mRNA Kami sekarang telah meninjau semua komponen utama dari sistem sintesis protein. Molekul mRNA memberikan spesifikasi untuk urutan asam amino dari produk gen polipeptida. Ribosom menyediakan banyak komponen makromolekul yang diperlukan untuk proses penerjemahan. tRNA menyediakan molekul adaptor yang dibutuhkan untuk memasukkan asam amino ke dalam polipeptida sebagai respons terhadap kodon dalam mRNA. Selain itu, beberapa protein larut berpartisipasi dalam proses. Terjemahan dari urutan nukleotida dalam molekul mRNA menjadi urutan asam amino dalam produk polipeptida dapat dibagi menjadi tiga tahap: (1) inisiasi rantai polipeptida, (2) perpanjangan rantai, dan (3) pemutusan rantai. Translasi: Inisiasi Rantai Polipeptida Inisiasi terjemahan mencakup semua peristiwa yang mendahului pembentukan ikatan peptida antara dua asam amino pertama dari rantai polipeptida baru. Meskipun beberapa aspek dari proses inisiasi adalah sama pada prokariota dan eukariota, ada yang berbeda. Oleh karena itu, kami akan terlebih dahulu memeriksa inisiasi rantai polipeptida pada E. coli, dan kemudian kita akan melihat aspek unik inisiasi translasi pada eukariota.

Dalam E. coli, proses inisiasi melibatkan subunit ribosom 30S, inisiator khusus tRNA, molekul mRNA, tiga faktor inisiasi protein terlarut: IF-1, IF-2, dan IF-3, dan satu molekul GTP ( Gambar 12.16). Terjemahan terjadi pada 70S ribosom, tetapi ribosom berdisosiasi menjadi 30S dan 50S subunit mereka setiap kali mereka menyelesaikan sintesis rantai polipeptida. Pada tahap pertama dari inisiasi translasi, subunit 30S bebas berinteraksi dengan molekul mRNA dan faktor inisiasi. Subunit 50S bergabung dengan kompleks untuk membentuk ribosom 70S pada langkah akhir proses inisiasi. Sintesis polipeptida dimulai oleh tRNA khusus, yang disebut tRNAfMet, sebagai respons terhadap kodon inisiasi terjemahan (biasanya AUG, terkadang GUG). Karena itu, semua polipeptida dimulai dengan metionin selama sintesis. Metionin amino-terminal kemudian dibelah dari banyak polipeptida. Dengan demikian, protein fungsional tidak perlu memiliki metionin amino-terminal. Metionin pada inisiator tRNA, Met memiliki gugus amino tersumbat dengan kelompok formil (LIHAT DI HAL. 300) (dengan demikian subskripsi [LIHAT DI HAL. 300] dalam Trna, Met). TRNA metionin yang berbeda, tRNA Met, merespons kodon metionin internal. Kedua tRNA metionin memiliki antikodon yang sama, dan keduanya merespons kodon yang sama (AUG) untuk metionin. Namun, hanya metionil-tRNA Met yang berinteraksi dengan faktor inisiasi protein IF-2 untuk memulai proses inisiasi (Gambar 12.16). Dengan demikian, hanya methionyl tRNA Met yang berikatan dengan ribosom sebagai respons terhadap kodon inisiasi AUG dalam mRNA, meninggalkan metionyl-tRNAfMet untuk mengikat sebagai respons terhadap kodon AUG internal. Methionyl tRNA Met juga mengikat ribosom sebagai respons terhadap kodon inisiator alternatif, GUG (kodon valin bila ada pada posisi internal), yang terjadi pada beberapa molekul mRNA. Inisiasi rantai polipeptida dimulai dengan pembentukan dua kompleks: (1) satu mengandung faktor inisiasi IF-2 dan metionil-tRNAfMet, dan (2) lainnya mengandung molekul mRNA, subunit ribosom 30S dan faktor inisiasi IF-3 (Gambar 12.16 ). Kompleks subunit / mRNA 30S hanya akan terbentuk dengan adanya IF-3; dengan demikian, IF-3 mengontrol kemampuan subunit 30S untuk memulai proses inisiasi. Pembentukan kompleks subunit / mRNA 30S sebagian tergantung pada pasangan-basa antara sekuens nukleotida dekat ujung 3 dari 16S rRNA dan sekuens di dekat 5 ujung molekul mRNA (Gambar 12.17). mRNA prokariotik mengandung saluran polipurin yang dikonservasi, konsensus AGGAGG, yang terletak sekitar tujuh nukleotida di hulu dari kodon inisiasi AUG. Hexamer yang dikonservasi ini, yang disebut sekuens Shine-Dalgarno setelah para ilmuwan yang

menemukannya, merupakan pelengkap dari sekuens di dekat 3 ujung RNA ribosomal 16S. Ketika sekuens Shine-Dalgarno dari mRNA secara eksperimental dimodifikasi sehingga mereka tidak lagi dapat berpasangan dengan rRNA 16S, mRNA yang dimodifikasi tidak diterjemahkan atau diterjemahkan dengan sangat tidak efisien, menunjukkan bahwa pemasangan pasangan ini memainkan peran penting dalam penerjemahan. Kompleks IF-2 / metionyl-tRNAfMet dan kompleks subunit / IF-3 mRNA / 30S kemudian bergabung satu sama lain dan dengan faktor inisiasi IF-1 dan satu molekul GTP untuk membentuk kompleks inisiasi 30S yang lengkap. Langkah terakhir dalam inisiasi terjemahan adalah penambahan subunit 50S ke kompleks inisiasi 30S untuk menghasilkan ribosom 70S lengkap. Faktor inisiasi IF-3 harus dilepaskan dari kompleks sebelum subunit 50S dapat bergabung dengan kompleks; IF-3 dan subunit 50S tidak pernah ditemukan terkait dengan subunit 30S secara bersamaan. Penambahan subunit 50S membutuhkan energi dari GTP dan pelepasan faktor inisiasi IF-1 dan IF-2. Penambahan subunit ribosom 50S ke posisi kompleks inisiator tRNA, metionil-tRNA fMet, di situs peptidyl (P) dengan antikodon tRNA yang disejajarkan dengan kodon inisiasi AUG dari mRNA. Methionyl-tRNAfMet adalah satu-satunya aminoasil-tRNA yang dapat memasuki situs P secara langsung, tanpa terlebih dahulu melewati situs aminoasil (A). Dengan inisiator AUG diposisikan di situs P, kodon kedua mRNA terdaftar di situs A, mendikte spesimen pengikatan aminoasil-tRNA di situs tersebut dan mengatur tahap untuk fase kedua dalam sintesis polipeptida, perpanjangan rantai. Inisiasi penerjemahan lebih kompleks pada eukariota, yang melibatkan beberapa faktor inisiasi yang dapat larut. Namun demikian, keseluruhan prosesnya serupa kecuali untuk dua fitur. (1) Kelompok amino metionin pada inisiator tRNA tidak diformilasi seperti pada prokariota. (2) Kompleks inisiasi terbentuk di 5 ujung mRNA, bukan di situs awal terjemahan Shine-Dalgarno / AUG seperti pada E. coli. Pada eukariota, kompleks inisiasi memindai mRNA, mulai dari ujung 5, mencari kodon inisiasi terjemahan AUG. Dengan demikian, dalam eukariota, terjemahan sering dimulai pada AUG terdekat dengan 5 terminal molekul mRNA, meskipun efisiensi yang diberikan AUG digunakan untuk memulai penerjemahan tergantung pada urutan nukleotida yang berdekatan. Urutan inisiasi optimal adalah 5 -GCC (A atau G) CCAUGG-3. Purin (A atau G) tiga basis di hulu dari kodon inisiator AUG dan G yang segera mengikutinya adalah yang paling penting - mempengaruhi efisiensi inisiasi dengan sepuluh kali lipat atau lebih. Perubahan basis lain dalam urutan

menyebabkan penurunan yang lebih kecil dalam efisiensi inisiasi. Persyaratan urutan ini untuk inisiasi terjemahan optimal dalam eukariota disebut aturan Kozak, setelah Marilyn Kozak, yang pertama kali mengusulkannya. Seperti prokariota, eukariota mengandung inisiator khusus tRNA, tRNAiMet ("i" untuk inisiator), tetapi gugus amino metionil-tRNAiMet tidak diformilasi. Inisiator metioniltRNAiMet berinteraksi dengan faktor inisiasi yang larut dan memasuki situs P secara langsung selama proses inisiasi, seperti pada E. coli. Pada eukariota, protein pengikat tutup (CBP) berikatan dengan tutup 7-metil guanosin di 5 ujung mRNA. Kemudian, faktor inisiasi lainnya berikatan dengan kompleks CBPmRNA, diikuti oleh subunit kecil (40S) dari ribosom. Seluruh kompleks inisiasi bergerak 5’ ke 3’ sepanjang molekul mRNA, mencari kodon AUG. Ketika triplet AUG ditemukan, faktor inisiasi terdisosiasi dari kompleks, dan subunit besar (60S) berikatan dengan kompleks subunit methionyl-tRNA / mRNA / 40S, membentuk ribosom lengkap (80S). Kompleks ribosom / mRNA / tRNA 80S siap memulai fase kedua terjemahan, perpanjangan rantai. Coba Selesaikan: Kontrol Translasi di Eukaryotes untuk mengeksplorasi proses ini lebih lanjut.

Translation: Polypeptide Chain Elongation Proses perpanjangan rantai polipeptida pada dasarnya sama pada prokariota dan eukariota. Penambahan setiap asam amino ke polipeptida yang tumbuh terjadi dalam tiga langkah: (1) pengikatan aminoasil-tRNA ke situs A ribosom, (2) transfer rantai polipeptida yang tumbuh dari tRNA di situs P ke tRNA di situs A dengan pembentukan ikatan peptida baru, dan (3) translokasi ribosom sepanjang mRNA untuk memposisikan kodon berikutnya di situs A (Gambar 12.18).

Selama langkah 3, polypeptide-tRNA yang baru lahir dan tRNA yang tidak bermuatan ditranslokasi dari situs A dan P ke situs P dan E, masing-masing. Tiga langkah ini diulang secara siklik selama proses perpanjangan. Faktor terlarut yang terlibat dalam perpanjangan rantai E. coli dijelaskan di sini. Faktor serupa berpartisipasi dalam perpanjangan rantai pada eukariota. Pada langkah pertama, sebuah aminoasil-tRNA masuk dan menjadi terikat ke situs A dari ribosom, dengan kota spesifik yang disediakan oleh kodon mRNA dalam register dengan situs A (Gambar 12.18). Tiga nukleotida dalam antikodon dari aminoasil-tRNA yang masuk harus berpasangan dengan nukleotida dari kodon mRNA yang ada di situs A. Langkah ini membutuhkan faktor perpanjangan Tu yang membawa molekul GTP (EF-Tu.GTP). GTP diperlukan untuk ikatan aminoasil-tRNA di situs A tetapi tidak dibelah sampai ikatan peptida terbentuk. Setelah pembelahan GTP, EF-Tu.GDP dilepaskan dari ribosom. EF-Tu.GDP tidak aktif dan tidak akan berikatan dengan aminoasil-tRNA. EFTu.GDP dikonversi ke bentuk EF-Tu.GTP aktif oleh faktor perpanjangan Ts (EF-Ts), yang menghidrolisis satu molekul GTP dalam proses. EF-Tu berinteraksi dengan semua aminoasil-tRNA kecuali metionil-tRNA. Langkah kedua dalam perpanjangan rantai adalah pembentukan ikatan peptida antara gugus amino dari aminoasil-tRNA di situs A dan ujung karboksil dari rantai polipeptida tumbuh yang melekat pada tRNA di situs P. Ini memisahkan rantai yang tumbuh dari tRNA di situs P dan secara kovalen

bergabung dengan rantai ke tRNA di situs A (Gambar 12.18). Reaksi kunci ini dikatalisis oleh transferase peptidil, suatu aktivitas enzimatik yang dibangun ke dalam subunit 50S ribosom. Kita harus mencatat bahwa aktivitas peptidil transferase berada dalam molekul 23S rRNA daripada dalam protein ribosom, mungkin peninggalan lain dari dunia berbasis RNA awal. Pembentukan ikatan peptida membutuhkan hidrolisis molekul GTP yang dibawa ke ribosom oleh EF-Tu pada langkah 1. Selama langkah ketiga dalam perpanjangan rantai, peptidyl-tRNA yang ada di situs A dari ribosom ditranslokasi ke situs P, dan tRNA yang tidak bermuatan di situs P dipindahkan ke situs E, ketika ribosom bergerak tiga nukleotida ke arah 3 ujung molekul mRNA. Langkah translokasi membutuhkan GTP dan elongation factor G (EF-G). Ribosom mengalami perubahan konformasi selama proses translokasi, menunjukkan bahwa ia mungkin berpindah sepanjang molekul mRNA. Energi untuk pergerakan ribosom disediakan oleh hidrolisis GTP. Translokasi peptidyl-tRNA dari situs A ke situs P membuat situs A tidak dihuni dan ribosom siap untuk memulai siklus berikutnya dari perpanjangan rantai. Perpanjangan satu polipeptida eukariotik, protein sutra broin, dapat divisualisasikan dengan mikroskop elektron dengan menggunakan teknik yang dikembangkan oleh Oscar Miller, Barbara Hamkalo, dan rekannya. Sebagian besar protein terlipat di permukaan ribosom selama sintesisnya. Namun, fi broin tetap memanjang dari permukaan ribosom dalam kondisi yang digunakan oleh Miller dan rekan kerja. Akibatnya, rantai polipeptida yang baru tumbuh dengan panjang yang meningkat dapat terlihat melekat pada ribosom saat dipindai dari ujung 5 mRNA ke ujung 3 (Gambar 12.19). Fibroin adalah protein besar dengan massa lebih dari 200.000 dalton; itu disintesis pada polyribosom besar yang mengandung 50 hingga 80 ribosom. Perpanjangan rantai polipeptida berlangsung dengan cepat. Dalam E. coli, ketiga langkah yang diperlukan untuk menambahkan satu asam amino ke rantai polipeptida tumbuh terjadi sekitar 0,05 detik. Jadi, sintesis polipeptida yang mengandung 300 asam amino hanya membutuhkan waktu sekitar 15 detik. Mengingat kerumitannya, keakuratan dan efisiensi alat penerjemah memang luar biasa.

Terjemahan: Polipeptida Pemutusan Rantai Perpanjangan rantai polipeptida mengalami pemutusan ketika salah satu dari tiga pemutusan rantai kodon (UAA, UAG, atau UGA) memasuki situs A pada ribosom (Gambar 12.20). Ini tiga kodon stop dikenali oleh protein larut yang disebut faktor pelepas (RF). Di E. coli, ada dua faktor pelepasan, RF-1 dan RF-2. RF-1 mengakui pemutusan hubungan kerja kodon UAA dan UAG; RF-2 mengenali UAA dan UGA. Dalam eukariota, satu release factor (eRF) mengenali ketiga kodon terminasi. Kehadiran rilis faktor dalam situs A mengubah aktivitas peptidyl transferase sehingga menambahkan air molekul ke ujung karboksil dari polipeptida yang baru lahir. Reaksi ini dilepaskan polipeptida dari molekul tRNA di situs P dan memicu translokasi dari tRNA gratis ke situs E. Pengakhiran selesai dengan rilis mRNA molekul dari ribosom dan disosiasi ribosom ke dalam subunitnya. Subunit ribosom kemudian siap untuk memulai babak lain sintesis protein, seperti yang dijelaskan sebelumnya. Kuci oenting:



  

Informasi genetik yang dibawa dalam urutan nukleotida dalam molekul mRNA diterjemahkan menjadi urutan asam amino dalam produk gen polipeptida oleh makromolekul rumit mesin yang disebut ribosom. Proses penerjemahannya rumit, membutuhkan partisipasi banyak RNA dan molekul protein. Mentransfer molekul RNA berfungsi sebagai adaptor, memediasi interaksi antara asam amino dan kodon dalam mRNA. Proses penerjemahan melibatkan inisiasi, perpanjangan, dan pemutusan polipeptida rantai dan diatur oleh spesifikasi kode genetik.

GAMBAR 12.8 Tinjauan sintesis protein. Ukuran molekul rRNA yang ditunjukkan benar untuk bakteri; rRNA yang lebih besar terdapat pada eukariota. Untuk mempermudah, semua spesies RNA telah ditranskripsi dari segmen yang berdekatan dari satu molekul DNA. Pada kenyataannya, berbagai RNA adalah transkrip gen yang terletak pada posisi berbeda dari satu kromosom ke banyak. Rincian berbagai tahap sintesis protein dibahas pada bagian selanjutnya dari bab ini.

GAMBAR 12.9 Komposisi makromolekul dari ribosom prokariotik dan eukariotik.

GAMBAR 12.10 Diagram skematis dari mikrograf elektron yang menunjukkan transkripsi gen rRNA berulang secara berulang dalam nukleolus Triturus viridescens baru. Gradien fibril dengan panjang yang meningkat diamati untuk setiap gen rRNA, dan daerah spacer yang tidak ditranskripsi memisahkan gen.

GAMBAR 12.11 Sintesis dan pemrosesan (a) prekursor 30S rRNA dalam E. coli dan (B) prekursor 45S rRNA pada mamalia

GAMBAR 12.12 Urutan nukleotida dan konfigurasi daun semanggi dari alanine tRNA dari S. cerevisiae. Nama-nama nukleosida yang dimodifikasi hadir dalam tRNA ditunjukkan pada inset.

GAMBAR 12.13 Foto (a) dan gambar interpretatif (b) dari model molekul tRNA fenilalanin ragi berdasarkan data difraksi sinar-X.

GAMBAR 12.14 Struktur ribosom dalam E. coli. (A) Setiap ribosom / mRNA kompleks mengandung tiga situs pengikatan aminoasil-tRNA. Situs A atau aminoacyl-tRNA ditempati oleh alanyl-tRNAAla. Situs P atau peptidyl ditempati oleh phenylalanyl-tRNAPa, dengan pertumbuhan rantai polipeptida secara kovalen terkait dengan tRNA fenilalanin. Situs E atau keluar ditempati oleh tRNAGly sebelum dirilis dari ribosom. (B) Molekul mRNA (oranye), yang terpasang ke subunit 30S (hijau muda) di ribosom, menyumbang kekhususan pada situs pengikatan tRNA, yang sebagian besar berlokasi pada subunit 50S (biru) dari ribosom. Itu aminoasil-tRNA terletak di Situs P dan A ditampilkan dalam warna merah dan hijau tua, masing-masing. Situs E tidak dihuni.

GAMBAR 12.15 Struktur ribosom dalam Thermus thermophilus. Struktur kristal ribosom 70S dengan resolusi 0,55 nm, menunjukkan ribosom lengkap (a) dan antarmuka subunit 50S (b) dan 30S (c). (a) 50S subunit di sebelah kiri; 30S subunit di sebelah kanan. (B, c) Antarmuka dari subunit 50S dan subunit 30S diperoleh dengan memutar struktur yang ditunjukkan dalam (a) 90 ke kiri (b) atau ke kanan (c), masing-masing. The tRNAs di situs A, P, dan E masing-masing ditampilkan dalam warna emas, oranye, dan merah. Komponen: 16S rRNA (cyan); 23S rRNA (abu-abu); 5S rRNA (biru muda); 30S protein subunit (biru tua); dan 50S protein subunit (magenta). L1, protein subunit besar 1; S7, protein subunit kecil 7.

FIGURE 12.16 The initiation of translation in E. coli.

GAMBAR 12.17 Pasangan-pasangan antara Urutan Shine-Dalgarno secara prokariotik mRNA dan sekuens komplementer dekat 3 ujung dari 16S rRNA terlibat dalam pembentukan ribosomal mRNA / 30S kompleks inisiasi subunit

FIGURE 12.18 Polypeptide chain elongation in E. col

FIGURE 12.18 (continued

GAMBAR 12.19 Visualisasi dari pemanjangan fibroin polipeptida di kelenjar sutra posterior ulat sutera Bombyx mori. Panah menunjuk ke polipeptida fibroin yang tumbuh. Catat kenaikan panjangnya ketika satu mendekati 3 ujung molekul mRNA

GAMBAR 12.20 Pemutusan rantai polipeptida dalam E. coli. Grup formil formilmetionin dihilangkan selama penerjemahan