Ribosom dan Sintesis Protein

Sintesis protein mengkonsumsi lebih banyak energi sel dibanding proses metabolisme lainnya. Pada gilirannya, simpanan protein untuk massa lebih dari komponen lain dari organisme hidup (dengan pengecualian air), dan protein melakukan hampir setiap fungsi sel. Proses translasi, atau sintesis protein, melibatkan decoding pesan mRNA menjadi produk polipeptida.

Asam amino secara kovalen dirangkai dengan ikatan peptida interlinking dalam panjang mulai dari sekitar 50 residu asam amino hingga lebih dari 1.000. Setiap individu asam amino memiliki gugus amino (NH2) dan gugus karboksil (COOH). Polipeptida terbentuk ketika gugus amino dari satu asam amino membentuk ikatan amida (yaitu, peptida) dengan gugus karboksil dari asam amino lain (Gambar 1). Reaksi ini dikatalisasi oleh ribosom dan menghasilkan satu molekul air.

Mesin Sintesis Protein

Selain template mRNA, banyak molekul dan makromolekul berkontribusi pada proses translasi. Komposisi setiap komponen dapat bervariasi antar spesies; misalnya, ribosom dapat terdiri dari jumlah rRNA dan polipeptida yang berbeda tergantung pada organisme. Namun, struktur dan fungsi umum dari mesin sintesis protein sebanding dari bakteri sampai sel manusia. Translasi membutuhkan masukan dari template mRNA, ribosom, tRNA, dan berbagai faktor enzimatik.

Ribosom

Bahkan sebelum mRNA ditranslasi, sel harus menginvestasikan energi untuk membangun masing-masing ribosomnya. Pada E. coli, ada antara 10.000 sampai 70.000 ribosom yang ada di setiap sel pada waktu tertentu. Ribosom adalah makromolekul kompleks yang tersusun dari rRNA struktural dan katalitik, dan banyak polipeptida yang berbeda. Pada eukariota, nukleolus benar-benar terspesialisasi untuk sintesis dan perakitan rRNA.

Ribosom ada di sitoplasma pada prokariota dan di sitoplasma dan retikulum endoplasma kasar pada eukariota. Mitokondria dan kloroplas juga memiliki ribosom sendiri dalam matriks dan stroma, yang terlihat lebih mirip dengan ribosom prokariotik (dan memiliki kepekaan obat yang serupa) daripada ribosom di luar membran luar mereka di sitoplasma. Ribosom berdisosiasi menjadi subunit besar dan kecil ketika mereka tidak mensintesis protein dan bergabung kembali selama inisiasi translasi. Dalam E. coli, subunit kecil digambarkan sebagai 30S, dan subunit besar adalah 50S, dengan total 70S (ingat bahwa unit Svedberg tidak aditif). Ribosom mamalia memiliki subunit kecil 40S dan subunit besar 60S , dengan total 80S. Subunit kecil bertanggung jawab untuk mengikat template mRNA, sedangkan subunit besar secara berurutan mengikat tRNA. Setiap molekul mRNA secara simultan diterjemahkan oleh banyak ribosom, semua protein mensintesis ke arah yang sama: membaca mRNA dari 5 ′ hingga 3 ′ dan mensintesis polipeptida dari N terminus ke C terminus. Struktur mRNA / poli-ribosom lengkap disebut polisom.

tRNA

TRNA adalah molekul RNA struktural yang ditranskripsi dari gen oleh RNA polimerase III. Tergantung pada spesies, 40 hingga 60 jenis tRNA ada di sitoplasma. Berfungsi sebagai adaptor, tRNA khusus mengikat urutan pada template mRNA dan menambahkan asam amino yang sesuai ke rantai polipeptida. Oleh karena itu, tRNA adalah molekul yang benar-benar “menerjemahkan” bahasa RNA ke dalam bahasa protein.

Dari 64 kemungkinan mRNA kodon-atau kombinasi triplet A, U, G, dan C-tiga menentukan penghentian sintesis protein dan 61 menentukan penambahan asam amino ke rantai polipeptida. Dari 61 ini, satu kodon (AUG) juga mengkodekan inisiasi translasi. Setiap tRNA antikodon dapat mendasarkan pasangan dengan salah satu kodon mRNA dan menambahkan asam amino atau mengakhiri translasi, sesuai dengan kode genetik. Sebagai contoh, jika urutan CUA terjadi pada template mRNA dalam bingkai bacaan yang tepat, itu akan mengikat tRNA yang mengekspresikan urutan komplementer, GAU, yang akan dihubungkan dengan asam amino leusin.

ikatan peptida
Gambar 1. Ikatan peptida menghubungkan ujung karboksil dari satu asam amino dengan ujung amino yang lain, mengeluarkan satu molekul air. Untuk kesederhanaan dalam gambar ini, hanya grup-grup fungsional yang terlibat dalam ikatan peptida yang diperlihatkan. sebutan R dan R ‘ mengacu pada sisa dari setiap struktur asam amino.

Sebagai molekul adaptor translasi, sangat mengherankan bahwa tRNA dapat memuat begitu banyak spesifisitas ke dalam paket kecil. Pertimbangkan bahwa tRNA perlu berinteraksi dengan tiga faktor: 1) harus dikenali oleh Aminoasil sintetase yang benar (lihat di bawah); 2) mereka harus dikenali oleh ribosom; dan 3) mereka harus mengikat urutan yang benar dalam mRNA.

Aminoasil tRNA sintetase

Proses sintesis pra-tRNA oleh RNA polimerase III hanya menciptakan bagian RNA dari molekul adaptor. Asam amino yang sesuai harus ditambahkan kemudian, setelah tRNA diproses dan diekspor ke sitoplasma. Melalui proses tRNA “pengisian,” setiap molekul tRNA dihubungkan dengan asam amino yang benar oleh sekelompok enzim yang disebut Aminoasil tRNA sintetase. Setidaknya satu jenis aminoasil tRNA sintetase ada untuk masing-masing dari 20 asam amino; jumlah yang tepat dari aminoasil tRNA sintetase bervariasi berdasarkan spesies. Enzim-enzim ini pertama mengikat dan menghidrolisis ATP untuk mengkatalisasi ikatan berenergi tinggi antara asam amino dan adenosin monofosfat (AMP); molekul pirofosfat dikeluarkan dalam reaksi ini. Asam amino aktif kemudian ditransfer ke tRNA, dan AMP dilepaskan.

sebutan
Gambar 2

Mekanisme Sintesis Protein

Seperti halnya sintesis mRNA, sintesis protein dapat dibagi menjadi tiga fase: inisiasi, elongasi, dan terminasi. Proses translasi serupa dalam prokariotik dan eukariota. Di sini kita akan menjelajahi bagaimana translasi terjadi pada E. coli, prokariota representatif, dan menentukan perbedaan antara translasi prokariotik dan eukariotik.

Inisiasi translasi

Sintesis protein dimulai dengan pembentukan kompleks inisiasi. Dalam E. coli, kompleks ini melibatkan ribosom kecil 30S, template mRNA, tiga faktor inisiasi (IF; IF-1, IF-2, dan IF-3), dan inisiator tRNA khusus, yang disebut tRNAMetf. Inisiator tRNA berinteraksi dengan kodon start AUG (atau jarang, GUG), menghubungkan ke metionin yang dimetilasi yang disebut fMet, dan juga dapat mengikat IF-2. Metionin formylated disisipkan oleh fMet − tRNAMetf pada awal setiap rantai polipeptida yang disintesis oleh E. coli, tetapi biasanya terpotong setelah translasi selesai. Ketika AUG dalam kerangka ditemui selama pemanjangan translasi, metionin non-formylated dimasukkan oleh Met-tRNAMet biasa.

Dalam E. coli mRNA, urutan hulu kodon AUG pertama, yang disebut Shine-Dalgarno sequence (AGGAGG), berinteraksi dengan molekul rRNA yang membentuk ribosom. Interaksi ini mengaitkan subunit ribosomal 30S di lokasi yang benar pada template mRNA. Guanosine triphosphate (GTP), yang merupakan trifosfat nukleotida purin, bertindak sebagai sumber energi selama translasi— baik pada awal pemanjangan dan selama translokasi ribosom.

Pada eukariota, bentuk kompleks inisiasi yang sama, terdiri dari mRNA, subunit ribosomal kecil 40S, IF, dan tripofosfat nukleosida (GTP dan ATP). TIRNA inisiator bermuatan, disebut Met-tRNAi, tidak mengikat fMet pada eukariota, tetapi berbeda dari Met-tRNA lainnya karena dapat mengikat IF.

Alih-alih menyimpan pada urutan Shine-Dalgarno, kompleks inisiasi eukariotik mengenali topi 7-methylguanosine pada 5 ′ ujung mRNA. Protein pengikat topi (CBP) dan beberapa IF lain membantu pergerakan ribosom ke topi 5 ′. Setelah di tutup, kompleks inisiasi melacak sepanjang mRNA di 5 ′ ke arah 3 ′ , mencari kodon mulai AUG. Banyak mRNA eukariotik diterjemahkan dari AUG pertama, tetapi ini tidak selalu terjadi. Menurut aturan Kozak, nukleotida di sekitar AUG mengindikasikan apakah itu adalah kodon start yang benar. Aturan Kozak menyatakan bahwa urutan konsensus berikut harus muncul di sekitar AUG gen vertebrata: 5′-gccRccAUGG-3 ′. R (untuk purin) menunjukkan situs yang dapat berupa A atau G, tetapi tidak bisa C atau U. Pada dasarnya, semakin dekat urutannya dengan konsensus ini, semakin tinggi efisiensi translasi.

Setelah AUG yang sesuai diidentifikasi, protein lain dan CBP berdisosiasi, dan subunit 60S berikatan dengan kompleks Met-tRNAi, mRNA, dan subunit 40S. Langkah ini melengkapi inisiasi translasi dalam eukariota.

Translasi, Elongasi, dan Terminasi

Pada prokariota dan eukariota, dasar-dasar elongasi adalah sama, jadi kita akan meninjau elongasi dari perspektif E. coli. Subunit ribosomal 50S dari E. coli terdiri dari tiga kompartemen: situs A (aminoasil) mengikat tRNA aminoasil yang bermuatan masuk. Situs P (peptidil) mengikat tRNA yang bermuatan membawa asam amino yang telah membentuk ikatan peptida dengan rantai polipeptida yang berkembang tetapi belum terdisosiasi dari tRNA yang sesuai. Situs E (keluar) melepaskan tRNA yang terdisosiasi sehingga mereka dapat diisi ulang dengan asam amino bebas. Ada satu pengecualian untuk jalur perakitan tRNA: di E. coli, fMet − tRNAMetf mampu memasuki situs P secara langsung tanpa terlebih dahulu memasuki situs A. Demikian pula, Met-tRNAi eukariotik, dengan bantuan dari protein lain dari kompleks inisiasi, mengikat langsung ke situs P. Dalam kedua kasus, ini menciptakan kompleks inisiasi dengan situs bebas yang siap menerima tRNA yang sesuai dengan kodon pertama setelah AUG.

Selama elongasi translasi, template mRNA memberikan kekhususan. Ketika ribosom bergerak sepanjang mRNA, setiap kodon mRNA masuk ke register, dan pengikatan spesifik dengan antikodon tRNA bermuatan yang sesuai dipastikan. Jika mRNA tidak hadir di kompleks elongasi, ribosom akan mengikat tRNA secara tidak spesifik.

Elongasi hasil dengan tRNA yang bermuatan memasuki situs A dan kemudian bergeser ke situs P diikuti oleh situs E dengan setiap satu kodon “langkah” dari ribosom. Langkah-langkah ribosom diinduksi oleh perubahan konformasi yang memajukan ribosom oleh tiga basa dalam arah 3.. Energi untuk setiap langkah ribosom disumbangkan oleh faktor perpanjangan yang menghidrolisis GTP. Ikatan peptida terbentuk antara gugus amino dari asam amino yang melekat pada tRNA situs-A dan gugus karboksil dari asam amino yang melekat pada tRNA situs-P. Pembentukan setiap ikatan peptida dikatalisis oleh peptidil transferase, enzim berbasis RNA yang diintegrasikan ke dalam subunit ribosom 50S. Energi untuk setiap pembentukan ikatan peptida berasal dari hidrolisis GTP, yang dikatalisasi oleh faktor elongasi yang terpisah. Asam amino yang terikat pada tRNA situs-P juga terkait dengan rantai polipeptida yang sedang tumbuh. Saat langkah ribosom melintasi mRNA, bekas tRNAsitus-P memasuki situs E, terlepas dari asam amino, dan dikeluarkan (Gambar 2). Hebatnya, alat translasi E. coli hanya membutuhkan 0,05 detik untuk menambahkan setiap asam amino, yang berarti bahwa protein asam 200-amino dapat diterjemahkan hanya dalam 10 detik.

Penghentian translasi terjadi ketika kodon nonsense (UAA, UAG, atau UGA) ditemukan. Setelah menyelaraskan dengan situs A, kodon nonsense ini dikenali oleh faktor pelepasan pada prokariota dan eukariota yang menginstruksikan peptidil transferase untuk menambahkan molekul air ke ujung karboksil dari asam amino situs-P. Reaksi ini memaksa asam amino situs-P melepaskan dari tRNA-nya, dan protein yang baru dibuat dilepaskan. Subunit ribosomal kecil dan besar berdisosiasi dari mRNA dan dari satu sama lain; mereka direkrut segera ke kompleks inisiasi translasi lain. Setelah banyak ribosom menyelesaikan translasi, mRNA terdegradasi sehingga nukleotida dapat digunakan kembali dalam reaksi transkripsi lain.

Lipat, Modifikasi, dan Penargetan Protein

Selama dan setelah translasi, asam amino individu dapat dimodifikasi secara kimia, rangkaian sinyal dapat ditambahkan, dan “dilipat” protein baru menjadi struktur tiga dimensi yang berbeda sebagai hasil dari interaksi intramolekul. Urutan sinyal adalah ekor pendek asam amino yang mengarahkan protein ke kompartemen seluler tertentu. Urutan-urutan ini pada ujung amino atau ujung karboksil protein dapat dianggap sebagai “tiket kereta” protein ke tujuan akhirnya. Faktor seluler lainnya mengenali setiap urutan sinyal dan membantu mengangkut protein dari sitoplasma ke kompartemen yang benar. Sebagai contoh, urutan spesifik pada ujung amino akan mengarahkan protein ke mitokondria atau kloroplas (pada tumbuhan). Setelah protein mencapai tujuan selulernya, urutan sinyal biasanya terpotong.

Banyak protein melipat secara spontan, tetapi beberapa protein membutuhkan molekul pembantu, yang disebut chaperone, untuk mencegah mereka berkumpul selama proses pelipat yang rumit. Bahkan jika protein ditentukan dengan tepat oleh mRNA yang sesuai, itu bisa mengambil bentuk yang sepenuhnya disfungsional jika suhu atau kondisi pH abnormal mencegahnya melipat dengan benar.

Ringkasan

Para pemain dalam translasi termasuk template mRNA, ribosom, tRNA, dan berbagai faktor enzimatik. Subunit ribosom kecil terbentuk pada template mRNA baik pada urutan Shine-Dalgarno (prokariota) atau topi 5 ((eukariota). Translasi dimulai pada AWT inisiasi pada mRNA, menentukan metionin. Pembentukan ikatan peptida terjadi antara asam amino sekuensial yang ditentukan oleh template mRNA sesuai dengan kode genetik. TRNA yang dimasukkan memasuki situs ribosom A, dan ikatan asam amino dengan asam amino di situs P. Seluruh mRNA diterjemahkan dalam tiga “langkah” nukleotida dari ribosom. Ketika kodon nonsense ditemukan, faktor pelepas mengikat dan memisahkan komponen dan membebaskan protein baru. Pelipatan protein terjadi selama dan setelah translasi.

Loading...