10.6: Prokaryotisk oversættelse
Så snart RNA’et er kommet ud af RNAP’en, og der er tilstrækkelig plads til at rumme et ribosom, kan oversættelsen begynde i prokaryoter. For højt udtrykte gener ville det faktisk ikke være usædvanligt at se flere RNA-polymeraser, der transskriberer DNA’et, og flere ribosomer på hvert af transskriptionerne, der oversætter mRNA’et til protein! Processen begynder med den lille ribosomale underenhed (og kun den lille underenhed – hvis den er knyttet til den store underenhed, kan den ikke binde mRNA’et), som binder sig løst til mRNA’et og begynder at scanne det efter en genkendelsessekvens kaldet Shine-Dalgarno-sekvensen, efter dens opdageres navn. Når denne er genkendt af den lille ribosomale underenhed rRNA, placerer den lille underenhed sig omkring startkodonet (AUG). Denne proces lettes af initieringsfaktorer som følger.
Den 30S ribosomale underenhed dissocieres fra den 50S ribosomale underenhed, hvis den var associeret med en sådan, og binder sig til initieringsfaktorerne IF-1 og IF-3. IF-1 binder sig til A-stedet, hvor den forhindrer nye aminoacyl-tRNA-molekyler i at komme ind, før det fulde ribosom er samlet. Den letter også samlingen og stabiliseringen af initieringskomplekset. IF-3 er nødvendig for at give 30S-underenheden mulighed for at binde sig til mRNA. Når dette er sket, ankommer IF-2-GTP til stedet og medbringer initiatoraminoacyl-tRNA’et. Dette sætter sig fast i P-stedet, som er placeret således, at tRNA’ets anticodon sætter sig fast over mRNA’ets AUG-startkodon. Hydrolyse af den GTP, der er knyttet til IF-2, og frigivelse af alle initieringsfaktorerne er nødvendig for at give 50S-underenheden mulighed for at binde sig til 30S-underenheden for at danne det fuldstændige og fuldt funktionelle ribosom. Da GTP-hydrolyse var påkrævet, er sammenføjningen af underenhederne irreversibel spontant og kræver energiforbrug ved afslutningen af oversættelsen. Når 50S-underenheden har forenet sig med 30S-underenheden, er A-stedet klar til at modtage det næste aminoacyl-tRNA.
En almindelig og forståelig misforståelse er, at den nye aminosyre, der bringes til ribosomet, tilføjes til den voksende polypeptidkæde. Faktisk er mekanismen præcis den modsatte: polypeptidet tilføjes på den nye aminosyre (figur \(\PageIndex{4}\)). Dette begynder fra den anden aminosyre, der skal tilføjes til et nyt protein (figur \(\PageIndex{5}\)). Den første aminosyre, en methionin, skal du huske, kom ind sammen med IF-2 og initiator-tRNA’et. Det nye aminoacyl-tRNA ledsages af EF-Tu, en elongationsfaktor, der bærer en GTP. Når aa-tRNA’et er på plads, hydrolyserer EF-Tu GTP’en og dissocierer sig fra aminoacyl-tRNA’et og ribosomet.
I lang tid var der en smule mystik omkring den samtidige docking af to tRNA-molekyler på umiddelbart tilstødende kodoner i mRNA. Under normale forhold burde der ikke være plads nok, da tRNA’erne er ret voluminøse, og det ene skulle hindre det andet i at nå frem til mRNA’et for at lave et codon-anticodon match. Spørgsmålet blev endelig afklaret i 2001 med røntgenkrystallografiske undersøgelser, der viste en bøjning i mRNA’et mellem kodonet i P-slottet og kodonet i A-slottet. Bøjningen placerer de to tilknyttede tRNA’er i lidt forskellige vinkler og skaber således lige akkurat nok plads til, at de begge kan opretholde baseparende hydrogenbindinger med mRNA’et. Se Yusupov et al, Science 292 (5518): 883-896, 2001.
Når et nyt aminoacyl-tRNA falder ned i ribosomets A-slot, er anticodonet på linje med kodonet i mRNA’et. Hvis der ikke er komplementaritet, flyder aminoacyl-tRNA’et hurtigt tilbage ud af slotten for at blive erstattet af en anden kandidat. Hvis der imidlertid er komplementaritet (eller noget, der ligger tæt nok på, hvilket minder om idéen om wobble), dannes der H-bånd mellem kodonet og anti-codonet, tRNA’et ændrer konformation, hvilket forskyder EF-Tu’s konformation, hvilket forårsager hydrolyse af GTP til GDP + Pi og frigørelse fra aa-tRNA’et. Interaktionen mellem codon og antiticodon er stabil længe nok til, at ribosomets katalytiske aktivitet kan hydrolyserer bindingen mellem fMet og tRNAf i P-slottet og binde fMet til den nye aminosyre med en peptidbinding i A-slottet. Den nye aminosyre er stadig knyttet til sit tRNA, og efterhånden som denne proces finder sted, flytter ribosomet sin position i forhold til mRNA’erne og tRNA’erne. Det tRNAf, der nu er tomt (ingen aminosyre er knyttet), placeres således i E-slottet, tRNAaa i P-slottet, knyttet til den aa, der er bundet til Met, og A-slottet er igen åbent for et nyt tRNA, der kan komme ind. Elongationsfaktoren EF-G binder sig i nærheden af A-slottet, så snart EF-Tu forlader det, og den er nødvendig for ribosomal translokation, idet den leverer energi til processen ved at hydrolyserer en GTP, som den medbringer til ribosomet. Ud fra mine elevers erfaringer ser det ud til, at den bedste måde at lære dette på er at studere diagrammerne og se molekylernes bevægelser og udfylde de mekanistiske detaljer i dit hoved. Denne proces fortsætter, indtil ribosomet bringer A-slottet på linje med et stopkodon.
Der er ikke noget tRNA med et anticodon til stopkodonet. I stedet er der et sæt frigørelsesfaktorer, der t ind i ribosomets A-site, binder sig til stopkodonet og aktiverer ribosomet til at skære bindingen mellem polypeptidkæden og det sidste tRNA over (figur \(\(\PageIndex{6}\)). Afhængigt af hvilket stopkodon der er til stede, går enten RF1 (der genkender UAA eller UAG) eller RF2 (for UAA eller UGA) først ind i A-slottet. RF1 eller RF2 danner et kompleks med RF3, som er involveret i den efterfølgende frigivelse af RF-komplekset fra A-slottet. Dette er nødvendigt, fordi når polypeptidet er blevet frigjort fra ribosomet, skal mRNA’et frigives. Ribosome releasing factor (RRF) binder også i A-slottet, hvilket medfører en konformationsændring i ribosomet, som frigør det tidligere og nu tomme tRNA. Endelig binder EF-G til RRF og forårsager med en ledsagende hydrolyse af GTP en opsplitning af ribosomet i separate store og små underenheder. Bemærk, at det er kombinationen af EF-G/RRF, der forårsager dissociation; EF-G alene spiller en anden rolle i ribosombevægelsen, når den ikke er ved stopkodonet.