Översättning (biologi) – proteinbiosyntes, ribosomer och tRNA

Översättning är den andra delen av proteinbiosyntesen (tillverkningen av proteiner) och en viktig del av genuttrycksprocessen. I översättningen läser ribosomerna av budbärar‑RNA (mRNA) och fogar ihop aminosyror till en polypeptidkedja enligt den information som finns i mRNA-sekvensen.

Innan översättningen sker flera förberedande steg i cellen:

Transkription, som ger upphov till en kedja av introner och exoner.
RNA-splicing genom spliceosomer som tar bort introner, och
Formulering av budbärar-RNA från exoner.

Var översättningen sker

I eukaryoter sker översättningen på ribosomerna i cytoplasman och i det endoplasmatiska retikulumet (ER). Ribosomer som är bundna till det grova ER (via signalpeptider på nysyntetiserade proteiner) för in proteiner i ER-lumen, där de kan genomgå vidare bearbetning och förpackas i vesiklar. I bakterier sker översättningen i cellens cytoplasma och är ofta kopplad till transkriptionen eftersom bakterier saknar cellkärna — ribosomer kan börja översätta ett mRNA redan medan det fortfarande syntetiseras.

Ribosomerna: struktur och funktion

Ribosomerna består av en liten och en stor subenhet som tillsammans omsluter mRNA. Båda subenheterna innehåller ribosomalt RNA (rRNA) och proteiner. Den stora subenheten innehåller den katalytiska aktiviteten (peptidyltransferas), som bildas av rRNA och fungerar som en ribozyme.

Ribosomen har tre viktiga bindningsplatser för tRNA: A‑platsen (aminoacyl‑tRNA), P‑platsen (peptidyl‑tRNA) och E‑platsen (exit‑tRNA).
mRNA löper genom ribosomen i riktning 5' → 3', och varje trebasenhet (kodon) läses av i tur och ordning.

tRNA och aminosyror

Aminosyror transporteras av specifika transfer‑RNA (tRNA). Varje tRNA har ett trebasigt anticodon som är komplementärt till ett mRNA‑kodon. Innan översättning kopplas rätt aminosyra till rätt tRNA av ett enzym som kallas aminoacyl‑tRNA‑syntetas (”laddning” eller aminoacyliering). Detta steg är avgörande för att den genetiska koden ska översättas korrekt — ett givet anticodonpar är i praktiken alltid associerat med samma aminosyra efter laddning.

Genetiska kodens degenerering innebär att flera kodon kan koda för samma aminosyra. I många fall tillåter principen om wobble i den tredje basens position att ett tRNA kan känna igen flera liknande kodon.

Steg i översättningen

Översättningen kan delas in i tre huvudsteg: initiering, elongation och terminering.

Initiering: Den lilla ribosomala subenheten binder till mRNA och hittar startkodonet (vanligtvis AUG). En initierande tRNA (med metionin i eukaryoter eller formylmetionin i många bakterier) placeras i P‑platsen. Initieringsfaktorer och GTP hjälper till att montera translationsinitieringskomplexet och föra ihop den stora subenheten.
Elongation: En aminoacyl‑tRNA som matchar nästa kodon kommer in i A‑platsen. Peptidbindningen bildas mellan aminosyran i P‑platsen och den nya aminosyran i A‑platsen — katalyserat av peptidyltransferaset i den stora subenheten. Ribosomen förflyttar sig (translocation) ett kodon framåt med hjälp av elongationsfaktorer och GTP, vilket förflyttar peptidkedjan till P‑platsen och frigör det tomma tRNA:t via E‑platsen.
Terminering: När ett stoppkodon (UAA, UAG eller UGA) når A‑platsen binder en releasefaktor istället för ett tRNA. Detta leder till hydrolys av peptidyl‑tRNA‑bindningen och frigörande av den nybildade polypeptiden samt upplösning av ribosomkomplexet.

Efter översättningen

Den nyligen syntetiserade polypeptiden kan vara ett färdigt protein eller en del som kommer att kombineras med andra polypeptider. Polypeptiden måste ofta vikas till sin tredimensionella form, ibland med hjälp av chaperoner. Ytterligare post‑translationella modifieringar är vanliga — exempelvis klyvning av signalpeptider, fosforylering, glykosylering eller bildning av disulfidbryggor — vilket påverkar proteinets funktion, lokalisering och stabilitet.

Transport till organeller och utsöndring

Många ribosomer som är bundna till det grova endoplasmatiska retikulumet syntetiserar proteiner som ska insättas i ER‑membranet, transporteras i vesiklar till andra organeller eller utsöndras ut ur cellen. Ett membran-studerat signalpeptid styr ofta denna riktning och känns igen av ribosom‑partikeln SRP som temporärt stoppar translationen tills ribosomen är kopplad till ER‑membranet.

En förenklad metafor är att en ribosom fungerar som en fabriksmaskin som läser ett mRNA som en löpande textremsa (liknande ett ticker‑band) och sätter ihop aminosyror i rätt ordning för att bygga ett protein.

Övriga viktiga punkter

Peptidyltransferas‑aktiviteten i ribosomen är en rRNA‑katalyserad reaktion — ribosomen är alltså till viss del ett ribozyme.
Översättningen kräver energi: flera steg drivs av GTP (och ATP vid laddning av tRNA).
Skillnader mellan eukaryota och prokaryota translationer finns i initiationsmekanismer, ribosomstorlekar (t.ex. 80S i eukaryoter vs 70S i bakterier) och i kopplingen till transkription.

Diagram som visar översättningen av mRNA och syntesen av proteiner med hjälp av en ribosom.

Fyra steg

Översättningen sker i fyra steg: aktivering (göra sig redo), initiering (start), förlängning (förlängning) och avslutande (stopp). Dessa termer beskriver tillväxten av aminosyrakedjan (polypeptid).

Aminosyror förs till ribosomerna och byggs ihop till proteiner. I aktiveringsfasen binds rätt aminosyra kovalent till rätt överförings-RNA (tRNA). När tRNA:et är kopplat till en aminosyra är det "laddat".
Initiering är när den lilla delen av ribosomen ansluter sig till mRNA:s 5'-ända med hjälp av initieringsfaktorer (IF).
Elongation är när de aminosyror som kommer från de "laddade" tRNA:erna kopplas samman till varandra för att bilda en polypeptid.

Vissa antibiotika fungerar genom att hindra översättning från att ske. Prokaryotiska ribosomer skiljer sig från eukaryotiska ribosomer. Därför kan antibiotika döda bakterier utan att skada den eukaryotiska värden. Antibiotika som tas av en människa kan t.ex. döda bakterierna som gör människan sjuk, men skadar inte människan.

Översikt över översättningen av eukaryotiskt budbärar-RNA

Frågor och svar

F: Vad är översättning?

S: Translation är den andra delen av proteinbiosyntesen, som är processen för att tillverka proteiner. Den är en del av genuttrycket och inbegriper bildandet av budbärar-RNA från exoner och introner.

F: Var sker översättningen i eukaryoter?

S: I eukaryoter sker översättningen på ribosomer i cytoplasman och det endoplasmatiska retikulumet.

F: Hur fungerar tRNA:erna under översättningen?

S: Under översättningen ansluter tRNA med anticodon till mRNA:s matchande kodoner och transporterar aminosyror. När ett tRNA matchar ett mRNA kopplas den aminosyra som var kopplad till det av från tRNA:et och kopplas till den aminosyra som det föregående tRNA:et förde med sig.

F: Hur fungerar en ribosom under översättning?

S: En ribosom fungerar som en aktieklocka och ett tickerband under översättningen. Många ribosomer fäster sig vid ett yttre membran i grova endoplasmatiska retikulum tillsammans med mRNA, där de tillverkar proteiner som går in i vesiklar som sedan för dem till andra organeller eller utanför cellen.

F: Vad kommer före transkriptionen?

S: Före transkriptionen kommer genuttrycket som producerar en kedja av introner och exoner genom RNA-splicing av spliceosomer som tar bort introner.

F: Vad händer efter att polypeptider har tillverkats under översättningen?

S: Efter att polypeptiderna tillverkats under översättningen kan de behöva kombineras med andra polypeptider så att de kan bilda hela proteiner eller vikas innan de kan fungera som proteiner.

F: Var sker översättningen i bakterier?

S: I bakterier sker översättningen i cellens cytoplasma eftersom de inte har någon cellkärna.