Μετάφραση (βιολογία)

Μετάφραση ονομάζεται το στάδιο της έκφρασης της γενετικής πληροφορίας κατά το οποίο δημιουργείται η πολυπεπτιδική αλυσίδα με βάση το mRNA . Η μετάφραση έπεται της μεταγραφής και προηγείται της αναδίπλωσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Όπως και το προηγούμενο στάδιο, η μετάφραση στηρίζεται στη συμπληρωματικότητα των νουκλεϊκών οξέων και στη δημιουργία και διάσπαση των δεσμών υδρογόνου και τη δημιουργία των πεπτιδικών δεσμών.

Ο ρόλος του RNA

Σε αυτό το στάδιο το RNA στο οποίο μεταγράφηκε η πληροφορία μπορεί να ταξιδέψει εκτός του πυρήνα και μόλις συναντήσει κάποιο ριβόσωμα αρχίζει η δημιουργία της πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε αυτό. Σε αυτό το στάδιο συμμετέχουν και άλλα δύο είδη RNA, το sRNA και το tRNA. Χαρακτηριστικό αυτής της διαδικασίας είναι ότι η γενετική πληροφορία κωδικοποιημένη στο RNA σε τέσσερα διαφορετικά χαρακτηριστικά συμπλέγματα (τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις) μετατρέπεται σε είκοσι διαφορετικά συμπλέγματα, τα είκοσι αμινοξέα.
Τα tRNA συνδέονται με αμινοξέα. Το κάθε tRNA φέρει ένα σημείο με το οποίο μπορεί να συνδεθεί στο mRNA, το οποίο ονομάζεται αντικωδικόνιο. Το αντικωδικόνιο αποτελείται από τρία διαδοχικά νουκλεοτίδια τα οποία είναι συμπληρωματικά τριών διαδοχικών νουκλεοτιδίων του mRNA, η οποία διαδοχική τριάδα νουκλεοτιδίων ονομάζεται κωδικόνιο, δηλαδή υπάρχει συμπληρωματικότητα ως προς τα κωδικόνια και τα αντικωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο στο mRNA, αντιστοιχεί σε ένα αμινοξύ, αφού κάθε κωδικόνιο αντιστοιχεί ακριβώς σε ένα είδος tRNA που συνδέεται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Η σύνδεση κωδικονίου-αντικωδικονίου συμβαίνει στο ριβόσωμα. Το ριβόσωμα έχει θέσεις για δύο αμινοξέα.
Στη μία θέση μπαίνει το ένα αμινοξύ (συνδεδεμένο με το tRNA) εξαιτίας της σύνδεσης του tRNA με το mRNA. Αυτό ολισθαίνει στη δεύτερη θέση ταυτόχρονα με τη ολίσθηση του συνδεδεμένου mRNA, ενώ στην προηγούμενη μπαίνει το επόμενο αντίστοιχο σύπλεγμα tRNA αμινοξέος εξαιτίας της συμπληρωματικότητας με το RNA. Τα δύο γειτονικά αμινοξέα συνδέονται με χημικό δεσμό. Ξαναγίνεται ολίσθηση, ώστε τη δεύτερη θέση να την πάρει το σύμπλεγμα που βρισκόταν στην πρώτη θέση αφήνοντας μια κενή θέση. Έτσι, εισέρχεται το επόμενο σύμπλεγμα tRNA-αμινοξέος και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Κατά την έξοδο της πολυπεπτιδικής αλυσίδας με το mRNA και το tRNA, αυτή αποσυνδέεται από τα tRNA και τα tRNA αποσυνδέονται από την αλυσίδα mRNA. Η διαδικασία έχει συγκεκριμένα κωδικόνια mRNA για την έναρξη και τη λήξη της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Αυτή η διαδικασία αποδείχθηκε με πειράματα που ξεκίνησε ο Μ. Νίρεμπεργκ το 1961 και τελείωσαν οι Σ. Οχόα και Γκ. Κοράνα το 1965.
Η πολυπεπτιδική αλυσίδα αργότερα ακολουθεί και άλλα στάδια διαμόρφωσης, για την αποπεράτωση της πρωτεϊνοσύνθεσης.
Το σύστημα αντιστοιχίας κωδικονίων-αντικωδικονίων-αμινοξέων είναι παγκόσμιο, ισχύει το ίδιο ακριβώς σε κάθε οργανισμό και ονομάζεται γενετικός κώδικας. Επειδή το κάθε κωδικόνιο του mRNA αντιστοιχεί ακριβώς σε μια τριάδα νουκλεοτιδίων του DNA, οι διαδοχικές ακολουθίες νουκλεοτιδίων στο DNA καθορίζουν ποιες πολυπεπτιδικές αλυσίδες θα παραχθούν στο κύτταρο και έμμεσα ποιες πρωτεΐνες θα παραχθούν σε αυτό, και μέσω αυτών ποιες λειτουργίες, ποια χαρακτηριστικά, ποιες αντιδράσεις θα έχει το κύτταρο στον κύκλο ζωής του.

Διαδικασία

Στην αρχή, η μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος προσκολλάται στο mRNA. Η μετάφραση δεν αρχίζει από την πρώτη τριάδα του mRNA, αλλά από το πρώτο AUG (και σπανιότερα στα βακτήρια με GUG), γνωστό ως κωδικόνιο έναρξης. Πριν το κωδικόνιο έναρξης στο mRNA των βακτηρίων βρίσκεται μια αλληλουχία πλούσια σε πουρίνες, γνωστή ως αλληλουχία Shine-Dalgarno. Αυτή η αλληλουχία βρέθηκε ότι είναι συμπληρωματική με μια αλληλουχία κοντά στο 3’ άκρο του 16S rRNA της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος και βοηθάει στην ισχυρότερη πρόσδεση mRNA και ριβοσώματος για να αρχίσει η μετάφραση. Μεταλλάξεις στην αλληλουχία παρεμποδίζουν σε αξιοσημείωτο βαθμό την αναγνώριση της περιοχής έναρξης του mRNA. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα δεν υπάρχει τέτοια περιοχή και το πρώτο AUG δρα ως κωδικόνιο έναρξης.
Μετά το σχηματισμό του συμπλόκου mRNA και μικρής υπομονάδας, το πρώτο tRNA (εναρκτήριο) προσδένεται στο κωδικόνιο έναρξης. Στα βακτήρια, το πρώτο tRNA μεταφέρει ένα τροποποιημένο κατάλοιπο μεθειονίνης, την Ν-φορμυλομεθειονίνη, την οποία μεταφέρει ένα ειδικό tRNA, το οποίο αναφέρεται ως tRNAf. Η παρουσία της βοηθάει να μη σχηματιστεί ένας εξαμερής δακτύλιος ανάμεσα στο πρώτο και το δεύτερο αμινοξύ και με αυτό τον τρόπο να τερματιστεί η μετάφραση. Συνήθως η Ν-φορμυλομεθειονίνη αφαιρείται όταν η πεπτιδική αλυσίδα γίνει μεγαλύτερη από 10 αμινοξέα. Στη συνέχεια η μεγάλη υπομονάδα προσαρτάται στο σύμπλοκο. Στους ευκαρυώτες, το πρώτο tRNA μεταφέρει μεθειονίνη. 
Για να μην συνδεθεί η μικρή υπομονάδα με την μεγάλη πρόωρα, χωρίς το mRNA και το εναρκτήριο tRNA, στη μικρή υπομονάδα είναι συνδεδεμένες πρωτεΐνες που ονομάζονται παράγοντες έναρξης. Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί διαθέτουν τρεις παράγοντες έναρξης (IF1, IF2 και IF3), ενώ οι ευκαρυωτικοί πολλοί περισσότερους με πιο περίπλοκη αλληλεπίδραση. Στους προκαρυώτες, η μικρή υπομονάδα συνδέεται σχηματίζει ένα σύμπλοκο με τους IF1 και IF3 και με αυτό τον τρόπο αποτρέπεται η πρόωρη σύνδεση της μεγάλης υπομονάδας. Ο IF2 δεσμεύει GTP και μετά τη δέσμευση μπορεί να συνδεθεί με το tRNAf. Στη συνέχεια, το σύμπλοκο tRNAf-IF2-GTP συνδέεται με την μικρή υπομονάδα με το mRNA. Η υδρόλυση του GTP οδηγεί στην απελευθέρωση των παραγόντων έναρξης και η μεγάλη υπομονάδα συνδέεται με το σύμπλοκο. 
Το ριβόσωμα διαθέτει τρεις θέσεις στις οποίες δεσμεύεται το tRNA, οι οποίες ονομάζονται Α (από aminoacyl, αμινοάκυλο), Ρ (από peptidyl=πεπτίδυλο) και Ε (από exit= έξοδος). Το εναρκτήριο tRNA βρίσκεται στην θέση Ρ και έτσι η θέση Α είναι ελεύθερη για να δεσμευτεί σε αυτή το tRNA το οποίο είναι συμπληρωματικό με το επόμενο κωδικόνιο στο mRNA. Το αμινοξύ του tRNA που βρίσκεται στη θέση Ρ μεταφέρεται στο αμινοξύ του tRNA στη θέση Α και μεταξύ τους σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός. Η μεταφορά γίνεται από την πεπτιδυλομεταφοράση. Στη συνέχεια, η πεπτιδική αλυσίδα είναι προσαρτημένη στο tRNA της θέσης Α, ενώ στη μεγάλη υπομονάδα το πεπτίδιο βρίσκεται στη θέση Ρ της μεγάλης υπομονάδας. Το tRNA που έδωσε το αμινοξύ βρίσκεται στη θέση Ρ της μικρής υπομονάδας. Για να μην υδρολυθεί πρόωρα ο δεσμός ανάμεσα στο αμινοξύ και το tRNA, το ενεργό κέντρο του ριβοσώματος αποκλείει το νερό. 
Το tRNA παραδίδει στην θέση Α ο παράγοντας επιμήκυνσης Tu (EF-Tu). Όταν ο EF-Tu είναι συνδεδεμένος με GTP, τότε μπορεί να συνδεθεί με ένα αμινοακυλο-tRNA. Ο EF-Tu προστατεύει την εστερική σύνδεση του αμινοξέος με το tRNA από την υδρόλυση, ενώ αν το αντικωδικόνιο του tRNA δεν ταιριάζει με το κωδικόνιο του mRNA, τότε το GTP δεν υδρολύεται και το tRNA δεν μεταφέρεται στο ριβόσωμα. Αν το tRNA είναι σωστό, τότε το GTP υδρολύεται και το tRNA μεταφέρεται στη θέση Α. Ο EF-Tu δεν αναγνωρίζει το tRNAf. Τη μετατροπή του EF-Tu-GDP σε ΕF-Tu-GTP διευκολύνει ο EF-Ts. 
Για να συνεχίσει η μετάφραση, το mRNA μετατοπίζεται έτσι ώστε στη θέση Α να βρεθεί το επόμενο κωδικόνιο με την βοήθεια του παράγοντα επιμήκυνσης G, ενός πρωτεϊνικού ενζύμου. Η μετακίνηση γίνεται με την υδρόλυση ενός GTP. Μετά την μετακίνηση, το tRNA στο οποίο είναι συνδεδεμένη η πεπτιδική αλυσίδα βρίσκεται ολόκληρο στη θέση Ρ, ενώ το tRNA που έδωσε το αμινοξύ μεταφέρεται στην θέση Ε και αποδεσμεύεται από το mRNA. Μετά αρχίζει ένας νέος κύκλος με την είσοδο στην θέση Α του συμπληρωματικού tRNA για το επόμενο κωδικόνιο και με αυτό τον τρόπο αναπτύσσεται η πολυπεπτιδική αλυσίδα. 
Η μετάφραση τερματίζεται όταν εμφανιστεί ένα από τα κωδικόνια λήξης (UAA, UAG και UGA). Το κύτταρο δεν διαθέτει φυσιολογικά tRNA για αυτά τα κωδικόνια. Αντίθετα, αυτά τα κωδικόνια τα αναγνωρίζουν πρωτεΐνες γνωστές ως παράγοντες τερματισμού (release factors, RF). Ο RF1 αναγνωρίζει τα UAA και UAG, ο RF2 αναγνωρίζει τα UAA και UGA και ο RF3, μαζί με μια άλλη πρωτεΐνη, βοηθάει την αλληλεπίδραση των δύο προηγουμένων με το ριβόσωμα. Η δομή ενός ευκαρυωτικού παράγοντα τερματισμού μοιάζει με αυτή του tRNA, ενώ διαθέτει ένα βραχίονα με τον οποίο μπορεί να μεταφέρει ένα μόριο νερού στο ενεργό κέντρο της πεπτιδυλομεταφοράσης και να διασπάσει με αυτό το δεσμό ανάμεσα στην πολυπεπτιδική αλυσίδα και το tRNA χρησιμοποιώντας την χημική αντίδραση με την οποία το ριβόσωμα επιμηκύνει την πεπτιδική αλυσίδα, με αποτέλεσμα η πολυπεπτιδική αλυσίδα να απελευθερωθεί. Το mRNA και το tRNA παραμένουν προσδεδεμένα για λίγο στο ριβόσωμα μέχρι όλο το σύμπλοκο να αποσυναρμολογηθεί από τις πρωτεΐνες EF-G και RRF (ribosome release factor, ριβοσωμικός παράγοντας τερματισμού).