Valgusüntees

Valgusüntees ehk valgu biosüntees on valkude moodustamise protsess rakkudes, milles osalevad RNA-d ja ribosoomid.

Sageli nimetatakse valgusünteesi ka translatsiooniks või viidatakse mõiste kasutamisel vaid translatsiooni mehhanismile, kuid valgusünteesis on laiem mõiste. Tegemist on mitmeastmelise protsessiga, mis algab aminohappe sünteesist ja tuumast pärineva DNA transkriptsioonist mRNA-ks (sõnumi-RNA ehk messenger-RNA), mis on hiljem translatsiooni alginformatsiooniks. Seega on valgusüntees protsessi, milles rakud loovad ja taastoodavad valke.

Valk on oma primaarstruktuurilt polümeer, mille monomeerideks on 20 (21) aminohapet. Aminohapped on polümeeri ahelates ühendatud peptiidsidemete abil. Valgusünteesis toimub mRNA translatsioon polüpeptiidiks.

Geneetilist informatsiooni kantakse üle nukleiinhapetes, DNA-s ja RNA-s. Seda väljendatakse neljatähelise "tähestiku" abil, millega moodustatakse kolmetähelised "sõnad". Viimased transleeritakse omakorda valkudeks, mille "tähestik" on palju mahukam.

Tsistroonset DNA-d kasutatakse mitme RNA vaheühendi sünteesiks. Tsistroonne DNA on selline DNA lõik, mis kodeerib ühte ainsat polüpeptiidi ja on seega päriliku informatsiooni ühikuks. Lõppvarianti kasutatakse polüpeptiidse ahela sünteesiks. Tihti sünteesitakse valke mRNA transleerimisel. Kui mõnda valku on vaja suurtes kogustes või lühikese aja jooksul, sünteesitakse ka valgu prekursor. Eelproteiin (või proproteiin) on töövõimetu valk, mis sisaldab ühte või enam inhibitoorset peptiidi, mis aktiveeritakse posttranslatsioonilise modifikatsiooni käigus, kui eemaldatakse mitteaktiivsed järjestused. Preproteiin on valguvorm, kus esineb signaaljärjestus (N-terminaalse otsa signaaljärjestus), mis määrab selle sisenemise viisi läbi membraanide. Preproteiinid sisaldavad nii inhibitoorseid kui ka signaaljärjestusi.

Valgusünteesi käigus tuuakse tRNA molekulid, mis sisaldavad sobivaid aminohappeid, lähestikku mRNA ahelaga ning aluspaarid paarduvad omavahel, sobivad mRNA koodonid paarduvad sobivate tRNA antikoodonitega. Aminohapped liidetakse kokku peptiidsidemete abil ning vabad tRNA-d vabastatakse protsessist. Kogu protsessi viivad läbi ribosoomid, mis koosnevad kahest põhilisest RNA ahelast – rRNA-st (ribosoomi RNA) ja enam kui 50 liiki valgust. Ribosoom kinnitub mRNA otsale ning liigub piki ahelat, püüdes aminohapetega tRNA-sid, ühendades aminohappeid ja luues uusi valguahelaid.

Prokarüootide ja eukarüootide valgusüntees on erinev. Prokarüootides toimub translatsioon tsütoplasmas ning eukarüootide puhul endoplasmaatilises retiikulumis.

Transkriptsioon

Transkriptsiooni mehhanismi avastajateks olid Watson ja Crick 1953. aastal.

Transkriptsiooni käigus luuakse mRNA ahel, mille aluseks on kaksikahelalise DNA üks ahelatest. See on mRNA malliks. Transkriptsiooni võiks üldiselt jagada kolme ossa – initsiatsioon ehk algatamine, elongatsioon ehk pikendamine ja terminatsioon ehk lõpetamine. Transkriptsiooni faktorid ja kofaktivaatorid reguleerivad kõiki kolme etappi. Kuna sünteesida on vaja õige ahel, on kontroll väga tähtis. RNA polümeraas interakteerub transkriptsiooni faktoritega ning viib läbi mRNA ahela sünteesi.

DNA ahelat loetakse 3’ otsast 5’ otsa ning mRNA-d sünteesitakse 5’ otsast 3’ otsa. Protsessi viib läbi RNA polümeraas. 
Transkriptsioon leiab aset rakutuumas, kus säilitatakse ka raku DNA-d. Raku DNA ahel koosneb kaksikheeliksist, mis sisaldab suhkrujääke ja fosfaate. Seda kõike hoiavad koos lämmastikalused. Suhkrujääke ja fosfaate ühendavad vesiniksidemed. 
Ensüüm helikaas "lukustab lahti" DNA ahelad, üks ahelatest jääb šablooniks mRNA sünteesil. RNA polümeraas loeb DNA ahelat 3’ suunast 5’ suunda. Samal ajal sünteesib ta mRNA ahelat 5’–3’ suunas. Positiivne RNA ahel luuakse negatiivse DNA ahela alusel. Üldiselt DNA ja RNA ahelad sarnanevad struktuuri poolest, kuid DNA lämmastikalus tümiin on RNA ahelas asendatud uratsiiliga. 
Üheahelaline mRNA lahkub tuumast tuumapooride kaudu ja migreerub tsütoplasmasse.
Osa geene transkribeeritakse tihedamini kui teised. Samuti transkribeeritakse mõnda geeni vaid lühikest aega raku eluea jooksul, teisi toodetakse juurde pidevalt.

Eukarüootides toimub transkriptsioon tuumas ning transkript transporditakse tsütoplasmasse translatsiooni läbiviimiseks. Transkriptsioon ja translatsioon on võimalik ka kloroplastides ja mitokondrites. Mitokondrite ja kloroplastide membraanides on hulgaliselt valgulisi kanaleid, seepärast vajavad need organellid eraldi valgusünteesi.
Mõned valgud kodeeritakse otse tuumas DNA alusel, sünteesitakse tsütoplasmas ning lõpuks transporditakse organellidesse.

Bakterite ja arhede puhul toimub kogu protsess tsütoplasmas. Bakteriaalne mRNA võib olla polütsistroonne (kodeerida mitmeid polüpeptiide) ning mRNA võib sisaldada informatsiooni enam kui ühelt geenilt. Eeltuumsete puhul toimub translatsioon esmaselt transkriptilt. Päristuumsete puhul allub pre-mRNA protsessingule.

Transkriptsioonijärgsed protsessid päristuumsetes organismides

Pre-mRNA-d modifitseeritakse kolmel viisil. Kõik protsessid toimuvad rakutuumas. Esimese etapina lisatakse pre-mRNA 5' otsa 7-metüülguanosiin. Protsess vajab ensüüme fosfataasi ja guanosüül transferaasi. Protsess kannab nimetust capping ning selline pre-mRNA modifitseerimine kaitseb RNA transkripti ribonukleaaside eest, mis seonduvad just 3'5' fosfodiestersidemetele. Polüadenülatsiooni faasis lisatakse pre-mRNA 3' otsa umbes 250 adeniini ning seda kutsutakse polü(A) sabaks. Prekursormolekulina kasutatakse ATPd. Sünteesijärgselt seob polü(A) saba endaga mitmeid valke, mis kaitsevad 3' otsa ribonukleaaside eest. Viimast modifikatsiooni etappi nimetatakse splaissimiseks. Selle protsessi tulemusena lõigatakse pre-mRNA-st välja intronid, mis ei kodeeri valke, ja ühendatakse eksonid üheks molekuliks. Reaktsiooni viib läbi suur valguline kompleks splaissosoom. Paljusid pre-mRNA-sid, ka neid, mis kodeerivad antikehi, võib splaissida mitmel viisil, et toota erinevaid mRNA-sid, mis kodeerivad erisuguseid valke. Viimast protsessi tuntakse alternatiivse splaissingu nime all. See lubab toota küllaltki suurt hulka valke piiratud DNA kogusest. Protsessingu tulemusena moodustub küps mRNA, mis on valmis translatsiooniks tsütoplasmas.

Translatsioon

Valkude sünteesi nimetatakse eri allikates translatsiooniks. Tegelikult on translatsioon üldise valgu biosünteesi kolmas etapp. Ribosoom kodeerib transkriptsiooni käigus loodud mRNA aminohappeks või polüpeptiidiks, mis hiljem voltub aktiivseks valguks. Translatsioon toimub tsütoplasmas, kus paiknevad ribosoomid. Ribosoomid koosnevad kahest alaühikust – suurest ja väikesest, mis ümbritsevad translatsiooni protsessi ajal mRNA-d. mRNA seondub ribosoomi spetsiifilise stardisignaaliga, mis asub P-saidis. Stardikoodoni tunneb ära initsiaator-tRNA. Pärast seda, kui initsiaator-tRNA ja mRNA on seondunud ribosoomi väikesele alaühikule, seondub sellele ka suur alaühik. mRNA kodeeritakse tootma erilist polüpeptiidi, mis vastab geneetilise koodi reeglitele.
Selle reegli kohaselt kasutatakse mRNA-d mallina tootmaks aminohappelist ahelat, millest hiljem moodustub valk. Translatsioon koosneb neljast etapist: aktivatsioon ehk ergastamine, initsiatsioon ehk algatamine, elongatsioon ehk pikendamine ja terminatsioon ehk lõpetamine. Kõik neli kirjeldavad kasvavat aminohappelist ahelat.

Aktivatsiooni etapis seotakse vastavate süntetaaside abil õige aminohape talle sobiva tRNA-ga. Kuigi seda ei loeta translatsiooni tehniliseks etapiks, on see staadium, kust alates võib translatsioon edasi minna. Aminohape seob end tRNA-ga oma karboksüülrühma abil, tRNA-l on selleks olemas 3’ hüdroksüülrühm, moodustub esterside. tRNA on nüüd laetud olekus. Initsiatsiooni etapp hõlmab ribosoomi väikese alaühiku seondumist mRNA 5’ otsale. Sellel etapil on abiks initsiatsioonifaktor. Ka teised valgud võivad selles etapis abiks olla. Elongatsiooni faas jõuab kätte, kui järgmine aminoatsüül-tRNA ehk laetud tRNA seondub ribosoomiga, koos GTP ja elongatsioonifaktoriga. Tähtsal kohal on sõnumi õigesti kodeerimine, seepärast on olemas ka lisakontrolli protsess, mida nimetatakse täppislugemiseks (proofreading).

Elongatsioonifaktoritel on kaks põhilist ülesannet – aminoatsüül-tRNA seondumine A-saiti ja peptidüül-tRNA translokatsioon A-saidist P-saiti. Samas, elongatsiooni tähtsaim protsess – peptidüülrühma ülekandmine on spontaanne protsess ning ei vaja lisafaktoreid.

Terminatsioonietapp jõuab kätte siis, kui ribosoomi A-sait tunneb ära stoppkoodoni (kas UAA, UAG või UGA). tRNA ei tunne sellist järjestust, kuid vabastusfaktor (releasing factor) tuvastab "veidrad järjestused" ning põhjustab aminohappelise ahela vabastamist.

Võimet peatada või inhibeerida valgusünteesi kasutavad mitmed antibiootikumid, nagu näiteks anisomütsiin, tsükloheksimiid, klooramfenikool, tetratsükliin, streptomütsiin ja teised.

Posttranslatsioonilised protsessid

Pärast valgusünteesi toimub valgu keemiline modifikatsioon, mida nimetatakse posttranslatsiooniliseks modifikatsiooniks ja valgu voltumine. Posttranslatsioonilised modifikatsioonid on valgu biosünteesi hilisem staadium, seega on nad geeniekspressioonil tähtsad. Posttranslatsioonilised modifikatsioonid laiendavad valkude funktsioone. Tavaliselt rünnatakse valkude funktsionaalseid gruppe, näiteks atsetaate, fosfaate, erinevaid lipiide ja karbohüdraate. Sageli muudetakse aminohapete keemilist iseloomu (näiteks arginiini muutmine tsitrulliiniks) ja keemilist struktuuri (disulfiidsildade moodustamine).

Ensüümid võivad eemaldada aminohappeid valkude N-terminaalsest otsast ja lõigata peptiidahelat keskelt. Näiteks hormooni insuliin lõigatakse kaks korda pärast disulfiidsildade moodustumist – keskelt eemaldatakse propeptiid ja lõplik valk koosneb kahest polüpeptiidiahelast, mis on ühendatud disulfiidsildadega. Esimeseks aminohappeks valguahelas on tavaliselt metioniin, mis eemaldatakse sageli posttranslatsioonilisel modifikatsioonil.

Fosforüleerimist kasutatakse kontrollimaks valgu käitumist, viimase aktiveerimisel ja inaktiveerimisel.

Posttranslatsioonilist modifikatsiooni jälgitakse massispektromeetria ja Eastern bloti abil.

Valkude voltumiseks nimetatakse valkude omadust võtta erilist kuju. Oletatakse, et enne ja pärast valgusünteesi moodustavad valgud sekundaarseid ja tertsiaarseid struktuure.

Vaata ka
Geneetiline kood
Valgusüntees prokarüootides

Viited

Molekulaarbioloogia