翻訳・・・mRNAの情報から、タンパク質を合成する反応。
細菌の翻訳 :細菌の翻訳開始、細菌のポリペプチド伸長、細菌の翻訳終結
真核生物の翻訳
古細菌の翻訳
参考 : シャイン・ダルガノ配列
翻訳は、DNAがもつ情報を転写したmRNAの情報から、ポリペプチド(タンパク質)を合成する反応です。
反応は、リボソーム内で行われます。
mRNAのコドンと、アミノ酸とをつなぐアダプターとなる分子は、tRNAです。
アミノ酸と、それに対応するtRNAを結合する酵素は、アミノアシルtRNA合成酵素です。
転写と同様、翻訳にも、開始、伸長、終結の3段階があります。
大腸菌では、
開始時、mRNA上にある、シャイン・ダルガノ配列(SD配列)にリボソームが結合します。
開始コドンに使用されるメチオニンは、ホルミル化した、ホルミルメチオニンです。
ポリペプチド伸長では、ATPではなく、GTPがエネルギーを供給します。
細菌の翻訳 :細菌の翻訳開始、細菌のポリペプチド伸長、細菌の翻訳終結
翻訳は、DNAがもつ情報を転写したmRNAの情報に基づいて、ポリペプチド(タンパク質)を合成する反応です。
1つのタンパク質を合成するためには、100を超えるタンパク質と、mRNAが調和して働くことが必要です。
DNAがもつアミノ酸配列の情報は、転写によって、まずmRNAの形に変換されます。
mRNAのもつ塩基配列情報により、リボソーム内でアミノ酸が重合し、ポリペプチド鎖が生合成されます。
1. mRNA : DNAから転写した翻訳に必要な情報があり、3ヌクレオチド単位(コドン)で、一つのアミノ酸を指定します。
2. tRNA : mRNAのコドンと、ポリペプチドに付加されるアミノ酸とをつなぐアダプターとなる分子です。
アミノアシルtRNAは、tRNAの3'末端にアミノ酸が結合したものです。
3. アミノアシルtRNA合成酵素 : アミノ酸と、各アミノ酸に対応する特異的tRNAを結合します。
4. リボソーム : タンパク質の合成が行われる場所です。
mRNAのコドンに対応するtRNAを引きよせ、アミノ酸を伸長中のポリペプチド鎖に結合します。
リボソームは、大小2つのサブユニットからなり、内部には、
A部位 : アミノアシルtRNAの結合
P部位 : ペプチド結合の形成とtRNAの離脱
E部位 : ポリペプチド鎖から解放されたtRNAの結合
という3つのtRNA結合部位が存在し、リボソームがmRNA上を5’→ 3’方向に動いて、
アミノアシルtRNAがA部位 → P部位と入れ替わる反応の際に、ポリペプチド鎖が伸長されていきます。
翻訳には以下の3段階が存在します。
1 .開始 :リボソームにmRNAが捕捉されます。
mRNA上の開始コドン(一般的にはAUG)に対応するtRNAが、リボソーム上でmRNAと水素結合で対応します。
2. 伸長 :mRNAのコドンに対応するアミノ酸が、次々とペプチド結合で結合されます。
3. 終結 :mRNAの停止コドンに至ると、
開放因子というタンパク質がやってきて転写が終了し、ポリペプチド鎖がリボソームから開放されます。
合成されたポリペプチド鎖は、
シャペロン分子等の助けを借りて、折り畳まれた構造をとることや、
切断・付加等の翻訳後修飾を受けることが、タンパク質の正常な機能には必要となります。
生物の翻訳は、基本は同じですが、細部が異なります。
細菌の翻訳開始(大腸菌) トップ
リボソームが、大小2つのサブユニットに解離して、
mRNAに小サブユニット ( 30S )が結合することから開始します。
この反応は、翻訳開始因子 ( IF1、2、3 ) というタンパク質によって触媒されます。
IF1 :小サブユニットのA部位にtRNAが結合しないようにします。
小サブユニットの将来A部位の一部になる部位に直接結合します。
IF2 :GTPアーゼ(GTPに結合し、加水分解する酵素)の一種。
小サブユニット、IF1、開始tRNA( fMet-tRNA )と相互作用して、
開始tRNAと小サブユニットの結合を手助けし、他のアミノアシルtRNAが結合するのを防ぎます。
IF1に結合します。
開始tRNAと接触できるようにA部位からP部位まで伸びます。
大サブユニット結合時に、GTPを加水分解し、IF1とともに遊離します。
IF3 :小サブユニットと大サブユニットの会合や、小サブユニットとアミノアシルtRNAの結合を防ぎます。
また翻訳サイクルの終わりに、大小サブユニットが解離するのを補助します。
小サブユニットの将来E部位になる部分を占有します。
3つの開始因子が結合した小サブユニットは、mRNAと開始tRNAに結合できます。
結合する順序はどちらが先でもよいです。
mRNAのリボソーム結合部位は、シャイン・ダルガノ配列(SD配列)といいます。
SD配列と16S rRNAが塩基対を形成して、小サブユニットが結合できるようになるとされます。
SD配列は、比較的似た配列でも認識されます。
SD配列に結合した小サブユニットは、
遺伝子の開始コドン(AUG:メチオニン)までmRNA上を移動し、
メチオニン-tRNAが、開始コドンに結合します。
大腸菌の開始コドンに使用されるメチオニンは、
水素原子の部分がホルミル化( -COH基が結合 )して、N-ホルミルメチオニンとなります。
このアミノ酸がついた開始tRNAを、fMet-tRNAといいます。
mRNA、リボソーム小サブユニット、fMet-tRNAの結合した複合体を、開始複合体といいます。
翻訳開始の最終段階である、ポリペプチド鎖が形成される直前に、
リボソーム大サブユニット ( 50S ) が、開始複合体に結合します。
その時、GTPのリン酸が外れて、エネルギーを供給します。
大小サブユニットが会合して、70Sリボソームとなると、翻訳反応が可能になります。
大サブユニットが会合した時、リボソームのP部位に、開始コドン(と、そこに結合した fMet-tRNA )が来るようになります。
尚、開始コドンが理想的な距離からずれた場合、翻訳速度が遅くなります。
細菌のポリペプチド伸長(大腸菌) トップ
アミノ酸のついた開始tRNAがリボゾームのP部位に結合した、70Sリボソームが完成すると、
ポリペプチドの合成が開始します。
1. P部位に、開始tRNA(ホルミルメチオニン-tRNA( fMet-tRNA ))が、
A部位に、2個目のアミノアシルtRNAが結合します。
2. ホルミルメチオニンと、2個目のアミノ酸との間にペプチド結合が形成されます。
3. A部位に生じたペプチジルtRNAと、それに結合したmRNAのコドンを、P部位に転位します。
fMet-tRNA は、P部位からE部位に移動します。
その後70Sリボソームが動いてE部位の fMet-tRNA が離脱します。
(その時、GTP → GDP + Pi の反応が起こり、エネルギーを供給します)
4. A部位は空になり、次のアミノアシルtRNAが結合できるようになります。
4.の後は1.に戻りますが、P部位には一つ前のアミノアシルtRNAが入っています。
この反応が連続して起きることで、mRNA内の遺伝子がポリペプチド鎖に翻訳され、
終止コドンまで反応が続きます。
この反応も、翻訳伸長因子 ( EF-Tu、EF-Ts、EF-G ) によって触媒されます。
リボソームがmRNA上を動き、終止コドンがA部位に入ると翻訳の終結が始まります。
この時にA部位のアミノアシルtRNAの入る部位に、
翻訳終結因子というタンパク質が入り込み、翻訳複合体をポリペプチド、tRNA、リボソーム、mRNAに解離します。
終結因子
RF1 :UAA、UAG終止コドンのA部位に結合
RF2 :UGA、UAA終止コドンのA部位に結合
RF3 :RF1、2の補助的な因子
ポリペプチドは、伸長されていく段階から、すでに特定のコンフォメーションを取り始めており、
終結して遺伝子のコードしていた、機能性タンパク質として機能し始めます。
ただし、タンパク質が発現した後も、別のタンパク質によって修飾を受けていくこともあり、
遺伝子配列がそのままの配列でタンパク質として発現していないこともあります。
真核生物での翻訳は、原核生物と比べて複雑です。
1. 真核生物のリボソームは、より大きく、
60Sの大サブユニットと、40Sの小サブユニットから、80Sのリボソームができます。
2. 合成開始に用いられるのは、N-ホルミルメチオニンではなく、メチオニンです。
しかしtRNAは特殊なもので、tRNA iまたはtRNA fといいます。
3. SD配列が存在せず、Met-tRNA iと結合した40Sリボソームが、mRNA 5’末端のキャップ構造に結合し、開始コドンAUGを探します。
配列内リボソーム進入部位 / IRESという特殊なRNA配列を利用して、キャップを利用せず途中からリボソームが結合することもあります。
4. 真核生物のmRNAは、5’のキャップに、開始因子であるelF-4Eが結合し、
また3’のポリAには、ポリA尾部結合タンパク質PABPIが結合し、
その両者にelF-4Gが結合することで環状になっています。
5. 伸長因子、終結因子が異なります。
6. 高等生物の翻訳装置は、細胞骨格に結合しており、複合体を形成しています。
詳細は、不明です。
古細菌のタンパク質翻訳機構は、真正細菌と類似していますが、
分子構造は、やや真核生物と類似しています。
mRNAはスプラシングを基本的に受けないという点で、真正細菌に、
翻訳開始アミノ酸がメチオニンであること、
リボソームが、ストレプトマイシンやキロマイシンによって阻害を受けず、
ジフテリア毒素によって阻害を受けること等の点で、真核生物に似ています。
転写機構は、真核生物のRNAポリメラーゼIIによる転写機構と似ています。
リボソームは、3つのRNAと、70種弱のタンパク質からなります。
RNAは、真正細菌に、
タンパク質は、真核生物にやや近いです。
シャイン・ダルガノ配列 ( SD配列 ) 細菌の翻訳開始
原核生物のmRNAにおいて、開始コドンの上流にみられる共通配列です。
コードとしては -AGGAGG- のようにプリン塩基(アデニン・グアニン)に富んだ、
3または9塩基(平均4.8塩基)の長さの配列となっています。
配列は、5'-AGGAGGU-3'
原核生物の16S rRNAには、3'末端に ‐CCUCCUA の配列(アンチ・シャイン・ダルガノ配列)があり、
これがSD配列と相補的対合を行います。
このため、リボゾーム結合部位となっています。
SD配列は、mRNAにリボソームを動員するのを助け、
リボソームを開始コドンに配置することによってタンパク質合成を開始させます。
真核生物にあるSD配列に同等な配列は、コザック配列といいます。
SD配列に突然変異が起こると翻訳効率が低下することがあります。
この低下はmRNA - リボソーム対合効率の低下によります。
SD配列とアンチSD配列が対合すると、
翻訳開始因子IF2 – GTP 、IF1、IF3と、
開始tRNAである、ホルミルメチオニン-tRNA( fMet-tRNA )が、
リボソームに動員されます。
グラム陰性菌では、
リボソームが開始コドンをセットするのに、SD配列の存在が必須ではありません。
更に、mRNAにSD配列をもたない原核生物も多く、
mRNAの開始位置にリボソームを引きつけるものは、リボソームタンパク質S1のようです。
S1は、多くの原核生物mRNAの開始コドン15〜30ヌクレオチド上流にあるAUリッチな配列に結合します。
ただし、S1はグラム陰性菌だけでなく、グラム陽性菌でも同定されています。