Den grundlæggende plan for proteinsyntese i eukaryoter og arkæer ligner den, der gælder for bakterier. De vigtigste strukturelle og mekanistiske temaer går igen i alle livets domæner. Eukaryotisk proteinsyntese indebærer imidlertid flere proteinkomponenter end prokaryotisk proteinsyntese, og nogle trin er mere indviklede. Nogle bemærkelsesværdige ligheder og forskelle er som følger:
Ribosomer. Eukaryote ribosomer er større. De består af en 60S stor underenhed og en 40S lille underenhed, som samles til en 80S-partikel med en masse på 4200 kd, sammenlignet med 2700 kd for det prokaryote 70S ribosom. 40S-underenheden indeholder et 18S-RNA, som er homologt med det prokaryote 16S-RNA. 60S-underenheden indeholder tre RNA’er: 5S- og 28S-RNA’erne er modstykker til de prokaryote 5S- og 23S-molekyler; dens 5,8S-RNA er unikt for eukaryoter.
Initiator tRNA. I eukaryoter er den initierende aminosyre methionin i stedet for N-formylmethionin. Men ligesom hos prokaryoter deltager et særligt tRNA i initieringen. Dette aminoacyl-tRNA kaldes Met-tRNAi eller Met-tRNAf (subscriptet “i” står for initiering, og “f” angiver, at det kan formyleres in vitro).
Initiering. Initieringskodonet i eukaryoter er altid AUG. Eukaryoter bruger i modsætning til prokaryoter ikke en specifik purinrig sekvens på 5′-siden til at skelne initierende AUG’er fra interne AUG’er. I stedet vælges normalt den AUG, der er nærmest 5′-enden af mRNA, som startsted. Et 40S ribosom lægger sig til hætten i 5′-enden af eukaryotisk mRNA (afsnit 28.3.1) og søger efter et AUG-kodon ved at bevæge sig trinvis i 3′-retningen (figur 29.33). Denne scanningsproces i eukaryotisk proteinsyntese drives af helikaser, der hydrolyserer ATP. Parring af anticodonet af Met-tRNAi med AUG-kodonen i mRNA signalerer, at målet er fundet. I næsten alle tilfælde har eukaryote mRNA kun ét startsted og er derfor skabelon for et enkelt protein. I modsætning hertil kan et prokaryote mRNA have flere Shine-Dalgarno-sekvenser og dermed startsteder, og det kan tjene som skabelon for syntese af flere proteiner. Eukaryoter anvender mange flere initieringsfaktorer end prokaryoter, og deres samspil er langt mere indviklet. Præfikset eIF betegner en eukaryotisk initieringsfaktor. EIF-4E er f.eks. et protein, der binder direkte til 7-methylguanosin-kappen (afsnit 28.3.1), mens eIF-4A er en helicase. Forskellen i initieringsmekanismen mellem prokaryoter og eukaryoter er til dels en konsekvens af forskellen i RNA-processering. 5′-enden af mRNA er let tilgængelig for ribosomer umiddelbart efter transkriptionen i prokaryoter. I modsætning hertil skal pre-mRNA behandles og transporteres til cytoplasmaet hos eukaryoter, før translationen påbegyndes. Der er således rig mulighed for dannelse af komplekse sekundære strukturer, som skal fjernes for at eksponere signaler i det modne mRNA. 5′-kappen giver et let genkendeligt udgangspunkt. Desuden giver kompleksiteten af eukaryotisk translationsinitiering endnu en mekanisme for genekspression, som vi skal undersøge nærmere i kapitel 31.
Forlængelse og terminering. De eukaryote elongationsfaktorer EF1α og EF1βγ er modstykker til de prokaryote EF-Tu og EF-Ts. GTP-formen af EF1α leverer aminoacyl-tRNA til ribosomets A-site, og EF1βγ katalyserer udvekslingen af GTP til bundet GDP. Eukaryotisk EF2 formidler GTP-drevet translokation på stort set samme måde som prokaryotisk EF-G. Termineringen i eukaryoter udføres af en enkelt frigørelsesfaktor, eRF1, sammenlignet med to i prokaryoter. Endelig forhindrer eIF3, ligesom sin prokaryote pendant IF3, reassocieringen af ribosomale underenheder i fravær af et initieringskompleks.
Figur 29.33
Eukaryote translationsinitiering. I eukaryoter starter translationsinitiering med samling af et kompleks på 5′ cap’en, der omfatter 40S-underenheden og Met-tRNAi. Drevet af ATP-hydrolyse scanner dette kompleks mRNA’et indtil den første AUG (mere…)
29.5.1. Mange antibiotika virker ved at hæmme proteinsyntesen
Forskellene mellem eukaryote og prokaryote ribosomer kan udnyttes til udvikling af antibiotika (tabel 29.4). For eksempel hæmmer antibiotikaet puromycin proteinsyntesen ved at få nascent prokaryote polypeptidkæder til at blive frigivet, før deres syntese er afsluttet. Puromycin er en analog af den terminale aminoacyl-adenosin-del af aminoacyl-tRNA (figur 29.34).
Tabel 29.4
Antibiotiske inhibitorer af proteinsyntese.
Figur 29.34
Antibiotisk virkning af puromycin. Puromycin ligner aminoacylterminus af et aminoacyl-tRNA. Dets aminogruppe slutter sig til carbonylgruppen i den voksende polypeptidkæde for at danne et addukt, der dissocieres fra ribosomet. Dette addukt er stabilt, fordi (mere…)
Det binder sig til A-stedet på ribosomet og hæmmer indgangen af aminoacyl-tRNA. Puromycin indeholder desuden en α-aminogruppe. Denne aminogruppe danner, ligesom den på aminoacyl-tRNA, en peptidbinding med carboxylgruppen i den voksende peptidkæde. Produktet, et peptid med en kovalent knyttet puromycinrest i carboxylenden, dissocieres fra ribosomet.
Streptomycin, et stærkt basisk trisaccharid, forstyrrer bindingen af formylmethionyl-tRNA til ribosomerne og forhindrer derved den korrekte igangsættelse af proteinsyntesen. Andre aminoglykosidantibiotika såsom neomycin, kanamycin og gentamycin forstyrrer det afkodningssted, der er placeret nær nukleotid 1492 i 16S rRNA i 30S-underenheden 30S (afsnit 29.3.9). Chloramphenicol virker ved at hæmme peptidyltransferaseaktiviteten. Erythromycin binder sig til 50S-underenheden og blokerer translokationen. Endelig blokerer cyclohexamid peptidyltransferaseaktiviteten i eukaryote ribosomer og er dermed et nyttigt laboratorieværktøj til blokering af proteinsyntesen i eukaryote celler.
29.5.2. Difteritoksin blokerer proteinsyntese i eukaryoter ved at hæmme translokation
Difteri var en af de vigtigste dødsårsager i barndommen før fremkomsten af effektiv immunisering. De dødelige virkninger af denne sygdom skyldes hovedsagelig et proteintoksin, der produceres af Corynebacterium diphtheriae, en bakterie, der vokser i de øvre luftveje hos en inficeret person. Det gen, der koder for toksinet, stammer fra en lysogen fage, som nogle stammer af C. diphtheriae bærer. Et par mikrogram difteritoksin er normalt dødeligt for en ikke-immuniseret person, fordi det hæmmer proteinsyntesen. Toxinet spaltes kort tid efter at være kommet ind i en målcelle i et 21 kd A-fragment og et 40 kd B-fragment. A-fragmentet af toksinet katalyserer den kovalente modifikation af en vigtig komponent i proteinsyntesemaskineriet, mens B-fragmentet gør det muligt for A-fragmentet at trænge ind i cytosolen i målcellen.
Et enkelt A-fragment af toksinet i cytosolen kan dræbe en celle. Hvorfor er det så dødbringende? A-fragmentets mål er EF2, den elongationsfaktor, der katalyserer translokation i eukaryote proteinsyntese. EF2 indeholder diphthamid, en usædvanlig aminosyrerest med ukendt funktion, der dannes ved posttranslationel modifikation af histidin. A-fragmentet katalyserer overførslen af adenosindiphosphat riboseenheden fra NAD+ til et nitrogenatom i diphthamidringen (Figur 29.35). Denne ADP-ribosylering af en enkelt sidekæde af EF2 blokerer dens evne til at udføre translokation af den voksende polypeptidkæde. Proteinsyntesen ophører, hvilket er forklaringen på difteritoksinets bemærkelsesværdige toksicitet.
Figur 29.35
Blokering af translokation ved difteritoksin. Diphterietoksin blokerer proteinsyntesen i eukaryoter ved at katalysere overførslen af en ADP-riboseenhed fra NAD+ til diphthamid, en modificeret aminosyrerest i elongationsfaktor 2 (translokase). Diphthamid (mere…)