A fehérjeszintézis alapvető terve az eukariótákban és az archaikusokban hasonló a baktériumokéhoz. A főbb szerkezeti és mechanikai témák az élet minden területén ismétlődnek. Az eukarióta fehérjeszintézis azonban több fehérjekomponenst foglal magában, mint a prokarióta fehérjeszintézis, és egyes lépések bonyolultabbak. Néhány figyelemre méltó hasonlóság és különbség a következő:
Riboszómák. Az eukarióta riboszómák nagyobbak. Egy 60S nagy alegységből és egy 40S kis alegységből állnak, amelyek együttesen egy 80S részecskét alkotnak, amelynek tömege 4200 kd, szemben a prokarióta 70S riboszóma 2700 kd tömegével. A 40S alegység egy 18S RNS-t tartalmaz, amely homológ a prokarióta 16S RNS-sel. A 60S alegység három RNS-t tartalmaz: az 5S és a 28S RNS a prokarióta 5S és 23S molekulák megfelelője; az 5,8S RNS az eukarióták sajátja.
Iniciátor tRNS. Eukariótákban az iniciáló aminosav az N-formilmetionin helyett a metionin. A prokariótákhoz hasonlóan azonban egy speciális tRNS vesz részt az iniciálásban. Ezt az aminoacil-tRNS-t Met-tRNSi vagy Met-tRNSf-nek nevezik (az “i” jelöli az iniciációt, az “f” pedig azt, hogy in vitro formilálható).
Iniciáció. Az eukariótákban a kezdeményező kodon mindig AUG. Az eukarióták, ellentétben a prokariótákkal, nem használnak egy specifikus purinban gazdag szekvenciát az 5′ oldalon, hogy megkülönböztessék a kezdeményező AUG-ot a belső AUG-októl. Ehelyett általában az mRNS 5′ végéhez legközelebbi AUG-ot választják ki starthelynek. A 40S riboszóma az eukarióta mRNS 5′ végén lévő sapkához kapcsolódik (28.3.1. szakasz), és a 3′ irányban lépésről lépésre haladva keres egy AUG kodont (29.33. ábra). Ezt a pásztázási folyamatot az eukarióta fehérjeszintézisben az ATP-t hidrolizáló helikázok hajtják. A Met-tRNSi antikodonjának párosítása az mRNS AUG kodonjával jelzi, hogy a célpontot megtalálták. Az eukarióta mRNS-nek szinte minden esetben csak egy starthelye van, és így egyetlen fehérje sablonja. Ezzel szemben egy prokarióta mRNS több Shine-Dalgarno szekvenciával és így starthelyekkel is rendelkezhet, és több fehérje szintéziséhez is szolgálhat templátként. Az eukarióták sokkal több iniciációs faktort használnak, mint a prokarióták, és ezek kölcsönhatása sokkal bonyolultabb. Az eIF előtag az eukarióta iniciációs faktorokat jelöli. Az eIF-4E például egy olyan fehérje, amely közvetlenül kötődik a 7-metilguanozin sapkához (28.3.1. szakasz), míg az eIF-4A egy helikáz. A prokarióták és eukarióták közötti iniciációs mechanizmusok közötti különbség részben az RNS-feldolgozás különbözőségének következménye. Prokariótákban az mRNS 5′ vége a transzkripció után azonnal a riboszómák rendelkezésére áll. Ezzel szemben az eukariótákban a pre-mRNS-t fel kell dolgozni és a citoplazmába kell szállítani, mielőtt a transzláció elindulna. Így bőséges lehetőség van a komplex másodlagos struktúrák kialakulására, amelyeket el kell távolítani, hogy az érett mRNS-ben lévő jeleket feltárják. Az 5′ sapka könnyen felismerhető kiindulópontot biztosít. Ezen túlmenően az eukarióta transzlációs iniciáció komplexitása a génexpresszió egy másik mechanizmusát is biztosítja, amelyet a 31. fejezetben tovább vizsgálunk.
Hosszabbítás és termináció. Az EF1α és EF1βγ eukarióta elongációs faktorok a prokarióta EF-Tu és EF-Ts megfelelői. Az EF1α GTP formája szállítja az aminoacil-tRNS-t a riboszóma A helyére, az EF1βγ pedig katalizálja a GTP cseréjét kötött GDP-re. Az eukarióta EF2 a prokarióta EF-G-hez hasonlóan közvetíti a GTP által vezérelt transzlokációt. A terminációt az eukariótákban egyetlen felszabadulási faktor, az eRF1 végzi, szemben a prokariótákban található kettővel. Végül az eIF3, akárcsak prokarióta megfelelője, az IF3, megakadályozza a riboszómális alegységek reasszociációját iniciációs komplex hiányában.
29.33. ábra
Eukarióta transzlációs iniciáció. Az eukariótákban a transzláció iniciáció az 5′ sapkán lévő, a 40S alegységet és a Met-tRNSi-t tartalmazó komplex összeállításával kezdődik. Az ATP-hidrolízis által hajtva ez a komplex az mRNS-t az első AUG-ig (tovább…)
29.5.1. Sok antibiotikum a fehérjeszintézis gátlásával hat
Az eukarióta és prokarióta riboszómák közötti különbségeket ki lehet használni az antibiotikumok kifejlesztésében (29.4. táblázat). A puromicin nevű antibiotikum például úgy gátolja a fehérjeszintézist, hogy a naszcens prokarióta polipeptidláncok felszabadulását okozza, mielőtt azok szintézise befejeződne. A puromicin az aminoacil-tRNS terminális aminoaciladenozin részének analógja (29.34. ábra).
29.4. táblázat
A fehérjeszintézis antibiotikus gátlói.
29.34. ábra
A puromicin antibiotikus hatása. A puromicin hasonlít az aminoacil-tRNS aminoacil terminusára. Aminocsoportja a növekvő polipeptidlánc karbonilcsoportjához csatlakozva egy adduktot képez, amely disszociál a riboszómáról. Ez az addukt azért stabil, mert (tovább…)
A riboszóma A helyéhez kötődik és gátolja az aminoacil-tRNS belépését. Továbbá a puromicin tartalmaz egy α-aminocsoportot. Ez az aminocsoport, akárcsak az aminoacil-tRNS-en lévő, peptidkötést képez a növekvő peptidlánc karboxilcsoportjával. A termék, egy olyan peptid, amelynek karboxilvégéhez kovalensen kapcsolódik egy puromicin-maradék, disszociál a riboszómáról.
A streptomicin, egy erősen bázikus triszacharid, megzavarja a formil-metionil-tRNS riboszómákhoz való kötődését, és ezáltal megakadályozza a fehérjeszintézis megfelelő beindulását. Más aminoglikozid antibiotikumok, mint a neomicin, a kanamicin és a gentamicin, a 30S alegység 16S rRNS-ében az 1492-es nukleotid közelében található dekódolóhelyet zavarják (29.3.9. szakasz). A klóramfenikol a peptidiltranszferáz-aktivitás gátlásával hat. Az eritromicin az 50S alegységhez kötődik és gátolja a transzlokációt. Végül a ciklohexamid gátolja az eukarióta riboszómák peptidiltranszferáz aktivitását, így hasznos laboratóriumi eszköz az eukarióta sejtek fehérjeszintézisének gátlására.
29.5.2. Az eukarióta sejtek fehérjeszintézisének gátlása. A diftériatoxin a transzlokáció gátlásával blokkolja a fehérjeszintézist az eukariótákban
A hatékony immunizáció megjelenése előtt a diftéria a gyermekkori halálozás egyik fő oka volt. A betegség halálos hatásait elsősorban a Corynebacterium diphtheriae nevű baktérium által termelt fehérjetoxin okozza, amely a fertőzött személy felső légutaiban növekszik. A toxint kódoló gén egy lizogén fágból származik, amelyet a C. diphtheriae egyes törzsei hordoznak. Néhány mikrogramm diftériatoxin általában halálos egy nem immunizált személynél, mivel gátolja a fehérjeszintézist. A toxin röviddel a célsejtbe jutás után egy 21 kd-os A-fragmentumra és egy 40 kd-os B-fragmentumra hasad. A toxin A fragmentuma katalizálja a fehérjeszintetizáló gépezet egy fontos komponensének kovalens módosítását, míg a B fragmentum lehetővé teszi, hogy az A fragmentum a célsejt citoszoljába kerüljön.
A toxin egyetlen A fragmentuma a citoszolban képes elpusztítani egy sejtet. Miért ilyen halálos? Az A fragmentum célpontja az EF2, az eukarióta fehérjeszintézisben a transzlokációt katalizáló elongációs faktor. Az EF2 difthamidot tartalmaz, egy ismeretlen funkciójú, szokatlan aminosavmaradékot, amely a hisztidin poszttranszlációs módosításával jön létre. Az A fragmens katalizálja a NAD+ adenozin-difoszfát ribóz egységének átvitelét a diftamidgyűrű egyik nitrogénatomjára (29.35. ábra). Az EF2 egyetlen oldalláncának ez az ADP-ribozilációja blokkolja a növekvő polipeptidlánc transzlokációs képességét. A fehérjeszintézis leáll, ami a diftériatoxin figyelemre méltó toxicitását magyarázza.
29.35. ábra
A transzlokáció blokkolása a diftériatoxin által. A diftériatoxin blokkolja a fehérjeszintézist eukariótákban azáltal, hogy katalizálja az ADP-ribóz egységnek a NAD+-ról a diftamidra, az elongációs faktor 2 (transzlokáz) módosított aminosavmaradványára történő átvitelét. Difthamid (tovább…)