Den grundläggande planen för proteinsyntesen hos eukaryoter och arkéer liknar den hos bakterier. De viktigaste strukturella och mekanistiska temana återkommer i alla livets domäner. Eukaryotisk proteinsyntes omfattar dock fler proteinkomponenter än prokaryotisk proteinsyntes, och vissa steg är mer invecklade. Några anmärkningsvärda likheter och skillnader är följande:
Ribosomer. Eukaryotiska ribosomer är större. De består av en 60S stor underenhet och en 40S liten underenhet, som tillsammans bildar en 80S-partikel med en massa på 4200 kd, jämfört med 2700 kd för den prokaryotiska 70S-ribosomen. 40S-underenheten innehåller ett 18S-RNA som är homologt med det prokaryotiska 16S-RNA. 60S-underenheten innehåller tre RNA: 5S- och 28S-RNA är motsvarigheter till de prokaryotiska 5S- och 23S-molekylerna; dess 5,8S-RNA är unikt för eukaryoter.
Initiator tRNA. I eukaryoter är den initierande aminosyran metionin snarare än N-formylmetionin. Liksom hos prokaryoter deltar dock ett särskilt tRNA i initieringen. Detta aminoacyl-tRNA kallas Met-tRNAi eller Met-tRNAf (subscript ”i” står för initiering och ”f” anger att det kan formyleras in vitro).
Initiering. Initieringskodonet i eukaryoter är alltid AUG. Eukaryoter använder till skillnad från prokaryoter inte en specifik purinrik sekvens på 5′-sidan för att skilja initierande AUG:er från interna AUG:er. I stället väljs vanligtvis den AUG som ligger närmast 5′-änden av mRNA som startplats. En 40S-ribosom fäster vid locket i 5′-änden av eukaryotiskt mRNA (avsnitt 28.3.1) och söker efter ett AUG-kodon genom att stegvis röra sig i 3′-riktningen (figur 29.33). Denna skanningsprocess vid eukaryotisk proteinsyntes drivs av helikaser som hydrolyserar ATP. Parningen av met-tRNAis anticodon med mRNA:s AUG-kodon signalerar att målet har hittats. I nästan alla fall har eukaryotiskt mRNA endast en startplats och utgör därmed mallen för ett enda protein. Däremot kan ett prokaryotiskt mRNA ha flera Shine-Dalgarno-sekvenser och därmed startplatser, och det kan tjäna som mall för syntesen av flera proteiner. Eukaryoter använder många fler initieringsfaktorer än prokaryoter, och deras samspel är mycket mer invecklat. Prefixet eIF betecknar en eukaryotisk initieringsfaktor. Till exempel är eIF-4E ett protein som binder direkt till 7-metylguanosin-kapseln (avsnitt 28.3.1), medan eIF-4A är ett helikas. Skillnaden i initieringsmekanism mellan prokaryoter och eukaryoter är delvis en följd av skillnaden i RNA-bearbetning. 5′-änden av mRNA är lätt tillgänglig för ribosomerna omedelbart efter transkriptionen hos prokaryoter. Däremot måste pre-mRNA bearbetas och transporteras till cytoplasman i eukaryoter innan översättningen påbörjas. Det finns alltså gott om möjligheter att bilda komplexa sekundärstrukturer som måste avlägsnas för att exponera signalerna i det mogna mRNA:et. 5′-huvudet utgör en lätt igenkännbar utgångspunkt. Dessutom ger komplexiteten i eukaryotisk translationsinitiering ytterligare en mekanism för genuttryck som vi ska utforska närmare i kapitel 31.
Förlängning och terminering. Eukaryotiska förlängningsfaktorer EF1α och EF1βγ är motsvarigheter till prokaryotiska EF-Tu och EF-Ts. GTP-formen av EF1α levererar aminoacyl-tRNA till ribosomens A-sida, och EF1βγ katalyserar utbytet av GTP mot bundet GDP. Eukaryota EF2 förmedlar GTP-driven translokation på ungefär samma sätt som prokaryota EF-G. Termineringen i eukaryoter utförs av en enda frisättningsfaktor, eRF1, jämfört med två i prokaryoter. Slutligen förhindrar eIF3, liksom sin prokaryota motsvarighet IF3, reassociation av ribosomala underenheter i avsaknad av ett initieringskomplex.
Figur 29.33
Eukaryota översättningsinitiering. I eukaryoter börjar översättningsinitieringen med sammansättning av ett komplex på 5′ cap som inkluderar 40S-underenheten och Met-tRNAi. Drivet av ATP-hydrolys skannar detta komplex mRNA fram till den första AUG (mer…)
29.5.1. Många antibiotika fungerar genom att hämma proteinsyntesen
Skillnaderna mellan eukaryotiska och prokaryotiska ribosomer kan utnyttjas för utveckling av antibiotika (tabell 29.4). Antibiotikan puromycin hämmar till exempel proteinsyntesen genom att orsaka att nascenta prokaryotiska polypeptidkedjor frigörs innan deras syntes är avslutad. Puromycin är en analog till den terminala aminoacyl-adenosin-delen av aminoacyl-tRNA (figur 29.34).
Tabell 29.4
Antibiotiska hämmare av proteinsyntes.
Figur 29.34
Antibiotisk verkan av puromycin. Puromycin liknar aminoacylterminus av ett aminoacyl-tRNA. Dess aminogrupp förenas med karbonylgruppen i den växande polypeptidkedjan för att bilda en addukt som dissocieras från ribosomen. Denna addukt är stabil eftersom (mer…)
Den binder till A-platsen på ribosomen och hämmar aminoacyl-tRNA:s inträde. Dessutom innehåller puromycin en α-aminogrupp. Denna aminogrupp, liksom den på aminoacyl-tRNA, bildar en peptidbindning med karboxylgruppen i den växande peptidkedjan. Produkten, en peptid med en kovalent bunden puromycinrest i karboxyländen, dissocieras från ribosomen.
Streptomycin, en starkt basisk trisackarid, stör bindningen av formylmethionyl-tRNA till ribosomerna och förhindrar därmed en korrekt initiering av proteinsyntesen. Andra aminoglykosidantibiotika som neomycin, kanamycin och gentamycin stör den avkodningsplats som ligger nära nukleotid 1492 i 16S rRNA i 30S-underenheten (avsnitt 29.3.9). Kloramfenikol verkar genom att hämma peptidyltransferasaktiviteten. Erytromycin binder till 50S-underenheten och blockerar translokationen. Slutligen blockerar cyklohexamid peptidyltransferasaktiviteten i eukaryota ribosomer, vilket gör det till ett användbart laboratorieverktyg för att blockera proteinsyntesen i eukaryota celler.
29.5.2. Difteritoxin blockerar proteinsyntesen i eukaryoter genom att hämma translokation
Difteri var en av de vanligaste dödsorsakerna i barndomen innan effektiv immunisering infördes. De dödliga effekterna av denna sjukdom beror huvudsakligen på ett proteintoxin som produceras av Corynebacterium diphtheriae, en bakterie som växer i de övre luftvägarna hos en infekterad person. Den gen som kodar för toxinet kommer från en lysogen fage som finns i vissa stammar av C. diphtheriae. Några mikrogram difteritoxin är vanligtvis dödligt för en oimmuniserad person eftersom det hämmar proteinsyntesen. Toxinet klyvs kort efter att det har trängt in i en målcell i ett 21 kd A-fragment och ett 40 kd B-fragment. A-fragmentet av toxinet katalyserar den kovalenta modifieringen av en viktig komponent i proteinsyntesmaskineriet, medan B-fragmentet gör det möjligt för A-fragmentet att tränga in i cytosolen i målcellen.
Ett enda A-fragment av toxinet i cytosolen kan döda en cell. Varför är det så dödligt? Målet för A-fragmentet är EF2, den förlängningsfaktor som katalyserar translokation vid eukaryotisk proteinsyntes. EF2 innehåller difthamid, en ovanlig aminosyrarest med okänd funktion som bildas genom posttranslationell modifiering av histidin. A-fragmentet katalyserar överföringen av adenosindifosfatriboseenheten från NAD+ till en kväveatom i diphthamidringen (figur 29.35). Denna ADP-ribosylering av en enda sidokedja av EF2 blockerar dess förmåga att utföra translokation av den växande polypeptidkedjan. Proteinsyntesen upphör, vilket förklarar difteritoxins anmärkningsvärda toxicitet.
Figur 29.35
Blockering av translokation genom difteritoxin. Difteritoxin blockerar proteinsyntesen i eukaryoter genom att katalysera överföringen av en ADP-riboseenhet från NAD+ till diftetamid, en modifierad aminosyrarest i förlängningsfaktor 2 (translokas). Diphthamid (mer…)