Istilah ini kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada proses multi-langkah, yang dimulai dengan sintesis asam amino dan kemudian digunakan untuk translasi genetik.
Ini adalah pembentukan biomolekul melalui anabolisme, proses yang bertanggung jawab untuk sintesis atau bioformasi molekul organik yang lebih kompleks (biomolekul) dari yang lebih sederhana atau dari nutrisi, dengan kebutuhan energi (reaksi endergonik), tidak seperti katabolisme .
Biosintesis protein, meskipun sangat mirip, berbeda antara prokariota dan eukariota .
Sintesis protein mengkonsumsi lebih banyak energi sel daripada proses metabolisme lainnya.
Pada gilirannya, protein mewakili lebih banyak massa daripada makromolekul lain dalam organisme hidup.
Mereka melakukan hampir semua fungsi sel, berfungsi sebagai unsur fungsional (misalnya, Enzim) dan struktural.
Proses translasi, atau sintesis protein, bagian kedua dari ekspresi gen, melibatkan penguraian kode oleh ribosom dari pesan mRNA menjadi produk polipeptida.
Kode genetik
Terjemahan template mRNA mengubah informasi genetik berbasis nukleotida menjadi “bahasa” asam amino untuk membuat produk protein.
Urutan protein terdiri dari 20 asam amino umum.
Setiap asam amino didefinisikan dalam mRNA oleh triplet nukleotida yang disebut kodon. Hubungan antara kodon mRNA dan asam amino yang sesuai disebut kode genetik .
Kode tiga nukleotida berarti bahwa ada total 64 kemungkinan kombinasi (43, dengan empat kemungkinan nukleotida berbeda di masing-masing dari tiga posisi berbeda dalam kodon).
Jumlah ini lebih besar dari jumlah asam amino dan asam amino yang diberikan dikodekan oleh lebih dari satu kodon.
Ini redundansi dalam kode genetik disebut degenerasi.
Biasanya, sementara dua posisi pertama dalam kodon penting dalam menentukan asam amino mana yang akan dimasukkan ke dalam polipeptida yang sedang tumbuh, posisi ketiga, yang disebut posisi goyangan, kurang kritis.
Dalam beberapa kasus, jika nukleotida pada posisi ketiga diubah, asam amino yang sama masih tergabung.
Sementara 61 dari 64 kemungkinan kembar tiga mengkode asam amino, tiga dari 64 kodon tidak mengkode asam amino; mereka menghentikan sintesis protein, melepaskan polipeptida dari mesin translasi.
Ini disebut kodon stop atau kodon nonsens. Kodon lain, AUG, juga memiliki fungsi khusus.
Selain menentukan asam amino metionin, itu juga biasanya berfungsi sebagai kodon awal untuk memulai translasi.
Kerangka pembacaan, cara nukleotida dalam mRNA dikelompokkan ke dalam kodon, untuk translasi diatur oleh kodon awal AUG di dekat ujung 5 ‘mRNA.
Setiap set tiga nukleotida setelah kodon awal ini adalah kodon dalam pesan mRNA.
Kode genetik hampir universal.
Dengan beberapa pengecualian, hampir semua spesies menggunakan kode genetik yang sama untuk sintesis protein, yang merupakan bukti kuat bahwa semua kehidupan di bumi memiliki asal usul yang sama.
Namun, asam amino yang tidak biasa seperti selenocysteine dan pyrrolysine telah diamati pada archaea dan bakteri.
Dalam kasus selenocysteine, kodon yang digunakan adalah UGA (biasanya kodon stop).
Namun, UGA dapat mengkodekan selenocysteine menggunakan struktur loop batang (dikenal sebagai urutan penyisipan selenocysteine , atau unsur SECIS), yang ditemukan di 3 wilayah mRNA yang tidak diterjemahkan.
Pyrrolysine menggunakan kodon stop yang berbeda, UAG. Penggabungan pirolisin membutuhkan gen pylS dan RNA transfer unik (tRNA) dengan antikodon CUA.
Mesin sintesis protein
Selain template mRNA, banyak molekul dan makromolekul berkontribusi pada proses translasi.
Komposisi setiap komponen bervariasi menurut taksa; misalnya, ribosom dapat terdiri dari jumlah yang berbeda dari RNA ribosom (rRNA) dan polipeptida tergantung pada organisme.
Namun, struktur dan fungsi umum dari mesin sintesis protein sebanding dari bakteri ke sel manusia.
Translasi membutuhkan masukan dari template mRNA, ribosom, tRNA, dan berbagai faktor enzimatik.
Ribosom:
Ribosom adalah makromolekul kompleks yang terdiri dari rRNA katalitik (disebut ribozim) dan rRNA struktural, serta banyak polipeptida yang berbeda.
rRNA matang membuat sekitar 50% dari setiap ribosom.
Prokariota memiliki ribosom 70S, sedangkan eukariota memiliki ribosom 80S di sitoplasma dan retikulum endoplasma kasar, dan ribosom 70S di mitokondria dan kloroplas.
Ribosom berdisosiasi menjadi subunit besar dan kecil ketika mereka tidak mensintesis protein dan bergabung kembali selama inisiasi translasi.
Dalam E. coli, subunit kecil digambarkan sebagai 30S (mengandung subunit 16S rRNA) dan subunit besar adalah 50S (mengandung subunit 5S dan 23S rRNA), dengan total 70S (unit Svedberg tidak aditif).
Ribosom eukariotik memiliki subunit kecil 40S (mengandung subunit 18S rRNA) dan subunit besar 60S (mengandung subunit rRNA 5S, 5.8S, dan 28S), dengan total 80S.
Subunit kecil bertanggung jawab untuk mengikat template mRNA, sedangkan subunit besar mengikat tRNA (dibahas di subbagian berikutnya).
Setiap molekul mRNA secara simultan diterjemahkan oleh banyak ribosom, yang semuanya mensintesis protein dalam arah yang sama: membaca mRNA dari 5 ‘ke 3’ dan mensintesis polipeptida dari N-terminus ke C-terminus.
Struktur lengkap yang mengandung mRNA dengan beberapa ribosom terkait disebut poliribosom (atau polisom).
Pada bakteri dan archaea, sebelum penghentian transkripsi terjadi, setiap transkrip yang mengkode protein sudah digunakan untuk memulai sintesis banyak salinan polipeptida yang dikodekan karena proses transkripsi dan translasi dapat terjadi secara bersamaan, membentuk poliribosom.
Alasan transkripsi dan translasi dapat terjadi secara bersamaan adalah karena kedua proses terjadi dalam arah 5 ‘ke 3’ yang sama.
Keduanya terjadi di sitoplasma sel, dan karena transkrip RNA tidak diproses setelah ditranskripsi.
Hal ini memungkinkan sel prokariotik untuk merespons sinyal lingkungan yang membutuhkan protein baru dengan sangat cepat.
Sebaliknya, pada sel eukariotik, transkripsi dan translasi simultan tidak dimungkinkan.
Meskipun poliribosom juga terbentuk pada eukariota, mereka tidak dapat melakukannya sampai sintesis RNA selesai dan molekul RNA telah dimodifikasi dan diangkut keluar dari nukleus.
pemindahan RNA:
Transfer RNA (tRNA) adalah molekul RNA struktural dan, tergantung pada spesiesnya, ada banyak jenis tRNA dalam sitoplasma.
Spesies bakteri biasanya memiliki antara 60 dan 90 jenis.
Berfungsi sebagai adaptor, setiap jenis tRNA mengikat kodon tertentu dalam template mRNA dan menambahkan asam amino yang sesuai ke rantai polipeptida.
Oleh karena itu, tRNA adalah molekul yang sebenarnya “menerjemahkan” bahasa RNA ke dalam bahasa protein.
Seperti molekul adaptor translasi, mengejutkan bahwa tRNA dapat beradaptasi dengan kekhususan seperti itu dalam paket yang begitu kecil.
Molekul tRNA berinteraksi dengan tiga faktor: sintetase aminoasil tRNA, ribosom, dan mRNA.
TRNA dewasa memperoleh struktur tiga dimensi ketika basa komplementer terpapar dalam ikatan hidrogen dari molekul RNA untai tunggal satu sama lain.
Bentuk ini memposisikan situs pengikatan asam amino, yang disebut ujung pengikatan asam amino CCA, yang merupakan urutan sitosin-sitosin-adenin di ujung 3 ‘tRNA, dan antikodon di ujung lainnya.
Antikodon adalah urutan tiga nukleotida yang mengikat kodon mRNA melalui pasangan basa komplementer.
Asam amino ditambahkan ke ujung molekul tRNA melalui proses “pemuatan” tRNA, di mana setiap molekul tRNA dilekatkan pada asam amino yang benar atau terkait oleh sekelompok enzim yang disebut aminoasil tRNA sintetase.
Setidaknya ada satu jenis aminoasil tRNA sintetase untuk masing-masing dari 20 asam amino.
Selama proses ini, asam amino pertama kali diaktifkan dengan penambahan adenosin monofosfat (AMP) dan kemudian ditransfer ke tRNA, menjadikannya tRNA bermuatan dan AMP dilepaskan.
Mekanisme sintesis protein
Terjemahannya serupa pada prokariota dan eukariota. Di sini kita akan mengeksplorasi bagaimana translasi terjadi pada E. coli, prokariota yang representatif, dan menentukan perbedaan antara translasi bakteri dan eukariotik.
Inisiasi:
Inisiasi sintesis protein dimulai dengan pembentukan kompleks inisiasi.
Pada E. coli, kompleks ini melibatkan ribosom kecil 30S, cetakan mRNA, tiga faktor inisiasi yang membantu ribosom untuk berkumpul dengan baik, guanosin trifosfat (GTP) yang bertindak sebagai sumber energi, dan tRNA inisiator khusus yang membawa N-formil- metionin (fMet-tRNAfMet).
Inisiator tRNA berinteraksi dengan kodon awal AUG dari mRNA dan membawa metionin terformilasi (fMet).
Karena partisipasinya dalam inisiasi, fMet menyisipkan di awal (N-terminus) dari setiap rantai polipeptida yang disintesis oleh E. coli. Dalam mRNA E. coli, urutan pemimpin hulu dari kodon AUG pertama, yang disebut urutan Shine-Dalgarno.
Ia juga dikenal sebagai situs pengikatan ribosom AGGAGG), ia berinteraksi melalui pasangan basa komplementer dengan molekul rRNA yang membentuk ribosom.
Interaksi ini mengikat subunit ribosom 30S di lokasi yang benar pada template mRNA.
Pada titik ini, subunit ribosom 50S berikatan dengan kompleks inisiasi, membentuk ribosom yang utuh.
Pada eukariota, pembentukan kompleks inisiasi serupa, dengan perbedaan berikut:
Inisiator tRNA adalah tRNA khusus yang mengangkut metionin, yang disebut Met-tRNAi.
Alih-alih mengikat mRNA dalam urutan Shine-Dalgarno, kompleks inisiasi eukariotik mengenali tutup 5 ‘dari mRNA eukariotik, kemudian menelusuri sepanjang mRNA dalam arah 5’ hingga 3 ‘sampai kodon awal AUG.
Pada titik ini, subunit 60S berikatan dengan kompleks Met-tRNAi, mRNA, dan subunit 40S.
Perpanjangan atau elongasi:
Pada prokariota dan eukariota, konsep dasar pemanjangan translasi adalah sama.
Pada E. coli, pengikatan subunit ribosom 50S untuk menghasilkan ribosom utuh membentuk tiga situs ribosom yang penting secara fungsional: situs A (aminoasil) mengikat tRNA aminoasil bermuatan yang masuk.
Situs P (peptidyl) berikatan dengan tRNA bermuatan yang membawa asam amino yang telah membentuk ikatan peptida dengan rantai polipeptida yang sedang tumbuh , tetapi belum terdisosiasi dari tRNA yang sesuai.
Situs E (keluar) melepaskan tRNA yang terdisosiasi sehingga dapat diisi ulang dengan asam amino bebas.
Ada pengecualian penting untuk jalur perakitan tRNA ini: selama inisiasi pembentukan kompleks, bakteri fMet-tRNAfMet atau Met-tRNAi eukariotik memasuki situs P secara langsung tanpa terlebih dahulu memasuki situs A, menyediakan situs A gratis untuk menerima tRNA. kodon pertama setelah AUG.
Pemanjangan berlanjut dengan pergerakan satu kodon ribosom, yang masing-masing disebut peristiwa translokasi.
Selama setiap peristiwa translokasi, tRNA yang dimuat memasuki situs A, kemudian beralih ke situs P, dan akhirnya situs E untuk dihapus.
Gerakan ribosom, atau langkah-langkah, diinduksi oleh perubahan konformasi yang memajukan ribosom tiga basa dalam arah 3 ‘.
Ikatan peptida terbentuk antara gugus amino dari asam amino yang terkait dengan tRNA situs A dan gugus karboksil dari asam amino yang terkait dengan tRNA situs P.
Pembentukan setiap ikatan peptida dikatalisis oleh peptidil transferase, ribozim berbasis RNA yang terintegrasi ke dalam subunit ribosom 50S.
Asam amino yang terikat pada tRNA di situs P juga terikat pada rantai polipeptida yang sedang tumbuh.
Saat ribosom melintasi mRNA, tRNA anterior dari situs P memasuki situs E, dipisahkan dari asam amino, dan dikeluarkan.
Beberapa langkah selama pemanjangan, termasuk pengikatan RNAt aminoasil bermuatan ke situs A dan translokasi, memerlukan energi yang berasal dari hidrolisis GTP, yang dikatalisis oleh faktor pemanjangan spesifik.
Anehnya, alat penerjemah E. coli hanya membutuhkan 0,05 detik untuk menambahkan setiap asam amino, yang berarti bahwa 200 protein asam amino dapat diterjemahkan hanya dalam 10 detik.
Penghentian:
Terminasi translasi terjadi ketika kodon nonsens (UAA, UAG, atau UGA) ditemukan yang tidak memiliki tRNA komplementer.
Dengan menyelaraskan dengan situs A, kodon tidak masuk akal ini dikenali oleh faktor pelepasan pada prokariota dan eukariota yang mengakibatkan asam amino di situs P dilepaskan dari tRNA-nya, melepaskan polipeptida yang baru dibuat.
Subunit ribosom kecil dan besar terpisah dari mRNA dan satu sama lain; mereka segera direkrut ke dalam kompleks inisiasi penerjemahan lainnya.