תרגום: שלושת המרכיבים המרכזיים
תרגום הוא השלב שבו המידע שנמצא ב־mRNA, הופך לרצף חומצות אמינו. שלושת רכיבי ה־RNA שנלמדו בשיעורים הקודמים מתכנסים כאן לתהליך אחד:
mRNA
התבנית. הרצף שלו נקרא בכיוון $5’ \to 3’$ ומכיל את הקוד לחלבון.
rRNA
מרכיב מרכזי של הריבוזום. הריבוזום (ספציפית ה־A site של תת־היחידה הקטנה), הוא המקום שבו הקודון ב־mRNA מותאם לאנטיקודון ב־tRNA, ונוצר הקשר הפפטידי.
tRNA
מולקולת מתאם. מצד אחד היא מזהה קודון ב־mRNA, ומצד שני היא נושאת חומצת אמינו.
החלבון נבנה בכיוון N-terminus → C-terminus. לכן, כאשר קוראים mRNA מ־5’ ל־3’, רצף חומצות האמינו שנוצר מתחיל בקצה האמיני ומתקדם אל הקצה הקרבוקסילי.
לזכור למבחן: ה־mRNA נקרא $5’ \to 3’$, והחלבון נבנה מ־N-terminus ל־C-terminus.
הקוד הגנטי
הריבוזום קורא את ה־mRNA בשלשות נוקלאוטידים. כל שלשה נקראת קודון, וכל קודון מתאים לחומצת אמינו מסוימת או לסיום תרגום.
| First base | Second base | |||
|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | |
| U | UUU UUC UUA UUG Phenylalanine (Phe) Leucine (Leu) | UCU UCC UCA UCG Serine (Ser) | UAU UAC UAA UAG Tyrosine (Tyr) Stop codon | UGU UGC UGA UGG Cysteine (Cys) Stop codon Tryptophan (Trp) |
| C | CUU CUC CUA CUG Leucine (Leu) | CCU CCC CCA CCG Proline (Pro) | CAU CAC CAA CAG Histidine (His) Glutamine (Gln) | CGU CGC CGA CGG Arginine (Arg) |
| A | AUU AUC AUA AUG Isoleucine (Ile) Methionine (Met) Start codon | ACU ACC ACA ACG Threonine (Thr) | AAU AAC AAA AAG Asparagine (Asn) Lysine (Lys) | AGU AGC AGA AGG Serine (Ser) Arginine (Arg) |
| G | GUU GUC GUA GUG Valine (Val) | GCU GCC GCA GCG Alanine (Ala) | GAU GAC GAA GAG Aspartic acid (Asp) Glutamic acid (Glu) | GGU GGC GGA GGG Glycine (Gly) |
יש $4^3 = 64$ קודונים אפשריים. מתוכם:
| קבוצה | משמעות |
|---|---|
61 codons | מקודדים ל־20 חומצות אמינו |
AUG | קודון פתיחה, מקודד למתיונין |
UAA, UAG, UGA | קודוני סיום |
רוב חומצות האמינו מקודדות על ידי יותר מקודון אחד. לדוגמה, Alanine ו־Glycine יכולות להיות מקודדות על ידי כמה קודונים שונים. התכונה הזו נקראת degeneracy של הקוד הגנטי.
לזכור למבחן: 64 קודונים, מתוכם 61 מקודדים חומצות אמינו ו־3 הם קודוני סיום. הקודון AUG הוא היחיד שמקודד למתיונין ומשמש בדרך כלל כקודון פתיחה.
tRNA: מתאם בין קודון לחומצת אמינו
5’ GCGGAUUUAGCUCAGDDGGGAGAGCGCCAGACUGAAYAΨCUGGAGGUCCUGUGTΨCGAUCCACAGAAUUCGCACCA 3’
ה־tRNA (Transfer RNA) מתקפל למבנה המזכיר עלה תלתן. שני אזורים חשובים במיוחד:
- בקצה 3′ יש רצף CCA. חומצת האמינו מתחברת לקודון ה־A האחרון ברצף.
- בלולאת האנטיקודון יש שלושה נוקלאוטידים שמזהים קודון ב־mRNA. למשל, בתמונה למטה, מופיע האנטיקודון
GAA(בתוך החלק הכחול, לא האדום).
הקישור בין קודון לאנטיקודון הוא אנטי-מקבילי. לכן, כאשר מציירים tRNA בכיוון $5’ \to 3’$, צריך לשים לב שהאנטיקודון מזווג לקודון בכיוון ההפוך.
לדוגמה, קודון ב־mRNA:
5'-UUC-3'
יוכר על ידי אנטיקודון משלים בכיוון אנטי-מקבילי:
3'-AAG-5'
בכתיבה רגילה של רצף RNA, אם רוצים לכתוב את האנטיקודון בכיוון $5’ \to 3’$, הוא ייכתב הפוך.
Wobble: גמישות בעמדה השלישית של הקודון
בתא יש פחות סוגי tRNA ממספר הקודונים שמקודדים לחומצות אמינו. באדם יש בערך 48 סוגי tRNA, שמספיקים לקריאת 61 קודונים. זה מתאפשר בזכות Wobble base-pairing.
הזיווג המדויק ביותר נדרש בשתי העמדות הראשונות של הקודון. בעמדה השלישית יש יותר גמישות. כך tRNA אחד יכול לזהות יותר מקודון אחד (בדרך כלל קודונים שמקודדים לאותה חומצת אמינו).
דוגמה חשובה היא inosine. כאשר inosine נמצא בעמדת ה־wobble של אנטיקודון, הוא יכול להזדווג עם כמה בסיסים שונים ב־mRNA, למשל U, C או A. כך התא מצמצם את מספר מולקולות ה־tRNA הדרושות לקריאת הקוד.
הגמישות של wobble מתרחשת בעיקר בעמדה השלישית של הקודון. שתי העמדות הראשונות שומרות על דיוק הקריאה של חומצת האמינו.
טעינת tRNA בחומצת אמינו
לפני ש־tRNA נכנס לריבוזום, הוא צריך להיות טעון בחומצת האמינו המתאימה. התהליך מתבצע על ידי aminoacyl-tRNA synthetase.
לכל חומצת אמינו יש בדרך כלל synthetase מתאים. לכן יש בערך 20 אנזימים כאלה - אחד לכל חומצת אמינו סטנדרטית.
התהליך מתרחש בשני שלבים:
- האנזים קושר חומצת אמינו ו־ATP, ויוצר תוצר ביניים שנקרא aminoacyl-adenylate.
- חומצת האמינו מועברת לקצה 3′ של ה־tRNA, אל קבוצת ה־OH של ה־A האחרון ברצף CCA.
הקשר בין חומצת האמינו ל־tRNA הוא קשר עתיר אנרגיה. האנרגיה הזו תנוצל בהמשך ליצירת הקשר הפפטידי בתוך הריבוזום.
דיוק הטעינה
דיוק התרגום תלוי בשתי בדיקות:
- התאמת חומצת האמינו ל־tRNA, על ידי aminoacyl-tRNA synthetase.
- התאמת האנטיקודון של ה־tRNA, לקודון ב־mRNA, בתוך הריבוזום.
בחלק מהאנזימים יש גם editing site. האתר הזה מזהה טעינה שגויה, למשל כאשר חומצת אמינו דומה מאוד נכנסה בטעות, ומפרק את הקשר לפני שה־tRNA יגיע לריבוזום.
לזכור למבחן: tRNA טעון נקרא aminoacyl-tRNA. האנזים שטוען אותו הוא aminoacyl-tRNA synthetase, והדיוק שלו קריטי כי הריבוזום מזהה בעיקר את האנטיקודון, לא את זהות חומצת האמינו המחוברת.
יצירת הקשר הפפטידי
החלבון מתארך על ידי יצירת קשר פפטידי בין:
- הקבוצה הקרבוקסילית בקצה השרשרת הגדלה.
- הקבוצה האמינית של חומצת האמינו החדשה.
 |  |
השרשרת הגדלה עוברת בכל מחזור אל ה־tRNA החדש שנמצא באתר A (ראו להלן). לאחר מכן הריבוזום מתקדם קודון אחד, והאתרים מסתדרים למחזור הבא.
מבנה הריבוזום ואתרי A, P, E
הריבוזום מורכב מתת־יחידה קטנה ומתת־יחידה גדולה. באאוקריוטים תת־היחידה הקטנה היא 40S ותת־היחידה הגדולה היא 60S, וביחד מתקבל ריבוזום 80S.
לתת־היחידה הקטנה יש אתר קישור ל־mRNA. כאשר שתי התת־יחידות מתחברות, נוצרים שלושה אתרי קישור ל־tRNA:
| אתר | שם | תפקיד |
|---|---|---|
| A site | Aminoacyl site | כניסת aminoacyl-tRNA חדש |
| P site | Peptidyl site | החזקת ה־tRNA שעליו נמצאת השרשרת הגדלה/מתארכת |
| E site | Exit site | יציאת tRNA שכבר מסר את חומצת האמינו |
- בתחילת התרגום, ה־initiator tRNA עם המתיונין (חומצת האמינו שמתאימה לקודון ההתחלה, AUG), נכנס ישירות ל־P site.
- במהלך ההתארכות, שאר ה־tRNAs נכנסים דרך ה־A site.
שלבי התרגום
תהליך התרגום מחולק לשלושה שלבים:
- איתחול - מציאת קודון פתיחה והרכבת הריבוזום.
- התארכות - כניסת tRNAs, יצירת קשרים פפטידיים ותזוזת הריבוזום.
- טרמינציה - זיהוי קודון סיום, שחרור החלבון ופירוק הקומפלקס.
פקטורים מרכזיים בתרגום
פקטורי איתחול
eIF = eukaryotic Initiation Factor.
| פקטור | תפקיד | עזר זיכרון |
|---|---|---|
| eIF4E | קושר את ה־5′ cap | E = End נאחז בקצה ה־5′ של ה־mRNA |
| eIF4G | משמש כפיגום שקושר את eIF4E ואת PABP וכך מקרב את שני קצות ה־mRNA | G = Glue מדביק בין ה־cap לזנב ה־ Poly-A |
| eIF2-GTP | מביא את ה־initiator Met-tRNAi לתת־היחידה הקטנה, ממקם אותו ב־P site | eIF2 brings the first tRNA אף שמספרו 2, הוא מביא את ה־tRNA הראשון |
פקטורי התארכות
eEF = eukaryotic Elongation Factor.
| פקטור | תפקיד | עזר זיכרון |
|---|---|---|
| eEF1A-GTP | מביא aminoacyl-tRNA חדשים ל־A site | 1A = Aminoacyl-tRNA to A site שלוש פעמים A |
| eEF2-GTP | מקדם translocation של הריבוזום לקודון הבא | eEF2 = move to the next position מעביר את הריבוזום לשלב הבא |
פקטורי סיום
eRF = eukaryotic Release Factor.
| פקטור | תפקיד | עזר זיכרון |
|---|---|---|
| eRF1 | מזהה קודון סיום ומקדם את שחרור הפוליפפטיד | 1 = Recognize and Release הפקטור המרכזי שמבצע את הסיום |
| eRF3-GTP | GTPase שמסייע ל־eRF1 ומזרז את תהליך הסיום | 1 מסיים, 3 מזרז |
1. איתחול (Initiation): תחילת התרגום
 |  |
שלב האיתחול מתחיל ביצירת קומפלקס על תת־היחידה הקטנה של הריבוזום.
הקומפלקס כולל:
- תת־יחידה קטנה של הריבוזום
- ה־initiator Met-tRNAi
- פקטור האיתול eIF2-GTP ופקטורי איתחול נוספים.
במקביל, ה־mRNA עובר אקטיבציה:
- eIF4E נקשר ל־5′ cap (נזכור: E = End).
- PABP (Poly(A)-Binding Protein) נקשר ל־poly-A tail.
- eIF4G מקשר בין eIF4E לבין PABP, וכך מקרב את הקצה 5’ ואת הקצה 3’ של ה־mRNA (נזכור: G = Glue).
לאחר הקישור לקצה 5’, תת־היחידה הקטנה סורקת את ה־5′ UTR, בכיוון חמש לשלוש, עד שהיא מזהה AUG בהקשר מתאים (קודון פתיחה).
Kozak sequence
ב־mRNA אאוקריוטי, זיהוי יעיל של קודון פתיחה תלוי גם ברצף שמסביב ל־AUG. הרצף הזה נקרא Kozak sequence.
רצף הקונצנזוס:
5′-GCC(A/G)CCAUGG-3′
שתי עמדות חשובות במיוחד:
- A או G בעמדה $-3$ לפני ה־AUG.
- G בעמדה $+4$ אחרי ה־AUG.
כאשר ההקשר של Kozak חזק, ה־AUG מזוהה ביעילות. כאשר ההקשר חלש, תת־היחידה הקטנה יכולה להמשיך לסרוק ולבחור AUG מאוחר יותר. תופעה זו נקראת leaky scanning.
לזכור למבחן: באאוקריוטים, תת־היחידה הקטנה נקשרת לקצה 5’ של ה־mRNA וסורקת עד AUG. רצף Kozak טוב - מעלה את יעילות הזיהוי של קודון פתיחה.
לאחר זיהוי AUG, מתרחשת הידרוליזה של GTP על eIF2. פקטורי האיתחול עוזבים, תת־היחידה הגדולה מצטרפת, וה־initiator Met-tRNAi נשאר ב־P site. מכאן מתחיל שלב ההתארכות.
2. התארכות (Elongation): הארכת השרשרת
בכל מחזור התארכות, נכנסת חומצת אמינו חדשה אחת לשרשרת.
 |  |
המחזור כולל ארבעה צעדים:
- כניסת aminoacyl-tRNA ל־A site בעזרת eEF1A-GTP.
- בדיקת קודון-אנטיקודון. התאמה טובה גורמת להידרוליזת GTP ולעזיבת eEF1A.
- יצירת קשר פפטידי. השרשרת עוברת מה־tRNA ב־P site אל חומצת האמינו שעל ה־tRNA ב־A site.
- Translocation. הריבוזום מתקדם קודון אחד. ה־tRNA שהיה ב־P site עובר ל־E site ויוצא, וה־tRNA עם השרשרת עובר ל־P site.
Proofreading בזמן התארכות
דיוק התרגום מתבסס על שני שלבי בדיקה:
- eEF1A-GTP מכניס aminoacyl-tRNA ל־A site. התאמה טובה בין קודון לאנטיקודון מפעילה הידרוליזת GTP.
- לאחר עזיבת eEF1A, הריבוזום עובר שינוי מבני. tRNA מתאים מתייצב באתר A, ו־tRNA לא מתאים נוטה להשתחרר לפני יצירת קשר פפטידי.
בדיקת הריבוזום מתמקדת בהתאמת קודון-אנטיקודון. לכן הטעינה הנכונה של ה־tRNA בחומצת אמינו נעשית מוקדם יותר, על ידי aminoacyl-tRNA synthetase.
Translocation
אחרי יצירת הקשר הפפטידי, תת־היחידה הגדולה זזה ביחס ל־tRNA. לאחר מכן eEF2-GTP מקדם את התזוזה של תת־היחידה הקטנה ושל ה־mRNA בשלושה נוקלאוטידים.
כך ה־A site מתפנה לקליטת aminoacyl-tRNA נוסף, והמחזור חוזר על עצמו.
3. טרמינציה: סיום התרגום
כאשר קודון סיום נכנס ל־A site, אין tRNA רגיל שמתאים אליו. במקום tRNA, מגיעים release factors.
 |  |
שלבי הסיום:
- eRF1 מזהה את אחד מקודוני הסיום: UAA, UAG או UGA.
- eRF3-GTP נקשר ל־eRF1 ומקדם שינוי קונפורמציה.
- מרכז ה־peptidyl transferase מבצע הידרוליזה של הקשר בין הפוליפפטיד לבין ה־tRNA.
- החלבון משתחרר.
- תת־היחידות של הריבוזום, ה־mRNA וה־tRNA, מתפרקים למחזור תרגום נוסף.
לזכור למבחן: קודוני סיום מזוהים על ידי release factors, בעיקר eRF1, ולא על ידי tRNA רגיל.
Polyribosomes
על אותו mRNA יכולים לשבת מספר ריבוזומים בו־זמנית. מבנה כזה נקרא polyribosome או polysome.
המשמעות היא שמולקולת mRNA אחת יכולה ליצור עותקים רבים של אותו חלבון בזמן קצר. ריבוזום שמתחיל ראשון יהיה קרוב יותר לקצה 3’, והריבוזומים שמתחילים אחריו יהיו קרובים יותר לקצה 5’.
לאחר התרגום: החלבון צריך להגיע למבנה פעיל
סיום התרגום נותן פוליפפטיד, אבל חלבון פעיל דורש שלבים נוספים:
- קיפול למבנה תלת־ממדי.
- הרכבה עם תת־יחידות נוספות, אם החלבון פועל כקומפלקס.
- קישור קו־פקטורים, למשל יוני מתכת או coenzymes.
- מודיפיקציות post-translational.
- בקרת איכות וסילוק חלבונים שלא התקפלו בצורה תקינה.
עקרונות קיפול
רצף חומצות האמינו מכיל את המידע הבסיסי לקיפול. במהלך הקיפול:
- אזורים הידרופוביים נוטים להיקבר בליבת החלבון.
- אזורים פולריים וטעונים נוטים להיות חשופים יותר לסביבה מימית.
- קשרי מימן, אינטראקציות יוניות, אינטראקציות הידרופוביות וקשרי ואן דר ואלס מייצבים את המבנה.
הקיפול מתחיל כבר כאשר השרשרת יוצאת מתעלת היציאה של הריבוזום. בחלבונים רבים, מתיונין הראשון מוסר לאחר מכן, ולעיתים הקצה ה־N-terminal עובר acetylation.
קו־פקטורים ומודיפיקציות לאחר תרגום
חלבונים רבים זקוקים למרכיבים נוספים כדי לפעול:
| סוג | דוגמאות | תפקיד כללי |
|---|---|---|
| Metal ions | $\ce{Zn^{2+}}$, $\ce{Fe^{2+}/Fe^{3+}}$, $\ce{Cu^{2+}}$, $\ce{Mg^{2+}}$ | יציבות מבנית, קטליזה, קישור מצעים |
| Coenzymes | ביוטין, Coenzyme A, ויטמינים שונים | נשיאת קבוצות כימיות או אלקטרונים |
| Post-translational modifications | phosphorylation, acetylation, methylation, ubiquitination | שינוי פעילות, מיקום, יציבות או אינטראקציות |
מודיפיקציות לאחר תרגום יכולות לשנות במהירות את פעילות החלבון, בלי לייצר חלבון חדש מהתחלה. לדוגמה, phosphorylation יכולה להפעיל או לעכב אנזים, ו־ubiquitination יכולה לסמן חלבון לפירוק או לשנות את פעילותו, תלוי בסוג השרשרת.
Chaperones: עזרה בקיפול ומניעת אגרגציה
חלבונים צעירים או חלבונים שנפגעו יכולים לחשוף אזורים הידרופוביים. אזורים כאלה נוטים להידבק לחלבונים אחרים וליצור אגרגטים. ה־Molecular chaperones מזהים מצבים כאלה ומאפשרים לחלבון ניסיונות קיפול חוזרים לקיפול נכון.
Hsp70
Hsp70 הוא chaperone שמור מאוד. הוא נקשר לרצפים קצרים והידרופוביים בחלבון שעדיין לא התקפל בצורה יציבה, כבר בזמן יציאתו מהריבוזום.
מחזור הפעולה:
- Hsp70 מזהה אזור הידרופובי חשוף.
- הידרוליזת ATP ל־ADP סוגרת את Hsp70 על החלבון ושומרת אותו במצב פרוש יחסית.
- קישור ATP חדש פותח את Hsp70 ומשחרר את החלבון.
- המחזור חוזר עד שהחלבון מצליח לקפל את האזורים ההידרופוביים פנימה, או עד שהוא מועבר למסלול בקרת איכות אחר.
הפעולה הזו מצמצמת אגרגציה ונותנת לחלבון זמן לקיפול הדרגתי.
Hsp90 ו־Hsp60
חלק מהחלבונים זקוקים לעזרה נוספת אחרי Hsp70.
Hsp90 פועל בעיקר בשלבים מאוחרים של קיפול, ומייצב Client proteins כמו kinases, steroid hormone receptors ו־transcription factors. הוא עובד כדימר ובמחזור תלוי ATP.
Hsp60 / chaperonin יוצר תא קיפול מבודד. החלבון נכנס לחלל, מכסה נסגר בתהליך תלוי ATP, והחלבון מקבל סביבה מבודדת שבה הוא יכול לנסות להתקפל מחדש.
לזכור למבחן: Hsp70 מתאים לזיהוי מוקדם של אזורים הידרופוביים חשופים; Hsp60/chaperonin מספק תא קיפול מבודד; Hsp90 מלווה maturation של חלבוני signaling ולקוחות ספציפיים.
סילוק חלבונים שלא התקפלו נכון
כאשר חלבון ממשיך להציג אזורים הידרופוביים חשופים או לא מצליח להגיע למבנה תקין, התא מסמן אותו לפירוק. הסימון המרכזי לפירוק דרך הפרוטאזום הוא שרשרת polyubiquitin המקושרת דרך Lys48.
שלבי הסימון:
- E1 מפעיל יוביקוויטין בעזרת ATP.
- יוביקוויטין עובר ל־E2.
- E3 ligase מזהה את חלבון המטרה ומביא אותו לקרבת E2.
- יוביקוויטין מתחבר לליזין על חלבון המטרה.
- מחזורים נוספים יוצרים שרשרת polyubiquitin.
E3 ligases מקנים למסלול את הספציפיות. בתאים יש מאות E3 שונים, ולכן אפשר לזהות מגוון רחב של חלבונים לפירוק.
יוביקוויטין יחיד יכול לשמש גם כסימון רגולטורי. שרשרת polyubiquitin דרך Lys48 היא הסימון הקלאסי לפירוק בפרוטאזום.
פרוטאזום
הפרוטאזום הוא קומפלקס פירוק חלבונים. הוא בנוי מ־20S core שבו נמצאים אתרי הפרוטאזות, ומשני כובעי 19S שמזהים חלבונים מסומנים.
תהליך הפירוק:
- כובע 19S מזהה שרשרת polyubiquitin.
- יוביקוויטין מוסר וממוחזר.
- טבעת ATPases פורשת את החלבון.
- החלבון מושחל אל 20S core.
- אתרי הפרוטאזות חותכים אותו לפפטידים קצרים.
Protein unfoldase
ה־ATPases שבכובע הפרוטאזום פועלים כמו unfoldase. הם מושכים את החלבון דרך טבעת צרה, מפרקים את המבנה המקופל שלו, ומשחילים אותו אל הליבה.
מהגן לחלבון פעיל
זרימת המידע מסתיימת בחלבון פעיל רק אחרי כמה שכבות של עיבוד ובקרה:
DNA → pre-mRNA
שעתוק בגרעין.
pre-mRNA → mature mRNA
ה־capping, splicing, polyadenylation ובקרת איכות.
mRNA → polypeptide
תרגום בציטופלזמה על ידי הריבוזום, tRNA ופקטורי תרגום.
סדר האירועים:
- aminoacyl-tRNA synthetase טוען חומצה אמינית על ה־tRNA
- ה־tRNA נכנס לריבוזום
- האנטיקודון מזדווג עם הקודון ב־mRNA
כלומר, החומצה האמינית מחוברת ל־tRNA עוד לפני שהוא מגיע לריבוזום. הריבוזום בודק בעיקר את התאמת קודון-אנטיקודון, לא את זהות החומצה האמינית עצמה.
polypeptide → functional protein
קיפול, קו־פקטורים, מודיפיקציות, הרכבה עם תת־יחידות ובקרת איכות.
failed protein → degradation
ה־polyubiquitination דרך Lys48 ופירוק בפרוטאזום.