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TRANSLACJA

TRANSLACJA

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[MCB 411/411H
Module 17
The Mechanism of Translation]

An overview of translation

In order for proteins to be made in cells, the 
following components are necessary:

-messenger RNA (mRNA) 

-ribosomes (complexes of protein and 
ribosomal RNA [rRNA]) 

-transfer RNA (tRNA) 

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-various protein factors
 
-amino acids 

-energy (ATP and GTP)

 

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The process of translation has four 

stages:

1.tRNA charging (adding the correct amino 

acid to the correct tRNA)

2. initiation (assembly mRNA, ribosomes, and 

tRNA)

3. elongation (reading the code and 

converting the information into a peptide)

4. termination (ending the synthesis of a 

protein)

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Transfer RNA

E. coli 30S subunit

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E. coli 50S subunit

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E. coli 70S ribosome

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The general structure shown on the left has the 

important features that you will find in all tRNAs. 
This includes the base paired stems, including the 
acceptor stem, and the loops (the D-loop, the TYC-
loop and the anticodon loop). D and Y are symbols 
that indicate modified bases that are present in 
tRNAs and not generally found in other RNAs. 

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These modified bases are shown in Figure: 

The significance of the modified bases is not 
totally clear. The modifications take place after 
the transcription of the tRNA from the DNA 
template. Data suggest that if the bases are left 
unmodified the tRNA does not function properly. 
What their exact role is remains unknown.

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Of course the cloverleaf structure is just a cartoon representation. 
Another representation of the molecule comes from X-ray 
crystallography. In this case, it appears that the molecule is folded up 
into the form shown in Figure 

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The  various  regions  of  the  molecule  are  color 
coded as in Figure.
This  folded  structure  is  thought  to  be  more 
representative  of  the  molecule  as  it  might 
occur  within  the  cell.  These  models  of  tRNAs 
are  quite  striking  in  three  dimensional 
representation:

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Transfer RNA Charging

The process of adding the correct amino acid to 
the  tRNA  responsible  for  bringing  to  the 
ribosome  is  called  "charging."  The  word 
"charge"  here  is  used  in  the  sense  of  "loading," 
as in charging a battery.

The  charging  reaction  is  catalyzed  by  a  set  of 
enzymes called aminoacyl tRNA synthetases.

 

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The enzyme catalyzes a two-step reaction:

1.In  the  first  step,  utilizes  ATP  and  the  amino 

acid is energized by the covalent addition of 
AMP,  joining  the  two  molecules  by  making  a 
bond between the phosphate of AMP and the 
COOH of the amino acid. 

This  splits  of  the  pyrophosphate  of  ATP, 
which  is  immediate  broken  down  into  to 
inorganic 

phosphates 

by 

the 

enzyme 

pyrophosphatase. 

Therefore, the energy of two phosphodiester 
bonds drives this reaction.

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2.  The  second  step  is  the  transfer  of  the 
amino acid to the 3' or 2' OH of the terminal A 
of the tRNA. 

The  product  of  the  reaction  is  an  aminoacyl-
tRNA and AMP. 

The overall reaction is as follows:

amino  acid  (aa)  +  ATP  +  tRNA  -->  aminoacyl-
tRNA + AMP + 2 Pi
 
The link to the tRNA can be initially at either 
the 3' OH or the 2' OH. 

The  3'  end  of  every  tRNA  is  the  sequence 
---CCAOH. 

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The specificity of 
these enzymes 
(aminoacyl tRNA 
synthetases) is 
determined by the 
structure of the 
tRNA. 

Although you would 
think that the 
anticodon provides 
all of the information, 
an analysis of various 
tRNA structures 
shows that the 
important bases 
might be at other 
locations in the 
molecule.

 

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Prokaryotic Initiation

Protein synthesis in all cells begins (is initiated) 
by  the  association  of  mRNA,  tRNA  and 
ribosomes. 

This initiation is mediated by a series of factors 
appropriately called initiation factors (IFs). 

In  Prokaryotes  there  are  three:  IF-1,  IF-2,  and 
IF-3.

The first step is to make sure that the ribosome 
is dissociated into it's subunits. 

This is accomplished by two of these factors. 

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This sequence of events is diagrammed in Figure: 

In  the  cell  intact  ribosomes  (70S  ribosomes) 
interact with IF-1 to cause dissociation into the 
two  subunits,  30S  (the  small  subunit)  and  50S 
(the  large  subunit).  IF-3  then  binds  to  the  30S 
subunit  and  keeps  the  two  from  reassociating 
until the time is correct. 

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The  first  event  of  interaction  between  the 
components  of  translation  is  the  formation  of 
the  30S  initiation  complex.  This  involves  the 
30S  subunit,  the  mRNA,  and  a  special  initiator 
tRNA.

The  code  word  that  says  "start  protein 
synthesis"  is  AUG,  the  same  code  word  that 
means "methionine". 

As  you  might  expect,  the  tRNA  that  is  the 
initiator  will  be  one  that  can  read  this  code 
word. 

However,  in  prokaryotes,  this  special  tRNA 
carries  a  modified  version  of  the  amino  acid 
methionine. 

Figure  shows  the  structure  of  methionine  and 
N-formyl-methionine:

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Figure shows the structure of methionine and 
N-formyl-methionine:

In prokaryotes, the 30S subunit of the ribosome, 
along with fMet-tRNAMetf, interacts directly with 
the  start  codon  (AUG)  that  begins  the  protein  to 
be translated. All three initiation factors (IF-1, IF-
2,  IF-3)  are  involved  in  this  process.  IF-2  carries 
out  it's  function  in  this  event  by  having  a  GTP 
bound  to  it.  The  energy  from  this  GTP  will  be 
used a bit later.

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The  precise  placement  of  the  30S  subunit  at 
the  start  codon  is  achieved  by  a  base  pairing 
between the 3' end if the 16S rRNA of the 30S 
subunit  and  sequences  found  just  upstream 
from the initial AUG. 

This  base-pairing  interaction  was  discovered 
by  John  Shine  and  Lynn  Dalgarno  and  the 
sequence  in  the  mRNA  is  therefore  called  the 
Shine-Dalgarno sequence (SD sequence).

This  base-pairing  is  shown  in  the  following 
figure:

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Once  the  30S  subunit  is  located  correctly,  the 
initiator tRNA is positioned over the AUG codon 
that begins the protein. 

This forms the 30S initiation complex.

The  SD-sequence  explains  how  prokaryotic 
mRNA can be polycistronic. 

Since  the  30S  subunit  finds  its  way  to  each 
start  codon,  several  different  starts  can  be 
made on the same mRNA, if they have the SD-
sequence upstream. 

Here's  the  lac  messenger  RNA  as  an  example, 
showing  the  location  of  the  SD-seqences 
upstream of each gene:

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Next,  the  50S  subunit  joins  this  complex,  to 
form the 70S initiation complex. 

The three factors now leave and the GTP that 
is  attached  to  IF-2  is  hydrolyzed  to  GDP  and 
Pi. 

All  of  the  events  of  prokaryotic  initiation  are 
summarized  in  the  following  table  and  in 
Figure: 

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Steps in Formation of 

70S initiation 

Complex:

1. dissociation of the 

70S ribosome into the 

30S and 50S subunits 

(IF-1) 
2. binding of IF-3 to 30S
3. binding of IF-1 and 

IF-2/GTP to 30S
4. joining of 30S/IF's 

with initiator tRNA and 

mRNA to form 30S 

initiation complex
5. Binding of 50S to 30S 

complex, with loss of IF-

1 and IF-3
6. dissociation of IF-2 

with hydrolysis of GTP 

to GDP and Pi

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Eukaryotic Initiation

The beginning of protein synthesis in 
eukaryotes also involves the association of 
ribosome, tRNA, and mRNA. 
However, unlike the prokaryotes, this 
association takes place in a very different way.

Remember that the 5' end of eukaryotic 
mRNAs has a methylated cap. 
Marilyn Kozak discovered that eukaryotic 
ribosomes do not bind directly to the region of 
the messenger RNA that contains the AUG 
initiation codon. 

Instead, the 40S ribosomal subunit starts at 
the 5' end and "scans" down the message until 
it arrives at the AUG codon. 

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This is diagrammed in Figure:

The AUG that is recognized likely sits within 
a  certain  sequence  context  with  the 
following consensus:

CCRCCAUGG 

where R is a purine (A or G).

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In  addition  to  the  40S  subunit,  this  requires 

energy (GTP), eukaryotic initiation factors (eIFs, 
see below) and an initiator tRNA. 

Unlike  the  prokaryotic  case,  the  methionine 
carried by this tRNA is not formlyated. The tRNA 
is called tRNAi. 

When  it  carries  methionine,  it  is  called  Met-
tRNAiMet.

The  formation  of  the  initiation  complex  in 
eukaryotes proceeds as outline in Figure: 

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The  40S  subunit  joins  with  eIF-3  to  form  the 
40SN structure that can join with the initiator 
tRNA.
Along  with  eIF-2,  the  tRNA  joins  to  form  the 
43S complex. 
This now binds to the capped 5' end of mRNA, 
under  the  direction  if  eIF-4,  and  scans  down 
the  mRNA  until  it  reaches  the  correct  AUG 
start codon. 

This is the 48S initiation complex. 

The 60S subunit now joins, using the action of 
eIF-5, to form the final 80S initiation complex.

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The  unique  event  in  this  sequence  that  truly 
distinguishes this from prokaryotic initiation is 
the scanning of the 40S subunit. 

This  requires  the  presence  of  the  5' 
methylated cap structure. 

The  initiation  factor  responsible  for  this 
recognition is a factor called eIF-4F. 

This consists of three separate proteins: 

-eIF-4E (the cap binding protein itself), 
-eIF-4A and 
-eIF-4G. 

All three together are eIF-4F. 

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In Figure, this is shown as simply eIF-4, since 
it is a complex of proteins.

Here's  how  it  is  thought  these  factors 
interact at the cap: 

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The  best  evidence  that  the  methylated  cap  is  a 
necessity for translation comes from infection of 
cells with poliovirus. 

This  virus  has  an  RNA  genome  that  serves  as  a 
messenger RNA inside the cell. 

The  genomic  RNA  of  poliovirus  is  not  capped 
and  methylated,  and  yet  is  translated  in  the 
infected cell very efficiently. 

It  turns  out  that  shortly  after  infection, 
poliovirus  shuts  down  the  cell's  ability  to 
translate any capped mRNA. 

It does this by destroying eIF-4G, the stabilizing 
protein of the cap binding complex eIF-4F.

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How  is  poliovirus  RNA  translated  if  it  has  no 
cap?  The  viral  RNA  has  an  internal  ribosome 
entry site (IRES), a secondary structure feature 
of the RNA that allows direct ribosome binding, 
similar  to  that  found  in  prokaryotes.  Here's  a 
diagram of the poliovirus IRES: 

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This feature becomes the place where the 40S 
complex  binds.  The  Figure  is  supposed  to 
show  the  situation  in  poliovirus-infected  cell, 
with a protein factor called "X" binding to the 
IRES. 
There  is  clear  evidence  in  the  literature  that 
documents the existence of this protein.


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