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13.12: Translation
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13.12: Translation

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Overview

Translation is the process of synthesizing proteins from the genetic information carried by messenger RNA (mRNA). Following transcription, it constitutes the final step in the expression of genes. This process is carried out by ribosomes, complexes of protein and specialized RNA molecules. Ribosomes, transfer RNA (tRNA) and other proteins are involved in the production of the chain of amino acids—the polypeptide.

Translation Produces the Building Blocks of Life

Proteins are called the “building blocks” of life because they make up the vast majority of all organisms—from muscle fibers to hairs on your head to components of your immune system—and the blueprint for each and every one of those proteins is encoded by the genes found in the DNA of every cell. The central dogma in biology dictates that genetic information is converted into functional proteins by the processes of transcription and translation.

Translation Occurs Outside of the Nucleus

Eukaryotes have a membrane-bound nucleus where mRNA is transcribed from DNA. After transcription, mRNA is shuttled out of the nucleus to be translated into a chain of amino acids—a polypeptide—and eventually, a functional protein. This can take place in the cytoplasm or in the rough endoplasmic reticulum, where the polypeptides are further modified. By contrast, prokaryotes lack a nuclear compartment, so translation in prokaryotes takes place in the cytoplasm, sometimes as the mRNA is still being transcribed.

The Sequence of Codons in mRNA Determines the Polypeptide Sequence

Each codon in the mRNA corresponds to one of the 20 amino acids that a cell keeps stocked, as well as stop codons which do not code for amino acids. Another RNA molecule, transfer RNA (tRNA), is responsible for providing the correct amino acid, based on the codon sequence, to the ribosomes during translation. At one end of the tRNA molecule, enzymes called aminoacyl-tRNA synthetases covalently attach the specific amino acid to the attachment site, while the anticodon sequence located on the other end of the tRNA will ensure the correct amino acid is delivered to the ribosome. Some tRNA molecules are able to bind to more than one codon sequence, allowing for coding versatility known as the wobble effect. This is due to the fact that tRNA molecules have lower binding specificity to the third nucleotide in the mRNA codon sequence as compared to the first two nucleotides.

Some Inherited Diseases Stem from Defects in Translation

Translation is a complex process that depends on a wide array of cellular components. Mutations that impact any part of this diverse toolkit can cause disease. For example, the iron-storage disease hyperferritinemia, also known as cataract syndrome, results from mutations in the 5’ untranslated region of the mRNA, a region that is important for recruiting translation initiation proteins. These mutations cause abnormally high rates of translation of the iron protein ferritin, causing it to build up in the blood and tissues of affected patients. As a result, the lenses of the eyes turn cloudy. Other diseases are linked to mutations in the genes that encode tRNAs and the ribosomal subunits. For instance, the bone-marrow disease Diamond-Blackfan anemia stems from mutations in the RPS19 gene, a component of the small ribosomal subunit.

Überblick

Die Translation ist der Prozess der Synthese von Proteinen aus der genetischen Information, die von der Boten-RNA (mRNA) getragen wird. Nach der Transkription stellt sie den letzten Schritt in der Expression von Genen dar. Dieser Prozess wird durch Ribosomen, Komplexe von Proteinen und spezialisierten RNA-Molekülen durchgeführt. Ribosomen, Transfer-RNA (tRNA) und andere Proteine sind an der Herstellung der Aminosäurekette beteiligt.

Die Translation produziert die Bausteine des Lebens

Proteine werden als Bausteine des Lebens bezeichnet, weil sie hinsichtlich ihrer Masse die große Mehrheit der Bestandteile aller Organismen ausmachen. Dies reicht von Muskelfasern zu Haaren auf dem Kopf bis hin zu Bestandteilen des Immunsystems. Der Bauplan für jedes einzelne dieser Proteine wird von den Genen kodiert, die in der DNA jeder Zelle gefunden werden können. Das zentrale Dogma der Biologie besagt, dass die genetische Information durch die Prozesse der Transkription und Translation in funktionelle Proteine umgewandelt wird.

Die Translation findet außerhalb des Nucleus statt

Eukaryonten haben einen membrangebundenen Kern, in dem die mRNA von der DNA transkribiert wird. Nach der Transkription wird die mRNA aus dem Kern herausgeschleust, um in eine Kette von Aminosäuren, ein Polypeptid, und schließlich in ein funktionsfähiges Protein übersetzt zu werden. Dies kann im Cytoplasma oder im rauen endoplasmatischen Retikulum geschehen, wo die Polypeptide weiter modifiziert werden. Im Gegensatz dazu fehlt den Prokaryonten ein Kernkompartiment. Die Translation findet bei Prokaryonten also im Cytoplasma statt, manchmal sogar noch während die mRNA transkribiert wird.

Die Sequenz der Codons in der mRNA bestimmt die Polypeptidsequenz

Jedes Codon in der mRNA entspricht einer der 20 Aminosäuren, die eine Zelle vorrätig hält, sowie Stoppcodons, die nicht für Aminosäuren kodieren. Ein weiteres RNA-Molekül, die Transfer-RNA (tRNA), ist dafür verantwortlich, bei der Translation die richtige Aminosäure, basierend auf der Codonsequenz, an die Ribosomen zu liefern. An einem Ende des tRNA-Moleküls binden Enzyme, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen genannt werden, die spezifische Aminosäure kovalent an die Anheftungsstelle, während die am anderen Ende der tRNA befindliche Anticodon-Sequenz dafür sorgt, dass die richtige Aminosäure an das Ribosom geliefert wird. Einige tRNA-Moleküle sind in der Lage, an mehr als eine Codonsequenz zu binden, was eine vielseitige Kodierung, den sogenannten Wobble-Effekt, ermöglicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass tRNA-Moleküle im Vergleich zu den ersten beiden Nucleotiden eine geringere Bindungsspezifität an das dritte Nukleotid in der mRNA-Codonsequenz aufweisen.

Einige Erbkrankheiten sind auf Translationsdefekte zurückzuführen

Die Translation ist ein komplexer Prozess, der von einer Vielzahl von zellulären Komponenten abhängt. Mutationen, die sich auf jeden Teil dieses vielfältigen Werkzeugsatzes auswirken, können Krankheiten verursachen. Zum Beispiel resultiert die Eisenspeicherkrankheit Hyperferritinämie, auch bekannt als Katarakt-Syndrom, aus Mutationen in der 5 unübersetzten Region der mRNA, einer Region, die für die Rekrutierung von Translations-Initiationsproteinen wichtig ist. Diese Mutationen führen zu abnorm hohen Translationsraten des Eisenproteins Ferritin, so dass es sich im Blut und im Gewebe der betroffenen Patienten anreichert. Als Folge davon trüben sich die Augenlinsen. Andere Krankheiten sind mit Mutationen in den Genen, die für die tRNAs und die ribosomalen Untereinheiten kodieren, verbunden. Die Knochenmark-Krankheit Diamant-Schwarzfan-Anämie zum Beispiel geht auf Mutationen im RPS19-Gen zurück, einem Bestandteil der kleinen ribosomalen Untereinheit.


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