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Ribosomes - Spirin A.S.

Contents


PART I: HISTORICAL AND FUNDAMENTAL INTRODUCTION
Chapter 1: Protein Biosynthesis: Summary and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Chapter 2: Messenger RNA and the Genetic Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Discovery of mRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Deciphering the Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Some Features of the Code Dictionary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4. Deviations from the Universal Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5. Structure of mRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1. Primary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2. Functional Regions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.3. Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6. Messenger Ribonucleoproteins of Higher Eukaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Chapter 3: Transfer RNA and Aminoacyl-tRNA Synthetases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1. Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2. Structure of tRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1. Primary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2. Secondary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3. Tertiary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3. Aminoacyl-tRNA Synthetases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4. Aminoacylation of tRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5. Specificity of tRNA Aminoacylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1. Specificity for Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.2. Specificity for tRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.3. Specific Modifications of Aminoacyl Residue after Aminoacylation . 42
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Chapter 4: Ribosomes and Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1. First Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2. Localization of Ribosomes in the Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3. Prokaryotic and Eukaryotic Ribosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4. Sequential Readout of mRNA by Ribosomes; Polyribosomes . . . . . . . . . . . . . 48
4.5. Stages of Translation: Initiation, Elongation, and Termination . . . . . . . . . . . . . 50
4.6. Chemical Reactions and Overall Energy Balance of Protein Biosynthesis . . . . 51
4.7. Cell-free Translation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
PART II: STRUCTURE OF THE RIBOSOME
Chapter 5: Morphology of the Ribosome
by Victor D. Vasiliev and Alexander S. Spirin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1. Size, Appearance, and Subdivision into Subunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2. Small Subunit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3. Large Subunit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.4. Association of Subunits into the Complete Ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5. Morphology of the Ribosome at 25 Å Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.6. X-Ray Crystallography of the Ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Chapter 6: Ribosomal RNA
by Alexey A. Bogdanov and Alexander S. Spirin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2. Types of Ribosomal RNAs and their Primary Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3. Secondary Structure of Ribosomal RNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.1. General Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.2. Secondary Structure of the Small-Subunit rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.3. Secondary Structure of the Large-Subunit rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.4. Secondary Structure of 5S rRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.4. Tertiary Structure and Compact Folding of Ribosomal RNAs . . . . . . . . . . . . . 80
6.4.1. General Principles and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4.2. Compact Folding of rRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4.3. Specific Shapes of the Folded rRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4.4. Conformational Changes of rRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.5. Model of Three-Dimensional Folding of rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Chapter 7: Ribosomal Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1. Diversity; Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2. Primary Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.3. Three-dimensional Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.4. Protein Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.5. Interactions with Ribosomal RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.6. Disassembly and Reassembly of Ribosomal Subunits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.6.1. Disassembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.6.2. Reassembly (Reconstitution) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
Chapter 8: Mutual Arrangement of Ribosomal RNA and
Proteins (Quaternary Structure) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
8.1. Peripheral Localization of Proteins on RNA Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
8.2. Topography of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.1. Identification of Neighboring Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
8.2.2. Measuring Distances between Proteins and Triangulation . . . . . . . . 105
8.2.3. Immuno-Electron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
8.2.4. Exposure of Proteins on the Ribosome Surface. . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3. Topography of RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.3.1. Assignment to Protein Topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
8.3.2. Immuno-Electron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
8.4. Quaternary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
PART III: FUNCTION OF THE RIBOSOME
Chapter 9: Functional Activities and Functional Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1. Working Cycle of the Ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.2. Methodological Approaches to Localization of Ribosomal Functional Sites .117
9.3. Binding, Retention and Sliding of the Message
(mRNA-Binding Site on the Small Subunit). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4. Catalysis of the Peptide Bond Formation

(Peptidyl Transferase on the Large Subunit). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
9.5. GTP-Dependent Binding of Translation Factors
(Factor-Binding Site on the Large Subunit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
9.6. Binding of Aminoacyl-tRNA and Retention of Peptidyl-tRNA
(tRNA-Binding Sites at the Intersubunit Space) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
9.6. l. P Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
9.6.2. A Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
9.6.3. Entry Site (R or T Site) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
9.6.4. Intermediate Positions ("Hybrid Sites"). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
9.6.5. Exit Site (E Site). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
9.7. Ligand Displacements (Translocation). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.8. The Material and Energy Balance of the Elongation Cycle . . . . . . . . . . . . . . .135
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Chapter 10: Elongation Cycle, Step I:
Aminoacyl-tRNA Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.1. Codon-Anticodon Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.1.1. Adaptor Hypothesis and Its Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.1.2. The Concept of Anticodon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.1.3. Wobble Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
10.1.4. Corrections to Wobbling Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.1.5. Stereochemistry of Codon-Anticodon Pairing . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2. Participation of the Elongation Factor 1 (EF-Tu or eEF1A)
in Aminoacyl-tRNA Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
10.2.1. EF1A and Its Interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
10.2.2. Binding the Ternary Complex with the Ribosome . . . . . . . . . . . . .147
10.2.3. Role of GTP and Its Hydrolysis in the Catalysis
of Aminoacyl- tRNA Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.3. Inhibitors of Aminoacyl-tRNA Binding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
10.3.1. Tetracyclines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
10.3.2. Aminoglycosides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.3.3. Some Indirect Inhibitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10.4. Miscoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
10.4.1. Misreading of Poly(U) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
10.4.2. Leakiness of Stop Codons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
10.4.3. Principal Types of Mispairing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
10.4.4. Factors Contributing to Miscoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.4.5. Miscoding Level In Vivo under Normal Conditions . . . . . . . . . . . .155
10.4.6. Kinetic Mechanisms of Miscoding and Miscoding Correction . . . .157
10.5. Summary: Sequence of Events and Molecular Mechanisms . . . . . . . . . . . . .158
10.5.1. Scanning of tRNA Species. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
10.5.2. Recognition of Anticodon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
10.5.3. GTP Hydrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
10.5.4. EF-Tu (EF1A) Release and Correction of
Aminoacyl-tRNA Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
10.5.5. Locking of Aminoacyl-tRNA in the A Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
10.5.6. General Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Chapter 11: Elongation Cycle, Step II:
Transpeptidation (Peptide Bond Formation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
11.1. Chemistry of the Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.2. Energy Balance of the Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
11.3. Stereochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
11.4. Movement of Transpeptidation Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168

11.5. Inhibitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
11.5.1. Chloramphenicol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.5.2. Lincosamides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.5.3. Macrolides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
11.5.4. Streptogramin B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
11.5.5. Streptogramin A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
11.5.6. 4-Aminohexose Pyrimidine Nucleoside Antibiotics . . . . . . . . . . . .172
11.5.7. Sparsomycin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
11.5.8. Anisomycin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
Chapter 12: Elongation Cycle, Step III:
Translocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
12.1. Definition and Experimental Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
12.2. Participation of the Elongation Factor 2 (EF-G or eEF2) in Translocation . .176
12.2.1. EF2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
12.2.2. EF2 Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
12.2.3. Translocation Intermediate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
12.2.4. Role of GTP and Its Hydrolysis in the Catalysis of Translocation .180
12.3. "Nonenzymatic" (Factor-Free) Translocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
12.4. Movement of the Template during Translocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
12.4.1. Triplet Translocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
12.4.2. Non-triplet Translocations (Translocation Errors). . . . . . . . . . . . . . 182
12.4.2. l. Frameshifting at the Aminoacyl-tRNA Binding Step . . . .183
12.4.2.2. Frameshifting at the Translocation Step . . . . . . . . . . . . . .184
12.4.3. Ribosome Hops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
12.5. Mechanics and Energetics of Translocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
12.5.1. Stereochemistry and Mechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
12.5.2. Energetics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.6. Inhibitors of Translocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
12.6.1. Aminoglycosides and Aminocyclitols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
12.6.2. Viomycin (Tuberactinomycin). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
12.6.3. Thiostrepton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
12.6.4. Fusidic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
12.6.5. Glutarimides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
12.6.6. Non-specific Inhibitory Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
12.7. Summary: Sequence of Events and Molecular Mechanisms . . . . . . . . . . . . .193
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
Chapter 13: Elongation Rate and Its Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
13.1. Elongation Rates in Prokaryotes and Eukaryotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
13.1.1. Transit Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
13.1.2. Average Elongation Rate and Its Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
13.1.3. Polyribosome Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
13.2. Discontinuities in Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
13.2.1. Translational Pauses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
13.2.2. Modulating Codons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
13.2.3. Structural Barriers Along mRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
13.2.4. Inhibitory Nascent Peptides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
13.3. Selective Regulation of Elongation on Different mRNAs . . . . . . . . . . . . . . .203
13.4. Total Regulation of Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
13.4.1. Overall Changes of Elongation Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
13.4.2. Phosphorylation of Elongation Factor 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
13.4.3. Modifications of Elongation Factor 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
13.5. Elongation Toxins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206

13.5.1. Diphtheria Toxin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
13.5.2. Shiga and Shiga-like Toxins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
13.5.3. Alpha-Sarcin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
13.5.4. Plant Toxins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
13.5.5. Artificial Chimeric Toxins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210
Chapter 14: Termination of Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
14.1. Termination Codons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
14.2. Termination Protein Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214
14.3. Ribosomal Site for Binding Termination Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
14.4. Hydrolysis of Peptidyl-tRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
14.5. Sequence of Events during Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
Chapter 15: Initiation of Translation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
15.1. General Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
15.1.1. Significance of Initiation Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
15.1.2. Prokaryotic and Eukaryotic Modes of Initiation . . . . . . . . . . . . . . .221
15.1.3. Components of Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
15.1.4. Steps of Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
15.2. Initiation in Prokaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
15.2.1. General Characteristics of Prokaryotic Initiation. . . . . . . . . . . . . . .225
15.2.2. Ribosome Binding Site and Initiation Codon . . . . . . . . . . . . . . . . .225
15.2.3. Prokaryotic Initiator tRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228
15.2.4. Prokaryotic Initiation Factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
15.2.5. Sequence of Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
15.3. Initiation in Eukaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
15.3.1. Characteristics of Eukaryotic mRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
15.3.2. The Cap Structure and the Initiation Codons. . . . . . . . . . . . . . . . . .235
15.3.3. Internal Ribosome Entry Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
15.3.4. Eukaryotic Initiator tRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240
15.3.5. Ribosomal Initiation Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
15.3.6. mRNA-binding Initiation Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
15.3.6.1. Cap-Binding Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
15.3.6.2. RNA Helicase Complex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
15.3.6.3. Ribosomal Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245
15.3.6.4. IRES-Binding Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246
15.3.7. 3'- Terminal Enhancers of Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247
15.3.7.1. Poly(A) Tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247
15.3.7.2. Pseudoknot and tRNA-like Domains. . . . . . . . . . . . . . . . . 247
15.3.8. Sequence of Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253
Chapter 16: Translational Control in Prokaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257
16.1. General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257
16.2. Discrimination of mRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
16.3. Translational Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259
16.3.1. Initiation Induced by Translation of Upstream Cistron . . . . . . . . . .259
16.3.2. Sequential Translation of Polycistronic Messages via Reinitiation.263
16.4. Translational Repression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
16.4.1. Regulation of Translation of Bacteriophage MS2 RNA . . . . . . . . .265
16.4.2. Regulation of Translation of Ribosomal Protein mRNAs . . . . . . . .268
16.4.3. Translational Autoregulation of the Synthesis of
Threonyl-tRNA Synthetase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .276

16.4.4. Regulation of Translation of Bacteriophage T4 mRNAs. . . . . . . . .278
16.5. Antisense Blockade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .278
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
Chapter 17: Translational Control in Eukaryotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
17.1. Importance of Translational Control in Eukaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
17.2. Total Translational Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
17.2.1. Regulation by Modifications of Initiation Factors . . . . . . . . . . . . . . 283
17.2.1.1. Phosphorylation of Met-tRNAi/GTP-binding
Factor (eIF2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
17.2.1.2. Phosphorylation of Cap-binding Factor (eIF4E) . . . . . . . .286
17.2.2. Regulation by mRNP Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287
17.3. Discrimination of mRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
17.3.1. Discrimination by Initiating Ribosomal Particles . . . . . . . . . . . . . .288
17.3.2. Discrimination by mRNA-Binding Initiation Factors . . . . . . . . . . . 288
17.3.3. Modulation of Translational Discrimination by
Inhibiting Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .289
17.3.4. Modulation of Translational Discrimination by
Changing Initiation Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
17.4. Regulation of Initiation by Upstream Open Reading Frames . . . . . . . . . . . .291
17.4.1. ORF Sequence-Dependent Inhibition of Initiation . . . . . . . . . . . . .292
17.4.2. ORF-Mediated Regulation of Yeast Transcription Factor GCN4 . .293
17.4.3. ORF-Involving Ribosome Shunting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .295
17.5. Translational Repression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .296
17.5.1. Iron-Responsive Regulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
17.5.2. Repression via Prevention of Helix Unwinding. . . . . . . . . . . . . . . .297
17.5.3. Regulation of Ribosomal Protein mRNA Translation . . . . . . . . . . .299
17.5.4. Repression by Prevention of Initiation Complex
Movement along mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
17.6. mRNA Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
17.6.1. Masked mRNA in Oocytes and Spermatocytes . . . . . . . . . . . . . . . .300
17.6.2. mRNA Masking and Unmasking during Embryonic Development 302
17.6.3. mRNA Masking and Unmasking during Cell Differentiation . . . . .302
17.6.4. Masking and Unmasking of mRNA in Differentiated Cells . . . . . .302
17.6.5. Models of mRNA Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
Chapter 18: Cotranslational Folding and Transmembrane Transport of Proteins
by Valentin N. Luzikov and Alexander S. Spirin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
18.1. Contribution of Ribosomes to Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
18.1.1. Starting Conformation Set by Peptidyl Transferase Center. . . . . . .309
18.1.2. Intraribosomal Tunnel for Nascent Peptide: Does It Exist?. . . . . . .309
18.1.3. Co-translational Folding of Nascent Polypeptide . . . . . . . . . . . . . .310
18.2. Ribosome-Associated Molecular Chaperones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
18.3. Synthesis of Proteins by Free and Membrane-Bound Polyribosomes . . . . . .312
18.4. Interaction of Translating Ribosomes with Membranes . . . . . . . . . . . . . . . .314
18.4.1. Early Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
18.4.2. Initial Nascent Peptide Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
18.4.3. Signal Amino Acid Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
18.4.3.1. Cleavable Signal Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
18.4.3.2. Uncleavable Signal Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
18.4.4. Interaction of the Ribosome/Nascent Chain Complex with the
Signal Recognition Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317
18.4.5. Interaction of the Ribosome/Nascent Chain/SRP Complex with
SRP Receptor on the Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319

18.5. Cotranslational Transmembrane Translocation of
Nascent Polypeptide Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
18.5.1. Translocation Channel of the Endoplasmic Reticulum Membrane .320
18.5.2. Insertion of the Nascent Polypeptide Chain into
the Endoplasmic Reticulum Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
18.5.3. Arrangement of the Nascent Polypeptide Chain in
the Endoplasmic Reticulum Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325
18.6. Cotranslational Covalent Modifications and Folding of the
Nascent Polypeptide Chain in the Endoplasmic Reticulum . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328
Chapter 19: Conclusion: General Principles of Ribosome Structure and Function . . . 331
19.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331
19.2. Basic Features of Ribosome Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
19.2.1. Two Disparate Subparticles (Ribosomal Subunits) . . . . . . . . . . . .331
19.2.2. Self-folding of Ribosomal RNA into Compact Core . . . . . . . . . . .331
19.2.3. Assembly of Various Ribosomal Proteins on RNA Core . . . . . . .332
19.3. Structural and Biochemical Grounds of Ribosome Function . . . . . . . . . . . .333
19.3.1. Structural Pockets for Functional Centers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
19.3.2. Division of Labor between Ribosomal Subunits . . . . . . . . . . . . . .333
19.3.2.1. Genetic Functions of the Small Subunit . . . . . . . . . . . . . . 334
19.3.2.2. Enzymatic Functions of the Large Subunit . . . . . . . . . . . .334
19.3.3. Large-Block Mobility of the Ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .335
19.3.4. GTP-Dependent Catalysis of Conformational Transitions . . . . . . .336

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