การแปลรหัสพันธุกรรมเพื่อสังเคราะ์โปรตีน (translation: protein synthesis)

การแปลรหัสพันธุกรรมเพื่อสังเคราะ์โปรตีน 

(translation: protein synthesis)

·       a protein ประกอบด้วย  ³ 1 subunits ของโพลีเปปไทด์ (polypeptides)

·       polypeptides ประกอบจาก amino acids ต่อๆกันด้วย peptide bond

·       โครงสร้างของโปรตีนมี 4 ระดับ คือ

1.      primary structure

2.      secondary structure

3.      tertiary structure

4.      quaternary structure

·       The genetic code is a triplet code  (เช่น CAU และ CAC เป็นพันธุกรรมของ histidine)

·       Transfer  RNAs  (tRNAs)

      tRNAs เป็น single-stranded  RNA  ยาวประมาณ 74-95  nucleotides ประกอบด้วย A,G,C และ U nucleotides     tRNA แต่ละตัวจะทำหน้าที่ขนส่งกรดอะมิโนที่เฉพาะชนิด  เช่น  tRNA^gly จะทำหน้าที่ขนส่ง amino acid glycine

tRNA มีส่วนที่สำคัญ 2 ส่วนคือ 1) amino acid attachment site 2) anticodon = 3 nucleotides complementary to an mRNA codon specifying the amino acid carried by the tRNA (เช่น  anticodon เป็น 3’-CCU-5’ จะ complement       กับ mRNA codon  ที่เป็น 5’-GGA-3’  และ tRNA นั้นจะทำหน้าที่ขนส่ง glycine ) tRNA จะต่อกับ amino acid  ด้วยเอนไซม์เฉพาะชื่อ aminoacyl-tRNA synthetase เอนไซม์นี้จะเฉพาะมากคือ จะมี aminoacyl-tRNA synthetase  อย่างน้อย 1 ตัว ต่อ 1 amino acid        tRNA ที่มี amino acid เกาะติดอยู่เรียกว่า charged tRNA

                                               Mg2+

            Amino acid + tRNA + ATP    ®    aminoacyl–tRNA + AMP+PPi

  

·       ไรโบโซม (ribosome)

procaryotic ribosome ประกอบด้วย 30S และ 50S subunit  แต่ละ subunit ประกอบด้วย 1-2 rRNA molecules และ polypeptides            พื้นที่เป็นส่วนที่รับผิดชอบในกระบวนการ translation บน ribosome เรียกว่า translation domain      สายโปรตีนที่ยาวขึ้นจากการ translation จะออกมาตรงส่วนที่เรียกว่า exit domain ของ ribosome

small 30S subunit จะจับกับ mRNA    ส่วน 50S subunit จะทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ peptidyl transferase (23S rRNA is the enzyme) คอยเชื่อม peptide bonds ของ amino acids ให้ต่อกันใน ribosome จะมีส่วนที่เรียกว่า peptidyl site (P site), exit site (E site)    และ aminoacyl site (A site)

1.      Initiation of translation

การสังเคราะห์โปรตีน สามารถแบ่งได้เป็น 3 ขั้นตอนคือ

1.      initiation

2.      elongation

3.      termination

ในขั้นแรกของ initiation ใน E. coli และ แบคทีเรียส่วนมาก AUG codon จะเป็น start codon สำหรับ N- formylmethionyl-tRNA^fmet  (f Met-tRNA)       (เนื่องจากว่า a- amino ถูกจับด้วย formyl group         aminoacyl-tRNA ตัวนี้จึงใช้เป็นตัวแรกในขั้น initiation เท่านั้น    แต่หลังจากการสังเคราะห์โปรตีนเสร็จ formyl group นี้จะถูกตัดออกไป)

กระบวนการ  initiation นั้นเริ่มจาก

1.      intiation factors ; IF1, IF2 และ IF3 จับกับ 30S subunit ของ ribosome เกิดเป็น preinitiation complex

2.      preinitiation complex จับกับ fmet-tRNA^met และ mRNA   (จับกับ mRNA โดย 16S rRNA มีลำดับที่ 3’-terminus นั้น complement กับ Shine Dalgarno sequence) และตำแหน่งของ  AUG (หรือ GUG) จะถูกบอกตำแหน่ง

3.      50 S subunit จะเข้ามาโดยที่ IF1 จะหลุดออกไป และ IF2-GTP จะถูก hydrolysed สุดท้ายจะได้เป็น 70S initiation complex           fmet-tRNA^met จะอยู่ที่ P site และ ribosomme ก็จะพร้อมสำหรับที่จะให้ aminoacyl-tRNA ตัวต่อไปเข้ามาที่ A site

-          initiation factor 3 (IF-3) ป้องกัน 30S subunit จับกับ 50 S subunit     และช่วยให้ mRNA จับกับ 30S subunit อย่างเหมาะสม

-          initiation factor2 (IF-2 ) จับกับ GTP และ fmet-tRNA    และช่วย fMet-tRNA จับกับ 30S subunit

-          initiation  factor1 (IF-1) จำเป็นเพื่อใช้ช่วยในการปลดปล่อย IF2 และ GDP จาก 70 S ribosome     และ IF1 ยังอาจจะช่วยในการจับของ 50S subunit กับ 30S subunit อีกครั้ง

  

2. Elongation of the Polypeptide Chain

elongation cycle เป็นกระบวนการต่อสายโพลีเปปไทด์ให้ยาวขึ้น ประกอบด้วย 3 ระยะ คือ

1. aminoacyl tRNA binding

2. transpeptidation reaction

3. translocation

ซึ่งทั้ง 3 ระยะนี้มี elongation factors ต่าง ๆ คอยช่วย        ในแต่ละรอบของ elongation cycle       amino acid 1 ตัว จะถูกนำมาต่อเข้าไปที่ C – terminal end ของ polypeptide chain

อย่างที่กล่าวไว้แล้วว่า ribosome มี 3 sites สำหรับ tRNAs คือ 1) P site 2) A site  และ 3) E site และใน initiation transcription fMet–tRNA^met อยู่ใน P site (AUG codon for fMet –tRNA^met )   ต่อจากนั้นกระบวนการ elongation จะเป็นดังนี้คือ

1. aminoacyl-tRNA binding phase    aminoacyl-tRNA ที่มี anticodon จับคู่ได้กับ codon ที่ 2   จาก AUG จะเข้ามาที่ A site โดยการนำพาของ GTP และ elongtion factor EF-Tu (เมื่อ GTP จับกับ EF-Tu จะทำให้ EF-Tu อยู่ใน active state และส่ง aminoacyl-tRNA เข้าไปที่ A site)    หลังจากนั้นจะเกิด GTP hydrolysis และ EF-Tu·GDP complex แยกออกมาจาก ribosome          จากนั้น EF-Tu·GDP จะถูกเปลี่ยนให้เป็น EF-Tu·GTP ด้วย elongation factor EF-Ts    แล้วจากนั้น aminoacyl–tRNA ก็จะมาจับกับ EF-Tu·GTP อีก

2. transpeptidation reaction    เมื่อ aminoacyl-tRNA เข้ามาอยู่ใน A site แล้ว    จะทำให้เกิดปฏิกิริยา transpeptidation reaction โดยมีเอนไซม์ peptidyl transferase (อยู่ใน 50S subunit) เป็นตัวคาตาไลท์ (catalyst) โดยที่ a- amino group ของ amino acid ที่ A site จะไปทำปฏิกิริยากับ a - carboxyl group ของ   C- terminal amino acid ที่ P site tRNA    แล้วดึง amino acid(s) นั้น มาอยู่ที่ A site

  

3. translocation    เป็นระยะสุดท้าย ของ elongation cycle ซึ่งมีเหตุการณ์ต่อไปนี้เกิดขึ้นพร้อม ๆ กัน

1)      peptidyl-tRNA ย้ายจาก A site ไปที่ P site

2)      ribosome เคลื่อนไปอีก 1 codon บนสาย mRNA ทำให้ a new codon อยู่ที่ A site

3)      tRNA ที่ไม่มี amino acid เกาะอยู่จะออกจาก P site ไปที่ E site แล้วจึง จาก ribosome ไป

ซึ่งในกระบวนการ translocation นี้มี EF-G (translocase protein) และ GTP hydrolysis เข้ามาร่วม               ในระหว่างการ translocation นี้ ribosome ก็มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างนิดหน่อย   ขณะที่เคลื่อนที่จาก 5’ ไป 3’-end ของ สาย mRNA

  

3. Termination of Translation

การสังเคราะห์โปรตีนสิ้นสุดเมื่อ ribosome เคลื่อนที่มาถึง nonsense codon : UAA,UAG หรือ UGA โดยที่มี release  factotors : RF-1, RF-2 และ RF-3 ช่วยทำให้ ribosome จดจำ codons เหล่านี้ได้       RF-1 และ RF-2 มีโครงสร้างคล้าย tRNA (molecular mimicry)  โดยที่ RF-1 จดจำ UAG ได้      ส่วน RF-2 จดจำ UGA ได้และทั้งคู่จดจำ UAA ได้     ส่วน RF-3 เป็น GTP- binding protein จะเข้าทำงานร่วมกับ RF-1 และ RF-2   โดยช่วยทำให้เกิดการตัด peptidyl-tRNA ทำให้ได้ protein chain หลุดออกมา   และ protein chain ที่หลุดออกมาจะถูก fold เป็น 3D conformation ด้วยโปรตีนที่เรียกว่า chaprones

หลังจากนั้น ribosome ก็จะแยกตัวออกมาจากสาย mRNA และแยกไปเป็น 30S และ 50S subunits          IF-3 จะจับกับ 30S subunit เพื่อป้องกันไม่ให้ 30S subunit มาจับกับ 50S subunit ได้อีกครั้ง จนกว่าจะถึงช่วงเวลาที่เหมาะสมหรือเข้าสู่ initiation stage อีกครั้ง

ในกระบวนการของ protein synthesis นี้ เป็นกระบวนการที่แพงมาก      เนื่องจากว่าใช้ 3 GTPs และ 2 ATPs ในการต่อ 1 amino acid เข้าไปที่สาย polypeptide chain

ribosomes ที่ในกระบวนการ protein synthesis ของ procaryotes และ eucaryotes นั้นต่างกัน

-          streptomycin binds to  30S ribosomal subunit ยับยั้งการสร้างโปรตีน และทำให้ 30S subunit อ่าน mRNA ผิด

-          erythromycin binds to 50S ribosomal subunit และยับยั้งกระบวนการ peptide chain elongation ในการสังเคราะห์โปรตีน