การสังเคราะห์โปรตีน: ขั้นตอนและลักษณะของพวกมัน - ชีววิทยา

การสังเคราะห์โปรตีนเป็นเหตุการณ์ทางชีววิทยาที่เกิดขึ้น ใน สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด เซลล์รับข้อมูลที่เก็บไว้ใน DNA อย่างต่อเนื่องและด้วยการมีเครื่องจักรเฉพาะทางที่ซับซ้อนสูงจึงเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของโปรตีน

อย่างไรก็ตามรหัส 4 ตัวอักษรที่เข้ารหัสใน DNA ไม่ได้แปลเป็นโปรตีนโดยตรง โมเลกุล RNA ที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางเรียกว่า messenger RNA มีส่วนเกี่ยวข้องในกระบวนการนี้

การสังเคราะห์โปรตีน.
ที่มา: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

เมื่อเซลล์ต้องการโปรตีนโดยเฉพาะลำดับนิวคลีโอไทด์ของส่วนที่เหมาะสมของ DNA จะถูกคัดลอกไปยัง RNA ในกระบวนการที่เรียกว่าการถอดความ - และสิ่งนี้จะถูกแปลเป็นโปรตีนที่เป็นปัญหา

การไหลของข้อมูลที่อธิบายไว้ (DNA ไปยังผู้ส่งสาร RNA และส่งข้อความ RNA ไปยังโปรตีน) เกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายเช่นแบคทีเรียจนถึงมนุษย์ ขั้นตอนชุดนี้ถูกเรียกว่า "หลักปฏิบัติ" ของชีววิทยา

เครื่องจักรที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์โปรตีนคือไรโบโซม โครงสร้างเซลล์ขนาดเล็กเหล่านี้พบได้มากในไซโตพลาสซึมและยึดกับร่างแหเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม

โปรตีนคืออะไร?

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยกรดอะมิโน สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยเกือบ 80% ของโปรโตพลาสซึมของเซลล์ที่ขาดน้ำทั้งหมด โปรตีนทั้งหมดที่ประกอบขึ้นเป็นสิ่งมีชีวิตเรียกว่า "โปรตีโอม"

หน้าที่ของมันมีหลากหลายและแตกต่างกันไปตั้งแต่บทบาทโครงสร้าง (คอลลาเจน) ไปจนถึงการขนส่ง (ฮีโมโกลบิน) ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาทางชีวเคมี (เอนไซม์) การป้องกันเชื้อโรค (แอนติบอดี) และอื่น ๆ

มีกรดอะมิโนธรรมชาติ 20 ชนิดที่รวมกันโดยพันธะเปปไทด์เพื่อสร้างโปรตีน กรดอะมิโนแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะโดยมีกลุ่มเฉพาะที่ให้คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพโดยเฉพาะ

ขั้นตอนและลักษณะ

วิธีที่เซลล์จัดการตีความข้อความดีเอ็นเอเกิดขึ้นผ่านเหตุการณ์พื้นฐานสองเหตุการณ์: การถอดความและการแปล RNA จำนวนมากซึ่งคัดลอกมาจากยีนเดียวกันสามารถสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีนที่เหมือนกันได้จำนวนมาก

ยีนแต่ละยีนถูกถ่ายทอดและแปลแตกต่างกันทำให้เซลล์สร้างโปรตีนหลากหลายชนิดในปริมาณที่แตกต่างกัน กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับเส้นทางการกำกับดูแลเซลล์ต่างๆซึ่งโดยทั่วไปรวมถึงการควบคุมการผลิตอาร์เอ็นเอ

ขั้นตอนแรกที่เซลล์ต้องทำเพื่อเริ่มการผลิตโปรตีนคือการอ่านข้อความที่เขียนบนโมเลกุลดีเอ็นเอ โมเลกุลนี้เป็นสากลและมีข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการสร้างและพัฒนาสิ่งมีชีวิตอินทรีย์

ต่อไปเราจะอธิบายว่าการสังเคราะห์โปรตีนเกิดขึ้นได้อย่างไรโดยเริ่มจากกระบวนการ "อ่าน" สารพันธุกรรมและลงท้ายด้วยการผลิตโปรตีนต่อตัว

การถอดความ: จาก DNA ไปยัง Messenger RNA

ข้อความบนเกลียวคู่ของ DNA เขียนด้วยรหัสสี่ตัวอักษรที่ตรงกับเบสอะดีนีน (A), กัวนีน (G), ไซโตซีน (C) และไทมีน (T)

ลำดับของตัวอักษร DNA นี้ทำหน้าที่เป็นแม่แบบในการสร้างโมเลกุล RNA ที่เทียบเท่า

ทั้ง DNA และ RNA เป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ อย่างไรก็ตามพวกมันแตกต่างกันทางเคมีในสองประเด็นพื้นฐาน: นิวคลีโอไทด์ใน RNA เป็นไรโบนิวคลีโอไทด์และแทนที่จะเป็นไทมีนพื้นฐาน RNA มี uracil (U) ซึ่งจับคู่กับอะดีนีน

ขั้นตอนการถอดเสียงเริ่มต้นด้วยการเปิดเกลียวคู่ในพื้นที่เฉพาะ หนึ่งในสองโซ่ทำหน้าที่เป็น "แม่แบบ" หรือแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ นิวคลีโอไทด์จะถูกเพิ่มตามกฎการจับคู่พื้นฐาน C กับ G และ A กับ U

เอนไซม์หลักที่เกี่ยวข้องกับการถอดความคือ RNA polymerase มีหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ที่เข้าร่วมกับนิวคลีโอไทด์ของโซ่ โซ่ขยายไปในทิศทาง 5 'ถึง 3'

การเจริญเติบโตของโมเลกุลเกี่ยวข้องกับโปรตีนที่แตกต่างกันซึ่งเรียกว่า "ปัจจัยการยืดตัว" ซึ่งมีหน้าที่ในการรักษาความผูกพันของโพลีเมอเรสไว้จนกว่าจะสิ้นสุดกระบวนการ

การประกบของ Messenger RNA

ที่มา: โดย BCSteve จาก Wikimedia Commons ในยูคาริโอตยีนมีโครงสร้างเฉพาะ ลำดับถูกขัดจังหวะโดยองค์ประกอบที่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนเรียกว่าอินตรอน คำนี้ตรงข้ามกับ exon ซึ่งรวมถึงส่วนของยีนที่จะถูกแปลเป็นโปรตีน

การประกบกันเป็นเหตุการณ์พื้นฐานที่ประกอบด้วยการกำจัดอินตรอนของโมเลกุลของสารส่งออกเพื่อกำจัดโมเลกุลที่สร้างโดยเอ็กซอนโดยเฉพาะ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือ RNA ของผู้ส่งสารที่เป็นผู้ใหญ่ ในทางกายภาพจะเกิดขึ้นใน Spliceosome ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนและมีพลวัต

นอกเหนือจากการต่อเชือกแล้ว Messenger RNA ยังผ่านการเข้ารหัสเพิ่มเติมก่อนที่จะแปล มีการเติม "ฮูด" ซึ่งมีลักษณะทางเคมีเป็นนิวคลีโอไทด์กัวนีนดัดแปลงและที่ปลาย 5 'และหางของอะดีนีนหลายตัวที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

ประเภท RNA

ในเซลล์มีการผลิต RNA ประเภทต่างๆ ยีนบางตัวในเซลล์สร้างโมเลกุลอาร์เอ็นเอของผู้ส่งสารและสิ่งนี้ถูกแปลเป็นโปรตีน - ดังที่เราจะเห็นในภายหลัง อย่างไรก็ตามมียีนที่มีผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือโมเลกุลอาร์เอ็นเอเอง

ตัวอย่างเช่นในจีโนมยีสต์ประมาณ 10% ของยีนยีสต์มีโมเลกุลอาร์เอ็นเอเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องกล่าวถึงเนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้มีบทบาทพื้นฐานในการสังเคราะห์โปรตีน

- ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ: ไรโบโซมอาร์เอ็นเอเป็นส่วนหนึ่งของหัวใจของไรโบโซมซึ่งเป็นโครงสร้างสำคัญในการสังเคราะห์โปรตีน

ที่มา: Jane Richardson (Dcrjsr) จาก Wikimedia Commons การประมวลผลของไรโบโซมอาร์เอ็นเอและการประกอบเป็นไรโบโซมในภายหลังเกิดขึ้นในโครงสร้างที่ชัดเจนมากของนิวเคลียสแม้ว่าจะไม่มีเยื่อหุ้มล้อมรอบก็ตาม - เรียกว่านิวคลีโอลัส

- ถ่ายโอน RNA: ทำงานเป็นอะแดปเตอร์ที่เลือกกรดอะมิโนเฉพาะและร่วมกับไรโบโซมรวมกากของกรดอะมิโนลงในโปรตีน กรดอะมิโนแต่ละชนิดเกี่ยวข้องกับโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่ถ่ายโอน

ในยูคาริโอตมีโพลีเมอเรสสามประเภทที่แม้จะมีโครงสร้างคล้ายกันมาก แต่ก็มีบทบาทที่แตกต่างกัน

RNA polymerase I และ III ถ่ายทอดยีนที่เป็นรหัสสำหรับการถ่ายโอน RNA, ribosomal RNA และ RNA ขนาดเล็กบางส่วน RNA polymerase II กำหนดเป้าหมายการแปลยีนที่เป็นรหัสสำหรับโปรตีน

- RNA ขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับการควบคุม: RNA ความยาวสั้นอื่น ๆ มีส่วนร่วมในการควบคุมการแสดงออกของยีน ซึ่งรวมถึง microRNAs และ RNA ที่รบกวนขนาดเล็ก

MicroRNAs ควบคุมการแสดงออกโดยการปิดกั้นข้อความที่เฉพาะเจาะจงและสิ่งรบกวนขนาดเล็กจะปิดการแสดงออกผ่านการย่อยสลายโดยตรงของผู้ส่งสาร ในทำนองเดียวกันมี RNA นิวเคลียร์ขนาดเล็กที่เข้าร่วมในกระบวนการเชื่อมต่อของ Messenger RNA

การแปล: จาก Messenger RNA ไปจนถึงโปรตีน

เมื่อ RNA ของผู้ส่งสารเจริญเติบโตผ่านกระบวนการเชื่อมต่อและเดินทางจากนิวเคลียสไปยังไซโทพลาซึมของเซลล์การสังเคราะห์โปรตีนจะเริ่มขึ้น การส่งออกนี้เป็นสื่อกลางโดยคอมเพล็กซ์รูขุมขนนิวเคลียร์ซึ่งเป็นชุดของช่องทางน้ำที่อยู่ในเยื่อหุ้มนิวเคลียสที่เชื่อมต่อกับไซโทพลาสซึมและนิวคลีโอพลาสซึมโดยตรง

ในชีวิตประจำวันเราใช้คำว่า "การแปล" เพื่ออ้างถึงการแปลงคำจากภาษาหนึ่งไปเป็นอีกภาษาหนึ่ง

ตัวอย่างเช่นเราสามารถแปลหนังสือจากภาษาอังกฤษเป็นภาษาสเปน ในระดับโมเลกุลการแปลเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนจากภาษา RNA เป็นโปรตีน เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้นคือการเปลี่ยนจากนิวคลีโอไทด์เป็นกรดอะมิโน แต่การเปลี่ยนแปลงภาษาถิ่นนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

รหัสพันธุกรรม

ลำดับนิวคลีโอไทด์ของยีนสามารถเปลี่ยนเป็นโปรตีนได้ตามกฎที่กำหนดโดยรหัสพันธุกรรม สิ่งนี้ถูกถอดรหัสในช่วงต้นทศวรรษ 1960

ในขณะที่ผู้อ่านสามารถอนุมานได้การแปลไม่สามารถเป็นหนึ่งหรือหนึ่งเดียวเนื่องจากมีเพียง 4 นิวคลีโอไทด์และกรดอะมิโน 20 ชนิด ตรรกะเป็นดังนี้: การรวมกันของนิวคลีโอไทด์สามตัวเรียกว่า "แฝดสาม" และเกี่ยวข้องกับกรดอะมิโนชนิดหนึ่ง

เนื่องจากสามารถมีแฝดที่เป็นไปได้ 64 ตัว (4 x 4 x 4 = 64) รหัสพันธุกรรมจึงซ้ำซ้อน นั่นคือกรดอะมิโนชนิดเดียวกันถูกเข้ารหัสโดยมากกว่าหนึ่งทริปเปิ้ล

การมีอยู่ของรหัสพันธุกรรมนั้นเป็นสากลและสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่อาศัยอยู่บนโลกทุกวันนี้ถูกใช้ การใช้งานที่กว้างขวางนี้เป็นหนึ่งใน homologies ระดับโมเลกุลที่โดดเด่นที่สุดในธรรมชาติ

การเชื่อมต่อของกรดอะมิโนเพื่อถ่ายโอน RNA

โคดอนหรือแฝดสามที่พบในโมเลกุลอาร์เอ็นเอของผู้ส่งสารไม่มีความสามารถในการรับรู้กรดอะมิโนโดยตรง ในทางตรงกันข้ามการแปลของ Messenger RNA นั้นขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่สามารถรับรู้และผูกโคดอนกับกรดอะมิโนได้ โมเลกุลนี้คืออาร์เอ็นเอที่ถ่ายโอน

โอนอาร์เอ็นเอสามารถพับเป็นโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนซึ่งคล้ายกับโคลเวอร์ ในโมเลกุลนี้มีบริเวณที่เรียกว่า "แอนติโคดอน" ซึ่งเกิดจากนิวคลีโอไทด์สามตัวที่จับคู่กับนิวคลีโอไทด์เสริมที่ต่อเนื่องกันของสายโซ่อาร์เอ็นเอของผู้ส่งสาร

ดังที่เราได้กล่าวไว้ในหัวข้อก่อนหน้ารหัสพันธุกรรมมีความซ้ำซ้อนดังนั้นกรดอะมิโนบางตัวจึงมี RNA การถ่ายโอนมากกว่าหนึ่งตัว

การตรวจจับและการหลอมรวมกรดอะมิโนที่ถูกต้องไปยังการถ่ายโอน RNA เป็นกระบวนการที่เป็นสื่อกลางโดยเอนไซม์ที่เรียกว่า aminoacyl-tRNA synthetase เอนไซม์นี้มีหน้าที่เชื่อมต่อโมเลกุลทั้งสองผ่านพันธะโคเวเลนต์

ข้อความ RNA ถูกถอดรหัสโดยไรโบโซม

ในการสร้างโปรตีนกรดอะมิโนจะเชื่อมโยงกันผ่านพันธะเปปไทด์ กระบวนการอ่าน messenger RNA และการจับกรดอะมิโนเฉพาะเกิดขึ้นในไรโบโซม

ไรโบโซม

ไรโบโซมเป็นสารประกอบเชิงซ้อนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยโมเลกุลของโปรตีนมากกว่า 50 โมเลกุลและไรโบโซมอาร์เอ็นเอประเภทต่างๆ ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเซลล์โดยเฉลี่ยจะมีไรโบโซมโดยเฉลี่ยหลายล้านตัวในสภาพแวดล้อมไซโตพลาสซึม

โครงสร้างไรโบโซมประกอบด้วยหน่วยย่อยขนาดใหญ่และขนาดเล็ก บทบาทของส่วนเล็ก ๆ คือเพื่อให้แน่ใจว่าการถ่ายโอน RNA จับคู่กับ Messenger RNA ได้อย่างถูกต้องในขณะที่หน่วยย่อยขนาดใหญ่เร่งการสร้างพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโน

เมื่อกระบวนการสังเคราะห์ไม่ทำงานทั้งสองหน่วยย่อยที่ประกอบกันเป็นไรโบโซมจะถูกแยกออกจากกัน ในช่วงเริ่มต้นของการสังเคราะห์ messenger RNA จะรวมหน่วยย่อยทั้งสองโดยทั่วไปจะอยู่ใกล้กับจุดสิ้นสุด 5 '

ในกระบวนการนี้การยืดตัวของห่วงโซ่โพลีเปปไทด์เกิดขึ้นโดยการเพิ่มกากกรดอะมิโนใหม่ในขั้นตอนต่อไปนี้: การรวมกันของอาร์เอ็นเอที่ถ่ายโอน, การสร้างพันธะเปปไทด์, การย้ายตำแหน่งของหน่วยย่อย ผลลัพธ์ของขั้นตอนสุดท้ายนี้คือการเคลื่อนที่ของไรโบโซมทั้งหมดและวงจรใหม่จะเริ่มขึ้น

การยืดตัวของโซ่โพลีเปปไทด์

ในไรโบโซมมีสามไซต์ที่แตกต่างกัน: ไซต์ E, P และ A (ดูภาพหลัก) กระบวนการยืดตัวเริ่มขึ้นเมื่อกรดอะมิโนบางตัวเชื่อมโยงโควาเลนต์แล้วและมีการถ่ายโอนโมเลกุล RNA ที่ไซต์ P

ถ่ายโอน RNA โดยมีกรดอะมิโนตัวถัดไปที่จะรวมเข้ากับไซต์ A โดยการจับคู่เบสกับ Messenger RNA จากนั้นส่วนขั้วคาร์บอกซิลของเปปไทด์จะถูกปล่อยออกจากการถ่ายโอน RNA ที่ไซต์ P โดยทำลายพันธะพลังงานสูงระหว่าง RNA การถ่ายโอนกับกรดอะมิโนที่มีอยู่

กรดอะมิโนอิสระติดอยู่กับโซ่และเกิดพันธะเปปไทด์ใหม่ ปฏิกิริยากลางในกระบวนการทั้งหมดนี้เป็นสื่อกลางโดยเอนไซม์เปปทิดิลทรานสเฟอเรสซึ่งพบในไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดใหญ่ ดังนั้นไรโบโซมจึงเดินทางผ่าน Messenger RNA ซึ่งแปลภาษาถิ่นจากกรดอะมิโนเป็นโปรตีน

เช่นเดียวกับในการถอดความปัจจัยการยืดตัวก็มีส่วนเกี่ยวข้องในระหว่างการแปลโปรตีน องค์ประกอบเหล่านี้ช่วยเพิ่มความเร็วและประสิทธิภาพของกระบวนการ

กำลังแปลให้เสร็จ

กระบวนการแปลจะสิ้นสุดลงเมื่อไรโบโซมพบโคดอนหยุด: UAA, UAG หรือ UGA สิ่งเหล่านี้ไม่ได้รับการยอมรับโดย RNA การถ่ายโอนใด ๆ และไม่จับกับกรดอะมิโนใด ๆ

ในเวลานี้โปรตีนที่เรียกว่าปัจจัยการปลดปล่อยจะจับกับไรโบโซมและทำให้เกิดการเร่งปฏิกิริยาของโมเลกุลของน้ำไม่ใช่กรดอะมิโน ปฏิกิริยานี้จะปล่อยปลายเทอร์มินัลคาร์บอกซิล ในที่สุดสายโซ่เปปไทด์จะถูกปล่อยเข้าสู่ไซโทพลาสซึมของเซลล์

อ้างอิง

เบิร์ก JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). ชีวเคมี. พิมพ์ครั้งที่ 5. นิวยอร์ก: WH Freeman
Curtis, H. , & Schnek, A. (2006). ขอเชิญเข้าร่วมชีววิทยา Panamerican Medical Ed.
Darnell, JE, Lodish, HF และ Baltimore, D. (1990) อณูชีววิทยาของเซลล์. นิวยอร์ก: หนังสือวิทยาศาสตร์อเมริกัน
Hall, JE (2015). หนังสืออิเล็กทรอนิกส์สรีรวิทยาการแพทย์ Guyton and Hall วิทยาศาสตร์สุขภาพเอลส์เวียร์
Lewin, B. (1993). ยีน เล่ม 1. Reverte.
Lodish, H. (2005). ชีววิทยาระดับเซลล์และโมเลกุล Panamerican Medical Ed.
รามกฤชนันท์ว. (2545). โครงสร้างไรโบโซมและกลไกการแปล เซลล์, 108 (4), 557-572
Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). จุลชีววิทยาเบื้องต้น. Panamerican Medical Ed.
Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). โครงสร้างและหน้าที่ของไรโบโซมยูคาริโอต มุมมองของ Cold Spring Harbor ในชีววิทยา, 4 (5), a011536

การสังเคราะห์โปรตีน: ขั้นตอนและลักษณะของพวกมัน - ชีววิทยา - 2026