การแปลดีเอ็นเอ: กระบวนการในยูคาริโอตและโปรคาริโอต - ชีววิทยา - 2026

การแปลดีเอ็นเอเป็นกระบวนการที่ข้อมูลที่มีอยู่ใน RNA ของผู้ส่งสารที่เกิดขึ้นระหว่างการถอดความ (การคัดลอกข้อมูลในลำดับดีเอ็นเอเป็น RNA) จะถูก "แปล" ในลำดับกรดอะมิโนโดยการสังเคราะห์โปรตีน

จากมุมมองของเซลล์การแสดงออกของยีนเป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นในสองขั้นตอน: การถอดความและการแปล

การแปล RNA ซึ่งเป็นสื่อกลางโดยไรโบโซม (ที่มา: LadyofHats / โดเมนสาธารณะผ่าน Wikimedia Commons)

ยีนทั้งหมดที่แสดงออก (ไม่ว่าจะมีการเข้ารหัสสำหรับลำดับเปปไทด์หรือไม่นั่นคือโปรตีน) เริ่มต้นโดยการถ่ายโอนข้อมูลที่มีอยู่ในลำดับดีเอ็นเอไปยังโมเลกุล Messenger RNA (mRNA) ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การถอดเสียง

การถอดความทำได้โดยเอนไซม์พิเศษที่เรียกว่า RNA polymerases ซึ่งใช้หนึ่งในสายเสริมของดีเอ็นเอของยีนเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โมเลกุล "pre-mRNA" ซึ่งต่อมาจะถูกประมวลผลเพื่อสร้าง mRNA ที่โตเต็มที่

สำหรับยีนที่เป็นรหัสของโปรตีนข้อมูลที่อยู่ใน mRNA ที่เจริญเติบโตเต็มที่จะถูก "อ่าน" และแปลเป็นกรดอะมิโนตามรหัสพันธุกรรมซึ่งระบุว่าโคดอนหรือนิวคลีโอไทด์ทริปเปิลใดที่สอดคล้องกับกรดอะมิโนชนิดใดชนิดหนึ่ง

ข้อกำหนดของลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนจึงขึ้นอยู่กับลำดับเริ่มต้นของฐานไนโตรเจนในดีเอ็นเอที่สอดคล้องกับยีนจากนั้นใน mRNA ที่นำข้อมูลนี้จากนิวเคลียสไปยังไซโทซอล (ในเซลล์ยูคาริโอต) กระบวนการที่ถูกกำหนดให้เป็นการสังเคราะห์โปรตีนที่นำโดย mRNA

เนื่องจากมีการรวมกันที่เป็นไปได้ 64 ชุดของฐานไนโตรเจน 4 ฐานที่ประกอบกันเป็น DNA และ RNA และกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดกรดอะมิโนสามารถเข้ารหัสโดยแฝดสาม (โคดอน) ที่แตกต่างกันซึ่งเป็นสาเหตุที่กล่าวกันว่ารหัสพันธุกรรม "เสื่อม" (ยกเว้นกรดอะมิโนเมไทโอนีนซึ่งเข้ารหัสโดยโคดอน AUG ที่ไม่ซ้ำกัน)

การแปลยูคาริโอต (ขั้นตอนกระบวนการ)

แผนผังของเซลล์ยูคาริโอตของสัตว์และส่วนต่างๆ (ที่มา: Alejandro Porto จาก Wikimedia Commons)

ในเซลล์ยูคาริโอตการถอดความจะเกิดขึ้นในนิวเคลียสและการแปลในไซโตซอลดังนั้น mRNA ที่เกิดขึ้นในกระบวนการแรกจึงมีบทบาทในการขนส่งข้อมูลจากนิวเคลียสไปยังไซโทซอลซึ่งพบเซลล์ เครื่องจักรชีวสังเคราะห์ (ไรโบโซม)

สิ่งสำคัญคือต้องพูดถึงว่าการแบ่งส่วนของการถอดความและการแปลในยูคาริโอตนั้นเป็นจริงสำหรับนิวเคลียส แต่มันไม่เหมือนกันสำหรับออร์แกเนลล์ที่มีจีโนมของตัวเองเช่นคลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรียซึ่งมีระบบที่คล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตมากกว่า

เซลล์ยูคาริโอตยังมีไรโบโซมไซโตโซลิกที่ติดอยู่กับเยื่อหุ้มของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (เรติคูลัมเอนโดพลาสมิกหยาบ) ซึ่งการแปลของโปรตีนที่ถูกกำหนดให้แทรกเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์หรือที่ต้องมีการประมวลผลหลังการแปลที่เกิดขึ้นในช่องดังกล่าวเกิดขึ้น .

- การประมวลผล mRNA ก่อนการแปล

mRNAs ได้รับการแก้ไขที่ส่วนท้ายเมื่อมีการถอดเสียง:

- เมื่อปลาย 5 'ของ mRNA โผล่ออกมาจากพื้นผิวของ RNA polymerase II ในระหว่างการถอดความมันจะถูก "โจมตี" ทันทีโดยกลุ่มของเอนไซม์ที่สังเคราะห์ "ฮูด" ซึ่งประกอบด้วย 7-methyl guanylate และเชื่อมต่อกับนิวคลีโอไทด์ ขั้วของ mRNA ผ่านการเชื่อมโยงไตรฟอสเฟต 5 ', 5'

- ปลาย 3 'ของ mRNA เกิด "รอยแยก" โดยเอนโดนิวคลีเอสซึ่งสร้างกลุ่มไฮดรอกซิลอิสระ 3' ซึ่งติด "สตริง" หรือ "หาง" ของอะดีนีนที่ตกค้าง (จาก 100 ถึง 250) ทีละตัวโดยเอนไซม์โพลีเมอเรสโพลี (A)

"5 'ฮูด" และ "โพลีเอหาง" ทำหน้าที่ในการป้องกันโมเลกุล mRNA จากการย่อยสลายและนอกจากนี้ยังทำหน้าที่ในการขนส่งการถอดเสียงที่เป็นผู้ใหญ่ไปยังไซโตซอลและในการเริ่มต้นและการสิ้นสุดของ แปลตามลำดับ

C orth และ splicing

หลังจากการถอดความ mRNA "หลัก" ที่มีปลายที่ปรับเปลี่ยนทั้งสองข้างยังคงอยู่ในนิวเคลียสผ่านกระบวนการ "ประกบ" โดยทั่วไปลำดับอินโทรนิกจะถูกลบออกและเอ็กซอนที่เป็นผลลัพธ์จะถูกรวมเข้าด้วยกัน (การประมวลผลหลังการถอดเสียง) ซึ่งจะได้รับการถอดเสียงที่เป็นผู้ใหญ่ซึ่งออกจากนิวเคลียสและไปถึงไซโตซอล

การประกบจะดำเนินการโดยคอมเพล็กซ์ไรโบโปรตีนที่เรียกว่า spliceosome (spliceosome anglicism) ซึ่งประกอบด้วยไรโบนิวคลีโอโปรตีนขนาดเล็กห้าโมเลกุลและอาร์เอ็นเอซึ่งสามารถ "จดจำ" บริเวณที่จะลบออกจากการถอดเสียงหลักได้

ในยูคาริโอตจำนวนมากมีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การประกบทางเลือก" ซึ่งหมายความว่าการดัดแปลงหลังการถอดเสียงประเภทต่างๆสามารถสร้างโปรตีนหรือไอโซไซม์ที่แตกต่างกันซึ่งแตกต่างกันไปในบางลักษณะของลำดับ

- ไรโบโซม

เมื่อการถอดเสียงที่เป็นผู้ใหญ่ออกจากนิวเคลียสและถูกขนส่งเพื่อการแปลในไซโตซอลพวกมันจะถูกประมวลผลโดยคอมเพล็กซ์การแปลที่เรียกว่าไรโบโซมซึ่งประกอบด้วยโปรตีนที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุล RNA

ไรโบโซมประกอบด้วยหน่วยย่อยสองหน่วยหนึ่ง "ใหญ่" และอีกหนึ่ง "เล็ก" ซึ่งแยกตัวออกจากไซโตซอลได้อย่างอิสระและจับหรือเชื่อมโยงกับโมเลกุล mRNA ที่แปล

การจับกันระหว่างไรโบโซมและ mRNA ขึ้นอยู่กับโมเลกุล RNA เฉพาะที่เชื่อมโยงกับโปรตีนไรโบโซม (ไรโบโซมอาร์เอ็นเอหรืออาร์อาร์เอ็นเอและถ่ายโอนอาร์เอ็นเอหรือ tRNA) ซึ่งแต่ละอย่างมีหน้าที่เฉพาะ

TRNAs เป็น "อะแดปเตอร์" ระดับโมเลกุลเนื่องจากปลายด้านหนึ่งสามารถ "อ่าน" แต่ละ codon หรือ triplet ใน mRNA ที่โตเต็มที่ (โดยการเสริมฐาน) และอีกด้านหนึ่งสามารถจับกับกรดอะมิโนที่เข้ารหัสโดย codon "read" ได้

ในทางกลับกันโมเลกุล rRNA มีหน้าที่เร่ง (เร่งปฏิกิริยา) กระบวนการจับของกรดอะมิโนแต่ละตัวในห่วงโซ่เปปไทด์ที่เพิ่งตั้งไข่

mRNA ยูคาริโอตที่โตเต็มที่สามารถ "อ่าน" ได้โดยไรโบโซมหลาย ๆ ครั้งตามที่เซลล์ระบุ กล่าวอีกนัยหนึ่ง mRNA เดียวกันสามารถก่อให้เกิดโปรตีนเดียวกันได้หลายสำเนา

เริ่ม codon และกรอบการอ่าน

เมื่อ mRNA ที่โตเต็มที่ถูกเข้าหาโดยหน่วยย่อยของไรโบโซมไรโบโปรตีนคอมเพล็กซ์จะ "สแกน" ลำดับของโมเลกุลดังกล่าวจนกว่าจะพบโคออนเริ่มต้นซึ่งจะเป็น AUG เสมอและเกี่ยวข้องกับการนำเมไทโอนีนตกค้าง

รหัส AUG กำหนดกรอบการอ่านสำหรับยีนแต่ละยีนและยิ่งไปกว่านั้นกำหนดกรดอะมิโนตัวแรกของโปรตีนทั้งหมดที่แปลในธรรมชาติ (กรดอะมิโนนี้ถูกกำจัดหลายครั้งหลังการแปล)

หยุด codons

มีการระบุโคดอนอีกสามตัวที่ทำให้เกิดการยุติการแปล: UAA, UAG และ UGA

การกลายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของฐานไนโตรเจนในทริปเปิ้ลซึ่งเป็นรหัสสำหรับกรดอะมิโนและส่งผลให้โคดอนหยุดเรียกว่าการกลายพันธุ์ที่ไร้สาระเนื่องจากทำให้กระบวนการสังเคราะห์หยุดลงก่อนเวลาอันควรซึ่งก่อให้เกิดโปรตีนที่สั้นลง

ภูมิภาคที่ไม่ได้แปล

ใกล้จุดสิ้นสุด 5 'ของโมเลกุล mRNA ที่เจริญเติบโตเต็มที่จะมีพื้นที่ที่ยังไม่ได้แปล (UTR) หรือที่เรียกว่าลำดับ "ผู้นำ" ซึ่งอยู่ระหว่างนิวคลีโอไทด์ตัวแรกและโคดอนเริ่มต้นการแปล ( อ.ส.ค. ).

ภูมิภาค UTR ที่ไม่ได้แปลเหล่านี้มีไซต์เฉพาะสำหรับการจับกับไรโบโซมและในมนุษย์เช่นมีความยาวประมาณ 170 นิวคลีโอไทด์ซึ่งมีพื้นที่ควบคุมไซต์ที่มีผลผูกพันกับโปรตีนที่ทำหน้าที่ในการควบคุมของ การแปล ฯลฯ

- เริ่มการแปล

การแปลเช่นเดียวกับการถอดความประกอบด้วย 3 ระยะ ได้แก่ ระยะเริ่มต้นระยะการยืดตัวและขั้นตอนการสิ้นสุด

การเริ่มต้น

ประกอบด้วยการชุมนุมของคอมเพล็กซ์การแปลบน mRNA ซึ่งรวมเอาโปรตีนสามชนิดที่เรียกว่า Initiation Factor (IF) IF1, IF2 และ IF3 เข้ากับหน่วยย่อยเล็ก ๆ ของไรโบโซม

คอมเพล็กซ์ "ก่อนการเริ่มต้น" ที่เกิดขึ้นจากปัจจัยการเริ่มต้นและหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กในทางกลับกันจะจับกับ tRNA ที่ "นำ" เมไทโอนีนตกค้างและโมเลกุลชุดนี้จะจับกับ mRNA ใกล้โคดอนเริ่มต้น อ.ส.ค.

เหตุการณ์เหล่านี้นำไปสู่การผูก mRNA กับหน่วยย่อยของไรโบโซมขนาดใหญ่ซึ่งนำไปสู่การปลดปล่อยปัจจัยเริ่มต้น หน่วยย่อยของไรโบโซมขนาดใหญ่มี 3 ไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับโมเลกุล tRNA: ไซต์ A (กรดอะมิโน) ไซต์ P (โพลีเปปไทด์) และไซต์ E (ทางออก)

ไซต์ A ผูกกับ anticodon ของ aminoacyl-tRNA ที่เสริมกับ mRNA ที่กำลังแปลอยู่ ไซต์ P เป็นที่ที่กรดอะมิโนถูกถ่ายโอนจาก tRNA ไปยังเปปไทด์ที่ตั้งไข่และไซต์ E เป็นที่ที่พบใน tRNA "ว่าง" ก่อนที่จะถูกปล่อยออกสู่ไซโตซอลหลังจากส่งกรดอะมิโน

การแสดงกราฟิกของการเริ่มต้นการแปลและขั้นตอนการยืดตัว (ที่มา: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) ผ่าน Wikimedia Commons)

การยืดตัว

ระยะนี้ประกอบด้วย "การเคลื่อนที่" ของไรโบโซมไปตามโมเลกุล mRNA และการแปลโคดอนแต่ละตัวที่เป็น "การอ่าน" ซึ่งแสดงถึงการเจริญเติบโตหรือการยืดตัวของห่วงโซ่โพลีเปปไทด์ตั้งแต่แรกเกิด

กระบวนการนี้ต้องการปัจจัยที่เรียกว่าปัจจัยการยืดตัว G และพลังงานในรูปแบบของ GTP ซึ่งเป็นสิ่งที่ผลักดันการย้ายตำแหน่งของปัจจัยการยืดตัวไปตามโมเลกุล mRNA ในขณะที่กำลังแปล

กิจกรรมเปปทิดิลทรานสเฟอเรสของไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอช่วยให้เกิดพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนที่ต่อเนื่องกันที่เพิ่มเข้าไปในโซ่

การสิ้นสุด

การแปลจะสิ้นสุดลงเมื่อไรโบโซมพบกับโคดอนการยุติใด ๆ เนื่องจาก tRNAs ไม่รู้จักโคดอนเหล่านี้ (ไม่ได้เข้ารหัสกรดอะมิโน) โปรตีนที่เรียกว่าปัจจัยการปลดปล่อยยังจับตัวซึ่งช่วยในการแยก mRNA ออกจากไรโบโซมและการแยกตัวของหน่วยย่อย

การแปลโปรคาริโอต (ขั้นตอน - กระบวนการ)

ในโปรคาริโอตเช่นเดียวกับในเซลล์ยูคาริโอตไรโบโซมที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์โปรตีนพบได้ในไซโตซอล (ซึ่งเป็นความจริงสำหรับเครื่องจักรในการถอดเสียง) ซึ่งเป็นความจริงที่ช่วยให้ความเข้มข้นของโปรตีนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในไซโตโซลิก เมื่อการแสดงออกของยีนที่เข้ารหัสเพิ่มขึ้น

แม้ว่าจะไม่ใช่กระบวนการที่พบได้บ่อยในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ แต่ mRNA หลักที่เกิดขึ้นระหว่างการถอดเสียงสามารถผ่านการเจริญเติบโตหลังการถอดเสียงผ่าน "splicing" อย่างไรก็ตามสิ่งที่พบบ่อยที่สุดคือการสังเกตไรโบโซมที่ติดอยู่กับการถอดเสียงหลักที่กำลังแปลในเวลาเดียวกันกับที่มีการถอดความจากลำดับดีเอ็นเอที่เกี่ยวข้อง

จากมุมมองข้างต้นการแปลในโปรคาริโอตจำนวนมากเริ่มต้นที่ปลาย 5 'เนื่องจากจุดสิ้นสุด 3' ของ mRNA ยังคงติดอยู่กับ DNA ของแม่แบบ (และเกิดขึ้นพร้อมกับการถอดความ)

ภูมิภาคที่ไม่ได้แปล

เซลล์โปรคาริโอตยังผลิต mRNA ด้วยบริเวณที่ไม่ได้แปลซึ่งเรียกว่า "กล่อง Shine-Dalgarno" และลำดับความสอดคล้องกันคือ AGGAGG ดังที่เห็นได้ชัดบริเวณ UTR ของแบคทีเรียนั้นสั้นกว่าเซลล์ยูคาริโอตมากแม้ว่าจะมีหน้าที่คล้ายกันในระหว่างการแปล

กระบวนการ

ในแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตอื่น ๆ กระบวนการแปลค่อนข้างคล้ายกับเซลล์ยูคาริโอต นอกจากนี้ยังประกอบด้วยสามขั้นตอน ได้แก่ การเริ่มต้นการยืดตัวและการสิ้นสุดซึ่งขึ้นอยู่กับปัจจัยโปรคาริโอตเฉพาะซึ่งแตกต่างจากที่ใช้โดยยูคาริโอต

ตัวอย่างเช่นการยืดตัวขึ้นอยู่กับปัจจัยการยืดตัวที่ทราบเช่น EF-Tu และ EF-Ts แทนที่จะเป็นปัจจัย G ของยูคาริโอต

อ้างอิง

1. Alberts, B. , Johnson, A. , Lewis, J. , Raff, M. , Roberts, K. , & Walter, P. (2007). อณูชีววิทยาของเซลล์ การ์แลนด์วิทยาศาสตร์. นิวยอร์ก 1392
2. Clancy, S. & Brown, W. (2008) การแปล: DNA to mRNA to Protein. การศึกษาธรรมชาติ 1 (1): 101.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางพันธุกรรม Macmillan
4. Lodish, H. , Berk, A. , Kaiser, CA, Krieger, M. , Scott, MP, Bretscher, A. , … & Matsudaira, P. (2008) อณูชีววิทยาของเซลล์. Macmillan
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
6. Rosenberg, LE, & Rosenberg, DD (2012). ยีนและจีโนมของมนุษย์: วิทยาศาสตร์. สุขภาพสังคม 317-338