การสังเคราะห์และการแปลรหัสโปรตีน

การสังเคราะห์โปรตีน หรือการแปลรหัส (translation) เป็นกระบวนการที่ไรโบโซมอ่านลำดับของสารพันธุกรรมอาร์เอ็นเอผู้ส่งสาร (messenger RNA) และประกอบสายกรดอะมิโนที่สอดคล้องกันให้เป็นโปรตีน เป็นขั้นตอนที่เปลี่ยนรหัสพันธุกรรมให้เป็นโมเลกุลที่ทำงานได้ของเซลล์ และเป็นจุดหมายปลายทางสำหรับกรดอะมิโนที่ถูกจัดการในกระบวนการเมแทบอลิซึมของโปรตีนและกรดอะมิโนส่วนอื่น ๆ

Definition

การแปลรหัสคือการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์ที่เร่งปฏิกิริยาโดยไรโบโซม ซึ่งลำดับกรดอะมิโนถูกกำหนดโดยโคดอนของอาร์เอ็นเอผู้ส่งสาร โดยใช้อะมิโนเอซิล-ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ (aminoacyl-transfer RNAs) เป็นตัวเชื่อมที่อ่านรหัสพันธุกรรม

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่กรดอะมิโนถูกกระตุ้นและจับคู่กับโคดอนผ่านการสังเคราะห์อะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ (aminoacyl-tRNA synthesis) รวมถึงระยะเริ่มต้น (initiation), การยืดตัว (elongation) และการสิ้นสุด (termination) ของการแปลรหัสบนไรโบโซม พร้อมทั้งจุดสำคัญหลัก ๆ ที่กระบวนการนี้ถูกควบคุม บทความนี้ถือว่าการแปลรหัสเป็นกระบวนการทางชีวเคมีและโมเลกุล

Core questions

• กรดอะมิโนแต่ละชนิดเชื่อมโยงกับทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอที่จดจำโคดอนของมันได้อย่างไร?
• ไรโบโซมเลือกตำแหน่งเริ่มต้นและอ่านโคดอนในเฟรมได้อย่างไร?
• อัตราการแปลรหัสถูกควบคุมอย่างไรเพื่อตอบสนองต่อสภาวะของเซลล์?

Key concepts

• รหัสพันธุกรรมและการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอน
• อะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทส และการบรรจุทีอาร์เอ็นเอ
• ไรโบโซมและตำแหน่ง A, P และ E
• การเริ่มต้น, การยืดตัว และการสิ้นสุด
• ปัจจัยเริ่มต้นการแปลรหัสและการควบคุม
• การทำโปรไฟล์ไรโบโซมเป็นวิธีการวัด

Mechanisms

กรดอะมิโนแต่ละชนิดจะถูกเชื่อมเข้ากับทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอที่จำเพาะของมันโดยเอนไซม์อะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินเทเทส (aminoacyl-tRNA synthetase) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ต้องใช้ ATP และความแม่นยำของปฏิกิริยานี้ รวมถึงการตรวจสอบความถูกต้อง (proofreading) จะเป็นตัวกำหนดความเที่ยงตรงของรหัสพันธุกรรม ทีอาร์เอ็นเอที่มีประจุ (charged tRNAs) จะนำกรดอะมิโนไปยังไรโบโซม ซึ่งการแปลรหัสจะดำเนินไปในสามระยะ ในระยะเริ่มต้น หน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็ก (small ribosomal subunit) โดยมีปัจจัยเริ่มต้น (initiation factors) ช่วย จะค้นหาโคดอนเริ่มต้น (start codon) ซึ่งโดยทั่วไปจะทำโดยการสแกนในยูคาริโอต และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ (large subunit) จะเข้ามาเชื่อมต่อ ในระยะการยืดตัว ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปทีละโคดอน โดยเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนที่ต่อเนื่องกันในศูนย์เพปทิดิล-ทรานสเฟอเรส (peptidyl-transferase center) ในขณะที่ทีอาร์เอ็นเอหมุนเวียนผ่านตำแหน่ง A, P และ E ของมัน การสิ้นสุดจะเกิดขึ้นเมื่อโคดอนหยุด (stop codon) ถูกจดจำโดยปัจจัยปล่อย (release factors) และพอลิเปปไทด์ที่สมบูรณ์จะถูกปล่อยออกมา ระยะเริ่มต้นเป็นระยะที่มีการควบคุมมากที่สุด การควบคุมผ่านปัจจัยเริ่มต้นช่วยให้เซลล์สามารถปรับปริมาณโปรตีนโดยรวมและโปรตีนที่จำเพาะต่อข้อความได้อย่างรวดเร็ว การทำโปรไฟล์ไรโบโซม (Ribosome profiling) ช่วยให้สามารถวัดการแปลรหัสทั่วทั้งจีโนมได้ในระดับความละเอียดใกล้เคียงโคดอน

Clinical relevance

การแปลรหัสเป็นเป้าหมายของยาปฏิชีวนะหลายชนิดที่ใช้ประโยชน์จากความแตกต่างระหว่างไรโบโซมของแบคทีเรียและมนุษย์ และการควบคุมของมันมีการเปลี่ยนแปลงในหลายสภาวะของโรค บทความนี้อธิบายกลไกและวิธีการศึกษา และไม่ได้ให้คำแนะนำการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

กลไกและการควบคุมของมันเป็นความรู้ชีววิทยาระดับโมเลกุลที่เป็นที่ยอมรับ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากวรรณกรรมปฐมภูมิและบทความทบทวนอย่างกว้างขวาง นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงมากกว่าจะเป็นขอบเขตของแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

รหัสพันธุกรรมถูกถอดรหัสในช่วงทศวรรษ 1960 จากผลงานของ Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana และคนอื่น ๆ ในขณะที่การค้นพบทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอในฐานะตัวเชื่อมโดย Mahlon Hoagland และเพื่อนร่วมงาน ได้อธิบายว่ารหัสถูกอ่านอย่างไร การศึกษาโครงสร้างและชีวเคมีในภายหลังได้ไขความกระจ่างเกี่ยวกับไรโบโซมและปัจจัยที่ควบคุมแต่ละระยะของการแปลรหัส

Key figures

• Marshall Nirenberg
• Har Gobind Khorana
• Mahlon Hoagland
• Alan Hinnebusch

Seminal works

• ibba-soll-2000
• sonenberg-hinnebusch-2009
• jackson-2010

Frequently asked questions

บทบาทของทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอในการแปลรหัสคืออะไร?

ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อม: ทีอาร์เอ็นเอที่มีประจุแต่ละตัวจะนำกรดอะมิโนที่จำเพาะ และจับคู่แอนติโคดอนของมันกับโคดอนที่ตรงกันบนอาร์เอ็นเอผู้ส่งสาร เพื่อให้ไรโบโซมสามารถเพิ่มกรดอะมิโนที่ถูกต้องในขณะที่อ่านรหัส

เหตุใดขั้นตอนการเริ่มต้นของการแปลรหัสจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุม?

การเริ่มต้นเป็นการผูกมัดไรโบโซมให้สร้างโปรตีน ดังนั้นการควบคุมผ่านปัจจัยเริ่มต้นช่วยให้เซลล์สามารถเพิ่มหรือลดการผลิตโปรตีนได้อย่างรวดเร็ว ไม่ว่าจะโดยรวมหรือสำหรับข้อความเฉพาะ เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของเซลล์