ไรโบโซมและการแปลรหัส

การแปลรหัสคือกระบวนการที่ไรโบโซมอ่านรหัสพันธุกรรม (codons) ของ messenger RNA และประกอบสายกรดอะมิโนที่สอดคล้องกัน ไรโบโซมเป็นสารเชิงซ้อนขนาดใหญ่ของ ribosomal RNA และโปรตีน ซึ่งจัดเรียงเป็นหน่วยย่อยขนาดเล็กที่ถอดรหัส mRNA และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์ การศึกษาโครงสร้างแสดงให้เห็นว่าการเร่งปฏิกิริยานี้ดำเนินการโดย ribosomal RNA ทำให้ไรโบโซมเป็นไรโบไซม์

Definition

การแปลรหัสคือการสังเคราะห์พอลิเพปไทด์โดยไรโบโซม ซึ่ง transfer RNA นำส่งกรดอะมิโนที่ตรงกับรหัสพันธุกรรม mRNA ที่ต่อเนื่องกัน และแกน RNA ของไรโบโซมจะเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนเหล่านั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของไรโบโซมและหน่วยย่อยของมัน ระยะทั้งสามของการแปลรหัส (การเริ่มต้น, การยืดตัว, การสิ้นสุด) บทบาทของ transfer RNA และรหัสพันธุกรรม และการควบคุมการเริ่มต้นการแปลรหัสในฐานะจุดควบคุมสำหรับการแสดงออกของยีน นี่คือข้อมูลอ้างอิงทางชีววิทยาระดับโมเลกุลและไม่มีคำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• รหัสพันธุกรรม mRNA จับคู่กับกรดอะมิโนที่ถูกต้องได้อย่างไร?
• บทบาทของหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กและขนาดใหญ่คืออะไร?
• การเริ่มต้นและการสิ้นสุดของการแปลรหัสถูกกำหนดอย่างไร?
• เหตุใดการเริ่มต้นจึงเป็นขั้นตอนหลักที่ถูกควบคุมของการแปลรหัส?

Key concepts

• หน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กและขนาดใหญ่
• Ribosomal RNA และโปรตีนไรโบโซม
• ตำแหน่งการจับ tRNA A, P และ E
• Transfer RNA และ aminoacylation
• รหัสพันธุกรรมและการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอน
• การเริ่มต้น, การยืดตัว และการสิ้นสุด
• ศูนย์ peptidyl transferase
• การเริ่มต้นการแปลรหัสแบบ Cap-dependent

Key theories

ไรโบโซมในฐานะไรโบไซม์

โครงสร้างความละเอียดสูงของหน่วยย่อยขนาดใหญ่แสดงให้เห็นว่ามีเพียง ribosomal RNA เท่านั้น ไม่ใช่โปรตีน ที่ศูนย์ peptidyl transferase ซึ่งสนับสนุนแนวคิดที่ว่าการสร้างพันธะเพปไทด์ถูกเร่งปฏิกิริยาโดย RNA และสอดคล้องกับต้นกำเนิดของการแปลรหัสในโลก RNA

Mechanisms

ไรโบโซมจะประกอบเข้ากับ mRNA โดยมีหน่วยย่อยขนาดเล็กจัดตำแหน่งรหัสเริ่มต้น (start codon) และ initiator tRNA ในยูคาริโอต การเริ่มต้นแบบ cap-dependent นี้เป็นขั้นตอนหลักที่ถูกควบคุม โดยควบคุมผ่านปัจจัยเริ่มต้น (Sonenberg & Hinnebusch, 2009) ในระหว่างการยืดตัว aminoacyl-tRNAs จะเข้าสู่ตำแหน่ง A ศูนย์กลาง peptidyl transferase ของหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะสร้างพันธะเพปไทด์ และไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพื่อให้สายพอลิเพปไทด์เติบโตทีละรหัส การศึกษาโครงสร้างระบุว่ากิจกรรมการเร่งปฏิกิริยานี้อยู่ที่ ribosomal RNA (Nissen et al., 2000) การจดจำรหัสหยุด (stop codon) โดย release factors จะยุติการสังเคราะห์และปล่อยพอลิเพปไทด์ที่สมบูรณ์ ซึ่งจะพับตัวตามลำดับของมัน (Anfinsen, 1973)

Clinical relevance

เนื่องจากการแปลรหัสเป็นตัวกำหนดว่าเซลล์จะสร้างโปรตีนชนิดใดและในปริมาณเท่าใด การควบคุมการแปลรหัสจึงมีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของเซลล์ปกติ และยาปฏิชีวนะหลายชนิดออกฤทธิ์โดยการมุ่งเป้าไปที่ไรโบโซมของแบคทีเรีย บทความนี้อธิบายกลไกและความสำคัญทั่วไปของมัน ไม่ใช่คู่มือสำหรับการเลือกยาหรือการดูแลผู้ป่วย

History

เค้าโครงของการแปลรหัส รหัสพันธุกรรม และบทบาทของ tRNA ในฐานะตัวปรับรหัส ได้รับการจัดตั้งขึ้นผ่านชีววิทยาระดับโมเลกุลในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 โครงสร้างผลึกความละเอียดระดับอะตอมของหน่วยย่อยไรโบโซมประมาณปี 2000 รวมถึงการแสดงให้เห็นว่า RNA เป็นแกนเร่งปฏิกิริยา (Nissen et al., 2000) ได้เปลี่ยนแปลงความเข้าใจว่าไรโบโซมทำงานอย่างไร และได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2009

Key figures

• Thomas Steitz
• Venkatraman Ramakrishnan
• Ada Yonath
• Nahum Sonenberg

Seminal works

• nissen-2000
• sonenberg-2009

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการถอดรหัส (transcription) และการแปลรหัส (translation) คืออะไร?

การถอดรหัสคือการคัดลอกยีน DNA ไปเป็น messenger RNA; การแปลรหัสคือการอ่าน messenger RNA นั้นบนไรโบโซมและสร้างโปรตีนที่สอดคล้องกัน การแปลรหัสคือขั้นตอนการสร้างโปรตีน

ทำไมไรโบโซมจึงถูกเรียกว่าไรโบไซม์?

เนื่องจากตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาของมัน ซึ่งสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโน ถูกสร้างขึ้นจาก ribosomal RNA แทนที่จะเป็นโปรตีน ไรโบโซมจึงเป็นเอนไซม์ RNA หรือไรโบไซม์