การแปลรหัสและการสังเคราะห์โปรตีน

การแปลรหัส (Translation) คือกระบวนการที่ข้อมูลทางพันธุกรรมที่บรรจุอยู่ใน messenger RNA (mRNA) ถูกถอดรหัสโดยไรโบโซมเพื่อสร้างโปรตีน ซึ่งเป็นโมเลกุลมหัพภาคเชิงหน้าที่ของเซลล์ กระบวนการนี้เป็นขั้นตอนสำคัญลำดับที่สองของการแสดงออกของยีน (gene expression) ถัดจากการถอดรหัส (transcription) และทำให้การไหลของข้อมูลจากยีนไปสู่ผลิตภัณฑ์เชิงหน้าที่สมบูรณ์ตามหลักการพื้นฐานของชีววิทยาระดับโมเลกุล (central dogma of molecular biology)

Definition

การแปลรหัสคือการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์ที่เร่งปฏิกิริยาโดยไรโบโซม ซึ่งลำดับกรดอะมิโนถูกกำหนดทีละโคดอนโดยแม่แบบ messenger RNA โดยมี transfer RNA (tRNA) ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมที่จับคู่แต่ละโคดอนกับกรดอะมิโนของมัน

Scope

เนื้อหาส่วนนี้จะช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจว่าลำดับนิวคลีโอไทด์ถูกอ่านเป็นชุดสาม (triplets) และเปลี่ยนเป็นลำดับของกรดอะมิโนได้อย่างไร ครอบคลุมถึงรหัสพันธุกรรมและการจดจำโคดอน ระยะเริ่มต้น (initiation) การยืดตัว (elongation) และการสิ้นสุด (termination) ของการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์ รวมถึงโครงสร้างและหน้าที่เร่งปฏิกิริยาของไรโบโซม เนื้อหานี้ถือว่าการแปลรหัสเป็นหัวข้อพื้นฐานทางโมเลกุลมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

Sub-topics

• การยืดตัวและการสร้างพันธะเพปไทด์
• รหัสพันธุกรรมและการจดจำรหัสพันธุกรรม
• โครงสร้างและหน้าที่ของไรโบโซม
• การเริ่มต้นการแปลรหัสและการจับของไรโบโซม
• การยุติการแปลรหัสและปัจจัยการปลดปล่อย

Core questions

• ลำดับนิวคลีโอไทด์เชิงเส้นของ mRNA ถูกเปลี่ยนเป็นลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนได้อย่างไร?
• กลไกโมเลกุลใดที่อ่านโคดอนและสร้างพันธะเพปไทด์?
• การเริ่มต้นและการสิ้นสุดของการสังเคราะห์ถูกกำหนดและควบคุมอย่างไร?
• การแปลรหัสทำได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำได้อย่างไร?

Key concepts

• แม่แบบ Messenger RNA
• ตัวเชื่อม Transfer RNA
• โคดอนสามตัว
• กรอบการอ่าน
• ระยะเริ่มต้น การยืดตัว และการสิ้นสุด
• ไรโบโซมในฐานะไรโบไซม์
• ความแม่นยำของการแปลรหัส

Key theories

หลักการพื้นฐานของชีววิทยาระดับโมเลกุล

ข้อมูลลำดับจะไหลจากกรดนิวคลีอิกไปยังโปรตีนและไม่ย้อนกลับจากโปรตีน การแปลรหัสเป็นขั้นตอนสุดท้ายของการถ่ายทอดข้อมูลที่เปลี่ยนลำดับ mRNA เป็นลำดับพอลิเปปไทด์

สมมติฐานตัวเชื่อม

Crick เสนอว่าโมเลกุลตัวเชื่อมขนาดเล็ก ซึ่งต่อมาถูกระบุว่าเป็น transfer RNA ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางระหว่างโคดอนและกรดอะมิโน เนื่องจากเบสนิวคลีโอไทด์ไม่สามารถจดจำสายข้างของกรดอะมิโนได้โดยตรง

Mechanisms

mRNA จะถูกอ่านเป็นชุดสามนิวคลีโอไทด์ที่ไม่ทับซ้อนกันเรียกว่าโคดอน (codons) ซึ่งแต่ละโคดอนจะระบุกรดอะมิโนหนึ่งตัวหรือสัญญาณหยุด (stop signal) Aminoacyl-transfer RNA (tRNA) จะนำกรดอะมิโนมายังไรโบโซม โดยที่แอนติโคดอน (anticodons) ของ tRNA จะจับคู่เบสกับโคดอนที่ต่อเนื่องกันภายในไรโบโซม ซึ่งจะเร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์และเคลื่อนที่ไปตาม mRNA การสังเคราะห์ดำเนินไปสามระยะ: ระยะเริ่มต้น (initiation) ซึ่งเป็นการประกอบไรโบโซมบนโคดอนเริ่มต้น (start codon); ระยะยืดตัว (elongation) ซึ่งมีการเพิ่มกรดอะมิโนซ้ำๆ; และระยะสิ้นสุด (termination) ซึ่งเป็นการปล่อยสายพอลิเปปไทด์ที่สมบูรณ์เมื่อถึงโคดอนหยุด ระบบไร้เซลล์ของ Nirenberg และคณะได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าลำดับ RNA ที่กำหนดสามารถนำไปสู่การรวมตัวของกรดอะมิโนที่เฉพาะเจาะจง และการศึกษาโครงสร้างตั้งแต่นั้นมาได้แสดงให้เห็นว่าไรโบโซมเอง ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ประกอบด้วย RNA และโปรตีน ทำหน้าที่ทางเคมีนี้

Clinical relevance

ยาปฏิชีวนะหลายชนิดออกฤทธิ์โดยการยับยั้งการแปลรหัสของแบคทีเรียอย่างจำเพาะเจาะจง และความบกพร่องทางพันธุกรรมในส่วนประกอบของกลไกการแปลรหัสเป็นสาเหตุของความผิดปกติหลายอย่าง ทำให้เนื้อหาส่วนนี้มีความเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจเภสัชวิทยาและกลไกของโรค อธิบายกระบวนการระดับโมเลกุลที่อธิบายว่ายาและการกลายพันธุ์ส่งผลต่อการผลิตโปรตีนอย่างไร และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

กลไกที่สรุปไว้ในที่นี้อิงตามหลักฐานทางชีวเคมีและโครงสร้างที่สั่งสมมานานหลายทศวรรษ รวมถึงการทดลองรหัสพันธุกรรมในช่วงทศวรรษ 1960 และโครงสร้างไรโบโซมที่มีความละเอียดระดับอะตอม และได้รับการรวบรวมไว้ในตำราชีววิทยาระดับโมเลกุลมาตรฐานและวรรณกรรมทบทวนที่สำคัญ

History

กรอบแนวคิดสำหรับการแปลรหัสเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960: Crick ได้อธิบายหลักการพื้นฐาน (central dogma) และสมมติฐานตัวเชื่อม (adaptor hypothesis) ในขณะที่ Nirenberg, Khorana และคนอื่นๆ ได้ถอดรหัสพันธุกรรมโดยใช้แม่แบบ RNA สังเคราะห์ในระบบไร้เซลล์ เครื่องจักรโมเลกุลที่รับผิดชอบคือไรโบโซม ได้รับการแก้ไขในรายละเอียดระดับอะตอมในภายหลัง ซึ่งเผยให้เห็นว่าแกนกลางที่เร่งปฏิกิริยาคือ RNA

Key figures

• Francis Crick
• Marshall Nirenberg
• Thomas Steitz
• Rachel Green

Seminal works

• crick-1970
• nirenberg-1961
• steitz-2008

Frequently asked questions

การแปลรหัสแตกต่างจากการถอดรหัสอย่างไร?

การถอดรหัสเป็นการคัดลอก DNA ของยีนไปเป็น messenger RNA ในขณะที่การแปลรหัสเป็นการอ่าน messenger RNA นั้นบนไรโบโซมเพื่อประกอบโปรตีน การถอดรหัสทำงานภายในตัวอักษรทางเคมีเดียว (นิวคลีโอไทด์) ในขณะที่การแปลรหัสเป็นการแปลงระหว่างตัวอักษรสองชุด (นิวคลีโอไทด์และกรดอะมิโน)

ทำไมไรโบโซมจึงถูกเรียกว่าไรโบไซม์?

การศึกษาโครงสร้างแสดงให้เห็นว่าพันธะเพปไทด์ถูกสร้างขึ้นโดย ribosomal RNA ไม่ใช่โดยโปรตีน ดังนั้นไรโบโซมจึงเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์ในฐานะเอนไซม์ RNA หรือไรโบไซม์