การแปล (ชีววิทยา): ความหมาย ขั้นตอน แผนภาพ

ดีเอ็นเอ(กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตที่รู้จักกันทั้งหมดตั้งแต่แบคทีเรียเซลล์เดียวที่ง่ายที่สุดไปจนถึงช้างห้าตันที่งดงามที่สุดบนที่ราบแอฟริกา "สารพันธุกรรม" หมายถึงโมเลกุลที่มีชุดคำสั่งที่สำคัญสองชุด: ชุดหนึ่งสำหรับ การสร้างโปรตีน protein สำหรับความต้องการในปัจจุบันของเซลล์และอื่น ๆ สำหรับ การทำสำเนาของตัวเองหรือการทำซ้ำเพื่อให้รหัสพันธุกรรมเดียวกันสามารถนำมาใช้โดยเซลล์รุ่นต่อไปในอนาคต

การรักษาเซลล์ให้มีชีวิตอยู่ได้นานพอที่จะสืบพันธุ์ได้นั้นต้องการผลิตภัณฑ์โปรตีนจำนวนมากซึ่ง DNA สั่งผ่าน mRNA (กรดไรโบนิวคลีอิกเมสเซนเจอร์) มันสร้างขึ้นเพื่อเป็นตัวแทนของไรโบโซม ที่ซึ่งโปรตีนถูกสังเคราะห์ขึ้นจริง

การเข้ารหัสข้อมูลทางพันธุกรรมโดย DNA เป็น messenger RNA เรียกว่า การถอดความในขณะที่การสร้างโปรตีนบนพื้นฐานของทิศทางจาก mRNA เรียกว่า การแปล

การแปลเกี่ยวข้องกับการปะติดปะต่อกันของ โปรตีน ผ่านพันธะเปปไทด์เพื่อสร้างสายยาวของ กรดอะมิโน หรือโมโนเมอร์ในรูปแบบนี้ มีกรดอมิโน 20 ชนิดที่แตกต่างกัน และร่างกายมนุษย์ต้องการกรดอะมิโนบางชนิดเพื่อเอาชีวิตรอด

การสังเคราะห์โปรตีนในการแปลเกี่ยวข้องกับการประสานกันของ mRNA คอมเพล็กซ์ aminoacyl-tRNA และหน่วยย่อยของไรโบโซมคู่หนึ่ง

กรดนิวคลีอิกประกอบด้วยหน่วยย่อยที่ทำซ้ำหรือโมโนเมอร์ที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์. นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวประกอบด้วยองค์ประกอบที่แตกต่างกันสามส่วนในตัวเอง: a ไรโบส (ห้าคาร์บอน) น้ำตาลหนึ่งถึงสาม กลุ่มฟอสเฟต และ ฐานไนโตรเจน.

กรดนิวคลีอิกแต่ละตัวมีหนึ่งใน สี่ฐานที่เป็นไปได้ ในแต่ละนิวคลีโอไทด์ สองในนั้นคือพิวรีน และสองในนั้นคือไพริมิดีน ความแตกต่างของเบสระหว่างนิวคลีโอไทด์คือสิ่งที่ทำให้นิวคลีโอไทด์มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน

นิวคลีโอไทด์สามารถมีอยู่นอกกรดนิวคลีอิก และในความเป็นจริง นิวคลีโอไทด์เหล่านี้บางส่วนเป็นศูนย์กลางของการเผาผลาญทั้งหมด นิวคลีโอไทด์อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) และ) อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) เป็นหัวใจของสมการที่ดึงพลังงานสำหรับใช้ในระดับเซลล์ออกจากพันธะเคมีของสารอาหาร

นิวคลีโอไทด์ใน กรดนิวคลีอิกอย่างไรก็ตาม มีฟอสเฟตเพียงตัวเดียว ซึ่งใช้ร่วมกับนิวคลีโอไทด์ถัดไปในสายกรดนิวคลีอิก

ในระดับโมเลกุล DNA แตกต่างจาก RNA ในสองวิธี หนึ่งคือน้ำตาลในดีเอ็นเอคือ ดีออกซีไรโบสในขณะที่ใน RNA มันคือไรโบส (ด้วยเหตุนี้ชื่อตามลำดับ) ดีออกซีไรโบสแตกต่างจากไรโบสตรงที่ แทนที่จะมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ที่ตำแหน่งคาร์บอนหมายเลข 2 แต่ก็มีอะตอมไฮโดรเจน (-H) ดังนั้นดีออกซีไรโบสจึงเป็นออกซิเจนหนึ่งอะตอมที่ขาดไรโบส ดังนั้น "ดีออกซี"

ความแตกต่างเชิงโครงสร้างที่สองระหว่างกรดนิวคลีอิกอยู่ในองค์ประกอบของ ฐานไนโตรเจน. DNA และ RNA ทั้งสองประกอบด้วย purine base สองตัว adenine (A) และ guanine (G) รวมทั้ง pyrimidine base cytosine (C) แต่ในขณะที่เบสไพริมิดีนที่สองใน DNA คือไทมีน (T) ในอาร์เอ็นเอ เบสนี้คือยูราซิล (U)

ในกรดนิวคลีอิก A จะจับกับ T เท่านั้น (หรือ U ถ้าโมเลกุลคือ RNA) และ C จับกับ G เท่านั้น นี้เฉพาะและไม่เหมือนใคร การจับคู่ฐานเสริม จำเป็นต้องมีการจัดเตรียมสำหรับการส่งข้อมูล DNA ที่เหมาะสมไปยังข้อมูล mRNA ในการถอดรหัส และข้อมูล mRNA ไปยังข้อมูล tRNA ระหว่างการแปล

ในระดับมหภาคที่มากขึ้น DNA นั้นมีสายคู่ในขณะที่ RNA นั้นมีสายเดี่ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง DNA อยู่ในรูปของเกลียวคู่ ซึ่งเหมือนกับบันไดที่บิดไปในทิศทางต่างๆ ที่ปลายทั้งสองข้าง

เส้นถูกผูกมัดที่แต่ละนิวคลีโอไทด์โดยฐานไนโตรเจนของพวกมันตามลำดับ ซึ่งหมายความว่านิวคลีโอไทด์ที่มี "A" สามารถมีนิวคลีโอไทด์ที่มี "T" บนนิวคลีโอไทด์ "คู่" เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าโดยสรุปแล้ว DNA ทั้งสองสายคือ เสริม ซึ่งกันและกัน.

โมเลกุลดีเอ็นเอสามารถเป็นเบสได้หลายพันเบส (หรือมากกว่านั้นอย่างถูกต้อง คู่เบส) ยาว. อันที่จริงแล้วมนุษย์ โครโมโซม ไม่มีอะไรมากไปกว่าสายดีเอ็นเอที่ยาวมากเพียงเส้นเดียว ควบคู่ไปกับโปรตีนจำนวนมาก ในทางกลับกัน โมเลกุลอาร์เอ็นเอทุกประเภทมีแนวโน้มที่จะค่อนข้างเล็ก

นอกจากนี้ DNA ยังพบได้ในนิวเคลียสของยูคาริโอตเป็นหลัก แต่ยังพบในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ด้วย ในทางกลับกัน RNA ส่วนใหญ่พบได้ในนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม อย่างที่คุณจะเห็นในเร็วๆ นี้ RNA มีหลายประเภท

RNA มาในสามประเภทหลัก อย่างแรกคือ mRNAซึ่งทำมาจากแม่แบบ DNA ในระหว่างการถอดความในนิวเคลียส เมื่อเสร็จแล้ว mRNA strand จะออกจากนิวเคลียสผ่านทางรูพรุนในเปลือกนิวเคลียสและปิดท้ายด้วยการกำกับการแสดงที่ไรโบโซม ซึ่งเป็นที่ตั้งของ การแปลโปรตีน

RNA ชนิดที่สองคือ โอน RNA (tRNA). นี่คือโมเลกุลกรดนิวคลีอิกที่เล็กกว่าและมาใน 20 ชนิดย่อย หนึ่งชนิดสำหรับกรดอะมิโนแต่ละชนิด โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งกรดอะมิโน "ที่กำหนด" ของมันไปยังตำแหน่งการแปลบนไรโบโซม เพื่อให้สามารถเติมเข้าไปในสายโซ่พอลิเปปไทด์ที่กำลังเติบโต (โปรตีนขนาดเล็กซึ่งมักจะอยู่ระหว่างดำเนินการ)

RNA ชนิดที่สามคือ ไรโบโซม RNA (rRNA). RNA ประเภทนี้ประกอบขึ้นเป็นส่วนสำคัญของมวลของไรโบโซมที่มีโปรตีนจำเพาะสำหรับไรโบโซมซึ่งประกอบเป็นมวลที่เหลือ

"ความเชื่อหลัก" ที่มักยกมาของอณูชีววิทยาคือ DNA เป็น RNA เป็นโปรตีน. พูดให้กระชับกว่านี้ก็อาจจะใส่ การถอดความเป็นการแปล. การถอดความ เป็นก้าวแรกสู่การสังเคราะห์โปรตีนขั้นสุดท้าย และเป็นหนึ่งในความจำเป็นต่อเนื่องของเซลล์ใดๆ

กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการคลายตัวของโมเลกุลดีเอ็นเอออกเป็นเส้นเดียว เพื่อให้เอ็นไซม์และนิวคลีโอไทด์ที่มีส่วนร่วมในการถอดรหัสมีที่ว่างให้เคลื่อนที่ไปยังที่เกิดเหตุ

จากนั้นตามสาย DNA เส้นใดเส้นหนึ่ง mRNA จะถูกประกอบเข้าด้วยกันโดยใช้เอ็นไซม์ RNA polymerase สาย mRNA นี้มีลำดับเบสที่ประกอบกับสายแม่แบบ เว้นแต่ความจริงที่ว่า U ปรากฏขึ้นทุกที่ที่ T จะปรากฏใน DNA

• ตัวอย่างเช่น หากลำดับ DNA ที่อยู่ระหว่างการถอดรหัสคือ ATTCGCGGTATGTC ดังนั้นสายที่เป็นผลลัพธ์ของ mRNA จะมีลักษณะเด่นของลำดับ UAAGCGCCAUACAG

เมื่อมีการสังเคราะห์สาย mRNA ความยาวบางอย่างของ DNA ที่เรียกว่า introns จะถูกแยกออกจากลำดับ mRNA ในที่สุด เนื่องจากพวกมันไม่ได้เข้ารหัสสำหรับผลิตภัณฑ์โปรตีนใดๆ เฉพาะส่วนของสาย DNA ที่เข้ารหัสสำหรับบางสิ่ง ที่เรียกว่า exons เท่านั้นที่มีส่วนช่วยในโมเลกุล mRNA สุดท้าย

จำเป็นต้องมีโครงสร้างต่างๆ ในบริเวณที่มีการสังเคราะห์โปรตีนเพื่อการแปลที่ประสบความสำเร็จ

ไรโบโซม: ไรโบโซมแต่ละตัวประกอบด้วยหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กและหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดใหญ่ สิ่งเหล่านี้มีอยู่เป็นคู่เมื่อเริ่มการแปลเท่านั้น พวกเขามี rRNA จำนวนมากเช่นเดียวกับโปรตีน เหล่านี้เป็นหนึ่งในองค์ประกอบเซลล์ไม่กี่ชนิดที่มีอยู่ในทั้งโปรคาริโอตและยูคาริโอต

เอ็มอาร์เอ็นเอ: โมเลกุลนี้นำคำสั่งโดยตรงจาก DNA ของเซลล์เพื่อผลิตโปรตีนจำเพาะ หากสามารถคิดได้ว่า DNA เป็นพิมพ์เขียวของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด สายของ mRNA ก็มีข้อมูลเพียงพอที่จะสร้างองค์ประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งของสิ่งมีชีวิตนั้น

ทีอาร์เอ็นเอ: กรดนิวคลีอิกนี้สร้างพันธะกับกรดอะมิโนแบบหนึ่งต่อหนึ่งเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ aminoacyl-tRNA นี่หมายความว่าแท็กซี่ (tRNA) กำลังบรรทุกผู้โดยสารที่ตั้งใจไว้และเป็นประเภทเดียว (กรดอะมิโนเฉพาะ) จากคน 20 "ประเภท" ในบริเวณใกล้เคียง

กรดอะมิโน: เหล่านี้เป็นกรดขนาดเล็กที่มีกรดอะมิโน (-NH₂) กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก (-COOH) และสายด้านข้างที่จับกับอะตอมของคาร์บอนตรงกลางพร้อมกับอะตอมไฮโดรเจน ที่สำคัญ รหัสของกรดอะมิโนแต่ละชนิดจากทั้งหมด 20 ตัว จัดอยู่ในกลุ่มของเบส mRNA สามตัวที่เรียกว่า โคดอนแฝด

การแปล ขึ้นอยู่กับรหัสแฝดที่ค่อนข้างง่าย พิจารณาว่ากลุ่มใดๆ ของสามฐานที่ต่อเนื่องกันสามารถรวมหนึ่งใน 64 ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ (เช่น AAG, CGU เป็นต้น) เนื่องจากสี่ชุดที่ยกกำลังสามคือ 64

ซึ่งหมายความว่ามีชุดค่าผสมที่มากเกินพอที่จะสร้างกรดอะมิโน 20 ชนิด อันที่จริง อาจเป็นไปได้มากกว่าหนึ่ง codon เพื่อเข้ารหัสสำหรับกรดอะมิโนตัวเดียวกัน

ในความเป็นจริงกรณีนี้ กรดอะมิโนบางชนิดถูกสังเคราะห์จากโคดอนมากกว่าหนึ่งชนิด ตัวอย่างเช่น ลิวซีนเกี่ยวข้องกับลำดับโคดอนที่แตกต่างกันหกลำดับ รหัสแฝดคือสิ่งนี้ "เสื่อมโทรม"

ที่สำคัญมันไม่ใช่ ซ้ำซ้อน นั่นคือ เหมือนกัน mRNA codon ไม่ได้ รหัสสำหรับ มากกว่าหนึ่ง กรดอะมิโน.

ตำแหน่งทางกายภาพของการแปลในสิ่งมีชีวิตทั้งหมดคือ ไรโบโซม. ไรโบโซมบางส่วนมีคุณสมบัติของเอนไซม์เช่นกัน

การแปลในโปรคาริโอตเริ่มต้นด้วย การเริ่มต้น ผ่านสัญญาณปัจจัยการเริ่มต้นจาก codon ที่เรียกว่า START codon อย่างเหมาะสม สิ่งนี้ไม่มีอยู่ในยูคาริโอต แต่กรดอะมิโนตัวแรกที่เลือกคือเมไทโอนีน ซึ่งเข้ารหัสโดย AUG ซึ่งทำหน้าที่เป็น START codon

เมื่อแถบ mRNA สามส่วนเพิ่มเติมแต่ละแถบถูกเปิดเผยบนพื้นผิวของไรโบโซม tRNA ที่มีกรดอะมิโนที่เรียกว่ากรดอะมิโนจะเดินเข้าไปในที่เกิดเหตุและปล่อยตัวผู้โดยสาร ไซต์ที่มีผลผูกพันนี้เรียกว่าไซต์ "A" ของไรโบโซม

อันตรกิริยานี้เกิดขึ้นที่ระดับโมเลกุลเนื่องจากโมเลกุล tRNA เหล่านี้มีลำดับเบสประกอบกับ mRNA ที่เข้ามา และด้วยเหตุนี้จึงจับกับ mRNA ได้อย่างง่ายดาย

ใน การยืดตัว ระยะของการแปล ไรโบโซมเคลื่อนที่โดยสามฐาน กระบวนการที่เรียกว่าการแปล สิ่งนี้เผยให้เห็นไซต์ "A" อีกครั้งและนำไปสู่โพลีเปปไทด์ไม่ว่าจะมีความยาวเท่าใดในการทดลองทางความคิดนี้จะถูกย้ายไปยังไซต์ "P"

เมื่อคอมเพล็กซ์ aminoacyl-tRNA ใหม่มาถึงไซต์ "A" สายโซ่พอลิเปปไทด์ทั้งหมดจะถูกลบออกจาก ตำแหน่ง "P" และติดกับกรดอะมิโนที่เพิ่งถูกฝากไว้ที่ไซต์ "A" ผ่านเปปไทด์ พันธบัตร ดังนั้นเมื่อการเคลื่อนตัวของไรโบโซมไปตาม "รอยทาง" ของโมเลกุล mRNA เกิดขึ้นอีกครั้ง วัฏจักรจะเสร็จสมบูรณ์ และตอนนี้สายโซ่โพลีเปปไทด์ที่กำลังเติบโตจะยาวขึ้นด้วยกรดอะมิโนหนึ่งตัว

ใน การเลิกจ้าง ระยะ ไรโบโซมพบหนึ่งในสาม codon สิ้นสุดหรือ STOP codon ที่รวมอยู่ใน mRNA (UAG, UGA และ UAA) สิ่งนี้ทำให้เกิดไม่ใช่ tRNA แต่สารที่เรียกว่าปัจจัยการปลดปล่อยจะรวมตัวกันที่ไซต์ และสิ่งนี้นำไปสู่การปลดปล่อยของสายโซ่โพลีเปปไทด์ ไรโบโซมแยกออกเป็นหน่วยย่อยที่เป็นส่วนประกอบ และการแปลเสร็จสมบูรณ์

กระบวนการแปลจะสร้างสายโซ่โพลีเปปไทด์ที่ยังต้องมีการปรับเปลี่ยนก่อนที่จะทำงานอย่างถูกต้องเป็นโปรตีนใหม่ โครงสร้างหลักของ โปรตีนซึ่งเป็นลำดับกรดอะมิโน แสดงเพียงส่วนเล็กๆ ของฟังก์ชันในท้ายที่สุด

โปรตีนจะถูกดัดแปลงหลังการแปลโดยพับให้เป็นรูปร่างเฉพาะ ซึ่งเป็นกระบวนการที่มักเกิดขึ้น เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างกรดอะมิโนในจุดที่ไม่อยู่ใกล้เคียงตลอดแนว สายโซ่โพลีเปปไทด์

ไรโบโซมเป็นคนงานที่ดี แต่ไม่ใช่วิศวกรควบคุมคุณภาพ พวกเขาสามารถสร้างโปรตีนจากเทมเพลต mRNA ที่ได้รับเท่านั้น พวกเขาตรวจไม่พบข้อผิดพลาดในเทมเพลตนั้น ดังนั้น ข้อผิดพลาดในการแปลจึงเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้แม้ในโลกของไรโบโซมที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์

การกลายพันธุ์ ที่เปลี่ยนอะมิโนเดี่ยวสามารถขัดขวางการทำงานของโปรตีน เช่น การกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคโลหิตจางชนิดเคียว การกลายพันธุ์ที่เพิ่มหรือลบคู่เบสสามารถทิ้งรหัสทริปเพล็ตทั้งหมดออก ดังนั้นกรดอะมิโนส่วนใหญ่หรือทั้งหมดตามมาก็จะผิดด้วย

การกลายพันธุ์สามารถสร้าง STOP codon ในระยะแรกได้ หมายความว่ามีการสังเคราะห์โปรตีนเพียงบางส่วนเท่านั้น เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้อาจทำให้ร่างกายทรุดโทรมได้หลายระดับ และการพยายามเอาชนะข้อผิดพลาดที่มีมาแต่กำเนิด เช่น สิ่งเหล่านี้ถือเป็นความท้าทายที่ต่อเนื่องและซับซ้อนสำหรับนักวิจัยทางการแพทย์