نویسنده : دکتر محمد زهرائی
ساخت پروتئین از روی ژن قسمت دوم
در مبحث قبل دیدیم که ابتدا با رونویسی Transcription از روی DNA ، یک اسید نوکلئیک تک رشتهای به نام mRNA یا RNA پیغامبر ایجاد میشود ، سپس mRNA تحت فرایند پیرایش Splicing قرار میگیرد و مناطقی از آن جدا میشود که اینترون نامیده میشود ، مناطق بافی مانده که اگزون نامیده میشوند دوباره به متصل هم شده و mRNA نهایی را ایجاد میکنند .
حالا mRNA از هسته خارج شده و برای ساخت پروتئین از روی آن به سمت ریبوزوم میرود ، برای اتصال بهتر به ریبوزوم یک گوانین متیله شده به ابتدای آن اضافه میشود ( کلاهک Cup ) و تعدادی آدنین به انتهای آن اضافه میشود و حال آماده است که وارد شکاف ریبوزوم شود .
ساختار و عملکرد tRNA :
طبق آنچه در مباحث قبلی توضیح داده شد هر سه باز DNA و پس از فرایند رونویسی هر سه باز mRNA یک اسید آمینه خاص را کد خواهند کرد . این بازها در مورد mRNA عبارتند از آدنین A ، اوراسیل U ، گوانین G ، سیتوزین C .
کد AUG مربوط به اسیدآمینه متیونین است که همیشه شروع کننده ساحت زنجیره پروتئین است ( البته همیشه هم بعدا حذف میشود ) .
هر یک از کدهای UAG , UAA , UGA کدهای پایان زنجیره اسیدآمینه هستند .
۶۰ کد بقیه برای بقیه ۱۹ اسیدآمینه دیگر است که در جدول زیر مشاهده میکنید .
این کدهای سه بازی mRNA اصطلاحا کدون نامیده میشوند .
https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/gene-expression-and-regulation/translation/a/the-genetic-code-discovery-and-properties
در این جدول ۴x۴ که هر یک از ۱۶ خانه محتوی چهار کدون است و در مجموع ۶۴ کدون.
در جدول ردیف عمودی سمت چپ مربوط به اولین حرف کدون است یعنی در ردیف افقی بالای جدول که روبروی Uمیباشد ، حرف اول تمام ۱۶ کدون چهار خانه ردیف اول افقی U است.
ردیف افقی بالای جدول مربوط به حرف دوم کدون است ، یعنی زیر حرف U، حرف دوم تمام چهار خانه و ۱۶ کدون U می باشد .
ردیف عمودی سمت راست جدول مربوط به حرف سوم کدون است و به این ترتیب که کدونهای چهارگانه هر خانه جدول حرف سومشان چه باشد .
در مقابل هر کدون هم ، اسیدآمینهای که آن کدون باعث اضافه شدنش به زنجیره پروتئین میشود ، مشخص شده است . مثلا هر یک از ۶ کدون CUU,CUC,CUA,CUG,UUA,UUGموجب اضافه شدن لوسین Leu به زنجیره پروتئین می شود و یک کدون باعث اضافه شدن تریپتوفان Trp و یک کدون باعث اضافه شدن متیونین Met به زنجیره پروتئین میشود و بقیه اسیدهای آمینه دو یا سه یا چهار حالت کدون دارند .
چه مولکولی واسطه اضافه شدن یک اسیدآمینه خاص به هر کدون میشود ، این مولکول tRNA یا RNA حمل کننده است ، که یک مولکول صلیب مانند است ، دو بازو دو طرف دارد ، در یک طرف یک قسمت دارای آنتیکدون دارد که مکل بازهای کدون است و در طرف دیگر خود اختصاصا به اسید آمینهای وصل میشود که مربوط به همان کدون است ، مثلا فرض کنید کدون GUU در mRNA ، حالا یک tRNA که در یک سر خود آنتی کدون CAA را دارد داریم که در سر مقابل خود به اسید آمینه والین Val وصل میشود .
(یک نقش شبه آنزیمی برای RNA که همانطور که قبلا گفتیم در ابتدای شروع حیات با ایجاد اشکال سه بعدی خود نقش آنزیمها را هم بازی میکرده )
در سمت راست ساختار فضایی tRNA و در سمت چپ شکل شماتیک یک tRNA را مشاهده میکنید ، مولکول از یک تک رشته RNA ایجاد شده است . یکی از جالبترین خواص RNA این است که اگر قسمتهایی با بازهای مکمل در مقابل هم قرار گیرند یک دورشتهای درست میکنند ، مثلا اگر در قسمتی از رشته CGAUCA داشته باشیم و مثلا بیست باز جلوتر UGAUCG داشته باشیم وقتی رشته روی هم تا میخورد توالی دوم که برعکس میشود و تبدیل به GCUAGU میشود که مکمل توالی CGAUCA میشود و با هم یک بخش دو رشتهای درست میکنند ، همانطور که در هریک از چهار بازوی tRNA میبیند .
این خاصیت میتواند باعث ایجاد اشکال سه بعدی شود و از همه مهمتر آن لوپی است که ته بازو میماند ، و محل بسیار خوبی می شود برای اتصال در اشکال سه بعدی پروتئینهای انزیمی و بخصوص در اینجا که ریبوزوم است .
ساخت پروتئین از روی mRNA : ترجمه Translation
پس رشته mRNA وارد شکاف بین دو بخش ریبوزوم میشود ، اولین کدون مربوط به اسیدآمینه متیونین است ، tRNA حمل کنند متیونین که آنتیکدون مکمل کدون متیونین را دارد ، از سر دارای آنتیکدون به کدون وصل شده ( البته با اثر آنزیمی ریبوزوم ) و بلافاصله بازوهای جانبی به ریبوزوم متصل میشوند و اسید امینه متیونین به عنوان اولین اسیدآمینه زنجیره پروتئین در کنار ریبوزوم میماند ،
حالا ریبوزوم بر روی رشته mRNA جلو میرود و اگر مثلا کدون بعدی GUU باشد ، tRNA دارای آنتیکدون CAA که اختصاصا اسیدآمینه والین به انتهای دیگر آن متصل است به mRNA وصل شده و بازوهای جانبی به ریبوزوم متصل میشود ، حالا خاصیت آنزیمی ریبوزوم والین را به متیونین وصل میکند و حالا زنجیره پروتئین دو اسیدآمینه دارد .
با جلو رفتن ریبوزوم بر روی mRNA بر فرض اینکه کدون سوم CGU باشد ، tRNA دارای آنتی کدون GCA به آن متصل میشود که اخاصاصا اسید آمینه آرژنین به آن متصل است ، حال در حالیکه بازوهای جانبی در حال اتصل به ریبوزوم و آرژنین ( اسیدآمینه سوم ) در حال اتصال به والین ( اسیدآمینه دوم ) میباشد ، tRNA اولی جدا میشود و با جلو رفتن ریبوزوم و اتصال tRNA چهارم به کدون چهارم و در حین اتصال اسید آمینه چهارم به سوم tRNA دوم جدا شده و به این ترتیب رشته پروتئین ساخته میشود .
https://www.genome.gov/genetics-glossary/Ribosome
در تصویر فوق مشاهده میشود که آنتیکدون هر tRNA با خاصیت آنزیمی ریبوزوم به کدون مخصوص خود متصل و کل tRNA به ریبوزوم متصل میشود ، سپس با اثر آنزیمی ریبوزوم اتصال اسیدآمینه ای که حمل میکند به انتهای زنجیره پروتئینی انجام شده و زنجیره به این tRNA متصل میشود . همیشه دو tRNA به ریبوزوم متصل هستند که اثر آنزیمی ریبوزوم ، اسید آمینه قبلی انتهای زنجیره پروتئینی را به اسیدآمینه جدیدتر وصل میکند و یک tRNA در حال جدا شدن ، یعنی در محل پروتئین سازی دو سایت اتصال tRNA و یک سایت جدا کردن آن وجود دارد .
ساختار mRNA قابل ترجمه :
البته طبق معمول قرآیندها خیلی پیچیدهتر از این توضیحات مختصر است ، در واقع mRNA آماده ترجمه به پروتئین به ترتیب دارای بخشهای زیر است :
۱- در سر ۵’ یک کلاهک دارد که باعث چسبندگی آن به قسمت صحیح ریبوزوم میشود
۲- یک قسمت غیر فابل ترجمه UTR۵’ دارد که مدتی ریبوزوم روی آن حرکت کرده و پایدار می شود
۳- سپس کد استارت که کدون اسیدآمینه متیونین است
۴- کدونهایی که باید به پروتئین ترجمه شوند
۵- کد پایان
۶- قسمت غیرقابل ترجمه UTR۳’
۷- یک دم با تعداد زیاد A پشت سر هم که برای عدم پیچ خوردگی رشته لازم است .
ریبوزوم :
قدمت ساختار ریبوزوم به اولین اشکال حیات برمیگردد ، قاعدتا اولین ریبوزومها کلافهایی از RNA بودند که همچون tRNA خواص شبه آنزیمی داشتند و با پیشرفت تدریجی پروتئینها و خواص بسیار بالاتر آنها به عنوان ایجاد کننده اشکال سه بعدی چفت شونده با سایر مولکولها ، به تدیج بخشهای بیشتری از ریبوزوم پروتئینی شد . امروزه اشکال اولیه حیات و ریبوزوم کلا تشکیل شده از RNA را نداریم چون اشکال جدیدتر دارای پروتئین به قدری موفق عمل میکردند که تمام اشکال اولیه حیات را از دور خارج کردند . اما هرچه به سمت اشکال سادهتر و قدیمیتر باکتریها میرویم میزان RNA ریبوزوم بیشتر میشود . RNA ریبوزومی را rRNA نامیدهاند .
و جالب اینکه در تمام گیاهان و حیوانات دقیقا همین ۲۰ اسید آمینه و tRNA و ریبوزوم را داریم .
به این ترتیب انواع RNA روند پروتئن سازی عبارتند از RNA پیغامبر یا mRNA و RNA حمل کننده یا tRNA و RNA ریبوزومی rRNA .
https://www.javatpoint.com/ribosomes-definition
همانطور که ملاحظه میشود ریبوزوم دو زیر واحد بزرگتر یا ۶۰S و کوچکتر یا ۴۰S ( در باکتریها و موجودات بدون هسته ۵۰S,۳۰S ) دارد ، یک طرف کل مجموعه سایت پروتئینسازی است و شیاری دارد که mRNA داخل آن قرار میگیرد و سه سایت برای tRNA دارد . سومی سایت A ( Aminoacid ) است یعنی جدیدترین tRNA که حامل اسیدآمینه است در انجا متصل شده ، در سایت دوم P ( Peptide ) ، tRNA وجود دارد که زنجیره پروتئینی یعنی پپتید به آن وصل است و سایت سوم سایت جدا شدن و خروج E ( Exit ) tRNA است ، با جلو رفتن ریبوزوم بر روی mRNA ، اسیدآمینه tRNA جایگاه A به زنجیره پروتئینی وصل و tRNA به جایگاه P منتقل شده و با انتقال زنجیره پروتئینی به بعدی و آزاد شدنش به جایگاه E رفته و با جدا شدن آنتی کدون از کدون از ریبوزوم هم جدا و آزاد میشود .
به این نکته توجه شود که در حیات هیچ اتصال یا جداشدنی به صورت خودبخودی و مثل واکنش شیمیایی عادی تحت اثر گرادیان غلظت و پایداری صورت نمیگرد ، بلکه به علت نیاز به سرعت بالا ، هر اتصال یا جداشدن به فرآیند آنزیمی نیاز دارد ، یعنی چفت شدگی سه بعدی مولکولها به آنزیم و اتصال دو مولکول به هم یا جداشدن دو مولکول یا برش یک مولکول توسط تغییر شکل سه بعدی آنزیم .
در قبل در سیتوپلاسم اسید آمینه اختصاصی هر tRNA توسط یک آنزیم به آن متصل شده و ریبوزوم هم با سایتهای آنزیمی متعدد خود کدون را به آنتیکدون وصل و بعد جدا میکند و اسیدامینه را به زنجیره متصل میکند ، البته این موضوع را هم داریم که در مولکولهای حیاتی با اتصال در یک بخش دچار تغییر شکل و عملکرد در بخش دیگر میشوند . مثلا ممکن است جدا شدن اسیدآمینه از یک انتهای tRNA با تغییر شکل موجب چرخش آنتیکدون و جدا شدن آن از کدون شود .
فرآیند پروتئین سازی تقریبا با سرعت اضافه شدن ۲۰ تا ۳۰ اسید آمینه در هر ثانیه صورت میگیرد . گاها ممکن است چند ریبوزوم با فاصله بر روی یک رشته mRNA در حال حرکت باشند . طبق معمول حیات تمام مولکولهای حیاتی دائم تخریب و ساخته میشود ، ریبوزوم عمری حدود ۶ ساعته دارد و در سلول به صورت دائم با سرعت ۱۰ تا ۱۰۰ ریبوزوم در ثانیه ساخته میشوند . سلول های انسانی بین صدهزار تا میلیونها ریبوزوم دارند.
شبکه آندوپلاسمیک :
شبکه یا رتیناکولوم آندوپلاسمیک endoplasmic retinaculum مجموعهای از مجاری و فضاهای داخل سیتوپلاسم است که محل به بلوغ رسیدن پروتئین است .
یک غشاء با پیچخوردگی های بسیار زیاد است که از غشاء هسته منشاء گرفته است ( در باکتریهای بدون هسته وجود ندارد ). در بخشی از آن ریبوزومهای فراوانی که به جدار آن چسبیدهاند و در زیر میکروسکوپ عادی هریک به شکل نفطه هستند باعث نامگذاری به نام شبکه اندوپلاسمیک خشن rough شدهاست و بخش بدون ریبوزوم بخش صاف smooth نامیده میشود که در سوخت و ساز چربی دخالت دارد .
بعضی ریبوزومها در سیتوپلاسم پروتئین میسازند اما عموما به جدار شبکه آندوپلاسمیک چسبیدهاند طوریکه بخش بزرگ به سمت فضای داخل شبکه است و پروتئین ایجاد شده به داخل شبکه آزاد میشود .
مراحل مختلفی از تغییرات لازم است تا رشته پروتئنی بالغ و عملیاتی شود که تغییرات پس از ترجمه نامیده میشود Post Translation Modification PMT، ثابتترین این تغییرات عبارتند از : جداشدن بخشی از ابتدای آن که به نام سیگنال پپتید نامیده میشود و پروتئین را در مسیر بالغ mature شدن هدایت میکند . دوم اینکه رشته پروتئین باید به شکل درست روی خود تا بخورد تا اشکال سه بعدی درست ایجاد کند این کار توسط پروتئینهای کمکی به نام چاپرون Chaperone صورت میگیرد و اتفاق دیگری که اغلب رخ میدهد اضافه شدن گروههای مختلف متیل و استیل و غیره میباشد .
در نهایت پروتئینها ممکن است برای استفتده سلول در شبکه بمانند یا وارد سیتوپلاسم شوند ، ممکن است وارد سیستم دیگری به نام شبکه گلژی شده و پک شده و از سلول ترشح شوند و در نهایت اگر مسیر درست را طی نکرده و یا بدون استفاده باشند یگ گروه یوبیکوئین به آن متصل و برای تخریب به سمت پروتئوزوم جذب میشود .