Translation

Translation การแปลรหัสพันธุกรรมในการสังเคราะห์ proteins (polypeptides) ซึ่งเป็นผลผลิตของ genes และเป็นขั้นตอนสุดท้ายของการไหลของข้อมูลพันธุกรรม (Central Dogma) หรือ การแสดงออกของพันธุกรรม (Gene expression) อีกระดับหนึ่ง

Transcription & Translation หรือ Gene Expression ใน Prokaryote และ Eukaryote

คำสั่ง หรือ ข้อมูล (Information/code) ของ gene จาก DNA ถูกถอด (Transcription) ให้ไปอยู่ใน RNAs (mRNA, tRNA, rRNA) mRNA มี information ทีเป็นคำสั่งซึ่งเป็นรหัส (codons) ที่จะถูก แปลให้เป็น polypeptide (protein) tRNA มี anticodon แปลรหัส โดยนำ amino acids ต่อกันให้เป็น polypeptide ตามรหัสของ mRNA rRNA ร่วมกับ protein เป็นโรงงาน Ribosome / สถานที่สังเคราะห์ proteins ของเซลล์

ความเชื่อมต่อของ Gene Expression ทั้ง 2 ระดับ

1. Messenger RNA (mRNA) บริเวณและวิธีที่ใช้ในการเริ่มต้น translation แตกต่างกันระหว่าง Porkaryote ใช้บริเวณ Leader ในการเริ่มต้น Eukaryote ใช้ 5’ cap ในการเริ่มต้น Coding region เป็นรหัสคำสั่งจาก DNA ในรูปของ Codons เหมือนกัน Start และ Stop codons เหมือน แต่ต่างกันที่ factors ทีเกี่ยวข้อง

mRNA ของ Eukaryote

Initiator ของ mRNA ใน Prokaryotic cells ลำดับเฉพาะที่ปลาย 5’ เรียกว่า Shine-Dalgarno sequence เป็น ribosomal binding site สำหรับ 30S ribosome

Initiator ของ mRNA ใน Eukaryotic cells มี Cap เป็น binding site ของ 40S subunit แล้วจะ scan เพื่อให้ 18S rRNA ไปจับที่ Start codon โดยต้องมี Cap-binding protein หรือ eIF3 และ eIF4C จับกับ ribosome ก่อน

Genetic Code Codons Code บน mRNA เรียกว่า Codon 1 codon ประกอบด้วย 3 base แปลเป็น 1 amino acid 1 Code มี 3 bases (triplet code) จาก 4 bases codes ทั้งหมด = (4)3 = 64 codons

การถอดและการแปล Codons

Condon ตลอด structural gene ที่ code ให้ polypeptide เรียกว่า Reading frame ใน 64 codons 1 start codon สำหรับการเริ่มต้น translation คือ AUG และ AUG ยังเป็น code ปกติของ Methionine ใน polypeptide 3 top codons สำหรับหยุด translation คือ (1) UAA = Ochre codon (2) UAG = Amber codon (3) UGA = Opal codon 60 codons สำหรับ amino acids อีก 19 ตัว

2. Transfer RNA (tRNA) tRNA เป็นเส้นเดี่ยว มี secondary structure เป็นรูป boot / cloverleaf หรือ 3 stem loops D arm, Anticodon arm และ T arm Anticodon arm มี Anticodon สำหรับจับกับ Codon ของ mRNA ปลาย 3’ เป็นที่ยึดของ amino acid

Secondary structure ของ tRNA

tRNA เป็น translator หรือ adaptor จับ amino acid เข้าไปสังเคราะห์เป็น protein ตามคำสั่งของ mRNA ใน ribosome tRNA จับกับ amino acid ด้วย 2 ขั้นตอน

tRNA ตัวเริ่มต้น ของ Prokaryote คือ methionyl-tRNAfMet หรือย่อ tRNAfMet การมี formyl group เป็นการป้องกันไม่เกิด peptide bond ระหว่าง amino group กับ carboxyl group ที่ปลาย 2 ปลายของ polypeptide

tRNA ตัวเริ่มต้น ของ Eukaryote คือ methionyl-tRNAiMet หรือย่อ tRNAiMet tRNA ที่นำ methionine ทั่วไปใน polypeptide ใช้สัญญลักษณ์ tRNAmMet เป็น methionyl-tRNAmMet นำ methionine เข้าใน polypeptide ที่ใดก็ได้ ที่ไม่ใช่ ตัวเริ่มต้นของสาย polypeptide

การจับกันระหว่าง Codon กับ Anticodon tRNAs decode คำสั่งใน mRNA โดยการจับคู่ของ base ระหว่าง complementary bases ระหว่าง tRNA และ mRNA Francis Crick (1966) พบว่า 2 bases แรกของ anticodon ทำ complement ปกติกับ codon base ตัวที่ 3 ของ anticodon อาจจับ non-complementary base กับ codon

ทำให้ tRNA 1 ตัว ซึ่งนำ amino acid ชนิดเดียวสามารถ จับกับ หลาย codons ได้ เรียกว่า Wobble Effect 60 codons จึงพอดีกับ อีก 19 amino acids

3. Ribosome

rRNAs ใน Ribosomes Prokaryote: 70S ribosome 30S subunit : Eukaryote: 16S rRNA 50S subunit : 23S & 5S rRNAs S = Swedberg unit หน่วยการตก ตะกอน Eukaryote: 80S ribosome 40S subunit : 18S rRNA 60S subunit : 28S, 5.8S, & 5S rRNAs

Ribosome ทั้ง 2 subunit มีขนาดความกว้างครอบคลุม 3 codons หรือ 3 sites A site หรือ Aminoacyl site สำหรับ aminoacyl-tRNA P site หรือ Peptidyl site สำหรับ tRNA ทีมี peptide E site หรือ Exit site สำหรับ free tRNA ที่ว่างเปล่า พร้อมที่จะออกจาก ribosome

Mechanism of Translation 1. Initiation 2. Elongation 3. Termination

1. Initiation of Translation ขั้นตอนหลัก 1. Initiation factor (IF) จับกับ small subunit ของribosome 2. Small subunit ribosome-IF จับกับ mRNA 3. First aminoacyl-tRNA เข้ามาใน ribosome ที่ Psite ซึ่งตรงกับ AUG 4. Large subunit ribosome, IF, และ GTP จับกับ small subunit ribosome complex 5. GTP --> GDP และ IF หลุดออก --> initiation สมบูรณ์

Initiation process Proakryote 30S subunit ribosome จับกับ IF-3 และ mRNA methionyl-tRNAfMet จับกับ IF-2 แล้วเข้าไปใน ribosome ที่ P site

2. Elongation of Translation ขั้นตอนพื้นฐานใน prokaryote และ eukaryote เหมือนกัน 1. Aminoacyl-tRNA หน่วยต่อมาเข้าจับที่ A site ของ ribosome 2. tRNA ที่ P site ย้าย (transfer) polypeptide chain มาต่อกับ amino acid ของ tRNA ที่ A site ด้วย peptide bond

การต่อ amino acids Amino acid Dipeptide Polypeptide

3. Ribosome เคลื่อนที่ (translocate) 1 codon บน mRNA ซึ่งเป็น A site ใหม่ 4. A site เก่าเปลี่ยนเป็น P site ใหม่ และ P site เก่าเปลี่ยนเป็น E site 5. Free tRNA ว่าง (ไม่มี amino acid) ที่ E site เคลื่อนออกจาก ribosome

Elongation of translation Elongation factors คือ EF-Ts, EF-Tu (eEF1), GTP และ EF-G (eEF2)

3. Termination of Translation ต้องการ Stop codon 1 ใน 3 ตัวใดตัวหนึ่ง Release factors (RFs) ซึ่งจำและจับกับ stop codons ได้ ไม่มี tRNA ใดจำ stop codons ได้

เมื่อ elongation ไปถึง stop codon ใด ๆ ของ 1ใน 3 stop codons เข้ามาใน A site Release factors (RFs) เข้าไปจับกับ stop codon RFs ไปเปลี่ยน peptidyl transferase ให้ใส่ H2O เข้าที่ carboxyl end ของ polypeptide Polypeptide หลุดออกจาก tRNA ซึ่งอยู่ที่ P site free tRNA เคลื่อนมาที่ E site ออกจาก ribosome --> หยุด translation

RF-1 จับ UAA และ UAG RF-2 จับ UAA และ UGA Termination in Prokaryote มี 2 RFs คือ RF-1 จับ UAA และ UAG RF-2 จับ UAA และ UGA Eukaryote มี RF เดียว

Polyrisome: ใน prokaryotic cells Translation โดย หลาย ribosome พร้อมกันบน mRNAเดียว ไม่มี initiation บน mRNA สำหรับ ribosome ที่เข้ามาใหม่ Translation รอบต่อไป โดย ribosome ชุดใหม่ เกิดขึ้นได้เลย ภายหลังหลาย cycles ของ Translation จะเห็น ribosomes หลายหน่วย polyribosome อยู่บน mRNA และแต่ละหน่วยมีสาย polypeptide

Polyribosome