پروتئین سازی و ترجمه چیست؟

ترجمه و پروتئین سازی یک فرایند زیستی است که در سیتوپلاسم سلول‌ها برای ساخت پروتئین‌‌ها از رشته‌های RNA پیام‌رسان یا mRNAها انجام می‌شود. در فرایند ترجمه که به فرایند رمزخوانی یا رمزگشایی از کدهای mRNA نیز معروف است، اسیدهای آمینه در کنار هم قرار گرفته و پروتئین‌ها را می‌سازند.

پروتئین‌ سازی در سلول‌

استخوان، پوست و ماهیچه‌های بدن، همه از سلول‌ها تشکیل شده‌اند و هر یک از این سلول‌ها حاوی میلیون‌ها پروتئین هستند. در حقیقت، پروتئین‌ها واحدهای ساختاری کلیدی برای همه ارگانیسم‌ها به حساب می‌آیند. سوال مهم این است که چگونه این پروتئین‌ها در سلول ساخته می‌شوند؟ در ابتدا باید به این نکته توجه کرد که دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها در DNA سلول‌ها، به شکل ژن‌ها وجود دارند. برای تولید پروتئین‌ها، ژن‌ها طی دو مرحله به شکل مولکول‌های mRNA و سپس پروتئین در می‌آیند. این مراحل به صورت زیر است:

رونویسی (Transcription): در این مرحله، توالی DNA یک ژن به شکل RNA «رونویسی» (Transcription) می‌شود. در یوکاریوت‌هایی مانند انسان، RNA برای تولید محصول نهایی یعنی پروتئین‌ها، به شکل مولکول‌هایی به نام RNA پیام‌رسان یا mRNA در می‌آیند.

ترجمه (Translation):در این مرحله، mRNA رمزگشایی می‌شود تا پروتئین‌ها (یا زیر واحدهای یک پروتئین) که حاوی یک توالی اختصاصی از اسیدهای آمینه هستند، تشکیل شوند.

به مجموعه رونویسی ژن و ترجمه آن به پروتئین، «بیان ژن» (Gene Expression) می‌گویند. فرایندی که طی آن DNA به RNA تبدیل شده و RNA به پروتئین ترجمه شود را در زیست‌شناسی مولکولی «سنترال دوگما» (Central Dogma) یا «قضیه اصل مرکزی» می‌گویند. سنترال دوگما یکی از اصول بنیادی زیست‌شناسی مولکولی به شمار می‌آید.

در ادامه به بررسی تفضیلی مراحل و نحوه ترجمه و سنتز پروتئین می‌پردازیم.

کدهای ژنتیکی

در حین پروتئین سازی، اندامک‌های سنتز پروتئین در سلول، اطلاعاتی را از روی RNA پیام‌رسان (mRNA) می‌خوانند و از آن‌ها برای ساخت پروتئین استفاده می‌کنند. در حقیقت، یک mRNA همیشه برای تولید یک پروتئین عملکردی مانند آنزیم‌ها رمزگذاری و رمزگشایی نمی‌شود و از این رو نمی‌توان گفت که mRNA‌ها همیشه دستورالعمل‌هایی که برای سنتز یک پروتئین کامل لازم است را ارائه می‌کنند. در عوض، آنچه ما با اطمینان می‌توانیم بگوییم این است که mRNAها همیشه یک پلی‌پپتید یا زنجیره‌ای از اسیدهای آمینه را رمزگذاری می‌کنند.

سوالی که این جا مطرح می‌شود این است که پروتئین کامل چه تفاوتی با پلی‌پپتیدها دارد؟ در ادامه با تعریف هر یک از این دو ترکیب، تفاوت‌های آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

پروتئین کامل:پروتئین یک ماکرومولکول عملکردی است که به طور کامل درون یک سلول تشکیل می‌شود. برخی از پروتئین‌ها فقط از یک زنجیره اسید آمینه یا پلی‌پپتید تشکیل شده‌اند، در حالی که برخی دیگر شامل چندین یا تعداد زیادی از رشته‌های پلی‌پپتیدی هستند.

پلی پپتید:این ترکیب فقط اصطلاح دیگری برای یک توالی از یک زنجیره اسید آمینه است. یک پلی‌پپتید ممکن است به خودی خود یک پروتئین عملکردی را تشکیل دهد و یا ممکن است، لازم باشد با دیگر پلی پپتیدها برای ساختن یک پروتئین عملکردی کمپلکس تشکیل دهد.

در یک mRNA، دستورالعمل‌های ساخت یک پلی پپتید به صورت نوکلئوتیدهای mRNA (مانند A ،U ،C و G) در گروه‌های سه تایی وجود دارند. به این گروه‌های سه تایی نوکلئوتیدها، «کدون» (Codon) گفته می‌شود.

برای اسیدهای آمینه، 61 کدون وجود دارد و برای مشخص کردن یک اسید آمینه خاص از 20 اسید آمینه معمول موجود در پروتئین‌ها، یک کد اختصاصی باید خوانده شود. یک کدون مانند AUG، اسید آمینه متیونین را مشخص می‌کند و همچنین به عنوان «کدون شروع» (Start Codon) فرایند ترجمه و سنتز پروتئین به شمار می‌آید.

سه کدون دیگر وجود دارند که اسیدهای آمینه خاصی را مشخص نمی‌کنند. این کدون‌ها را «کدون‌های پایان» (Stop Codons) یا متوقف کننده سنتز پروتئین می‌نامند. این کدون‌های پایان شامل کدون‌های UAA ،UAG و UGA هستند. هنگامی ‌که در مسیر ترجمه یک پلی‌پپتید، یکی از این کدون‌های پایان قرار بگیرد، پیام توقف و تکمیل سنتز پروتئین به اندامک سنتز کننده پروتئین یعنی ریبوزوم داده می‌شود. در مجموع، به روابط کدون و اسید آمینه‌های مربوط به آن، «کد ژنتیکی» (Genetic Code) می‌گویند، زیرا این کدهای ژنتیکی به سلول‌ها اجازه می‌دهند تا mRNA را در زنجیره‌ای از اسیدهای آمینه رمزگشایی کنند.

ترجمه و پروتئین سازی چیست؟

رشته‌های mRNA برای ساختن پلی‌پپتیدها، رمزخوانی و ترجمه می‌شوند. دو نوع مولکول و یک اندامک سلولی با نقش‌های کلیدی در این فرایندها دخیل هستند. در سلول، اندامک ریبوزوم که در سیتوپلاسم قرار دارد، مسئول ترجمه mRNA است. در این فرایند دو مولکول rRNA و tRNA نیز نقش‌های کلیدی دارند.

RNA‌های انتقال دهنده یا tRNA

RNA‌های انتقال دهنده، یا tRNA‌ها، پل‌های مولکولی هستند که کدون‌های mRNA را به اسیدهای آمینه‌ای که آن‌ها رمزگذاری کرده‌اند، متصل می‌کنند. یک انتهای هر tRNA دارای دنباله‌ای از سه نوکلئوتید به نام «آنتی کدون» (Anti Codon) است که می‌تواند به کدون‌های mRNA خاص متصل شود. در انتهای دیگر tRNA، محل اتصال اسید آمینه مشخص شده توسط کدون‌ها وجود دارد.

tRNA‌ها انواع مختلفی دارند. هر نوع از آن‌ها یک یا چند کدون را رمزگشایی می‌کنند و اسید آمینه مناسب را مطابق با آن کدون‌ها برای سنتز پروتئین به ریبوزوم می‌آورند.

ریبوزوم

ریبوزوم‌ها اندامک‌های سلولی هستند که در آن‌ها پلی‌پپتیدها یا پروتئین‌ها ساخته می‌شوند. ساختار ریبوزوم‌ها از پروتئین و RNA که شامل  RNA ریبوزومی‌ یا rRNA است، تشکیل شده‌اند. هر ریبوزوم دارای دو زیر واحد بزرگ و کوچک است. این زیر واحدها طوری در کنار یکدیگر جای می‌گیرند که در میان آن‌ها محلی برای قرارگیری یک رشته mRNA به وجود می‌آید.

ریبوزوم، مجموعه‌ای از حفره‌ها را در ساختار خود فراهم می‌کند که tRNA‌ها بتوانند کدون‌های همسان خود را بر روی الگوی mRNA بیابند و اسیدهای آمینه خود را تحویل دهند. این حفره‌‌ها شامل جایگاه‌های A ،P و E هستند. علاوه بر این، ریبوزوم  به عنوان آنزیم نیز عمل می‌کند و واکنش شیمیایی که اسیدهای آمینه را برای ایجاد یک زنجیره به هم پیوند می‌دهند، در این اندامک کاتالیز می‌شود.

ترجمه و پروتئین سازی

سلول‌های بدن در هر ثانیه از روز پروتئین‌های جدیدی را تولید می‌کنند و هر یک از این پروتئین‌ها باید حاوی ترتیب مناسبی از اسیدهای آمینه باشند که در یک توالی درست، به هم متصل می‌شوند. ترجمه و پروتئین سازی ممکن است مانند یک کار چالش برانگیز به نظر برسد، اما خوشبختانه سلول‌های ارگانیسم‌های مختلف مانند سلول‌های حیوانات، گیاهان و باکتری‌ها به کمک ابزارهای تنظیمی دقیق داخل سلولی می‌توانند با درصد خطای کمی پروتئین سازی را به انجام برسانند. برای بررسی دقیق نحوه ساخت پروتئین‌ها، ترجمه را به سه مرحله تقسیم می‌کنند:

• شروع (Initiation)
• افزایش طول (Elongation)
• خاتمه (Termination)

مرحله شروع ترجمه

در این مرحله، ریبوزوم توسط دو زیر واحد کوچک و بزرگ خود رشته mRNA را در بر می‌گیرد و اولین tRNA (حامل اسید آمینه متیونین که با کدون شروع، AUG مطابقت دارد) به مجموعه ریبوزوم و mRNA متصل می‌شود. این مجموعه را کمپلکس آغازین ترجمه می‌نامند که برای شروع پروتئین سازی تشکیل این کمپلکس ضروری است.

در باکتری‌ها، وضعیت کمی متفاوت است. در این ارگانیسم‌ها، زیر واحد ریبوزومی کوچک از انتهای ‘5 mRNA به آن متصل نمی‌شود و به سمت انتهای ‘3 حرکت نمی‌کند. در عوض، زیر واحد کوچک ریبوزومی مستقیماً به توالی‌های خاصی در mRNA متصل می‌شود. این توالی‌ها به نام توالی‌های «شاین دال‌گارنو» (Shine-Dalgarno) معروف هستند و درست قبل از کدون شروع قرار گرفته‌اند و محل شروع ترجمه را به ریبوزوم نشان می‌دهند.

طویل شدن زنجیره اسید آمینه یا مرحله افزایش طول

افزایش طول، مرحله‌ای است که زنجیره اسید آمینه شکل گرفته و طویل می‌شود. در این مرحله، از روی mRNA به طور هم زمان، یک کدون رمزگشایی شده و اسید آمینه مطابق با هر کدون، توسط tRNA به زنجیره پروتئینی در حال رشد اضافه می‌شود.

هر بار که یک کدون جدید در جایگاه خالی اسید آمینه قرار می‌گیرد، یک tRNA مطابق با کدون به این جایگاه متصل می‌شود و زنجیره اسید آمینه موجود (پلی پپتید) از طریق یک واکنش شیمیایی (آنزیم پپتیدیل ترانسفراز) به اسید آمینه متصل به tRNA جدید می‌پیوندد.

بعد از ورود و اتصال اسید آمینه جدید، رشته mRNA به اندازه یک کدون در ریبوزوم به جلو می‌رود تا یک کدون جدید را برای خواندن در جایگاه اتصال tRNA قرار دهد.

در طول مرحله طویل شدن، همان طور که در شکل زیر مشاهده می‌شود، tRNA‌ها از طریق جایگاه‌‌های A ،P و E در ریبوزوم حرکت می‌کنند. این فرآیند بارها تکرار می‌شود تا تمام کدون‌های موجود در رشته mRNA رمزگشایی شده و اسیدهای آمینه جدید به توالی در حال تشکیل اضافه ‌شوند.

مرحله تکمیل و خاتمه پروتئین سازی

خاتمه پروتئین سازی مرحله‌ای است که در آن زنجیره پلی‌پپتید تکمیل شده و از ریبوزوم آزاد می‌شود. این مرحله زمانی شروع می‌شود که یک کدون توقف یا خاتمه (UAG، UAA یا UGA) از رشته mRNA وارد جایگاه ریبوزوم شود. با ورود کدون خاتمه به ریبوزوم یک سری از وقایع به صورت متوالی انجام می‌شود که در نهایت منجر به جدایی زنجیره از tRNA شده و در این حالت رشته پلی‌پپتید ساخته شده، می‌تواند از ریبوزوم رها شود.

پلی‌پپتید ساخته شده پس از خاتمه پروتئین سازی، ممکن است نیاز به تغییراتی برای برخورداری از ویژگی‌های عملکردی داشته باشد. برای این منظور این زنجیره پلی‌پپتیدی باید به شکل سه بعدی در آید و تحت پردازش‌های خاصی قرار گیرد. برای انجام این پردازش‌ها (مانند جدا کردن یا اتصال برخی از اسیدهای آمینه) رشته‌های ساخته شده در ریبوزوم به محل مناسبی در سلول فرستاده می‌شوند. در برخی مواقع، رشته‌های پلی‌پپتیدی برای ایجاد پروتئین‌های عملکردی با یکدیگر ترکیب می‌شوند و مجموع چند رشته پلی‌پپتیدی با هم یک پروتئین عملکردی را برای سلول می‌سازند.

گردآوری توسط: تحقیقستان