آلية تخليق البروتين

بالإضافة إلى قالب mRNA، تساهم العديد من الجزيئات الأخرى في عملية الترجمة. قد يختلف تركيب كل مكون عبر الأنواع؛ على سبيل المثال، قد تتكون الريبوسومات من أعداد مختلفة من الحمض النووي الريبي الريبوسومي (الحمض النووي الريبي الريبوسومي (rRNA)) وعديدات الببتيد اعتمادًا على الكائن الحي. ومع ذلك، فإن التراكيب والوظائف العامة لآلية تخليق البروتين قابلة للمقارنة من البكتيريا إلى الخلايا البشرية. تتطلب الترجمة إدخال قالب mRNA، وريبوسومات، وtRNAs، وعوامل إنزيمية مختلفة (شكل 9.19).

شكل 9.19 تتضمن آلية تخليق البروتين الوحدات الفرعية الكبيرة والصغيرة للريبوسوم، و mRNA، و tRNA. (المصدر: تعديل لعمل NIGMS, NIH)

في E. coli، يوجد 200,000 ريبوسوم في كل خلية في أي وقت. الريبوسوم هو جزيء ضخم معقد يتكون من rRNAs هيكلية ومحفزة، والعديد من عديدات الببتيد المميزة. في حقيقيات النواة، تتخصص النوية بالكامل في تخليق وتجميع rRNAs.

توجد الريبوسومات في السيتوبلازم في بدائيات النواة وفي السيتوبلازم والشبكة الإندوبلازمية في حقيقيات النواة. تتكون الريبوسومات من وحدة فرعية كبيرة وصغيرة تتجمعان للترجمة. الوحدة الفرعية الصغيرة مسؤولة عن ربط قالب mRNA، بينما ترتبط الوحدة الفرعية الكبيرة بالتتابع بـ الحمض النووي الريبي الناقل (tRNAs)، وهو نوع من جزيئات RNA التي تجلب الأحماض الأمينية إلى سلسلة عديد الببتيد النامية. تتم ترجمة كل جزيء mRNA في وقت واحد بواسطة العديد من الريبوسومات، وكلها تقوم بتخليق البروتين في نفس الاتجاه.

اعتمادًا على النوع، يوجد 40 إلى 60 نوعًا من tRNA في السيتوبلازم. تعمل tRNAs كمهايئات، حيث ترتبط tRNAs محددة بتسلسلات على قالب mRNA وتضيف الحمض الأميني المقابل إلى سلسلة عديد الببتيد. لذلك، فإن tRNAs هي الجزيئات التي "تترجم" فعليًا لغة RNA إلى لغة البروتينات. لكي يعمل كل tRNA، يجب أن يكون الحمض الأميني الخاص به مرتبطًا به. في عملية "شحن" tRNA، يرتبط كل جزيء tRNA بحمضه الأميني الصحيح.

الشيفرة الوراثية

لتلخيص ما نعرفه حتى هذه النقطة، تولد عملية النسخ الخلوي الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، وهو نسخة جزيئية متنقلة لجين واحد أو أكثر بأبجدية من A، C، G، واليوراسيل (U). تحول ترجمة قالب mRNA المعلومات الوراثية القائمة على النيوكليوتيدات إلى ناتج بروتيني. تتكون تسلسلات البروتين من 20 حمضًا أمينيًا شائعًا؛ لذلك، يمكن القول إن أبجدية البروتين تتكون من 20 حرفًا. يُعرّف كل حمض أميني بتسلسل من ثلاث نيوكليوتيدات يسمى الكودون (codon) الثلاثي. تسمى العلاقة بين كودون النيوكليوتيد والحمض الأميني المقابل له الشيفرة الوراثية (genetic code).

نظرًا للأعداد المختلفة من "الحروف" في "أبجديات" mRNA والبروتين، فإن مجموعات النيوكليوتيدات تتوافق مع أحماض أمينية مفردة. يعني استخدام شيفرة ثلاثية النيوكليوتيدات أن هناك ما مجموعه 64 (4 × 4 × 4) تركيبة ممكنة؛ لذلك، يتم ترميز حمض أميني معين بواسطة أكثر من ثلاثية نيوكليوتيدات واحدة (شكل 9.20).

شكل 9.20 يُظهر هذا الشكل الشيفرة الوراثية لترجمة كل ثلاثية نيوكليوتيدات، أو كودون، في mRNA إلى حمض أميني أو إشارة إنهاء في بروتين ناشئ. (المصدر: تعديل لعمل NIH)

تنهي ثلاثة من الكودونات الـ 64 تخليق البروتين وتطلق عديد الببتيد من آلية الترجمة. تسمى هذه الثلاثيات كودونات التوقف (stop codons). كودون آخر، AUG، له أيضًا وظيفة خاصة. بالإضافة إلى تحديد الحمض الأميني الميثيونين، فإنه يعمل أيضًا كـ كودون البدء (start codon) لبدء الترجمة. يتم تحديد إطار القراءة للترجمة بواسطة كودون البدء AUG بالقرب من الطرف 5' لـ mRNA. الشيفرة الوراثية عالمية. مع بعض الاستثناءات، تستخدم جميع الأنواع تقريبًا نفس الشيفرة الوراثية لتخليق البروتين، وهو دليل قوي على أن جميع أشكال الحياة على الأرض تشترك في أصل مشترك.

آلية تخليق البروتين

تمامًا كما هو الحال مع تخليق mRNA، يمكن تقسيم تخليق البروتين إلى ثلاث مراحل: البدء، والاستطالة، والإنهاء. عملية الترجمة متشابهة في بدائيات النواة وحقيقيات النواة. هنا سنستكشف كيف تحدث الترجمة في E. coli، وهي بدائية نواة نموذجية، ونحدد أي اختلافات بين الترجمة في بدائيات النواة وحقيقيات النواة.

يبدأ تخليق البروتين بتكوين معقد البدء. في E. coli، يتضمن هذا المعقد الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم، وقالب mRNA، وثلاثة عوامل بدء، و tRNA بادئ خاص. يتفاعل tRNA البادئ مع كودون البدء AUG، ويرتبط بشكل خاص من الحمض الأميني الميثيونين الذي يُزال عادةً من عديد الببتيد بعد اكتمال الترجمة.

في بدائيات النواة وحقيقيات النواة، أساسيات استطالة عديد الببتيد هي نفسها، لذلك سنراجع الاستطالة من منظور E. coli. تتكون الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة لـ E. coli من ثلاث حجرات: الموقع A يربط tRNAs المشحونة القادمة (tRNAs مع أحماضها الأمينية المحددة المرفقة). الموقع P يربط tRNAs المشحونة التي تحمل أحماضًا أمينية شكلت روابط مع سلسلة عديد الببتيد النامية ولكنها لم تنفصل بعد عن tRNA المقابل لها. الموقع E يطلق tRNAs المنفصلة حتى يمكن إعادة شحنها بأحماض أمينية حرة. ينتقل الريبوسوم كودونًا واحدًا في كل مرة، محفزًا كل عملية تحدث في المواقع الثلاثة. مع كل خطوة، يدخل tRNA مشحون إلى المعقد، ويصبح عديد الببتيد أطول بحمض أميني واحد، ويغادر tRNA غير مشحون. تُشتق الطاقة لكل رابطة بين الأحماض الأمينية من GTP، وهو جزيء مشابه لـ ATP (شكل 9.21). المثير للدهشة أن جهاز الترجمة في E. coli يستغرق 0.05 ثانية فقط لإضافة كل حمض أميني، مما يعني أن عديد ببتيد مكون من 200 حمض أميني يمكن ترجمته في 10 ثوانٍ فقط.

شكل 9.21 تبدأ الترجمة عندما يتعرف مضاد كودون tRNA على كودون على mRNA. تنضم الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة إلى الوحدة الفرعية الصغيرة، ويتم استقطاب tRNA ثانٍ. مع تحرك mRNA بالنسبة للريبوسوم، تتكون سلسلة عديد الببتيد. يؤدي دخول عامل إطلاق إلى الموقع A إلى إنهاء الترجمة وتفكك المكونات.

يحدث إنهاء الترجمة عندما يتم مواجهة كودون توقف (UAA، UAG، أو UGA). عندما يواجه الريبوسوم كودون التوقف، يتم إطلاق عديد الببتيد النامي وتتفكك الوحدات الفرعية للريبوسوم وتغادر mRNA. بعد أن تكمل العديد من الريبوسومات الترجمة، يتم تحلل mRNA بحيث يمكن إعادة استخدام النيوكليوتيدات في تفاعل نسخ آخر.