Protein synthesis & modification

รชันีกร กัลล์ประวทิธ์2557

Protein synthesis Translation คล้ายคลึงกันทัง้ใน prokaryote และ eukaryote สารตัง้ต้น คือ กรดอะมโิน 20 ชนิด

ชนิดของโปรตีนท่ีสงัเคราะห ์ถกูกำาหนดโดย mRNA การสงัเคราะหโ์ปรตีนเริม่จากจุดเริม่ต้นทางด้าน NH2-terminal

ไปสิน้สดุท่ี COOH-terminal ในมนุษยส์ามารถพบการสงัเคราะหโ์ปรตีนได้ทัง้ใน cytosol,

RER และ mitochondria

2

ปัจจยัที่ใชใ้นการสงัเคราะหโ์ปรตีน L-amino acid t-RNA Genetic code Aminoacyl-tRNA synthetase ribosome

3

Amino acid4

Transfer RNA (tRNA) มปีระมาณ 50 ชนิด โดยกรดอะมโินบางชนิดม ีtRNA ท่ีเป็นคู่

มากกวา่ 1 ชนิด

Clover leaf หรอื L-shape tRNA จะมเีบส 3 ตัวท่ี complementary กับ codon บน

mRNA เรยีกเบส 3 ตัวน้ีวา่ anticodon Wobble position

5

Transfer RNA (tRNA)6

Wobble position Wobble position (base) คือ เบสท่ีอยูต่ำาแหน่ง 3’ ของ

codon และเบสตำาแหน่ง 5’ ของ anticodon ซึ่งโดยทัว่ไป การจบัคู่กันของเบสคู่นี้อาจไมเ่ป็นไปตามกฎทัว่ไปของการจบัคู่

การม ีwobble base ทำาให ้tRNA 1 ชนิด จบักับ codon ของ mRNA ได้มากกวา่ 1 codon

5’ base of anticodon

3’ base of codon

CAUGI

GU

A or GC or U

U or C or A

7

Genetic code

U C A GUUCUUU P

he

UCU

UCCUCAUCG

Ser

UAUUACUAAUAG

TyrST

OP

UGUUGCUGAUGG

CysST

OPUUAUUG

LeuCUUCUCCUACUG

Leu

AUUAUCAUAGUUGUA

GUG

GUC

lleMet

Val

CCUCCCCCACCGACUACCACAACGGCU

GCCGCAGCG

Pro

Thr

Ala

CAUCACCAACAGAAUAACAAAAAGGAUGACGAAGAG

Asn

HisGln

LysAspGlu

CGUCGCCGACGG

GGU

GGC

GGA

GGG

AGUAGCAGAAGG

Arg

SerArgGly

AUG

Second position

Thi

rd p

ositi

on

Firs

t pos

ition

UCAGUCAGUCAGUCAG

U

C

A

G

Trp

8

Genetic code รหสัพนัธุกรรม

แต่ละรหสัประกอบด้วย nucleotide 3 ตัว เรยีงต่อกัน เรยีกวา่ triplet code หรอื codon

สิง่มชีวีติทกุชนิด ทัง้ prokaryote และ eukaryote ใช ้genetic code เดียวกัน (ยกเวน้ใน mitochondria ของมนุษยม์รีหสับางรหสัต่างออกไป ) จงึอาจเรยีกวา่ universal genetic code

Genetic code บน mRNA จะมแีต่ละ codon เรยีงต่อกันไป โดยไมม่กีารเวน้วรรค (commaless) และไมซ่อ้นกัน (non-overlapping)

9

Genetic code รหสัพนัธุกรรมมทัีง้หมด 64 รหสั (43 = 64) โดย 61 รหสัจะเป็นรหสั

สำาหรบักรดอะมโิน 20 ชนิด ท่ีเหลือ 3 รหสั เป็นรหสัสำาหรบัหยุดการสงัเคราะหโ์ปรตีน กรดอะมโินสว่นใหญ่จะมรีหสัพนัธุกรรมมากกวา่ 1 รหสั เรยีก degenerate มกีรดอะมโิน 2 ชนิด (methionine และ tryptophan) ท่ีมรีหสัพนัธุกรรม

รหสัเดียว

AUG เป็นรหสัพนัธุกรรมสำาหรบั methionine และเป็นรหสัเริม่ต้นการสงัเคราะหโ์ปรตีน เรยีกวา่ initiation codon

UAA, UAG และ UGA เป็นรหสัท่ีหยุดการสงัเคราะหโ์ปรตีน เรยีกวา่ nonsense (stop) codon

10

Gene mutation & protein synthesis

Regulatory element mutation : ทำาใหก้ารเกิด transcription เปล่ียนแปลง (เพิม่ขึ้น/ลดลง ) สง่ผลใหป้รมิาณของโปรตีนเปล่ียนไป

Structural gene mutation : ทำาใหเ้กิดการเปล่ียนแปลงต่าง ๆ ดังน้ี Missense mutation Nonsense mutation Chain termination (sense) mutation Splicing mutation Silent mutation Frameshift mutation

11

Structural gene mutation Missense mutation : โปรตีนมกีรดอะมโินเปล่ียนไป

CAU (His) CAG (Gln)

Nonsense mutation : โปรตีนสัน้ลง (truncated polypeptide chain)

CGA (Arg) UGA (stop)

Sense mutation : โปรตีนยาวขึ้นUAA (stop) UAC (Tyr)

12

Structural gene mutation Silent mutation

AAA (Lys) AAG (Lys)

Frameshift mutation

C C A C A G U G G A G U C G A C A U U

C C A C A G U G G A A G U C G A C A U

Normal 5'Mutant 5'

(base insertion )

Pro

GlnPro Trp Ser Arg His

Gln Trp Lys Ser Thr

3′

3′

13

Aminoacyl-tRNA synthetase ทำาหน้าท่ีจบัคู่กรดอะมโินกับ tRNA ท่ีเป็นคู่กัน (cognate tRNA)

เรยีกขัน้ตอนนี้วา่ activation of amino acid

amino acid + ATP + tRNA aminoacyl-tRNA + AMP + PPi

PPi 2Pi

ขบวนการน้ีอาศัย Mg2+ เป็น cofactor และต้องการ ATP (2 ATP)

เอนไซมน์ี้ม ี20 ชนิด แต่ละชนิดจำาเพาะกับกรดอะมโินแต่ละตัว

14

Aminoacyl-tRNA synthetase การจบักันของกรดอะมโินกับ tRNA เกิดจาก α-COOH group ของ

กรดอะมโินกับ 3’-OH group ของ tRNA จบักัน เกิดเป็น high energy ester bond ซึ่งพลังงานของพนัธะนี้จะใชใ้นการสงัเคราะห ์peptide bond ต่อไป

เอนไซมน์ี้ยงัสามารถ proofreading ตรวจสอบ aa-tRNA ท่ีเกิดขึ้น โดยถ้า aa-tRNA มโีครงสรา้งท่ีผิด เอนไซมจ์ะสลาย aa-tRNA กลับเป็นกรดอะมโินและ tRNA

15

Ribosome ตำาแหน่งท่ีเกิดการสงัเคราะหโ์ปรตีน

ประกอบด้วย 2 subunits (small & large subunit) large subunit ประกอบด้วย

P site : เป็นบรเิวณที่เกิดสาย polypeptide A site : เป็นบรเิวณที่ aa-tRNA มาเกาะ

Prokaryotic ribosome : 70S (50S & 30S) Eukaryotic ribosome : 80S (60S & 40S)

16

Process of translation Initiation Elongation Termination

17

Initiation การ identify จุดเริม่ต้นของ coding sequence บน mRNA

(ซึ่งก็คือ codon AUG ตัวแรกจากด้าน 5’) ปัจจยัท่ีใชใ้นขัน้ตอน initiation

mRNA Met-tRNA (ใน prokaryote ใช ้formyl methionyl-tRNA) ribosome initiation factors (IF) GTP ATP

18

Process of initiation (eukaryotes)

eIF2a จบักับ GTP และ Met-tRNAi ได้เป็น ternary complex

Ribosome แยกเป็น 2 subunit โดย 40S subunit รวมกับ eIF3, ternary complex และ eIF4c ได้เป็น eIF2a.Met-tRNAi.GTP, eIF3.40S, eIF4c complex

complex นี้จะจบั mRNA ทางด้าน 5’ ได้เป็น preinitiation complex ซึ่งต้องอาศัย ATP และ IF ในการอ่านรหสัจากด้าน 5’ ไปด้าน 3’ จนถึง codon AUG ชุดแรก

19

Process of initiation (eukaryotes)

anticodon ของ tRNA เกิด base pairing กับ AUG ของ mRNA ทำาให ้GTP ถกูเปล่ียนเป็น GDP

IF ต่าง ๆ และ GDP ถกูปล่อยออกมา และ 60S subunit ของ ribosome เขา้มารวม เกิดเป็น initiation complex

20

21

Process of initiation (prokaryotes) มลีำาดับของพวิรนีนิวคลีโอไทด์ท่ีเรยีกวา่ Shine-Dalgarno

sequence อยูป่ระมาณ 10 นิวคลีโอไทด์ ทางด้าน upstream ของ AUG

IF ต่าง ๆ น้อยกวา่ ใน eukaryote

AUG3' mRNA5'

Prok. Shine-Dalgarno sequence ( 10 nt. upstream ของ AUG )initiation complex อยูท่ี่ P site ของ ribosome

22

Elongation เกิดขึ้นหลังการเกิด initiation complex ribosome จะต่อสาย peptide ใหย้าวขึ้นโดยการอ่าน codon

บน mRNA ไปเรื่อย ๆ จนถึง termination codon ปัจจยัท่ีใช ้คือ

initiation complex aminoacyl-tRNA ท่ีรวมกับ eEF1α และ GTP เป็น complex elongation factors (EF) GTP

23

Process of elongation eEF-1α ท่ีจบักับ GTP จะพา aa-tRNA ไปรวมกับ initiation

complex ท่ี A site เกิด base pairing ระหวา่ง base ของ codon บน mRNA

กับ anticodon บน aa-tRNA ทำาให ้eEF-1α กับ GTP เปล่ียนเป็น GDP. eEF-1α ต่อมา GDP หลดุออกจาก ribosome ปล่อย aa-tRNA ไวท่ี้ A site ของ ribosome

peptidyl transferase ใน ribosome สลาย ester bond ระหวา่งกรดอะมโินกับ tRNA ท่ี P site แล้วนำา α-COOH group มาต่อกับ α-NH2 group ของกรดอะมโินอีกตัวท่ี A site

24

Process of elongation เกิด translocation ยา้ย peptidyl-tRNA จาก A site มาท่ี P

site โดยอาศัย eEF-2 (translocase) และ GTP deacylated tRNA จะเคล่ือนท่ีจาก P site ไป E site เมื่อ A site วา่ง aa-tRNA ตัวใหมจ่ะเขา้มาจบั และเกิดขบวนการ

ต่าง ๆ ดังท่ีกล่าวมาใหม่

25

Process of elongation26

Termination เกิดเมื่อ ribosome สงัเคราะห ์peptide จนมาถึง

termination codon (UAA, UAG หรอื UGA) eRF และ GTP จะจบัท่ี A site

ปล่อย deacylated tRNA จาก E site ปล่อย peptide ท่ีสงัเคราะหไ์ด้ออกจาก ribosome

27

Process of termination28

Energy requirement for protein synthesis Aminoacylation of tRNA

ATP AMP + Ppi Binding of Met-tRNAi to P site Aminoacyl-tRNA binding to A site Translocation Termination

29

Polyribosome (polysome) mRNA สายเดี่ยวแต่ม ีribosome เกาะอยูห่ลายกลุ่ม

เกิดจากเมื่อ ribosome เริม่สงัเคราะหโ์ปรตีนไปแล้ว ribosome ตัวใหมจ่ะเริม่สงัเคราะหโ์ปรตีนอีกโมเลกลุได้โดยไม่ต้องรอให ้ribosome ตัวแรกสงัเคราะหโ์ปรตีนจนจบสายก่อน

การม ีpolyribosome ทำาใหเ้ซลล์สงัเคราะหโ์ปรตีนได้เรว็ขึ้น

30

Polyribosome 31

Inhibitors of protein synthesis affect on prokaryotes : streptomycin,

tetracycline, chloramphenicol & erythromycin affect on eukayotes : cycloheximide & diphtheria

toxin affect both prokaryotes & eukaryotes : puromycin

32

Inhibitors of protein synthesis

Inhibitors Mechanism of actionstreptomycin binds to 30 s ribosomal subunit,

preventing formation of the initiation complex

tetracycline binds to 30 s ribosomal subunit, inhibits binding of aa-t RNA to A site

chloramphenicol

inhibits peptidyl transferase activity of 50s ribosomal subunit

erythromycin binds to 50 s ribosomal subunit, prevents translocation

cycloheximide inhibits peptidyl transferase in eukaryotesdiphtheria toxin inhibit translocation of peptidyl-tRNA from

A to P sitepuromycin prematurely terminates synthesis

33

Protein folding การสงัเคราะหโ์ปรตีน ทำาใหเ้กิด 1°

structure ของโปรตีน สำาหรบัการเกิด 2° และ 3° structure

โปรตีนบางชนิดสามารถเกิดได้เอง (self-assembly) แต่โปรตีนบางชนิดต้องอาศัยโปรตีนชนิดอ่ืนเป็นตัวชว่ย เชน่

molecular chaperone (heat shock protein ) ป้องกันการเกิดโครงสรา้งท่ีไมต้่องการ และทำาให้โปรตีนเสถียร

prolyl isomerase เปล่ียน cis-trans isomer ของ proline ในโปรตีน

34

Protein folding mutation บางชนิด ทำาใหก้ารเกิด protein folding ผิดปกติ

ไป และทำาใหโ้ปรตีนดังกล่าวไมส่ามารถถกูสง่ออกจาก ER ได้

ตัวอยา่งเชน่ mutation ของ α1-antiprotease (ทำาหน้าท่ีเป็น elastase inhibitor)

abnormal folding of α1-antiprotease

retention of α1-antiprotease within hepatocyte

elastase activity ในปอดสงูขึ้น

lung destruction

35

Protein translocation (protein targeting)

การเคล่ือนยา้ยโปรตีนจากบรเิวณท่ีสงัเคราะหไ์ปยงับรเิวณท่ีโปรตีนทำางาน แบง่ได้เป็น 2 กลุ่ม

1. Post-translational translocation

2. Cotranslational translocation

36

Post-translational translocation การเคล่ือนยา้ยโปรตีนท่ีเกิดหลังจากการสงัเคราะหโ์ปรตีนเสรจ็

สิน้

เกิดท่ี free ribosome พบในการสงัเคราะหโ์ปรตีนเพื่อใชใ้น nucleus, cytosol,

mitochondria และ peroxisome

37

Cotranslational translocation

การเคล่ือนยา้ยโปรตีนท่ีเกิดขณะท่ีการสงัเคราะหโ์ปรตีนยงัไมส่ิน้สดุ

พบในการสงัเคราะหโ์ปรตีนท่ีเป็นสว่นประกอบของ membrane และ secretory protein เชน่ โปรตีนใน ER, Golgi body, lysosome

โปรตีนในกลุ่มนี้จะม ีsignal sequence ท่ีด้าน N-terminus ขัน้ตอนการเกิด cotranslational translocation

Signal sequence จะจบักับ signal recognition particle (SRP) SRP จะพาโปรตีนและ ribosome ไปจบักับ SRP receptor (docking

protein) ท่ี ER และโปรตีนจะถกูส่งเขา้ไปใน lumen ของ ER เมื่อสงัเคราะหโ์ปรตีนเสรจ็ singal sequence จะถกูตัดออก โปรตีนใน lumen ถกูส่งไป Golgi body และเกิด exocytosis

38

Cotranslational translocation

39

Secretion เป็นขบวนการสง่โปรตีนท่ีสงัเคราะหอ์อก

ไปใชน้อกเซลล์ แบง่ได้เป็น 2 ประเภท

Constitutive secretion ตัวอยา่งเชน่ การสง่ plasma protein

ออกนอกเซลล์

Regulated excretion โปรตีนท่ีสงัเคราะหจ์ะถกูเก็บไวใ้น

secretory vesicle เมื่อเซลล์ถกูกระตุ้น โปรตีนจะถกูปล่อย

ออกมาโดยวธิ ีexocytosis

40

Intracellular protein degradation

โดยทัว่ไปโปรตีนแต่ละชนิดจะม ีhalf-life ต่างกัน เชน่ ในเซลล์ตับ เอนไซมท่ี์ควบคมุ metabolism จะสลายเรว็กวา่โปรตีนอ่ืน

โปรตีนท่ีม ีPEST sequence (proline-glutamate-serine-threonine) มากจะม ี half-life สัน้

41

Intracellular protein degradation

การสลายโปรตีนในเซลล์

ATP dependent proteolysis เกิดขึ้นใน proteasomes โดยอาศัยโปรตีน ubiquitin

Lysosome degradation Other proteolytic systems

- Apoptosis หรอืท่ีเรยีกวา่ programmed cell death อาศัยเอนไซม ์caspases

- Calcium-dependent thiol proteases ท่ีเรยีกวา่ calpains

42

Ubiquitin-ATP dependent pathway ทำาหน้าท่ีสลายโปรตีนท่ีผิดปกติ หรอืหมดอายุการใชง้าน เชน่

regulatory protein และ protein ท่ีเกี่ยวขอ้งกับการแบง่ตัวของเซลล์

ubiquitin จะจบักับ NH3+ group ของ lysine ของโปรตีน

ต้องการสลาย โดยอาศัย E1, E2 และ E3

จากนัน้ protease complex จะสลายโปรตีนและปล่อย ubiquitin ออกไปใชไ้ด้ใหม่

43

Ubiquitin-ATP dependent protein degradation

44

Lysosome degradationเป็นการสลายโปรตีนโดย protease ของ lysosome ท่ีเรยีกวา่

cathepsins ซึ่งแบง่ออกตามหน้าท่ีได้ดังน้ี

Exocytosis เป็นการสง่เอนไซมอ์อกไปสลายโปรตีนนอกเซลล์

Autophagic เป็นการสลาย organelle ภายในเซลล์

Phagocytosis เป็นการสลายโปรตีนท่ีเขา้มาในเซลล์

Autolysis of cell เป็นการสลายตัวเองของเซลล์

45

Lysosome degradation46

Posttranslational processing โปรตีนบางชนิดหลังจากสงัเคราะหเ์สรจ็แล้ว จะมกีารเปล่ียนแปลง

ภายในโมเลกลุของมนัก่อน จงึจะทำางานได้ตามปกติ

ขบวนการเปล่ียนแปลงนี้ ได้แก่ proteolytic cleavage : การเปล่ียน zymogen หรอื

prohormone ใหเ้ป็น active form covalent modification : γ-carboxylation, hydroxylation,

N-methylation, phosphorylation, acylation และ prenylation

47

Proteolytic cleavage การเปล่ียน zymogen เป็น enzyme ท่ีออกฤทธิไ์ด้

trypsinogen trypsin

factor XII factor XIIa การเปล่ียน prohormone เป็น hormone

proinsulin insulin

pro-opiomelanocortin ACTH + MSH + (POMC) β-endorphin

48

γ-carboxylation เกิดท่ี glutamate บางตัวของโปรตีนท่ีเกี่ยวขอ้งกับการแขง็ตัวของเลือด

ปฏิกิรยิานี้ต้องอาศัย vitamin K

49

Hydroxylation การเติม –OH ท่ี side chain ของกรดอะมโินบางตัว

ตัวอยา่งเชน่ hydroxylation ของ proline และ lysine ใน collagen โดยเอนไซม ์proline hydroxylase และ lysyl hydroxylase ได้เป็น hydroxyproline และ hydroxylysine ตามลำาดับ

ขบวนการนี้จำาเป็นต่อการเกิด H-bond ระหวา่งสาย collagen ปฏิกิรยิานี้ต้องอาศัย vitamin C

50

Phosphorylation การเติมหมู ่phosphate จาก ATP โดยใชเ้อนไซม ์protein

kinaseATP + protein phosphoprotein + ADP

ขบวนการนี้เป็นวธิท่ีีเซลล์ใชค้วบคมุ activity ของเอนไซมแ์ละโปรตีน

กรดอะมโินท่ีถกูเติมหมู ่phosphate ได้ คือ serine, threonine และ tyrosine

51

Glycosylation เป็นการเติมนำ้าตาลท่ี side chain ของกรดอะมโิน โดยเอนไซม ์

glucosyltransferase เกิดขึ้นใน ER และ Golgi body แบง่เป็น 2 ชนิด

N-linked glycosylation O-linked glycosylation

การเติมนำ้าตาลทำาใหโ้ปรตีนจบักับ receptor ท่ีจำาเพาะได้ ( cell recognition)

ทำาใหโ้ปรตีนม ีsolubility สงูขึ้น ป้องกันไมใ่หโ้ปรตีนถกูสลายได้ง่าย

52

Glycosylationเอนไซมท่ี์ใชใ้น lysosome จะม ีmannose-

6-phosphate จบัท่ีสว่นปลาย

ทำาใหเ้อนไซมจ์บักับ receptor และเขา้ lysosome ได้

ถ้าไมม่ ีmannose-6-phosphate

เอนไซมจ์ะถกูสง่ออกนอกเซลล์ lysosome จงึไมม่เีอนไซม ์

เกิดการคัง่ของสารใน lysosome (inclusion body) เรยีก I-cell disease (mucolipidosis II) ซึ่งเป็น lysosomal storage disease

ชนิดหนึ่ง

53

N-linked glycosylation เป็นการเติม dolichol phosphate บน amide group ของ

asparagine เกิดท่ี membrane ของ ER มผีลต่อการเกิด protein folding ถกูยบัยัง้ด้วย bacitracin และ tunicamycin

54

N-linked glycosylation

High mannose complex hybrid

55

H antigen A antigen B antigen

O-linked glycosylation เป็นการเติมนำ้าตาลเขา้กับ –OH group ของ serine หรอื

threonine เป็น post-translational process โดยเกิดขึ้นหลังจากท่ีโปรตีนไป

ถึง Golgi body ตัวอยา่งเชน่ ABO blood group antigen

56

Prenylation เป็นการเติม lipid

ใหแ้ก่โปรตีน ทำาให้โปรตีนสามารถจบักับ membrane ได้ โดยการเติม farnesyl group (C-15) หรอื geranylgeranyl group (C-20) บน cysteine ทางด้าน C-terminal ของ Ras protein

57

Collagen synthesis58

Collagen โปรตีนท่ีมปีรมิาณมากท่ีสดุในสตัวเ์ล้ียงลกูด้วยนม

โครงสรา้งหลักของเนื้อเยื่อเกี่ยวพนัหลายชนิด เชน่ ผิวหนัง ,กระดกู

ชนิดของ collagen Type I : 90% ของ collagen ในรา่งกาย Type II : พบมากในกระดกูอ่อน Type III : พบมากในหลอดเลือด Type IV : สว่นประกอบสำาคัญของ basement membrane

59

Collagen synthesis ยนี collagen ในมนุษย ์มมีากกวา่ 30 ยนี

การเรยีกชื่อยนี COL1A2 : ยนีท่ี code 2-chain ท่ีเป็นสว่นประกอบของ type I

collagen COL2A1 : ยนีท่ี code 1-chain ท่ีเป็นสว่นประกอบของ type II

collagen

การเรยีกชื่อสาย collagen 1(I) : 1-chain ท่ีเป็นสว่นประกอบของ type I collagen 1(III) : 1-chain ท่ีเป็นสว่นประกอบของ type III collagen

60

Collagen synthesis Collagen fibril ประกอบด้วย monomer คือ

tropocollagen หลายโมเลกลุท่ีเชื่อมกันโดยการเกิด cross-link

Tropocollagen แต่ละโมเลกลุประกอบด้วย -chain 3 สาย พนักันเป็น triple helix

ชนิดของ -chain ใน collagen type ต่างๆ Type I : 1(I)-chain 2 สาย และ 2(I)-chain 1 สาย Type II : 1(II)-chain 3 สาย (homotrimer) Type III : 1(III)-chain 3 สาย (homotrimer)

61

Biosynthesis of collagen Nuclear event

Transcription : ได้ primary transcript (hnRNA) RNA processing : ได้แก่การเกิด 5’ capping, 3’

polyadenylation และ splicing ได้เป็น mRNA

Translation เกิดบน membrand-bound ribosome ได้ prepro -chain ท่ีม ี

signal sequence อยูท่างด้าน N-terminus เพื่อใชใ้นการเกิด cotranslational translocation

62

Biosynthesis of collagen Posttranslational modification

Signal sequence จะถกูตัดออกจาก prepro -chain กลายเป็น pro -chain

Hydroxylation of prolyl and lysyl residues : เกิดเป็น hydroxy -proline (สำาคัญต่อ thermal stability) และ hydroxylysine (สำาคัญต่อ tissue tensile strength) ขัน้ตอนนี้ใช ้vitamin C (ascorbate) เป็น coenzyme

O-linked glycosylation : เป็นการเติม galactose หรอื glucose ใน hydroxy lysine

N-linked glycosylation : เป็นการเติม mannose-rich CHO ท่ี C-terminal ของ pro -chain

63

Collagen synthesis

hydroxylation

glycosylation

64

Collagen synthesis65

Biosynthesis of collagen Posttranslational modification

Procollagen triple helix formation : เกิดการรวมกันของ pro -chain และพนักันเป็นเกลียว ทิศทางการเกิดเริม่จาก C-terminus ไป N-terminus เรยีก triple helix molecule ท่ีได้น้ีวา่ procollagen

66

Telopeptide

Amino-terminal

propeptideCarboxyl-terminal

propeptide

Biosynthesis of collagen67

Procollagen = triple helical domain + nonhelical part

Nonhelical part = amino-terminal propeptide + telopeptide

+ carboxyl-terminal propeptide

Biosynthesis of collagen Posttranslational modification

Modification beyond RER : procollagen ถกูสง่ไปยงั Golgi body และสง่ออกจากเซลล์ในรูปของ secretory vesicle

Extracellular events amino-terminal propeptide และ carboxyl terminal

propeptide จะถกูตัดออกโดย procollagen N-protease และ procollagen C-protease ตามลำาดับ เรยีกโมเลกลุท่ีได้วา่ tropocollagen ซึ่งมคีวามสามารถในการละลายลดลง 100 เท่า

68

Biosynthesis of collagen Extracellular events

Tropocollagen จะจดัเรยีงตัวขนานกันและเหล่ือมกัน 1 ใน 4 ของความยาวของโมเลกลุ

เกิด cross-link เชื่อมระหวา่ง tropocollagen โดยเอนไซม ์lysyl oxidase

69

Mutation of collagen genes Dominant negative effect : การท่ีม ีtropocollagen ท่ีเกิดจาก

mutant collagen gene เขา้มารวมในโมเลกลุ collagen fibril ทำาให ้collagen fibril นัน้เกิดความผิดปกติไปด้วย

Procollagen suicide : abnormal pro -chain (จาก mutant allele) รวมกับ normal pro -chain เกิดเป็น product ท่ีถกูสลายไปทัง้หมดก่อนสง่ออกนอกเซลล์

70

Diseases due to abnormal collagen Osteogenesis imperfecta (brittle bone disease)

Bone fragility Mutation ของ type I collagen สว่นใหญ่มคีวามผิดปกติของ

gene COL1A1 หรอื COL1A2 Type I : mutation ท่ีขดัขวางการ splicing และการสรา้ง

proprocollagen mRNA ทำาใหร้า่งกายสงัเคราะห ์collagen ปกติลดลง

Type II, III และ IV : point mutation ของ glycine codon ซึ่งจะยบัยัง้การเกิด normal helix

71

Diseases due to abnormal collagen

72

Osteogenesis imperfecta

Diseases due to abnormal collagen Ehler-Danlos syndrome

Skin fragility, skin hyperextensibility และ joint hypermobility Type VI : ความผิดปกติของการเกิด hydroxylation ของ lysine Type VII : ความปกติในการตัด amino-terminal propeptide ออก Type IX : ความผิดปกติในการเกิด cross-linked

73

Diseases due to abnormal collagen Lathyrism

Skin fragility, skeletal deformities และ severe blood vessel weakness

สารพษิจากเมล็ดของ sweet pea มฤีทธิย์บัยัง้เอนไซม ์(lysyl oxidase) ท่ีควบคมุการเกิด cross-linked แบบ irreversible

Scurvy Vitamin C deficiency Hydroxylation เกิดได้ไมด่ี จงึมปีรมิาณ hydroxylysine และ

hydroxyproline ใน pro -chain ลดลง ทำาให ้collagen stability และ tensile strength น้อยลง

74

THE END

ANY QUESTIONS?75