การแปลรหัส (Translation)sc4.kku.ac.th/thanaset/document/chapter4.pdf · 2016-10-20 · เบสที่เป็นตัวก าหนดชนิดของกรดอะมิโนนี้

59 การแปลรหส

4. การแปลรหส (Translation)

การแปลรหส (Translation) เปนกระบวนการทเกดตอจากการถอดรหส (Transcription) โดยแปล

รหสขอมลพนธกรรมซงอยในรปของล าดบนวคลโอไทดบนสาย mRNA ไปเปนล าดบกรดอะมโน ใน

กระบวนการสงเคราะห โปรตน ซงโปรตนทสงเคราะหขนจากกระบวนการแปลรหสหรอกระบวนการ

สงเคราะหโปรตนน จดเปนผลตภณฑของยนทสามารถท าหนาทในเซลลได

4.1 การแปลรหส (Translation)

การแปลรหสเปนกระบวนการสงเคราะหโปรตน (Protein synthesis) โดยการน ากรดอะมโนมา

เชอมตอกนดวยพนธะเพปไทด (Peptide bond) ล าดบของกรดอะมโนจะถกก าหนดโดยล าดบเบสบน

สาย mRNA

การแปลรหสจะเรมตนจากปลาย 5 ไปยงปลาย 3 ของสาย mRNA โปรตนจะถกสงเคราะหขน

โดยเรมจากปลายอะมโน (N) ไปสนสดยงปลายคารบอกซล (C)

mRNA ของโพรแครโอต 1 สาย มกประกอบดวย Coding sequence ส าหรบแปลรหสเปน พอล

เพปไทดไดหลายชนด ซง mRNA แบบน เรยกวา “Polycistronic mRNA” สวน mRNA ของยแครโอตจะ

ประกอบดวย Coding sequence ส าหรบการแปลรหสเปน พอลเพปไทด ไดเพยงชนดเดยว mRNA แบบน

เรยกวา “Monocistronic mRNA” (รปท 4.1)

รปท 4.1 (ก) Polycistronic mRNA ของโพรแครโอต (ข) Monocistronic mRNA ของยแครโอต, coding = สวน

ทสามารถแปลรหสเปนโปรตน, UTR (Untranslated region) = สวนทไมสามารถแปลรหสเปนโปรตน

(ทมา: Davidson and Sittman, 1994, p. 179)

(ก)

(ข)

”


การสงเคราะหโปรตนของทงโพรแครโอตและยแครโอตจะเกดขนใน ไซโทพลาซม ดงนนในโปรคา

รโอตการสงเคราะหโปรตนสามารถเกดขนไดในขณะทการสงเคราะห mRNA ก าลงด าเนนอย เพราะ

เซลลโพรแครโอตไมมเยอหมนวเคลยส สวนการสงเคราะหโปรตนของย แครโอตจะเกดขนหลงจากท

mature mRNA ถกสงผานเยอหมนวเคลยสออกไปยงไซโทพลาซมกอนเทานน (รปท 4.2)

รปท 4.2 (ก) การสงเคราะหโปรตนของโพรแครโอต และ (ข) ยแครโอต เกดขนในไซโทพลาซม

(ทมา: Berg et al., 2012, p 896)

4.2 รหสพนธกรรม (Genetic Code)

ล าดบเบสบนสาย mRNA จะเปนตวก าหนดล าดบกรดอะมโนส าหรบสาย พอลเพปไทด ซงล าดบ

เบสทเปนตวก าหนดชนดของกรดอะมโนน เรยกวา “รหสพนธกรรม (genetic code)”โดยล าดบเบส 3

ตวทเรยงตดกนจะเปนตวก าหนดชนดของกรดอะมโน 1 ตว จงเรยกรหสพนธกรรมวา “รหสชดสาม

(Triplet code หรอ Codon)” และเนองจากวามเบสอยแค 4 ชนด (G, A, U และ C) บนสาย mRNA เมอ

น ามาจดกลมแบบเรยงทละ 3 เบสจะไดรหสชดสามทงหมดเปน 43 = 64 Codons ทมการเรยงล าดบ

เบสตางกน (ตารางท 4.1) ดงนนรหสพนธกรรมจงมไดทงหมด 64 Codons หรอ 64 รหส ซงในจ านวน

64 รหสน มเพยง 61 รหสเทานน ทเปนรหสของกรดอะมโนทง 20 ชนดเพราะอก 3 รหสทเหลอ คอ

UAA, UAG และ UGA จะเปน “รหสยต” (Termination codon หรอ Stop codon) ซงไมไดเปนรหสของ

กรดอะมโนชนดใดเลย แตท าหนาทเปนสญญาณส าหรบหยดการสงเคราะหโปรตน

(ข) (ก)


ตารางท 4.1 รหสพนธกรรมบนสาย mRNA

(ทมา: Mathews et al., 2013, p. 1179)

รหสทเปนสญญาณเรมตน (Initiation codon) ส าหรบการสงเคราะหสายพอลเพปไทด ทงในโพร

แครโอตและยแครโอต คอ “AUG” ซงเปนรหสของกรดอะมโน Methionine (Met) ดงนน ในยแครโอต

สายพอลเพปไทดทเพงถกสรางขนใหมจะมกรดอะมโน Met อยทปลายอะมโน เสมอ สวนในแบคทเรย

กรดอะมโนตวแรกจะเปน N-formylmethionine (fMet) ไมใช Met เหมอนในยแครโอต แตอยางไรกตาม

มบางกรณทรหส “GUG” ซงปกตเปนรหสของกรดอะมโน Valine รหส “UUG” ซงปกตเปนรหสของ

กรดอะมโน Leucine และ รหส “AUU” ซงปกตเปนรหสของกรดอะมโน Isoleucine สามารถท าหนาท

เปนรหสเรมตนได แทนรหส AUG โดยสามารถท าหนาทเปนรหสของ fMet ได ซงกรณเชนนพบไดนอย

และพบเฉพาะในโพรแครโอตเทานน


รหสพนธกรรม จดไดวาเปนรหสพนธกรรมสากล (Universal code) กลาวคอ รหสพนธกรรม

เดยวกนจะสอความหมายเปนกรดอะมโนชนดเดยวกนทงในโ พรแครโอตและยแครโอต แตตอมามการ

คนพบวารหสพนธกรรมบางตวใน ไมโทคอนเดรย สอความหมายตางจากรหสพนธกรรมสากล เชน

UGA ในรหสพนธกรรมสากล จดเปนรหสยต แตรหสนใน ไมโทคอนเดรย จะเปนรหสของกรดอะมโน

Tryptophan เปนตน (ตารางท 4.2)

ตารางท 4.2 การสอความหมายทแตกตางกนของรหสพนธกรรมในไมโทคอนเดรยกบรหสพนธกรรมสากล Codons*

UGA AUA AGA CUN CGG

AGG

Normal code assignment Stop Ile Arg Leu Arg

Animals

Vertebrates Trp Met Stop + +

Drosophila Trp Met Ser + +

Yeasts

Saccharomyces cerevisiae Trp Met + Thr +

Torulopsis glabrata Trp Met + Thr ?

Schizosaccharomyces pombe Trp + + + +

Filamentous fungi Trp + + + +

Trypanosomes Trp + + + +

Higher plants + + + + Trp

Chlamydomonas reinhardtii ? + + + ?

*N = ไรโบนวคลโอไทดใดๆ (G, A, U หรอ C); + = มการแปลรหสเปนกรดอะมโนเหมอนรหสพนธกรรมสากล ; ? = ไมพบ Codon นในดเอนเอของไมโทคอนเดรย (ทมา: Nelson and Cox, 2013, p. 1109)

ลกษณะทนาสนใจของรหสพนธกรรมอกประการ คอ กรดอะมโน 1 ชนดสามารถทจะถกก าหนด

ดวยรหสพนธกรรมไดมากกวา 1 รหส เชน กรดอะมโน Leucine ถกก าหนดดวยรหสพนธกรรม 6 รหส

กรดอะมโน Proline ถกก าหนดดวยรหสพนธกรรม 4 รหส และ กรดอะมโน Phenylalanine ถกก าหนด

ดวยรหสพนธกรรม 2 รหส เปนตน ปรากฏการณนเรยกวา “Degeneracy of the genetic code” และ

เปนทนาสนใจวา กรดอะมโนทมรหสมากกวา 1 รหสนน สวนใหญล าดบเบสของแตละรหส จะตางกน

ตรงเบสตวท 3 ดงนนเบส 2 ตวแรกของรหส จงเปนตวบงบอกความจ าเพาะวารหสพนธกรรมนเปนของ

กรดอะมโนชนดใด จากรหสพนธกรรมสากลพบวามกรดอะมโนเพยง 2 ชนดเทานน ทมรหสพนธกรรม

เพยง 1 รหส คอ Methionine (Met) และ Tryptophan (Trp)


การอานรหสบนสาย mRNA จะอานตอเนองกนไปเรอยๆ และ เรยงล าดบทละ 3 เบส โดยไมม

การเวนวรรค (Commaless) หากมการเลอนต าแหนงการอานล าดบเบสในรหสชดสามไป 1 หรอ 2 เบส

จะท าใหการอานรหสอนๆ ในสาย mRNA เลอนล าดบตามไปดวย ซงการอานรหสเคลอนไปจากล าดบ

เดมน เรยกวา การเกด “Frameshift” ท าใหไดสายพอลเพปไทด ทมล าดบกรดอะมโนตางไปจากเดม

โดยล าดบเบสบนสาย mRNA 1 สาย มความเปนไปไดทจะถกอานทละ 3 เบสไดแตกตางกน 3 แบบ (รป

ท 4.3)

รปท 4.3 ล าดบเบสบนสาย mRNA สามารถอานไดแตกตางกน 3 Reading Frames

(ทมา: Nelson and Cox, 2008, p. 1067)

4.3 การจบจ าเพาะระหวาง mRNA และ tRNA

ในการอานรหสพนธกรรม tRNA จะจบกบ Codon บน mRNA โดยอาศยการจบคกนของเบสดวย

พนธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) ซงเบส 3 ตวบน tRNA ทจบกบ Codon ของ mRNA จะเรยกวา

“Anticodon” (รปท 4.4) โดยเบสตวท 3 และ 2 (นบจากดาน 5) ของ Anticodon จะจบกบเบสตวท 1

และ 2 (นบจากดาน 53) ของ Codon ตามหลกการจบคของเบสแบบ Watson-Crick สวนการจบค

ของเบสตวท 1 ของ Anticodon กบเบสตวท 3 ของ Codon นนไมจ าเปนตองเปนไปตาม กฎการจบคแบบ

Watson-Crick เสมอไป

รปท 4.4 การจบคของเบสระหวาง Anticodon ของ tRNA กบ Codon ของ mRNA


3


การจบคของเบสตวท 1 ของ Anticodon กบเบสตวท 3 ของ Codon ไมเปนไปตามกฎการจบค

แบบ Watson-Crick (ตารางท 4.3) เชน เบสตวท 1 ของ Anticodon เปน G นอกจากจะจบคกบเบส C

ตามปกตแลวยงสามารถจบคกบเบส U ของ Codon ไดดวย ดงนนจงเรยกต าแหนงเบสตวแรกของ

Anticodon นวา “Wobble position” และทต าแหนงนของ tRNA บางชนดจะพบนวคลโอไทด Inosinate (I)

ซงมเบส Hypoxanthine เปนองคประกอบ และสามารถจบกบเบสของ Codon ได 3 ชนด คอ A U และ

C แตจบกนแบบหลวมๆ ดวยพนธะไฮโดรเจน

จากการรวบรวมขอมลตางๆ ทเกยวของกบ Wobble position ท าให Crick ตงสมมตฐานทเรยกวา

“Wobble hypothesis” ขนดงน

1. เบสตวท 1 และ 2 ของ Codon ใน mRNA จะจบคกบเบสตวท 3 และ 2 ของ Anticodon ของ

tRNA ตามกฎการจบคแบบ Watson-Crick

2. เบสตวท 1 ของ Anticodon (Wobble position) จะเปนตวก าหนดวา tRNA ตวนนสามารถอาน

รหสใน mRNA ไดมากกวา 1 รหสหรอไม ซงรหสเหลานนจะถกอานดวย tRNA ตวเดยวกนและแปลรหส

เปนกรดอะมโนชนดเดยวกน

3. ในการอานรหสบน mRNA ทมล าดบเบสต าแหนงท 1 หรอ 2 ของ Codon ตางกนแตเปนรหส

ส าหรบกรดอะมโนชนดเดยวกน ในการแปลรหสจะตองใช tRNA ตางชนดกนทเปนตวพากรดอะมโน

ชนดเดยวกน

4. ในการแปลรหสทง 61 รหส จะใช tRNA อยางนอย 32 ชนด ส าหรบเปนตวพา กรดอะมโน 20

ชนด

ตารางท 4.3 การจบคกนระหวางเบสท Wobble position

เบสต าแหนงท 1 ของ Anticodon

(Wobble position) เบสทต าแหนงท 3 ของ Codon

A U

C G

G C หรอ U

U A หรอ G

I* A, C หรอ U

*I ยอมากจากนวคลโอไทด Inosinate ซงมเบส Hypoxanthine เปนองคประกอบ



4.4 ไรโบโซม (Ribosome) เปนแหลงสงเคราะหโปรตน

ไรโบโซมประกอบดวย Ribosomal protein และ rRNA พบในไซโทพลาซมของทงโพรแครโอตและ

ยแครโอต โดย ในย แครโอตจะพบไรโบโซมทงทอยเปนอสระ และทเกาะตดอยกบ Endoplasmic

reticulum (ER) ซง ER ทมไรโบโซมเกาะตดอย เรยกวา “Rough Endoplasmic Reticulum (RER)” ไรโบ

โซมของโพรแครโอตมขนาด 70S ซงประกอบดวยหนวยยอย 50S และ 30S สวนไรโบโซมของย แคร

โอตมขนาด 80S ประกอบดวยหนวยยอย 60S และ 40S โดยแตละหนวยยอยประกอบดวยโปรตน และ

rRNA แตกตางกนไป (รปท 4.5)

ต าแหนงบนไรโบโซมของ E. coli ท tRNA สามารถจบได มอย 3 บรเวณ คอ ต าแหนง P (Peptidyl

site; P site) ต าแหนง A (Aminoacyl site; A site) และ ต าแหนง E (Exit site; E site) โดยต าแหนง P เปน

บรเวณทจบของ tRNA ซงมสาย peptide เกาะอย (Peptidyl tRNA) ต าแหนง A เปนบรเวณทจบของ

tRNA ซงมกรดอะมโนตวเดยวเกาะอย (Aminoacyl tRNA) สวนต าแหนง E เปนบรเวณท tRNA ซงไมม

กรดอะมโนเกาะอยแลว (Uncharged tRNA) หลดออกไปจากไรโบโซม

รปท 4.5 สวนประกอบของไรโบโซมของโ พรแครโอตและยแครโอต; S = Svedberg units เปนตวเลข

สมประสทธการตกตะกอนของสาร (Sedimentation coefficients) ทแสดงถงอตราเรวในการตกตะกอนของ

สารใดๆ อนเนองมาจากการปนเหวยง



(ข)

การสงเคราะหสายพอลเพปไทด จะเกดขนทไรโบโซม โดยใชไรโบโซม 1 โมเลกลตอการสรางสาย

พอลเพปไทด 1 สาย แตอยางไรกตามมกพบวา mRNA 1 สายจะมไรโบโซมเกาะอย 10-100 โมเลกล

เรยกกลมของไรโบโซมทเกาะอยบน mRNA นวา “Polysome” หรอ “Polyribosome” (รปท 4.6ข) โดยไร

โบโซมทอยใกลปลาย 5 ของ mRNA มากทสดจะมสายพอลเพปไทดสนทสดตดอย สวนไรโบโซมทอย

ใกลปลาย 3 ของ mRNA มากทสดจะมสายพอลเพปไทดยาวทสดตดอย (รปท 4.6ก) ทงนเพราะการ

อานรหสบนสาย mRNA เรมอานจากปลาย 5 ไปยงปลาย 3 นนเอง

รปท 4.6 (ก) การสงเคราะห Polypeptide ไรโบโซมเคลอนทจากดานปลาย 5 ของสาย mRNA ไปยงปลาย

3 (ข) แสดง “Polysome หรอ Polyribosome”

(ทมา: Nelson and Cox, 2000, p. 1052; Nelson and Cox, 2008, p. 1096)

(ก)


4.5 การเชอมตอกรดอะมโนกบ tRNA

ในกระบวนการสงเคราะหโปรตน นน tRNA จะเปนตวน ากรดอะมโนมายงไรโบโซม ดงนนตองม

การเชอมตอกรดอะมโนเขากบ tRNA กอนอยางจ าเพาะ ใหอยในรปของ “Aminoacyl-tRNA” โดยอาศย

การท างานของเอนไซม “Aminoacyl-tRNA synthetase” การเชอมตอกรดอะมโนแตละชนดเขากบ tRNA

จะใชเอนไซมทจ าเพาะตอกรดอะมโนแตละตวแตกตางกน ดงนนตองมเอนไซม Aminoacyl-tRNA

synthetase อยางนอย 20 ชนดในการน ากรดอะมโนแตละตวมาเชอมตอกบ tRNA ทจ าเพาะกน

ปฏกรยาการจบกนระหวางกรดอะมโนกบ tRNA ตองการ Mg2+ เปนโคแฟกเตอรและตองใช

พลงงานจาก ATP ซงปฏกรยานแบงเปน 2 ขนตอน คอ (1) ขนตอนแรกเปนการท าปฏกรยาระหวาง

กรดอะมโนกบ ATP เกดเปน Aminoacyl-AMP ซงยงคงจบอยท Active site ของเอนไซมและ (2) ขนตอน

ตอไปเปนการยายกรดอะมโนจาก Enzyme-(aminoacyl-AMP) complex ไปเชอมตดกบปลาย 3 ของ

tRNA โดยเกดพนธะระหวางหมคารบอกซล (-COOH) ของกรดอะมโนกบ 3-OH ของนวคลโอไทด A ท

ปลาย 3 ของ tRNA ไดเปน Aminoacyl-tRNA ปฏกรยาการเชอมตอนสามารถเกดขนได 2 แบบ จงท า

ใหสามารถแบงกลมเอนไซม Aminoacyl-tRNA synthetases ไดเปน 2 กลมใหญๆ (รปท 4.7) โดยกลม

แรก (Class I) จะมการน ากรดอะมโนเขาไปตอท 2-OH ของนวคลโอไทด A กอนแลวคอยยายกรดอะม

โนจากต าแหนง 2-OH มาทต าแหนง 3-OH โดยอาศยปฏกรยาทเรยกวา “Transesterification” สวน

กลมท 2 (Class II) จะน ากรดอะมโนเขาไปตอท 3-OH ของนวคลโอไทด A ไดโดยตรง

ปฏกรยาการเชอมตอกรดอะมโนเขากบ tRNA สรปไดดงน

ขนตอนท 1:

Amino acid + ATP + Enzyme Enzyme-(Aminoacyl-AMP) + PPi

ขนตอนท 2:

tRNA + Enzyme-(Aminoacyl-AMP) Aminoacyl-tRNA + AMP + Enzyme

ปฏกรยารวม คอ

Amino acid + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi

tRNA ทจ าเพาะกบกรดอะมโนตวใดจะมชอยอของกรดอะมโนตวนนเขยนก ากบอย เชน tRNAMet

คอ tRNA ทจ าเพาะกบ Methionine และ จะเรยก tRNAMet ทมกรดอะมโน Methionine เกาะตดอยวา

Methionyl-tRNA และเขยนสญลกษณเปน Met-tRNAMet


4.6 ขนตอนการสงเคราะหโปรตน

ขนตอนการสงเคราะหโปรตนทงในโ พรแครโอตและย แครโอตม อย 3 ขนตอนใหญๆ คอ (1)

ขนตอนเรมตน (Initiation step) (2) ขนตอนการเพมความยาวของสาย เพปไทด (Elongation step) และ

(3) ขนตอนยตการสงเคราะหโปรตน (Termination step)

รปท 4.7 ปฏกรยาการเชอมตอกรดอะมโนเขากบ tRNA

(ทมา: Nelson and Cox, 2008, p. 1082; Nelson and Cox, 2013, p. 1120)

5-Aminoacyl adenylate

(Aminoacyl-AMP)

Class II

Aminoacyl-tRNA

synthetases

Class I

Aminoacyl-tRNA

synthetases

Transesterification

หม α-carboxyl ของกรดอะมโน

เขา attack ท α–P ของ ATP เกด

เปน 5 Aminoacyl adenylate

หม aminoacyl ถกน าเขาเชอมตอโดย

ตรงท 3-OH ของนวคลโอไทด A ท

ปลาย 3 ของ tRNA

หม aminoacyl ถกน าเขาเชอมตอ

ท 2-OH ของนวคลโอไทด A ท

ปลาย 3 ของ tRNA

หม aminoacyl ถกยายไปเชอมตอท

3-OH ของนวคลโอไทด A ทปลาย

3 ของ tRNA เดยวกน

Aminoacyl-tRNA

Aminoacyl-AMP

Aminoacyl-AMP

3 end of tRNA


4.6.1 ขนตอนเรมตน (Initiation step)

ในโพรแครโอต กรดอะมโนตวแรกทปลาย N คอ N-formylmethionine (fMet) ซงสวนใหญจะ

ถกก าจดออกจากสาย เพปไทด ในขนตอนการดดแปลงโมเลกลหลงการแปลรหส (Post translational

modification) ใน E. coli จะม tRNA 2 ชนดทจ าเพาะกบกรดอะมโน Met คอ tRNAMet และ tRNAfMet ซง

กรดอะมโน Met สามารถจบกบ tRNA ทง 2 ชนดได แต Met ทจบอยกบ tRNAfMet จะเปลยนไปเปน

fMet ซงเกดขนหลงจากทกรดอะมโน Met เขาจบกบ tRNAfMet แลว โดย Met ในโมเลกลของ Met-

tRNAfMet จะถกเตมหมฟอรมล (Formyl group; -CHO) เขาทหมอะมโนของ Met โดยอาศยการท างาน

ของเอนไซม “Transformylase” ไดเปน fMet-tRNAfMet ซงสารทเปนตวใหหม Formyl คอ N10-formyl-

tetrahydrofolate ส าหรบ Met อสระและ Met ทจบกบ tRNAMet จะไมถกเตมหม formyl เพราะเอนไซม

Transformylase จะจ าเพาะกบ Met ทจบอยกบ tRNAfMet เทานน ดงนนกรดอะมโน Met ตวตอไปทจะ

เตมในสายพอลเพปไทดจะเปน Met ทจบอยกบ tRNAMet สวนในยแครโอตจะไมมเอนไซมในการเปลยน

Met ใหเปน fMet ดงนนกรดอะมโนตวแรกทปลาย N ของสายพอลเพปไทด ในยแครโอตจะเปน Met

เสมอ ไมใช fMet เหมอนในโพรแครโอต

ปจจยทจ าเปนในขนตอนเรมตนการสงเคราะหสายพอลเพปไทดของ E. coli ไดแก

(1) ไรโบโซมหนวยยอย 30S ซงม 16S rRNA เปนองคประกอบ

(2) mRNA

(3) fMet-tRNAfMet

(4) ปจจยเรมตน (Initiation factors: IF-1, IF-2 และ IF-3)

(5) GTP

(6) ไรโบโซมหนวยยอย 50S

(7) Mg2+

4.6.1.1 ขนตอนเรมตน ขนท 1

หนวยยอย 30S ของไรโบโซมจะจบกบ ปจจยเรมตน IF1 และ IF3 ซงปจจยเรมตน IF1 จะ

ปองกนไมให tRNA จบทต าแหนง A site ของไรโบโซมได สวนปจจยเรมตน IF3 จะปองกนไมใหหนวย

ยอย 30S จบกบหนวยยอย 50S ท าให mRNA สามารถจบกบหนวยยอย 30S ได โดยในการจบกบ

หนวยยอย 30S ของไรโบโซม mRNA จะจดวางใหต าแหนงของ Codon เรมตน (AUG) อยตรงต าแหนง P

site ของไรโบโซมพอด (รปท 4.8) และสวนของ mRNA ทจบกบหนวยยอย 30S ของไรโบโซม คอ

บรเวณทเรยกวา “ล าดบนวคลโอไทด Shine-Dalgarno” หรอ “Shine-Dalgarno Sequence” อย

ทางดานปลาย 5 ของสาย mRNA (รปท 4.9) ซงจะจบกบล าดบเบสดานปลาย 3 ของ 16S rRNA ใน

หนวยยอย 30S ของไรโบโซม ดงนน Shine-Dalgarno Sequence ของ mRNA จงท าหนาทเปน


ตวก าหนดหรอ ชน าใหรหสเรมตน AUG อยตรงต าแหนงท เหมาะสม บนไรโบโซม เพอเรมตนการ

สงเคราะหโปรตนตอไป

รปท 4.8 ขนตอนเรมตน (Initiation step) ส าหรบการสงเคราะหสายพอลเพปไทดใน E. coli



รปท 4.9 การจบจ าเพาะระหวาง 16S rRNA กบ Shine-Dalgarno Sequence ของ mRNA

(ทมา: http://classconnection.s3.amazonaws.com/63671/flashcards/780984/jpg/shine-dalgarno.jpg)


ในขนน ปจจยเรมตน IF-2 ซงจบอยกบ GTP จะเปนตวน า fMet-tRNAfMet เขามาจบกบสาย

mRNA ทต าแหนง P site ของไรโบโซม (หนวยยอย 30S) โดย Anticodon ของ fMet-tRNAfMet จะจบคกบ

codon เรมตน (AUG) ของ mRNA เกดเปนโมเลกลเชงซอนขน เรยกวา “30S Initiation Complex”


ในขนนหนวยยอย 50S ของไรโบโซมจะเขารวมกบ 30S initiation complex โดยปฏกรยาใน

ขนตอนนจะใชพลงงานทไดจากการสลาย GTP ซงจบอยกบปจจยเรมตน IF-2 จากนนปจจยเรมตนทง

3 ชนดจะหลดออก ไปจากไรโบโซม ส าหรบ โมเลกลเชงซอนทเกดขนใหมในขนตอนนเรยกวา “70S

Initiation Complex” ซงประกอบดวยไรโบโซมขนาด 70S จบอยกบ mRNA และม fMet-tRNAfMet จบกบ

mRNA ตรงต าแหนง P site ของไรโบโซม สวนต าแหนง A site จะวางเพอให tRNA ตวใหมทมกรดอะม

โนเกาะอย เขามาจบกบ Codon ท 2 ของ mRNA ตอไป

ส าหรบยแครโอต ในขนตอนเรมตนการสงเคราะหโปรตน จะตองการปจจยเรมตนอยางนอย

9 ตว และจะใชสญลกษณ eIF (Eukaryotic Initiation Factor) แทนปจจยเรมตนเหลาน (ตารางท 4.4)


ตารางท 4.4 เปรยบเทยบปจจยเรมตน (Initiation factors) ส าหรบการสงเคราะหโปรตนในแบคทเรยและในยแครโอต

ปจจยเรมตน หนาท

แบคทเรย

IF-1 ปองกนไมให tRNA จบทต าแหนง A site ของไรโบโซม

IF-2 ชวยในการจบของ fMet-tRNAfMet กบสาย mRNA ทต าแหนง P site ของไรโบโซม

IF-3 ปองกนไมใหหนวยยอย 50S เขามาจบกบหนวยยอย 30S โดยจบกบหนวยยอย 30S แทน

และสงเสรมให fMet-tRNAfMet จบทต าแหนง P site ไดอยางจ าเพาะ

ยแครโอต

eIF2 ชวยในการจบของ Met-tRNAfMet กบหนวยยอย 40S ของไรโบโซม

eIF2B, eIF3 เปน 2 ปจจยแรกทจบกบหนวยยอย 40S เพอชวยสงเสรมขนตอนถดไป

eIF4A มคณสมบตของเอนไซม RNA helicase ซงชวยในการก าจดโครงสรางทตยภม (Secondary

structure) ของ mRNA ท าให mRNA สามารถจบกบหนวยยอย 40S ของไรโบโซมได และเปน

สวนหนงของโมเลกลเชงซอน eIF4F (eIF4F complex)

eIF4B จบกบ mRNA และชวยในการหา AUG รหสแรกสดบนสาย mRNA

eIF4E จบกบ 5cap ของ mRNA; เปนสวนหนงของโมเลกลเชงซอน eIF4F

eIF4G จบกบ eIF4E และ poly(A) binding protein (PAB); เปนสวนหนงของโมเลกลเชงซอน eIF4F

eIF5 สงเสรมใหปจจยเรมตนหลายตวแยกออกจากหนวยยอย 40S เพอเตรยมใหหนวยยอย 60S

สามารถเขามาจบกบหนวยยอย 40S ได เพอเกดเปน 80S Initiation Complex

eIF6 ชวยใหไรโบโซมขนาด 80S ทท าหนาทสงเคราะหพอลเพปไทดเสรจแลว แยกตวออกเปน

หนวยยอย 40S และ 60S

*อกษร “e” ทอยขางหนาเปนตวบงชวาปจจยเรมตนนเปนของเซลลยแครโอต


4.6.2 ขนตอนการเพมความยาวของสายเพปไทด (Elongation step)

ปจจยทจ าเปนในขนตอนการเพมความยาวของสายเพปไทด ใน E. coli ไดแก (1) 70S Initiation

Complex (2) Aminoacyl-tRNA ตวถดไป ซงก าหนดโดย Codon ใน mRNA (3) ปจจยเพมความยาวสาย

เพปไทด (Elongation factor: EF-Tu EF-Ts และ EF-G) และ (4) GTP

ในการเพมกรดอะมโน 1 ตวเขาไปในสายเพปไทด จะม 3 ขนตอนดงน

4.6.2.1 ขนตอนเพมความยาวสายเพปไทด ขนท 1

Aminoacyl-tRNA ตวถดไปจะเขาจบกบ mRNA ทต าแหนง A site ของ ไรโบโซม ขนตอนน

อาศยการท างานของปจจยเพมความยาวสายเพปไทด 2 ตว คอ EF-Tu (Tu) และ EF-Ts (Ts) และใช

พลงงานจาก GTP (รปท 4.10) โดยโมเลกลเชงซอน Tu-GTP complex จะเขารวมกบ Aminoacyl-tRNA


ท าให Aminoacyl-tRNA เขาจบตรงต าแหนง A site ได ขณะเดยวกนกมการสลาย GTP และท าให Tu-

GDP complex หลดออกจากไรโบโซม

เซลลสามารถน า Tu กลบมาใชใหม โดย Ts จะเขารวมกบ Tu-GDP complex เกดเปน

โมเลกลเชงซอน Tu-Ts complex และท าให GDP หลดออกไป จากนน GTP โมเลกลใหมจะเขาจบกบ

Tu-Ts complex ท าให Ts หลดออกไป และได Tu-GTP complex ซงสามารถท าหนาทพา Aminoacyl-

tRNA ตวใหมมายงต าแหนง A site ไดตอไป

รปท 4.10 ขนตอนเพมความยาวสายเพปไทด (Elongation step) ขนท 1


fMet

AA2

AA2

AA2 fMet



ขนตอนนเปนการสรางพนธะเพปไทด (Peptide bond) ระหวางกรดอะมโนตวแรกกบตวท 2

ทจบอยทปลาย 3 ของ tRNA ทต าแหนง P site และ A site โดยการยาย fMet จาก fMet-tRNAfMet ท

ต าแหนง P site ไปตอกบกรดอะมโนตวท 2 ซงจบอยกบ tRNA ทต าแหนง A site แลวเกดพนธะเพปไทด

ระหวางหมคารบอกซล (-COOH) ของ fMet กบหมอะมโน (-NH2) ของกรดอะมโนตวทสอง (รปท

4.11) เอนไซมทเรงปฏกรยาการสรางพนธะเพปไทด เรยกวา “Peptidyl transferase” ซงเดมเชอวาเปน

โปรตนในหนวยยอย 50S ของไรโบโซม แตตอมา Harry Noller และคณะ (ค.ศ. 1992) พบวาโมเลกลท

ท าหนาทเรงปฏกรยาการสรางพนธะเพปไทด จรงๆ แลวคอ “23S rRNA” ในหนวยยอย 50S ของไรโบ

โซมนนเอง ซง 23S rRNA จดเปนไรโบไซม (Ribozyme) ชนดหนง ดงนนโมเลกล ทท าหนาทเรงปฏกรยา

การสรางพนธะเพปไทดไมไดเปนโปรตนอยางทเคยเขาใจ

รปท 4.11 ขนตอนเพมความยาวสายเพป

ไทด (Elongation step) ขนท 2




ขนตอนนเรยกวา “Translocation” ไรโบโซมจะเคลอนทไปทางดานปลาย 3 ของสาย

mRNA เปนระยะทาง 1 Codon มผลให Dipeptidyl-tRNA ซงจบอย Codon ท 2 ของ mRNA เปลยน

ต าแหนงจาก A site ไปเปนต าแหนง P site ของไรโบโซม และ tRNAfMet อสระ (Uncharged tRNAfMet

หรอ Deacylated tRNAfMet) ซงจบท Codon AUG ของ mRNA จะหลดออกจากไรโบโซมทต าแหนง E site

สวนต าแหนง A site ของไรโบโซมกจะวาง ลง เพอพรอมทจะรบ Aminoacyl-tRNA ตวถดไปนนเอง

ส าหรบ E. coli ในขนตอนนตองอาศยการท างานของ EF-G (G) ซงเรยกอกชอหนงวา เอนไซม

“Translocase” และอาศยพลงงานจากการสลาย GTP (รปท 4.12) พนธะเพปไทดทเกดขนใหมจะเกดขน

ระหวางหม -COOH ทปลาย C (Carboxyl-terminal) ของสายเพปไทดกบหม -NH2 ของกรดอะมโนตว

ใหมทเขามา โดยจะเหนวา สายพอลเพปไทดจะถกสรางจากดานปลาย N (Amino-terminal) ไปยงปลาย

C (Carboxyl-terminal)

รปท 4.12 ขนตอนเพมความยาวสายเพปไทด (Elongation step) ขนท 3



ขนตอนการสรางสายเพปไทดใหยาวออกซงประกอบดวย 3 ขนตอนยอยดงกลาว จะ

เกดขนซ าๆ ไปเรอยๆ ตามการเคลอนตวของไรโบโซมไปบนสาย mRNA ทละ 1 Codon จนกวาไรโบโซม

จะเคลอนตวไปถงรหสยต (stop codon) บนสาย mRNA

4.6.3 ขนตอนยตการสงเคราะหโปรตน (Termination step)

ปจจยทจ าเปนในขนตอนน คอ

(1) รหสยตตวใดตวหนง (UAA, UAG หรอ UGA) บนสาย mRNA

(2) ปจจยยต (Termination factor หรอ Release factor) ส าหรบโพรแครโอตม 3 ชนด คอ RF-

1 RF-2 และ RF-3 แตในยแครโอตมเพยง 1 ชนด คอ eRF

(3) GTP

เมอต าแหนง A site ของไรโบโซมเคลอนมาถงรหสยตบนสาย mRNA ปจจยยต RF-1 จะจบ

กบ Codon UAA หรอ UAG ปจจยยต RF2 จะจบกบ codon UAA หรอ UGA สวนปจจยยต RF-3 ไมจบ

กบ codon ใดแตจะรวมกบ GTP เพอชวยการท างานของ ปจจยยต RF-1 และ RF-2 ส าหรบปจจยยต

eRF ของยคารโอตสามารถจบ กบ mRNA ทรหสยต ไดทง 3 codon การจบของปจจยยต (Release

Factor; RF) ทรหสยตจะท าใหเอนไซม “Peptidyltransferase” ยายสายพอลเพปไทด จาก tRNA ท

ต าแหนง P site ของไรโบโซมไปจบกบโมเลกลของน าในเซลลแทนการยายไปเพอสรางพนธะเพปไทดกบ

กรดอะมโนตวใหมทต าแหนง A site เนองจากไมม tRNA น ากรดอะมโนตวใหมเขามาทต าแหนง A site

นนเอง ท าใหสาย พอลเพปไทด หลดออกจาก tRNA และเปนอสระจากไรโบโซม (รปท 4.13) ใน

ขณะเดยวกน ปจจยยต tRNA และ mRNA กจะหลดออกจากไรโบโซมเชนกน จากนนหนวยยอยของไร

โบโซมกจะแยกตวออกจากกน ซงองคประกอบเหลานจะถกน ากลบไปใชในการสงเคราะห พอลเพปไทด

ใหมไดอก

กระบวนการสงเคราะหโปรตนเปนกระบวนการทตองการพลงงานมาก เพราะในการเตม

กรดอะมโน 1 ตวเขาไปในสายเพปไทดตองใชพลงงานดงน คอ

(1) พลงงานจาก ATP 1 โมเลกล ในขนตอนการเชอมตอกรดอะมโนกบ tRNA

(2) พลงงานจาก GTP 1 โมเลกลในขนตอนการจบของ Aminoacyl-tRNA ทต าแหนง A site

(3) พลงงานจาก GTP 1 โมเลกลในขนตอนการเคลอนตวของไรโบโซมไปบนสาย mRNA


รปท 4.13 ขนตอนยตการสงเคราะหโปรตน (Termination step)


4.7 การดดแปลงโมเลกลของโปรตนภายหลงการแปลรหส (Posttranslational

modification)

สาย Polypeptide ทสงเคราะหจากกระบวนการแปลรหสสวนใหญจะตองผานกรรมวธการ

ดดแปลงโมเลกลเพอใหไดโปรตนทสามารถท าหนาทไดอยางสมบรณ การดดแปลงโมเลกลของโปรตน

เปนลกษณะเฉพาะตวส าหรบโปรตนแตละชนดซงถาเกดความผดปกตขนในขนตอนนโปรตนทไดอาจ

ท างานไดไมเตมทหรอท างานไมไดเลย


4.7.1 การตดบางสวนของโมเลกลออก

ในโพรแครโอต กรดอะมโน fMet มกจะถกตดออกไป ในระหวางทกระบวนการสงเคราะห

โปรตนด าเนนไปไดระยะหนง ในบางกรณ กรดอะมโน 2-3 หนวยทางดานปลาย N (Amino terminal)

หรอปลาย C (Carboxyl terminal) จะถกตดทงไปหลงจากสาย Polypeptide ถกสรางเสรจ โปรตนสวน

ใหญหลงจากสรางเสรจมกจะถกตดบางสวนออกไปกอนจงจะท าหนาทได เชน ฮอรโมน อนซลน

(Insulin) จะถกสรางมาในรปของ Preproinsulin กอนแลวจงมการตดบางสวนของโมเลกลออกไปเพอให

ไดเปนโมเลกลของ Insulin ทสามารถท าหนาทได เปนตน

4.7.2 การเตมโมเลกลของหมคารโบไฮเดรต (Glycosylation)

โปรตนทถกเตมโมเลกลของ หมคารโบไฮเดรตเรยกวา ไกลโคโปรตน (Glycoprotein) กรดอะม

โนในโปรตนทเปนตวเชอมตอกบ หมคารโบไฮเดรต ไดแก Asparagine (Asn), Serine (Ser) และ

Threonine (Thr) โดยเรยกหมคารโบไฮเดรตทเกาะอยกบ Asn วา “N-linked oligosaccharide” และเรยก

หมคารโบไฮเดรตทเกาะอยกบ Ser หรอ Thr วา “O-linked oligosaccharide” กลมเอนไซมทท าหนาทใน

การเตมหมคารโบไฮเดรต คอ “Glycosyltransferase” ซงพบใน Endoplasmic reticulum (ER) เพราะเปน

Organelle ทมการเตมหมคารโบไฮเดรตใหกบโมเลกลของโปรตน ตวอยางของ ไกลโคโปรตน ไดแก

โปรตนทเปนองคประกอบของเยอหมเซลลซงมกจะมหมคารโบไฮเดรตเกาะอยกบโปรตนดานทโผลออก

นอกเซลล นอกจากนโปรตนหลายชนดทท าหนาทนอกเซลล (Extracellular proteins) มกจะเปนไกลโค

โปรตน

4.7.3 การเกดพนธะไดซลไฟด (Disulfide bond formation)

โปรตนทมกรดอะมโน Cysteine อยหลายหนวยในสายพอลเพปไทด มกจะมการสรางพนธะได

ซลไฟด (Disulfide bond) เกดขนระหวางหมซลฟไฮดรล (Sulfhydryl group;-SH) ของกรดอะมโน

Cysteine เชน การเกดพนธะไดซลไฟดในโมเลกลของฮอรโมน Insulin เปนตน

4.7.4 การตดหมพรอสเทตก (Attachment of prosthetic group)

โปรตนบางชนดตองการหมพรอสเทตก ซงเปนสารประกอบบางชนดทไมใชโปรตนเปน

องคประกอบจงจะสามารถท าหนาทได เชน ฮโมโกลบน (Hemoglobin) และ ไซโทโครม (Cytochrome)

ตองการฮม (Heme) เปน Prosthetic group สวนเอนไซม Acetyl-CoA carboxylase ตองการไบโอตน

(Biotin) เปน Prosthetic group เปนตน


4.7.5 การเตมหมคารบอกซล (Carboxylation)

โปรตนบางชนด ตองมการเตมหมคารบอกซลจงจะท าหนาทได เชน โปรทรอมบน

(Prothrombin) จะท าหนาทไดกตอเมอมการเตมหมคารบอกซลทต าแหนงแกมมา () ของกรด กลตามก

(Glutamic acid) จงจะท าใหโปรตนนสามารถท าหนาทจบกบแคลเซยมอออน (Ca2+) ได

4.7.6 การเตมหมฟอสเฟต (Phosphorylation)

การเตมหมฟอสเฟตใหกบโปรตนโดยอาศยการท างานของเอนไซม Protein kinase เปน

กระบวนการหนงทเซลลใชในการควบคมหรอก าหนดการท างานของโปรตนบางชนด โดยกรดอะมโนใน

สายพอลเพปไทด ทมกจะถกเตมหมฟอสเฟต ไดแก กรดอะมโน Serine กรดอะมโน Threonine และ

กรดอะมโน Tyrosine

4.7.7 การเตมหมเมทล (Methylation)

โปรตนบางชนดเชน Cytochrome C จะมการเตมหมเมทล 1-2 หมทต าแหนงกรดอะมโน

Lysine และ กรดอะมโน Glutamic acid จงจะท าหนาทไดอยางเหมาะสม เปนตน

4.7.8 การเตมหมไฮดรอกซล (Hydroxylation)

กรดอะมโน Proline และ กรดอะมโน Lysine หลายหนวยในสายพอลเพปไทดของคอลลาเจน

(Collagen) จะถกเตมหมไฮดรอกซล (-OH) ใหกลายเปน Hydroxyproline และ Hydroxylysine เพอให

โปรตนท าหนาทไดอยางเหมาะสม

4.8 การยบยงการสงเคราะหโปรตน

กระบวนการแปลรหส หรอ กระบวนการสงเคราะหโปรตน สามารถถกยบยงไดดวยยาปฏชวนะ

(Antibiotics) หลายชนด ไดแก

1) Puromycin เปนสารประกอบทไดจากเชอรา Streptomyces alboniger สามารถเขาจบ ท

ต าแหนง A site ของไรโบโซม และเกดพนธะเพปไทดกบสายพอลเพปไทดทก าลงสราง ไดเปน Peptidyl

puromycin ซงการสงเคราะหสายพอลเพปไทดจะสนสดลง และ Peptidyl puromycin จะหลดออกจาก

ไรโบโซม ท าใหไดสายพอลเพปไทดทไมสมบรณ

2) Streptomycin เปนสารประกอบทสามารถขดขวางการเขาจบของ fMet-tRNAfMet กบไรโบโซม


3) Chloramphenicol เปนสารประกอบทสามารถยบยงการท างานของเอนไซม Peptidyl-

transferase ซงมผลตอการสงเคราะหโปรตนเฉพาะในโพรแครโอตและในไมโทคอนเดรยของยแครโอต

เทานน

4) Erythromycin เปนสารประกอบทสามารถจบกบหนวยยอย 50S ของไรโบโซมในขณะทก าลงม

การสงเคราะหโปรตนท าใหไรโบโซมไมสามารถเคลอนตวไปบนสาย mRNA ได

5) Tetracycline เปนสารประกอบทสามารถจบกบหนวยยอย 30S ของไรโบโซม ซงจะปองกน

ไมให aminoacyl-tRNA เขาจบทต าแหนง A site ของไรโบโซมได สารนมผลตอการสงเคราะหโปรตน

เฉพาะในโพรแครโอตเทานน

6) Cycloheximide เปนสารประกอบทสามารถยบยงการท างานของเอนไซม Peptidyltransferase

ในหนวยยอย 60S ของไรโบโซมได ดงนนจะมผลตอการสงเคราะหโปรตนเฉพาะในยแครโอตเทานน

นอกจากสาร ประกอบ ทเปนยาปฏชวนะ 6 ชนด ทกลาวขางตนแลว ยงมสารชวพษ (Toxin)

บางอยาง ทออกฤทธยบยงกระบวนการสงเคราะหโปรตนในย แครโอต เชน Diptheria toxin เปนสารชว

พษของเชอโรคคอตบซงเปนโปรตนทท าให eEF-2 ไมสามารถท างานได

4.9 สรป

การแปลรหสเปนกระบวนการสงเคราะหโปรตนซงเปนผลตภณฑของยน ( Gene product) ท

สามารถท าหนาทไดในเซลล การสงเคราะหโปรตนจะเกดขนบนไรโบโซมซงเปนโมเลกลทประกอบดวย

โปรตนและ rRNA เปนองคประกอบ โดยในโพรแครโอตเปนขนาด 70S ในขณะทในยแครโอตเปนขนาด

80S ในกระบวนการสงเคราะหโปรตน tRNA จะจบกบกรดอะมโนทางดานปลาย 3’ ซงจะมล าดบนวคล

โอไทดเปน CCA (3’) เสมอ และ Anticodon ของ tRNA มบทบาทตอการจบอยางจ าเพาะของ

Aminoacyl-tRNA กบ Codon บนสาย mRNA การสงเคราะหโปรตนเรมจาก N-terminal amino acid

และมการเตมกรดอะมโนตวใหมเขาดานปลาย Carboxyl terminal อยางตอเนอง กระบวนการ

สงเคราะหโปรตนเกดขน 5 ขนตอนดงตอไปน (1) มการเตรยมกรดอะมโนใหเกาะอยกบ tRNA อยาง

จ าเพาะดวยเอนไซม Aminoacyl-tRNA synthetases ในไซโทพลาซม ความแมนย าในการสงเคราะห

โปรตนจะขนอยกบความแมนย าของปฏกรยาในขนตอนน (2) ขนตอนเรมตนการสงเคราะหโปรตน โดย

ในแบคทเรย aminoacyl-tRNA ตวแรกทน ากรดอะมโนจะเปน N-formylmethionyl-tRNAfMet เสมอ โดย

ขนตอนนในแบคทเรยจะมการสรางโมเลกลเชงซอนทประกอบดวย ไรโบโซมหนวยยอย 30S, mRNA,

GTP, fMet-tRNAfMet, ปจจยเรมตนทง 3 ชนด และ ไรโบโซมหนวยยอย 50S โดยในขนตอนนมการ

สลาย GTP ได GDP และ Pi (3) ขนตอนเพมความยาวสายเพปไทด ในการน า aminoacyl-tRNA ตว

ถดไปมายงต าแหนง A site บนไรโบโซม ตองการ GTP และ Elongation factors และขนตอนนมการยาย

กรดอะมโนจากโมเลกล tRNA ทจบกบ Codon กอนหนาไปตอกบหมอะมโนของกรดอะมโนทเขามาใหม


ดวยการเรงปฏกรยาโดยไรโบไซม Peptidyl transferase และมการเคลอนทของไรโบโซมไปบน mRNA

อก 1 Codon ซงอาศยพลงงานจากการสลาย GTP สวน tRNA ทไมมกรดอะมโนเกาะอย ( Deacylated

tRNA) จะหลดออกจากไรโบโซมทต าแหนง E site (4) ขนตอนยตการสงเคราะหโปรตน การยตการสราง

สายพอลเพปไทดจะอาศยปจจยยต ( Release Factor) เปนตวชวย ในการสรางพนธะเพปไทด 1 พนธะ

จะตองใชพลงงานไปในรปของ ATP และ GTP อยางนอย 4 โมเลกล (5) ขนตอนการจดเรยงโมเลกลสาย

พอลเพปไทด เชน การมวนพบ ( Folding) ใหโมเลกลอยในรปโครงสราง 3 มต และมการดดแปลง

โมเลกลหลงการแปลรหสเพอใหโมเลกลของโปรตนสามารถท าหนาทไดอยางเหมาะสมตอไป ทงน

สามารถยบยงการสงเคราะหโปรตนดวยยาปฏชวนะและสารพษบางชนด

Documents

การแปลรหัส (Translation)sc4.kku.ac.th/thanaset/document/chapter4.pdf · 2016-10-20 · เบสที่เป็นตัวก าหนดชนิดของกรดอะมิโนนี้