آليات تركيب البروتين

عند محاولة فهم آليات تركيب البروتين من الأفضل أن نلقي نظرة عامة، على عملية تخليق البروتين في أحد الكائنات البسيطة مثل فطر الخميرة Saccharomyces cerevisiae، يتم الحفاظ على آلية تخليق البروتين بشكل جيد في الخميرة وحقيقيات النوى الأخرى، وقد قدمت الدراسات الوراثية الجزيئية في الخميرة الناشئة رؤى نقدية في العملية الأساسية للترجمة وكذلك للتنظيم.

آلية تخليق البروتين

تركز الدراسات على مراحل بدءا آلية تخليق البروتين واستطالته، مع وصف لمرحلة بدء الترجمة، وعوامل الاستطالة التي تساعد الريبوسوم في ربط الحمض النووي الرسول messenger RNA (mRNA)، واختيار كودون codon البدء، وتكوين بولي ببتيد polypeptide.

كما تركز أيضًا على آليات التحكم في الترجمة التي تسلط الضوء على بروتينات ربط غطاء mRNA mRNA cap-binding) (proteins وتنظيم GCN4 وCPA1 الخاص بالحمض النووي RNA الرسول mRNAs، ويعتبر الكود GCN4 هو الكلمة المفتاحية لبدء عملية الترجمة والاستطالة.

آلية ترجمة البروتين

الآلية الأساسية لترجمة كود النوكليوتيدات nucleotide، من mRNA إلى تسلسل حمض أميني لبناء البروتين، تتم بواسطة الريبوسوم ribosome، ويمكن تقسيم آلية تخليق البروتين إلى أربع خطوات رئيسية:

1. بدء الترجمة translation initiation.
2. الاستطالة translation elongation.
3. الإنهاء.
4. إعادة تدوير الريبوسوم.

مرحلة بدء ترجمة البروتين

هي عملية تحدث في الريبوسوم حيث يوجه حمض mRNA الرسول (mRNA)، تجميع سلسلة من الأحماض، الأمينية لصنع بروتين، وأثناء بدء الترجمة، ترتبط الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة (40S)، بالالميثيونيل (Met) تحديدا، وينقل بواسطة الحمض النووي الناقل tRNA (Met)-transfer RNA)).

تكتمل خطوة البدء عندما تختار الوحدة الفرعية الصغيرة small) ((40S) ribosomal subunit كودون البداية، وتنضم إلى الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة (large (60S) ribosomal (subunit لتشكيل الريبوسوم الوظيفي.

مرحلة الاستطالة

تتم مرحلة الاستطالة في آلية تخليق البروتين عن طريق إضافة الأحماض الأمينية المعتمدة على الكودون، حتى تتكون سلسلة البولي ببتيد المتنامية.

مرحلة الانتهاء من تخليق البروتين

وأخيرًا، عندما يتم الوصول إلى كودون توقف (UAA أو UAG أو UGA) على mRNA، ينهي الريبوسوم من الترجمة، وتتضمن خطوات الإنهاء إطلاق سلسلة البولي ببتيد أو عديدة الببتيدات المكتملة من الريبوسوم.

مرحلة إعادة تدوير الريبوسوم

تتم إعادة تدوير الريبوسوم، عند انفصال الريبوسوم عن الحمض النووي الناقل tRNA والحمض النووي الرسول mRNA.

خطوات بدء ترجمة البروتين

الخطوة الأكثر تعقيدًا في آلية تخليق البروتين هي بدء الترجمة، فبالإضافة إلى الوحدات الفرعية الريبوسومية الصغرى 40S والكبرى 60S، يلزم وجود Met-tRNAiMet، مع 11 عامل من عوامل بدء الترجمة، التي تتكون من 24 جينيًا مستقلاً لبدء الترجمة على mRNA.

تعمل عوامل بدء الترجمة بطريقة مرتبة لتجميع مركب الريبوسوم الوظيفي 80S الذي يصنع البروتينات، وتتم بالترتيب التالي

1. يربط العامل eIF2 بين GTP وMet-tRNAiMet لتشكيل مركب ثلاثي (TC).
2. ترتبط تحت وحدة الريبوسوم الصغرى 40S مع العوامل eIF1 وeIF1A وeIF3، وربما eIF5 لتشكيل مركب ما قبل البدء 43S preinitiation complex (PIC))).
3. بعد الربط بالقرب من نهاية 5′ من الحمض النووي الريبوسومي mRNA، تقوم وحدة الريبوسوم الوظيفي بمسح mRNA بحثًا عن كود بدء تشغيل AUG.

4. يرافق اختيار موقع بدء الترجمة استكمال التحلل المائي لـ GTP، بواسطة eIF2 وإطلاق العديد من عوامل البدء.

5. يعزز العامل eIF5B، ربط الوحدة الفرعية 60S لتشكيل المركب الريبوسومي الوظيفي 80S.

6. يؤدي التحلل المائي GTP اللاحق بواسطة eIF5B، إلى إطلاقه من المركب الريبوسومي 80S، والذي يستعد لبدء مرحلة الاستطالة elongation .

مركب ما قبل البدء في حقيقيات النواة

حتى يتكون مركب ما قبل البدء، في آلية تكوين البروتين تحدث سلسلة طويلة من الخطوات، وهي كما يلي

1. في حقيقيات النواة، يتشكل مركب ما قبل البدء عندما يربط عامل بدء يسمى eIF2- GTP (عامل البدء رقم 2 في حقيقيات النواة).
2. يقوم GTP-eIF2 بنقل البادئ النووي في الحمض الريبوسومي النقال tRNA، إلى الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة في S40.
3. البادئ الريبوسومي النقال tRNA، يسمى Met-tRNAi، يحمل ميثيونين غير معدل في حقيقيات النواة، ولكنه يختلف عن Met-tRNAs الخلوية الأخرى في أنه يمكن أن يرتبط مع eIFs ويمكنه الارتباط في موقع الريبوسوم P.
4. بعد ذلك يتعرف مركب ما قبل البدء بنوع النواة على غطاء 7-methylguanosine عند الطرف 5′ of من mRNA.
5. تعمل العديد من eIFs الأخرى، على وجه التحديد eIF1 وeIF3 وeIF4، كبروتينات تساعد في توظيف مركب ما قبل البدء عند الطرف 5 ‘.
6. بولي (A) أو cap-binding proteins بروتين غطاء ملزم (PAB)، يرتبط كلاً من ذيل بولي (A) من mRNA مع مركب بروتينات الغطاء.
7. ثم يتتبع مركب ما قبل البدء على طول mRNA في الاتجاه 5′ إلى 3’، ويبحث عن كود بدء AUG.
8. يتم ترجمة العديد من الكودون على mRNA في حقيقيات النواة، ولكن ليس كل الكودون، ويبدأ من تسلسل AUG الأول، وتحدد النيوكليوتيدات حول AUG ما إذا كان رمز البدء الصحيح أم لا.
9. بمجرد تحديد AUG المناسب، يقوم eIF2 بتحليل GTP، ويقوي توصيل tRNAi-Met بكودون البداية، حيث يقوم basRoni antodon الأساسي ببرمجة AUG.
10. بعد ذلك، يتم تحرير eIF2-GDP من المركب، ويظل eIF5- GTP في مكانه.
11. يتم نقل الوحدة الفرعية الريبوسومية 60S في مركب ما قبل البدء بواسطة eIF5-GTP، والذي يحلل GTP لتشغيل المركب الريبوسومي الكامل في موقع بدء الترجمة مع Met-tRNAi الموجود في موقع الريبوسوم P.
12. تنفصل eIFs المتبقية عن الريبوسوم وتكون الترجمة جاهزة للبدء.

خطوات مرحلة الاستطالة Elongation

أساسيات الاستطالة في آلية تخليق البروتين هي نفسها في بدائيات النوى prokaryotes وحقيقيات النواةeukaryotes، يحتوي الريبوسوم السليم على ثلاثة أقسام:

• الموقع A : يربط الحمض الريبوسومي النووي النقال tRNA، بالأحماض الأمينية الواردة المنقولة إليه.
• الموقع P : يربط الموقع P الحمض الريبوسومي النووي النقال tRNA، الذي يحمل سلسلة البولي ببتيد المتنامية polypeptide chain.
• الموقع E : يُطلق الموقع E الحمض الريبوسومي النووي النقال tRNA، بعد فصله بحيث يمكن إعادة شحنه بالأحماض الأمينية.

تكون الرابطة الببتيدية

1. تتكون رابطة ببتيد بين المجموعة الأمينية للحمض الأميني A، والمجموعة الكربوكسيلية للحمض الأميني الجديد الذي تمت إضافته إلى سلسلة البولي ببتيد polypeptide chain المتنامية المرتبطة بـ p-tRNA.
2. ويتم تحفيز تكوين الروابط الببتيدية peptide bond بواسطة الببتيدل ترانسفيراز peptidyl transferase، وهوإنزيم يعتمد على الحمض النووي الريبي (RNA) ومدمج في الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة.
3. تستمد طاقة تكوين رابطة الببتيد من التحلل المائي GTP، والذي يتم تحفيزه بواسطة عامل استطالة منفصل.
4. يؤدي تحفيز تكوين رابطة الببتيد إلى إزالة الرابطة التي تمسك بسلسلة البولي ببتيد المتنامية مع الحمض الريبوسومي النووي النقال tRNA في الموقع P.
5. يتم نقل سلسلة البولي ببتيد المتنامية إلى الطرف الأميني للحمض الأميني المضاف، ويحمل الحمض الريبوسومي النووي النقال A-site مؤقتًا سلسلة البولي ببتيد المتنامية، في حين أن p-site tRNA فارغ الآن.

تعتبر آلية تخليق البروتين من العمليات الأكثر تعقيدًا التي تتم داخل الخلية الحية، والتي تظهر دقة بالغة لإنتاج ما يحتاجه الجسم من بروتينات.