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 بدء تخليق البروتين واستطالته، مع وصف لمرحلة بدء الترجمة وعوامل الاستطالة التي تساعد الريبوسوم على ربط الحمض النووي الرسول (mRNA)، واختيار كودون البدء وتكوين البولي ببتيد.

وتركز أيضًا على آليات التحكم في الترجمة التي تركز على بروتينات ربط غطاء mRNA (mRNA cap-binding proteins) وتنظيم GCN4 وCPA1 الخاصة بالمرسال RNA الرسول mRNAs، ويعتبر الرمز GCN4 هوالكلمة المفتاحية التي تبدأ عملية الترجمة والاستطالة.

آلية ترجمة البروتين

يتم ترجمة كود النوكليوتيدات من mRNA إلى تسلسل حمض أميني لبناء البروتين باستخدام الريبوسوم، ويمكن تقسيم عملية 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

تحدث هذه العملية في الريبوسوم، حيث يتم توجيه حمض mRNA الرسول (mRNA) لترميز سلسلة من الأحماض الأمينية لإنتاج البروتين. وأثناء بدء الترجمة، يتم ربط الوحدة الريبوزوم الفرعية الصغيرة (40S) بـ الميثيونيل (Met)، وهو حمض أميني معين، ويتم نقله باستخدام حمض نووي ناقل tRNA (Met)-transfer RNA.

يتم تكملة خطوة البدء عند اختيار الوحدة الفرعية الصغيرة “small (40S) ribosomal subunit” كرمز بداية، ويتم تجميعها مع الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة “large (60S) ribosomal subunit” لتشكيل الريبوسوم الوظيفي.

مرحلة الاستطالة

تتم مرحلة الاستطالة في عملية تخليق البروتين عن طريق إضافة الأحماض الأمينية المعتمدة على الكودون، حتى تتكون سلسلة الببتيد الطويلة.

مرحلة الانتهاء من تخليق البروتين

: وأخيرًا، عندما يتم الوصول إلى كودون توقف (UAA أو UAG أو UGA) في mRNA، ينهي الريبوسوم عملية الترجمة، وتتضمن خطوات الإنهاء إطلاق سلسلة الببتيد أو عدة سلاسل ببتيدية مكتملة من الريبوسوم.

مرحلة إعادة تدوير الريبوسوم

يتم إعادة تدوير الريبوسوم عندما ينفصل عن الحمض النووي الناقل tRNA والحمض النووي الرسول mRNA.

خطوات بدء ترجمة البروتين

تعد الخطوة الأكثر تعقيدًا في آلية تكوين البروتين هي بدء الترجمة، وذلك بالإضافة إلى وجود الوحدات الفرعية الريبوسومية الصغيرة 40S والكبيرة 60S، ويتطلب الأمر وجود Met-tRNAiMet بالإضافة إلى 11 عاملًا بدء ترجمة مكونة من 24 جينًا مستقلاً لبدء الترجمة على RNA.

تتم عملية بدء الترجمة بطريقة مرتبة لتجميع مركب الريبوسوم الوظيفي 80S الذي يقوم بصناعة البروتينات، وتتم هذه العملية بالترتيب الآتي

1. يتم ربط العامل eIF2 بين GTP وMet-tRNAiMet لتشكيل مركب ثلاثي (TC).
2. يتم ربط الريبوسوم الصغير 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، يقوم الريبوسوم الوظيفي بفحص mRNA بحثًا عن رمز البدء AUG.

1. يتضمن اختيار موقع بدء الترجمة استكمال تحلل GTP المائي بواسط ال eIF2 وإطلاق العديد من عوامل البدء.

1. يعمل العامل eIF5B على ربط الوحدة الفرعية 60S لتكوين المركب الريبوسومي الوظيفي 80S.

1. يؤدي تحلل GTP المائي اللاحق بواسطة eIF5B إلى إطلاقه من المركب الريبوسومي 80S، الذي يستعد للدخول في مرحلة الاستطالة (elongation) .

مركب ما قبل البدء في حقيقيات النواة

لتكوين مركب ما قبل البدء في آلية تكوين البروتين، يحدث سلسلة طويلة من الخطوات، وهي على النحو التالي

1. في حقيقة النواة، يتشكل مركب ما قبل البدء عندما يتم ربط عامل البدء رقم 2 في حقيقة النواة (eIF2-GTP) بناءً على الحقائق المتعلقة بالنواة.
2. ينقل GTP-eIF2 البادئ النووي من الحمض النووي المنقول tRNA إلى الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوزوم S40.
3. يحمل البادئ الريبوسومي النقال tRNA، المسمى Met-tRNAi، ميثيونين غير معدل في حقيقيات النواة، ولكن يختلف عن Met-tRNAs الخلوية الأخرى بقدرته على الربط مع eIFs والارتباط في موقع الريبوسوم P.
4. يتعرف مركب ما قبل البدء على غطاء 7-methylguanosine عند الطرف 5′ من RNA لمعرفة نوع النواة.
5. تعمل العديد من بروتينات eIFs الأخرى، مثل eIF1 و eIF3 و eIF4، على توظيف مركب البدء الحيوي قبل بدء النسخ عند الطرف 5`.
6. يتم ربط بروتين غطاء ملزم (PAB)، أو بروتينات الربط بالغطاء، بذيل بولي (A) للمراسل RNA، لتشكيل مركب بروتيني يغطي الرأس الحرة للمراسل RNA.
7. يتبع المركب الموجود قبل بدء المرحلة على طول mRNA في الاتجاه من 5` إلى 3`، ويبحث عن رمز البدء AUG.
8. يتم ترجمة العديد من الكودونات على RNA المرسال في نواة الخلية، ولكن ليس كل الكودونات، ويبدأ الرمز البدء AUG الأول، وتحدد النوكليوتيدات المحيطة بـAUG ما إذا كان الرمز البدء الصحيح أم لا.
9. بمجرد تحديد الكودون AUG المناسب، يقوم eIF2 بتحليل GTP ويقوي توصيل tRNAi-Met بالكودون البدء، حيث يقوم basRoni antodon الأساسي ببرمجة AUG.
10. بعد ذلك، يتم إطلاق eIF2-GDP من المركب، ويبقى eIF5-GTP في موضعه.
11. تتم نقل الوحدة الفرعية الريبوسومية 60S في مركب ما قبل البدء بواسطة eIF5-GTP، الذي يحلل GTP لتشغيل المركب الريبوسومي الكامل في موقع بدء الترجمة مع Met-tRNAi الموجود في موقع الريبوسوم P.
12. تنفصل الـ eIFs المتبقية عن الريبوسوم، وتصبح الترجمة جاهزة للبدء.

خطوات مرحلة الاستطالة Elongation

تتشابه أساسيات الاستطالة في آلية تخليق البروتين لدى بدائيات النوى prokaryotes وحقيقيات النواة eukaryotes، ويتكون الريبوسوم السليم من ثلاثة أقسام:

• الموقع A : يتصل الحمض الريبوسومي النووي المتحرك tRNA بالأحماض الأمينية المنقولة إليه.
• الموقع P : يتم ربط موقع P بالحمض الريبوسومي النووي النقال tRNA، الذي يحمل سلسلة البولي ببتيد المتنامية polypeptide chain.
• الموقع E : يسمى الموقع E الحمض النووي الريبوزيمي النقال tRNA بعد فصله، بحيث يمكن إعادة شحنه بالأحماض الأمينية.

تكون الرابطة الببتيدية

1. يتكون رابط ببتيد بين المجموعة الأمينية للحمض الأميني A والمجموعة الكربوكسيلية للحمض الأميني الجديد الذي تمت إضافته إلى سلسلة الببتيد المتنامية المرتبطة بـ p-tRNA.
2. يتم تحفيز تكوين الروابط الببتيدية باستخدام الببتيدل ترانسفيراز، وهو إنزيم يعتمد على الحمض النووي الريبوزي (RNA) ويتم دمجه في الوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسوم.
3. يتم تفعيل تحلل الماء GTP لتكوين رابطة الببتيد بواسطة عامل استطالة منفصل.
4. يؤدي تحفيز تكوين رابطة الببتيد إلى إزالة الرابطة التي تربط سلسلة الببتيد المتنامية بالحمض الريبوزومي النووي النقال tRNA في موقع P.
5. تنتقل سلسلة الببتيد المتنامية إلى الطرف الأميني للحمض الأميني المضاف بواسطة الريبوسوم، ويحمل الموقع A المؤقت للحمض الريبوسومي النووي سلسلة الببتيد المتنامية، بينما يكون الموقع P لـ tRNA خاليًا حاليًا.

تُعد آلية تخليق البروتين من العمليات المعقدة داخل الخلية الحية، والتي تتطلب دقة عالية لإنتاج البروتينات التي يحتاجها الجسم.