タンパク質合成：ステージとその特性 - 生物学 - 2024

タンパク質合成が起こる生物学的事象であるに事実上すべての生き物。細胞は常にDNAに保存されている情報を取得し、非常に複雑な特殊な機構の存在により、それをタンパク質分子に変換します。

ただし、DNAで暗号化された4文字のコードは、直接タンパク質に変換されません。このプロセスには、メッセンジャーRNAと呼ばれる中間体として機能するRNA分子が関与しています。

タンパク質合成。
出典：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

細胞が特定のタンパク質を必要とする場合、DNAの適切な部分のヌクレオチド配列は、転写と呼ばれるプロセスでRNAにコピーされ、これが問題のタンパク質に翻訳されます。

説明されている情報の流れ（DNAからメッセンジャーRNAへ、メッセージRNAからタンパク質へ）は、バクテリアなどの非常に単純な存在から人間へと発生します。この一連のステップは、生物学の中心的な「教義」と呼ばれています。

タンパク質合成に関与する機構はリボソームです。これらの小さな細胞構造は、細胞質で大きく見られ、小胞体に固定されています。

タンパク質とは何ですか？

タンパク質は、アミノ酸で構成される高分子です。これらは、脱水細胞全体の原形質のほぼ80％を占めます。生物を構成するすべてのタンパク質は「プロテオーム」と呼ばれます。

その機能は複数であり、構造的役割（コラーゲン）から輸送（ヘモグロビン）、生化学反応の触媒（酵素）、病原体（抗体）に対する防御など、さまざまです。

ペプチド結合で結合してタンパク質を形成する20種類の天然アミノ酸があります。各アミノ酸は、特定の化学的および物理的特性を与える特定のグループを持っていることを特徴としています。

ステージと特徴

細胞がDNAメッセージを解釈する方法は、2つの基本的なイベント（転写と翻訳）を通じて発生します。同じ遺伝子からコピーされた多くのRNAのコピーは、相当数の同一のタンパク質分子を合成することができます。

各遺伝子は異なって転写および翻訳され、細胞がさまざまな量の多種多様なタンパク質を産生できるようにします。このプロセスには、一般的にRNA産生の制御を含むさまざまな細胞調節経路が含まれます。

タンパク質の生産を開始するために細胞がしなければならない最初のステップは、DNA分子に書かれたメッセージを読むことです。この分子は普遍的であり、有機物の構築と発達に必要なすべての情報を含んでいます。

次に、タンパク質合成がどのように発生するかを説明し、この遺伝物質の「読み取り」プロセスを開始して、タンパク質自体の生産を終了します。

転写：DNAからメッセンジャーRNAへ

DNA二重らせんのメッセージは、アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）の各塩基に対応する4文字のコードで書かれています。

このDNA文字のシーケンスは、同等のRNA分子を構築するためのテンプレートとして機能します。

DNAとRNAはどちらもヌクレオチドで構成される線状ポリマーです。ただし、これらは2つの基本的な点で化学的に異なります。RNAのヌクレオチドはリボヌクレオチドであり、RNAには塩基のチミンの代わりに、アデニンと対になるウラシル（U）があります。

転写プロセスは、特定の領域で二重らせんが開くことから始まります。2本の鎖の1本は、「テンプレート」またはRNA合成用のテンプレートとして機能します。ヌクレオチドは、CとGおよびAとUの基本ペアリング規則に従って追加されます。

転写に関与する主な酵素はRNAポリメラーゼです。それは、鎖のヌクレオチドに加わるホスホジエステル結合の形成を触媒する役割を果たします。チェーンは5から3の方向に伸びています。

分子の成長には、「伸長因子」として知られるさまざまなタンパク質が関与し、プロセスの最後までポリメラーゼの結合を維持します。

メッセンジャーRNAのスプライシング

出典：BCSteve、Wikimedia Commonsより真核生物では、遺伝子には特定の構造があります。シーケンスは、イントロンと呼ばれるタンパク質の一部ではない要素によって中断されます。この用語は、タンパク質に翻訳される遺伝子の部分を含むエクソンとは反対です。

スプライシングは、メッセンジャー分子のイントロンが排除されて、エクソンによってのみ構築された分子を放出することからなる基本的なイベントです。最終製品は成熟したメッセンジャーRNAです。物理的には、複雑で動的な機械であるスプライセオソームで発生します。

スプライシングに加えて、メッセンジャーRNAは翻訳される前に追加のエンコーディングを受けます。化学的性質が修飾されたグアニンヌクレオチドである「フード」が追加され、5 '端にいくつかのアデニンの尾がもう一方の端に追加されます。

RNAタイプ

細胞内では様々な種類のRNAが産生されます。細胞内のいくつかの遺伝子はメッセンジャーRNA分子を生成し、これはタンパク質に翻訳されます-後で見るように。ただし、最終生成物がRNA分子自体である遺伝子もあります。

たとえば、酵母のゲノムでは、酵母遺伝子の約10％が最終産物としてRNA分子を持っています。これらの分子はタンパク質合成に関して基本的な役割を果たすため、それらを言及することが重要です。

-リボソームRNA：リボソームRNAは、タンパク質合成の重要な構造であるリボソームの心臓部の一部です。

出典：ウィキメディア・コモンズのジェーン・リチャードソン（Dcrjsr）、リボソームRNAの処理とそれに続くリボソームへの組み立ては、核に非常に目立つ構造-膜に囲まれていない-核小体と呼ばれます。

-トランスファーRNA：特定のアミノ酸を選択するアダプターとして機能し、リボソームとともに、アミノ酸残基をタンパク質に組み込みます。各アミノ酸は転移RNA分子に関連しています。

真核生物には3つのタイプのポリメラーゼがあり、構造的には非常に類似していますが、異なる役割を果たします。

RNAポリメラーゼIおよびIIIは、トランスファーRNA、リボソームRNA、および一部の低分子RNAをコードする遺伝子を転写します。RNAポリメラーゼIIは、タンパク質をコードする遺伝子の翻訳をターゲットにします。

-調節に関連する低分子RNA：他の短い長さのRNAは、遺伝子発現の調節に参加します。これらには、microRNAや低分子干渉RNAが含まれます。

マイクロRnaは、特定のメッセージをブロックすることによって発現を調節し、干渉する小さなものは、メッセンジャーの直接的な分解を通じて発現をシャットダウンします。同様に、メッセンジャーRNAのスプライシングプロセスに参加する小さな核RNAがあります。

翻訳：メッセンジャーRNAからタンパク質へ

メッセンジャーRNAがスプライシングのプロセスを経て成熟し、核から細胞質に移動すると、タンパク質合成が始まります。このエクスポートは、核膜孔複合体-細胞質と核質を直接接続する核の膜にある一連の水性チャネルによって媒介されます。

日常生活では、「翻訳」という用語を使用して、ある言語から別の言語への単語の変換を指します。

たとえば、本を英語からスペイン語に翻訳できます。分子レベルでは、翻訳は言語からRNA、タンパク質への変化を伴います。具体的には、ヌクレオチドからアミノ酸への変化です。しかし、この方言の変化はどのように発生しますか？

遺伝暗号

遺伝子のヌクレオチド配列は、遺伝暗号によって確立された規則に従ってタンパク質に変換できます。これは1960年代初頭に解読されました。

読者が推測できるように、4つのヌクレオチドと20のアミノ酸しかないため、翻訳は1つまたは1つではありません。論理は次のとおりです。3つのヌクレオチドの結合は「トリプレット」として知られ、特定のアミノ酸に関連付けられています。

可能なトリプレットは64個（4 x 4 x 4 = 64）ある可能性があるため、遺伝暗号は冗長です。つまり、同じアミノ酸が複数のトリプレットによってコードされています。

遺伝暗号の存在は普遍的であり、今日地球に生息するすべての生物によって使用されています。この広大な用途は、自然界で最も印象的な分子ホモロジーの1つです。

RNAを転移させるためのアミノ酸のカップリング

メッセンジャーRNA分子にあるコドンまたはトリプレットには、アミノ酸を直接認識する能力がありません。対照的に、メッセンジャーRNAの翻訳は、コドンとアミノ酸を認識して結合できる分子に依存します。この分子がトランスファーRNAです。

トランスファーRNAは、クローバーに似た複雑な3次元構造に折りたたむことができます。この分子には、「アンチコドン」と呼ばれる領域があり、メッセンジャーRNA鎖の連続した相補的なヌクレオチドと対になる3つの連続したヌクレオチドによって形成されます。

前のセクションで述べたように、遺伝暗号は冗長であるため、一部のアミノ酸には複数のトランスファーRNAがあります。

正しいアミノ酸の検出とトランスファーRNAへの融合は、アミノアシル-tRNAシンセターゼと呼ばれる酵素によって媒介されるプロセスです。この酵素は、共有結合を介して両方の分子を結合する責任があります。

RNAメッセージはリボソームによって解読される

タンパク質を形成するために、アミノ酸はペプチド結合を介して結合されます。メッセンジャーRNAを読み取り、特定のアミノ酸を結合するプロセスは、リボソームで発生します。

リボソーム

リボソームは、50以上のタンパク質分子とさまざまな種類のリボソームRNAで構成される触媒複合体です。真核生物では、平均的な細胞には、細胞質環境に平均して数百万のリボソームが含まれています。

構造的に、リボソームは大きなサブユニットと小さなサブユニットで構成されています。小さなサブユニットの役割は、トランスファーRNAがメッセンジャーRNAと正しくペアになり、大きなサブユニットがアミノ酸間のペプチド結合の形成を触媒することを保証することです。

合成プロセスがアクティブでない場合、リボソームを構成する2つのサブユニットが分離されます。合成の初めに、メッセンジャーRNAは両方のサブユニットに結合します。

このプロセスでは、次のステップで新しいアミノ酸残基を追加することによって、ポリペプチド鎖の伸長が起こります。トランスファーRNAの結合、ペプチド結合の形成、サブユニットの転座。この最後のステップの結果、リボソーム全体が動き、新しいサイクルが始まります。

ポリペプチド鎖の伸長

リボソームでは、サイトE、P、Aの3つのサイトが区別されます（メイン画像を参照）。伸長プロセスは、いくつかのアミノ酸がすでに共有結合されており、P部位に転移RNA分子があるときに始まります。

組み込まれるべき次のアミノ酸を有するトランスファーRNAは、メッセンジャーRNAとの塩基対形成により部位Aに結合する。ペプチドのカルボキシル末端部分は、トランスファーRNAとそれが運ぶアミノ酸の間の高エネルギー結合を破壊することにより、P部位でトランスファーRNAから解放されます。

遊離アミノ酸が鎖に付着し、新しいペプチド結合が形成されます。このプロセス全体の中心的な反応は、リボソームの大きなサブユニットにある酵素ペプチジルトランスフェラーゼによって媒介されます。したがって、リボソームはメッセンジャーRNAを移動し、方言をアミノ酸からタンパク質に変換します。

転写と同様に、タンパク質の翻訳中にも伸長因子が関与しています。これらの要素により、プロセスの速度と効率が向上します。

翻訳を完了する

リボソームが停止コドン（UAA、UAG、UGA）に遭遇すると、翻訳プロセスは終了します。これらはトランスファーRNAによって認識されず、アミノ酸と結合しません。

このとき、放出因子として知られているタンパク質がリボソームに結合し、アミノ酸ではなく水分子の触媒作用を引き起こします。この反応により、カルボキシル末端が解放されます。最後に、ペプチド鎖が細胞質に放出されます。

参考文献

1. Berg JM、Tymoczko JL、Stryer L.（2002）。生化学。第5版。ニューヨーク：WHフリーマン。
2. Curtis、H.&Schnek、A.（2006）。生物学への招待。Panamerican Medical Ed。
3. ダーネル、JE、ロディッシュ、HF、およびボルチモア、D。（1990）。分子細胞生物学。ニューヨーク：Scientific American Books。
4. ホール、JE（2015）。ガイトンとホールの医学生理学電子ブックの教科書。Elsevier Health Sciences。
5. Lewin、B.（1993）。遺伝子 第1巻。元に戻す。
6. Lodish、H.（2005）。細胞生物学。Panamerican Medical Ed。
7. ラマクリシュナン、V。（2002）。リボソームの構造と翻訳のメカニズム。Cell、108（4）、557-572。
8. Tortora、GJ、Funke、BR、&Case、CL（2007）。微生物学の紹介。Panamerican Medical Ed。
9. Wilson、DN、&Cate、JHD（2012）。真核生物リボソームの構造と機能。生物学におけるコールドスプリングハーバーの視点、4（5）、a011536。