細胞はさまざまな機能を担っています。 エネルギーを生産し、他の細胞とコミュニケーションをとり、身体の大部分を構成しています。 細胞の主要な機能の1つは、タンパク質を構築することです。 タンパク質は、体内で多様な機能を果たす生物学的高分子である。 細胞は、DNAにコード化された情報をもとに、タンパク質を構築する。 DNAからタンパク質を作るための情報を取り出すことを、遺伝子発現といいます。
基本的に、遺伝子発現には2つの段階があります。
- 転写-転写の間に、DNA の情報はメッセンジャーRNA (mRNA) の形に「コピー」される
- 翻訳-この段階で。 この記事では、翻訳をより深く理解し、その分子メカニズムについて見ていきます。
mRNAはどのように情報を格納しているのか
翻訳を理解するためには、まずタンパク質の情報がどのようにmRNAに格納されているかを理解する必要があります。 厳密には、mRNAはタンパク質をコードしているわけではありません。 むしろ、mRNAはポリペプチド鎖と呼ばれるアミノ酸の列をコード化し、その指示を与えているのです。 mRNAの情報は、A、C、G、Uの塩基配列の形で格納されており、3つずつ読み込まれます。 塩基の三つ組はコドンと呼ばれる。 各コドンは特定のアミノ酸を指している。 例えば、ACGというコドンは、スレオニンというアミノ酸を指定します。 mRNAのコドンの順番は、ポリペプチド鎖のアミノ酸の順番を指定する。 つまり、AUUCAGUGUという配列を含むmRNA鎖は、イソロイシン（AUU）、グルタミン（CAG）、システイン（UGU）の順でアミノ酸をコードしている。 Credit: WikiCommons CC0 1.0
ヒトのRNAには、約20種類のアミノ酸をコードする61個のコドンがある。 また、遺伝子がどこから始まるかを示す「開始コドン」と呼ばれる特殊なコドンAUGも存在する。 最後に、アミノ酸をコードしない3つの特殊なコドン（UAA、UAG、UGA）があり、これは「停止コドン」と呼ばれる。 停止コドンは、ポリペプチド鎖が完成したときに、翻訳メカニズムに伝えるものです。 翻訳プロセスには、tRNA とリボソームという 2 種類の分子が関与しています。
tRNA (“transfer” RNA) は、mRNA のコドンとそれが特定するアミノ酸の間の橋渡しをする分子です。 tRNA の片方の端にはアンチコドンと呼ばれる塩基配列があり、相補的な塩基対形成により特定のコドンに結合することができる。 tRNAのもう一方の端には、コドンによって指定されたアミノ酸が含まれている。 tRNAはmRNAに結合し、アミノ酸を適切な順序で並べる。
リボソーム
リボソームは、タンパク質を物理的に組み立てる構造体である。 リボソームは、特殊なリボソームRNA（rRNA）とタンパク質が複雑に絡み合って構成されている。 各リボソームには、小サブユニットと大サブユニットの2つの部分があります。 小さなサブユニットは40Sサブユニットと呼ばれ、大きなサブユニットは60Sサブユニットと呼ばれています。 リボソームの2つの部分は、サンドイッチの2枚のパンのように、mRNAの鎖を囲んでいる。 リボソームには膜がないので、厳密に言えば細胞小器官ではありません。 原核生物にもリボソームがあり、原核生物には小器官がありません。
ADVERTISEMENTmRNA 鎖はリボソームに送り込まれ、コドンを読み取ります。 リボソームには、tRNAアンチコドンが対応するmRNAのコドンに結合するための区画があります。 リボソーム上のtRNAの結合部位は、A、P、Eと呼ばれる3つの部位である。 リボソームにはまた、アミノ酸を結合してポリペプチド鎖にする反応を触媒する酵素も含まれている。
翻訳プロセス
翻訳自体は、開始、伸長、終了という3つのステップに分解することができる。 これらのプロセスの大部分は、細胞の細胞質または小胞体で行われます。 真核生物では、翻訳は転写とは全く別に行われる。なぜなら、転写で作られたプレmRNAのスクリプトは、翻訳される前に修正されなければならないからである。 原核生物では、転写の後に直接翻訳が行われる。 241>
翻訳開始
翻訳の最初のステップでは、開始因子タンパク質が放出される。 これらは翻訳プロセスの最初のステップの引き金となるタンパク質である。 翻訳開始因子はmRNAの5′末端に結合し、リボソームまで持っていく。 mRNAはリボソームの小サブユニットに結合し、その場に固定される。 真核生物では、メチオニンを含むtRNA分子が小サブユニットに結合し、一緒にmRNA鎖を移動して、開始コドン（ほとんどの場合、AUGコドン）に到達する。 一旦到達すると、大リボソームサブユニットが残りの鎖を囲み、完成した開始複合体を形成する。
真核生物の開始。メチオニンを含むtRNAは、開始コドンに到達するまでmRNA鎖を歩いていく。 Credit: User07 via WikiCommons CC BY-SA 3.0 原核生物では、話は少し違っています。 原核生物では、小リボソームサブユニットは、AUGコドンを探してmRNA鎖を移動することはない。 その代わり、mRNA鎖中の特定の配列に直接結合する。 原核生物の翻訳機構は、開始コドンの前に存在するシャイン・ダルガーノ配列の存在によって、開始する領域を認識することができる。 バクテリアは、1つのDNA配列が複数のタンパク質をコードできるため、シャイン-ダルガーノ配列を使用する
Elongation
メチオニンを運ぶtRNAが開始コドンを見つけると、次の段階の翻訳が開始される。 伸長期には、実際のポリペプチド鎖が構築される。 伸長期には、ポリペプチド鎖が長くなる。
伸長期が始まると、メチオニンを運ぶtRNAはリボソームの真ん中にあるPサイトに位置する。 P部位の隣にはA部位があり、mRNA鎖上の露出したコドンの上にある。 A 部位は、次の tRNA 分子がコドン-アンチコドンの相補的なペアリングによって露出したコドンと結合するための「スロット」となる。
次の tRNA が A 部位に到達すると、リボソームは 2 つのアミノ酸を結合させる反応を触媒する。 2つのアミノ酸を結合させる反応は、あるアミノ酸のアミン基と別のアミノ酸のカルボキシル基を結合させる加水分解（水を除去する）反応である。 この反応により、メチオニンは最初のtRNAからAサイトのtRNAに移動する。 これで、2つのアミノ酸からなる原始的なポリペプチド鎖ができあがった。 メチオニンは N 末端と呼ばれ、もう一方は C 末端と呼ばれます。
Credit: User07 via WikiCommons CC BY-SA 3.0 ほとんどのポリペプチド鎖はアミノ酸 2 個より長くなっています。 最初のペプチド結合がなされると、mRNAはリボソーム内をちょうど1コドン分引っ張られます。 このシフトにより、鎖を持つtRNAはAサイトからPサイトへ移動し、Pスロット内の空のtRNAはE（出口）スロットへ移動して取り除かれる。 このシフトはまた、Aサイトの新しいmRNAコドンを露出させる。
このプロセスは、ポリペプチド鎖が完成するまでmRNA鎖上で繰り返される。 タンパク質には、数十個のアミノ酸から構成されるものもあれば、数千個のアミノ酸から構成されるものもある。 最も長いタンパク質はタイチンと呼ばれ、33,000個のアミノ酸からなる鎖です。
終止
リボソームは、ポリペプチド鎖が完成したことをどのようにして知るのでしょうか。 それがターミネーションと呼ばれる翻訳の最後のステップの役割である。 翻訳機構の終結は、停止コドン（UAA、UAG、UGA）がA部位に入ると起こる。 停止コドンがAサイトに入ると、それを認識するのはtRNAではなく、放出因子と呼ばれる特殊なタンパク質である。 このタンパク質によってリボソーム酵素が鎖の最後のアミノ酸に水分子を付加し、リボソームサブユニットを解離させてポリペプチド鎖を遊離させるのである。
Credit: User07 via WikiCommons CC BY-SA 3.0 Post-Translation Modification
これでポリペプチド鎖は完成し、体内で仕事を始められるようになりましたね？
原核生物では、タンパク質は通常、翻訳されるとすぐに使用できるようになります。 しかし、真核生物では、ポリペプチド鎖が本格的に機能する成熟タンパク質になるまでに、多くの場合、いくつかの修飾を受けなければならない。 このような翻訳後の修飾では、いくつかのアミノ酸が変更されたり、取り除かれたりする。 タンパク質によっては、複雑な3次元的形状に折り畳まれる必要があり、折り畳みを助ける酵素が存在する。 また、折りたたまれた2本のポリペプチド鎖が合体して、より大きなタンパク質複合体を形成することもある。 真核生物では、翻訳後の修飾は小胞体とゴルジ装置で行われる。 小胞体では、タンパク質が折り畳まれたり、一部が切り取られたり、付け加えられたりする。 小胞体で処理された後、タンパク質は膜結合小胞に包まれ、ゴルジ体に運ばれる。 小胞体で処理されたタンパク質は、膜結合小胞に包まれてゴルジ装置に運ばれ、最終目的地に向けて出荷される前に、いくつかの最後の編集が行われる
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