การแปลรหัส

ไรโบโซมอ่าน mRNA ทีละโคดอนจากปลาย 5′ ไป 3′; tRNA ที่มี anticodon เข้าคู่พากรดอะมิโนมาให้ต่อเป็น polypeptide จุดเริ่มกำหนดกรอบอ่าน ส่วน stop codon เป็นสัญญาณยุติ ไม่ใช่กรดอะมิโน

พื้นฐานที่ใช้: mRNA มีลำดับเบส, codon มีสามเบส และโปรตีนประกอบจากกรดอะมิโน

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. codon และ tRNA เชื่อมข้อมูลกับกรดอะมิโน

  • การแปลรหัส (Translation) เปลี่ยนลำดับเบสของ mRNA ให้เป็นลำดับกรดอะมิโนของสายพอลิเปปไทด์
  • รหัสพันธุกรรมและ tRNA:
    • Codon: รหัสเบส 3 ตัวบน mRNA ที่เรียงลำดับจาก 5′→ 3′
    • Anticodon: รหัสเบส 3 ตัวบน tRNA ที่จับคู่แบบ Complementary และ Antiparallel (3′→ 5′) กับ codon บน mRNA
    • Aminoacyl-tRNA synthetase: เอนไซม์ที่มีความจำเพาะสูง ทำหน้าที่จับกรดอะมิโนที่ถูกต้องเข้ากับ tRNA แต่ละชนิดโดยใช้พลังงานจาก ATP
tRNA รูปใบโคลเวอร์ใช้ anticodon 3′ UAC 5′ จับคู่กับ mRNA codon 5′ AUG 3′; ปลายอีกด้านบรรทุก methionine และ aminoacyl-tRNA synthetase จับคู่กรดอะมิโนกับ tRNA
mRNA codon AUG จับคู่สวนทางกับ tRNA anticodon UAC และ tRNA บรรทุก Met ในตัวอย่าง start codon
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวม: โครงสร้าง tRNA รูปใบโคลเวอร์และการจับคู่รหัสกับ mRNA
    • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: ปลาย 3′-OH บรรทุกกรดอะมิโน Methionine; วงด้านล่างแสดง Anticodon 3′ UAC 5′ จับคู่กับ Codon 5′ AUG 3′ บนสาย mRNA
    • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงในรูป 2 มิติ (Cloverleaf) โครงสร้างจริงในเซลล์พับตัวเป็นรูปตัว L 3 มิติ

2. start ตั้งกรอบอ่าน; stop จบการแปล

  • รหัสเริ่มต้นและรหัสหยุดควบคุมจุดเริ่มและจุดสิ้นสุดของการสังเคราะห์โปรตีนอย่างแม่นยำ
  • รหัสเริ่มต้น (Start codon):
    • 5′ AUG 3′: กำหนดจุดเริ่มต้นของการแปลรหัสและเข้ารหัสกรดอะมิโน Methionine (Met) เป็นกรดอะมิโนตัวแรกของพอลิเปปไทด์เสมอ
  • รหัสหยุด (Stop codons):
    • 5′ UAA 3′, 5′ UAG 3′, 5′ UGA 3′: ไม่เข้ารหัสกรดอะมิโนใดๆ แต่จับกับโปรตีน Release factor ทำให้สายพอลิเปปไทด์หลุดออกจากไรโบโซม
mRNA 5′ AUG GCU UUU UGA 3′ แบ่งเป็น codons AUG, GCU, UUU และ UGA; สาม codon แรกให้ Met, Ala, Phe ส่วน UGA จับ release factor และยุติการแปล; แถบล่างแสดงว่าการเลื่อนกรอบหนึ่งเบสเปลี่ยนกลุ่มสามเบส
ไรโบโซมอ่าน codon จาก 5′→3′: AUG เริ่มสร้าง Met–Ala–Phe ก่อนหยุดที่ UGA โดยไม่เพิ่มกรดอะมิโนจาก stop
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวม: ขั้นตอนการแปลรหัสภายในไรโบโซมทั้ง 3 ตำแหน่ง: A site, P site, E site
    • กลไกการเคลื่อนที่: ไรโบโซมเคลื่อนที่ไปตาม mRNA ในทิศ 5′→ 3′; tRNA ตัวใหม่เข้าที่ A site, สายพอลิเปปไทด์ต่อยาวขึ้นที่ P site, และ tRNA เปล่าหลุดออกทาง E site
    • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงขั้นตอน Elongation วนซ้ำ ไม่ได้แสดงการประกอบตัวของหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กและใหญ่ในระยะเริ่ม

3. รหัสเสื่อมซ้ำได้ แต่ความหมายของแต่ละ codon ชัด

  • รหัสพันธุกรรมมีคุณสมบัติสากลที่สะท้อนวิวัฒนาการและความเที่ยงตรง
  • คุณสมบัติของรหัสพันธุกรรม:
    • Degenerate / Redundant (รหัสซ้ำซ้อน): กรดอะมิโน 1 ชนิดสามารถถูกเข้ารหัสด้วย codon มากกว่า 1 ชนิด (มี 61 codons สำหรับกรดอะมิโน 20 ชนิด) ช่วยลดผลกระทบของการกลายพันธุ์
    • Unambiguous (ไม่คลุมเครือ): แต่ละ codon กำหนดกรดอะมิโนชนิดเดียวเท่านั้นอย่างแน่นอน ไม่กำกวม
    • Nearly Universal (เกือบเป็นสากล): สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดใช้รหัสพันธุกรรมเดียวกัน มีข้อยกเว้นเพียงเล็กน้อยในไมโทคอนเดรียหรือโปรโตซัวบางกลุ่ม

4. กรอบอ่านกำหนดผลผลิตและทิศทางของ polypeptide

  • สายพอลิเปปไทด์ถูกสังเคราะห์อย่างมีทิศทางตามลำดับรหัสพันธุกรรม
  • กรอบการอ่าน (Reading frame):
    • การอ่าน codon ดำเนินไปทีละ 3 นิวคลีโอไทด์ต่อเนื่องโดยไม่เว้นวรรคและไม่ซ้อนทับกัน (Non-overlapping)
    • การแทรกหรือขาดหายของเบสที่ไม่ใช่ทวีคูณของ 3 จะทำให้กรอบการอ่านเลื่อน (Frameshift) ส่งผลให้ลำดับกรดอะมิโนด้านหลังทั้งหมดเปลี่ยนไป
  • ทิศทางการสังเคราะห์:
    • mRNA ถูกอ่านจาก 5′→ 3′ สังเคราะห์พอลิเปปไทด์จาก ปลาย N (N-terminus) ไปยัง ปลาย C (C-terminus)

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

แปล mRNA เป็น polypeptide

สังเกตจากโจทย์: โจทย์ให้ mRNA และ codon table

เลือกวิธีคิด: เริ่มแบ่ง triplet จาก AUG ตามกรอบ; เปิดตารางด้วย mRNA; หยุดที่ stop โดยไม่แทน stop เป็นกรดอะมิโน

วิเคราะห์ tRNA หรือ frameshift

สังเกตจากโจทย์: โจทย์ให้ anticodon หรือเพิ่ม/ลบเบส

เลือกวิธีคิด: จับคู่ codon กับ anticodon แบบสวนทาง; ตรวจว่า indel หารด้วยสามลงตัวหรือไม่ก่อนทำนายกรอบถัดไป

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · แปลจาก AUG ถึง stop

แปล 5′-AUG GCU UUU UGA-3′

  1. แบ่งจาก start เป็น AUG | GCU | UUU | UGA
  2. ตาราง mRNA ให้ AUG=Met, GCU=Ala, UUU=Phe
  3. UGA เป็น stop จึงยุติ ไม่เพิ่มกรดอะมิโน

คำตอบ: Met–Ala–Phe แล้วหยุดที่ UGA

ตรวจเหตุผล: มีกรดอะมิโนสามตัวก่อน stop; ไม่เขียน UGA เป็น amino acid

ตัวอย่าง 2 · ลบหนึ่งเบสกับกรอบอ่าน

ถ้าลบหนึ่งนิวคลีโอไทด์จาก coding region หลัง start คาดผลต่อ codon ถัดไปอย่างไร?

  1. กรอบอ่านแบ่งเบสสามตัวต่อหนึ่ง codon
  2. การลบหนึ่งเบสไม่หารด้วยสาม จึงเลื่อนขอบเขต triplet หลังจุดลบ
  3. codon ส่วนมากหลังจุดนั้นเปลี่ยนและอาจเกิด stop; การลบสามเบสคงกรอบ downstream แต่ถ้ารอยลบไม่ตรงขอบ codon อาจเปลี่ยน codon รอบรอยต่อ

คำตอบ: มักเกิด frameshift หลังตำแหน่งลบหนึ่งเบส; ผลจริงขึ้นกับลำดับ

ตรวจเหตุผล: นับจำนวนเบสที่ลบและดูตำแหน่งรอยลบเทียบกับกรอบอ่าน