Protein biosynthesis

細胞は、分解や排出によって失われたタンパク質を補うために、常に新しいタンパク質を合成しています。このプロセスはタンパク質生合成またはタンパク質合成と呼ばれ、生命に不可欠です。タンパク質は、酵素、構造成分、ホルモンとして機能します。基本となる段階は原核生物と真核生物で類似していますが、重要な違いがあります。タンパク質合成は、転写と翻訳という2つの主要な段階で行われます。転写では、タンパク質をコードするDNAのセグメントである遺伝子が、メッセンジャーRNA（mRNA）にコピーされます。RNAポリメラーゼと呼ばれる酵素が、核内でこの変換を行います。真核生物では、最初のコピーは未成熟な形態（プレmRNA）であり、成熟mRNAとなるために転写後修飾を受ける必要があります。この成熟mRNAは、核膜孔を通って核から細胞質へと運び出されます。翻訳中、リボソームがmRNAの配列を読み取り、それを使ってアミノ酸の順序を決定します。リボソームは、これらのアミノ酸間に共有結合であるペプチド結合の形成を触媒し、ポリペプチド鎖を構築します。翻訳後、ポリペプチド鎖は機能的な形状に折りたたまれなければなりません。例えば、酵素は機能するために正しく折りたたまれた活性部位を必要とします。折りたたみは、より小さな二次構造の形成から始まり、その後、全体的な三次元の高次構造へと配置されます。折りたたまれた後、タンパク質は翻訳後修飾によってさらに成熟する場合があります。これらの変化は、タンパク質の機能、細胞内の位置（細胞質や核など）、および他のタンパク質と相互作用する能力に影響を与える可能性があります。タンパク質生合成のエラーは、しばしば疾患の根底にあります。DNAの変異はmRNAの配列を変化させ、それがポリペプチドのアミノ酸配列を変化させます。変異は、早期終止シグナルを導入して鎖を短くしたり、あるアミノ酸を別のアミノ酸に置き換えたりする可能性があります。このような変化は、タンパク質の機能や正しく折りたたまれる能力を損なう可能性があります。誤って折りたたまれたタンパク質は、高密度の凝集体を形成する傾向があり、これはアルツハイマー病やパーキンソン病などの神経疾患に関連しています。転写は核内で行われ、DNAを鋳型としてmRNAを生成します。真核生物では、最初の産物はプレmRNAであり、核内で転写後修飾を受けて成熟mRNAになります。原核生物では、そのような修飾は必要なく、転写によって直接成熟mRNAが得られます。まず、ヘリカーゼと呼ばれる酵素がDNA分子に作用します。DNAは逆平行の二重らせん構造を持ち、2本の相補鎖が塩基対間の水素結合によって結合しています。ヘリカーゼはこれらの結合を切断し、（遺伝子に対応する）DNAの領域をほどいて塩基を露出させます。2本の鎖のうち、プレmRNA合成の鋳型として機能するのは一方の鎖のみであり、これが鋳型鎖です。鋳型に相補的なもう一方の鎖は、コード鎖と呼ばれます。DNAとRNAには方向性があり、各分子には2つの異なる末端があることを意味します。これは、ヌクレオチドの非対称な構造、すなわちペントース糖の一方の側にリン酸基があり、もう一方の側に塩基があることに起因します。糖の5つの炭素は、1'から5'まで番号が付けられています。ホスホジエステル結合は、あるヌクレオチドの3'炭素と次のヌクレオチドの5'炭素を結合します。したがって、コード鎖は5'から3'の方向に進み、相補的な鋳型鎖は3'から5'の方向に進みます。RNAポリメラーゼは露出した鋳型鎖に結合し、それを3'から5'の方向に読み取ります。移動するにつれて、5'から3'の方向にプレmRNAの一本鎖を合成し、鋳型と塩基対を形成する遊離ヌクレオチド間のホスホジエステル結合の形成を触媒します。移動するポリメラーゼの後方では、2本のDNA鎖が再結合するため、常に露出しているのは約12塩基対のみです。RNAポリメラーゼはプレmRNAを毎秒約20ヌクレオチドの速度で構築し、1時間で同じ遺伝子から数千のコピーを生成することを可能にします。この速度にもかかわらず、この酵素には校正機構があります。つまり、（鋳型に相補的でない）誤ったヌクレオチドを除去反応によって除去することができます。RNAポリメラーゼが終結を知らせる特定のDNA配列に到達すると、それは解離し、プレmRNAの合成が完了します。結果として得られるプレmRNAは、鋳型DNA鎖に相補的であり、コードDNA鎖と配列が同一ですが、1つの重要な違いがあります。RNAはチミンではなくウラシルを使用することです。