प्रोटीन संश्लेषण कैसे होता है: अनुलेखन, अनुवाद, आनुवंशिक कोड और उत्परिवर्तन के प्रकार

जीन से प्रोटीन तक

जीन DNA का एक हिस्सा है जिसके क्षारों का अनुक्रम एक प्रोटीन तय करता है। कोशिका प्रोटीन बनाने के लिए DNA को सीधे नहीं पढ़ती। वह पहले जीन को संदेशवाहक RNA में कॉपी करती है (अनुलेखन), फिर राइबोसोम mRNA पढ़कर अमीनो अम्लों को सही क्रम में जोड़ते हैं (अनुवाद)। सूचना के इस प्रवाह, DNA से RNA और फिर प्रोटीन, को अक्सर आणविक जीवविज्ञान का केंद्रीय सिद्धांत कहा जाता है।

अनुलेखन

RNA पॉलिमरेज़ जीन के आगे एक प्रमोटर से जुड़ता है, द्वि-कुंडली का एक छोटा हिस्सा खोलता है (अनुलेखन बुलबुला, लगभग 14 क्षार जोड़े) और उसके साथ आगे बढ़ता है। वह एक रज्जुक, टेम्पलेट रज्जुक, पढ़ता है और उसका पूरक RNA रज्जुक बनाता है, RNA के 3′ सिरे पर न्यूक्लियोटाइड जोड़ते हुए, इसलिए RNA 5′ से 3′ की ओर बढ़ता है। इसलिए RNA का अनुक्रम दूसरे DNA रज्जुक, कोडिंग रज्जुक, जैसा होता है, बस थाइमीन (T) की जगह यूरेसिल (U)। पॉलिमरेज़ के पीछे DNA फिर बंद हो जाता है।

जीवाणुओं में mRNA तुरंत इस्तेमाल होता है। यूकैरियोट में पहले उसका संसाधन होता है: 5′ सिरे पर कैप और 3′ सिरे पर पॉली-A पूँछ जोड़ी जाती है, और mRNA के केंद्रक से निकलने से पहले इंट्रॉन काट दिए जाते हैं (स्प्लाइसिंग)।

आनुवंशिक कोड

mRNA एक बार में तीन क्षार पढ़ा जाता है। हर त्रिक एक कोडॉन है। चार क्षार 4³ = 64 कोडॉन बनाते हैं: 61 कोडॉन 20 अमीनो अम्लों को कोड करते हैं और 3 (UAA, UAG, UGA) का मतलब है रुकें। AUG मेथियोनीन को कोड करता है और शुरुआत भी बताता है। ज़्यादातर अमीनो अम्लों के कई कोडॉन होते हैं, जो आमतौर पर तीसरे क्षार में अलग होते हैं, इसलिए कोड अतिरेकी (अपह्रासित) है। लगभग हर जीव, छोटे अपवादों के साथ, यही कोड इस्तेमाल करता है।

अनुवाद

आरंभ: राइबोसोम की छोटी उपइकाई mRNA से जुड़कर आरंभ कोडॉन AUG ढूँढती है; मेथियोनीन लिए पहला स्थानांतरण RNA उससे जोड़ा बनाता है, और बड़ी उपइकाई जुड़ जाती है।
दीर्घीकरण: जिस tRNA का एंटीकोडॉन अगले कोडॉन से जोड़ा बनाता है, वह अगला अमीनो अम्ल लाता है; राइबोसोम उसे पेप्टाइड बंध से बढ़ती शृंखला से जोड़ता है, फिर एक कोडॉन आगे खिसकता है। जीवाणु राइबोसोम प्रति सेकंड लगभग 15 से 20 अमीनो अम्ल जोड़ते हैं, हमारे लगभग 5।
समापन: स्टॉप कोडॉन पर कोई tRNA फ़िट नहीं होता; उसकी जगह एक मुक्ति कारक जुड़ता है, तैयार शृंखला छोड़ दी जाती है और राइबोसोम अलग हो जाता है।

कोडॉनों का क्रम अमीनो अम्लों का क्रम तय करता है, और वही अनुक्रम तय करता है कि शृंखला कैसे मुड़कर काम करने वाला प्रोटीन बनेगी।

एक हल किया उदाहरण: β-ग्लोबिन

मानव β-ग्लोबिन जीन (HBB), हीमोग्लोबिन अणु का आधा हिस्सा, ऐसे शुरू होता है

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
कोडॉन: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys।
प्रोटीन: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, या एक अक्षर के कोड में MVHLTPEEK।

उत्परिवर्तन

मौन: ऐसा प्रतिस्थापन जो एक कोडॉन को उसी अमीनो अम्ल के दूसरे कोडॉन में बदल दे। कोडॉन 2 में GTG से GTC फिर भी वैलीन देता है।
मिसेंस: नया कोडॉन दूसरे अमीनो अम्ल को कोड करता है। सिकल सेल रोग में कोडॉन 7 GAG से GTG हो जाता है, इसलिए ग्लूटामेट वैलीन बन जाता है। जलभीरु वैलीन ऑक्सीजन कम होने पर हीमोग्लोबिन अणुओं को रेशों में चिपका देता है, जिससे लाल कोशिकाएँ हँसिए जैसी मुड़ जाती हैं। कुछ मिसेंस बदलाव हानिरहित होते हैं; कुछ प्रोटीन को नष्ट कर देते हैं।
नॉनसेंस: कोडॉन स्टॉप बन जाता है। HBB के क्षार 19 को G से T करने पर GAG, TAG बन जाता है, और प्रोटीन छह अमीनो अम्लों के बाद रुक जाता है। ऐसे उत्परिवर्तन β-थैलेसीमिया का कारण बनते हैं।
फ़्रेमशिफ़्ट: ऐसी संख्या में क्षार जोड़ने या हटाने से जो तीन का गुणज न हो, रीडिंग फ़्रेम खिसक जाता है, इसलिए उसके बाद का हर कोडॉन बदल जाता है। HBB का क्षार 20 हटाने पर MVHLTPGRSLPLLPCGAR और फिर स्टॉप मिलता है: एक छोटा, बेकार प्रोटीन। तीन क्षार जोड़ने या हटाने से बिना खिसके एक अमीनो अम्ल जुड़ता या हटता है, जैसे सिस्टिक फ़ाइब्रोसिस के सबसे आम उत्परिवर्तन में, जो एक फ़ेनिलऐलानीन हटा देता है।

सिम्युलेशन का उपयोग

प्रोटीन संश्लेषण सिम्युलेटर: अनुलेखन और अनुवाद में आज़माने के लिए:

β-ग्लोबिन का अनुलेखन और फिर अनुवाद देखें; परिणामों के mRNA की तुलना कोडिंग रज्जुक से करें।
क्षार 20 पर T से प्रतिस्थापन चुनें: सिकल सेल उत्परिवर्तन, जो मिसेंस E7V के रूप में दिखता है।
क्षार 19 को T: नॉनसेंस। क्षार 6 को C: मौन।
क्षार 20 पर विलोपन: फ़्रेमशिफ़्ट, और कोडॉन 7 के बाद हाइड्रोपैथी ग्राफ़ उलट-पुलट हो जाता है।
छोटे उदाहरण में आरंभ कोडॉन कुछ क्षारों के बाद आता है: राइबोसोम उन्हें छोड़ देता है, और TGA पर रुकता है।
बिना ATG का अनुक्रम टाइप करें: कोई प्रोटीन नहीं बनता।

मॉडल क्या मानकर चलता है

मानक आनुवंशिक कोड, अनुक्रम के पहले ATG से, उसी फ़्रेम में, पहले स्टॉप कोडॉन या अनुक्रम के अंत तक पढ़ा गया।
बिना इंट्रॉन का कोडिंग अनुक्रम: आप जो टाइप करते हैं उसे mRNA का अनुक्रम माना जाता है, बिना प्रमोटर, स्प्लाइसिंग, कैप या पूँछ के।
एक समय में एक पॉलिमरेज़ और एक राइबोसोम, तय गति पर; असली जीनों का अनुलेखन कई पॉलिमरेज़ करते हैं और हर mRNA को एक साथ कई राइबोसोम पढ़ते हैं (पॉलीसोम)।
औसत अवशेष द्रव्यमानों से द्रव्यमान और एक पानी, बिना किसी रूपांतरण के; शुरुआती मेथियोनीन रखा जाता है।
काइट–डूलिटल पैमाने से हाइड्रोपैथी, पाँच अवशेषों की खिड़कियों पर औसत।

सीमांत स्थितियाँ

कोई आरंभ कोडॉन नहीं: कोई प्रोटीन नहीं। ख़ुद ATG में उत्परिवर्तन शुरुआत खो देता है; तब सिम्युलेशन अगले ATG से अनुवाद करता है, जो दूसरे फ़्रेम में हो सकता है।
कोई स्टॉप कोडॉन नहीं: राइबोसोम अनुक्रम के सिरे से आगे निकल जाता है। कोशिकाओं में ऐसे "नॉन-स्टॉप" mRNA पहचानकर नष्ट कर दिए जाते हैं।
शुरुआत से पहले या स्टॉप के बाद के उत्परिवर्तन प्रोटीन को नहीं बदलते, हालाँकि असली जीनों में वे फिर भी असर डाल सकते हैं कि कितना प्रोटीन बनता है।
उसी क्षार से प्रतिस्थापन कुछ नहीं बदलता।

मॉडल कहाँ सही नहीं रहता

मौन हमेशा हानिरहित नहीं। समानार्थी बदलाव स्प्लाइसिंग संकेत, mRNA का मुड़ना या कोडॉन पढ़ने की गति बदल सकते हैं, और इस तरह यह बदल सकते हैं कि कितना प्रोटीन बनता है या वह कैसे मुड़ता है।
नॉनसेंस-मध्यस्थ क्षय। यूकैरियोट में समय से पहले स्टॉप वाला mRNA आमतौर पर ज़्यादा छोटा प्रोटीन बनने से पहले ही नष्ट हो जाता है।
संदर्भ में आरंभ कोडॉन। यूकैरियोट के राइबोसोम कैप से स्कैन करते हैं और अच्छे संदर्भ में AUG पसंद करते हैं (कोज़ाक अनुक्रम, जैसे GCCACCAUGG); जीवाणु ठीक पहले एक शाइन–डालगार्नो अनुक्रम इस्तेमाल करते हैं। हमेशा पहला ATG ही इस्तेमाल नहीं होता।
अनुवाद के बाद। शुरुआती मेथियोनीन अक्सर हटा दिया जाता है, इसीलिए सिकल उत्परिवर्तन को Glu6Val कहते हैं; प्रोटीन काटे जाते हैं, चैपरोन की मदद से मोड़े जाते हैं और शर्कराओं और फ़ॉस्फ़ेट से सजाए जाते हैं।
दूसरे कोड। माइटोकॉन्ड्रिया और कुछ सूक्ष्मजीव कुछ कोडॉन अलग ढंग से पढ़ते हैं; मानव माइटोकॉन्ड्रिया में UGA ट्रिप्टोफ़ैन को कोड करता है।

प्रोटीन संश्लेषण कैसे होता है: अनुलेखन, अनुवाद और उत्परिवर्तन