प्रथिन संश्लेषण (Protein Synthesis)

सजीव पेशींची बांधणी आणि जैवरासायनिक प्रक्रिया यांमध्ये प्रथिनांची अग्रणी भूमिका असते. विकरे (Enzymes), संप्रेरके (Hormones) व अनेक प्रकारचे संदेशवाहक रेणू (Signalling molecules) प्रथिनांपासून बनलेले असतात. जनुक-अभिव्यक्ती (Gene expression) आणि जैवरासायनिक प्रक्रियांवर नियंत्रण ठेवण्यात प्रथिनांचा प्रमुख सहभाग असतो. एकपेशीय (Unicellular organisms) सजीवांपासून क्लिष्ट संरचना असलेल्या प्रगत सजीवांपर्यंत सर्व सजीवांच्या पेशींमध्ये लाखो प्रथिने कार्यरत असतात. प्रथिनांच्या निर्मितीसाठी आवश्यक असलेली माहिती सजीवांच्या जनुकांमध्ये सांकेतिक स्वरूपात साठवलेली असते. डीएनएवरील (DNA; डिऑक्सिरायबोन्यूक्लिइक अम्ल) सांकेतिक माहिती प्रथिनांच्या रूपात परिवर्तित करण्याची प्रक्रिया सजीवसृष्टीच्या केंद्रस्थानी आहे.

जनुकापासून प्रथिन तयार होण्याची प्रक्रिया म्हणजेच प्रथिन-संश्लेषण होय. ही प्रक्रिया प्रतिलेखन (Transcription) आणि भाषांतर (Translation) या दोन टप्प्यांमध्ये घडते. प्रतिलेखनामध्ये डीएनएवरील माहिती आरएनएच्या (RNA; रायबोन्यूक्लिइक अम्ल) भाषेत पुनर्लिखित होते, तर भाषांतरामध्ये आरएनए (केंद्रकाम्ले) रेणूंमधील संकेत अमिनो अम्लांच्या स्वरूपात भाषांतरीत होतात.

(अ) प्रतिलेखन (Transcription) : प्रत्येक प्रथिनाच्या बांधणीसाठी आवश्यक असलेली माहिती जनुकांमधील डीएनएच्या क्रमाच्या भाषेत असते. ही माहिती रायबोसोमला वाचता येईल अशा भाषेत म्हणजेच संदेशवाहक आरएनएच्या (t-RNA) रूपात पुनर्लिखित करणे आवश्यक असते. आरएनए पॉलिमरेज हे विकर जनुकांमधील आधारक-क्रमानुसार पूरक रायबोन्यूक्लिओटाइड रेणूंची साखळी बांधण्याचे काम करते.

आदिकेंद्रकी (Prokaryotes) आणि दृश्यकेंद्रकी (Eukaryotes) सजीवांमध्ये प्रतिलेखनाची क्रिया थोड्याफार फरकाने सारखीच असते. आदिकेंद्रकी सजीवांमध्ये प्रतिलेखन पेशीद्रवामध्ये घडते. दृश्यकेंद्रकी सजीवांमध्ये केंद्रक आणि तंतुकणिकांमध्ये (Mitochondria) प्रतिलेखन होते. आदिकेंद्रकी सजीवांमध्ये एकच आरएनए पॉलिमरेज विकर आढळते, तर दृश्यकेंद्रकी सजीवांमध्ये आरएनए पॉलिमरेजचे तीन प्रकार आढळतात. दृश्यकेंद्रकी सजीवांमधील ही प्रक्रिया क्लिष्ट असते. विविध साहाय्यक तसेच नियंत्रक घटक या प्रक्रियेत महत्त्वाची भूमिका बजावतात. प्रतिलेखनाच्या प्रारंभ (Initiation), विस्तार (Elongation) आणि समाप्ती (Termination) अशा तीन पायऱ्या आढळल्या आहेत (आ.१.).

(१) प्रारंभ (Initiation) : ज्या जनुकापासून प्रथिन बनवायचे आहे त्या जनुकाच्या प्रारंभ टोकापासून आरएनए पॉलिमरेज विकर द्विसर्पिल डीएनएशी संलग्न होते. पॉलिमरेज विकराला वाचनाची जागा अचूक सापडावी यासाठी प्रत्येक जनुकांच्या सुरुवातीला एक ठराविक क्रम असतो. या क्रमाला प्रवर्तक (Promoter) असे म्हणतात. प्रवर्तक जनुक पॉलिमरेज विकराला आरएनए शृंखला जुळवण्यास सुरू करण्याचा संदेश देते. परिचय स्थानी चिकटताच आरएनए पॉलिमरेज डीएनएच्या दोन शृंखला उलगडून वेगळ्या करते. ज्या शृंखलेचे वाचन सुरू होते, तिला साचा शृंखला (Template strand) म्हणतात. तर विरुद्ध शृंखलेस अभाषांतरी शृंखला (Noncoding strand) म्हटले जाते. साचा शृंखला ३’- ५’ दिशेने वाचली जाते. त्यासाठी तयार होणाऱ्या आरएनए साखळीची दिशा ५’-३’ अशी असते. उकललेल्या डीएनए शृंखला व त्यांना जोडलेला पॉलिमरेज रेणू एखाद्या बुडबुड्याप्रमाणे दिसतो. या संरचनेला प्रतिलेखन फुगवटा (Transcription bubble) असे म्हणले जाते. पहिले रायबोन्यूक्लिओटाइड डीएनएवर जेथे जोडले जाते त्या स्थानाला प्रारंभ-स्थळ (Initiation site) म्हणून ओळखतात. हे स्थान ‘+१’ असे चिन्हांकित केले जाते. प्रारंभ स्थानाच्या आधीची न्यूक्लिओटाइड ‘पूर्व’ (Upstream) तर नंतर येणारी न्यूक्लिओटाइड ‘उत्तर-’(Downstream) म्हणून वाचली जातात.

(२) विस्तार (Elongation) : प्रारंभ स्थळापासून आरएनए पॉलिमरेज डीएनएवरील न्यूक्लिओटाइड एकेक करून क्रमाने वाचत जाते व पूरक रायबोन्यूक्लिओटाइड जोडत जाते. जशीजशी आरएनए शृंखला पुढे सरकत जाते, तसतशा डीएनएच्या शृंखला उलगडत जातात आणि प्रतिलेखन फुगवटा पुढे सरकतो. प्रतिलेखन झालेला डीएनए पुन्हा द्विसर्पिलामध्ये एकत्र गुंडाळला जातो. थोडक्यात झिप (Zip; उघडझाप करणारी सरकती साखळी) जशी पुढे सरकते तशी मागील झिप बंद होत जाते, त्याप्रमाणे येथे क्रिया घडते. संदेशवाहक आरएनए शृंखलेची लांबी वाढत जाण्याच्या प्रक्रियेला विस्तार (दीर्घन) म्हणता येईल.

(३) समाप्ती (Termination) : आरएनए साखळी जनुकांच्या शेवटापर्यंत विस्तारली जाते. जनुकांच्या शेवटी असलेल्या क्रमास समाप्ती क्रम म्हणतात (Termination sequence). समाप्ती क्रमापाशी येताच आरएनए पॉलिमरेज प्रतिलेखन थांबवते. एकदा प्रतिलेखन थांबले म्हणजे आरएनए पॉलिमरेज डीएनएपासून वेगळे होते. आरएनए रेणूदेखील डीएनएपासून वेगळा होतो आणि डीएनएची द्विसर्पिल संरचना पूर्ववत होते.

विविध जनुकीय घटक हे प्रतिलेखनाची सुरुवात व शेवट नियंत्रित करतात. एकाच प्रवर्तकामुळे नियंत्रित होणाऱ्या या डीएनए-क्रमाला ऑपेरॉन (Operon) असे म्हणतात. जनुकांची अभिव्यक्ती कमी-अधिक करणारे हे घटक प्रथिन संश्लेषणामध्ये महत्त्वाचे ठरतात. आदिकेंद्रकी सजीवांमध्ये शेवट निश्चित करणारी ऱ्हो (r – Rho dependent and independent termination) नावाची प्रथिने आढळतात. दृश्यकेंद्रकी सजीवांमध्ये विस्तार आणि अंतिम प्रतिलेखन क्रिया अधिक गुंतागुंतीची असते. अनेक प्रथिने या प्रक्रियेत सहभागी असतात.

प्रतिलेखनातून तयार झालेल्या आरएनएला प्राथमिक प्रत (Primary transcript) म्हणतात. आदिकेंद्रकी सजीवांमध्ये प्राथमिक प्रत त्वरित भाषांतरासाठी जाते. परंतु, दृश्यकेंद्रकी सजीवांमध्ये प्रतिलेखनानंतर प्राथमिक प्रतीमध्ये अनेक बदल घडतात. या प्रक्रियांना प्रतिलेखनोत्तर प्रक्रिया (Post-transcriptional modifications) असे म्हणतात. आरएनच्या ५’ टोकाला ७-मिथिल ग्वानोसीन (7-methylguanosine) हे न्यूक्लिओटाइड व ३’ टोकाला पॉलि-ए (Poly A) अर्थात १०० ते २५० ॲडेनीन न्यूक्लिओटाइडची लांबलचक एकसुरी साखळी जोडली जाते. ५’ टोकास असलेला आरएनए रायबोसोमबरोबर बंध जुळवण्यास साहाय्य करतो. तसेच दोन्ही टोकांना भाषांतरित न होणारा अतिरिक्त क्रम असतो. हे क्रम आरएनए विघटक विकरांपासून सुरक्षित ठेवतात. प्राथमिक प्रतीला आणखी एका महत्त्वाच्या प्रक्रियेला त्यानंतर सामोरे जावे लागते. प्राथमिक प्रतीमध्ये जनुके आणि भाषांतरित न होणारे संकेत विखुरलेले असतात. भाषांतरित न होणाऱ्या आज्ञावलींना इंट्रॉन (Intron), तर भाषांतरित होणाऱ्या जनुकांना एक्सॉन (Exon) असे संबोधतात. इंट्रॉन वगळून फक्त जनुके दर्शवणाऱ्या आज्ञावली ठेवण्याच्या प्रक्रियेला समबंधन (Splicing; तुकडे करणे व जुळवणे) म्हणतात. सुमारे १५० पेक्षा अधिक प्रथिने व ५ लघु-आरएनए (snRNA) या प्रक्रियेत सहभागी असतात. प्रथिने व लघु-आरएनएच्या या संरचनेला स्प्लायसीओसोम (Spliciosome) म्हटले जाते. संपादन पूर्ण झाल्यानंतर प्राथमिक प्रतीचे संदेशवाहक आरएनएमध्ये रूपांतर होते आणि तो भाषांतरासाठी सज्ज होतो.

(आ) भाषांतर (Translation) : संदेशवाहक आरएनएवरील संकेतानुसार अमिनो अम्लांची साखळी जोडणे, म्हणजेच भाषांतर होय. पेशीद्रव्यात तरंगणारे, घट्ट गोलकांप्रमाणे दिसणारे रायबोसोम ही पेशींची प्रथिन-संश्लेषण यंत्रणा असते. रायबोसोमची लहान व मोठे अशी दोन उपांगके (Subunits) असतात. स्थानांतरित आरएनए व संदेशवाहक आरएनए यांना एकत्र आणणे आणि जनुकीय संकेताप्रमाणे अमिनो अम्लांच्या साखळ्या जोडणे ही रायबोसोमची मुख्य कामे आहेत. भाषांतर प्रक्रियेतील दुसरा प्रमुख घटक म्हणजे स्थानांतरित आरएनए होय. ज्याप्रमाणे संदेशवाहक आरएनएवर संकेतत्रयी असतात, त्याप्रमाणे स्थानांतरित आरएनएवर पूरक संकेतत्रयी म्हणजेच प्रतिसंकेत (Anticodon) असतात. प्रत्येक अमिनो अम्लासाठी काही ठराविक प्रतिसंकेत निर्दिष्ट आहेत. प्रतिसंकेताच्या मदतीने योग्य अमिनो अम्ले शोधून ती रायबोसोमपर्यंत पोहोचवण्याचे काम स्थानांतरित आरएनए करतात.

प्रतिलेखनाप्रमाणे भाषांतराच्या प्रारंभ, विस्तार आणि समाप्ती अशा तीन पायऱ्या आहेत.

**आ. २. रायबोसोममध्ये घडणारी भाषांतराची प्रक्रिया**

(१) प्रारंभ (Initiation) : संदेशवाहक आरएनए केंद्रकातून बाहेर पडून पेशीद्रव्यात येतो. रायबोसोम, स्थानांतरित आरएनए आणि अमिनो अम्ले पेशीद्रव्यात तरंगत असतात. मिथिओनीन वाहून आणणारा स्थानांतरित आरएनए रायबोसोमच्या लहान उपांगकाला चिकटतो व भाषांतर सुरू होते. स्थानांतरित आरएनएला जुळण्यासाठी रायबोसोममध्ये ए (Aminoacyl site-A), पी (Peptidyl site-P) आणि ई (Exit site-E) अशी तीन विशिष्ट स्थाने असतात. मिथिओनीन वाहून आणणारा स्थानांतरित आरएनए रायबोसोमच्या लहान उपांगकाला पी-स्थानावर चिकटतो. ५’ टोपीच्या मदतीने हे संपूर्ण संकुल संदेशवाहक आरएनएशी जुळते.

आदिकेंद्रकी सजीवांमध्येही प्रक्रिया थोडी वेगळी असते. रायबोसोमचे लहान उपांगक संदेशवाहक आरएनएला विशिष्ट ठिकाणी चिकटते. या क्रमाला शाइन-डालगार्नोक्रम (Shine-Dalgarno sequence) म्हणतात.

रायबोसोमला सुरुवात अचूक सापडावी यासाठी संदेशवाहक आरएनएच्या सुरुवातीला AUG संकेतत्रयी आढळते. AUG हा प्रारंभ-संकेत (Start Codon) मिथिओनीन (Methionine-Met) या अमिनो अम्लाचा निर्देश करतो. त्यामुळे बहुतेक सर्व प्रथिने मिथिओनीनपासून सुरू होतात. नंतर हे अमिनो अम्ल वेगळे केले जाते.

(२) विस्तार (Elongation) : रायबोसोमवरील ए-स्थान दुसरा संकेत वाचते आणि योग्य स्थानांतरित आरएनए जुळवते. रायबोसोमच्या मोठ्या अंगकामधील पेप्टिडील ट्रान्सफरेज (Peptidyl transferase) हे विकर दोन अमिनो अम्लांमध्ये पेप्टाइड बंध जुळवते. प्रत्येक वेळी पेप्टाइड बंध जुळल्यानंतर संदेशवाहक आरएनए एका त्रयीने पुढे सरकतो. तसेच मोकळा स्थानांतरित आरएनए ए-स्थानावरून बाहेर पडतो. अशाप्रकारे पुढील प्रत्येक संकेतत्रयीचे वाचन होऊन अमिनो अम्लांची साखळी लांबत जाते.

(३) समाप्ती (Termination) : संदेशवाहक आरएनएच्या शेवटी UAA, UAG, UGA यांपैकी एक संकेत आढळतो. हे समाप्ती संकेत (Stop Codon) रायबोसोमला भाषांतर थांबवण्याचा निर्देश देतात. हे संकेत वाचताच रायबोसोम संदेशवाहक आरएनए रेणूपासून वेगळा होतो.

भाषांतरातून तयार झालेल्या प्रथिनांची साखळी म्हणजेच बहुपेप्टाइड (Polypeptide) साखळी होय. या साखळीपासून कार्यक्षम प्रथिने तयार होण्यासाठी त्यावर काही प्रक्रिया केल्या जातात. या प्रक्रियांना भाषांतरोत्तर बदल म्हणतात.

प्रथिन संश्लेषणाची प्रक्रिया पेशीच्या मूलभूत प्रक्रियांपैकी आहे. या प्रक्रियांमध्ये काम करणारे रेणू व नियंत्रक घटक यांच्या सखोल अभ्यासातून मोलाची माहिती मिळत आहे. या संशोधनाच्या आधारे जैववैद्यकामध्ये नवनवीन औषधे व उपचारपद्धतींचा वेध घेतला जात आहे.

पहा : केंद्रकाम्ले; डिऑक्सिरायबोन्यूक्लिइक अम्ल; जनुकीय संकेत; न्यूक्लिइक अम्ल; रायबोसोम, रायबोन्यूक्लिइक अम्ल.

संदर्भ :