Syntéza bílkovin

Definice

Syntéza bílkovin je proces, při kterém se uvnitř buňky vytvářejí polypeptidové řetězce z kódovaných kombinací jednotlivých aminokyselin. Syntéza nových polypeptidů vyžaduje kódovanou sekvenci, enzymy a poselské, ribozomální a přenosové ribonukleové kyseliny (RNA). Syntéza bílkovin probíhá v jádře a ribosomech buňky a je regulována DNA a RNA.

Kroky syntézy bílkovin

Kroky syntézy bílkovin jsou dva. Zaprvé je třeba zkopírovat kód bílkoviny (řetězec aminokyselin v určitém pořadí) z genetické informace obsažené v DNA buňky. Tento počáteční krok syntézy bílkovin se nazývá transkripce.

Transkripcí vzniká přesná kopie úseku DNA. Tato kopie je známá jako messengerová RNA (mRNA), která pak musí být transportována mimo buněčné jádro, aby mohl začít další krok syntézy bílkovin.

Druhým krokem syntézy proteinů je translace. Translace probíhá v buněčné organele zvané ribozom. Poselská RNA se dostává do ribozomu a spojuje se s ním pod vlivem ribozomální RNA a enzymů. Transferová RNA (tRNA) je molekula, která nese jednu aminokyselinu a kódovanou sekvenci, která funguje jako klíč. Tento klíč zapadá do specifické sekvence tří kódů na mRNA a přivádí na místo správnou aminokyselinu. Každá sada tří dusíkatých bází mRNA se nazývá kodon.

Translace a transkripce budou dále vysvětleny mnohem podrobněji. Aby byla syntéza bílkovin jednoduchá, musíme nejprve znát základy.

Polypeptidy a bílkoviny

Výsledkem syntézy bílkovin je řetězec aminokyselin, které byly připojeny článek po článku v určitém pořadí. Tento řetězec se nazývá polymer nebo polypeptid a je konstruován podle kódu založeného na DNA. Polypeptidový řetězec si můžete představit jako řetězec korálků, kde každý korálek hraje roli aminokyseliny. Pořadí, v jakém jsou korálky navlečeny, je opsáno z instrukcí v naší DNA.

Když mluvíme o syntéze bílkovin, je důležité rozlišovat mezi polypeptidovými řetězci a bílkovinami. Všechny bílkoviny jsou polypeptidy, ale ne všechny polypeptidy jsou bílkoviny; jak bílkoviny, tak polypeptidy se však skládají z monomerů aminokyselin.

Rozdíl mezi bílkovinou a polypeptidem je ve formě. Menší řetězce aminokyselin – obvykle méně než čtyřicet – zůstávají jako jednořetězcové a nazývají se polypeptidy. Větší řetězce se musí zabalit pevněji; skládají se do pevných struktur – sekundárních, terciárních a kvartérních. Když se polypeptidový řetězec složí, nazývá se protein.

Polypeptidové řetězce vznikají během translačního procesu syntézy proteinů. Tyto polypeptidy se v pozdější fázi mohou, ale nemusí skládat do proteinů. Termín „syntéza proteinů“ se však používá i ve vědecké komunitě a není nesprávný.

Pochopení syntézy proteinů je snadné, když si představíme naši DNA jako knihu receptů. V této knize jsou uvedeny pokyny, které buňce ukazují, jak vytvořit každou drobnou součást každého systému, orgánu a tkáně v našem těle. Všechny tyto jednotlivé části jsou polypeptidy. Od keratinu ve vlasech a nehtech až po hormony, které proudí vaším krevním oběhem, jsou polypeptidy a bílkoviny základními kameny každé struktury. Naše DNA nekóduje lipidy ani sacharidy – kóduje pouze polypeptidy.

Enzym RNA polymeráza otevírá knihu receptů DNA, která se nachází uvnitř buněčného jádra. Používá určité části kódu jako záložky, aby našla správnou stránku. Tato kniha receptů je napsána v cizím jazyce – mRNA kopíruje to, co je napsáno, aniž by tomu rozuměla. Recepty jsou přeloženy do jazyka, který mohou později rozluštit jiné molekuly. Překladateli jsou ribozomy a tRNA. Ty si recept přečtou a dokážou shromáždit správné ingredience a ve správném pořadí vytvořit hotový polypeptidový produkt.

Sekvence DNA

V jádře jsou dvě vlákna DNA držena pohromadě dusíkatými bázemi (nazývanými také nukleobáze nebo báze). Čtyři báze – cytosin, guanin, adenin a tymin – tvoří písmena slov v receptáři DNA.

Jedno vlákno DNA obsahuje původní kód. Pokud jsou pokyny tohoto kódu pečlivě dodržovány, může být mimo jádro sestaven konkrétní správný polypeptid. Druhé vlákno DNA – templátové vlákno – je zrcadlovým obrazem původního vlákna. Musí být zrcadlovým obrazem, protože nukleobáze se mohou připojit pouze ke komplementárním partnerům. Například cytosin se vždy páruje pouze s guaninem a thymin pouze s adeninem.

Jistě jste se setkali s kódy jako CTA, ATA, TAA a CCC v různých učebnicích biologie. Pokud se jedná o kodony (sady tří bází) původního vlákna DNA, templátové vlákno se k nim připojí pomocí svých partnerů. Na základě uvedených příkladů se tedy templátová DNA připojí k původnímu vláknu DNA pomocí GAT, TAT, ATT a GGG.

Messengerová RNA poté zkopíruje templátové vlákno. To znamená, že nakonec vytvoří přesnou kopii původního vlákna. Jediný rozdíl je v tom, že mRNA nahrazuje thymin bází zvanou uracil. Kopie mRNA templátového vlákna by na základě uvedených příkladů zněla CUA, AUA, UAA a CCC.

Tyto kódy může číst přenosová RNA mimo jádro; předpisu může porozumět molekula, která plně nerozumí jazyku použitému v originále (nerozumí thyminu, pouze uracilu). Transferová RNA pomáhá dopravit správné součástky na montážní linku ribozomu. Tam se sestaví bílkovinný řetězec, který odpovídá instrukcím v původním řetězci DNA.

Příspěvky k syntéze bílkovin

K vytvoření zkopírovaného úseku kódu (transkripci) potřebujeme enzymy zvané RNA polymerázy. Tyto enzymy shromažďují volně se pohybující molekuly messengerové RNA (mRNA) uvnitř jádra a sestavují je do podoby písmen kódu. Každé písmeno kódu DNA má svůj klíč a každé nové písmeno vytvořené mRNA nese zámek, který tomuto klíči vyhovuje, trochu jako tRNA.

Všimněte si, že mluvíme o písmenech. To je důležité. Uvnitř jádra se kódu DNA nerozumí, jednoduše se přepisuje – transkribuje. K pochopení kódu hláskováním slov tvořených těmito písmeny – překladu – dochází až v pozdější fázi.

Polymeráza RNA musí najít a přenést vhodnou molekulu mRNA pro každou dusíkatou bázi na templátovém vlákně. Vybrané molekuly mRNA se spojí a vytvoří řetězec písmen. Nakonec tato písmena vyhláskují ekvivalent věty. Každá věta představuje specifický (polypeptidový) produkt. Pokud není recept přesně dodržen, může být výsledný produkt zcela jiný nebo nemusí fungovat tak dobře, jak by měl.

Messengerová RNA se nyní stala kódem. Ten putuje k další skupině důležitých přispěvatelů, kteří fungují jako výrobní závody. Ribosomy se nacházejí mimo buněčné jádro, buď v buněčné cytoplazmě, nebo jsou připojeny k drsnému endoplazmatickému retikulu; právě ribosomy dělají endoplazmatické retikulum „drsným“.

Ribosom je rozdělen na dvě části a vlákno mRNA jím prochází jako páska staromódním psacím strojem. Ribozom rozpozná a připojí se ke speciálnímu kódu na začátku překládané věty – start kodonu. Do ribozomu vstupují molekuly přenosové RNA a přinášejí s sebou jednotlivé složky. Stejně jako u všech těchto procesů jsou k navázání spojení zapotřebí enzymy.

Jestliže má každý kodon mRNA zámek, tRNA vlastní klíče. Klíč tRNA pro kodon mRNA se nazývá antikodon. Když má molekula tRNA klíč, který odpovídá třínukleobázovému kódu, může otevřít dveře, upustit svůj náklad (aminokyselinu) a opustit továrnu ribosomů, aby si vyzvedla další náklad aminokyselin. Bude to vždy stejný typ aminokyseliny jako antikodon.

Messengerová RNA se posouvá po ribozomu jako na běžícím pásu. U dalšího kodonu přinese další molekula tRNA (se správným klíčem) další aminokyselinu. Tato aminokyselina se naváže na předchozí. Začíná se tvořit řetězec vázaných aminokyselin – polypeptidový řetězec. Po dokončení je tento polypeptidový řetězec přesným finálním produktem vyrobeným podle instrukcí v knize receptů DNA. Ne koláč nebo dort, ale polypeptidový řetězec.

Konec procesu translace kódu mRNA je signalizován stop kodonem. Start a stop kodony nekódují aminokyseliny, ale říkají tRNA a ribozomu, kde má polypeptidový řetězec začít a kde skončit.

Hotový produkt – nově syntetizovaný polypeptid – je uvolněn do cytoplazmy. Odtud může putovat tam, kam je potřeba.

Místo syntézy bílkovin

Místo syntézy bílkovin je dvojí. Transkripce (kopírování kódu) probíhá v buněčném jádře, kde se nachází DNA. Jakmile je vytvořena kopie mRNA malého úseku DNA, putuje jadernými póry do buněčné cytoplazmy. V cytoplazmě se vlákno mRNA pohybuje směrem k volnému ribozomu nebo ribozomu připojenému k drsnému endoplazmatickému retikulu. Pak může začít další krok syntézy bílkovin – translace.

Nové role ribozomů

Průměrná savčí buňka obsahuje více než deset milionů ribozomů. Rakovinné buňky mohou každou minutu produkovat až 7 500 ribozomálních podjednotek (malých a velkých). Na ribozomech jako továrně na výrobu polypeptidů závisí existence, vývoj a funkce každého živého organismu.

Dříve se mělo za to, že eukaryotické ribosomy hrají při syntéze proteinů pouze efektorovou roli (způsobily efekt – nový protein). Nejnovější výzkumy však nyní ukazují, že ribozomy také regulují proces translace. Podílejí se na rozhodování o tom, které bílkoviny budou vyrobeny a v jakém množství. Úspěch a výsledky translace závisí nejen na dostupnosti volných aminokyselin a enzymů – závisí také na kvalitě ribozomů.

Transkripce v syntéze proteinů

Proces transkripce je prvním krokem syntézy proteinů. Tento krok přenáší genetickou informaci z DNA do ribozomů v cytoplazmě nebo drsném endoplazmatickém retikulu. Transkripce se dělí na tři fáze: iniciaci, elongaci a terminaci.

Iniciace

Iniciace vyžaduje dvě zvláštní skupiny bílkovin. První skupinou jsou transkripční faktory – ty rozpoznávají promotorové sekvence v DNA. Promotorová sekvence je úsek kódu, který se nachází na začátku jednoho genu a který ukazuje, kde má začít proces kopírování a jakým směrem má být tento kód čten. Promotor funguje trochu podobně jako startovací kodon u mRNA.

Druhou skupinu proteinů nezbytných pro zahájení transkripce tvoří DNA-dependentní RNA polymerázy (RNAP). Molekula polymerázy RNA se váže na promotor. Jakmile dojde k tomuto spojení, dvouřetězcová DNA se rozvine a otevře (rozpojí).

Spojené báze udržují obě vlákna DNA ve formě dvojité šroubovice. Když se obě vlákna rozpojí, jednotlivé a nyní nespojené báze zůstanou obnažené. Proces rozbalování se opakuje podél úseku DNA pomocí RNAP, dokud není dosaženo bodu zastavení transkripce nebo terminátoru. Iniciace tedy zahrnuje rozpoznání promotorové sekvence a rozbalení úseku DNA pod vlivem transkripčních faktorů a RNA polymeráz.

Elongace

Další fází procesu transkripce je elongace. S odkrytou kódovanou sekvencí mohou RNAP přečíst každou jednotlivou adeninovou, guaninovou, cytosinovou nebo tyminovou bázi na templátovém řetězci a připojit k ní správnou partnerskou bázi. Je důležité si uvědomit, že RNA není schopna replikovat thymin a nahrazuje jej nukleobází známou jako uracil.

Pokud je například krátká sekvence DNA na templátovém vlákně reprezentována C-A-G-T-T-A nebo cytosin-adenin-guanin-thymin-thymin-adenin, RNAP připojí správné partnerské báze získané z populace volně se pohybujících bází v jádře. V tomto příkladu RNA polymeráza připojí guaninovou bázi k cytosinu, uracil k adeninu, cytosin ke guaninu a adenin k tyminu, čímž vznikne vlákno messengerové RNA s kódovanou sekvencí dusíkatých bází G-U-C-A-A-U. Tento proces se opakuje, dokud enzym RNAP nezjistí sekvenci genetického kódu, která jej ukončí – terminátor.

Terminace

Když enzymy RNAP detekují terminátorovou sekvenci, nastává poslední fáze transkripce – terminace. Řetězec RNAP se odpojí od DNA a výsledkem je vlákno messengerové RNA. Tato mRNA nese kód, který nakonec instruuje tRNA, které aminokyseliny má přinést do ribozomu.

Poselská RNA opouští jádro jadernými póry především difuzí, ale někdy potřebuje pomoc transportních enzymů a ATP, aby se dostala na místo určení.

Proces translace při syntéze bílkovin

Během translace se malé a velké podjednotky ribozomu uzavřou nad vláknem mRNA a uvězní ho volně uvnitř. Ribosomy uspořádají vlákno do kodonů neboli sad tří písmen dusíkatých bází. Je to proto, že kód pro jednu aminokyselinu – nejzákladnější formu bílkoviny – je třípísmenný kód nukleobází.

Jelikož ribozomy rozeznávají části kódu, můžeme říci, že mu rozumí. Směsici zkopírovaných písmen vytvořenou ve fázi transkripce lze přečíst a pochopit ve fázi translace.

Například GGU, GGC, GGA a GGG kódují aminokyselinu známou jako glycin. Většina aminokyselin má více kódů, protože to snižuje pravděpodobnost chyb – pokud RNA polymeráza omylem připojí ke GG adenin místo cytosinu, nevadí to. GGC i GGA kódují stejnou aminokyselinu. Seznam kodonů mRNA pro dvacet neesenciálních aminokyselin si můžete prohlédnout zde.

Existuje pouze jeden kód startovacího kodonu – AUG. Tři kodony – TAA, TAG a TGA – představují stop kodony. Start ani stop kodony neodpovídají kódu aminokyseliny; jsou nekódující. Jediný startovací a tři stop kodony jsou na tomto kodonovém kole jasně vyznačeny.

Když se kodon stane viditelným – jakmile byl předchozí kodon spojen s aminokyselinou – část molekuly přenosové RNA zapadne do kodonu mRNA. Tento „klíč“ se nazývá antikodon. Transferová RNA má dvě úlohy – připojit se k aminokyselině mimo ribozom a nasadit tuto aminokyselinu ve správný čas a na správné místo na řetězci mRNA uvnitř ribozomu.

Desítky až tisíce molekul transferové RNA vytvářejí polypeptidový řetězec. Titin neboli connectin je největší molekulou bílkoviny a obsahuje přibližně 33 000 aminokyselin. Nejmenším funkčním polypeptidem je glutathion – pouhé tři aminokyseliny. K výrobě glutathionu musí ribozom a tRNA nejprve přečíst startovací kodon (tři báze), poté přečíst první kodon kódující protein (tři báze), druhý (tři báze), třetí (tři báze) a stop kodon (tři báze). Předpisy (sekvence) kódující DNA a mRNA pro glutathion obsahují devět bází. V rámci tohoto receptu mohou, ale nemusí být další úseky nekódující DNA. Nekódující sekvence nevytvářejí aminokyseliny.

Stejně jako proces transkripce se i translace v rámci ribozomu dělí na tři fáze: iniciaci, elongaci a terminaci.

Iniciace zahrnuje rozpoznání start kodonu mRNA ribozomem. Elongace označuje proces, při kterém se ribozom pohybuje podél transkriptu mRNA, rozpoznává a odhaluje jednotlivé kodony, aby tRNA mohla přinést správné aminokyseliny. Antikodonové rameno tRNA se připojí k příslušnému kodonu mRNA pod vlivem ribozomálních enzymů.

Nakonec dochází k terminaci, když ribozom rozpozná stop kodon mRNA; dokončený polypeptidový řetězec je pak uvolněn do cytoplazmy. Je poslán tam, kam je potřeba – dovnitř buňky nebo do jiných tkání, přičemž buněčnou membránu opouští prostřednictvím exocytózy.

Kvíz

Bibliografie