A fehérjeszintézis

Definíció

A fehérjeszintézis olyan folyamat, amelynek során a sejtben polipeptidláncok képződnek egyes aminosavak kódolt kombinációiból. Az új polipeptidek szintéziséhez kódolt szekvencia, enzimek, valamint hírvivő, riboszomális és transzfer ribonukleinsavak (RNS) szükségesek. A fehérjeszintézis a sejtmagban és a sejt riboszómáiban zajlik, és a DNS és az RNS szabályozza.

A fehérjeszintézis lépései

A fehérjeszintézis lépései kettősek. Először is, a sejt DNS-ében található genetikai információból le kell másolni a fehérje kódját (aminosavak láncolata meghatározott sorrendben). Ezt a kezdeti fehérjeszintézis lépést nevezzük átírásnak.

Az átírás a DNS egy szakaszának pontos másolatát állítja elő. Ez a másolat az úgynevezett hírvivő RNS (mRNS), amelyet ezután a sejtmagon kívülre kell szállítani, mielőtt a fehérjeszintézis következő lépése megkezdődhet.

A második fehérjeszintézis lépés a transzláció. A fordítás egy riboszómának nevezett sejtorganellán belül történik. A hírvivő RNS a riboszóma RNS és az enzimek hatására jut el a riboszómához, és kapcsolódik hozzá. A transzfer RNS (tRNS) egy olyan molekula, amely egyetlen aminosavat és egy kódolt szekvenciát hordoz, amely kulcsként működik. Ez a kulcs illeszkedik az mRNS három kódból álló meghatározott szekvenciájába, és a megfelelő aminosavat hozza a helyére. Az mRNS három nitrogénbázisának minden egyes csoportját kodonnak nevezzük.

A transzkripciót és az átírást a későbbiekben sokkal részletesebben ismertetjük. Ahhoz, hogy a fehérjeszintézis egyszerű legyen, először is ismernünk kell az alapokat.

Polipeptidek és fehérjék

A fehérjeszintézis eredménye egy olyan aminosavlánc, amely láncszemről láncszemre, meghatározott sorrendben kapcsolódik egymáshoz. Ezt a láncot polimernek vagy polipeptidnek nevezzük, és egy DNS-alapú kód szerint épül fel. A polipeptidláncot úgy képzelhetjük el, mint egy gyöngysor, ahol minden egyes gyöngy egy-egy aminosav szerepét tölti be. A gyöngyök sorrendjét a DNS-ünkben található utasításokból másoljuk.

A fehérjeszintézisről beszélve fontos különbséget tenni a polipeptidláncok és a fehérjék között. Minden fehérje polipeptid, de nem minden polipeptid fehérje, azonban mind a fehérjék, mind a polipeptidek aminosav-monomerekből állnak.

A fehérje és a polipeptid közötti különbség a forma. A kisebb aminosavláncok – általában negyvennél kevesebb – egyláncú szálak maradnak, és ezeket polipeptideknek nevezzük. A nagyobb láncoknak szorosabban kell csomagolniuk magukat; rögzített struktúrákba – másodlagos, harmadlagos és negyedleges struktúrákba – hajtogatódnak. Ha egy polipeptidlánc összecsukódik, azt fehérjének nevezzük.

A polipeptidláncok a fehérjeszintézis transzlációs folyamata során alakulnak ki. Ezek a polipeptidek később fehérjékké hajtódhatnak vagy nem hajtódhatnak össze. A “fehérjeszintézis” kifejezést azonban még a tudományos közösségben is használják, és nem helytelen.

A fehérjeszintézis megértése egyszerű, ha a DNS-ünket receptkönyvnek képzeljük el. Ez a könyv felsorolja azokat az utasításokat, amelyek megmutatják a sejtnek, hogyan készítse el testünk minden rendszerének, szervének és szövetének minden apró alkatrészét. Ezek az egyes részek mind polipeptidek. A hajadban és a körmödben lévő keratintól kezdve a véráramodban lévő hormonokig, a polipeptidek és a fehérjék minden szerkezet alapkövei. A DNS-ünk nem kódol lipideket vagy szénhidrátokat – csak polipeptideket kódol.

Az RNS-polimeráz enzim megnyitja a sejtmagban található DNS-receptkönyvet. Bizonyos kódrészleteket könyvjelzőként használ, hogy megtalálja a megfelelő oldalt. Ez a receptkönyv idegen nyelven íródott – az mRNS lemásolja a leírtakat anélkül, hogy megértené azokat. A recepteket lefordítják egy olyan nyelvre, amelyet más molekulák később meg tudnak fejteni. A fordítók a riboszómák és a tRNS. Ők olvassák a receptet, és képesek összegyűjteni a megfelelő összetevőket, és a megfelelő sorrendben elkészíteni a kész polipeptid terméket.

DNS-szekvenciák

A sejtmagban a DNS két szálát nitrogénbázisok (más néven nukleobázisok vagy bázisok) tartják össze. Négy bázis – citozin, guanin, adenin és timin – alkotja a DNS-receptkönyv szavainak betűit.

A DNS egyik szála tartalmazza az eredeti kódot. Ha ennek a kódnak az utasításait gondosan követjük, akkor a sejtmagon kívül összeállhat egy adott helyes polipeptid. A második DNS-szál – a sablonszál – az eredeti szál tükörképe. Tükörképnek kell lennie, mivel a nukleobázisok csak komplementer partnerekhez kapcsolódhatnak. Például a citozin mindig csak guaninnal, a timin pedig csak adeninnel párosul.

Valószínűleg láttál már olyan kódokat, mint a CTA, ATA, TAA és CCC a különböző biológia tankönyvekben. Ha ezek az eredeti DNS-szál kodonjai (három bázisból álló halmazok), akkor a sablonszál ezekhez kapcsolódik a partnereik segítségével. A megadott példákat felhasználva tehát a sablon DNS a GAT, TAT, ATT és GGG használatával kapcsolódik az eredeti DNS-szálhoz.

Az RNS ezután lemásolja a sablonszálat. Ez azt jelenti, hogy végül az eredeti szál pontos másolatát hozza létre. Az egyetlen különbség az, hogy az mRNS a timint egy uracil nevű bázissal helyettesíti. A sablonszál mRNS-másolata a megadott példák alapján CUA, AUA, UAA és CCC lenne.

A kódokat a sejtmagon kívül a transzfer-RNS is le tudja olvasni; a receptet egy olyan molekula is megértheti, amely nem teljesen érti az eredetiben használt nyelvet (nem érti a timint, csak az uracilt). A transzfer RNS segít eljuttatni a megfelelő részeket a riboszóma futószalagjára. Ott egy olyan fehérjelánc épül fel, amely megfelel az eredeti DNS-szálban lévő utasításoknak.

A fehérjeszintézis közreműködői

A másolt kódrészlet elkészítéséhez (transzkripció) az RNS-polimerázoknak nevezett enzimekre van szükségünk. Ezek az enzimek összegyűjtik a magban szabadon lebegő hírvivő RNS (mRNS) molekulákat, és a kód betűit alkotva összeállítják őket. A DNS-kód minden egyes betűjéhez saját kulcs tartozik, és az mRNS által alkotott minden egyes új betű egy ehhez a kulcshoz illő zárat hordoz, kicsit úgy, mint a tRNS.

Megjegyezzük, hogy betűkről beszélünk. Ez fontos. A sejtmagon belül a DNS-kódot nem értjük meg, egyszerűen lemásoljuk – átírjuk. A kód megértése az e betűk által alkotott szavak kibetűzésével – a fordítás – egy későbbi szakaszban történik.

Az RNS-polimeráznak meg kell találnia és át kell hoznia a megfelelő mRNS-molekulát a sablonszál minden nitrogénbázisa számára. A kiválasztott mRNS-molekulák összekapcsolódnak, és egy betűláncot alkotnak. Végül ezek a betűk egy mondat megfelelőjét írják ki. Minden egyes mondat egy adott (polipeptid) terméket képvisel. Ha a receptet nem követjük pontosan, a végtermék teljesen más lehet, vagy nem működik olyan jól, mint kellene.”

A hírvivő RNS mostanra kóddá vált. Továbbutazik a fontos közreműködők következő csoportjához, amelyek gyártóüzemként működnek. A riboszómák a sejtmagon kívül találhatók, vagy a sejt citoplazmájában, vagy a durva endoplazmatikus retikulumhoz kapcsolódva; a riboszómák azok, amelyek az endoplazmatikus retikulumot “durvává” teszik.

A riboszóma két részre oszlik, és az mRNS szál úgy fut rajta keresztül, mint szalag a régimódi írógépen. A riboszóma felismeri a lefordított mondat elején lévő speciális kódot – a startkódont – és csatlakozik hozzá. A transzfer RNS-molekulák belépnek a riboszómába, és magukkal hozzák az egyes összetevőket. Mint minden ilyen folyamathoz, a kapcsolatok létrehozásához enzimekre van szükség.

Ha minden mRNS-kodonhoz tartozik egy zár, a tRNS rendelkezik a kulcsokkal. Az mRNS-kodonhoz tartozó tRNS-kulcsot antikodonnak nevezzük. Ha egy tRNS-molekula birtokában van a három nukleobáziskódnak megfelelő kulcs, kinyithatja az ajtót, ledobhatja a rakományát (egy aminosavat), és elhagyhatja a riboszómagyárat, hogy újabb aminosavrakományt gyűjtsön be. Ez mindig ugyanolyan típusú aminosav lesz, mint az antikodon.

A hírvivő RNS úgy tolódik a riboszómán, mint egy futószalagon. A következő kodonnál egy másik tRNS-molekula (a megfelelő kulccsal) hozza a következő aminosavat. Ez az aminosav az előzőhöz kötődik. Kötött aminosavak lánca kezd kialakulni – egy polipeptidlánc. Amikor elkészül, ez a polipeptidlánc egy pontos végtermék, amelyet a DNS-receptkönyv utasításai szerint gyártanak le. Nem pite vagy torta, hanem polipeptidlánc.

Az mRNS-kód fordítási folyamatának végét egy stop kodon jelzi. A start- és stopkódonok nem aminosavakat kódolnak, hanem azt jelzik a tRNS-nek és a riboszómának, hogy hol kezdődjön és hol végződjön a polipeptidlánc.

A késztermék – az újonnan szintetizált polipeptid – a citoplazmába kerül. Onnan eljuthat oda, ahol szükség van rá.

A fehérjeszintézis helye

A fehérjeszintézis helye kettős. A transzkripció (a kód másolása) a sejtmagban történik, ahol a DNS található. Miután a DNS egy kis szakaszának mRNS-másolata elkészült, az a sejtmag pórusain keresztül a sejt citoplazmájába jut. A citoplazmában az mRNS-szál egy szabad vagy a durva endoplazmatikus retikulumhoz rögzített riboszóma felé halad. Ezután kezdődhet a fehérjeszintézis következő lépése – a transzláció.

Új szerepek a riboszómák számára

Az átlagos emlőssejt több mint tízmillió riboszómát tartalmaz. A rákos sejtek percenként akár 7500 riboszóma alegységet (kis és nagy) is képesek előállítani. Mint polipeptidtermelő gyár, minden élő szervezet léte, fejlődése és működése a riboszómától függ.

Az eukarióta riboszómákról korábban azt gondolták, hogy csak effektor szerepet játszanak a fehérjeszintézisben (hatást okoznak – egy új fehérjét). A legújabb kutatások azonban most azt mutatják, hogy a riboszómák a transzlációs folyamatot is szabályozzák. Részt vesznek annak eldöntésében, hogy milyen fehérjék készülnek és milyen mennyiségben. A transzláció sikere és eredménye nem csak a szabad aminosavak és enzimek elérhetőségétől függ, hanem a riboszómák minőségétől is.

A transzkripció a fehérjeszintézisben

A transzkripciós folyamat a fehérjeszintézis első lépése. Ez a lépés továbbítja a genetikai információt a DNS-ről a citoplazma vagy a durva endoplazmatikus retikulum riboszómáira. A transzkripció három fázisra oszlik: iniciáció, elongáció és termináció.

Iniciáció

Az iniciációhoz két speciális fehérjecsoport szükséges. Az első csoport a transzkripciós faktorok – ezek ismerik fel a DNS-ben lévő promóterszekvenciákat. A promóterszekvencia az egyes gének elején található kódrészlet, amely megmutatja, hogy hol kell elkezdeni a másolási folyamatot, és hogy ezt a kódot milyen irányban kell leolvasni. A promóter egy kicsit úgy működik, mint az mRNS-en a startkódon.

A második, az átírás beindításához szükséges fehérjecsoportot a DNS-függő RNS-polimerázok (RNAP-ok) alkotják. Egy RNS-polimeráz molekula kötődik a promóterhez. Miután ez a kapcsolat létrejött, a kettős szálú DNS kitekeredik és kinyílik (szétnyílik).

A DNS két szálát összekapcsolt bázisok tartják kettős spirál formájában. Amikor a két szál feloldódik, az egyes, immár nem összekapcsolt bázisok szabadon maradnak. A felbontási folyamatot az RNAP-ok a DNS-szakasz mentén addig ismétlik, amíg el nem érik a transzkripció leállási pontját vagy terminátorát. Az indítás tehát egy promotorszekvencia felismerését és a DNS egy szakaszának felbontását jelenti a transzkripciós faktorok és az RNS-polimerázok hatására.

Elongáció

A transzkripciós folyamat következő fázisa az elongáció. A kódolt szekvencia feltárásával az RNAP-ok képesek leolvasni minden egyes adenin-, guanin-, citozin- vagy timinbázist a templátszálon, és a megfelelő partnerbázist összekapcsolni vele. Fontos megjegyezni, hogy az RNS nem képes a timint reprodukálni, és ezt az uracil nevű nukleobázissal helyettesíti.

Ha például a sablonszálon egy rövid DNS-szekvenciát C-A-G-T-T-A vagy citozin-adenin-guanin-thimin-thimin-thimin-adenin képvisel, az RNAP összekapcsolja a megfelelő partnerbázisokat, amelyeket a sejtmagban szabadon lebegő bázisok populációjából kapunk. Ebben a példában az RNS-polimeráz a guanin bázist a citozinhoz, az uracilt az adeninhez, a citozint a guaninhoz, az adenint pedig a timinhez kapcsolja, hogy a G-U-C-C-A-A-A-U kódolt nitrogénbázissorozattal rendelkező hírvivő RNS-szálat alkosson. Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg az RNAP enzim nem észleli a genetikai kód egy olyan szekvenciáját, amely befejezi azt – a terminátort.

Termináció

Amikor az RNAP-ok felismerik a terminátorszekvenciát, az átírás utolsó fázisa – a termináció – következik be. Az RNAP-ok húrja leválik a DNS-ről, és az eredmény egy szál hírvivő RNS lesz. Ez az mRNS hordozza azt a kódot, amely végül utasítja a tRNS-t, hogy milyen aminosavakat vigyen a riboszómához.

A hírvivő RNS elsősorban diffúzióval hagyja el a sejtmagot a nukleáris pórusokon keresztül, de néha transzporterenzimek és ATP segítségére van szüksége ahhoz, hogy elérje a célját.

Transzlációs folyamat a fehérjeszintézisben

A transzlációs folyamat során a riboszóma kis és nagy alegységei az mRNS-szál fölé záródnak, lazán csapdába ejtve azt. A riboszómák a szálat kodonokba vagy három nitrogénbázist tartalmazó betűcsoportokba rendezik. Ennek az az oka, hogy egyetlen aminosav – a fehérje legalapvetőbb formája – kódja egy három betűből álló nukleobáziskód.

Mivel a riboszómák felismerik a kód egyes részeit, mondhatjuk, hogy értik azt. A transzkripciós fázisban készült másolt betűk összevisszasága a transzlációs fázisban olvasható és érthető.

A GGU, GGC, GGA és GGG például a glicin nevű aminosavat kódolja. A legtöbb aminosavnak több kódja van, mivel ez csökkenti a hibázás esélyét – ha az RNS-polimeráz véletlenül adenint kapcsol a citozin helyett a GG-hez, az nem számít. A GGC és a GGA is ugyanazt az aminosavat kódolja. A húsz nem esszenciális aminosav mRNS-kódjainak listáját itt tekintheti meg.

Egyetlen startkódon van – az AUG. Három kodon – TAA, TAG és TGA – stopkódonokat jelent. Sem a start-, sem a stopkódonok nem felelnek meg egy aminosav kódjának; ezek nem kódoló kódok. Az egyetlen start- és a három stopkódon egyértelműen fel van tüntetve ezen a kodonkeréken.

Amikor egy kodon láthatóvá válik – miután az előző kodon egy aminosavhoz kapcsolódik -, a transzfer RNS molekula egy szakasza illeszkedik az mRNS kodonjába. Ezt a “kulcsot” antikodonnak nevezik. A transzfer RNS-nek két szerepe van: a riboszómán kívül kapcsolódik egy aminosavhoz, és a riboszómán belül a megfelelő időben és a megfelelő helyen helyezi el ezt az aminosavat az mRNS-szálon.

Transzfer RNS-molekulák tízezrei állítanak elő egy polipeptidláncot. A titin vagy connectin a legnagyobb fehérjemolekula, és mintegy 33 000 aminosavat tartalmaz. A legkisebb funkcionális polipeptid a glutation – mindössze három aminosav. A glutation előállításához a riboszómának és a tRNS-nek először a startkódont (három bázis), majd az első fehérjét kódoló kodont (három bázis), a másodikat (három bázis), a harmadikat (három bázis) és a stopkódont (három bázis) kell leolvasnia. A glutation kódoló DNS és mRNS receptjei (szekvenciái) kilenc bázist tartalmaznak. Ezen a recepten belül lehetnek vagy nem lehetnek további nem kódoló DNS-szakaszok. A nem kódoló szekvenciák nem termelnek aminosavakat.

Az átírás folyamatához hasonlóan a riboszómán belüli transzláció is három szakaszra oszlik: iniciáció, elongáció és termináció.

A beindítás során a riboszóma felismeri az mRNS startkódont. Az elongáció arra a folyamatra utal, amelynek során a riboszóma végighalad az mRNS-átirat mentén, felismeri és feltárja az egyes kodonokat, hogy a tRNS a megfelelő aminosavakat hozza. A tRNS antikodon karja a riboszómális enzimek hatására kapcsolódik a megfelelő mRNS-kodonhoz.

Végül a termináció következik be, amikor a riboszóma felismeri az mRNS stopkódont; a kész polipeptidlánc ezután a citoplazmába kerül. Oda kerül, ahol szükség van rá – a sejt belsejébe vagy más szövetekbe, a sejtmembránból exocitózison keresztül kilépve.

Kvíz

Bibliográfia