Synteza białek

Zrozumienie syntezy białek jest łatwe, gdy wyobrazimy sobie nasze DNA jako książkę z przepisami. Ta książka zawiera instrukcje, które pokazują komórce, jak zrobić każdą maleńką część każdego systemu, narządu i tkanki w naszym ciele. Wszystkie te poszczególne części to polipeptydy. Od keratyny w twoich włosach i paznokciach po hormony, które przepływają przez twój krwiobieg, polipeptydy i białka są kamieniami węgielnymi każdej struktury. Nasze DNA nie koduje lipidów ani węglowodanów – koduje tylko polipeptydy.

Ezym polimeraza RNA otwiera książkę z przepisami DNA, która znajduje się wewnątrz jądra komórkowego. Używa pewnych fragmentów kodu jako zakładek, aby znaleźć właściwą stronę. Ta książka z przepisami jest napisana w obcym języku – mRNA kopiuje to, co jest napisane, nie rozumiejąc tego. Przepisy są tłumaczone na język, który inne cząsteczki mogą rozszyfrować w późniejszym czasie. Tłumaczami są rybosomy i tRNA. Odczytują one przepis i potrafią zebrać odpowiednie składniki i w odpowiedniej kolejności stworzyć gotowy produkt polipeptydowy.

Sekwencje DNA

W jądrze dwie nici DNA są utrzymywane razem przez zasady azotowe (zwane również nukleobazami lub zasadami). Cztery zasady – cytozyna, guanina, adenina i tymina – tworzą litery słów w książce z przepisami DNA.

Jedna nić DNA zawiera oryginalny kod. Jeśli instrukcje tego kodu są dokładnie przestrzegane, określony prawidłowy polipeptyd może zostać zmontowany poza jądrem. Druga nić DNA – nić szablonu – jest lustrzanym odbiciem pierwotnej nici. Musi być lustrzanym odbiciem, ponieważ nukleobazy mogą przyłączać się tylko do komplementarnych partnerów. Na przykład, cytozyna łączy się w pary tylko z guaniną, a tymina tylko z adeniną.

Prawdopodobnie widziałeś kody takie jak CTA, ATA, TAA, i CCC w różnych podręcznikach biologii. Jeśli są to kodony (zestawy trzech zasad) oryginalnej nici DNA, to nici szablonu dołączą się do nich używając swoich partnerów. Tak więc, używając podanych przykładów, szablon DNA przyłączy się do oryginalnej nici DNA używając GAT, TAT, ATT i GGG.

Messenger RNA następnie kopiuje nić szablonu. Oznacza to, że w końcu tworzy dokładną kopię oryginalnej nici. Jedyna różnica polega na tym, że mRNA zastępuje tyminę zasadą zwaną uracylem. Kopia mRNA nici szablonu w podanych przykładach to CUA, AUA, UAA i CCC.

Kody te mogą być odczytywane przez transferowe RNA poza jądrem; przepis może być zrozumiany przez cząsteczkę, która nie do końca rozumie język używany w oryginale (nie rozumie tyminy, tylko uracyl). Transferowe RNA pomaga dostarczyć odpowiednie części na linię montażową rybosomu. Tam konstruowany jest łańcuch białkowy, który odpowiada instrukcjom zawartym w oryginalnej nici DNA.

Współtwórcy syntezy białek

Aby wykonać skopiowany odcinek kodu (transkrypcja), potrzebujemy enzymów zwanych polimerazami RNA. Enzymy te zbierają swobodnie pływające cząsteczki posłańczego RNA (mRNA) wewnątrz jądra i składają je w litery kodu. Każda litera kodu DNA ma swój własny klucz, a każda nowa litera utworzona przez mRNA niesie zamek, który pasuje do tego klucza, trochę jak tRNA.

Zauważ, że mówimy o literach. To jest ważne. Wewnątrz jądra kod DNA nie jest rozumiany, jest po prostu kopiowany – przepisywany. Zrozumienie kodu poprzez przeliterowanie słów utworzonych przez te litery – tłumaczenie – następuje na późniejszym etapie.

Polimeraza RNA musi znaleźć i sprowadzić odpowiednią cząsteczkę mRNA dla każdej zasady azotowej na nici szablonu. Wybrane cząsteczki mRNA łączą się ze sobą, tworząc łańcuch liter. Ostatecznie litery te utworzą odpowiednik frazy. Każda fraza reprezentuje określony produkt (polipeptyd). Jeśli przepis nie jest dokładnie przestrzegany, produkt końcowy może być zupełnie inny lub nie działać tak dobrze, jak powinien.

Messenger RNA stało się teraz kodem. Wędruje on do następnej grupy ważnych współpracowników, którzy działają jak zakłady produkcyjne. Rybosomy znajdują się poza jądrem komórkowym, albo w cytoplazmie komórki, albo przyczepione do szorstkiego retikulum endoplazmatycznego; to właśnie rybosomy sprawiają, że retikulum endoplazmatyczne jest „szorstkie”.

Rybosom dzieli się na dwie części, a nitka mRNA przebiega przez niego jak taśma przez staromodną maszynę do pisania. Rybosom rozpoznaje i łączy się ze specjalnym kodem na początku tłumaczonej frazy – kodonem startowym. Cząsteczki transferowego RNA wchodzą do rybosomu, niosąc ze sobą poszczególne składniki. Jak w każdym z tych procesów, do wykonania połączeń potrzebne są enzymy.

Jeśli każdy kodon mRNA ma zamek, tRNA posiada klucze. Klucz tRNA do kodonu mRNA nazywany jest antykodonem. Kiedy cząsteczka tRNA posiada klucz pasujący do kodu trzech nukleobaz, może otworzyć drzwi, zrzucić swój ładunek (aminokwas) i opuścić fabrykę rybosomów, aby zebrać kolejny ładunek aminokwasów. Zawsze będzie to ten sam typ aminokwasu co antykodon.

Messenger RNA przesuwa się wzdłuż rybosomu jak na taśmie produkcyjnej. Przy następnym kodonie kolejna cząsteczka tRNA (z odpowiednim kluczem) przynosi następny aminokwas. Ten aminokwas łączy się z poprzednim. Zaczyna się tworzyć łańcuch połączonych aminokwasów – łańcuch polipeptydowy. Po zakończeniu, ten łańcuch polipeptydowy jest dokładnym produktem końcowym, wyprodukowanym zgodnie z instrukcjami w książce z przepisami DNA. Nie placek czy ciasto, ale łańcuch polipeptydowy.

Koniec procesu translacji kodu mRNA sygnalizowany jest kodonem stop. Kodony startu i stopu nie kodują aminokwasów, ale informują tRNA i rybosom, gdzie łańcuch polipeptydowy powinien się rozpocząć i zakończyć.

Produkt końcowy – nowo zsyntetyzowany polipeptyd – jest uwalniany do cytoplazmy. Stamtąd może przemieszczać się tam, gdzie jest potrzebny.

Miejsce syntezy białka

Miejsce syntezy białka jest dwojakie. Transkrypcja (kopiowanie kodu) zachodzi w obrębie jądra komórkowego, gdzie znajduje się DNA. Gdy kopia mRNA małego odcinka DNA zostanie utworzona, wędruje przez pory jądrowe do cytoplazmy komórki. W cytoplazmie nić mRNA będzie się przemieszczać w kierunku wolnego rybosomu lub przyłączonego do szorstkiego retikulum endoplazmatycznego. Wtedy może rozpocząć się kolejny etap syntezy białka – translacja.

Nowe role dla rybosomów

Przeciętna komórka ssaka zawiera ponad dziesięć milionów rybosomów. Komórki nowotworowe mogą wytwarzać do 7500 podjednostek rybosomalnych (małych i dużych) w każdej minucie. Jako fabryka polipeptydów, istnienie, rozwój i funkcjonowanie każdego żywego organizmu zależy od rybosomów.

Wcześniej sądzono, że rybosomy eukariotyczne odgrywają jedynie role efektorowe w syntezie białka (wywołują efekt – nowe białko). Jednak ostatnie badania pokazują, że rybosomy regulują również proces translacji. Odgrywają one rolę w decydowaniu o tym, które białka są produkowane i w jakich ilościach. Sukces i wyniki translacji zależą nie tylko od dostępności wolnych aminokwasów i enzymów – zależą również od jakości rybosomów.

Transkrypcja w syntezie białek

Proces transkrypcji jest pierwszym etapem syntezy białek. Ten etap przenosi informację genetyczną z DNA do rybosomów w cytoplazmie lub retikulum endoplazmatycznym szorstkim. Transkrypcja jest podzielona na trzy fazy: inicjację, elongację i terminację.

Inicjacja

Inicjacja wymaga dwóch specjalnych grup białek. Pierwsza grupa to czynniki transkrypcyjne – rozpoznają one sekwencje promotorowe w DNA. Sekwencja promotorowa to fragment kodu znajdujący się na początku pojedynczego genu, który pokazuje, gdzie powinien rozpocząć się proces kopiowania i w jakim kierunku ten kod powinien być odczytywany. Promotor działa trochę jak kodon startowy na mRNA.

Druga grupa białek niezbędnych do inicjacji transkrypcji składa się z polimeraz RNA zależnych od DNA (RNAP). Cząsteczka polimerazy RNA wiąże się z promotorem. Po tym połączeniu dwuniciowy DNA odwija się i otwiera (rozpakowuje).

Połączone zasady utrzymują dwie nici DNA w formie podwójnej helisy. Kiedy dwie nici się rozplątują, poszczególne i teraz już niepołączone zasady pozostają odsłonięte. Proces rozpinania jest powtarzany wzdłuż odcinka DNA przez RNAP-y aż do osiągnięcia punktu zatrzymania transkrypcji lub terminatora. Inicjacja polega więc na rozpoznaniu sekwencji promotorowej i rozpakowaniu odcinka DNA pod wpływem czynników transkrypcyjnych i polimeraz RNA.

Elongacja

Kolejną fazą w procesie transkrypcji jest elongacja. Mając odsłoniętą zakodowaną sekwencję, RNAP mogą odczytać każdą pojedynczą zasadę adeninową, guaninową, cytozynową lub tyminową na nici szablonu i przyłączyć do niej właściwą zasadę partnerską. Należy pamiętać, że RNA nie potrafi replikować tyminy i zastępuje ją nukleobazą zwaną uracylem.

Jeśli na przykład krótka sekwencja DNA na nici szablonu jest reprezentowana przez C-A-G-T-A lub cytozynę-adeninę-guaninę-tyminę-tyminę-adeninę, RNAP przyłączą do niej właściwe zasady partnerskie uzyskane z populacji zasad swobodnie pływających w jądrze. W tym przykładzie polimeraza RNA przyłącza zasadę guaninową do cytozyny, uracylową do adeninowej, cytozynową do guaninowej, a adeninową do tyminowej, tworząc nić komunikacyjnego RNA o zakodowanej sekwencji zasad azotowych G-U-C-A-A-U. Proces ten powtarza się, dopóki enzym RNAP nie wykryje sekwencji kodu genetycznego, która go zakończy – terminatora.

Terminacja

Gdy RNAP-y wykryją sekwencję terminatora, następuje ostatnia faza transkrypcji – terminacja. Ciąg RNAP-ów odłącza się od DNA, a wynikiem jest nić posłańczego RNA. Ten mRNA niesie kod, który ostatecznie poinstruuje tRNA, które aminokwasy dostarczyć do rybosomu.

Messenger RNA opuszcza jądro przez pory jądrowe głównie przez dyfuzję, ale czasami potrzebuje pomocy enzymów transportujących i ATP, aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia.

Proces translacji w syntezie białka

Podczas procesu translacji małe i duże podjednostki rybosomu zamykają się nad nićmi mRNA, zatrzymując je luźno wewnątrz. Rybosomy układają nić w kodony lub zestawy trzech liter zasad azotowych. Dzieje się tak dlatego, że kod pojedynczego aminokwasu – najbardziej podstawowej formy białka – jest trzyliterowym kodem nukleobazowym.

Jako że rybosomy rozpoznają części kodu, możemy powiedzieć, że go rozumieją. Zlepek skopiowanych liter, powstały w fazie transkrypcji, może być odczytany i zrozumiany w fazie translacji.

Na przykład GGU, GGC, GGA i GGG kodują aminokwas znany jako glicyna. Większość aminokwasów ma wiele kodów, ponieważ zmniejsza to prawdopodobieństwo pomyłek – jeśli polimeraza RNA przypadkowo połączy adeninę zamiast cytozyny z GG, nie ma to znaczenia. Zarówno GGC jak i GGA kodują ten sam aminokwas. Listę kodonów mRNA dla dwudziestu nieistotnych aminokwasów można zobaczyć tutaj.

Jest tylko jeden kodon startowy – AUG. Trzy kodony – TAA, TAG i TGA – reprezentują kodony stopu. Ani kodon startu, ani kodon stopu nie odpowiadają kodowi aminokwasu; są to kodony niekodujące. Pojedynczy kodon startu i trzy kodony stopu są wyraźnie zaznaczone na tym kole kodonów.

Kiedy kodon staje się widoczny – gdy poprzedni kodon został połączony z aminokwasem – fragment cząsteczki transferowego RNA pasuje do kodonu mRNA. Ten „klucz” nazywany jest antykodonem. Transferowe RNA pełni dwie role – przyłącza się do aminokwasu poza rybosomem i rozmieszcza ten aminokwas we właściwym czasie i we właściwym miejscu na nici mRNA w obrębie rybosomu.

Dziesiątki do tysięcy cząsteczek transferowego RNA wytwarzają łańcuch polipeptydowy. Titin lub connectin jest największą cząsteczką białka i zawiera około 33 000 aminokwasów. Najmniejszym funkcjonalnym polipeptydem jest glutation – zaledwie trzy aminokwasy. Aby wyprodukować glutation, rybosom i tRNA muszą najpierw odczytać kodon startu (trzy zasady), następnie odczytać pierwszy kodon kodujący białko (trzy zasady), drugi (trzy zasady), trzeci (trzy zasady) i kodon stopu (trzy zasady). Przepisy (sekwencje) kodujące DNA i mRNA dla glutationu zawierają dziewięć zasad. W obrębie tego przepisu mogą, ale nie muszą, znajdować się dodatkowe odcinki niekodującego DNA. Sekwencje niekodujące nie produkują aminokwasów.

Tak jak w przypadku procesu transkrypcji, translacja w obrębie rybosomu jest również podzielona na trzy etapy: inicjację, elongację i terminację.

Inicjacja polega na rozpoznaniu przez rybosom kodonu startowego mRNA. Elongacja odnosi się do procesu, w którym rybosom porusza się wzdłuż transkryptu mRNA, rozpoznając i odsłaniając poszczególne kodony, tak aby tRNA mógł przynieść odpowiednie aminokwasy. Ramię antykodonowe tRNA przyłącza się do odpowiedniego kodonu mRNA pod wpływem enzymów rybosomalnych.

W końcu następuje terminacja, gdy rybosom rozpoznaje kodon stop mRNA; zakończony łańcuch polipeptydowy jest wtedy uwalniany do cytoplazmy. Jest on wysyłany wszędzie tam, gdzie jest potrzebny – do wnętrza komórki lub do innych tkanek, opuszczając błonę komórkową na drodze egzocytozy.

Quiz