Proteinsyntes

Definition

Proteinsyntes är en process där polypeptidkedjor bildas från kodade kombinationer av enskilda aminosyror i cellen. Syntesen av nya polypeptider kräver en kodad sekvens, enzymer och budbärar-, ribosom- och överföringsribonukleinsyror (RNA). Proteinsyntesen sker i cellens kärna och ribosomer och regleras av DNA och RNA.

Proteinsyntesens steg

Proteinsyntesens steg är tvåfaldiga. För det första måste koden för ett protein (en kedja av aminosyror i en viss ordning) kopieras från den genetiska information som finns i cellens DNA. Detta första proteinsyntessteg kallas transkription.

Transkription producerar en exakt kopia av ett avsnitt av DNA. Denna kopia kallas messenger RNA (mRNA) som sedan måste transporteras utanför cellkärnan innan nästa steg i proteinsyntesen kan påbörjas.

Det andra proteinsyntessteget är översättning. Översättningen sker i en cellorganell som kallas ribosom. Budbärar-RNA tar sig till och ansluter sig till ribosomen under påverkan av ribosomalt RNA och enzymer. Transfer-RNA (tRNA) är en molekyl som bär på en enda aminosyra och en kodad sekvens som fungerar som en nyckel. Denna nyckel passar in i en specifik sekvens av tre koder på mRNA och för rätt aminosyra på plats. Varje uppsättning av tre kvävebaser i mRNA kallas för en kodon.

Translation och transkription kommer att förklaras mycket mer ingående längre fram. För att hålla proteinsyntesen enkel måste vi först känna till grunderna.

Polypeptider och proteiner

Resultatet av proteinsyntesen är en kedja av aminosyror som har fästs, länk för länk, i en specifik ordning. Denna kedja kallas en polymer eller polypeptid och är uppbyggd enligt en DNA-baserad kod. Man kan föreställa sig en polypeptidkedja som ett pärlband, där varje pärla spelar rollen som en aminosyra. Ordningen i vilken pärlorna är uppradade kopieras från instruktioner i vårt DNA.

När man pratar om proteinsyntes är det viktigt att göra en skillnad mellan polypeptidkedjor och proteiner. Alla proteiner är polypeptider men inte alla polypeptider är proteiner; dock består både proteiner och polypeptider av aminosyramonomerer.

Skillnaden mellan ett protein och en polypeptid är formen. Mindre kedjor av aminosyror – vanligen färre än fyrtio – förblir som enkelkedjesträngar och kallas polypeptider. Större kedjor måste paketera sig tätare; de viker sig till fasta strukturer – sekundära, tertiära och kvartära. När en polypeptidkedja veckar sig kallas den för ett protein.

Polypeptidkedjor bildas under översättningsprocessen vid proteinsyntesen. Dessa polypeptider kan eller inte kan veckas till proteiner i ett senare skede. Uttrycket ”proteinsyntes” används dock även i forskarsamhället och är inte felaktigt.

Det är lätt att förstå proteinsyntesen när vi föreställer oss vårt DNA som en receptbok. Denna bok listar instruktionerna som visar en cell hur varje liten del av varje system, organ och vävnad i våra kroppar ska tillverkas. Alla dessa enskilda delar är polypeptider. Från keratinet i ditt hår och dina fingernaglar till hormonerna som löper genom ditt blodomlopp är polypeptider och proteiner grundstenarna i varje struktur. Vårt DNA kodar inte för lipider eller kolhydrater – det kodar bara för polypeptider.

Enzymet RNA-polymeras öppnar DNA:s receptbok som sitter inne i cellkärnan. Det använder vissa kodbitar som bokmärken för att hitta rätt sida. Denna receptbok är skriven på ett främmande språk – mRNA kopierar det som står skrivet utan att förstå det. Recepten översätts till ett språk som andra molekyler kan tyda i ett senare skede. Översättarna är ribosomer och tRNA. De läser receptet och kan samla in rätt ingredienser och i rätt ordning göra den färdiga polypeptidprodukten.

DNA-sekvenser

I kärnan hålls två DNA-strängar samman av kvävebaser (även kallade nukleobaser eller baser). Fyra baser – cytosin, guanin, adenin och tymin – bildar bokstäverna i orden i DNA-receptboken.

En DNA-sträng innehåller den ursprungliga koden. Om instruktionerna i denna kod följs noggrant kan en specifik korrekt polypeptid sättas samman utanför kärnan. Den andra DNA-strängen – mallsträngen – är en spegelbild av originalsträngen. Det måste vara en spegelbild eftersom nukleobaser endast kan fästa vid komplementära partner. Till exempel kan cytosin endast paras med guanin och tymin endast paras med adenin.

Du har säkert sett koder som CTA, ATA, TAA och CCC i olika läroböcker i biologi. Om dessa är kodoner (uppsättningar av tre baser) i den ursprungliga DNA-strängen kommer mallsträngen att fästa vid dessa med hjälp av sina partners. Om man använder de givna exemplen kommer mallen att fästa till den ursprungliga DNA-strängen med hjälp av GAT, TAT, ATT och GGG.

Messenger RNA kopierar sedan mallen. Detta innebär att det slutar med att skapa en exakt kopia av den ursprungliga strängen. Den enda skillnaden är att mRNA ersätter tymin med en bas som heter uracil. Den mRNA-kopia av mallsträngen som används i de givna exemplen skulle lyda CUA, AUA, UAA och CCC.

Dessa koder kan avläsas av transfer-RNA utanför kärnan; Receptet kan förstås av en molekyl som inte helt förstår det språk som används i originalet (den förstår inte tymin, bara uracil). Transfer-RNA hjälper till att föra de rätta delarna till ribosomens monteringslina. Där konstrueras en proteinkedja som matchar instruktionerna i den ursprungliga DNA-strängen.

Proteinsyntesens bidragsgivare

För att göra den kopierade kodsträckan (transkription) behöver vi enzymer som kallas RNA-polymeraser. Dessa enzymer samlar in fritt flytande budbärar-RNA-molekyler (mRNA) inne i kärnan och sätter ihop dem till kodens bokstäver. Varje bokstav i DNA-koden har sin egen nyckel och varje ny bokstav som bildas av mRNA har ett lås som passar denna nyckel, lite som tRNA.

Bemärk att vi talar om bokstäver. Detta är viktigt. Inne i kärnan förstås inte DNA-koden, den kopieras helt enkelt ner – den transkriberas. Att förstå koden genom att stava ut de ord som bildas av dessa bokstäver – översätta – sker i ett senare skede.

RNA-polymeraset måste hitta och föra över den passande mRNA-molekylen för varje kvävebas på förlagestråket. Utvalda mRNA-molekyler länkas samman till en kedja av bokstäver. Så småningom kommer dessa bokstäver att stava ut motsvarigheten till en fras. Varje fras representerar en specifik (polypeptid) produkt. Om receptet inte följs exakt kan slutprodukten bli helt annorlunda eller inte fungera så bra som den borde.

Messenger RNA har nu blivit koden. Den reser vidare till nästa grupp av viktiga bidragsgivare som fungerar som tillverkningsanläggningar. Ribosomer finns utanför cellkärnan, antingen i cellens cytoplasma eller fastsatta på det grova endoplasmatiska retiklet; det är ribosomer som gör det endoplasmatiska retiklet ”grovt”.

En ribosom är uppdelad i två delar och mRNA-strängen löper genom den som ett band genom en gammaldags skrivmaskin. Ribosomen känner igen och ansluter sig till en speciell kod i början av den översatta frasen – startkodonet. Transfer-RNA-molekylerna kommer in i ribosomen och för med sig enskilda beståndsdelar. Som i alla dessa processer krävs enzymer för att göra kopplingarna.

Om varje mRNA-kodon har ett lås, besitter tRNA nycklarna. TRNA-nyckeln till en mRNA-kodon kallas anticodon. När en tRNA-molekyl har nyckeln som matchar en kod med tre nukleobaser kan den öppna dörren, släppa av sin last (en aminosyra) och lämna ribosomfabriken för att hämta en annan aminosyralast. Detta kommer alltid att vara samma typ av aminosyra som anticodonet.

Messenger RNA skiftar längs ribosomen som på ett löpande band. Vid nästa kodon tar en annan tRNA-molekyl (med rätt nyckel) med sig nästa aminosyra. Denna aminosyra binder sig till den föregående. En kedja av bundna aminosyror börjar bildas – en polypeptidkedja. När den är färdig är denna polypeptidkedja en exakt slutprodukt som tillverkats enligt instruktionerna i DNA-receptboken. Inte en paj eller en tårta utan en polypeptidkedja.

Avslutet på översättningsprocessen av mRNA-koden signaleras av ett stoppkodon. Start- och stoppkodoner kodar inte för aminosyror utan talar om för tRNA och ribosomen var en polypeptidkedja ska börja och sluta.

Den färdiga produkten – den nysyntetiserade polypeptiden – släpps ut i cytoplasman. Därifrån kan den färdas till den plats där den behövs.

Proteinsyntesens plats

Proteinsyntesens plats är tvåfaldig. Transkription (kopiering av koden) sker i cellkärnan där DNA finns. När mRNA-kopian av en liten del av DNA har gjorts färdas den genom kärnporerna och in i cellens cytoplasma. I cytoplasman rör sig mRNA-strängen mot en fri ribosom eller en som är fäst vid det grova endoplasmatiska retikulumet. Då kan nästa steg i proteinsyntesen – översättning – börja.

Nya roller för ribosomer

Den genomsnittliga däggdjurscellen innehåller mer än tio miljoner ribosomer. Cancerceller kan producera upp till 7 500 ribosomala underenheter (små och stora) varje minut. Som en polypeptidproducerande fabrik är varje levande organisms existens, utveckling och funktion beroende av ribosomen.

Det har tidigare ansetts att eukaryotiska ribosomer endast spelade en effektorroll vid proteinsyntesen (orsakade en effekt – ett nytt protein). Ny forskning visar nu dock att ribosomer även reglerar översättningsprocessen. De spelar en roll när det gäller att bestämma vilka proteiner som tillverkas och i vilka mängder. Translationens framgång och resultat beror på mer än tillgången på fria aminosyror och enzymer – de beror också på ribosomernas kvalitet.

Transkription i proteinsyntesen

Transkriptionsprocessen är det första steget i proteinsyntesen. Detta steg överför genetisk information från DNA till ribosomerna i cytoplasman eller det grova endoplasmatiska retikulumet. Transkriptionen är indelad i tre faser: initiering, förlängning och terminering.

Initiering

Initiering kräver två speciella proteingrupper. Den första gruppen är transkriptionsfaktorer – dessa känner igen promotorsekvenser i DNA. En promotorsekvens är ett avsnitt av kod som finns i början av en enskild gen och som visar var kopieringsprocessen ska börja och i vilken riktning denna kod ska läsas. En promotor fungerar lite som en startkodon på mRNA.

Den andra proteingruppen som är nödvändig för transkriptionens initiering består av DNA-beroende RNA-polymeraser (RNAP). En RNA-polymerasmolekyl binder till promotorn. När denna koppling väl har gjorts rullas det dubbelsträngade DNA:t av och öppnas (unzip).

Förbundna baser håller de två DNA-strängarna i en dubbelhelixform. När de två strängarna öppnas, lämnas de enskilda och nu okombinerade baserna exponerade. Rippningsprocessen upprepas längs DNA-sträckan av RNAP:er tills transkriptionens stoppunkt eller terminator nås. Initiering innebär alltså att en promotorsekvens identifieras och att ett DNA-avsnitt öppnas under påverkan av transkriptionsfaktorer och RNA-polymeraser.

Elongation

Nästa fas i transkriptionsprocessen är elongationen. Med den kodade sekvensen exponerad kan RNAP:erna avläsa varje enskild adenin-, guanin-, cytosin- eller tyminbas på mallsträngen och ansluta rätt partnerbas till den. Det är viktigt att komma ihåg att RNA inte kan replikera tymin och ersätter detta med den nukleobas som kallas uracil.

Om till exempel en kort DNA-sekvens på mallsträngen representeras av C-A-G-T-T-T-A eller cytosin-adenin-guanin-thymin-thymin-adenin-adenin, kommer RNAP att koppla ihop de korrekta partnerbaserna som erhålls från populationer av fritt flytande baser i kärnan. I detta exempel fäster RNA-polymeras en guaninbas till cytosin, uracil till adenin, cytosin till guanin och adenin till tymin för att bilda en sträng av budbärar-RNA med den kodade kvävebaserade bassekvensen G-U-C-A-A-A-U. Denna process upprepas tills RNAP-enzymet upptäcker en sekvens av den genetiska koden som avslutar den – terminatorn.

Terminering

När RNAP:erna upptäcker en terminatorsekvens sker transkriptionens sista fas – terminering. Strängen av RNAP:er kopplar bort sig från DNA:t och resultatet är en sträng av budbärar-RNA. Detta mRNA bär den kod som så småningom kommer att instruera tRNA om vilka aminosyror som ska föras till en ribosom.

Messenger RNA lämnar kärnan via kärnporer främst genom diffusion men behöver ibland hjälp av transportenzymer och ATP för att nå sin destination.

Translationsprocessen i proteinsyntesen

Under översättningsprocessen sluter sig de små och stora underenheterna i en ribosom över en sträng mRNA och fångar den löst inuti. Ribosomerna ordnar strängen i kodoner eller uppsättningar av tre kvävehaltiga basbokstäver. Detta beror på att koden för en enda aminosyra – den mest grundläggande formen av ett protein – är en kod av tre bokstäver av nukleobaser.

Då ribosomerna känner igen delar av koden kan vi säga att de förstår den. Det virrvarr av kopierade bokstäver som gjorts under transkriptionsfasen kan läsas och förstås i översättningsfasen.

Till exempel kodar GGU, GGC, GGA och GGG för aminosyran glycin. De flesta aminosyror har flera koder eftersom detta minskar risken för misstag – om RNA-polymeras råkar koppla adenin i stället för cytosin till GG spelar det ingen roll. Både GGC och GGA kodar för samma aminosyra. Du kan se en lista över mRNA-kodoner för de tjugo icke-essentiella aminosyrorna här.

Det finns bara en kod för startkodon – AUG. Tre kodoner – TAA, TAG och TGA – representerar stoppkodoner. Varken start- eller stoppkodoner motsvarar koden för en aminosyra; de är icke-kodande. De enda start- och tre stoppkodonerna är tydligt markerade på detta kodonhjul.

När ett kodon blir synligt – när det föregående kodonet har kopplats till en aminosyra – passar en del av en transfer-RNA-molekyl in i mRNA-kodonet. Denna ”nyckel” kallas anticodon. Transfer-RNA har två roller – att fästa till en aminosyra utanför ribosomen och att sätta in denna aminosyra vid rätt tidpunkt och i rätt position på en mRNA-sträng inom ribosomen.

Tio till tusentals transfer-RNA-molekyler producerar en polypeptidkedja. Titin eller connectin är den största proteinmolekylen och innehåller cirka 33 000 aminosyror. Den minsta funktionella polypeptiden är glutation – bara tre aminosyror. För att producera glutation måste först ribosomen och tRNA läsa startkoden (tre baser), sedan läsa den första proteinkodande koden (tre baser), den andra (tre baser), den tredje (tre baser) och stoppkoden (tre baser). De kodande DNA- och mRNA-recepten (sekvenserna) för glutation innehåller nio baser. Det kan finnas eller inte finnas ytterligare avsnitt av icke-kodande DNA inom detta recept. Icke-kodande sekvenser producerar inte aminosyror.

Som transkriptionsprocessen är även översättningen inom ribosomen uppdelad i de tre stegen initiering, förlängning och terminering.

Initiering innebär att ribosomen känner igen mRNA:s startkodon. Elongation avser den process genom vilken ribosomen rör sig längs mRNA-transkriptet och känner igen och exponerar enskilda kodoner så att tRNA kan föra med sig rätt aminosyror. Anticodonarmen av tRNA fäster vid lämplig mRNA-kodon under påverkan av ribosomala enzymer.

Slutligt sker terminering när ribosomen känner igen mRNA:s stoppkodon; den färdiga polypeptidkedjan släpps då ut i cytoplasman. Den skickas dit den behövs – inuti cellen eller till andra vävnader, genom att lämna cellmembranet via exocytos.

Quiz