3.4 Próteinmyndun
3.4 Próteinmyndun
Námsmarkmið
Að loknum þessum hluta áttu að geta:
- útskýrt hvernig erfðakóðinn sem geymdur er í DNA ákvarðar hvaða prótein myndast
- lýst umritunarferlinu
- lýst þýðingarferlinu
- fjallað um hlutverk ríbósóma
Áður kom fram að DNA geymir „teikningu“ að byggingu og lífeðlisfræði frumunnar. Með því er átt við að DNA inniheldur upplýsingarnar sem fruman þarf til að mynda afar mikilvægan sameindaflokk: prótein. Flestir byggingarhlutar frumunnar eru að minnsta kosti að hluta úr próteinum og nánast öll starfsemi frumunnar fer fram með aðstoð þeirra. Ensím eru einn mikilvægasti flokkur próteina og hraða nauðsynlegum lífefnafræðilegum hvörfum inni í frumunni. Meðal þessara mikilvægu hvarfa eru myndun stærri sameinda úr smærri efnisþáttum, svo sem við DNA-eftirmyndun eða myndun örpípla, og niðurbrot stærri sameinda í smærri efnisþætti, svo sem þegar efnaorka er unnin úr næringarsameindum. Nánast hvaða frumuferli sem er felur því í sér prótein. Rétt eins og erfðamengi frumunnar er allt DNA-safn hennar er prótínmengi frumunnar allt safn próteina hennar. Próteinmyndun hefst í genum. Gen er starfrænn DNA-bútur sem geymir erfðaupplýsingarnar sem þarf til að mynda prótein. Hvert tiltekið gen geymir kóðann sem þarf til að mynda tiltekið prótein. Genatjáning er ferlið sem umbreytir upplýsingunum í geni í endanlega genaafurð og ákvarðar að lokum byggingu og starfsemi frumunnar með því að stýra því hvaða prótein eru mynduð.
Upplýsingar gena eru túlkaðar á eftirfarandi hátt. Mundu að prótein eru fjölliður, það er keðjur úr mörgum amínósýrum. Basaröð gens, það er röð A-, T-, C- og G-kirna þess, er þýdd í amínósýruröð. Þrennd er röð þriggja DNA-basa sem kóðar fyrir tiltekna amínósýru. Rétt eins og þriggja stafa orðið a-p-i vekur hugmynd um apa gefur þriggja stafa DNA-basakóði til kynna að nota skuli tiltekna amínósýru. DNA-þrenndin CAC, cýtósín, adenín og cýtósín, tilgreinir til dæmis amínósýruna valín. Gen, sem samanstendur af mörgum þrenndum í einstakri röð, geymir því kóðann sem þarf til að mynda heilt prótein úr mörgum amínósýrum í réttri röð (Mynd 3.25). Frumur breyta DNA-kóðanum í próteinafurð í tveimur skrefum og RNA-sameind er milliliðurinn.
Frá DNA til RNA: Umritun
DNA er geymt í kjarnanum en próteinmyndun fer fram í umfryminu. Því þarf milliliður að flytja boð út úr kjarnanum og stýra próteinmynduninni. Þessi milliliður er boðbera-RNA (mRNA), einþátta kjarnsýra sem flytur afrit af erfðakóða eins gens úr kjarnanum og út í umfrymið, þar sem upplýsingarnar eru notaðar til að mynda prótein.
Til eru nokkrar ólíkar gerðir RNA og hver þeirra gegnir sérstöku hlutverki í frumunni. Bygging RNA er svipuð byggingu DNA með fáeinum undantekningum. Í fyrsta lagi eru flestar gerðir RNA, þar á meðal mRNA, einþátta og hafa engan samstæðan þráð, ólíkt DNA. Í öðru lagi er ein súrefnisfrumeind til viðbótar í ríbósasykrunni í RNA miðað við sykruna í DNA. Að lokum inniheldur RNA basann úrasíl í stað týmíns. Því parast adenín alltaf við úrasíl við próteinmyndun.
Genatjáning hefst með umritun, en þá er myndaður mRNA-þráður sem er samstæður viðkomandi geni. Ferlið nefnist umritun vegna þess að mRNA er eins konar umrit, eða afrit, af DNA-kóða gensins. Umritun hefst með svipuðum hætti og DNA-eftirmyndun: hluti DNA vindur ofan af sér og þræðirnir tveir aðskiljast. Aðeins þetta litla svæði DNA er þó opnað. Þrenndirnar í geninu á þessum hluta DNA-sameindarinnar eru notaðar sem mót við umritun samstæðs RNA-þráðar (Mynd 3.26). Tákni er þriggja basa röð í mRNA og nefnist svo vegna þess að táknar kóða beint fyrir amínósýrum. Líkt og DNA-eftirmyndun skiptist umritun í þrjú stig: upphaf, lengingu og lok.
Stig 1: Upphaf. Svæði við upphaf gensins sem nefnist stýrill, tiltekin kirnaröð, kemur umritun af stað.
Stig 2: Lenging. Umritun hefst þegar RNA-pólýmerasi vindur ofan af DNA-bútnum. Annar þráðurinn, sem hér er nefndur kóðunarþráður, verður að móti fyrir genin sem á að kóða. Pólýmerasinn raðar síðan réttu kirni, A, C, G eða U, á móti samstæðum basa á kóðunarþræði DNA. RNA-pólýmerasi er ensím sem bætir nýjum kirnum við vaxandi RNA-þráð. Þannig myndast mRNA-þráður.
Stig 3: Lok. Við enda gensins veldur kirnaröð sem nefnist lúkningarröð því að nýja RNA-sameindin leggst saman. Fellingin veldur því að RNA losnar frá geninu og RNA-pólýmerasanum og umritun lýkur.
Áður en mRNA-sameindin yfirgefur kjarnann og tekur þátt í próteinmyndun er henni breytt á ýmsa vegu. Á þessu stigi er hún því oft nefnd for-mRNA. DNA, og þar með samstætt mRNA, inniheldur til dæmis löng ókóðandi svæði sem kóða ekki fyrir amínósýrum. Hlutverk þeirra er enn ekki að fullu þekkt, en við splæsingu eru þessi ókóðandi svæði fjarlægð úr for-mRNA-umritinu (Mynd 3.27). Splæsikorn, bygging úr ýmsum próteinum og öðrum sameindum, binst mRNA og „splæsir“, eða klippir, ókóðandi svæðin burt. Búturinn sem er fjarlægður úr umritinu nefnist innröð. Útraðirnar sem eftir eru eru tengdar saman. Útröð er RNA-bútur sem verður eftir að splæsingu lokinni. Athyglisvert er að innraðir sem eru fjarlægðar úr mRNA eru ekki alltaf ókóðandi. Þegar mismunandi kóðandi svæði mRNA eru splæst burt myndast að lokum ólík afbrigði próteins með mismunandi byggingu og starfsemi. Þannig getur orðið til mun meiri fjölbreytni próteina og próteinhlutverka. Þegar mRNA-umritið er tilbúið fer það út úr kjarnanum og í umfrymið.
Frá RNA til próteins: Þýðing
Líkt og þegar bók er þýdd úr einu tungumáli á annað þarf að þýða táknana á mRNA-þræði yfir í amínósýrustafróf próteina. Þýðing er myndun amínósýrukeðju sem nefnist fjölpeptíð. Þýðing krefst tvenns: annars vegar „þýðanda“, sameindarinnar sem annast þýðinguna, og hins vegar undirlags þar sem mRNA-þráðurinn er þýddur í nýtt prótein, eins konar „vinnuborð“ þýðandans. Aðrar gerðir RNA gegna báðum þessum hlutverkum. Ríbósómið er undirlagið þar sem þýðing fer fram.
Mundu að mörg ríbósóm frumunnar tengjast hrjúfa frymisnetinu og mynda prótein sem flytjast til Golgikerfisins. Ríbósómal RNA (rRNA) er RNA-gerð sem ásamt próteinum myndar byggingu ríbósómsins. Í umfryminu skiptist hvert ríbósóm í tvo aðskilda hluta, litla og stóra undireiningu. Þegar mRNA-sameind er tilbúin til þýðingar tengjast undireiningarnar tvær og bindast mRNA. Ríbósómið myndar undirlag þýðingarinnar og færir mRNA-sameindina saman við „þýðendasameindirnar“ sem ráða kóða hennar.
Auk þess þarf til próteinmyndunar þýðendasameindir sem „lesa“ mRNA-táknana. Tilfærslu-RNA (tRNA) er RNA-gerð sem flytur viðeigandi amínósýrur að ríbósóminu og tengir hverja nýja amínósýru við þá síðustu þannig að fjölpeptíðkeðjan lengist eina amínósýru í senn. tRNA flytur því tilteknar amínósýrur úr umfryminu til vaxandi fjölpeptíðkeðju. tRNA-sameindir þurfa að þekkja táknana á mRNA og para þá við rétta amínósýru. Bygging tRNA er löguð að þessu hlutverki. Á öðrum enda sameindarinnar er bindistaður fyrir tiltekna amínósýru. Á hinum endanum er basaröð sem samsvarar táknanum fyrir þessa amínósýru. Þriggja basa röðin á tRNA-sameindinni nefnist andtákni. tRNA-sameind sem flytur amínósýruna glýsín hefur til dæmis bindistað fyrir glýsín á öðrum endanum. Á hinum endanum hefur hún andtákna sem er samstæður glýsín-táknanum; GGA er tákni fyrir glýsín og andtákni tRNA væri því CCU. Með tiltekna amínósýru sem farm og samsvarandi andtákna getur tRNA-sameind lesið viðeigandi mRNA-tákna og flutt samsvarandi amínósýru að vaxandi keðjunni (Mynd 3.28).
Líkt og DNA-eftirmyndun og umritun skiptist þýðing í þrjú meginstig: upphaf, lengingu og lok. Upphafið felst í að ríbósóm binst mRNA-umriti. Á lengingarstiginu parast tRNA-andtákni við næsta mRNA-tákna í röðinni. Þegar andtákninn og tákninn hafa parast, en mundu að raðirnar mynda samstæð basapör, færir tRNA amínósýrufarm sinn að vaxandi fjölpeptíðþræðinum sem tengist næstu amínósýru. Ýmis ensím aðstoða við tenginguna og hún krefst orku. tRNA-sameindin losnar síðan frá mRNA-þræðinum, mRNA-þráðurinn færist um einn tákna í ríbósóminu og næsta viðeigandi tRNA kemur með samsvarandi andtákna. Ferlið heldur áfram þar til komið er að síðasta táknanum á mRNA. Hann ber „stöðvunarboð“ sem gefa merki um lok þýðingar og valda því að fullgert, nýmyndað prótein losnar. Gen í DNA-sameindinni er því umritað í mRNA, sem er síðan þýtt í próteinafurð (Mynd 3.29).
Algengt er að nokkur aðliggjandi ríbósóm þýði sama mRNA-umritið samtímis. Það eykur skilvirkni próteinmyndunar. Eitt ríbósóm getur þýtt mRNA-sameind á um það bil einni mínútu. Mörg ríbósóm á sama umriti geta því myndað margfalt fleiri eintök af sama próteini á sömu mínútu. Fjölríbósóm er röð ríbósóma sem þýða einn mRNA-þráð.