5.          Synteza białek

Białka są najważniejszymi składnikami organizmu determinującymi większość jego cech. Tworzą one wielką enzymatyczną maszynerię prowadzącą syntezę DNA i RNA oraz zapewniającą utrzymanie procesów zdobywania energii i produkcji wszelkich związków niezbędnych do życia, wraz z mechanizmami regulującymi przebieg tych procesów, nawet syntezy własnych (białkowych) cząsteczek. Wchodzą one w skład wielu elementów strukturalnych, które decydują o kształcie i ruchliwości komórek i całych organizmów. Można powiedzieć, że żywe organizmy są tym, czym są dzięki zestawowi wytworzonych przez siebie białek.

5.1.                    Proces przepisywania materiału genetycznego

Na początku lat pięćdziesiątych odwieczne pytanie o zasady dziedziczenia mogło wreszcie zostać sformułowane w języku chemii. W jaki sposób cząsteczki DNA powielają się i rekombinują? Dlaczego mutacje zachowują się w kolejnych pokoleniach? W jaki sposób informacja genetyczna przesądza o budowie struktur biologicznych i procesach chemicznych zachodzących w komórkach? Czy przepływ informacji zawartej w DNA jest regulowany w trakcie wzrostu komórki, rozwoju i podczas innych procesów fizjologicznych? W jaki sposób procesy te zmieniają się podczas choroby? Podobne pytania wracały nieustannie w ciągu kilkudziesięciu lat rozwoju genetyki molekularnej. Ogromny postęp badań nad organizmami prokariotycznymi, jaki dokonał się w pierwszej połowie tego okresu, przyniósł odpowiedzi na wiele podstawowych pytań. W procesach genetycznych najważniejszą rolę odgrywają trzy rodzaje cząsteczek: DNA, RNA i białka:

Strzałki wskazują procesy i kierunek przepływu informacji: od DNA do DNA, od DNA przez RNA do białek i od RNA do DNA.

Żeby ciągłość genetyczna między pokoleniami została zachowana, DNA musi być powielany i przekazywany nowym komórkom podczas cyklu podziałowego. Replikacja DNA jest procesem, podczas którego cząsteczka rodzicielska jest podwajana przed przekazaniem jednej z kopii DNA każdej z nowo powstających komórek. Replikacja powinna odznaczać się dużą wiernością, aby nie dochodziło do przekazania błędnej informacji. Co więcej, uszkodzenie (na przykład spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym) oraz przypadkowe błędy (jak wprowadzenie niewłaściwego nukleotydu) w czasie replikacji DNA i pomiędzy cyklami replikacyjnymi powinny być usunięte, a nie przekazane potomnym komórkom. DNA podlega wielu procesom: replikacji, naprawy uszkodzeń, rekombinacji oraz rearanżacji. Dzięki nim organizmy mogą zachować i modyfikować swoje genomy.

Informacja genetyczna przenoszona przez DNA jest zapisana w kolejności ułożenia czterech różnych nukleotydów. Jest to sposób podobny do przedstawiania informacji pisanej w postaci kolejnych liter wydrukowanych na stronie książki. Tak jak zdanie zawiera pewną myśl, tak gen, będąc fragmentem cząsteczki DNA, zawiera jednostkę informacji genetycznej. Komórki muszą rozszyfrować informację, aby mogła ona ujawnić się w postaci odpowiedniej cechy. Na odczytywanie informacji składa się wiele procesów. Noszą one łączne miano ekspresji (wyrażania) genów. W pierwszym etapie różne nukleotydy tworzące gen są przepisywane na cząsteczkę pokrewnego kwasu nukleinowego – RNA. Proces ten nosi nazwę transkrypcji (przepisania genów). W drugim etapie cząsteczka RNA kieruje produkcją innego rodzaju cząsteczki – cząsteczki białka – w procesie zwanym translacją (tłumaczeniem).

Kolejność nukleotydów RNA określa naturę powstającego białka. Ponieważ kolejność nukleotydów w każdym genie (a więc i w powstającym na jego bazie RNA) jest inna, każdy z nich determinuje wytwarzanie innego białka. Często, w uproszczeniu, mówi się, że gen koduje białko. Charakterystyczne cechy komórki i organizmu zależą więc od liczby i rodzajów białek odczytanych z obecnego w nich DNA.

 DNA jest przepisywany na kilka rodzajów RNA, z których tylko jeden ulega translacji na białko. Inne uczestniczą w różnych procesach komórkowych towarzyszących syntezie białka.

Zasadniczo informacja w komórce płynie w jednym kierunku: od DNA do RNA i do białka. W pewnych szczególnych przypadkach możliwy jest przepływ w kierunku odwrotnym – od RNA do DNA – w procesie zwanym odwrotną transkrypcją. Nic natomiast nie wiadomo o tym, aby informacja zawarta w białkach mogła stać się podstawą do wytwarzania odpowiadających im kwasów nukleinowych – czyli, innymi słowy, o odwrotnej translacji. Niemniej jednak, jak zobaczymy w dalszym ciągu, białka są najważniejszymi uczestnikami procesów przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, oraz procesów syntezy nowych cząsteczek białkowych.

 Podstawową cechą procesu przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, zarówno w przypadku replikacji, transkrypcji, jak i odwrotnej transkrypcji, jest odgrywanie przez kwas nukleinowy roli matrycy dla nowo syntezowanej nici o właściwej kolejności nukleotydów. Najważniejsza zasada polega na tym, że porządek nukleotydów A, T, G i C w istniejącej nici-matrycy określa jednoznacznie porządek nici powstającej.

Do zrozumienia zależności między informacją zawartą w cząsteczkach DNA, RNA i białek konieczne są pewne wiadomości na temat ich budowy, ponieważ replikacja DNA i odszyfrowanie informacji genetycznej, podobnie jak wszystkie procesy podtrzymujące życie komórki, są reakcjami chemicznymi. Rozdział ten opisuje najważniejsze właściwości strukturalne makrocząsteczek uczestniczących w procesach dziedziczenia. Informacje te są konieczne dla zrozumienia opisanej w dalszym ciągu roli tych cząsteczek w replikacji DNA i ekspresji genów. Podstawowe właściwości strukturalne DNA, RNA i białek są takie same we wszystkich żywych organizmach, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Jest to znaczące świadectwo jedności świata żywego, a zarazem niezwykłe ułatwienie dla wszystkich zgłębiających tajniki biologii.

5.2.                    Transkrypcja RNA na matrycy DNA

Ekspresja (wyrażanie) wszystkich genów komórki rozpoczyna się od transkrypcji, procesu, podczas którego sekwencja nukleotydów w DNA genu jest kopiowana w powstającym łańcuchu RNA. Transkrypcję przeprowadzają polimerazy RNA. Enzymy te łączą pojedyncze nukleotydy (rybonukleotydy) w nić RNA, a ich kolejność, ustanowiona dzięki łączeniu się komplementarnych zasad, odpowiada sekwencji deoksyrybonukleotydów w nici DNA, służącej za matrycę.

Tak więc nić DNA stanowi podstawę do syntezy RNA; sekwencja DNA: AGTC odpowiada nowo powstającej nici RNA: UCAG. Podczas transkrypcji cząsteczka polimerazy RNA wiąże się z DNA w obrębie pewnej określonej sekwencji, która wyznacza początek genu, czyli z promotorem. Po związaniu z DNA enzym rozdziela jego nici i wybiera jedną z nich jako matrycę do kopiowania. Każdy nukleotyd dodawany do nici RNA jest komplementarny do kolejnego nukleotydu matrycy.

Główne etapy transkrypcji 

Gdy polimeraza RNA przesuwa się od początku do końca sekwencji kodującej gen, każdy nukleotyd dodawany jest do końca rosnącej nici. Nowo powstała nić RNA ma taką samą sekwencję nukleotydów (tylko zamiast T występuje U) i ten sam kierunek, co jedna z nici DNA. Specyficzna sekwencja nukleotydów na końcu genu sygnalizuje zakończenie transkrypcji i uwolnienie ukończonej nici RNA. Odnotujmy, że zależna od DNA synteza nici RNA przypomina zależną od DNA syntezę DNA podczas replikacji; zasadnicze różnice polegają na tym, że tylko jedna z dwóch nici DNA jest kopiowana na RNA oraz że na RNA składają się rybonukleotydy, podczas gdy na DNA – deoksyrybonukleotydy.

W procesie transkrypcji powstają cząsteczki RNA o różnych funkcjach. Geny, które określają sekwencje aminokwasowe białek, ulegają transkrypcji na informacyjny RNA (mRNA). Z innych genów powstają inne typy RNA, z których większość to RNA rybosomowy (rRNA) i RNA transportujący (tRNA). rRNA i tRNA nie kodują białek, są natomiast częścią układu translacyjnego przepisującego RNA na białko. U organizmów prokariotycznych jedna polimeraza RNA jest zaangażowana w produkcję wszystkich typów RNA. Mechanizmy regulujące produkcję RNA u eukariontów natomiast są bardziej złożone – organizmy te wykorzystują trzy różne rodzaje polimeraz RNA, z których każda uczestniczy w produkcji RNA innego typu.

5.3.                    Translacja od RNA do białek

Proces, w którym sekwencja kodonów mRNA jest tłumaczona na sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, jest skomplikowany i składa się z bardzo wielu powtarzających się kroków. Przeprowadzają go struktury cytoplazmatyczne widoczne pod mikroskopem elektronowym jako drobne obiekty. Są to rybosomy, a każdy z nich składa się z ponad pięćdziesięciu różnych białek i trzech lub czterech różnych rodzajów cząsteczek rRNA. Rybosomy wraz z tRNA tworzą maszynerię, która zamienia sekwencje nukleotydów mRNA na sekwencje aminokwasowe białek. Ale, jak zobaczymy, potrzeba do tego także różnorodnych enzymów i innych białek.

Zauważmy, że w mRNA mogą wystąpić trzy różne serie trójek nukleotydowych, tak zwane ramki odczytu, w zależności od tego, który triplet zostanie wybrany jako pierwszy kodon. W tym przykładzie, tak jak w większości przypadków, dwie ramki (oznaczone jako B i C) są przerwane kodonami stop i nie mogą ulegać translacji. Tylko ramka A jest „otwarta” od początku do końca.

5.4.                    Alternatywne ramki odczytu informacyjnego RNA

W jaki sposób wybierana jest właściwa ramka? Najpierw rybosom i specjalny tRNA niosący cząsteczkę metioniny, którego antykodon może komplementarnie łączyć się z AUG, przyłącza się do mRNA w początkowej pozycji AUG. Są dwa tRNA, które mogą łączyć się z AUG (kodonem start): jeden rozpoczyna wszystkie łańcuchy białkowe od metioniny, drugi zaś służy do wprowadzania metioniny w odpowiedzi na kodony AUG pojawiające się wewnątrz ramki, podczas gdy mRNA ulega translacji.

5.5.                    Inicjacja translacji informacyjnego RNA

Ten specjalny, inicjatorowy tRNA, niosąc cząsteczkę metioniny, przyłącza się razem z rybosomem do kodonu AUG w miejscu startu translacji. Następny aminokwas łańcucha polipeptydowego jest dostarczany do miejsca translacyjnego rybosomu przez tRNA, którego antykodon pasuje do drugiego kodonu mRNA. Pierwsze wiązanie peptydowe powstaje zatem między metioniną a następnym w kolejności aminokwasem: rozpoczyna się synteza łańcucha polipeptydowego. Podczas tłumaczenia każdego kodonu do wydłużającego się łańcucha polipeptydowego dodawany jest jeden aminokwas. Proces ten powtarza się aż do momentu, gdy wszystkie kodony sekwencji kodującej ulegają translacji. Gotowy łańcuch polipeptydowy uwalniany jest z chwilą, gdy aparat translacyjny dotrze do sygnału końca translacji, czyli do jednego z trzech kodonów stop (UAA, UAG lub UGA).

5.6.                    Rybosomy i ich jednoczesne dokonywanie translacji informacyjnego RNA

Ciekawą i ważną cechą translacji jest to, że kilka rybosomów może jednocześnie tłumaczyć cząsteczkę mRNA. Po rozpoczęciu translacji mRNA rybosom przesuwa się od AUG służącego jako kodon inicjatorowy i drugi rybosom może rozpoczynać translację od tego samego kodonu start. Gdy i drugi rybosom przesunie się dalej, trzeci i czwarty rybosom kolejno zajmują miejsca na łańcuchu mRNA w tej samej pozycji startowej i podejmują składanie następnych łańcuchów polipeptydowych. Nieco później pierwszy rybosom kończy składanie produktu polipeptydowego i uwalnia go. Jednocześnie z uwolnieniem kompletnego polipeptydu, rybosom odłącza się od mRNA. W tym czasie inne rybosomy zbliżają się już do ukończenia polipeptydów, które budują. W ten sposób w bardzo krótkim czasie na matrycy jednej nici mRNA może powstać wiele identycznych polipeptydów. Nowe polipeptydy zaczynają się zwijać w aktywną postać białka, zanim jeszcze ich synteza zostanie ukończona. W komórce można znaleźć rybosomy związane z mRNA w różnych pozycjach na całej jego długości, ich położenie świadczy o stopniu zaawansowania translacji.

Są dwie ważne reguły dotyczące kierunku translacji: po pierwsze translacja postępuje od 5' do 3' końca mRNA, po drugie białko rośnie od końca aminowego do karboksylowego. Warto pamiętać, że kierunek ważny jest również przy czytaniu zdań. W różnych językach tekst pisze się w różnych kierunkach. Genetycy przyjęli konwencję zgodną z językami europejskimi. Początek „zdania” – 5' koniec mRNA i aminowy koniec polipeptydu – zapisuje się z lewej strony. Zakończenie – 3' koniec mRNA i karboksylowy koniec polipeptydu – są wtedy z prawej strony. Zatem zgodnie z taką konwencją, mRNA jest czytany od lewej ku prawej.