Biosinteza proteina

Opći plan građe svakog organizma zapisan je u njegovim genima. Geni sadržavaju upute za izgradnju proteina, molekula koje određuju obilježja organizma. 

Kako proizvodnja određenoga proteina određuje obilježja organizma? Pogledajmo na primjeru boje kože. Klikni na karticu.

Biosinteza proteina je proizvodnja proteina u živim bićima.

Pogledaj pojednostavljen način biosinteze proteina u videozapisu.

Transkripcija i translacija esencijalni su procesi za svaku živu stanicu. Bez tih procesa ne bi se mogli sintetizirati proteini koji izgrađuju osnovnu strukturu svake stanice, a također su uključeni u izvršavanje osnovnih procesa koje stanice obavljaju, kao što su transport iona iz stanice i u nju, obnavljanje stanica kože, transport kisika u organizam s pomoću bjelančevine hemoglobin itd. 

Molekula DNA suviše je velika da bi neposredno poslužila kao uputa za sintezu proteina. I stanica u svakom trenutku ne treba ni sve proteine za čiju sintezu posjeduje šifru. U određenom trenutku prema potrebi se uključuju samo određeni geni te se sintetiziraju samo potrebni proteini, stoga je praktično da sintezom proteina upravljaju posredničke molekule RNA. 
Prvi korak u sintezi proteina jest transkripcija, koja se događa u jezgri eukariotske, odnosno citoplazmi prokariotske stanice. Transkripcija je proces prepisivanja nasljedne upute iz molekule DNA u molekulu mRNA. Uloga molekule mRNA jest prijenos nasljedne upute od molekule DNA do ribosoma, stoga je nazivamo glasničkom molekulom RNA (prema engl. messenger – glasnik).

Tijek transkripcije u eukariotskoj stanici možeš pratiti klikom na brojeve slike u prilogu.  

Nasljedna uputa molekule DNA prepisuje se u molekulu mRNA prema pravilu komplementarnosti. Dušična baza citozin molekule DNA bit će prepisana u dušičnu bazu gvanin molekule mRNA, a dušična baza gvanin prepisat će se u citozin. Dušična baza adenin komplementarna je timinu, no naučio si da u molekuli RNA umjesto timina dolazi uracil, stoga će se adenin prepisati u uracil. Timin se pak iz molekule DNA prema pravilu komplementarnosti prepisuje u adenin.

S obzirom na to da je DNA dvolančana molekula, postavlja se pitanje koji se od dvaju lanaca prepisuje u molekulu mRNA, odnosno je li svejedno koji od tih dvaju lanaca prepišemo. Promotrimo sljedeći odsječak dvolančane molekule DNA:

5' TAC GGC CGT ATT 3'     kodirajuću lanac

3' ATG CCG GCA TAA 5'     nekodirajući lanac

Možeš zaključiti da nije svejedno koji se od dvaju lanaca prepisuje jer se uputa u molekuli mRNA razlikuje ovisno o tome koji lanac prepišemo. Nekodirajući lanac je komplementaran molekuli mRNA koja na njemu nastaje, a kodirajući lanac ima istovjetan slijed toj molekuli RNA. Promotrimo još jednom prethodni primjer molekule DNA i kako nastaje molekula mRNA:

5'  ATG GGC CGT ATT 3'     kodirajuću lanac DNA

3'  TAC CCG GCA TAA 5'     nekodirajući lanac DNA

5'  AUG GGC CGU AUU 3'    molekula mRNA

Jedan od načina da se raspoznaju kodirajući i nekodirajući lanci je taj da kodirajući lanac započinje 5' krajem, kao i molekula mRNA. Nekodirajući lanac započinje 3' krajem.

Kodirajuće regije gena nizovi su nukleotida koji sadržavaju informaciju koja će biti prevedena u protein, a nekodirajuće regije dijelovi su gena koji se ne prevode u protein. Količina nekodirajućih regija uvelike nadmašuje količinu kodirajućih. Tako tek 2 % ljudske DNA zauzimaju kodirajući geni. Osim toga, što je organizam složeniji, ima veći udio nekodirajuće DNA u genomu.

Sve tri molekule RNA (mRNA, tRNA i rRNA) sudjeluju u translaciji, odnosno prevođenju nasljedne upute. Tijekom toga procesa nasljedna uputa prepisana u molekulu mRNA u obliku slijeda dušičnih baza prevodi se u slijed aminokiselina proteina. Uloga mRNA je prenošenje genske informacije (u eukariota iz jezgre u citoplazmu) prema kojoj će na ribosomima nastati novi protein. U izgradnji ribosoma bitnih za sintezu proteina sudjeluje rRNA. Aminokiseline potrebne za nastanak proteina donosi tRNA do ribosoma. Aminokiseline se međusobno spajaju peptidnim vezama pri čemu nastaju polipeptidni lanci koji se zatim oblikuju u protein. 

Klikanjem na brojeve, prouči korake u translaciji. 

Postoji dvadeset aminokiselina koje izgrađuju proteine, a samo četiri dušične baze u nukleinskim kiselinama. Kad bi jednu aminokiselinu određivala samo jedna ili dvije baze, ne bi bilo dovoljno kombinacija za svih dvadeset aminokiselina. Zato jednu aminokiselinu određuju tri baze u molekuli DNA. Te tri baze nazivaju se triplet baza. Budući da tri baze određuju jednu aminokiselinu, postoji više od dvadeset različitih kombinacija tih baza, stoga nekoliko tripleta baza može određivati istu aminokiselinu kao što je prikazano u tablici.

Genski je kod univerzalan za sva živa bića, što znači da su isti kodoni šifra za iste aminokiseline u svim organizmima. Univerzalnost genskoga koda jedan je od dokaza o zajedničkome podrijetlu svih živih bića.

I u prokariotskim i u eukariotskim stanicama proteini se sintetiziraju u opisanim procesima transkripcije i translacije. Zbog razlika u građi tih dvaju tipova stanica postoje i razlike u biosintezi proteina.

Prouči ih u tablici.

Prvi je put mehanizam regulacije genske aktivnosti otkriven u prokariota. 

Prouči kako izgleda regulacija genske aktivnosti u prokariota.

Sve tjelesne stanice višestaničnoga organizma nastale su mitozom od jedne početne stanice – zigote, stoga imaju iste gene. Te se stanice ipak međusobno razlikuju po svome izgledu i ulogama. 

U eukariota postoje epigenetički mehanizmi koji kontroliraju aktivnost gena na razini transkripcije. Epigenetika je dio genetike koji se bavi proučavanjem promjena u ekspresiji gena koje nisu rezultat promjena na razini slijeda nukleotida (sekvencije) u molekuli DNA.

Do danas je opisano nekoliko takvih mehanizama epigenetske regulacije, a radi se o reverzibilnim kemijskim promjenama molekule DNA i proteina histona. Te promjene ne mijenjaju genski zapis molekule DNA kao što to čine mutacije, već samo fizička svojstva molekule. Zbog epigenetskih promjena neki je gen više ili manje fizički dostupan za transkripciju.