1.2 Od DNA do proteina

Uvod

Otkad je otkrivena struktura molekule DNA sredinom 20. stoljeća, znanstvenici su pokušavali očitati i otkriti uputu sadržanu u njoj. S najvećim interesom istraživali su genom ljudske vrste. Broj nukleotida koji čini genom s 23 para ljudskih kromosoma brzo je i lako određen, no njegovo tumačenje i danas nije u potpunosti poznato.

Slika 1.2.1.: Djelomični prikaz računalne analize sekvencije nukleotida molekule DNA 6. kromosoma u čovjeka.

Biosinteza proteina

Nasljedna uputa sadržana je u molekuli DNA kao sekvencija ili redoslijed dušičnih baza koje ju čine. Pojedini dijelovi molekule, odnosno pojedine sekvencije unutar molekule DNA koje nazivamo geni, sadrže uputu za proizvodnju proteina. U pravilu jedan gen sadrži nasljednu uputu za izgradnju jednoga proteina. Proces pri kojemu se uputa sadržana u genima upotrebljava za izgradnju proteina zove se biosinteza proteina. Biosinteza proteina nužan je proces za svaku stanicu. Nasljedna uputa zapisana u molekuli DNA prvo se prepisuje na molekulu mRNA (eng. messenger RNA = glasnička RNA). Molekula mRNA zatim informaciju prenosi do ribosoma na kojima se stvaraju proteini. Molekula tRNA (transportna RNA) prenosi potrebne aminokiseline do ribosoma.

Slika 1.2.2.: Shematski prikaz biosinteze proteina eukariotske stanice. U jezgri se nasljedna uputa prepiše s molekule DNA na molekulu RNA, a na ribosomima se na temelju prepisane upute stvara protein.

Istražite važnost proteina za normalno funkcioniranje svake stanice.

Zašto je u molekulama DNA zapisana samo informacija za stvaranje proteina kad svaku stanicu i svako tijelo izgrađuju i brojni lipidi, ugljikohidrati i drugi organski spojevi poput vitamina? Klikom na pojedine faze u nastajanju proteina otkrijte njihovu jedinstvenu važnost.

Pogledajte kako iz jednoga polipeptidnog lanca nastaloga na ribosomu nastaje funkcionalni protein.

Budući da u biosintezi proteina bitnu ulogu imaju i molekula DNA i molekula RNA, usporedit ćemo njihovu strukturu i ulogu.

Promotrite razlike u građi molekule RNA i molekule DNA. Navedite razlike između tih dviju molekula.

Razlike između molekula DNA i RNA:

1. molekule RNA sadrže četiri dušične baze: citozin (C), gvanin (G), adenin (A) i uracil (U) umjesto timina

2. molekule RNA sadrže šećer ribozu umjesto deoksiriboze u šećerno-fosfatnoj okosnici

3. molekula RNA izgrađena je od jednoga lanca.

Usporedite tri različite uloge molekule RNA tijekom biosinteze proteina.

Uloge molekule RNA

Molekula mRNA (zeleno) prenosi informaciju o strukturi proteina od molekule DNA do ribosoma.

Molekule tRNA prenose aminokiseline (smeđa kugla) do ribosoma.

Ribosom se sastoji od dviju podjedinica (na slici žuta i crvena). Obje podjedinice izgrađene su od proteina i od molekula rRNA (ribosomska RNA).

Transkripcija i translacija

Biosinteza proteina u stanici odvija se u dvije bitne faze. Prva je transkripcija koja se u eukariota odvija u jezgri stanice. Tijekom transkripcije prepisuje se nasljedna uputa iz molekule DNA na molekulu mRNA. Enzim RNA polimeraza koristi se jednim lancem molekule DNA kao kalupom za nastajanje komplementarnoga lanca mRNA.

Slijed nukleotida u molekuli DNA koji nose uputu za stvaranje proteina organiziran je u triplete, po tri susjedna nukleotida. Slijed nukleotida u molekuli mRNA zove se kodon, također organiziran u triplete. Različite kombinacije dušičnih baza u tripletima na molekuli mRNA nose uputu za jednu od dvadeset aminokiselina koje će izgraditi protein. Jedan triplet nosi uputu za jednu aminokiselinu. Triplet AUG naziva se još i START-kodon jer njime u pravilu započinje slijed u molekuli mRNA. Tripleti UAA, UGA i UAG zovu se STOP-kodoni i oni ne nose uputu za aminokiseline, već označuju završetak biosinteze.
Promotrite koje kombinacije dušičnih baza kodona sadrže uputu za pojedine aminokiseline (kratice).

Prvo	Drugo				Treće
Prvo	U	C	A	G	Treće
U	Phe	Ser	Tyr	Cys	U
	Phe	Ser	Tyr	Cys	C
	Leu	Ser	STOP	STOP	A
	Leu	Ser	STOP	Trp	G
C	Leu	Pro	His	Arg	U
	Leu	Pro	His	Arg	C
	Leu	Pro	Gln	Arg	A
	Leu	Pro	Gln	Arg	G
A	Ile	Thr	Asn	Ser	U
	Ile	Thr	Asn	Ser	C
	Ile	Thr	Lys	Arg	A
	Met	Thr	Lys	Arg	G
G	Val	Ala	Asp	Gly	U
	Val	Ala	Asp	Gly	C
	Val	Ala	Glu	Gly	A
	Val	Ala	Glu	Gly	G

Druga faza biosinteze proteina jest translacija koja se odvija na ribosomima u citoplazmi stanice. Tijekom translacije se na ribosomu tumači uputa na molekuli mRNA tako da se za svaki njezin triplet poveže komplementarna molekula tRNA za koju je vezana aminokiselina. Triplet na molekuli tRNA zove se antikodon.

Slika 1.2.3.: Tijekom translacije molekule tRNA odgovarajućega antikodona vežu se za molekulu mRNA u ribosomu. Donesene aminokiseline vežu se peptidnom vezom u lanac.

Na ribosomu se donesene aminokiseline povezuju peptidnim vezama u polipeptidni lanac. Takav će se lanac naknadno organizirati u svoju 3D strukturu i postati funkcionalni protein.

TRANSKRIPCIJA I TRANSLACIJA

Proučite procese transkripcije i translacije tako da samostalno izradite polipeptidni lanac. U procesu transkripcije klikom na komplementarni RNA nukleotid izradite molekulu mRNA, a u procesu translacije klikom na odgovarajuću aminokiselinu izradite lanac aminokiselina.

Biosinteza proteina u stanici odvija se u dvije bitne faze.
Prva faza biosinteze proteina jest transkripcija.
Transkripcija se u eukariota odvija u jezgri stanice.

Tijekom transkripcije prepisuje se nasljedna uputa iz molekule DNA na molekulu mRNA.
Enzim RNA polimeraza koristi se jednim lancem molekule DNA kao kalupom za nastajanje komplementarnoga lanca mRNA.

Nukleotidi u molekuli DNA nose uputu za stvaranje proteina.

Genski kod sadrži nukleotide organizirane u triplete, sljedove od po tri nukleotida.
Slijed nukleotida u molekuli mRNA zove se kodon, također organiziran u triplete.

Različite kombinacije dušičnih baza u tripletima na molekuli mRNA nose uputu za jednu od dvadeset aminokiselina koje će izgraditi protein.
Jedan triplet nosi uputu za jednu aminokiselinu.
Triplet AUG naziva se još i START-kodon jer njime u pravilu započinje slijed u molekuli mRNA.
Tripleti UAA, UGA i UAG zovu se STOP-kodoni i oni ne nose uputu za aminokiseline, već označuju završetak biosinteze.

Promotrite koje kombinacije dušičnih baza kodona sadrže uputu za pojedine aminokiseline (kratice).

Prvo	Drugo				Treće
Prvo	U	C	A	G	Treće
U	Phe	Ser	Tyr	Cys	U
	Phe	Ser	Tyr	Cys	C
	Leu	Ser	stop	stop	A
	Leu	Ser	stop	Trp	G
C	Leu	Pro	His	Arg	U
	Leu	Pro	His	Arg	C
	Leu	Pro	Gin	Arg	A
	Leu	Pro	Gin	Arg	G
A	lie	Thr	Asn	Ser	U
	lie	Thr	Asn	Ser	C
	lie	Thr	Lys	Arg	A
	Met	Thr	Lys	Arg	G
G	Val	Ala	Asp	Gly	U
	Val	Ala	Asp	Gly	C
	Val	Ala	Glu	Gly	A
	Val	Ala	Glu	Gly	G

Druga faza biosinteze proteina jest translacija.
Translacija se odvija na ribosomima u citoplazmi stanice.
Tijekom translacije se na ribosomu tumači uputa na molekuli mRNA.
Tumačenje upute odvija se tako da se:

za svaki triplet molekule mRNA
poveže se komplementarna molekula tRNA za koju je vezana aminokiselina.

Triplet na molekuli tRNA zove se antikodon.

Prikazana je translacija u stanicama. Ribosom je prikazan kao ljubičasto tijelo kroz koje prolazi plava traka s višebojnim štapićima (nukleotidima). Do ribosoma dolaze molekule prijenosne RNA (tRNA, u obliku ključa). Na krajevima ključa nalazi se aminokiselina (crvena kuglica). Do središnjega ključa (tRNA) dolazi polipetoidni lanac (niz crvenih kuglica).

Slika 1.2.3.: Tijekom translacije molekule tRNA odgovarajućega antikodona vežu se za molekulu mRNA u ribosomu. Donesene aminokiseline vežu se peptidnom vezom u lanac.

Ribosom donesene aminokiseline vezuje se peptidnim vezama u polipeptidni lanac. Takav će lanac naknadno dobiti svoju 3D strukturu i postati funkcionalni protein.

Interaktivni zadatak: TRANSKRIPCIJA I TRANSLACIJA

Transkripcija

Translacija

Nova igra

Citoplazma

Jezgra

molekula DNA

Ribosom

RNA nukleotidi

Prvo	Drugo				Treće
Prvo	U	C	A	G	Treće
U	Phe	Ser	Tyr	Cys	U
	Phe	Ser	Tyr	Cys	C
	Leu	Ser	STOP	STOP	A
	Leu	Ser	STOP	Trp	G
C	Leu	Pro	His	Arg	U
	Leu	Pro	His	Arg	C
	Leu	Pro	Gln	Arg	A
	Leu	Pro	Gln	Arg	G
A	Ile	Thr	Asn	Ser	U
	Ile	Thr	Asn	Ser	C
	Ile	Thr	Lys	Arg	A
	Met	Thr	Lys	Arg	G
G	Val	Ala	Asp	Gly	U
	Val	Ala	Asp	Gly	C
	Val	Ala	Glu	Gly	A
	Val	Ala	Glu	Gly	G

Kraj translacije

Molekula mRNA eukariotskih stanica dodatno se obrađuje prije izlaska iz jezgre. Unutar jednoga gena postoje nekodirajuće regije koje zovemo introni. Oni ne nose uputu za pojedine aminokiseline i potrebno ih je izrezati iz molekule mRNA. Nakon što se introni izrežu, dijelovi koji ostanu međusobno se povežu.

Slika 1.2.4.: Prikaz izrezivanja introna iz molekule mRNA

Razlike u biosintezi proteina eukariota i prokariota

Prokariotske i eukariotske stanice slijede iste faze prilikom biosinteze proteina, no zbog nekih temeljnih razlika u svojoj staničnoj građi one nisu identične.

Istražite neke razlike u biosintezi proteina prokariotskih i eukariotskih stanica u sljedećem shematskom prikazu.

Razlike u biosintezi proteina prokariotske i eukariotske stanice

Mjesto biosinteze

Genski kod

Od gena do proteina

Prokariotske stanice

Prokariotske stanice nemaju jezgru stoga translacija na ribosomima u citoplazmi bakterije može započeti i prije negoli je transkripcija iste mRNA na molekuli DNA završila.

Eukariotske stanice

Transkripcija se u eukariotskim stanicama odvija unutar jezgre. Molekula mRNA zatim izlazi kroz pore jezgre i u citoplazmi dolazi do ribosoma na kojima se odvija translacija.

Prokariotske stanice

Informacija kodirana u mRNA može započeti kodonom AUG, ali česti su i GUG i UUG.

Eukariotske stanice

Uputa za sintezu proteina u mRNA počinje kodonom AUG.

Prokariotske stanice

U jednoj mRNA sadržana je informacija za izgradnju jednog ili nekoliko proteina.

Eukariotske stanice

U jednoj mRNA sadržana je informacija za izgradnju točno jednog proteina.

Za kraj...

Biosinteza proteina jest stanični proces pri kojemu se prema nasljednoj uputi gena na molekuli DNA stvara protein. Odvija se u dvije faze: transkripcija i translacija.
Transkripcija je proces prepisivanja upute iz gena na molekuli DNA na molekulu mRNA.
Translacija je proces stvaranja proteina na ribosomu prema uputi na molekuli RNA.