DNA-molekylene våre inneholder gener. Et gen er, som tidligere beskrevet, den delen av et DNA-molekyl som er en oppskrift for et gitt protein. Vi skal nå gjøre enkelt rede for det vi kaller proteinsyntesen. Vi vil få noe mer innsikt i hva som skjer når cellene lager proteiner, og vil dermed kunne forstå mer av hvorfor genetiske feil og genskader kan gi sykdom som utfall.
Proteinsyntesen består av to prosesser (fig. 17): transkripsjon og translasjon. Sagt på en annen måte:
- avlesing og kopiering av DNA-koden, og deretter
- oversettelse til protein.
Det første som skjer er at det lages en kopi av det aktuelle genet. Denne kopien er et mRNA som går ut av cellekjernen til cytoplasma. Her koples mRNA-et til et ribosom som avleser mRNA-et i tre og tre nitrogenbaser om gangen, i kodoner.
For hvert kodon ribosomet avleser, transporterer tRNA tilhørende aminosyre til ribosomet. Ved ribosomet vil aminosyrene koples sammen. Når så ribosomer vandrer langs mRNA-et og leser av kodon for kodon, kopler en og en aminosyre seg på kjeden av de andre aminosyrene, og slik får man en lang rekke aminosyrer. Denne rekken er jo et polypeptid – som er det samme som et protein.
Fig.17 Syntesen av proteiner: Klikk gjennom lysbildene for å lese om syntesen av proteiner
Trinn 1 Transkripsjon – Fra DNA til mRNA: Det første trinnet i proteinsyntesen er at det lages en kopi av det genet som skal brukes. Det vil si, det lages en kopi av oppskriften til det proteinet cellen har bestemt seg for eller fått beskjed om å lage. Selve kopieringen består av at enzym-komplekset RNA polymerase åpner DNA-molekylet i begynnelsen av det aktuelle genet. Enzymet vandrer så langs DNA og kveiler denne opp langs hele det aktuelle genet. Samtidig med at dette skjer danner enzymet en kopi av den ene av de to trådene i DNA-molekylet. Det skjer ved at enzymet kopler sammen nyankommet nitrogenbaser som er komplementære (tilhørende eller passende) til basene i DNA. Slik får vi det vi kaller et mRNA (‘messenger RNA’) som er lik den ene halvdelen av DNA og er således en kopi av genet (Merk! Lik den ene halvdelen av DNA er noe upresist da RNA ikke har nitrogenbasen Tymin, men i stedet Uracil).
Trinn 2 mRNA forlater cellekjernen: Når mRNA er ferdig laget, vil mRNA vandre ut av cellekjernen gjennom porene i denne, og over i cytoplasma. mRNA, altså kopien av det aktuelle genet, er i motsetning til DNA, et enkelttrådet molekyl som består av de fire nitrogenbasene Adenin, Guanin, Cytosin og Uracil (se trinn 3). Langs mRNA-et har vi altså en lang kjede av slike nitrogenbaser, der tre og tre kalles et kodon. Hver kodon er en kode for en gitt aminosyre.
Trinn 3 Et ribosom fester seg til mRNA: Når mRNA har ankommet cytoplasma, vil et ribosom feste seg til det. Ribosomet har to seter (venstre og høyre på figuren). På hvert av disse setene er det plass til ett kodon når mRNA-et ligger på ribosomet slik det er illustrert i figuren. Ribosomet leser av mRNA-et og finner det som kalles START-kodonet. Dette er et kodon bestående av nitrogenbasene A-U-G (se fig. 17). Dette START-kodonet blir liggende i venstre sete, og nå starter det som kalles translasjonen.
Trinn 4 tRNA fester seg: Fra cytoplasma vil det nå først ankomme et tRNA som i den ene enden har et antikodon (UAC) som passer START-kodonet AUG. Antikodonet tiltrekkes av kodonet, og tRNA binder således mRNA på ribsomet. I den andre enden av tRNA henger en gitt aminosyre – i dette tilfellet Metionin. Like etter vil et nytt tRNA ankomme ribosomet og feste seg til kodonet som ligger i ribosomets høyre sete. På figuren er det kodonet AUC, og vi ser at tRNA-et som ankommer har antikodonet UAG. I hvert sete på ribosomet har vi dermed tRNA som matcher mRNA-et sine to første kodon. Begge tRNA har med seg sin aminosyre, og disse to aminosyrene ligger nå like ved siden av hverandre.
Trinn 5 Peptidbinding: På ribosomet har vi nå mRNA og to tRNA som binder hvert sitt kodon på mRNA. Begge tRNA har også hver sin aminosyre som nå ligger inntil hverandre. Ved hjelp av et enzym vil det nå skapes en kjemisk binding mellom de to aminosyrene. Dette er en peptidbinding.
Trinn 6 tRNA slipper taket: Idet peptidbindingen mellom de to aminosyrene er dannet, vil tRNA som sitter i venstre sete på ribosomet endre sin tredimensjonale form noe. Dette medfører at tRNA-et slipper taket både på sin aminosyre og mRNA. Med andre ord løsner det fra ribosom-komplekset, og vandrer ut i cytoplasma på jakt etter en ny aminosyre (metionin) som det kan binde, og er deretter klar for gjenbruk i proteinsyntesen. Samtidig som at tRNA-et som satt i venstre sete slipper taket på ribosomet, flytter ribosomet seg mot høyre på figuren, slik at det nå blir høyre sete som igjen er ledig for et nytt tRNA, og at det tRNA som satt i høyre sete nå sitter i venstre sete og har to aminosyrer i kjede bundet til seg.
Trinn 7 Nytt tRNA ankommer: Etter at ribosomet nå har flyttet seg mot høyre er det altså høyre sete på ribosomet som er ledig. Et nytt tRNA med matchende antikodon til GCA vil sette seg i setet. Dette har med seg sin aminosyre.
Trinn 8 Ny peptidbinding: På ny dannes det en peptidbinding mellom de to aminosyrene som ligger nær hverandre på ribosomet. tRNA som sitter i venstre sete vil nå slippe taket på aminosyren sin og mRNA og forsvinne ut i cytoplasma. Ribosomet på sin side vil flytte seg mot høyre slik at tRNA som på figuren sitter i høyre sete blir sittende i venstre sete og har tre aminosyrer i kjede bundet til seg.
Trinn 9 Peptidkjeden vokser: Vi ser på figuren at tRNA som nå sitter i venstre sete, har tre aminosyrer i kjede bundet til seg. Det høyre sete er igjen ledig, og på ny ankommer et tRNA som matcher kodonet og fester seg til mRNA i dette setet. Det dannes en ny peptidbinding, tRNA i venstre sete slipper taket, og ribosomet vandrer videre møt høyre. Prosessen gjentar seg igjen og igjen, med en voksende peptidkjede på siste tRNA i prosessen.
Trinn 10 STOPP-kodonet: Ribosomet vandrer langs mRNA og peptidkjeden vokser slik vi ser på figuren. Før eller senere vil derimot ribosomet ankomme det vi kaller et STOPP-kodon på mRNA. Proteinsyntesen vil stoppe.
Trinn 11 Proteinsyntesen er over: Når STOPP-kodonet ankommer høyre sete vil hele komplekset bestående av ribosom, mRNA, det siste tRNA og peptidkjeden slippe taket på hverandre. Peptidkjeden vil så enten folde seg og danne sin tredimensjonale struktur og/eller vandre inn i endoplasmatisk reticulum der det påbegynner en prosess som ferdigstiller proteinet til et modent og funksjonelt protein. Merk! Det er ikke slik at det bare er ett ribosom som avleser ett mRNA. Det vil kunne være et stort antall ribosomer som leser av ett enkelt mRNA, slik at proteinproduksjonen kan være massiv. F.eks. er det slik at når B-lymfocyttene våre (immunceller) omdannes til plasmaceller, vil disse plasmacellene produsere antistoffer (som er proteiner) i et uhyggelig tempo. Kanskje flere tusen antistoffer per sekund. Vel og merke av mange celler samtidig. Men det forteller likevel at denne proteinsyntesen gjennomføres effektivt og hurtig!
Dersom et gen blir skadd kan det få alvorlige konsekvenser. Det kan skje ved at en nitrogenbase forsvinner, en ekstra kommer til eller at en nitrogenbase blir byttet ut med en annen. Slikt kan oppstå ved overdreven soling, eksponering for stråling eller for skadelige stoffer.
La oss nå tenke oss et vanlig gen som f. eks. består av 300 nitrogenbaser. I genet vårt blir en base ved en feil byttet ut med en annen, f. eks. at A blir byttet ut med G. Det som skjer da, er at vi får feil kodon i mRNA sammenlignet med det normale genet. Feil kodon betyr egentlig bare en ny kode for en aminosyre, men i vårt tilfelle kan denne aminosyren faktisk endre funksjonen til hele proteinet. Årsaken til dette er at hele den tredimensjonale strukturen blir endret noe. Og bare en liten forandring i 3D-strukturen, kan hemme eller ødelegge hele funksjonen, noe som medfører at man taper proteinets egenskap i de cellene det gjelder (for det trenger ikke gjelde i alle kroppens celler).
I sin ytterste konsekvens kan en slik DNA-skade, også kalt mutasjon, være nok til å gi en sykdom.
Sigdcelleanemi er et eksempel på en alvorlig sykdom der kun én aminosyre er endret, sammenlignet med normalproteinet i hemoglobin.