To, jak wyglądamy i jak przebiegają procesy fizjologiczne w naszych ciałach zależy bezpośrednio od budowy odpowiednich białek - białka stanowią bowiem podstawowy budulec naszego ciała. Białkami są też enzymy, od których zależą przemiany biochemiczne, oraz barwniki, decydujące m.in. o kolorze oczu czy włosów. Dlatego też każdy organizm posiada komplet informacji o budowie własnych białek, aby mógł prawidłowo się rozwijać i funkcjonować. Na jej podstawie w komórkach są syntetyzowane odpowiednie cząsteczki o ustalonym z góry przeznaczeniu.

W jaki sposób zakodowana jest informacja o białkach?

Informacja ta jest zakodowana w DNA - kwasie deoksyrybonukleinowym, znajdującym się w jądrze każdej komórki. Cząsteczkę DNA tworzą dwie nici skręcone ze sobą spiralnie - tę strukturę nazywamy a-helisą. Szkielet każdej nici stanowią reszty fosforanowe oraz cukrowe, natomiast właściwymi elementami kodującymi są zasady azotowe. Pojedyncza nić DNA składa się z wielu jednostek zwanych nukleotydami. W skład każdego nukleotydu wchodzi jedna reszta fosforowa, jedna cząsteczka cukru (rybozy) oraz jedna z zasad azotowych. W DNA organizmów żywych występują cztery różne zasady azotowe. Są one dwojakiego rodzaju: większe przestrzennie puryny i mniejsze pirymidyny. Purynami są adenina (A) i guanina (G), natomiast pirymidyny to cytozyna (C) i tymina (T). Cząsteczki zasad azotowych mają tę właściwość, że łączą się ze sobą zgodnie z zasadą komplementarności - zawsze jest to połączenie puryna-pirymidyna. Adenina łączy się z tyminą, natomiast guanina z cytozyną. Dzięki tworzonym w ten sposób wiązaniom wodorowym możliwe jest utrzymanie dwóch nici DNA razem. Tak więc kolejne nukleotydy w nici różnią się między sobą tylko rodzajem zasady azotowej. Kolejność ułożenia nukleotydów, co jest równoznaczne z kolejnością ułożenia zasad w nici, decyduje o rodzaju zakodowanego białka. Jak to możliwe?

Aby to zrozumieć, trzeba wiedzieć co nieco o budowie białek. Tak jak nić DNA zbudowana jest z wielu nukleotydów, tak cząsteczka białka zbudowana jest z wielu aminokwasów, których kolejność decyduje o właściwościach tego białka. Wydawać by się mogło, że można już odgadnąć prostą zależność w budowie obu związków: każda zasada oznacza pewien aminokwas. Jednak nie jest to takie proste, bowiem w białkach organizmów żywych występuje aż dwadzieścia różnych aminokwasów, a zasady azotowe w DNA są tylko cztery! Przyroda musiała więc zastosować kombinację, by za pomocą jedynie czterech znaków (zasad) zaszyfrować dwadzieścia różnych znaczeń (aminokwasów). Gdyby przyjąć, że każdy aminokwas kodowany jest za pomocą dwóch znaków (zasad), to otrzymalibyśmy tylko 42, czyli 16 aminokwasów. Co w takim razie z brakującymi czterema? Załóżmy więc, że szyfrujemy aminokwas za pomocą kombinacji trzech znaków (zasad). Wówczas otrzymujemy 43, czyli aż 64 aminokwasy! Za dużo? Owszem, ale w tym mieści się cała potrzebna dwudziestka i to jest nasz właściwy kod genetyczny. Z resztą kombinacji natura poradziła sobie dzięki degeneracji. Polega ona na tym, że wprawdzie istnieją 64 możliwości, ale jeden rodzaj aminokwasu może być kodowany przez kilka różnych trójek (zwanych kodonami) - rekordziści mają aż sześć różnych kodonów.

PODSUMOWANIE

Najważniejszymi cząstkami w naszych ciałach są białka, syntetyzowane na podstawie informacji zawartej w DNA, a dokładnie na podstawie kolejności ułożenia zasad azotowych.

Rodzaje zasad azotowych w DNA:

Puryny - adenina (A), guanina (G) 

Pirymidyny - tymina (T), cytozyna (C) 

Zasada komplementarności zasad: A=T; CºG 

Informacja o budowie białek jest zaszyfrowana za pomocą kodu genetycznego: 3 nukleotydy w DNA = 1 aminokwas w białku.

Cechy kodu genetycznego:

- trójkowy - 3 kolejne nukleotydy (kodon) oznaczają 1 aminokwas

- niezachodzący - istnieje sztywna "ramka odczytu" kodonów, nukleotyd zaliczony do 

jednego kodonu nie wchodzi w skład kodonu następnego

- bezprzecinkowy - pomiędzy nukleotydami w DNA nie ma żadnych innych elementów

- jednoznaczny - każdy kodon ma określone, niezmienne znaczenie, zawsze oznacza ten sam

i tylko jeden aminokwas

- zdegenerowany - jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów

- kolinearny - kolejność aminokwasów w białku odpowiada kolejności kodonów w DNA

- uniwersalny - dany kodom oznacza ten sam aminokwas we wszystkich organizmach

żywych (są nieliczne wyjątki)

Jak powstają białka?

Realizacja informacji genetycznej, czyli synteza białka na matrycy nici DNA jest procesem złożonym i przebiega w dwóch zasadniczych etapach, a funkcję pośredniczącą pełni kwas rybonukleinowy RNA. Pierwszym etapem realizacji jest transkrypcja, która polega na przepisaniu informacji zawartej w DNA na nić matrycowego RNA. Kolejnym etapem jest translacja, czyli przełożenie sekwencji nukleotydów z mRNA na sekwencję aminokwasów w białku.

Dlaczego w ogóle musi zachodzić transkrypcja? Czy nie można by tworzyć białka bezpośrednio na podstawie DNA? Cząsteczka DNA jest jednak zbyt cenna dla komórki, by narażać ją na szkody, jakie mogłyby powstać podczas syntezy białka. Materiał ten pozostaje więc zamknięty w jądrze komórkowym. Helisa ulega rozpleceniu tylko na krótko, aby informacja mogła zostać bezpiecznie skopiowana. Kopie tworzone są w jądrze w postaci mRNA, a następnie ulegają przemieszczeniu do cytoplazmy komórki. Ich zaletą jest jednoniciowość (co ułatwia dalsze procesy) oraz nietrwałość (co zapobiega gromadzeniu się nadmiaru kopii w komórce). Cząsteczki mRNA powstają zgodnie z zasadą komplementarności zasad azotowych, jednak z tą różnicą, że w RNA zamiast tyminy (T) występuje uracyl (U), który tworzy parę z adeniną (A). Tak więc przykładowo: jeśli w nici DNA obecna jest sekwencja zasad CGGATGATC, to w komplementarnej nici mRNA sekwencja będzie następująca: GCCUACUAG.

Transkrypcja zaczyna się zawsze od miejsca startowego, rozpoznawanego na DNA przez odpowiedni enzym, zwany polimerazą RNA. Nici DNA ulegają rozpleceniu, w wyniku czego ich zasady azotowe mogą przyłączać komplementarne nukleotydy RNA. To dobudowywanie nowej nici następuje tylko na jednej z nici DNA i nazywa się elongacją, czyli wydłużaniem. Powstaje nić mRNA, która następnie odłącza się, a nici DNA ulegają ponownemu spleceniu w helisę.

W tym miejscu należy zaznaczyć, że u organizmów eukariotycznych DNA zawiera wiele fragmentów, które nie kodują żadnej informacji. Są to tzw. introny. Fragmenty kodujące to eksony (egzony). Podczas transkrypcji przepisaniu na mRNA ulega wszystko co znajduje się na DNA, a więc zarówno eksony, jak i introny. Taka kopia nosi nazwę prekursorowego mRNA (pre-mRNA). Introny jednak nie zawierają informacji o białkach, dlatego konieczne jest ich wycięcie przed kolejnym etapem syntezy białka. Proces wycinania intronów i składania eksonów w jedną nić nazywa się obróbką posttranskrypcyjną. Na tym etapie następuje również stabilizacja końców powstałego mRNA poprzez dołączenie do nich odpowiednich nukleotydów. Wszystko to odbywa się jeszcze w jądrze komórkowym, a gotowy, "obrobiony", produkt transportowany jest do cytoplazmy.

Teraz może już rozpocząć się etap translacji. W procesie tym biorą udział rybosomy i tRNA oraz oczywiście powstały wcześniej mRNA. Rybosomy to ziarniste struktury zbudowane z białek i rRNA. Składają się z dwóch podjednostek: mniejszej i większej, do której przyłącza się tRNA. Podjednostki te przez większość czasu pozostają osobno, łączą się dopiero podczas procesu translacji. tRNA pełni funkcje transportujące. Jest to jednoniciowe RNA o kształcie zbliżonym do liścia koniczyny. Na jednym jej końcu znajduje się antykodon, czyli trójka nukleotydów, które będą przyłączać się do komplementarnej trójki na mRNA. Na drugim końcu "koniczynki" znajduje się aminokwas odpowiedni dla kodonu, do którego przyłączy się tRNA. Pozostałe dwa ramiona odpowiadają za prawidłowe rozpoznanie właściwego aminokwasu oraz przyłączenie się do odpowiedniego miejsca na rybosomie.

Translacja zostaje zapoczątkowana przez utworzenie kompleksu inicjującego: do małej, wolnej jednostki rybosomu przyłącza się tRNA niosący metioninę - aminokwas startowy. Cząsteczka ta posiada antykodon UAC, komplementarny do trójki AUG na mRNA. Nić matrycowa dołącza się do kompleksu właśnie tym fragmentem, oznaczającym "start". Teraz przyłącza się jeszcze duża jednostka rybosomu i kompleks inicjujący jest już kompletny. Na dużej jednostce rybosomowej znajdują się dwa miejsca, które mogą wiązać cząsteczki tRNA. W jednym z nich (miejsce P) znajduje się na początku tRNA startowy z metioniną, w drugim miejscu (miejsca A) pozostaje wolny kodon mRNA następujący po AUG. Przyłącza się więc tutaj odpowiedni tRNA z kolejnym aminokwasem (nazwijmy go tutaj nr 2) Gdy dwie cząsteczki tRNA znajdują się obok siebie, pomiędzy niesionymi przez nie aminokwasami wytwarza się wiązanie peptydowe. Teraz następuje przesunięcie rybosomu (translokacja) w taki sposób, że tRNA, który przyniósł metioninę odpada od kompleksu, a tRNA z aminokwasem 2 przesuwa się z miejsca A w miejsce P. Aminokwasy pozostają połączone wiązaniem peptydowym. W ten sposób miejsce A zwalnia się i pojawia się w nim kolejny kodon. Przyłącza się więc tRNA z aminokwasem nr 3, powstaje kolejne wiązanie peptydowe i w ten sposób następuje elongacja, czyli wydłużanie łańcucha aminokwasów. Wydłużanie nici trwa aż do momentu, kiedy w miejscu A rybosomu pojawi się kodon oznaczający "stop", czyli jeden z następujących: UAA, UAG, UGA. Kodony te nie oznaczają żadnego aminokwasu, a więc nic nie przyłącza się do rybosomu - następuje terminacja translacji: cały kompleks się rozpada, uwalniając utworzony do tej pory łańcuch aminokwasów.

U organizmów eukariotycznych rybosomy zlokalizowane są na siateczce wewnątrzplazmatycznej (tzw. "szorstkiej"), tworząc całe zespoły, zwane polisomami. Elongacja łańcucha peptydowego nie odbywa się więc w jednym miejscu mRNA, ale w wielu miejscach naraz. Pozwala to na szybkie uzyskanie wielu kopii potrzebnych białek zanim matryca ulegnie degradacji.

Powstały produkt translacji musi ulec obróbce, by stał się w pełni funkcjonalnym białkiem. Przede wszystkim - nie każde białko zaczyna się od metioniny - aminokwas ten jedynie zapoczątkowuje jego syntezę. Następuje więc wycięcie tego oraz innych fragmentów peptydu, jeśli jest taka potrzeba. Łańcuchy białkowe ulegają też modyfikacji przestrzennej, tworząc helisy i globule. Dopiero teraz można powiedzieć, że informacja zawarta w DNA została w pełni zrealizowana.

PODSUMOWANIE

Etapy syntezy białek:

1. Transkrypcja - przepisanie informacji z DNA na mRNA

a) inicjacja

b) powstanie pre-mRNA

c) obróbka posttranskrypcyjna

2. Transport mRNA z jądra do cytoplazmy

3. Translacja - przełożenie sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów w białku

a) inicjacja (AUG = start)

b) elongacja

c) terminacja (UAG, UAA, UGA = stop)

d) obróbka posttranslacyjna

Różnice w realizacji informacji genetycznej u organizmów eukariotycznych i prokariotycznych:

Org. eukariotyczne

Org. prokariotyczne

Rozdzielenie transkrypcji i translacji w czasie i przestrzeni - najpierw transkrypcja w jądrze, potem translacja w cytoplazmie

Transkrypcja i translacja zachodzą jednocześnie, w tym samym miejscu - na powstającej nici mRNA od razu zaczyna się translacja

Geny nieciągłe (introny i eksony), konieczna obróbka posttranskrypcyjna

Brak intronów, a więc brak obróbki posttranskrypcyjnej

AUG ("start") = metionina

AUG ("start") = formylometionina