Kāda ir DNS loma olbaltumvielu sintēzē?

Kodolā ferments atpazīst gēna sākumu un pārvietojas gar DNS, veidojot tai atbilstošu RNS ķēdi. Tiek nolasīta tikai viena no divām DNS virknēm, un izveidotā RNS ir tās papildinošās virknes kopija, kurā timīna vietā ir uracils.

Cilvēkam un citiem augstākajiem organismiem svarīgs ir tas, kas notiek pēc tam. Sākotnējā RNS satur gan kodējošos posmus, gan nekodējošos ielaidumus. Pēdējie tiek izgriezti, un kodējošie posmi tiek savienoti kopā.

Tieši šajā izgriešanā slēpjas viens no cilvēka genoma taupības noslēpumiem. Viens un tas pats gēns, atkarībā no tā, kuri posmi tiek saglabāti, var dot vairākas dažādas olbaltumvielas. Tāpēc olbaltumvielu skaits organismā ir ievērojami lielāks nekā gēnu skaits.

Gatavā informācijas RNS iziet no kodola citoplazmā, kur to satver ribosoma. Ribosoma pārvietojas pa RNS pa trim nukleotīdiem, un katrai šādai trijotnei atbilst viena aminoskābe.

Aminoskābes pienes pārnesējas RNS molekulas. Katrai no tām vienā galā ir noteikta aminoskābe, bet otrā trīs nukleotīdu atpazīšanas vieta, kas pieguļ atbilstošajam kodonam. Tādējādi ķīmisko atbilstību starp trim burtiem un aminoskābi nodrošina nevis ribosoma, bet gan fermenti, kas pareizo aminoskābi piesaista pareizajai pārnesējai RNS.

1. Ribosoma piesaistās informācijas RNS un atrod sākuma kodonu, kas vienmēr kodē metionīnu.
2. Pārnesēja RNS ar atbilstošu aminoskābi pieguļ nākamajam kodonam.
3. Ribosoma izveido saiti starp blakus esošajām aminoskābēm un pavirzās par trim nukleotīdiem.
4. Process atkārtojas, un aminoskābju ķēde aug.
5. Sasniedzot beigu kodonu, kuram nav atbilstošas aminoskābes, ķēde tiek atbrīvota.
6. Izveidotā ķēde salokās telpiskā formā, bieži ar palīgolbaltumvielu atbalstu, un tikai tad kļūst darbotiesspējīga.

Ģenētiskais kods ir atbilstības tabula starp trīs nukleotīdu kombinācijām un aminoskābēm. Tā kā burtu ir četri un vietu trīs, iespējamo kombināciju ir sešdesmit četras, bet aminoskābju, ko izmanto olbaltumvielu veidošanai, ir divdesmit.

No tā izriet, ka kods ir lieks: lielākajai daļai aminoskābju atbilst vairāki kodoni, kas visbiežāk atšķiras tikai ar trešo burtu. Šī liekība nav trūkums, bet aizsardzība: daudzas kļūdas trešajā vietā nemaina nevienu aminoskābi.

Vēl viena koda īpašība ir tā, ka tas ir gandrīz vienāds visās dzīvajās būtnēs, no baktērijas līdz cilvēkam. Tieši tāpēc cilvēka gēnu var ievietot baktērijā, un tā saražos cilvēka olbaltumvielu. Uz šī principa balstās rūpnieciska insulīna un daudzu citu zāļu ražošana.

Viena nukleotīda maiņa var dot ļoti dažādas sekas atkarībā no tā, kur un kāda tā ir. Tieši šī atšķirība izskaidro, kāpēc daļa ģenētisko variantu ir pilnīgi nekaitīgi, bet citi izraisa smagas slimības.

Šie mehānismi nav teorija. Katram izmaiņu veidam atbilst labi zināmas slimības, un tieši izmaiņas veids bieži nosaka slimības smagumu un pat ārstēšanas izvēli.

• Sirpjveida šūnu anēmija: viena aminoskābes maiņa hemoglobīna ķēdē maina molekulas formu un padara eritrocītus cietus un lipīgus.
• Cistiskā fibroze: dažādas izmaiņas vienā gēnā, no kurām atkarīgs, vai olbaltumviela vispār izveidojas vai tikai slikti darbojas.
• Beta talasēmija: izmaiņas, kas traucē vienas hemoglobīna ķēdes ražošanu, un līdzsvars starp ķēdēm tiek izjaukts.
• Dušēna muskuļu distrofija: nolasīšanas rāmja nobīde lielā gēnā, kas atstāj muskuli bez svarīgas balsta olbaltumvielas.
• Audzēju izmaiņas: iegūtas, nevis iedzimtas izmaiņas, kas maina šūnu augšanas regulāciju.

Gēna teksta izmaiņas nosaka ar sekvencēšanu, kas nolasa nukleotīdu secību konkrētā gēnā, visos kodējošos gēnos vai visā genomā. Izmeklējumu izvēli nosaka klīniskā situācija un ģimenes anamnēze.

To, cik daudz konkrēta gēna tiek nolasīts noteiktā audā, mēra, nosakot informācijas RNS daudzumu. Šī pieeja ļauj redzēt nevis to, kas šūnā ir ierakstīts, bet to, ko tā patlaban patiešām dara, un mūsdienās to izmanto arī audzēju raksturošanā.

Uz tiem pašiem principiem balstās arī vairākas ārstēšanas metodes. Daļa mūsdienu vakcīnu ievada šūnā gatavu informācijas RNS, lai tā uz laika pati saražotu vienu vienīgu olbaltumvielu, pret kuru veidojas imūnā atbilde. Citas zāles ir īsas RNS molekulas, kas piesaistās konkrētai informācijas RNS un bloķē tās nolasīšanu vai maina izgriešanas veidu. Šādus izmeklējumus un ārstēšanu nozīmē ģenētiķis, hematologs vai onkologs atkarībā no slimības.

Biežākā kļūda ir domāt, ka DNS tieši veido olbaltumvielas. Tā nenotiek nekad: starp tām vienmēr ir RNS, un cilvēka šūnā olbaltumvielu sintēze notiek citā šūnas nodalījumā nekā DNS glabāšana.

Otra kļūda ir jaukt divus RNS veidus. Informācijas RNS nes tekstu, pārnesēja RNS nes aminoskābes, un vēl viena RNS ietilpst pašā ribosomā. Tās ir trīs dažādas molekulas ar trim dažādiem uzdevumiem.

Trešā ir pieņēmums, ka gēnu daudzums nosaka organisma sarežģītību. Cilvēkam olbaltumvielas kodējošo gēnu ir salīdzinoši maz, un sarežģītība rodas no tā, cik dažādi tie tiek nolasīti, izgriezti un regulēti. Daudzos organismos gēnu ir vairāk nekā cilvēkam.

Mācību shēmā process izskatās kā gluda ražošanas līnija, bet šūnā tā ir pārpildīta un ļoti kontrolēta vide. Liela daļa saražoto ķēžu nekad nekļūst par darbotiesspējīgām olbaltumvielām: tās salokās nepareizi un tiek nekavējoties noārdītas. Šūnā pastāv vesela kvalitātes kontroles sistēma, kas atpazīst nepareizi salocītas olbaltumvielas.

Tieši šīs sistēmas pārslodze ir vairāku slimību pamatā. Ja nepareizi salocītas olbaltumvielas uzkrājas ātrāk, nekā tiek novāktas, tās sakrājas šūnā un to bojā. Šāds mehānisms ir aprakstīts gan neirodeģeneratīvās slimībās, gan dažos iedzimtos vielmaiņas traucējumos.

Otra mazāk pamanītā doma ir tā, ka ribosoma pati ir olbaltumvielu un RNS komplekss, kurā ķīmisko saiti starp aminoskābēm izveido tieši RNS daļa, nevis olbaltumviela. Tas nozīmē, ka viena no visfundamentālākajām dzīvības reakcijām tiek veikta ar RNS palīdzību, un tieši šis atklājums ir galvenais arguments par labu uzskatam, ka RNS dzīvības izcelsmē bija agrāk nekā olbaltumvielas.