Replikace, transkripce a translace

Položili jste si někdy otázku proč jsme zrovna takoví, jací jsme? Proč máme oči? A proč je mám já hnědé? Proč dokážeme dýchat? Proč máme zrovna pět prstů a proč ptáci mají peří? Proč jsou rostliny zelené a proč jsem vyrostl vyšší než moji spolužáci? Proč se kamarádka narodila jen s devíti prsty na nohách? Proč mám alergii? Proč sousedka hubne rychleji a proč nemám hudební sluch? Na otázku „proč“ se dá odpovídat různě. Nicméně, molekulární biolog by vám nejspíš řekl, že za to všechno mohou proteiny.

Proteiny (neboli bílkoviny) jsou ta ozubená kolečka, která tvoří stroj zvaný život. To díky nim vůbec čtete tyto řádky a uvědomujete si jejich obsah. Proteiny tvoří váš mozek, zajišťují jeho funkci, vytvářejí ve vás nálady, myšlenky, pocity. Mohou i za všechny rozdíly mezi námi, které nejsou dané výchovou nebo vlivem prostředí a sociálních rolí. Nadání na matematiku? Výbušná povaha? Koktání? Proteiny! A dokonce i rozdíly způsobené výchovou a prostředím jsou zase dílem proteinů. Jsou to totiž zase proteiny, kdo reaguje na události v našem životě.

Také všechny nemoci na světě. Zase proteiny. Ano, nejsou vždy původcem, ale spíše prostředníky, ale jsou to právě proteiny, které reagují. Horečka? Infekce viry? Rakovina? Mohou prakticky za všechno, co se vašeho těla týče. I těl všeho živého na světě. Však také řecké slovo „prota“ znamená nejdůležitější, přední.

Když proteiny mohou za skoro všechno, co se života týče, tak to jich musí být fakt hodně! Ano, je to tak. Jen v lidském těle je okolo dvou miliónů různých druhů proteinů. Představte si je jako dva milióny rolí různých herců, kteří hrají divadelní hru „Život“. Dokážete si jistě představit, jaký musí být při takovém množství v zákulisí zmatek.

A právě tady do hry vstupují naše další dvě molekuly – DNA a RNA – spolu s transkripcí a translací. Představme si ribozomy (továrny na proteiny) jako jednotlivé herce, kteří dokáží zahrát naprosto jakoukoliv roli podle potřeby (vytvořit jakýkoliv protein). Proteiny si tedy představme jako role těchto herců. DNA pak bude scénář podle kterého hrají. Každá hra samozřejmě potřebuje i režiséra. Tím je v našem případě celý transkripčně translační aparát a v našich tělech ho tvoří spousta různých proteinů s rozhodovací funkcí.

Režisér to má těžké. Protože by neoběhal všechny ty milióny herců, tak má k ruce svoje asistenty. Posly, po kterých posílá vzkazy. To je přesně účel RNA – být oním vzkazem. Slouží jako mezičlánek mezi DNA a proteiny. Jako přenašeč informace.

Režisér má u sebe obrovský scénář napsaný v sešitě zvaném DNA. Přečte si v danou chvíli vždy jen jednu instrukci a tu přepíše na papírek svému asistentovi (vytvoří RNA), který tuto instrukci dopraví příslušnému herci (ribozomu), který pak zahraje svoji roli (vytvoří protein).

V DNA jsou zapsané instrukce k celému našemu tělu. Každý herec zde má své pasáže. Jeho role se v DNA nazývá gen. Gen je tedy vlastně kousíček DNA, který kóduje daný protein. Dalo by se zjednodušeně říci, že 1 gen = 1 protein (ve skutečnosti je to složitější – proteiny se skládají do dalších proteinů nebo z jednoho genu může vzniknout více různých proteinů nebo některé geny se přepisují do RNA, které mají jinou funkci než funkci přenašeče, takže podle nich nevznikne vůbec žádný protein).

To člověku nejde na rozum. Těch proteinů je tolik a každý je úplně jiný. Je vůbec možné, aby existovaly milióny a miliony chemických látek? Jak to ta buňka dělá, že jich dokáže vytvořit tolik?

Proteiny sice vystupují každý jako jedna chemická látka, ale samy jsou tvořeny z menších podjednotek – aminokyselin. Těch je jenom něco přes dvacet. Dvacet chemických látek? To už není tak špatné. Ale jak se z dvaceti chemických látek vytvoří miliony různých proteinů?

Odpovědí je matematika. Těchto dvacet aminokyselin můžete v řetězci za sebou různě kombinovat. Řekněme, že uděláme řetěz ze stovky aminokyselin. Máme spoustu možností. Může třeba všech sto aminokyselin být stejného druhu. Nebo půlka jednoho druhu a půlka druhého druhu. Nebo půlka jednoho druhu a půlka druhého druhu, ale uspořádány za sebou na přeskáčku. A hned máme tři proteiny! Těchto různých možností je u takovéhoto řetězce 20100. 20100 různých proteinů, a to jsme měli řetezce jen o sto aminokyselinách. Většinou bývají mnohem delší.

To se nemůže informace přepsat z DNA rovnou do proteinů? Hlavní důvod je ten, že v DNA je obsažena naprosto celá informace. Kompletní plánek. Vše, co jsme byli, jsme, budeme nebo můžeme být. A tím pádem je DNA naprosto obří. Je zkrátka moc velká a také příliš důležitá, než aby se prodírala volně hustým lesem organel buňky a riskovala tak své poničení.

Mnohem lepší bude, když zůstane hezky v bezpečí buněčného jádra a ven bude posílat pouze RNA. Chemicky to jsou podobné molekuly. Vydrží sice méně, snadno se rozpadnou, ale to nevadí. Jediný gen v DNA se může do RNA přepisovat pořád a pořád dokola a vytvářet tak obrovské množství přepisů.

Nemá ale smysl do nich přepisovat všechno. Jiné proteiny potřebujeme v mládí, jiné ve stáří, jiné při stresu nebo nemoci atd. Každá buňka má v sobě DNA s informacemi o celém těle (proto v Jurském parku z kapky krve naklonovali celého dinosaura). Potřebuje si ale vytvářet jen svoje vlastní proteiny. Buňky v koleni přeci nebudou vyrábět proteiny pro mozek. V různých místech těla a v různém čase se tedy přepisují různé krátké informace.

RNA tak může být mnohem, mnohem, mnohem kratší. Zapíše se do ní jen jedna krátká infomace (jeden gen). Tisíce krátkých přepisů RNA si pak může plout buňkou k ribozomům. Proteiny tak vznikají tam, kde mají dost prostoru a DNA zůstává (i před nimi) chráněná v bezpečí jádra. Mimochodem, proč se předává informace právě v DNA a ne v RNA? Kdysi pradávno si prvotní prabuňky nejspíš předávali genetickou informaci zapsanou v RNA. Jenže ta je, jak už víme, náchylnější na poškození a tak časem evoluce vynalezla stabilnější DNA. Od té doby je právě DNA uchovatelem informace o našich tělech.

DNA je sice jen pouhá molekula, ale při bližším pohledu zjistíme, že je to supermolekula. Je dlouhá dva metry. Fakt! Dva metry! Aby se vešla do malých buněk je neuvěřitelně hustě smotaná. Vystupuje jako jedna molekula, ale vznikla seskládáním z menších molekul – nukleotidů.

Nukleotidů známe čtyři druhy – adenin, tymin, guanin a cytosin. Zkráceně se pro ně používají jen písmena A, T, G a C a opravdu slouží jako písmena textu, který popisuje danou instrukci. My lidé jsme si vytvořili abecedu s 42 písmeny, takže nám stačí pro zápis vět jen pár znaků. Chceme říct „ahoj“, tak stačí napsat pět znaků. DNA si musí vystačit pouze se čtyřmi písmeny, a tak je různě kombinuje a různě skládá za sebe, aby ve výsledku vytvořila jedinečný kód. ATTGACGA znamená jinou informaci než CTAGGCCCAT. Je to stejné jako u počítačů, které si zase musí vystačit jen s jedničkami a nulami.

Takovýmto způsobem jsou tedy v dlouhé DNA zaznamenány informace o všech proteinech našeho těla. No jo, jenže jak přeložit informaci zapsanou pomocí čtyř písmen do jazyka proteinů, který používá přes 20 písmen? Na to nám odpoví další kapitola.

Ribozomy (nebo ribosomy) jsou taková malá zrníčka ve všech živých buňkách sloužící jako továrny na proteiny. Skládají se ze dvou částí podobně jako housky hamburgeru. Mezi ně se jako masíčko vsune právě RNA, kterou si přečtou.

Jak by mohly taková zrníčka umět číst? Ribozomy jsou tvořeny většinou z proteinů, ale také ze speciální RNA, které se říká ribosomální RNA. Moment, to už máme dva typy RNA! Ono jich je ve skutečnosti několik, ale zatím si vystačíme se třemi. Jeden typ, jak jsme si už řekli, slouží jako posel a přenáší informaci z DNA do ribozomů. To je mediátorová RNA. Ribosomální RNA ji umí zachytit – přidrží si ji na ribozomu. Chemickými reakcemi pak ribozom pozná, že mu došla pošta s instrukcemi a začne k sobě volat dělníky pro stavbu proteinu. Takovým dělníkem je třetí typ RNA, které se říká transferová. Ta složí jednak jako nosič, který nese svoji jednu aminokyselinu, ale zároveň slouží i jako překladatel. Právě zde se děje translace neboli překlad.

Transferová RNA si rozumí s mediátorovou RNA – pokud obsahují stejnou informaci, zaklesnou se do sebe. Musí správně sedět vždy tři písmenka. Např. do písmenek AUG na mediátorové DNA se zaklesnou písmenka TAC na transferové RNA, protože jenom takováto kombinace do sebe zapadá. No a tato transferová RNA si nese v batohu aminokyselinu methionin. A hned máme kousíček proteinu. Ribozom si posouvá mediátorovou DNA jako magnetofon pásku se zprávou a jak se připojují další a další dělníci, řetěz proteinu se prodlužuje. Ribozom také zajistí, že transferové RNA svůj náklad pustí a vznikne tak čistý protein.

Proces čtení mediátorové RNA se zastaví, až aparát narazí na jednu z trojic písmen, které nekódují žádnou aminokyselinu (např. UAG). To je signál, že páska končí. Vše demontovat, vypustit protein do světa a nachystat se na další výrobu! Protein pak ještě čeká další dlouhá cesta různých úprav, sbalování, spojování a rozdělování, než konečně vykoná svoji funkci.

Neuvěřitelná vlastnost molekuly! Umí vytvářet kopie sebe sama! No dobře, nedělá to úplně sama. Pomáhá jí v tom celý zástup různých proteinů. Důležité ale je to, co objasnili Watson s Crickem, když navrhli v roce 1953 podle dat R. Franklinové (na tu nezapomínat), že DNA má podobu dvoušroubovice. Byl to nesmírně důležitý objev. Vysvětluje totiž skoro všechno

Dvoušroubovice je to, co vidíte na obrázku našeho exponátu. Vypadá jako dva propletení hadi. Proč jsou dva? V tom je právě celý ten fígl. Když ty dva hady od sebe rozmotáte a pošlete každého do jiného rohu místnosti, vytvoří si jen tak ze vzduchu svoje kamarády, kolem kterých se zase ovinou. A najednou nemáte dva hady, ale čtyři.

V buňce volně plavou samostatné nukleotidy. Jen si tam tak volně plavou, ale od svého vyrobení buňkou sní o tom, že jednou budou součástí nějakého řetězce. No a když si buňka řekne, že je čas se dělit, vydá povel, že všechno se musí zdvojnásobit – včetně DNA. Především ta DNA! Rozvinout ji, oddělit od sebe dva řetězce. Řetězec je tvořen písmenky (například je tam napsáno ACCTG). Volné nukleotidy si konečně mohou najít svého kamaráda – A se vždy páruje s T a G se vždy páruje s C. Z ničeho nic se tak vytvoří druhý řetězec, který je písmenově obrácený (ten má v sobě tedy napsáno TGGAC). No a je to.

Až se při dalším dělení buňky znovu od sebe oddělí vytvoří si nový řetězec nového kamaráda (který bude ACCTG) a i ten starý řetězec si vytvoří nového kamaráda (TGGAC). A najednou už budou čtyři. A pak osm. A stále víc a víc až do nekonečna. Díky tomuto procesu – replikaci – naše těla rostou, zůstávají naživu mnoho let (protože staré buňky se obnovují za nové) a také můžeme naši genetickou informaci předávat potomkům. No a transkripce, tedy přepis do RNA funguje úplně stejně. Akorát nukleotidy RNA jsou chemicky malinko jiné (např. místo písmenka T raději používají písmenko U).