Proteinsyntese - du ser dig i spejlet hos frisøren og tænker du ser godt ud, når nu håret er blevet trimmet. Men vidste du, at hår rent faktisk er protein? Det er det, og endda et meget stort protein. Op mod 90% af et hårstrå er protein. Proteinet der opbygger hår kaldes keratin. For dig er det måske bare hår der gror ud, og skal trimmes hos frisøren. Men for hårcellerne er det meget mere end det - det er proteinsyntesen - summen af dine forældres gener de gav dig, da du blev født. Generne i cellernes DNA er den komplette opskrift på, hvilken hårfarve og form dit hår skal have. Er du født med slangekrøller, fladt brunt hår eller rødt hår - det hele står i generne. Proteinsyntesen er det fysiske svar på opskriften i generne. Det gælder dit hår, øjenfarve og alle de mange tusinde andre forskellige proteiner et menneske består af. I denne artikel kan du læse om proteinsyntesen - cellernes storkøkken.
GoTutors har mange års erfaring med lektiehjælp i biologi og ud fra den erfaring har vi samlet den vigtigste information om proteinsyntesen til dig som elev. Det er eksempelvis baseret på de spørgsmål, som vores lektiehjælpere i biologi oftest har fået fra deres elever eller de områder, hvor lektiehjælperne oplever, at eleverne har haft det sværest. Held og lykke med læsningen.
Hvad er proteiner?
Proteinerne er opbygget af aminosyrer, der sættes sammen til lange kæder. Afhængigt af hvor mange aminosyrer der sættes sammen på kæden, jo større eller mindre bliver proteinet. Nogle proteiner er utroligt store, som eksempelvis hår, eller hæmoglobin der transporterer ilt i blodet. Andre er en hel del mindre som for eksempel insulin, der er med til at styre niveauet af blodsukker.
Aminosyrerne får vi fra vores mad vi spiser. Derfor er det vigtigt at få proteinholdig føde. Ja rent faktisk skal man indtage protein for at lave protein. Nærmest alle strukturerer i vores krop er proteiner - muskler, ledbånd, negle og hår. Knogler er ikke proteiner. Det er celler, der har ophobet kalk, og dermed blevet hårde. Men inde i alle celler i kroppen, findes tusinde af forskellige proteiner, med hver deres funktion.
Det kan være underligt at tænke på, men opskriften til alle cellens proteiner får du faktisk fra din far og mor, når man kun er én celle lille. For opskriften til alle kroppens proteiner står skrevet i DNA-molekylet ved befrugtningen. Du kan læse mere om DNA-molekylet her.
DNA og proteiner - livets kogebog
Forestil dig, at du står i et køkken og vil lave en super lækker ret. Du kan lige forestille dig, hvordan retten skal se ud, men mangler en opskrift. Opskriften finder du naturligvis i en kogebog. Heri stå præcis hvor meget salt, mel, mælk osv der skal bruges, for at retten bliver som den skal. I cellen er DNA-molekylet den kogebog, hvori opskriften til ethvert protein står. Gennem repeterede koder af de kvælstofholdige baser adenin, thymin, guanin og cytosin, står opskriften på proteinerne. Det svarer i virkeligheden til bogstaverne i kogebogen. For eksempel kunne der i kogebogen stå “smelt smørret i kasserollen og rør mel ind i det smeltet smør. Hæld derefter mælk i blandingen og rør kraftigt rundt”. For de som er interesseret i mad, vil man vide at ovenstående er grundsubstansen i en opbagt sovs. Men pointen er, at bogstaverne former ord i en bestemt rækkefølge, der giver dig information om, hvad præcis du skal gøre. Uden en opskrift, kunne man kunne lige så godt have startet med at varme mælken, tilsat melet undervejs og til sidst kommet lidt smør i. Har man prøvet at lave opbagt sovs, vil foregående føre til en mindre sovse-katastrofe. Derfor er det vigtigt, der er en konkret opskrift der fortæller præcis hvad som skal gøres og i hvilken rækkefølge. Det er denne information der står i DNA-molekylet.
Information i DNA
Rækkefølgen af de kvælstofholdige baser Adenin, Thymin, Guanin og Cytosin i DNA-molekylet, er den direkte opskrift til proteinet. Den dikterer hvilke aminosyrer der skal bruges i proteinet, men også rækkefølgen af disse aminosyrer. Uden denne opskrift og klare definition af aminosyrernes rækkefølge, ville proteinet være ubrugeligt - ligesom den forkert opbagte sovs. Derfor er skader på DNA-molekylet også meget betydningsfulde, idet det nærmest svarer til at skifte bogstaver ud i kogebogen. Hvis skaderne er meget store, svarer det til at fjerne hele ord og bogstaver i kogebogen - dette kaldes mutationer. Prøv for eksempel at læse opskriften af sovsen, hvis der mangler ord eller bogstaver: “melt smørret i kasserollen og mel ind i et smelte smør. æld derefter mælk i blandingen og r kraftigt rundt”. Man skal være en ret god gætter, for at nå frem til, hvad der egentlig står i opskriften. Ulykkeligvis gætter cellen ikke særlig godt. Den følger den opskrift der står i DNA, og laver det protein der står - mutationer eller ej. Så hvis der er mutationer i DNA´et bliver proteinet altså forkert.
Proteinsyntesen og det centrale dogme
Måden hvorpå cellen laver proteiner ud fra DNA, kaldes det centrale dogme og blev formuleret i begyndelsen af 1960'erne, hvor forskere fandt frem til sammenhængen. Her fandt forskere ud af, at DNA kopieres til RNA (transskription), og herefter oversættes til proteiner i cellens ribosomer (translation). Når dette kaldes for det centrale dogme, er det fordi mekanismen til oversættelsen af DNA til protein er ens for alle levende organismer på jorden. Dette tyder dels på, at denne måde at omsætte information på i naturen, er meget grundlæggende og formentlig også evolutionært utrolig gammel.
DNA og transskription
Transskriptionen fra DNA til RNA foregår ved at DNA-molekylet åbnes op, og et enzym begynder at kopiere baserækkefølgen fra DNA-strengen til en RNA-streng. Denne RNA-streng kaldes messenger RNA, da det ligesom er beskeden fra DNA. Derfor er DNA ikke andet end en opskrift, der gang på gang kopieres. Selve opskriften ændres aldrig (medmindre der opstår mutationer), og opskriften på proteinerne er således den samme gennem hele livet.
DNA og translation
Når transskriptionen er afsluttet, vil det færdige messenger RNA bevæge sig fra DNA til ribosomerne. Ribosomerne er cellens centralkøkken. Det er nemlig her opskriften og ingredienser sættes sammen. Ribosomerne fanger messenger RNA, og begynder nu at læse opskriften. Dette gøres ved, at ribosomerne “aflæser” 3 baser ad gangen på messenger RNA, og parrer disse 3 baser med den aminosyre, der svarer til koden på de 3 baser. Opklaringen af denne proces tog lang tid, men da arbejdet var færdigt stod det klart at naturen virkelig havde begået en genistreg her - der var flere koder til hver aminosyre, og det var smart. Som du nok husker, gav mutationerne “stavefejl” i opskriften, og dette kunne udmønte sig i et forkert protein. Ved at have flere koder for samme aminosyre, kunne naturen i nogen grad udglatte disse mutationer, og tilsvarende fejl i proteinerne. På denne måde havde naturen lavet sin egen sikkerhedsmekanisme. Dette er årsagen til, at mutationer slår en del mindre igennem, end det rent faktisk kunne være. Uden denne sikkerhedsmekanisme, ville bare den mindste ændring i DNA-molekylet give ændringer i proteinet. Foruden denne sikkerhedsmekanisme, har DNA-molekylet en patrulje at enzymer der vogter over mutationer i DNA, og retter disse nærmest lige så hurtigt som de opstår.
Disse to sikkerhedsmekanismer er ansvarlig for, at cellen konstant producerer nogenlunde ensartet proteiner gennem hele livet, og dermed sikrer at dit blod, hår, negle, muskler - ja alle proteiner i din krop, fornyes ensartet gennem hele livet.
Mutationer og DNA
Når vi kigger på et andet menneske, tænker vi sjældent at en hårfarve, øjenfarve eller hudfarve er udtryk for mutationer - men det er det rent faktisk. For alle vores fysiske udtryk som f.eks. hårfarve, øjenfarve og hudfarve er direkte styret af et hav af proteiner. Hvis et eller flere af disse proteiner ikke fungerer korrekt, udtrykkes det gennem et fysisk karaktertræk. Vidste du at det helt hvide hår, rent faktisk er en mutation? Det er det, og det skyldes at de proteiner der danner farvestoffet melanin, er ødelagte og ikke kan danne farvestoffet der farver håret - og i øvrigt også huden. For de mennesker med helt hvidt hår, er der således sket en ændring - mutation - i cellens DNA.
Mutationerne i DNA, kan opstå på mange forskellige måder. Dels kan de opstå, idet baserne i selve DNA'et kan reagere med kemiske stoffer på mange forskellige måder, men også ved at DNA udsættes for radioaktiv stråling. I begge tilfælde giver mutationerne anledning til ændring af DNA'ets information. Når mutationer således kan opstå på så mange måder, er det også grunden til at rigtig mange kemiske (og radioaktive) stoffer er forbudte at omgås, eller har helt bestemte grænseværdier (dvs. hvor meget der må være i maden, emballage osv). Gennem undersøgelser af de kemikalier vi bruger i hverdagen, har man fundet frem til mange der kan være skadelige. Sundhedsstyrelsen undersøger og vurderer hele tiden, hvilke kemiske stoffer (oftest kaldes E-numre), der kan udgøre en risiko for mennesker, og laver lister over de stoffer der mistænkes for at kunne fremkalde mutationer. Disse stoffer forbydes ofte, eller sættes på listen over farlige stoffer. Dermed sikrer vi os som samfund og mennesker, mod de mest åbenlyse kemikalier der kan skade os og fremkalde mutationer.
Proteinsyntesen og evolutionen
Da James Watson og Francis Crick, sammen med Rosalind Franklin i 1953 klarlagde DNA-molekylets struktur, skrev de følgende i deres artikel “It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material”. Dette antydede at de gennem strukturen af DNA allerede kunne se en mulig kopieringsmekanisme. Mens James Watson ikke arbejdede videre med DNA, fortsatte Francis Crick med at forfølge sporet, og var med til at formulere det centrale dogme, og kunne dermed afslutte det arbejde han og Watson havde startet i 50´erne.
I et evolutionært perspektiv forekommer det centrale dogme at være naturens ultimative svar på at bevare og mangfoldiggøre information, på tværs af tid og rum. Men selvom sikkerheds- mekanismerne i høj grad sikre en ensartethed af informationsflow fra DNA til protein, vil der over tid alligevel ske større mutationer, der får proteinerne til at ændre sig ganske meget. Når det sker, kan et fysisk udtryk ændres så meget at organismen får helt nye fysiske træk eller egenskaber. Dette antages at være mekanismen bag livets udvikling på jorden - evolutionen. Gennem millioner af år, har mutationer formet organismernes fysiske træk, således at hver art gradvis har udviklet sig.
Proteinsyntesen og ET
Hvornår i evolutionen proteinsyntesen er opstået, er umuligt at afgøre. Men at den skulle være opstået spontant og tilfældigt, forekommer næsten lige så sandsynligt som en orkan over en losseplads skulle kunne frembringe en flyvemaskine. Mange forskere har derfor blandt andet, udarbejdet hypoteser for extraterrastisk indflydelse bl.a. panspermia teorien, der angiver at livet er bragt til jorden fra rummet. Det svarer dog kun på hvordan livet på jorden kunne tænkes at være opstået, men ikke hvordan selve mekanismen er opstået. Skulle vi en dag finde liv uden for vores jord, vil biologer stå i kø for at undersøge disse organismers genetiske informationsflow - og hvis det også opfylder det centrale dogme, kunne det måske fortælle os at naturens genistreg er universel, og cellernes storkøkken ikke kun er begrænset til jordklodens beboere.