Die Proteinsynthese ist der zelluläre Prozess zur Bildung von Proteinen. Ihre Formeln und die Anweisungen zu ihrer Herstellung sind in der DNA kodiert. Es ist hilfreich, sich auf den Prozess in zwei Teilen zu beziehen. Die Transkription der Proteinsynthese kopiert den DNA-Code. Die Übersetzung der Proteinsynthese passt den Code an chemische Verbindungen in der Zelle an, deren Kombination zu einem Protein wird.
Desoxyribonukleinsäure (DNA), der Bauplan eines individuellen Organismus, ist als Doppelhelix aufgebaut. Eine gute Analogie ist ein langer Streifen mit verdrehtem Reißverschluss. Es gibt zwei Stränge aus 5-Kohlenstoff-Zuckern und Phosphaten. Sie werden durch ineinandergreifende gepaarte Nukleotide überbrückt, wie die gegenüberliegenden Zähne eines geschlossenen Reißverschlusses. Adenin (A) passt zu Thymin (T), Cytosin (C) paart sich mit Guanin (G) und umgekehrt.
Die Transkription der Proteinsynthese beginnt im Zellkern, wo die DNA von einem Enzym namens Helikase „entpackt“ wird, was zu zwei getrennten Strängen führt. Ein kritisches Enzym namens RNA-Polymerase (RNAP) heftet sich dann an einen der Stränge, um einen Prozess namens Elongation einzuleiten. Es identifiziert das erste Nukleotid auf dem Matrizenstrang der DNA und zieht dabei ein freies Nukleotid an, das mit ihm gepaart werden muss. RNAP bewegt sich dann zum nächsten Nukleotid auf dem DNA-Strang und geht weiter zum nächsten und zum nächsten, bis eine Ribonukleinsäure (RNA)-Kette zusammengesetzt ist.
RNA ist ein Einzelstrang aus ungepaarten Nukleotiden, der seine strukturelle Integrität durch Zugabe von Sauerstoffmolekülen bewahren kann. Die von seinem Polymerase-Wirkstoff aufgebaute RNA-Kette mit teilweise mehr als 2 Millionen Nukleotiden wird als Boten-RNA (mRNA) bezeichnet. Theoretisch soll mRNA ein exaktes Duplikat des unbenutzten DNA-Einzelstrangs sein, der zurückbleibt. In der Praxis ist es nicht genau, und es können auch Transkriptionsfehler bei der Proteinsynthese auftreten.
Die mRNA ist daher eine sehr lange Kette von nur vier verschiedenen Nukleotiden. Seine Sequenz wird als Transkript bezeichnet. Ein Beispiel könnte AAGCAUUGAC sein – vier Buchstaben, vielleicht 2 Millionen davon, in scheinbar zufälliger Reihenfolge. Es ist etwas hilfreich, das Kohlenstoffleben als einen 4-Bit-Biocomputer von sehr großem Maßstab zu vergleichen. Besonders hervorzuheben ist, dass Thymin in der RNA durch ein ähnliches Nukleotid namens Uracil (U) ersetzt wird.
Wie der Name schon sagt, entkommt die Boten-RNA ihrem Einschluss im Zellkern durch Poren entlang der Kernmembran. Sobald sie sich im Zytoplasma der Zelle befindet, besteht ihre Bestimmung darin, die von der DNA kopierte Transkription der Proteinsynthese an Strukturen zu übertragen, die Ribosomen genannt werden. Ribosomen sind die Proteinfabriken der Zelle und dort findet der zweite Schritt der Proteinsynthese statt.
Die kodierte Nukleotidsequenz muss translatiert werden. Ein Ribosom bindet an die mRNA und zieht beim Lesen seiner Sequenzen RNA-Fragmente an, die als Transfer-RNA (tRNA) bezeichnet werden und eine freie Aminosäure gefunden haben, die für seine kurze Nukleotidsequenz spezifisch ist. Bei Übereinstimmung binden die tRNA und ihre Fracht an das Ribosom. Wenn das Ribosom fortfährt, die nächste Sequenz zu lesen, und die nächste, in einem Prozess, der auch Elongation genannt wird, entsteht eine lange Polypeptidkette von Aminosäuren.
Proteine, die organisches Gewebe in Form und Funktion unterscheiden, sind die sogenannten „Bausteine des Lebens“. Sie wiederum sind als Kette verschiedener Aminosäuren aufgebaut – die Übersetzung des DNA-Codes, wie er von RNA für die wichtigste Stoffwechselaufgabe der Wirtszelle transkribiert wird. Es bleibt jedoch noch ein letzter Schritt, um die Proteinsynthese abzuschließen, der das wissenschaftliche Verständnis frustriert. In einem Prozess namens Proteinfaltung biegt, kräuselt, verknotet und verdichtet sich die lange Kette von Aminosäuren zu ihrer einzigartigen Struktur. Während Supercomputer einige Erfolge bei der Faltung von Proteinformeln in die richtigen dreidimensionalen Formen hatten, wurden die meisten Proteinrätsel von Menschen mit einem ausgeprägten Sinn für variable räumliche Dimensionen intuitiv gelöst.