Sisu
- Nukleiinhapete ülevaade
- DNA transkriptsioon versus tõlkimine
- Transkriptsiooni sammud
- Prokarüootid vs Eukarüootid
Sõltumata sellest, kas olete bioloogia uustulnuk või kauaaegne austaja, on suurepärane võimalus, et vaikimisi näete desoksüribonukleiinhapet (DNA) kui kõige ainulaadumatumat ideed kogu eluteaduses. Minimaalselt olete tõenäoliselt teadlik, et DNA on see, mis teeb teid ainulaadseks miljardite inimeste seas planeedil, andes sellele oma rolli nii kriminaalõiguse maailmas kui ka keskpunkti molekulaarbioloogia loengutes. Olete peaaegu kindlalt õppinud, et DNA vastutab selle eest, et annate teile kõik oma vanematelt päritud tunnused, ja et teie enda DNA on teie otsene pärand tulevastele põlvedele, kui teil on lapsi.
See, mida te võib-olla palju ei tea, on tee, mis ühendab teie rakkudes oleva DNA füüsiliste tunnustega, mis teil ilmnevad - nii ilmsed kui ka varjatud - ning sammud sellel teel. Molekulaarbioloogid on välja töötanud oma valdkonnas mõiste "keskne dogma", mille võib kokku võtta lihtsalt kui "DNA RNA-st valguks". Selle protsessi esimene osa - RNA ehk ribonukleiinhappe genereerimine DNA-st - on tuntud kui transkriptsioon, ning see hästi uuritud ja koordineeritud biokeemilise võimlemise sari on nii elegantne kui teaduslikult põhjalik.
Nukleiinhapete ülevaade
DNA ja RNA on nukleiinhapped. Mõlemad on kogu elu põhialused; need makromolekulid on väga tihedalt seotud, kuid nende funktsioonid, kuigi peenelt läbi põimunud, on väga erinevad ja spetsialiseerunud.
DNA on polümeer, mis tähendab, et see koosneb suurest arvust korduvatest subühikutest. Need allüksused pole täpselt identsed, kuid vormilt on nad identsed. Mõelge pikale helmestringile, mis koosneb kuubikutest, mis on neljas värvitoonis ja varieeruvad kunagi nii vähese suurusega, ja saate põhitunnet, kuidas DNA ja RNA on paigutatud.
Nukleiinhapete monomeere (alaühikuid) tuntakse kui nukleotiidid. Nukleotiidid ise koosnevad kolme erineva molekuli triaadidest: fosfaatrühmast (või rühmadest), viiest süsinikust koosnevast suhkrust ja lämmastikurikast alusest ("alus" mitte "vundamendi" tähenduses, vaid tähenduses "vesinikuioonide aktseptor" ). Nukleiinhappeid moodustavatel nukleotiididel on üks fosfaatrühm, kuid mõnel on kaks või isegi kolm järjestikku kinnitatud fosfaati. Molekulid adenosidifosfaat (ADP) ja adenosiintrifosfaat (ATP) on nukleotiidid, millel on raku energia metabolismil erakorraline tähtsus.
DNA ja RNA erinevad mitmel olulisel viisil. Üks, kuigi kõik need molekulid sisaldavad nelja erinevat lämmastiku alust, sisaldab DNA adeniini (A), tsütosiini (C), guaniini (G) ja tümiini (T), samas kui RNA sisaldab neist kolme esimest, kuid uratsiili (U) asendajaid T. kahe jaoks on DNA suhkur desoksüribos, RNA-s aga riboos. Ja kolm, DNA on energeetiliselt kõige stabiilsemal kujul kaheahelaline, samas kui RNA on üheahelaline. Need erinevused on olulised nii spetsiifilises transkriptsioonis kui ka nende vastavate nukleiinhapete üldises funktsioonis.
Aluseid A ja G nimetatakse puriinideks, C, T ja U aga pürimidiinideks. Kriitiliselt seob A keemiliselt ainult T (kui DNA) või U (kui RNA); C seondub ainult G.-ga ja ainult sellega. DNA-molekuli kaks ahelat on komplementaarsed, mis tähendab, et igas ahelas olevad alused vastavad igas punktis ainulaadse "partneri" alusele vastassuunas. Seega täiendab AACTGCGTATG TTGACGCATAC (või UUGACGCAUAC).
DNA transkriptsioon versus tõlkimine
Enne kui uurida DNA transkriptsiooni mehaanikat, tasub korraks üle vaadata DNA ja RNA-ga seotud terminoloogia, sest nii paljude segu sarnaste kõladega sõnade korral on neid lihtne segi ajada.
Replikatsioon on millestki identse koopia tegemine. Kui teete kirjalikust dokumendist koopia (vana kool) või kasutate arvutis kopeerimise ja kleepimise funktsiooni (uus kool), kopeerite sisu mõlemal juhul.
DNA läbib replikatsiooni, kuid RNA - niivõrd, kuivõrd kaasaegne teadus saab seda teha - seda ei tee; see tuleneb ainult transkriptsioonist _._ ladina juurest, mis tähendab "kogu kirjutamist", on transkriptsioon konkreetse allika kodeering originaalallika koopias. Võib-olla olete kuulnud meditsiinilistest transkriptsioonikirjutajatest, kelle ülesanne on kirjutada helisalvestisena tehtud meditsiinilised märkused kirjalikult. Ideaalis on sõnad ja seega ka täpselt samad, vaatamata keskmise muutumisele. Rakkudes hõlmab transkriptsioon lämmastiku alusjärjestuste keeles kirjutatud geneetilise DNA kopeerimist RNA-vormingusse - spetsiaalselt Messenger RNA-le (mRNA). See RNA süntees toimub eukarüootsete rakkude tuumas, mille järel mRNA väljub tuumast ja suundub struktuuri, mida nimetatakse ribosoomiks, et läbida tõlge.
Kui transkriptsioon on lihtne füüsiline kodeerimine mõnes muus meediumis, siis bioloogilises mõttes tähendab tõlkimine selle muundamist sihipäraseks tegevuseks. DNA pikkus või üksik DNA, mida nimetatakse a geenlõppkokkuvõttes rakkude tootmiseks ainulaadse valguprodukti. DNA edastab selle mRNA kujul, mis kannab seejärel ribosoomi, et seda saaks muundada valgu valmistamiseks. Selles vaates on mRNA nagu sinine või juhiste komplekt mööblieseme kokkupanekuks.
See kustutab loodetavasti kõik saladused, mida te nukleiinhapetega teete. Aga eriti transkriptsioon?
Transkriptsiooni sammud
DNA on üsna kuulsalt kootud kaheahelaliseks spiraaliks. Kuid sellisel kujul oleks füüsiliselt keeruline sellest midagi üles ehitada. Seetõttu algatus transkriptsiooni faasis (või etapis) kerivad DNA molekuli ensüümid, mida nimetatakse helikaasideks. RNA sünteesiks kasutatakse korraga ainult ühte kahest saadud DNA ahelast. Sellele tegevussuunale viidatakse kui mittekodeeriv ahela, kuna tänu DNA ja RNA aluste sidumise reeglitele on teisel DNA ahelal sama lämmastiku aluste jada nagu sünteesitaval mRNA-l, muutes selle ahela kodeerimine ahela. Varem tehtud punktide põhjal võite järeldada, et DNA ahel ja selle tootmise eest vastutav mRNA on üksteist täiendavad.
Kuna ahel on nüüd tegevuseks valmis, osutab DNA sektsioon, mida nimetatakse promootorjärjestuseks, kust transkriptsioon algab mööda ahelat. Ensüümi RNA polümeraas saabub sellesse kohta ja saab promootorikompleksi osaks. Kõik see tagab, et mRNA süntees algab täpselt seal, kus ta peaks DNA molekulil olema, ja see genereerib RNA ahela, mis hoiab soovitud kodeeritud.
Järgmisena pikenemine faasis RNA polümeraas "loeb" DNA ahelat, alustades promootorijärjestusest ja liikudes mööda DNA ahelat, nagu õpetaja, kes kõnnib õpilaste reas mööda ja jaotab teste, lisades nukleotiide äsja moodustuva RNA molekuli kasvavasse otsa.
Sidemeid, mis on loodud ühe nukleotiidi fosfaatrühmade ja järgmisel nukleotiidil oleva riboosi- või desoksüboosirühma vahel, nimetatakse fosfodiestersidemed. Pange tähele, et DNA molekulil on ühes otsas nn 3 ("kolme alusega") ja teises 5 ("5-peamist") otsa, kusjuures need numbrid tulevad süsiniku aatomi terminaalsetest positsioonidest vastavad terminali ribose "rõngad". Kuna RNA molekul ise kasvab 3-suunas, liigub see mööda DNA-ahelat 5-suunas. Te peaksite uurima diagrammi, et veenduda, et olete mRNA sünteesi mehaanikast täielikult aru saanud.
Nukleotiidide - täpsemalt nukleosiidtrifosfaatide (ATP, CTP, GTP ja UTP; ATP on adenosiintrifosfaat, CTP on tsütidiintrifosfaat ja nii edasi) lisamine pikendavale mRNA ahelale nõuab energiat. Selle, nagu nii paljude bioloogiliste protsesside korral, tagavad fosfaatsidemed nukleosiidi trifosfaatides endas. Suure energiasisaldusega fosfaat-fosfaatsideme purunemisel lisatakse mRNA-le saadud nukleotiidid (AMP, CMP, GMP ja UMP; nendes nukleotiidides tähistab "MP" "monofosfaati") ja paar anorgaanilist fosfaatmolekuli , tavaliselt kirjutatud PPi, kukuvad ära.
Nagu transkriptsioon toimub, teeb ta seda, nagu öeldud, mööda ühte DNA ahelat. Pidage siiski meeles, et kogu DNA molekul ei keri lahti ega eraldu komplementaarseteks ahelateks; see juhtub ainult transkriptsiooni vahetus läheduses. Selle tulemusel saate visualiseerida mööda DNA molekuli liikuvat "transkriptsioonimulli". See on nagu objekt, mis liigub mööda tõmblukku, mis lahti pakitakse ühe mehhanismiga otse objekti ees, samal ajal kui teine mehhanism tõmblukk objektidesse uuesti lukustab.
Lõpuks, kui mRNA on saavutanud vajaliku pikkuse ja vormi, siis lõpetamine etapp on käimas. Nagu initsieerimine, võimaldavad seda faasi spetsiifilised DNA järjestused, mis toimivad RNA polümeraasi stopp-märkidena.
Bakterites võib see juhtuda kahel viisil. Ühes neist transkribeeritakse terminatsioonijärjestus, tekitades mRNA pikkuse, mis voldib iseenesest sisse ja "kimbu üles", kui RNA polümeraas jätkab oma tööd. Neid mRNA volditud sektsioone nimetatakse sageli juuksenõelisteks ja need hõlmavad komplementaarset aluste sidumist üheahelalise, kuid kokkupressitud mRNA molekulis. Sellest juuksenõelte lõigust allavoolu on U-aluste või jääkide pikendatud venitus. Need sündmused sunnivad RNA polümeraasi lõpetama nukleotiidide lisamise ja eralduma DNA-st, lõpetades transkriptsiooni. Seda nimetatakse rho-sõltumatuks terminatsiooniks, kuna see ei sõltu proteiinist, mida nimetatakse rho-faktoriks.
Rho-sõltuval lõpetamisel on olukord lihtsam ja juuksenõelte mRNA segmente ega U jääke pole vaja. Selle asemel seondub rho-faktor mRNA nõutud kohaga ja tõmbab mRNA-d füüsiliselt RNA polümeraasist eemale. See, kas toimub rho-sõltumatu või rösõltuv terminatsioon, sõltub RNA polümeraasi täpsest versioonist, mis toimib DNA-le ja mRNA-le (eksisteerib mitmesuguseid alatüüpe), samuti valkudest ja muudest faktoritest, mis asuvad vahetus rakukeskkonnas.
Mõlemad sündmuste kaskaadid viivad lõpuks mRNA vabanemiseni transkriptsioonimulli DNA-st.
Prokarüootid vs Eukarüootid
Prokarüootide (millest peaaegu kõik on bakterid) ja eukarüootide (mitmerakulised organismid, nagu loomad, taimed ja seened) transkriptsiooni vahel on arvukalt erinevusi. Näiteks hõlmab initsieerimine prokarüootides tavaliselt DNA aluspõhimõtet, mida nimetatakse Pribnovi kastiks, kusjuures TATAAT alusjärjestus paikneb umbes 10 aluspaari kaugusel sellest, kus toimub transkriptsiooni initsiatsioon. Eukarüootidel on aga võimendusjärjestused, mis on paigutatud initsiatsioonikohast märkimisväärsele kaugusele, samuti aktivaatorvalgud, mis aitavad DNA molekuli deformeeruda viisil, mis muudab selle RNA polümeraasile paremini kättesaadavaks.
Lisaks toimub pikenemine bakterites umbes kaks korda kiiremini (umbes 42 kuni 54 aluspaari minutis, piirnedes ühega sekundis) kui eukarüootides (umbes 22 kuni 25 aluspaari minutis). Lõpuks, kuigi bakteriaalset terminatsiooni mehhanisme on ülalpool kirjeldatud, hõlmavad eukarüootid selles faasis spetsiifilisi terminatsioonifaktoreid, aga ka RNA ahelat, mida nimetatakse polü-A (nagu paljudes adeniinialustes reas) "sabaks". Veel pole selge, kas pikenemise katkestamine põhjustab mRNA lõhestamise mullist või lõhestamine ise lõpetab järsult pikenemisprotsessi.