Obsah
Bez ohľadu na to, či ste nováčik v oblasti biológie alebo dlhodobý nadšenec, je veľká šanca, že v predvolenom nastavení považujete kyselinu deoxyribonukleovú (DNA) za možno najpotrebnejšiu koncepciu v celej vede o živote. Minimálne si pravdepodobne uvedomujete, že DNA vás robí jedinečným medzi miliardami ľudí na planéte, čo mu dáva úlohu vo svete trestného súdnictva, ako aj v centre prednášok molekulárnej biológie. Takmer ste sa dozvedeli, že DNA je zodpovedná za to, že vás vybaví čokoľvek, čo ste zdedili po svojich rodičoch, a že vaša vlastná DNA je priamym odkazom budúcich generácií, ak by ste mali deti.
To, o čom asi veľa neviete, je cesta, ktorá spája DNA vo vašich bunkách s fyzickými črtami, ktoré prejavujete, zjavné aj skryté, a séria krokov po tejto ceste. Molekulárni biológovia vo svojom odbore vytvorili koncepciu „centrálnej dogmy“, ktorú možno zhrnúť jednoducho ako „DNA na RNA k proteínom“. Prvá časť tohto procesu - generovanie RNA alebo kyseliny ribonukleovej z DNA - je známa ako transkripciea táto dobre preštudovaná a koordinovaná séria biochemickej gymnastiky je rovnako elegantná ako vedecky hlboká.
Prehľad nukleových kyselín
DNA a RNA sú nukleové kyseliny. Obidve sú zásadné pre celý život; tieto makromolekuly sú veľmi úzko spojené, ale ich funkcie, hoci sú vzájomne prepojené, sú veľmi rozdielne a špecializované.
DNA je polymér, čo znamená, že pozostáva z veľkého počtu opakujúcich sa podjednotiek. Tieto podjednotky nie sú presne totožné, ale majú rovnakú formu. Zoberme si dlhú šnúru guľôčok pozostávajúcich z kociek, ktoré sa dodávajú v štyroch farbách a niekedy sa mierne líšia a získate základný prehľad o usporiadaní DNA a RNA.
Monoméry (podjednotky) nukleových kyselín sú známe ako nukleotidy, Samotné nukleotidy pozostávajú z triád troch rôznych molekúl: fosfátovej skupiny (alebo skupín), päťuhlíkového cukru a bázy bohatej na dusík („zásada“ nie v zmysle „nadácie“, ale znamená „akceptor vodíkových iónov“) ). Nukleotidy, ktoré tvoria nukleové kyseliny, majú jednu fosfátovú skupinu, ale niektoré majú dva alebo dokonca tri fosfáty pripojené v rade. Molekuly adenozín difosfát (ADP) a adenozín trifosfát (ATP) sú nukleotidy mimoriadneho významu v metabolizme bunkovej energie.
DNA a RNA sa líšia niekoľkými dôležitými spôsobmi. Jedna, zatiaľ čo každá z týchto molekúl obsahuje štyri rôzne dusíkaté bázy, DNA obsahuje adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T), zatiaľ čo RNA obsahuje prvé tri z nich, ale nahrádza uracil (U). pre T. Two je cukrom v DNA deoxyribóza, zatiaľ čo cukrom v RNA je ribóza. A za tri, DNA je dvojvláknová vo svojej energeticky najstabilnejšej forme, zatiaľ čo RNA je jednovláknová. Tieto rozdiely majú zásadný význam tak pre transkripciu špecificky, ako aj pre funkciu týchto príslušných nukleových kyselín všeobecne.
Bázy A a G sa nazývajú puríny, zatiaľ čo C, T a U sa klasifikujú ako pyrimidíny. Kriticky sa A chemicky viaže a iba na T (ak je DNA) alebo U (ak je RNA); C sa viaže iba na G. Dva vlákna DNA molekuly sú komplementárne, čo znamená, že bázy v každom vlákne sa v každom bode zhodujú s jedinečnou „partnerskou“ bázou v opačnom vlákne. AACTGCGTATG je teda komplementárny s TTGACGCATAC (alebo UUGACGCAUAC).
Transkripcia DNA verzus translácia
Pred ponorením do mechaniky transkripcie DNA je potrebné si chvíľu preštudovať terminológiu spojenú s DNA a RNA, pretože s toľkými podobnými znejúcimi slovami v zmesi je ľahké ich zameniť.
replikácie je činom vytvorenia identickej kópie niečoho. Keď urobíte kópiu napísaného dokumentu (stará škola) alebo použijete funkciu kopírovania a vkladania v počítači (nová škola), replikujete obsah v oboch prípadoch.
DNA prechádza replikáciou, ale RNA, pokiaľ to moderná veda dokáže zistiť, nie; Vyplýva to iba z prepisu _._ Z latinského koreňa, ktorý znamená „zapisovanie naprieč“, je transkripcia kódovanie konkrétneho v kópii pôvodného zdroja. Možno ste už počuli o lekárskych transcriptionistoch, ktorých úlohou je písať lekárske poznámky ako zvukový záznam do písomnej formy. V ideálnom prípade budú slová, a teda aj tie isté, aj napriek zmene média. V bunkách transkripcia zahŕňa kopírovanie genetickej DNA napísanej v jazyku sekvencií dusíkatých báz do formy RNA - najmä messengerovej RNA (mRNA). K tejto syntéze RNA dochádza v jadre eukaryotických buniek, po ktorých mRNA opúšťa jadro a smeruje k štruktúre nazývanej ribozóm. preklad.
Zatiaľ čo transkripcia je jednoduchým fyzickým kódovaním iného média, translácia je v biologickom vyjadrení prevodom do účelného konania. Dĺžka DNA alebo jednoduchá DNA, nazývaná a gen, nakoniec vedie k tomu, že bunky vyrábajú jedinečný proteínový produkt. DNA to dodáva spolu vo forme mRNA, ktorá potom prenáša na ribozóm, aby sa preniesla na proteín. V tomto pohľade je mRNA ako modrá alebo sada pokynov na zostavenie kusu nábytku.
Dúfajme, že sa tým odstránia všetky tajomstvá, ktoré majú nukleové kyseliny. Ale čo najmä prepis?
Kroky prepisu
DNA je povestne pretkaná do dvojvláknovej špirály. Ale v tejto podobe by bolo fyzicky ťažké z neho postaviť čokoľvek. Preto v začatia vo fáze (alebo kroku) transkripcie je molekula DNA uvoľňovaná enzýmami nazývanými helikázy. Iba jeden z dvoch výsledných reťazcov DNA sa používa na syntézu RNA súčasne. Táto oblasť sa označuje ako nekódujúcej vlákno, pretože vďaka pravidlám párovania báz DNA a RNA má iné vlákno DNA rovnakú sekvenciu dusíkatých báz ako syntetizovaná mRNA, čím sa toto vlákno stáva kódovanie vlákno. Na základe vyššie uvedených bodov môžete dospieť k záveru, že reťazec DNA a mRNA, za ktorú je zodpovedný, sa vzájomne dopĺňajú.
S vláknom teraz pripraveným na činnosť časť DNA nazývaná promótorová sekvencia naznačuje, kde má začať transkripcia pozdĺž reťazca. Enzým RNA polymeráza prichádza na toto miesto a stáva sa súčasťou promótorového komplexu. To všetko je zabezpečiť, aby syntéza mRNA začala presne tam, kde sa predpokladá na molekule DNA, a tým sa vytvorí RNA vlákno, ktoré drží požadovaný kódovaný.
Ďalej v predĺženie fáza, RNA polymeráza "číta" vlákno DNA, počnúc promótorovou sekvenciou a pohybujúc sa pozdĺž reťazca DNA, ako učiteľ, ktorý chodí po rade študentov a distribuuje testy, pričom k rastúcemu koncu novo tvoriacej sa molekuly RNA pridáva nukleotidy.
Väzby vytvorené medzi fosfátovými skupinami jedného nukleotidu a ribózovou alebo deoxyribózovou skupinou na nasledujúcom nukleotide sa nazývajú fosfodiesterové väzby, Všimnite si, že molekula DNA má na jednom konci tzv. 3 („trojväzbový“) koniec a 5 („päťvláknový“) na druhom konci, pričom tieto čísla pochádzajú z koncových polôh atómov uhlíka v príslušné „krúžky“ koncových ribóz. Pretože samotná molekula RNA rastie v 3 smeroch, pohybuje sa pozdĺž reťazca DNA v 5 smeroch. Mali by ste preskúmať schému, aby ste sa ubezpečili, že plne rozumiete mechanike syntézy mRNA.
Pridanie nukleotidov - konkrétne nukleozid trifosfátov (ATP, CTP, GTP a UTP; ATP je adenozíntrifosfát, CTP je cytidíntrifosfát a tak ďalej) - k predlžujúcemu sa vláknu mRNA vyžaduje energiu. Toto, ako toľko biologických procesov, je zabezpečené fosfátovými väzbami v samotných nukleozidtrifosfátoch. Ak je vysokoenergetická fosfát-fosfátová väzba prerušená, výsledný nukleotid (AMP, CMP, GMP a UMP; v týchto nukleotidoch, "MP" znamená "monofosfát") sa pridá k mRNA a pár anorganických fosfátových molekúl , obyčajne napísané PPja, odpadnúť.
Keď dôjde k transkripcii, robí tak, ako je uvedené, pozdĺž jediného reťazca DNA. Uvedomte si však, že celá molekula DNA sa neodvíja a nerozdeľuje na komplementárne vlákna; k tomu dôjde iba v priamej blízkosti transkripcie. Výsledkom je vizualizácia „transkripčnej bubliny“ pohybujúcej sa pozdĺž molekuly DNA. Je to ako objekt, ktorý sa pohybuje pozdĺž zipsu, ktorý je rozopínaný tesne pred objektom jedným mechanizmom, zatiaľ čo iný mechanizmus zipsom zobúdza objekty.
Nakoniec, keď mRNA dosiahne požadovanú dĺžku a formu, ukončenie fáza začína. Rovnako ako iniciácia, táto fáza je umožnená špecifickými sekvenciami DNA, ktoré fungujú ako stopové znaky pre RNA polymerázu.
U baktérií sa to môže stať dvoma všeobecnými spôsobmi. V jednom z nich je terminačná sekvencia transkribovaná, čím sa generuje dĺžka mRNA, ktorá sa zloží naspäť na seba a tým sa „hromadí“, keď RNA polymeráza pokračuje vo svojej práci. Tieto zložené úseky mRNA sa často označujú ako vlásenkové pramene a zahŕňajú komplementárne párovanie báz v jednoreťazcovej, ale skrútenej molekule mRNA. Za touto vlásenkovou časťou je predĺžený úsek U báz alebo zvyškov. Tieto udalosti nútia RNA polymerázu, aby prestala pridávať nukleotidy a oddelila sa od DNA, čím sa ukončila transkripcia. Toto sa označuje ako rho-nezávislé ukončenie, pretože sa nespolieha na proteín známy ako rho faktor.
Pri terminácii závislej od rho je situácia jednoduchšia a nie sú potrebné žiadne vlásenkové segmenty mRNA alebo zvyšky U. Namiesto toho sa rho faktor viaže na požadované miesto na mRNA a fyzicky odtiahne mRNA od RNA polymerázy. Či dôjde k rho-nezávislému alebo rho-dependentnému ukončeniu, závisí od presnej verzie RNA polymerázy, ktorá pôsobí na DNA a mRNA (existuje celý rad podtypov), ako aj od proteínov a ďalších faktorov v bezprostrednom bunkovom prostredí.
Obe kaskády udalostí nakoniec vedú k prasknutiu mRNA bez DNA pri transkripčnej bubline.
Prokaryoty vs. eukaryoty
Existuje veľa rozdielov medzi transkripciou v prokaryotoch (takmer všetky z nich sú baktérie) a eukaryotmi (mnohobunkové organizmy, ako sú zvieratá, rastliny a huby). Napríklad iniciácia v prokaryotoch obvykle zahŕňa usporiadanie báz DNA známe ako Pribnowov box, s bázovou sekvenciou TATAAT umiestnenou približne 10 párov báz od miesta, kde k samotnej iniciácii transkripcie dochádza. Eukaryoty však majú zosilňovacie sekvencie umiestnené v značnej vzdialenosti od iniciačného miesta, ako aj aktivačné proteíny, ktoré pomáhajú deformovať molekulu DNA spôsobom, ktorý ju robí prístupnejšou pre RNA polymerázu.
Okrem toho k predĺženiu dochádza u baktérií asi dvakrát rýchlejšie (okolo 42 až 54 párov báz za minútu, hraničí s jednou za sekundu) ako v eukaryotoch (asi 22 až 25 párov báz za minútu). Nakoniec, zatiaľ čo bakteriálne mechanizmy ukončenia sú opísané vyššie, v eukaryotoch, táto fáza zahŕňa špecifické terminačné faktory, ako aj reťazec RNA nazývaný poly-A (rovnako ako v mnohých adenínových bázach v rade) „chvost“. Zatiaľ nie je jasné, či zastavenie predlženia spúšťa odštiepenie mRNA z bubliny alebo či samotné odštiepenie náhle ukončí proces predlžovania.