ДНК транскрипция: Как работи?

Независимо дали сте новодошъл в биологията или дългогодишен почитател, шансовете са отлични по подразбиране разглеждате дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) като може би единствената най-необходима концепция в целия живот наука. Най-малко вероятно сте наясно, че ДНК е това, което ви прави уникален сред милиардите хора в планета, давайки й роля в света на наказателното правосъдие, както и централен етап в молекулярната биология лекции. Почти сигурно сте научили, че ДНК е отговорна за това, да ви дари с каквито и да е черти, които сте наследили от вашите родители и че вашата собствена ДНК е вашето пряко наследство за бъдещите поколения, ако трябва деца.

Това, за което може да не знаете много, е пътят, който свързва ДНК в клетките ви с физическите черти, които проявявате, както явни, така и скрити, и поредицата от стъпки по този път. Молекулярните биолози са създали концепцията за "централна догма" в своята област, която може да бъде обобщена просто като "ДНК към РНК към протеин." Първата част от този процес - генериране на РНК или рибонуклеинова киселина от ДНК - е известна като

ДНК и РНК са нуклеинови киселини. И двете са основни за целия живот; тези макромолекули са много тясно свързани, но техните функции, макар и изящно преплетени, са силно разнопосочни и специализирани.

ДНК е полимер, което означава, че се състои от голям брой повтарящи се субединици. Тези субединици не са точно еднакви, но са еднакви по форма. Помислете за дълъг низ от мъниста, състоящ се от кубчета, които се предлагат в четири цвята и се различават толкова малко по размер, и получавате основно усещане за подреждането на ДНК и РНК.

Мономерите (субединиците) на нуклеиновите киселини са известни като нуклеотиди. Самите нуклеотиди се състоят от триади от три различни молекули: фосфатна група (или групи), а захар с пет въглерода и богата на азот основа („основа“ не в смисъла на „основа“, а в смисъл „водород-йон“ акцептор "). Нуклеотидите, които изграждат нуклеиновите киселини, имат една фосфатна група, но някои имат два или дори три фосфата, свързани последователно. Молекулите аденозин дифосфат (ADP) и аденозин трифосфат (ATP) са нуклеотиди с изключително значение в клетъчния енергиен метаболизъм.

ДНК и РНК се различават по няколко важни начина. Една, докато всяка от тези молекули включва четири различни азотни основи, ДНК включва аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T), докато РНК включва първите три от тях, но замества урацил (U) за T. Второ, захарта в ДНК е дезоксирибоза, докато тази в РНК е рибоза. И три, ДНК е двуверижна в най-енергийно стабилната си форма, докато РНК е едноверижна. Тези разлики са от основно значение както по отношение на транскрипцията, така и във функцията на съответните нуклеинови киселини като цяло.

Основите A и G се наричат ​​пурини, докато C, T и U се класифицират като пиримидини. Критично, А химически се свързва с, и само с, Т (ако ДНК) или U (ако РНК); С се свързва с и само с G. Двете вериги на ДНК молекула се допълват, което означава, че основите във всяка верига съвпадат във всяка точка с уникалната "партньорска" база в противоположната верига. По този начин AACTGCGTATG допълва TTGACGCATAC (или UUGACGCAUAC).

Преди да се задълбочите в механиката на транскрипцията на ДНК, струва си да отделите малко време за преглед на терминологията свързан с ДНК и РНК, тъй като с толкова много звучащи думи в сместа може лесно да се обърка тях.

Репликация е актът на създаване на идентично копие на нещо. Когато правите фотокопия на писмен документ (старо училище) или използвате функцията за копиране и поставяне на компютър (ново училище), репликирате съдържанието и в двата случая.

ДНК се подлага на репликация, но РНК, доколкото съвременната наука може да установи, не го прави; тя възниква само от транскрипция _._ От латински корен, което означава "надписване", транскрипцията е кодирането на конкретно съобщение в копие на оригинален източник. Може би сте чували за медицински транскрипционисти, чиято работа е да напишат в писмена форма медицинските бележки, направени като аудиозапис. В идеалния случай думите и по този начин посланието ще бъдат абсолютно еднакви въпреки промяната в средата. В клетките транскрипцията включва копиране на генетично ДНК съобщение, написано на езика на азотни последователности на основи, в РНК форма - специално, пратена РНК (mRNA). Този синтез на РНК се случва в ядрото на еукариотните клетки, след което иРНК напуска ядрото и се насочва към структура, наречена рибозома, която да претърпи превод.

Докато транскрипцията е простото физическо кодиране на съобщение в различен носител, преводът, в биологичен план, е превръщането на това съобщение в целенасочено действие. Дължина на ДНК или единично ДНК съобщение, наречено a ген, в крайна сметка води до производство на клетки на уникален протеинов продукт. ДНК изпраща това съобщение под формата на иРНК, която след това пренася съобщението до рибозома, за да бъде преобразувано в получаване на протеин. В този изглед mRNA е като план или набор от инструкции за сглобяване на мебел.

Това се надяваме да изясни всички загадки, които имате за това какво правят нуклеиновите киселини. Но какво ще кажете за транскрипцията по-специално?

ДНК, доста известна, е вплетена в двуверижна спирала. Но в тази форма физически би било трудно да се изгради нещо от него. Следователно в посвещение фаза (или стъпка) на транскрипция, молекулата на ДНК се размотава от ензими, наречени хеликази. Само една от двете получени ДНК вериги се използва за синтез на РНК наведнъж. Тази нишка е посочена като некодиране верига, защото благодарение на правилата за сдвояване на базата на ДНК и РНК, другата верига на ДНК има същата последователност от азотни основи като иРНК, която трябва да бъде синтезирана, като по този начин тази верига е кодиране направление. Въз основа на точки, направени по-рано, можете да заключите, че веригата на ДНК и иРНК, която е отговорна за производството, се допълват.

Когато веригата вече е готова за действие, част от ДНК, наречена промоторна последователност, показва къде трябва да започне транскрипцията по веригата. Ензимът РНК полимераза пристига на това място и става част от промоторен комплекс. Всичко това е да се гарантира, че синтезът на иРНК започва точно там, където се предполага, върху ДНК молекулата и това генерира РНК верига, която съдържа желаното кодирано съобщение.

След това в удължаване фаза, РНК полимераза "чете" ДНК веригата, започвайки от промоторната последователност и се движи по ДНК веригата, като учител разхожда редица ученици и разпространява тестове, добавяйки нуклеотиди към нарастващия край на новообразуващата се РНК молекула.

Създадените връзки между фосфатните групи на един нуклеотид и рибозната или дезоксирибозната група на следващия нуклеотид се наричат фосфодиестерни връзки. Обърнете внимание, че молекула на ДНК има така наречения 3 '("три-първичен") край в единия край и 5' ("пет-първичен") край в другия, като тези числа идват от крайни позиции на въглероден атом в съответните крайни "рибоза" пръстени. Тъй като самата РНК молекула расте в посока 3 ', тя се движи по протежение на ДНК веригата в 5' посока. Трябва да разгледате диаграма, за да се уверите, че напълно разбирате механиката на синтеза на иРНК.

Добавянето на нуклеотиди - по-специално, нуклеозидни трифосфати (ATP, CTP, GTP и UTP; ATP е аденозин трифосфат, CTP е цитидин трифосфат и така нататък) - за удължаващата се иРНК верига се изисква енергия. Това, както много биологични процеси, се осигурява от фосфатните връзки в самите нуклеозидни трифосфати. Когато високоенергийната фосфатно-фосфатна връзка се прекъсне, полученият нуклеотид (AMP, CMP, GMP и UMP; в тези нуклеотиди "MP" означава "монофосфат") се добавя към иРНК и двойка неорганични фосфатни молекули, обикновено написани PP_i, отпадам.

Тъй като се случва транскрипция, тя прави това, както е посочено, по една верига на ДНК. Имайте предвид обаче, че цялата молекула на ДНК не се размотава и не се разделя на допълнителни нишки; това се случва само в непосредствена близост до транскрипцията. В резултат на това можете да визуализирате „транскрипционен балон“, движещ се по ДНК молекулата. Това е като обект, който се движи по цип, който се разархиви точно пред обекта от един механизъм, докато различен механизъм пренасочва ципа в събуждане на обекта.

И накрая, когато mRNA достигне необходимата си дължина и форма, прекратяване на договора фаза започва. Подобно на инициирането, тази фаза се активира от специфични ДНК последователности, които функционират като стоп знаци за РНК полимераза.

При бактериите това може да се случи по два основни начина. В един от тях терминиращата последователност се транскрибира, генерирайки дължина на иРНК, която се сгъва обратно в себе си и по този начин се "сглобява", докато РНК полимеразата продължава да си върши работата. Тези сгънати участъци от иРНК често се наричат ​​нишки на фиби и те включват допълващо сдвояване на основата в едноверижната, но изкривена молекула на иРНК. Надолу по течението от тази секция на фиби има продължителен участък от U основи или остатъци. Тези събития принуждават РНК полимеразата да спре да добавя нуклеотиди и да се откъсне от ДНК, завършвайки транскрипцията. Това се означава като rho-независимо прекратяване, тъй като не разчита на протеин, известен като rho фактор.

При rho-зависимото прекратяване ситуацията е по-проста и не са необходими сегменти на mRNA с козина или U остатъци. Вместо това, rho факторът се свързва с необходимото място на иРНК и физически издърпва иРНК от РНК полимеразата. Дали настъпва rho-независимо или rho-зависимо прекратяване зависи от точната версия на РНК полимеразата, която действа върху ДНК и иРНК (съществуват различни подтипове), както и протеините и други фактори в непосредствената клетъчна околен свят.

И двата каскади от събития в крайна сметка водят до освобождаване на иРНК от ДНК при транскрипционния балон.

Съществуват множество разлики между транскрипцията при прокариоти (почти всички от които са бактерии) и еукариоти (многоклетъчни организми като животни, растения и гъби). Например, инициирането в прокариоти обикновено включва подреждане на базата на ДНК, известно като кутията на Pribnow, с базовата последователност TATAAT, разположена на около 10 базови двойки от мястото, където се случва самото иницииране на транскрипция. Еукариотите обаче имат подобрителни последователности, разположени на значително разстояние от мястото на иницииране, както както и активаторни протеини, които помагат да се деформира ДНК молекулата по начин, който я прави по-достъпна за РНК полимераза.

Освен това удължаването настъпва около два пъти по-бързо при бактериите (около 42 до 54 базови двойки в минута, граничещи с една в секунда), отколкото при еукариотите (около 22 до 25 базови двойки в минута). И накрая, докато бактериалните механизми на терминация са описани по-горе, при еукариотите тази фаза включва специфични фактори на терминация, както и верига на РНК, наречена поли-А (както в много аденинови основи в един ред) "опашка". Все още не е ясно дали спирането на удължаването предизвиква разцепване на иРНК от балона или самото разцепване внезапно прекратява удължаването процес.