Bez ohledu na to, zda jste v biologii nováčkem nebo dlouholetým nadšencem, šance jsou vynikající ve výchozím nastavení považujete deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) za možná jediný nepostradatelný koncept v celém životě Věda. Minimálně si pravděpodobně uvědomujete, že DNA je to, co vás dělá jedinečným mezi miliardami lidí na internetu planeta, což jí dává roli ve světě trestního soudnictví i ve středu zájmu v molekulární biologii přednášky. Téměř jistě jste se dozvěděli, že DNA je zodpovědná za to, že vás obdaruje jakýmikoli vlastnostmi, které jste zdědili od svých rodičů a že vaše vlastní DNA je vaším přímým odkazem pro budoucí generace, pokud byste je měli mít děti.
Možná toho moc nevíte, je cesta, která spojuje DNA ve vašich buňkách s fyzickými vlastnostmi, které projevujete, zjevné i skryté, a řada kroků podél této cesty. Molekulární biologové vytvořili ve svém oboru koncept „centrálního dogmatu“, který lze shrnout jednoduše jako „DNA na RNA na protein.“ První část tohoto procesu - generování RNA nebo ribonukleové kyseliny z DNA - je známá jako
transkripcea tato dobře prostudovaná a koordinovaná řada biochemické gymnastiky je stejně elegantní jako vědecky hluboká.Přehled nukleových kyselin
DNA a RNA jsou nukleové kyseliny. Oba jsou zásadní pro celý život; tyto makromolekuly spolu velmi úzce souvisejí, ale jejich funkce, i když jsou skvěle propletené, jsou velmi odlišné a specializované.
DNA je polymer, což znamená, že se skládá z velkého počtu opakujících se podjednotek. Tyto podjednotky nejsou přesně identické, ale jsou identické ve formě. Vezměte v úvahu dlouhý řetězec korálků skládající se z kostek, které mají čtyři barvy a jejich velikost se mírně liší a získáte základní představu o uspořádání DNA a RNA.
Monomery (podjednotky) nukleových kyselin jsou známé jako nukleotidy. Samotné nukleotidy se skládají z triád tří odlišných molekul: fosfátové skupiny (nebo skupin), a cukr s pěti uhlíky a báze bohatá na dusík („báze“ ne ve smyslu „nadace“, ale znamená „vodíkový iont akceptor “). Nukleotidy, které tvoří nukleové kyseliny, mají jednu fosfátovou skupinu, ale některé mají dva nebo dokonce tři fosfáty připojené za sebou. Molekuly adenosindifosfát (ADP) a adenosintrifosfát (ATP) jsou nukleotidy mimořádného významu v metabolismu buněčné energie.
DNA a RNA se liší několika důležitými způsoby. Jedna, zatímco každá z těchto molekul obsahuje čtyři různé dusíkaté báze, DNA zahrnuje adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a tymin (T), zatímco RNA zahrnuje první tři z nich, ale nahrazuje uracil (U) T. Za druhé, cukr v DNA je deoxyribóza, zatímco v RNA je ribóza. A tři, DNA je dvouvláknová ve své energeticky nejstabilnější formě, zatímco RNA je jednořetězcová. Tyto rozdíly mají zásadní význam jak pro transkripci, tak pro funkci těchto příslušných nukleových kyselin obecně.
Báze A a G se nazývají puriny, zatímco C, T a U se klasifikují jako pyrimidiny. Kriticky se A chemicky váže na, a pouze na, T (je-li DNA) nebo U (je-li RNA); C se váže na a pouze na G. Dva řetězce molekuly DNA se vzájemně doplňují, což znamená, že báze v každém řetězci se v každém bodě shodují s jedinečnou „partnerskou“ bází v opačném řetězci. AACTGCGTATG je tedy komplementární k TTGACGCATAC (nebo UUGACGCAUAC).
Přepis DNA vs. Překlad
Než se pustíme do mechaniky transkripce DNA, stojí za to si chvíli přečíst terminologii spojené s DNA a RNA, protože s tolika podobně znějícími slovy ve směsi může být snadné zaměnit jim.
Replikace je věc vytvoření identické kopie něčeho. Když vytvoříte fotokopii písemného dokumentu (stará škola) nebo použijete funkci kopírování a vložení na počítači (nová škola), replikujete obsah v obou případech.
DNA prochází replikací, ale RNA, pokud to moderní věda může zjistit, nikoli; vychází pouze z přepisu _._ Z latinského kořene, které znamená „přepis,“ je přepisem kódování konkrétní zprávy v kopii původního zdroje. Možná jste slyšeli o lékařských přepisovatelech, jejichž úkolem je psát do písemné podoby lékařské poznámky vytvořené jako zvukový záznam. V ideálním případě budou slova, a tedy i poselství, navzdory změně média přesně stejná. V buňkách transkripce zahrnuje kopírování zprávy genetické DNA napsané v jazyce sekvencí dusíkatých bází do formy RNA - zejména messenger RNA (mRNA). K této syntéze RNA dochází v jádru eukaryotických buněk, poté mRNA opouští jádro a směřuje ke struktuře zvané ribozom překlad.
Zatímco transkripce je jednoduché fyzické kódování zprávy na jiném médiu, překlad z biologického hlediska znamená přeměnu této zprávy na účelnou akci. Délka DNA nebo jedna zpráva DNA, nazývaná a gen, nakonec vede k tomu, že buňky vyrábějí jedinečný proteinový produkt. DNA dodává tuto zprávu ve formě mRNA, která ji poté přenáší do ribozomu, aby mohla být přeložena do tvorby proteinu. V tomto pohledu je mRNA jako plán nebo soubor pokynů pro sestavení kusu nábytku.
Doufejme, že to vyjasní všechna vaše tajemství ohledně toho, co nukleové kyseliny dělají. A co zejména transkripce?
Kroky transkripce
DNA, poměrně skvěle, je vpletena do dvouvláknové šroubovice. Ale v této podobě by bylo fyzicky obtížné z toho něco postavit. Proto v zahájení fázi (nebo krok) transkripce je molekula DNA odvíjena enzymy zvanými helikázy. Pouze jeden ze dvou výsledných řetězců DNA se používá pro syntézu RNA najednou. Tento řetězec se označuje jako nekódující vlákno, protože díky pravidlům párování bází DNA a RNA má druhý řetězec DNA stejnou sekvenci dusíkatých bází jako syntetizovaná mRNA, čímž se tento řetězec stává kódování pramen. Na základě dříve vytvořených bodů můžete usoudit, že vlákno DNA a mRNA, za kterou je odpovědná, se vzájemně doplňují.
Když je vlákno nyní připraveno k akci, část DNA zvaná promotorová sekvence naznačuje, kde má transkripce začít podél vlákna. Enzym RNA polymeráza dorazí na toto místo a stane se součástí komplexu promotoru. To vše má zajistit, aby syntéza mRNA začala přesně tam, kde má na molekule DNA, a to generuje řetězec RNA, který obsahuje požadovanou kódovanou zprávu.
Dále v prodloužení fáze, RNA polymeráza „čte“ řetězec DNA, počínaje promotorovou sekvencí a pohybující se podél řetězce DNA, jako učitel procházel řadu studentů a distribuoval testy a přidával nukleotidy k rostoucímu konci nově se formující RNA molekula.
Vazby vytvořené mezi fosfátovými skupinami jednoho nukleotidu a ribosovou nebo deoxyribózovou skupinou na dalším nukleotidu se nazývají fosfodiesterové vazby. Všimněte si, že molekula DNA má na jednom konci 3 '("tři") konce a 5 "(" pět ") konce, přičemž tato čísla pocházejí z koncové polohy atomu uhlíku v příslušných koncových ribózových „kruzích“. Jak samotná molekula RNA roste ve 3 'směru, pohybuje se podél řetězce DNA v 5' směr. Měli byste prozkoumat diagram, abyste se ujistili, že plně rozumíte mechanice syntézy mRNA.
Přidání nukleotidů - konkrétně nukleosid trifosfátů (ATP, CTP, GTP a UTP; ATP je adenosintrifosfát, CTP je cytidin trifosfát atd.) - na protahující se řetězec mRNA vyžaduje energii. To, stejně jako tolik biologických procesů, zajišťují fosfátové vazby v samotných nukleosid trifosfátech. Při rozbití vysokoenergetické fosfát-fosfátové vazby vznikne nukleotid (AMP, CMP, GMP a UMP; v těchto nukleotidech se „MP“ označuje jako „monofosfát“) se přidá k mRNA a dvojici anorganických fosfátových molekul, obvykle psaných PPi, odpadnout.
Jak dochází k transkripci, děje se tak, jak je uvedeno, podél jednoho řetězce DNA. Uvědomte si však, že celá molekula DNA se neodvíjí a nerozděluje na komplementární řetězce; to se děje pouze v přímé blízkosti transkripce. Ve výsledku si můžete představit „transkripční bublinu“ pohybující se podél molekuly DNA. Je to jako objekt, který se pohybuje podél zipu, který se rozepíná těsně před objektem jedním mechanismem, zatímco jiný mechanismus znovu zipuje zip po probuzení objektu.
Nakonec, když mRNA dosáhne požadované délky a formy, ukončení fáze začíná. Stejně jako zahájení je tato fáze umožněna specifickými sekvencemi DNA, které fungují jako stopky pro RNA polymerázu.
U bakterií se to může stát dvěma obecnými způsoby. V jednom z nich je terminační sekvence transkribována a generuje délku mRNA, která se sklopí zpět na sebe a tím se "shlukuje", jak RNA polymeráza pokračuje v práci. Tyto přeložené úseky mRNA jsou často označovány jako vlásenkové řetězce a zahrnují komplementární párování bází uvnitř jednovláknové, ale zkroucené molekuly mRNA. Za touto sponkou je prodloužený úsek U bází nebo zbytků. Tyto události nutí RNA polymerázu, aby přestala přidávat nukleotidy a oddělovala se od DNA, čímž končí transkripce. Toto se označuje jako rho-nezávislé ukončení, protože se nespoléhá na protein známý jako rho faktor.
V případě ukončení závislého na rho je situace jednodušší a nejsou potřeba žádné vlásenkové mRNA segmenty ani U zbytky. Místo toho se faktor rho váže na požadované místo na mRNA a fyzicky odtahuje mRNA od RNA polymerázy. Zda dojde k rho-nezávislému nebo rho-závislému ukončení závisí na přesné verzi RNA polymerázy, která působí na DNA a mRNA (existuje celá řada podtypů), jakož i na proteiny a další faktory v bezprostřední buňce životní prostředí.
Obě kaskády událostí nakonec vedou k tomu, že se mRNA uvolní z DNA na transkripční bublině.
Prokaryotes vs. Eukaryoty
Četné rozdíly existují mezi transkripcí v prokaryotech (téměř všechny jsou bakterie) a eukaryotech (mnohobuněčné organismy, jako jsou zvířata, rostliny a houby). Například iniciace u prokaryot obvykle zahrnuje uspořádání DNA báze známé jako Pribnow box, s základní sekvence TATAAT umístěná zhruba 10 párů bází od místa, kde dochází k samotné iniciaci transkripce. Eukaryota však mají sekvence zesilovače umístěné ve značné vzdálenosti od iniciačního místa, jako stejně jako aktivátorové proteiny, které pomáhají deformovat molekulu DNA způsobem, který ji činí přístupnější pro RNA polymeráza.
Kromě toho k prodloužení dochází u bakterií asi dvakrát rychleji (kolem 42 až 54 párů bází za minutu, hraničí s jednou za sekundu) než u eukaryot (asi 22 až 25 párů bází za minutu). A konečně, zatímco bakteriální mechanismy ukončení jsou popsány výše, u eukaryot zahrnuje tato fáze specifické terminační faktory, stejně jako řetězec RNA nazývaný poly-A (jako v mnoha adeninové báze v řadě) "ocas." Zatím není jasné, zda zastavení prodloužení spouští štěpení mRNA z bubliny, nebo zda samotné štěpení rázem ukončuje prodloužení proces.