Κεντρικό δόγμα (Έκφραση γονιδίου): Ορισμός, βήματα, κανονισμός

Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας εξηγεί ότι η ροή πληροφοριών για τα γονίδια προέρχεται από το DNAγενετικός κώδικας σε ένα ενδιάμεσο αντίγραφο RNA και μετά στο πρωτεΐνες συντίθεται από τον κώδικα. Οι βασικές ιδέες που διέπουν το δόγμα προτάθηκαν για πρώτη φορά από τον Βρετανό μοριακό βιολόγο Francis Crick το 1958.

Μέχρι το 1970 έγινε ευρέως αποδεκτό ότι το RNA δημιούργησε αντίγραφα συγκεκριμένων γονιδίων από την αρχική διπλή έλικα DNA και στη συνέχεια αποτέλεσε τη βάση για την παραγωγή πρωτεϊνών από τον αντιγραμμένο κώδικα.

Η διαδικασία αντιγραφής γονιδίων μέσω μεταγραφής του γενετικού κώδικα και παραγωγής πρωτεϊνών μέσω μετάφρασης του κώδικα σε αλυσίδες αμινοξέων ονομάζεται γονιδιακή έκφραση. Ανάλογα με το κύτταρο και ορισμένους περιβαλλοντικούς παράγοντες, ορισμένα γονίδια εκφράζονται ενώ άλλα παραμένουν αδρανή. Η γονιδιακή έκφραση διέπεται από χημικά σήματα μεταξύ των κυττάρων και των οργάνων των ζωντανών οργανισμών.

Η ανακάλυψη του εναλλακτική σύνδεση και η μελέτη των μη κωδικοποιητικών τμημάτων του DNA ονομάζεται

Οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε πρωτεΐνες δεν μπορούν να επηρεάσουν τον αρχικό κώδικα DNA.

ο Έλικας DNA που κωδικοποιεί τις γενετικές πληροφορίες του οργανισμού βρίσκεται στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι κύτταρα που δεν έχουν πυρήνα, έτσι Μεταγραφή DNA, η μετάφραση και η σύνθεση πρωτεϊνών γίνονται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου μέσω ενός παρόμοιου (αλλά απλούστερου) διαδικασία μεταγραφής / μετάφρασης.

Σε ευκαρυωτικά κύτταρα, Τα μόρια DNA δεν μπορούν να αφήσουν τον πυρήνα, έτσι τα κύτταρα πρέπει να αντιγράψουν τον γενετικό κώδικα για να συνθέσουν πρωτεΐνες στο κύτταρο έξω από πυρήνας. Η διαδικασία αντιγραφής μεταγραφής ξεκινά από ένα ένζυμο που ονομάζεται RNA πολυμεράση και έχει τα ακόλουθα στάδια:

1. Την έναρξη. Η πολυμεράση RNA διαχωρίζει προσωρινά τους δύο κλώνους της έλικας DNA. Οι δύο κλώνοι έλικας DNA παραμένουν συνδεδεμένοι και στις δύο πλευρές της αλληλουχίας γονιδίων που αντιγράφονται.

2. Αντιγραφή. Η πολυμεράση RNA ταξιδεύει κατά μήκος των κλώνων του DNA και δημιουργεί ένα αντίγραφο ενός γονιδίου σε έναν από τους κλώνους.

3. Σύνδεση. Οι κλώνοι DNA περιέχουν αλληλουχίες κωδικοποίησης πρωτεΐνης που ονομάζονται εξόνια, και λέγονται αλληλουχίες που δεν χρησιμοποιούνται στην παραγωγή πρωτεϊνών ιντρόνια. Δεδομένου ότι ο σκοπός της διαδικασίας μεταγραφής είναι να παράγει RNA για τη σύνθεση πρωτεϊνών, το τμήμα ιντρονίου του γενετικού κώδικα απορρίπτεται χρησιμοποιώντας έναν μηχανισμό ματίσματος.
   

Η αλληλουχία DNA που αντιγράφεται στο δεύτερο στάδιο περιέχει τα εξόνια και τα ιντρόνια και είναι πρόδρομος του αγγελιοφόρου RNA.

Για να αφαιρέσετε τα ιντρόνια, το προ-mRNA Το σκέλος κόβεται σε μια διεπαφή intron / exon. Το τμήμα ιντρονίου του κλώνου σχηματίζει κυκλική δομή και φεύγει από τον κλώνο, επιτρέποντας στα δύο εξόνια από κάθε πλευρά του ιντρονίου να ενώνονται μεταξύ τους. Όταν ολοκληρωθεί η αφαίρεση των ιντρονίων, ο νέος κλώνος mRNA είναι ώριμο mRNA, και είναι έτοιμο να φύγει από τον πυρήνα.

Οι πρωτεΐνες είναι μεγάλες σειρές αμινοξέα ενώνονται με πεπτιδικούς δεσμούς. Είναι υπεύθυνοι για τον επηρεασμό της εμφάνισης ενός κυττάρου και του πώς λειτουργεί. Σχηματίζουν κυτταρικές δομές και διαδραματίζουν βασικό ρόλο στον μεταβολισμό. Δρουν ως ένζυμα και ορμόνες και ενσωματώνονται σε κυτταρικές μεμβράνες για να διευκολύνουν τη μετάβαση μεγάλων μορίων.

Η αλληλουχία της σειράς αμινοξέων για μια πρωτεΐνη κωδικοποιείται στην έλικα του DNA. Ο κωδικός αποτελείται από τα ακόλουθα τέσσερα αζωτούχες βάσεις:

• Γουανίνη (G)
• Κυτοσίνη (C)
• Αδενίνη (Α)
• Θυμίνη (Τ)

Αυτές είναι αζωτούχες βάσεις και κάθε σύνδεσμος στην αλυσίδα DNA αποτελείται από ένα ζεύγος βάσεων. Η γουανίνη σχηματίζει ένα ζεύγος με κυτοσίνη και η αδενίνη σχηματίζει ένα ζεύγος με θυμίνη. Οι σύνδεσμοι έχουν ονόματα ενός γράμματος ανάλογα με το ποια βάση έρχεται πρώτη σε κάθε σύνδεσμο. Τα ζεύγη βάσεων ονομάζονται G, C, A και T για τους δεσμούς γουανίνης-κυτοσίνης, κυτοσίνης-γουανίνης, αδενίνης-θυμίνης και θυμίνης-αδενίνης.

Τρία ζεύγη βάσεων αντιπροσωπεύουν έναν κωδικό για ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και ονομάζονται α κωδικόνιο. Ένα τυπικό κωδικόνιο μπορεί να ονομάζεται GGA ή ATC. Επειδή καθεμία από τις τρεις θέσεις κωδικονίων για ένα ζεύγος βάσεων μπορεί να έχει τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις, ο συνολικός αριθμός κωδικονίων είναι 4³ ή 64.

Υπάρχουν περίπου 20 αμινοξέα που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση πρωτεϊνών και υπάρχουν επίσης κωδικόνια για σήματα έναρξης και διακοπής. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν αρκετά κωδικόνια για να ορίσουν μια αλληλουχία αμινοξέων για κάθε πρωτεΐνη με μερικές απολύσεις.

Το mRNA είναι ένα αντίγραφο του κώδικα για μία πρωτεΐνη.

Όταν το mRNA φεύγει από τον πυρήνα, αναζητά ένα ριβόσωμα να συνθέσει την πρωτεΐνη για την οποία έχει τις κωδικοποιημένες οδηγίες.

Τα ριβοσώματα είναι τα εργοστάσια του κυττάρου που παράγουν τις πρωτεΐνες του κυττάρου. Αποτελούνται από ένα μικρό μέρος που διαβάζει το mRNA και ένα μεγαλύτερο μέρος που συγκεντρώνει τα αμινοξέα στη σωστή σειρά. Το ριβόσωμα αποτελείται από ριβοσωμικό RNA και σχετικές πρωτεΐνες.

Τα ριβοσώματα βρίσκονται είτε επιπλέουν στα κύτταρα κυτοσόλη ή προσαρτημένο στα κελιά ενδοπλασματικό πρόγραμμα (ER), μια σειρά από σάκους με μεμβράνη που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα. Όταν τα πλωτά ριβοσώματα παράγουν πρωτεΐνες, οι πρωτεΐνες απελευθερώνονται μέσα στο κυτταρικό κυτόλ.

Εάν τα ριβοσώματα που συνδέονται με το ER παράγουν μια πρωτεΐνη, η πρωτεΐνη αποστέλλεται έξω από την κυτταρική μεμβράνη για να χρησιμοποιηθεί αλλού. Τα κύτταρα που εκκρίνουν ορμόνες και ένζυμα συνήθως έχουν πολλά ριβοσώματα συνδεδεμένα στο ER και παράγουν πρωτεΐνες για εξωτερική χρήση.

Το mRNA συνδέεται με ένα ριβόσωμα και μπορεί να ξεκινήσει η μετάφραση του κώδικα στην αντίστοιχη πρωτεΐνη.

Επιπλέουν στο κυτταρόλυμα κυττάρων είναι αμινοξέα και μικρά μόρια RNA που ονομάζονται μεταφορά RNA ή tRNA. Υπάρχει ένα μόριο tRNA για κάθε τύπο αμινοξέος που χρησιμοποιείται για σύνθεση πρωτεϊνών.

Όταν το ριβόσωμα διαβάζει τον κώδικα mRNA, επιλέγει ένα μόριο tRNA για να μεταφέρει το αντίστοιχο αμινοξύ στο ριβόσωμα. Το tRNA φέρνει ένα μόριο του καθορισμένου αμινοξέος στο ριβόσωμα, το οποίο προσκολλά το μόριο στη σωστή αλληλουχία στην αλυσίδα αμινοξέων.

Η ακολουθία των γεγονότων έχει ως εξής:

1. Την έναρξη. Το ένα άκρο του μορίου mRNA συνδέεται με το ριβόσωμα.
2. Μετάφραση. Το ριβόσωμα διαβάζει το πρώτο κωδικόνιο του κώδικα mRNA και επιλέγει το αντίστοιχο αμινοξύ από το tRNA. Το ριβόσωμα στη συνέχεια διαβάζει το δεύτερο κωδικόνιο και συνδέει το δεύτερο αμινοξύ με το πρώτο.
3. Ολοκλήρωση. Το ριβόσωμα λειτουργεί μέχρι την αλυσίδα mRNA και παράγει ταυτόχρονα μια αντίστοιχη πρωτεϊνική αλυσίδα. Η πρωτεΐνη αλυσίδα είναι μια αλληλουχία αμινοξέων με πεπτιδικούς δεσμούς σχηματίζοντας ένα πολυπεπτιδική αλυσίδα.

Ορισμένες πρωτεΐνες παράγονται σε παρτίδες ενώ άλλες συντίθενται συνεχώς για να καλύψουν τις συνεχιζόμενες ανάγκες του κυττάρου. Όταν το ριβόσωμα παράγει την πρωτεΐνη, η ροή πληροφοριών του κεντρικού δόγματος από το DNA στην πρωτεΐνη είναι πλήρης.

Πρόσφατα μελετήθηκαν εναλλακτικές λύσεις για την άμεση ροή πληροφοριών που προβλέπονται στο κεντρικό δόγμα. Σε εναλλακτική σύνδεση, το προ-mRNA κόβεται για να αφαιρέσει τα ιντρόνια, αλλά αλλάζει η ακολουθία των εξονίων στην αντιγραμμένη σειρά DNA.

Αυτό σημαίνει ότι μία αλληλουχία κωδικού DNA μπορεί να δημιουργήσει δύο διαφορετικές πρωτεΐνες. Ενώ τα ιντρόνια απορρίπτονται ως γενετικές αλληλουχίες που δεν κωδικοποιούν, ενδέχεται να επηρεάσουν την κωδικοποίηση εξονίων και μπορεί να αποτελούν πηγή επιπρόσθετων γονιδίων σε ορισμένες περιπτώσεις.

Ενώ το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας παραμένει έγκυρο όσον αφορά τη ροή πληροφοριών, το λεπτομέρειες για το πώς ακριβώς λαμβάνονται οι πληροφορίες από το DNA στις πρωτεΐνες είναι λιγότερο γραμμικές από ότι αρχικά σκέψη.