DNA(desoksüribonukleiinhape) on kogu teadaoleva elu geneetiline materjal alates lihtsamatest üherakulistest bakteritest kuni uhkeima viietonnise elevandini Aafrika tasandikul. "Geneetiline materjal" viitab molekulidele, mis sisaldavad kahte olulist käskude komplekti: üks valkude valmistamine raku praeguste vajaduste jaoks ja teine endast koopiate tegeminevõi paljundamine, nii et tulevaste rakupõlvede jaoks saaks kasutada täpselt sama geneetilist koodi.
Raku paljunemiseks piisavalt kaua elus hoidmiseks on vaja paljusid neist valgu produktidest, mida DNA tellib mRNA (messenger ribonukleiinhape) tekitab see saadikuna ribosoomides, kus valke tegelikult sünteesitakse.
Geneetilise teabe kodeerimist DNA poolt messenger RNA-ks nimetatakse transkriptsioon, samas kui valkude valmistamist mRNA-st saadud suundade alusel nimetatakse tõlge.
Tõlkimine hõlmab munakivistamist koos valgud peptiidsidemete kaudu pika ahela moodustamiseks aminohapped või selle skeemi monomeerid. Eksisteerib 20 erinevat aminohapet ja inimkeha vajab ellujäämiseks mõnda neist.
Valgusüntees tõlkes hõlmab mRNA, aminoatsüül-tRNA komplekside ja paari ribosomaalsete subühikute kooskõlastatud koosolekut teiste mängijate seas.
Nukleiinhapped: ülevaade
Nukleiinhapped koosnevad korduvatest subühikutest ehk monomeeridest, mida nimetatakse nukleotiidid. Iga nukleotiid koosneb kolmest omaette komponendist: a riboos (viiesüsinik) suhkur, üks kuni kolm fosfaatrühmad ja a lämmastikuga alus.
Igal nukleiinhappel on üks neli võimalikku alust igas nukleotiidis, millest kaks on puriinid ja kaks pürimidiinid. Nukleotiidide aluste erinevused annavad erinevatele nukleotiididele olulise iseloomu.
Nukleotiidid võivad eksisteerida väljaspool nukleiinhappeid ja tegelikult on mõned neist nukleotiididest kogu ainevahetuse keskmes. Nukleotiidid adenosiindifosfaat (ADP) ja adenosiinitrifosfaat (ATP) on nende võrrandite keskmes, kus rakkude jaoks kasutatav energia eraldatakse toitainete keemilistest sidemetest.
Nukleotiidid nukleiinhappedon aga ainult üks fosfaat, mida jagatakse järgmise nukleotiidiga nukleiinhappe ahelas.
Põhilised erinevused DNA ja RNA vahel
Molekulaarsel tasandil erineb DNA RNA-st kahel viisil. Üks on see, et suhkur DNA-s on desoksüriboos, samas kui RNA-s on see riboos (sellest ka nende vastavad nimed). Deoksüribiboos erineb riboosist selle poolest, et selle asemel, et süsiniku number-2 sisaldaks hüdroksüül (-OH) rühma, on sellel vesinikuaatom (-H). Seega on desoksüriboosil üks hapnikuaatom riboosist puudu, seega "deoksü".
Teine struktuurne erinevus nukleiinhapete vahel seisneb nende koostises lämmastikalused. DNA ja RNA sisaldavad mõlemad kahte puriinalust adeniini (A) ja guaniini (G), samuti pürimidiinaluse tsütosiini (C). Kuid kui DNA teine pürimidiini alus on RNA-s tümiin (T), on see alus uratsiil (U).
Nagu juhtub, seondub A nukleiinhapetes T-ga ja ainult T-ga (või U-ga, kui molekuliks on RNA) ja C seondub ainult G-ga. See konkreetne ja ainulaadne täiendav aluspaar kokkulepe on vajalik DNA-teabe õigeks edastamiseks transkriptsioonis olevasse mRNA-infosse ja mRNA-informatsiooni tRNA-informatsiooni translatsiooni ajal.
Muud erinevused DNA ja RNA vahel
Makrotasandil on DNA kaheahelaline, samas kui RNA on üheahelaline. Täpsemalt on DNA kahekordse spiraali kujul, mis on nagu redel, mis on mõlemast otsast keeratud eri suundadesse.
Ahelad on igas nukleotiidis seotud nende lämmastikalustega. See tähendab, et "A" kandval nukleotiidil võib "partner" nukleotiidil olla ainult "T" kandev nukleotiid. See tähendab, et kokkuvõttes on need kaks DNA ahelat täiendavad üksteisele.
DNA molekulid võivad olla tuhandeid aluseid (või õigemini, aluspaarid) pikk. Tegelikult inimene kromosoom ei ole midagi muud kui üks väga pikk DNA ahel, mis on ühendatud suure hulga valkudega. Igat tüüpi RNA molekulid seevastu kipuvad olema suhteliselt väikesed.
Samuti leidub DNA-d peamiselt eukarüootide tuumades, aga ka mitokondrites ja kloroplastides. Suurem osa RNA-d leidub seevastu tuumas ja tsütoplasmas. Samuti, nagu varsti näete, on RNA erinevat tüüpi.
RNA tüübid
RNA on kolmes põhitüübis. Esimene on mRNA, mis on valmistatud DNA matriitsist tuuma transkriptsiooni ajal. Kui mRNA-ahel on lõpule jõudnud, pääseb tuumast välja tuuma ümbrises oleva pooriga tuumast välja ja kerib näituse ribosoomi, valgu translatsioon.
Teist tüüpi RNA on ülekandke RNA (tRNA). See on väiksem nukleiinhappemolekul ja seda on 20 alamtüüpi, üks iga aminohappe kohta. Selle eesmärk on suunata oma määratud aminohape ribosoomi translatsioonikohta, et seda saaks lisada kasvavasse polüpeptiidi (väike valk, sageli pooleli) ahelasse.
Kolmas RNA tüüp on ribosomaalne RNA (rRNA). Seda tüüpi RNA moodustab märkimisväärse osa ribosoomide massist, ülejäänud mass moodustavad ribosoomidele spetsiifilised valgud.
Enne tõlkimist: mRNA malli loomine
Molekulaarbioloogia sageli tsiteeritud "keskne dogma" on DNA RNA-st valguks. Sõnastades veelgi lühemalt, võib selle panna transkriptsioon tõlkimiseks. Transkriptsioon on esimene kindel samm valgusünteesi suunas ja on ükskõik millise raku jätkuv vajadus.
See protsess algab DNA molekuli lahtiharutamisega üksikuteks ahelateks, nii et transkriptsioonis osalevatel ensüümidel ja nukleotiididel on ruumi stseenile liikumiseks.
Seejärel ühendatakse mööda ühte DNA ahelat ensüümi RNA polümeraasi abil mRNA ahel. Sellel mRNA ahelal on alusjärjestus, mis on komplementaarne matriidi ahelaga, välja arvatud see, et U ilmub kõikjal, kus T ilmuks DNA-s.
- Näiteks kui transkriptsiooni all olev DNA järjestus on ATTCGCGGTATGTC, siis on saadud mRNA ahelal järjestus UAAGCGCCAUACAG.
Kui sünteesitakse mRNA ahelat, splaissitakse teatud DNA pikkused, mida nimetatakse introniteks, lõpuks mRNA järjestusest välja, kuna need ei kodeeri ühtegi valgusaadust. Ainult need DNA ahela osad, mis tegelikult midagi kodeerivad, nimetatakse eksoniteks, aitavad kaasa lõplikule mRNA molekulile.
Mis on tõlkimisega seotud
Edukaks tõlkimiseks on valkude sünteesi kohas vaja erinevaid struktuure.
Ribosoom: Iga ribosoom on valmistatud väikesest ribosomaalsest subühikust ja suurest ribosomaalsest subühikust. Need eksisteerivad paarina alles siis, kui tõlge on alanud. Need sisaldavad nii suures koguses rRNA kui ka valku. Need on üks väheseid rakukomponente, mis eksisteerivad nii prokarüootides kui ka eukarüootides.
mRNA: See molekul kannab raku DNA-lt otseseid juhiseid konkreetse valgu tootmiseks. Kui DNA-d võib pidada kogu organismi kavandiks, sisaldab mRNA ahel just piisavalt teavet, et teha sellest organismist üks otsustav komponent.
tRNA: See nukleiinhape moodustab ükshaaval sidemed aminohapetega, moodustades nn aminoatsüül-tRNA kompleksid. See tähendab lihtsalt seda, et takso (tRNA) kannab praegu läheduses olevat 20 "tüüpi" seast oma kavandatud ja ainsat tüüpi reisijat (konkreetne aminohape).
Aminohapped: Need on väikesed aminohappega happed (-NH2) rühm, karboksüülhappe (-COOH) rühm ja külgahel, mis on seotud süsinikuaatomi ja vesinikuaatomiga. Oluline on see, et iga 20 aminohappe koodid on kantud kolme nn mRNA-aluse rühmadesse kolmikud koodonid.
Kuidas tõlkimine töötab?
Tõlge põhineb suhteliselt lihtsal kolmikukoodil. Mõelge, et mis tahes kolme järjestikuse aluse rühm võib sisaldada ühte 64 võimalikust kombinatsioonist (näiteks AAG, CGU jne), sest neli kolmandale astmele tõstetud on 64.
See tähendab, et 20 aminohappe saamiseks on rohkem kui piisavalt kombinatsioone. Tegelikult oleks sama aminohapet võimalik kodeerida rohkem kui ühel koodonil.
Tegelikult on see nii. Mõned aminohapped sünteesitakse rohkem kui ühest koodonist. Näiteks on leutsiin seotud kuue erineva koodonjärjestusega. Tripleti kood on see "degenereerunud".
Oluline on siiski, et see pole nii üleliigne. See tähendab, et sama mRNA koodon ei saa kood rohkem kui üks aminohappe.
Tõlkemehaanika
Kõigi organismide translatsiooni füüsiline koht on ribosoom. Mõnel ribosoomi osal on ka ensümaatilised omadused.
Tõlkimine prokarüootides algab algatus algustegurisignaali kaudu koodonist, mida nimetatakse sobivalt START-koodoniks. See puudub eukarüootides ja selle asemel on esimene valitud aminohape metioniin, mida kodeerib AUG, mis toimib omamoodi START-koodonina.
Kui iga täiendav kolme segmendiga mRNA riba eksponeeritakse ribosoomi pinnal, rändab kutsutud aminohapet kandev tRNA sündmuskohale ja langeb reisijalt minema. Seda sidumissaiti nimetatakse ribosoomi "A" kohaks.
See interaktsioon toimub molekulaarsel tasandil, kuna nendel tRNA molekulidel on alusjärjestused, mis on komplementaarsed sissetuleva mRNA-ga, ja seonduvad seega mRNA-ga hõlpsalt.
Polüpeptiidketi ehitamine
Aastal pikenemine tõlkefaasis liigub ribosoom kolme aluse võrra, seda protsessi nimetatakse tõlkeks. See paljastab "A" saidi uuesti ja viib selle, et polüpeptiid, olenemata selle mõttekatse pikkusest, nihutatakse saidile "P".
Kui uus aminoatsüül-tRNA kompleks jõuab A-saiti, eemaldatakse kogu polüpeptiidahel "P" sait ja kinnitatud peptiidi kaudu aminohappele, mis on just sadestunud "A" saidile side. Seega, kui ribosoomi ümberpaiknemine mRNA molekuli "rajal" uuesti toimub, on tsükkel lõppenud ja kasvav polüpeptiidahel on nüüd ühe aminohappe võrra pikem.
Aastal lõpetamine faasis kohtab ribosoom ühte kolmest terminatsioonikoodonist ehk STOP-koodonist, mis on inkorporeeritud mRNA-sse (UAG, UGA ja UAA). See põhjustab mitte tRNA, vaid ainete, mida nimetatakse vabanemisteguriteks, voolamist saidile ja see viib polüpeptiidahela vabastamiseni. Ribosoomid eralduvad oma moodustavateks allüksusteks ja tõlkimine on täielik.
Mis juhtub pärast tõlkimist
Tõlkimisprotsess loob polüpeptiidahela, mida tuleb veel modifitseerida, enne kui see saab uue valguna korralikult töötada. Peamine struktuur a valk, selle aminohapete järjestus esindab ainult väikest osa selle võimalikust funktsioonist.
Valku modifitseeritakse pärast translatsiooni, voltides selle konkreetseteks vormideks, see protsess toimub sageli spontaanselt tänu elektrostaatilistele interaktsioonidele aminohapete vahel naaberlaikudes piki polüpeptiidahel.
Kuidas geneetilised mutatsioonid tõlkimist mõjutavad
Ribosoomid on suurepärased töötajad, kuid nad ei ole kvaliteedikontrolli insenerid. Nad saavad valke luua ainult neile antud mRNA matriitsist. Nad ei suuda selles mallis vigu tuvastada. Seetõttu oleksid vead tõlkes vältimatud isegi täiuslikult toimivate ribosoomide maailmas.
Mutatsioonid need, mis muudavad ühte amino, võivad häirida valgu funktsioone, näiteks sirprakulise aneemia põhjustava mutatsiooni. Aluspaari lisavad või kustutavad mutatsioonid võivad kogu kolmikukoodi ära visata, nii et enamik või kõik järgnevad aminohapped on samuti valed.
Mutatsioonid võivad luua varase STOP-koodoni, mis tähendab, et sünteesitakse ainult osa valkudest. Kõik need seisundid võivad olla erineval määral kurnavad ja selliste sündinud vigade vallutamise katsed on meditsiiniteadlaste jaoks jätkuv ja keeruline väljakutse.