Sõltumata sellest, kas olete bioloogia uustulnuk või kauaaegne harrastaja, on tõenäosus, et see on suurepärane vaikimisi näete deoksüribonukleiinhapet (DNA) kui kõige olulisemat kontseptsiooni kogu elus teadus. Vähemalt olete tõenäoliselt teadlik, et DNA on see, mis muudab teid ainulaadseks miljardite inimeste seas planeedil, andes talle rolli nii kriminaalkohtus kui ka molekulaarbioloogia keskpunktis loengud. Olete peaaegu kindlasti õppinud, et DNA vastutab selle eest, et teile omistatakse mis tahes omadusi, mille olete pärinud vanematelt ja et teie enda DNA on teie otsene pärand tulevastele põlvedele, kui teil peaks olema lapsed.
Mida te ei pruugi palju teada, on tee, mis ühendab teie rakkudes oleva DNA teie avalduvate füüsiliste omadustega, nii avalike kui ka varjatud, ja sammude reaga sellel rajal. Molekulaarbioloogid on oma valdkonnas välja töötanud "keskse dogma" kontseptsiooni, mille võib kokku võtta lihtsalt järgmiselt "DNA RNA-st valguks". Selle protsessi esimene osa - RNA ehk ribonukleiinhappe genereerimine DNA-st - on tuntud kui
transkriptsioon, ja see hästi uuritud ja kooskõlastatud biokeemilise võimlemise sari on sama elegantne kui teaduslikult sügav.Nukleiinhapete ülevaade
DNA ja RNA on nukleiinhapped. Mõlemad on kogu elu jaoks põhilised; need makromolekulid on väga tihedalt seotud, kuid nende funktsioonid on küll põimunud, kuid on väga erinevad ja spetsialiseerunud.
DNA on polümeer, mis tähendab, et see koosneb suurest hulgast korduvatest allüksustest. Need allüksused pole täpselt identsed, kuid vormilt identsed. Mõelgem pikale helmeste stringile, mis koosneb neljast värvitoonist kuubikutest ja mille suurus varieerub alati nii kergelt, ning saate põhitaju, kuidas DNA ja RNA on paigutatud.
Nukleiinhapete monomeerid (subühikud) on tuntud kui nukleotiidid. Nukleotiidid ise koosnevad kolmest kolmest erinevast molekulist: fosfaatrühm (või rühmad), a viiesüsinikuline suhkur ja lämmastikurikas alus ("alus" mitte "vundamendi", vaid "vesinik-iooni" tähenduses aktseptor "). Nukleiinhappeid moodustavatel nukleotiididel on üks fosfaatrühm, kuid mõnel on järjestikku kaks või isegi kolm fosfaati. Adenosiindifosfaadi (ADP) ja adenosiinitrifosfaadi (ATP) molekulid on raku energia ainevahetuses erakordselt olulised nukleotiidid.
DNA ja RNA erinevad mitmel olulisel viisil. Üks, samas kui igaüks neist molekulidest sisaldab nelja erinevat lämmastikalust, sisaldab DNA adeniini (A), tsütosiini (C), guaniin (G) ja tümiin (T), samas kui RNA sisaldab neist kolme esimest, kuid asendab uratsiili (U) T. Teiseks on DNA suhkur desoksüriboos, RNA-s aga riboos. Ja kolm, DNA on energeetiliselt kõige stabiilsemas vormis kaheahelaline, samas kui RNA on üheahelaline. Need erinevused omavad suurt tähtsust nii spetsiifilises transkriptsioonis kui ka nende vastavate nukleiinhapete funktsioonis üldiselt.
Aluseid A ja G nimetatakse puriinideks, C, T ja U aga pürimidiinideks. Kriitiliselt seondub A keemiliselt ja ainult T-ga (kui DNA) või U-ga (kui RNA); C seondub G-ga ja ainult temaga. DNA molekuli kaks ahelat on üksteist täiendavad, mis tähendab, et iga ahela alused sobivad igas punktis unikaalse "partneri" alusega vastasahelas. Seega on AACTGCGTATG täiendav TTGACGCATAC (või UUGACGCAUAC).
DNA transkriptsioon vs. Tõlge
Enne DNA transkriptsiooni mehaanikasse süvenemist tasub võtta hetk terminoloogia ülevaatamiseks seotud DNA ja RNA-ga, kuna nii palju sarnase kõlaga sõnu segus võib seda kergesti segi ajada neid.
Replikatsioon on millegi identse koopia tegemine. Kui teete fotokoopia kirjalikust dokumendist (vana kool) või kasutate arvutis kopeerimise ja kleepimise funktsiooni (uus kool), kopeerite sisu mõlemal juhul.
DNA läbib replikatsiooni, kuid RNA, niivõrd kui kaasaegne teadus suudab kindlaks teha, seda ei tee; see tuleneb ainult transkriptsioonist _._ Ladinakeelsest juurest, mis tähendab "kogu kirjutamist", on transkriptsioon konkreetse sõnumi kodeerimine algallika koopias. Võib-olla olete kuulnud meditsiinilistest transkriptsioonitöötajatest, kelle ülesanne on kirjutada helisalvestisena tehtud meditsiinilised märkused kirjalikult. Ideaalis on sõnad ja seega ka sõnum meediumi muutumisest hoolimata täpselt samad. Rakkudes hõlmab transkriptsioon lämmastikuliste aluste järjestuste keeles kirjutatud geneetilise DNA sõnumi kopeerimist RNA-vormi - eriti messenger-RNA-d (mRNA). See RNA süntees toimub eukarüootsete rakkude tuumas, misjärel mRNA lahkub tuumast ja suundub struktuuri, mida nimetatakse ribosoomiks tõlge.
Kui transkriptsioon on sõnumi lihtne füüsiline kodeerimine teises meediumis, siis tõlkimine on bioloogilises mõttes selle sõnumi muundamine sihipäraseks tegevuseks. DNA või ühe DNA-teate pikkus, mida nimetatakse a geenlõppkokkuvõttes annab rakkudele ainulaadse valgu toote. DNA edastab selle sõnumi mRNA kujul, mis viib sõnumi ribosoomi, et see saaks tõlgitud valgu valmistamiseks. Selles vaates on mRNA nagu kavand või juhiste komplekt mööblieseme kokkupanekuks.
See loodetavasti puhastab kõik saladused, mis teil nukleiinhapete tegemisel on. Aga kuidas on konkreetselt transkriptsiooniga?
Transkriptsiooni etapid
DNA on üsna kuulsalt kootud kaheahelaliseks spiraaliks. Kuid sellisel kujul oleks sellest füüsiliselt raske midagi ehitada. Seetõttu on algatus transkriptsiooni faasis (või etapis) keeratakse DNA molekuli lahti ensüümide, mida nimetatakse helikaasideks, lahti. RNA sünteesiks kasutatakse korraga ainult ühte kahest saadud DNA ahelast. Sellele harule viidatakse kui mittekodeerimine ahel, sest tänu DNA ja RNA aluste paaristamise reeglitele on teisel DNA ahelal sama lämmastikaluste järjestus kui sünteesitaval mRNA-l, muutes selle ahela seega kodeerimine haru. Varem tehtud punktide põhjal võite järeldada, et DNA ahel ja selle tootmise eest vastutav mRNA on teineteist täiendavad.
Kui ahel on nüüd tegevuseks valmis, näitab DNA osa, mida nimetatakse promootorjärjestuseks, kus ahelas peab transkriptsioon algama. Ensüüm RNA polümeraas jõuab sellesse kohta ja saab promootorikompleksi osaks. Selle kõige eesmärk on tagada, et mRNA süntees algab täpselt seal, kus see eeldatakse DNA molekulil, ja see tekitab RNA ahela, mis hoiab soovitud kodeeritud sõnumit.
Järgmine pikenemine faas, "loeb" RNA polümeraas DNA ahela, alustades promootorjärjestusest ja liikudes mööda DNA ahelat nagu õpetaja astub õpilaste reas ülespoole ja jagab teste, lisades äsja moodustuva RNA kasvavasse otsa nukleotiide molekul.
Ühe nukleotiidi fosfaatrühmade ja järgmise nukleotiidi riboosi või desoksüriboosi rühma vahel tekkinud sidemeid nimetatakse fosfodiesteri sidemed. Pange tähele, et DNA molekuli ühes otsas on 3 '("kolm peaministri") ots ja teises 5' ("viie peaga") ots, kusjuures need arvud pärinevad terminaalsed süsinikuaatomi positsioonid vastavates terminaalsetes riboosi "tsüklites". Kui RNA molekul ise kasvab 3 'suunas, liigub see 5' DNA ahelat mööda suund. Peaksite uurima skeemi, et veenduda, et mõistate täielikult mRNA sünteesi mehaanikat.
Nukleotiidide - täpsemalt, nukleosiidtrifosfaatide (ATP, CTP, GTP ja UTP) lisamine; ATP on adenosiinitrifosfaat, CTP on tsütidiintrifosfaat ja nii edasi) - pikeneva mRNA ahela juurde on vaja energiat. Nagu paljud paljud bioloogilised protsessid, pakuvad seda fosfaatsidemed nukleosiidtrifosfaatides. Kui suure energiaga fosfaat-fosfaat-side on katkenud, tekib saadud nukleotiid (AMP, CMP, GMP ja UMP; nendes nukleotiidides lisatakse mRNA-le "MP" kui "monofosfaat") ja paar anorgaanilisi fosfaatmolekule, tavaliselt kirjutatud PPi, kukuvad ära.
Kui transkriptsioon toimub, teeb see seda, nagu öeldud, mööda ühte DNA ahelat. Pidage siiski meeles, et kogu DNA molekul ei keerdu lahti ega eraldu üksteist täiendavateks ahelateks; see juhtub ainult transkriptsiooni vahetus läheduses. Selle tulemusena saate visualiseerida piki DNA molekuli liikuvat "transkriptsioonimulli". See on nagu objekt, mis liigub mööda tõmblukku, mida pakutakse ühe mehhanismi abil just objekti ees lahti, samal ajal kui teine mehhanism tõmbab objekti järel uuesti tõmbluku kinni.
Lõpuks, kui mRNA on saavutanud vajaliku pikkuse ja vormi, lõpetamine faas saab käima. Nagu initsiatsioon, võimaldavad seda faasi ka spetsiifilised DNA järjestused, mis toimivad RNA polümeraasi peatusmärkidena.
Bakterites võib see juhtuda kahel üldisel viisil. Ühes neist transkribeeritakse lõpetamise järjestus, tekitades mRNA pikkuse, mis voldib endasse tagasi ja seeläbi "kobaras", kui RNA polümeraas jätkab oma tööd. Neid mRNA volditud sektsioone nimetatakse sageli juuksenõela ahelateks ja need hõlmavad aluse komplekteerimist üheahelalises, kuid väändunud mRNA molekulis. Sellest juuksenõelasektsioonist allavoolu on pikenenud U-aluste ehk jääkide venitus. Need sündmused sunnivad RNA polümeraasi lõpetama nukleotiidide lisamise ja eralduma DNA-st, lõpetades transkriptsiooni. Seda nimetatakse rho-sõltumatuks lõpetuseks, kuna see ei tugine valgule, mida tuntakse rho-tegurina.
Rho-sõltuva lõpetamise korral on olukord lihtsam ja pole vaja juuksenõela mRNA segmente ega U jääke. Selle asemel seondub rho-faktor mRNA vajaliku kohaga ja tõmbab mRNA füüsiliselt RNA polümeraasist eemale. See, kas toimub rho-sõltumatu või rho-sõltuv terminatsioon, sõltub toimiva RNA polümeraasi täpsest versioonist DNA-l ja mRNA-l (eksisteerib mitmesuguseid alamtüüpe), samuti valke ja muid faktoreid vahetus rakus keskkond.
Mõlemad sündmuste kaskaadid viivad lõpuks selleni, et mRNA murdub transkriptsioonimullis olevast DNA-st.
Prokarüootid vs. Eukarüoodid
Prokarüootide (peaaegu kõik on bakterid) ja eukarüootide (paljurakulised organismid, näiteks loomad, taimed ja seened) transkriptsiooni vahel on arvukalt erinevusi. Näiteks initsiatsioon prokarüootides hõlmab tavaliselt DNA aluse paigutust, mida nimetatakse Pribnow kastiks koos alusjärjestus TATAAT, mis asub umbes 10 aluspaari kaugusel sellest, kus transkriptsiooni initsiatsioon ise toimub. Eukarüootidel on võimendajajärjestused paigutatud märkimisväärsele kaugusele initsiatsioonikohast, nagu samuti aktivaatorvalgud, mis aitavad DNA molekuli deformeerida viisil, mis muudab selle RNA-le paremini kättesaadavaks polümeraas.
Lisaks toimub bakterites pikenemine umbes kaks korda kiiremini (umbes 42–54 aluspaari minutis, piirnedes sekundis) kui eukarüootides (umbes 22–25 aluspaari minutis). Lõpuks, kui bakteriaalset termineerimismehhanismi on kirjeldatud eespool, hõlmab see faas eukarüootides spetsiifilisi lõpetamistegureid, samuti RNA ahelat, mida nimetatakse adeniinialused reas) "saba". Pole veel selge, kas pikenemise peatamine kutsub esile mullist mRNA lõhustumise või lõpetab lõhustamine ise pikenemise järsult protsess.