דוגמה מרכזית (ביטוי גנים): הגדרה, צעדים, ויסות

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית מסבירה כי זרימת המידע לגנים היא מה- DNAקוד גנטי ל העתק RNA ביניים ואז ל חלבונים מסונתז מהקוד. הרעיונות המרכזיים העומדים בבסיס הדוגמה הוצעו לראשונה על ידי הביולוג המולקולרי הבריטי פרנסיס קריק בשנת 1958.

עד 1970 נהוג היה מקובל כי RNA יצר העתקים של גנים ספציפיים מהסליל הכפול של ה- DNA המקורי ואז היווה את הבסיס לייצור חלבונים מהקוד המועתק.

נקרא תהליך של העתקת גנים באמצעות תעתיק של הקוד הגנטי וייצור חלבונים באמצעות תרגום הקוד לשרשראות של חומצות אמינו ביטוי גנים. בהתאם לתא ולגורמים סביבתיים מסוימים, גנים מסוימים באים לידי ביטוי בעוד שאחרים נשארים רדומים. ביטוי גנים נשלט על ידי אותות כימיים בין התאים לאיברים של אורגניזמים חיים.

הגילוי של שחבור אלטרנטיבי ומחקר של חלקים שאינם מקודדים ב- DNA הנקראים אינטרונים מצביעים על כך שהתהליך המתואר על ידי הדוגמה המרכזית של הביולוגיה מורכב יותר ממה שהנחנו בתחילה. הפשוט ל- DNA ל- RNA לרצף החלבונים יש ענפים וריאציות שעוזרות לאורגניזמים להסתגל לסביבה משתנה. העיקרון הבסיסי שמידע גנטי נע רק בכיוון אחד, מ- DNA ל- RNA לחלבונים, נותר ללא עוררין.

המידע המקודד בחלבונים אינו יכול להשפיע על קוד ה- DNA המקורי.

ה סליל DNA המקודד את המידע הגנטי של האורגניזם ממוקם בגרעין התאים האוקריוטים. תאים פרוקריוטים הם תאים שאין להם גרעין, ולכן תעתיק DNA, תרגום וסינתזת חלבונים כולם מתקיימים בציטופלזמה של התא באמצעות דומה (אך פשוט יותר) תהליך תמלול / תרגום.

ב תאים איקריוטיים, מולקולות DNA אינן יכולות לעזוב את הגרעין, ולכן התאים צריכים להעתיק את הקוד הגנטי כדי לסנתז חלבונים בתא שמחוץ ל גַרעִין. תהליך העתקת התמלול יוזם על ידי אנזים הנקרא RNA פולימראז ויש לו את השלבים הבאים:

1. חניכה. פולימראז ה- RNA מפריד באופן זמני בין שני גדילי סליל ה- DNA. שני גדילי סליל ה- DNA נשארים מחוברים משני צידי רצף הגן המועתק.

2. הַעתָקָה. פולימראז ה- RNA עובר לאורך גדילי ה- DNA ויוצר העתק של גן על אחד הגדילים.

3. שחבור. גדילי ה- DNA מכילים רצפי קידוד חלבונים הנקראים אקסונים, ונקראים רצפים שאינם משמשים לייצור חלבונים אינטרונים. מכיוון שמטרת תהליך השעתוק היא לייצר רנ"א לסינתזת חלבונים, החלק האינטרוני של הקוד הגנטי מושלך באמצעות מנגנון שחבור.
   

רצף ה- DNA שהועתק בשלב השני מכיל את האקסונים והאינטרונים והוא מבשר ל- RNA שליח.

כדי להסיר את האינטרונים, את טרום mRNA גדיל נחתך בממשק אינטרון / אקסון. החלק האינטרון של הגדיל יוצר מבנה מעגלי ועוזב את החוט ומאפשר לשני האקסונים משני צדי האינטרון להצטרף זה לזה. כאשר הסרת האינטרונים הושלמה, גדיל ה- mRNA החדש הוא mRNA בוגר, והוא מוכן לעזוב את הגרעין.

חלבונים הם מחרוזות ארוכות של חומצות אמינו מצטרפים לקשרי פפטיד. הם אחראים להשפעה כיצד נראה תא ומה הוא עושה. הם יוצרים מבני תאים ומשחקים חלק מרכזי בחילוף החומרים. הם פועלים כאנזימים והורמונים ומוטבעים בקרומי התאים כדי להקל על המעבר של מולקולות גדולות.

רצף מחרוזת חומצות האמינו של חלבון מקודד בסליל ה- DNA. הקוד מורכב מארבעת הבאים בסיסים חנקניים:

• גואנין (G)
• ציטוזין (C)
• אדנין (A)
• תימין (T)

מדובר בבסיסים חנקניים, וכל חוליה בשרשרת ה- DNA מורכבת מזוג בסיס. גואנין יוצר זוג עם ציטוזין, ואדנין יוצר זוג עם תימין. הקישורים מקבלים שמות של אות אחת, תלוי בבסיס שמגיע ראשון בכל קישור. צמדי הבסיס נקראים G, C, A ו- T עבור קישורי הגואנין-ציטוזין, הציטוזין-גואנין, האדינין-תימין והתימין-אדנין.

שלושה זוגות בסיסים מייצגים קוד לחומצת אמינו מסוימת ונקראים a קודון. קודון אופייני יכול להיקרא GGA או ATC. מכיוון שלכל אחד משלושת מקומות הקודון לזוג בסיס יכולות להיות ארבע תצורות שונות, המספר הכולל של קודונים הוא 4³ או 64.

ישנן כ -20 חומצות אמינו המשמשות לסינתזת חלבונים, ויש גם קודונים לאותות התחלה ועצירה. כתוצאה מכך, יש מספיק קודונים להגדרת רצף של חומצות אמינו לכל חלבון עם יתירות מסוימת.

ה- mRNA הוא עותק של הקוד לחלבון אחד.

כאשר ה- mRNA עוזב את הגרעין, הוא מחפש a ריבוזום לסנתז את החלבון שעבורו יש לו את ההוראות המקודדות.

הריבוזומים הם מפעלים של התא המייצרים את חלבוני התא. הם מורכבים מחלק קטן שקורא את ה- mRNA ומחלק גדול יותר שמרכיב את חומצות האמינו ברצף הנכון. הריבוזום מורכב מ RNA ריבוזומלי וחלבונים נלווים.

ריבוזומים נמצאים צפים בתאים ציטוזול או מחובר לתאים רשתית אנדופלזמית (ER), סדרת שקיות סגורות בקרום שנמצאו ליד הגרעין. כאשר הריבוזומים הצפים מייצרים חלבונים, החלבונים משתחררים לציטוזול התא.

אם הריבוזומים המחוברים למיון מייצרים חלבון, החלבון נשלח אל מחוץ לקרום התא כדי להשתמש בו במקום אחר. לתאים המפרישים הורמונים ואנזימים בדרך כלל ריבוזומים רבים המחוברים למיון ומייצרים חלבונים לשימוש חיצוני.

ה- mRNA נקשר לריבוזום וניתן להתחיל בתרגום הקוד לחלבון המתאים.

צפים בתאי הציטוזול הם חומצות אמינו ומולקולות RNA קטנות הנקראות העברת RNA או tRNA. יש מולקולת tRNA לכל סוג של חומצות אמינו המשמשות לסינתזת חלבונים.

כאשר הריבוזום קורא את קוד ה- mRNA, הוא בוחר מולקולת tRNA להעביר את חומצת האמינו המתאימה לריבוזום. ה- tRNA מביא מולקולה של חומצת האמינו שצוינה לריבוזום, המחברת את המולקולה ברצף הנכון לשרשרת חומצות האמינו.

רצף האירועים הוא כדלקמן:

1. חניכה. קצה אחד של מולקולת ה- mRNA נקשר לריבוזום.
2. תִרגוּם. הריבוזום קורא את הקודון הראשון של קוד ה- mRNA ובוחר את חומצת האמינו המתאימה מ- tRNA. הריבוזום קורא אחר כך את הקודון השני ומחבר את חומצת האמינו השנייה לראשונה.
3. סִיוּם. הריבוזום פועל בדרכו לאורך שרשרת ה- mRNA ומייצר בו זמנית שרשרת חלבונים תואמת. שרשרת החלבון היא רצף של חומצות אמינו עם קשרי פפטיד יוצרים א שרשרת פוליפפטיד.

חלבונים מסוימים מיוצרים בקבוצות ואילו אחרים מסונתזים ברציפות כדי לענות על הצרכים המתמשכים של התא. כאשר הריבוזום מייצר את החלבון, זרימת המידע של הדוגמה המרכזית מדנ"א לחלבון הושלמה.

אלטרנטיבות לזרימת המידע הישירה הצפויה בדוגמה המרכזית נחקרו לאחרונה. ב שחבור אלטרנטיבי, חותכים את ה- pre-mRNA כדי להסיר אינטרונים, אך רצף האקסונים במחרוזת ה- DNA המועתקת משתנה.

המשמעות היא שרצף קוד DNA אחד יכול להוליד שני חלבונים שונים. בעוד אינטרונים מושלכים כרצפים גנטיים שאינם מקודדים, הם עשויים להשפיע על קידוד האקסון ועשויים להוות מקור לגנים נוספים בנסיבות מסוימות.

בעוד שהדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית נותרת תקפה בכל הנוגע לזרימת המידע, פרטים כיצד המידע זורם בדיוק מה- DNA לחלבונים הם פחות לינאריים מאשר במקור מַחֲשָׁבָה.