תעתיק DNA: איך זה עובד?

לא משנה אם אתה מתחיל חדש בביולוגיה או חובב ותיק, הסיכויים מצוינים בכך כברירת מחדל, אתה רואה בחומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) כמושג היחיד החיוני ביותר בכל החיים מַדָע. לכל הפחות, סביר להניח שאתה מודע לכך ש- DNA הוא זה שמייחד אותך בין מיליארדי האנשים במשרד כוכב הלכת, נותן לו תפקיד בעולם המשפט הפלילי, כמו גם מרכז הבמה בביולוגיה המולקולרית הרצאות. כמעט בוודאי למדת ש- DNA אחראי להעניק לך את כל התכונות שעברת בירושה מההורים שלך, וש- DNA משלך הוא המורשת הישירה שלך לדורות הבאים אם יהיה לך יְלָדִים.

מה שאולי לא ידעתם הרבה הוא הנתיב המחבר את ה- DNA בתאיכם לתכונות הגופניות שאתם מגלים, גלויים וסמויים, וסדרת הצעדים בדרך זו. ביולוגים מולקולריים ייצרו את המושג "דוגמה מרכזית" בתחומם, שניתן לסכם בפשטות כ "DNA ל- RNA לחלבון." החלק הראשון של תהליך זה - יצירת RNA, או חומצה ריבונוקלאית, מ- DNA - ידוע בשם תַעֲתוּק, והסדרה הנלמדת והמתואמת הזו של התעמלות ביוכימית היא אלגנטית כמו שהיא עמוקה מדעית.

DNA ו- RNA הם חומצות גרעין. שניהם בסיסיים לכל החיים; מקרומולקולות אלה קשורות קשר הדוק מאוד, אך תפקידיהן, אף ששזורים להפליא, שונים מאוד ומתמחים.

DNA הוא פולימר, כלומר הוא מורכב ממספר גדול של יחידות משנה חוזרות. יחידות משנה אלה אינן זהות במדויק, אך הן זהות בצורה. שקול מחרוזת חרוזים ארוכה המורכבת מקוביות המגיעות בארבעה צבעים ומשתנות בגודלן כל כך מעט, ותקבל תחושה בסיסית של אופן סידור ה- DNA וה- RNA.

המונומרים (יחידות משנה) של חומצות גרעין ידועים בשם נוקלאוטידים. נוקליאוטידים עצמם מורכבים משלושות של שלוש מולקולות מובחנות: קבוצת פוספט (או קבוצות), א סוכר בעל חמש פחמן ובסיס עשיר בחנקן ("בסיס" לא במובן "יסוד", אלא פירושו "מימן יון" מקבל "). לנוקלאוטידים המרכיבים חומצות גרעין יש קבוצת פוספט אחת, אך לחלקם שניים או אפילו שלושה פוספטים מחוברים בשורה. המולקולות אדנוזין דיפוספט (ADP) ואדנוזין טריפוספט (ATP) הם נוקלאוטידים בעלי חשיבות יוצאת דופן במטבוליזם של אנרגיה תאית.

DNA ו- RNA נבדלים בכמה דרכים חשובות. האחת, בעוד שכל אחת ממולקולות אלה כוללת ארבעה בסיסים חנקניים שונים, ה- DNA כולל אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T), ואילו RNA כולל את שלוש הראשונות הללו, אך תחליפי uracil (U) ט. שניים, הסוכר ב- DNA הוא דאוקסיריבוז, ואילו זה ב- RNA הוא ריבוז. ושלושה, DNA הוא דו-גדילי בצורתו היציבה ביותר מבחינה אנרגטית, ואילו ה- RNA הוא חד-גדילי. להבדלים אלה יש חשיבות רבה הן בשעתוק באופן ספציפי והן בתפקוד של חומצות גרעין אלה בהתאמה.

הבסיסים A ו- G נקראים פורינים, ואילו C, T ו- U מסווגים כפירמידינים. באופן קריטי, A נקשר כימית ל- T (אם DNA) או U (אם RNA); C נקשר ל- G. ורק. שני הגדילים של מולקולת DNA הם משלימים, כלומר הבסיסים בכל גדיל מתאימים בכל נקודה לבסיס ה"שותף "הייחודי בגדיל הנגדי. לפיכך AACTGCGTATG משלים ל- TTGACGCATAC (או UUGACGCAUAC).

לפני שנעמיק במכניקת תעתיק ה- DNA, כדאי להקדיש רגע לבדיקת המינוח הקשורים ל- DNA ו- RNA, מכיוון שעם כל כך הרבה מילים בעלות צלילים דומים בתערובת, זה יכול להיות קל לבלבל אוֹתָם.

שכפול הוא פעולה של יצירת עותק זהה למשהו. כאשר אתה מצלם צילום של מסמך כתוב (בית ספר ישן) או משתמש בפונקציית העתקה והדבקה במחשב (בית ספר חדש), אתה משכפל את התוכן בשני המקרים.

דנ"א עובר שכפול, אך רנ"א, ככל שהמדע המודרני יכול לברר, אינו עושה זאת; זה נובע רק מתעתיק _._ משורש לטיני שמשמעותו "כתיבה על פני", תעתיק הוא קידוד של הודעה מסוימת בעותק של מקור מקורי. אולי שמעתם על מתמללים רפואיים, שתפקידם להקליד לטופס כתוב את ההערות הרפואיות שהוקלטו כהקלטת שמע. באופן אידיאלי, המילים, וכך המסר, יהיו זהות לחלוטין למרות השינוי במדיום. בתאים, שעתוק כולל העתקה של הודעת DNA גנטית, הכתובה בשפה של רצפי בסיס חנקניים, לצורת RNA - במיוחד, RNA שליח (mRNA). סינתזת רנ"א זו מתרחשת בגרעין התאים האאוקריוטים, ולאחריה ה- mRNA עוזב את הגרעין ופונה למבנה הנקרא ריבוזום לעבור. תִרגוּם.

בעוד שעתוק הוא קידוד פיזי פשוט של מסר במדיום אחר, תרגום, במונחים ביולוגיים, הוא ההמרה של המסר הזה לפעולה מכוונת. אורך של DNA או הודעת DNA בודדת, הנקראת a גֵן, בסופו של דבר גורם לתאים לייצר מוצר חלבון ייחודי. ה- DNA שולח את המסר הזה בצורה של mRNA, ואז מעביר את המסר לריבוזום כדי שהוא יתורגם ליצירת חלבון. בראייה זו, mRNA הוא כמו שרטוט או סט הוראות להרכבת רהיט.

זה מקווה שמנקה את כל התעלומות שיש לך לגבי חומצות גרעין שעושות. אבל מה לגבי תמלול במיוחד?

די.אן.איי, מפורסם למדי, שזור לתוך סליל כפול גדילי. אך בצורה זו, פיזית יהיה קשה לבנות ממנה דבר. לכן, ב חניכה בשלב (או שלב) של תעתיק, מולקולת ה- DNA נפרסת על ידי אנזימים הנקראים הליקאסות. רק אחת משתי גדילי ה- DNA שנוצרו משמשת לסינתזת RNA בכל פעם. קווצה זו מכונה לא קידוד גדיל, מכיוון שבזכות הכללים של זיווג בסיסי ה- DNA וה- RNA, לגדיל ה- DNA השני יש אותו רצף של בסיסים חנקניים כמו ה- mRNA שיש לסנתז, ובכך הופך גדיל זה סִמוּל גָדִיל. בהתבסס על נקודות שהובאו בעבר, אתה יכול להסיק כי גדיל של ה- DNA ו- mRNA שהוא אחראי על הייצור הם משלימים.

כשהגדיל מוכן כעת לפעולה, קטע DNA המכונה רצף האמרגן מציין היכן תעתיק להתחיל לאורך הגדיל. האנזים RNA פולימראז מגיע למיקום זה והופך לחלק ממכלול מקדם. כל זה כדי להבטיח כי סינתזת ה- mRNA תתחיל בדיוק במקום בו היא אמורה על מולקולת ה- DNA, וזה מייצר גדיל RNA המחזיק את המסר המקודד הרצוי.

הבא, ב הַאֲרָכָה שלב, RNA פולימראז "קורא" את גדיל ה- DNA, מתחיל ברצף המקדם ונע לאורך קווצת ה- DNA, כמו a מורה שעובר בשורה של תלמידים ומחלק מבחנים, מוסיף נוקלאוטידים לקצה ההולך וגדל של ה- RNA החדש מולקולה.

הקשרים שנוצרו בין קבוצות הפוספט של נוקלאוטיד אחד לקבוצת הריבוז או דאוקסיריבוז על הנוקליאוטיד הבא נקראים קישורי פוספודיסטר. שים לב שלמולקולת DNA יש מה שמכונה קצה 3 '("שלוש-פריים") בקצה אחד וסוף 5' ("חמש-פריים") בקצה השני, כאשר המספרים האלה מגיעים מה- מיקומי אטום פחמן סופניים ב"טבעות "ריבוזיות סופניות בהתאמה. כאשר מולקולת ה- RNA עצמה צומחת בכיוון 3 ', היא נעה לאורך גדיל ה- DNA ב -5' כיוון. עליכם לבחון תרשים כדי להבטיח לעצמכם שאתם מבינים היטב את המכניקה של סינתזת ה- mRNA.

תוספת של נוקלאוטידים - באופן ספציפי, טריפוספאטים נוקלאוזידים (ATP, CTP, GTP ו- UTP; ATP הוא אדנוזין טריפוספט, CTP הוא ציטידין טריפוספט וכן הלאה) - לחוט mRNA המאריך דורש אנרגיה. זה, כמו כל כך הרבה תהליכים ביולוגיים, מסופק על ידי קשרי הפוספט בטריפוספטים הנוקלאוזידים עצמם. כאשר הקשר הפוספט-פוספט באנרגיה גבוהה נשבר, הנוקלאוטיד שנוצר (AMP, CMP, GMP ו- UMP; בנוקליאוטידים אלה, ה- "MP" מייצג "מונופוספט") נוסף ל- mRNA, וצמד מולקולות פוספט אנאורגניות, בדרך כלל כתוב PP_אני, ליפול משם.

כאשר מתרחש תעתיק, הוא עושה זאת, כאמור, לאורך קווצת DNA אחת. שים לב, עם זאת, שמולקולת ה- DNA כולה אינה מתפתלת ונפרדת לגדילים משלימים; זה קורה רק בסביבה הישירה של תמלול. כתוצאה מכך תוכלו לדמיין "בועת תעתיק" הנעה לאורך מולקולת ה- DNA. זה כמו אובייקט שנע לאורך רוכסן שנפתח על ידי מכניזם אחד בדיוק לפני האובייקט, בעוד שמנגנון אחר רוכס מחדש את הרוכסן בעקבות האובייקט.

לבסוף, כאשר ה- mRNA הגיע לאורכו ולצורתו הנדרשים, ה- סיום שלב יוצא לדרך. כמו התחלה, שלב זה מופעל על ידי רצפי DNA ספציפיים המתפקדים כסימני עצירה של RNA פולימראז.

בחיידקים זה יכול לקרות בשתי דרכים כלליות. באחד מאלה, מתעתק רצף הסיום, ויוצר אורך של mRNA המתקפל חזרה על עצמו ובכך "מתאסף" כאשר פולימראז ה- RNA ממשיך לעשות את עבודתו. חלקים מקופלים אלה של mRNA מכונים לעיתים קרובות גדילי סיכת ראש, והם כוללים זיווג בסיסים משלים בתוך מולקולת ה- mRNA החד-גדילי אך המעוות. במורד הזרם מקטע סיכת שיער זה נמצא מתיחה ממושכת של בסיסי U, או שאריות. אירועים אלה מכריחים את פולימראז ה- RNA להפסיק את הוספת הנוקליאוטידים ולהתנתק מה- DNA, ולסיים את התעתיק. זה נקרא סיום בלתי תלוי ב- rho מכיוון שהוא אינו מסתמך על חלבון המכונה גורם rho.

בסיום תלוי ב- rho, המצב פשוט יותר, ואין צורך בקטעי mRNA של סיכת ראש או בשאריות U. במקום זאת, גורם ה- rho נקשר לנקודה הנדרשת ב- mRNA ומושך פיזית את ה- mRNA מה- RNA פולימראז. אם מתרחשת סיום תלוי-רו או תלוי-רו תלוי בגרסה המדויקת של RNA פולימראז הפועל ב- DNA ו- mRNA (קיימים מגוון סוגים שונים) וכן על החלבונים וגורמים אחרים בתא המיידי סביבה.

שני מפל האירועים מוביל בסופו של דבר ל- mRNA להשתחרר מה- DNA בבועת התעתיק.

קיימים הבדלים רבים בין תעתיק בפרוקריוטים (כמעט כולם חיידקים) לאאוקריוטים (אורגניזמים רב-תאיים כגון בעלי חיים, צמחים ופטריות). לדוגמה, התחלה בפרוקריוטים כוללת בדרך כלל סידור בסיס DNA המכונה תיבת פרינוב, עם רצף הבסיס TATAAT ממוקם בערך 10 זוגות בסיס מהמקום בו מתרחשת התחלת התמלול עצמה. עם זאת, באיקריוטים יש רצפי משפר הממוקמים במרחק ניכר מאתר החניכה, כ כמו גם חלבוני פעילים המסייעים לעיוות מולקולת ה- DNA באופן שהופך אותה לנגישה יותר ל- RNA פולימראז.

בנוסף, התארכות מתרחשת בערך פי שניים בחיידקים (בסביבות 42 עד 54 זוגות בסיס לדקה, הגובלים באחד לשנייה) מאשר באיקריוטים (בערך 22 עד 25 זוגות בסיס לדקה). לבסוף, בעוד שמנגנוני סיום חיידקיים מתוארים לעיל, באיקריוטים, שלב זה כולל גורמי סיום ספציפיים, כמו גם גדיל של RNA הנקרא poly-A (כמו אצל רבים בסיסי אדנין ברצף) "זנב". עדיין לא ברור אם הפסקת התארכות מפעילה מחשוף של ה- mRNA מהבועה או שמא המחשוף עצמו מסיים את ההתארכות בפתאומיות. תהליך.