Det ofte siterte "sentrale dogmet av molekylbiologi"er fanget i det enkle opplegget DNA til RNA til protein. Litt utvidet, betyr dette at deoksyribonukleinsyre, som er det genetiske materialet i cellens kjerne, brukes til å lage et lignende molekyl som kalles RNA (ribonukleinsyre) i en prosess som kalles transkripsjon. Etter at dette er gjort, brukes RNA til å lede syntesen av proteiner andre steder i cellen i en prosess som kalles oversettelse.
Hver organisme er summen av proteinene den lager, og i alt levende i dag og kjent til har bodd, lagres informasjonen for å lage disse proteinene i, og bare i, organismen DNA. DNAet ditt er det som gjør deg til det du er, og det du gir videre til alle barn du måtte ha.
I eukaryotisk organismer, etter at det første transkripsjonstrinnet er fullført, må det nylig syntetiserte messenger RNA (mRNA) finne veien utenfor kjernen inn i cytoplasmaet der oversettelsen finner sted. (I prokaryoter, som mangler kjerner, er dette ikke tilfelle.) Fordi plasmamembranen som omgir innholdet i kjernen kan være kresne, krever denne prosessen aktiv innspill fra selve cellen.
Nukleinsyrer
To nukleinsyrer eksisterer i naturen, DNA og RNA. Nukleinsyrer er makromolekyler da de består av veldig lange kjeder av gjentatte underenheter, eller monomerer, kalt nukleotider. Nukleotider i seg selv består av tre forskjellige kjemiske komponenter: et fem-karbon sukker, en til tre fosfatgrupper og en av fire nitrogenrike (nitrogenholdige) baser.
I DNA er sukkerkomponenten deoksyribose, mens det i RNA er det ribose. Disse sukkerne skiller seg bare ut ved at ribose bærer en hydroksyl (-OH) gruppe festet til et karbon utenfor den femleddede ringen der deoksyribose bare bærer et hydrogenatom (-H).
De fire mulige nitrogenholdige baser i DNA er endenine (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T). RNA har de tre første, men inkluderer uracil (U) i stedet for tymin. DNA er dobbeltstrenget, med de to strengene bundet ved deres nitrogenholdige baser. A pares alltid med T, og C pares alltid med G. Sukker- og fosfatgruppene skaper ryggraden "i hver såkalte utfyllende streng. Den resulterende formasjonen er en dobbel helix, hvis form ble oppdaget på 1950-tallet.
- I DNA og RNA inneholder hvert nukleotid en enkelt fosfatgruppe, men frie nukleotider har ofte to (f.eks. ADP eller adenosindifosfat) eller tre (f.eks. ATP, eller adenosintrifosfat).
Syntese av Messenger RNA: Transkripsjon
Transkripsjon er syntesen av et RNA-molekyl som kalles messenger RNA (mRNA), fra en av de komplementære strengene til et DNA-molekyl. Det finnes også andre typer RNA, det vanligste tRNA (overfør RNA) og ribosomalt RNA (rRNA), som begge spiller kritiske roller i oversettelse ved ribosomet.
Formålet med mRNA er å lage et mobilt, kodet sett med retninger for syntese av proteiner. En lengde på DNA som inkluderer "blåkopi" for et enkelt proteinprodukt kalles et gen. Hver tre-nukleotidsekvens bærer instruksjonene for å lage en bestemt aminosyre, med amino syrer som er byggesteinene til proteiner på samme måte som nukleotider er byggesteinene til nuklein syrer.
Det er 20 aminosyrer i alt muliggjør et i det vesentlige ubegrenset antall kombinasjoner og dermed proteinprodukter.
Transkripsjon forekommer i cellekjernenlangs en enkelt DNA-streng som har blitt frakoblet fra sin komplementære streng for transkripsjonsformål. Enzymer festes til DNA-molekylet ved starten av genet, særlig RNA-polymerase. MRNA som syntetiseres er komplementært til DNA-strengen som brukes som mal, og ligner således malstrengens egen komplementær DNA-streng bortsett fra at U vises i mRNA hvor T ville ha dukket opp var det voksende molekyl-DNA i stedet.
mRNA-transport innenfor kjernen
Etter at mRNA-molekyler er syntetisert på transkripsjonsstedet, må de reise til oversettelsesstedene, ribosomene. Ribosomer vises både frie i cellecytoplasma og festet til en membranøs organell kalt endoplasmatisk retikulum, som begge ligger utenfor kjernen.
Før mRNA kan passere gjennom den dobbelte plasmamembranen som utgjør kjernekonvolutten (eller kjernemembranen), må den nå opp på membranen på en eller annen måte. Dette skjer ved binding av de nye mRNA-molekylene til transport av proteiner.
Før de resulterende mRNA-protein (mRNP) -kompleksene kan bevege seg til kanten, blandes de grundig inne i kjernen, slik at de mRNP-kompleksene som tilfeldigvis dannes nær kanten av kjernen, har ingen bedre sjanse til å gå ut av kjernen på et gitt tidspunkt etter dannelsen enn det mRNP-prosesser nær interiør.
Når mRNP-komplekser møter regioner i kjernen som er tunge i DNA, som i dette miljøet eksisterer som kromatin (dvs. DNA bundet til strukturelle proteiner), kan det gå i stå, akkurat som en lastebil som er fast i tung søle. Denne stallingen kan overvinnes ved tilførsel av energi i form av ATP, som fremkaller den nedlagte mRNP i retning av kjernekanten.
Kjerneporekomplekser
Kjernen trenger å beskytte det viktige genetiske materialet i cellen, men den må også ha et middel for å bytte proteiner og nukleinsyrer med cellecytoplasmaet. Dette oppnås via "porter" bestående av proteiner og kjent som kjernefysiske porekomplekser (NPC). Disse kompleksene har en pore som går gjennom den dobbelte membranen i kjernekonvolutten og en rekke forskjellige strukturer på hver side av denne "porten".
NPC er enormt av molekylære standarder. Hos mennesker har den en molekylvekt på 125 millioner dalton. Derimot har et molekyl glukose en molekylvekt på 180 Dalton, noe som gjør det omtrent 700 000 ganger mindre enn NPC-komplekset. Både nukleinsyre og proteintransport inn i kjernen og bevegelsen av disse molekylene ut av kjernen skjer via NPC.
På den cytoplasmatiske siden har NPC det som kalles en cytoplasmisk ring, så vel som cytoplasmatiske filamenter, som begge hjelper til med å forankre NPC på plass i kjernemembranen. På den nukleære siden av NPC er en kjernefysisk ring, analog med den cytoplasmiske ringen på motsatt side, samt en kjernefysisk kurv.
En rekke individuelle proteiner deltar i bevegelsen av mRNA og et mangfoldig utvalg av andre molekylære laster ut av kjernen, og det samme gjelder for bevegelse av stoffer inn i cellekjernen.
mRNA-funksjon i oversettelse
mRNA begynner ikke sin faktiske jobb før den når et ribosom. Hvert ribosom i cytoplasmaet eller festet til endoplasmatisk retikulum består av en stor og en liten underenhet; disse kommer bare sammen når ribosomet er aktivt i transkripsjon.
Når et mRNA-molekyl blir festet til en oversettelse langs ribosomet, er det forbundet med en bestemt type tRNA som bærer en spesifikk aminosyre (det er derfor 20 forskjellige smaker av tRNA, en for hver aminosyre). Dette skjer fordi tRNA kan "lese" tre-nukleotidsekvensen på det eksponerte mRNA som tilsvarer en gitt aminosyre.
Når tRNA og mRNA "samsvarer", frigjør tRNA sin aminosyre, som tilsettes til slutten av den voksende aminosyrekjeden som er bestemt til å bli et protein. Dette polypeptid når sin spesifiserte lengde når mRNA-molekylet leses i sin helhet, og polypeptidet frigjøres og bearbeides til et bona fide-protein.