Transkrypcja DNA: jak to działa?

Niezależnie od tego, czy jesteś nowicjuszem w biologii, czy wieloletnim miłośnikiem, są duże szanse, że dzięki domyślnie uważasz kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) za prawdopodobnie najbardziej nieodzowną koncepcję w całym życiu nauka. Przynajmniej masz świadomość, że DNA jest tym, co czyni Cię wyjątkowym wśród miliardów ludzi na planeta, nadając jej rolę w świecie wymiaru sprawiedliwości w sprawach karnych, a także centralną scenę w biologii molekularnej Wykłady. Prawie na pewno nauczyłeś się, że DNA jest odpowiedzialne za nadanie ci cech, które odziedziczyłeś od twoich rodziców i że twoje własne DNA jest twoim bezpośrednim dziedzictwem dla przyszłych pokoleń, jeśli masz dzieci.

To, o czym możesz niewiele wiedzieć, to ścieżka, która łączy DNA w twoich komórkach z fizycznymi cechami, które manifestujesz, zarówno jawnymi, jak i ukrytymi, oraz serią kroków na tej ścieżce. Biolodzy molekularni stworzyli koncepcję „centralnego dogmatu” w swojej dziedzinie, którą można podsumować po prostu jako „DNA do RNA do białka”. Pierwsza część tego procesu – generowanie RNA lub kwasu rybonukleinowego z DNA – jest znana jako

DNA i RNA to kwasy nukleinowe. Oba są fundamentalne dla całego życia; te makromolekuły są bardzo blisko spokrewnione, ale ich funkcje, chociaż doskonale splecione, są bardzo rozbieżne i wyspecjalizowane.

DNA jest polimerem, co oznacza, że ​​składa się z dużej liczby powtarzających się podjednostek. Te podjednostki nie są dokładnie identyczne, ale są identyczne w formie. Rozważ długi sznur koralików składający się z kostek, które występują w czterech kolorach i nieznacznie różnią się rozmiarem, a uzyskasz podstawowe pojęcie o tym, jak ułożone są DNA i RNA.

Monomery (podjednostki) kwasów nukleinowych są znane jako nukleotydy. Same nukleotydy składają się z triad trzech odrębnych cząsteczek: grupy fosforanowej (lub grup), a pięciowęglowy cukier i bogata w azot baza („baza” nie w znaczeniu „podstawa”, ale oznaczająca „jon wodorowy akceptor"). Nukleotydy tworzące kwasy nukleinowe mają jedną grupę fosforanową, ale niektóre mają dwa lub nawet trzy fosforany przyłączone w rzędzie. Cząsteczki adenozynodifosforanu (ADP) i adenozynotrifosforanu (ATP) są nukleotydami o nadzwyczajnym znaczeniu w metabolizmie energii komórkowej.

DNA i RNA różnią się na kilka ważnych sposobów. Jeden, podczas gdy każda z tych cząsteczek zawiera cztery różne zasady azotowe, DNA zawiera adeninę (A), cytozynę (C), guanina (G) i tymina (T), podczas gdy RNA obejmuje pierwsze trzy z nich, ale zastępuje uracyl (U) T. Po drugie, cukier w DNA to dezoksyryboza, podczas gdy w RNA ryboza. Po trzecie, DNA jest dwuniciowy w swojej najbardziej stabilnej energetycznie postaci, podczas gdy RNA jest jednoniciowy. Różnice te mają duże znaczenie zarówno specyficznie dla transkrypcji, jak i ogólnie dla funkcji tych odpowiednich kwasów nukleinowych.

Zasady A i G nazywane są purynami, podczas gdy C, T i U są klasyfikowane jako pirymidyny. Krytycznie, A chemicznie wiąże się i tylko z T (jeśli DNA) lub U (jeśli RNA); C wiąże się i tylko z G. Dwie nici cząsteczki DNA są komplementarne, co oznacza, że ​​zasady w każdej nici pasują w każdym punkcie do unikalnej zasady „partnera” w przeciwnej nici. Zatem AACTGCGTATG jest komplementarny do TTGACGCATAC (lub UUGACGCAUAC).

Zanim zagłębimy się w mechanikę transkrypcji DNA, warto poświęcić chwilę na zapoznanie się z terminologią związane z DNA i RNA, ponieważ przy tak wielu podobnie brzmiących słowach w mieszance łatwo się pomylić im.

Replikacja jest czynnością tworzenia identycznej kopii czegoś. Kiedy robisz kserokopię dokumentu pisemnego (stara szkoła) lub używasz funkcji kopiuj i wklej na komputerze (nowa szkoła), w obu przypadkach kopiujesz treść.

DNA ulega replikacji, ale RNA, o ile współczesna nauka może to stwierdzić, nie; powstaje tylko z transkrypcji_._ Od łacińskiego rdzenia, który oznacza „pismo w poprzek”, transkrypcja jest kodowaniem określonej wiadomości w kopii oryginalnego źródła. Być może słyszałeś o medycznych osobach zajmujących się transkrypcją, których zadaniem jest wpisywanie w formie pisemnej notatek medycznych sporządzonych jako nagranie dźwiękowe. Idealnie byłoby, gdyby słowa, a tym samym przekaz, były dokładnie takie same pomimo zmiany medium. W komórkach transkrypcja polega na kopiowaniu genetycznej wiadomości DNA, zapisanej językiem sekwencji zasad azotowych, do postaci RNA – w szczególności informacyjnego RNA (mRNA). Ta synteza RNA zachodzi w jądrze komórek eukariotycznych, po czym mRNA opuszcza jądro i kieruje się do struktury zwanej rybosomem, która podlega tłumaczenie.

Podczas gdy transkrypcja jest prostym fizycznym kodowaniem wiadomości w innym medium, tłumaczenie, w kategoriach biologicznych, jest przekształceniem tej wiadomości w celowe działanie. Długość DNA lub pojedyncza wiadomość DNA, zwana a gen, ostatecznie powoduje, że komórki wytwarzają unikalny produkt białkowy. DNA przesyła tę wiadomość w postaci mRNA, która następnie przenosi wiadomość do rybosomu, aby została przetłumaczona na białko. Z tego punktu widzenia mRNA jest jak plan lub zestaw instrukcji do montażu mebla.

Miejmy nadzieję, że wyjaśni to wszelkie tajemnice dotyczące działania kwasów nukleinowych. Ale co w szczególności z transkrypcją?

DNA, dość znane, jest wplecione w dwuniciową helisę. Ale w tej formie byłoby fizycznie trudno coś z tego zbudować. Dlatego w inicjacja W fazie (lub etapie) transkrypcji cząsteczka DNA jest rozwijana przez enzymy zwane helikazami. Tylko jedna z dwóch powstałych nici DNA jest używana do syntezy RNA na raz. Ta nić jest określana jako niekodujący nić, ponieważ dzięki zasadom parowania zasad DNA i RNA druga nić DNA ma taką samą sekwencję zasad azotowych jak mRNA, który ma być syntetyzowany, dzięki czemu ta nić jest kodowanie pasmo. Na podstawie przedstawionych wcześniej punktów można stwierdzić, że nić DNA i mRNA, za które jest odpowiedzialna, są komplementarne.

Gdy nić jest już gotowa do działania, odcinek DNA zwany sekwencją promotora wskazuje, gdzie ma rozpocząć się transkrypcja wzdłuż nici. Enzym polimeraza RNA dociera do tego miejsca i staje się częścią kompleksu promotorowego. Wszystko to ma zapewnić, że synteza mRNA rozpocznie się dokładnie tam, gdzie powinna na cząsteczce DNA, a to generuje nić RNA, która zawiera pożądaną zakodowaną wiadomość.

Następnie w wydłużenie polimeraza RNA „odczytuje” nić DNA, zaczynając od sekwencji promotora i poruszając się wzdłuż nici DNA, jak nauczyciel chodząc po rzędzie uczniów i rozprowadzający testy, dodając nukleotydy do rosnącego końca nowo tworzącego się RNA cząsteczka.

Wiązania utworzone między grupami fosforanowymi jednego nukleotydu a grupą rybozową lub dezoksyrybozową na następnym nukleotydzie są nazywane wiązania fosfodiestrowe. Zauważ, że cząsteczka DNA ma tak zwany koniec 3' („trzy-prim”) na jednym końcu i koniec 5' („pięć-prim”) na drugim, przy czym liczby te pochodzą od pozycje końcowych atomów węgla w odpowiednich końcowych „pierścieniach” rybozy. Gdy sama cząsteczka RNA rośnie w kierunku 3', porusza się wzdłuż nici DNA w kierunku 5' kierunek. Powinieneś przeanalizować diagram, aby upewnić się, że w pełni rozumiesz mechanikę syntezy mRNA.

Dodanie nukleotydów – w szczególności trifosforanów nukleozydów (ATP, CTP, GTP i UTP; ATP to trifosforan adenozyny, CTP to trifosforan cytydyny itd.) – aby wydłużająca się nić mRNA wymagała energii. To, podobnie jak wiele procesów biologicznych, jest zapewniane przez wiązania fosforanowe w samych trifosforanach nukleozydów. Gdy wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowo-fosforanowe zostaje zerwane, powstały nukleotyd (AMP, CMP, GMP i UMP; w tych nukleotydach „MP” oznacza „monofosforan”) jest dodawany do mRNA, a para nieorganicznych cząsteczek fosforanu, zwykle zapisywana PP_ja, odpaść.

Gdy zachodzi transkrypcja, dzieje się to, jak stwierdzono, wzdłuż pojedynczej nici DNA. Należy jednak pamiętać, że cała cząsteczka DNA nie rozwija się i nie rozdziela na komplementarne nici; dzieje się to tylko w bezpośrednim sąsiedztwie transkrypcji. W rezultacie możesz wizualizować „bańkę transkrypcyjną” poruszającą się wzdłuż cząsteczki DNA. Przypomina to obiekt poruszający się wzdłuż zamka błyskawicznego, który jest rozpinany tuż przed obiektem za pomocą jednego mechanizmu, podczas gdy inny mechanizm ponownie zapina zamek błyskawiczny w ślad za obiektem.

Wreszcie, gdy mRNA osiągnie wymaganą długość i formę, zakończenie rozpoczyna się faza. Podobnie jak inicjacja, faza ta jest możliwa dzięki specyficznym sekwencjom DNA, które działają jako znaki stopu dla polimerazy RNA.

U bakterii może się to zdarzyć na dwa ogólne sposoby. W jednym z nich sekwencja terminacji jest transkrybowana, generując długość mRNA, które składa się z powrotem i tym samym „zespala się”, gdy polimeraza RNA kontynuuje swoją pracę. Te pofałdowane odcinki mRNA są często określane jako nici szpilki do włosów i obejmują komplementarne parowanie zasad w jednoniciowej, ale skręconej cząsteczce mRNA. Poniżej tej sekcji spinki do włosów znajduje się przedłużony odcinek zasad U lub pozostałości. Zdarzenia te zmuszają polimerazę RNA do zaprzestania dodawania nukleotydów i odłączenia się od DNA, kończąc transkrypcję. Nazywa się to terminacją niezależną od rho, ponieważ nie opiera się na białku znanym jako czynnik rho.

W terminacji zależnej od rho sytuacja jest prostsza i nie są potrzebne żadne segmenty mRNA o strukturze spinki do włosów ani reszty U. Zamiast tego czynnik rho wiąże się z wymaganym miejscem na mRNA i fizycznie odciąga mRNA od polimerazy RNA. To, czy wystąpi terminacja niezależna czy zależna od rho, zależy od dokładnej wersji działającej polimerazy RNA na DNA i mRNA (istnieją różne podtypy), a także na białkach i innych czynnikach w bezpośredniej komórce środowisko.

Obie kaskady zdarzeń ostatecznie prowadzą do uwolnienia mRNA z DNA w bańce transkrypcyjnej.

Istnieje wiele różnic między transkrypcją u prokariontów (z których prawie wszystkie są bakteriami) i eukariotów (organizmów wielokomórkowych, takich jak zwierzęta, rośliny i grzyby). Na przykład inicjacja u prokariontów zwykle obejmuje układ zasad DNA znany jako skrzynka Pribnowa, z sekwencja zasad TATAAT zlokalizowana około 10 par zasad od miejsca, w którym zachodzi sama inicjacja transkrypcji. Eukarionty mają jednak sekwencje wzmacniające umieszczone w znacznej odległości od miejsca inicjacji, ponieważ a także białka aktywatorowe, które pomagają deformować cząsteczkę DNA w sposób, który czyni ją bardziej dostępną dla RNA polimeraza.

Ponadto wydłużenie zachodzi około dwa razy szybciej u bakterii (około 42 do 54 par zasad na minutę, graniczące z jedną na sekundę) niż u eukariontów (około 22 do 25 par zasad na minutę). Wreszcie, chociaż bakteryjne mechanizmy terminacji zostały opisane powyżej, u eukariontów faza ta obejmuje specyficzne czynniki terminacji, a także nić RNA zwaną poli-A (jak w wielu bazy adeninowe z rzędu) „ogon”. Nie jest jeszcze jasne, czy zaprzestanie wydłużania powoduje odcięcie mRNA od bańki, czy też samo odcinanie nagle kończy wydłużanie proces.