Transcriere ADN: Cum funcționează?

Indiferent dacă sunteți un nou venit în biologie sau un pasionat de multă vreme, șansele sunt excelente implicit, vedeți acidul dezoxiribonucleic (ADN) ca fiind probabil cel mai indispensabil concept din toată viața ştiinţă. Cel puțin, probabil că sunteți conștient de faptul că ADN-ul este ceea ce vă face unic printre miliardele de oameni de pe planetei, conferindu-i un rol în lumea justiției penale, precum și în centrul scenei în biologia moleculară prelegeri. Aproape sigur ați aflat că ADN-ul este responsabil pentru înzestrarea cu orice trăsături pe care le-ați moștenit de la părinți și că propriul ADN este moștenirea ta directă pentru generațiile viitoare, dacă ar trebui să ai copii.

Ceea ce s-ar putea să nu știți multe despre calea care leagă ADN-ul din celulele dvs. de trăsăturile fizice pe care le manifestați, atât evidente, cât și ascunse, și seria de pași de-a lungul acelei căi. Biologii moleculari au produs conceptul de „dogmă centrală” în domeniul lor, care poate fi rezumat simplu ca fiind „ADN la ARN la proteină”. Prima parte a acestui proces - generând ARN, sau acid ribonucleic, din ADN - este cunoscută sub numele de

ADN-ul și ARN-ul sunt acizi nucleici. Ambele sunt fundamentale pentru toată viața; aceste macromolecule sunt foarte strâns legate, dar funcțiile lor, deși sunt strâns legate, sunt extrem de divergente și specializate.

ADN-ul este un polimer, ceea ce înseamnă că este format dintr-un număr mare de subunități care se repetă. Aceste subunități nu sunt exact identice, dar sunt identice ca formă. Luați în considerare un șir lung de margele formate din cuburi care vin în patru culori și variază atât de ușor ca dimensiune și veți obține un sentiment de bază despre modul în care ADN și ARN sunt aranjate.

Monomerii (subunitățile) acizilor nucleici sunt cunoscuți ca nucleotide. Nucleotidele în sine constau din triade a trei molecule distincte: o grupare (sau grupe) fosfat, o zahăr cu cinci carbon și o bază bogată în azot („bază” nu în sensul „fundației”, ci înseamnă „hidrogen-ion acceptor"). Nucleotidele care alcătuiesc acizii nucleici au o singură grupă fosfat, dar unele au doi sau chiar trei fosfați atașați la rând. Moleculele adenozin difosfat (ADP) și adenozin trifosfat (ATP) sunt nucleotide de o importanță extraordinară în metabolismul energetic celular.

ADN-ul și ARN-ul diferă în mai multe moduri importante. Una, în timp ce fiecare dintre aceste molecule include patru baze azotate diferite, ADN-ul include adenina (A), citozina (C), guanina (G) și timina (T), în timp ce ARN-ul include primele trei dintre acestea, dar înlocuiește uracilul (U) cu T. În al doilea rând, zahărul din ADN este dezoxiriboză, în timp ce cel din ARN este riboza. Și trei, ADN-ul este dublu catenar în forma sa cea mai stabilă din punct de vedere energetic, în timp ce ARN este monocatenar. Aceste diferențe sunt de o importanță majoră atât în ​​transcriere în mod specific, cât și în funcția acestor acizi nucleici respectivi în general.

Bazele A și G se numesc purine, în timp ce C, T și U sunt clasificate ca pirimidine. În mod critic, A se leagă chimic la, și numai la, T (dacă ADN) sau U (dacă ARN); C se leagă de și numai de G. Cele două catene ale unei molecule de ADN sunt complementare, ceea ce înseamnă că bazele din fiecare catena se potrivesc în fiecare punct cu baza unică „partener” din catena opusă. Astfel, AACTGCGTATG este complementar TTGACGCATAC (sau UUGACGCAUAC).

Înainte de a intra în mecanica transcrierii ADN-ului, merită să luați un moment pentru a revedea terminologia asociate cu ADN-ul și ARN-ul, deoarece cu atâtea cuvinte cu sunete similare în amestec, poate fi ușor de confundat lor.

Replicare este actul de a face o copie identică a ceva. Când faceți o fotocopie a unui document scris (vechea școală) sau utilizați funcția de copiere și lipire pe un computer (școală nouă), reproduceți conținutul în ambele cazuri.

ADN-ul suferă replicare, dar ARN, în măsura în care știința modernă poate constata, nu; se naște numai din transcrierea _._ Dintr-o rădăcină latină care înseamnă „o scriere peste”, transcrierea este codificarea unui anumit mesaj într-o copie a unei surse originale. Este posibil să fi auzit de transcrieri medicali, a căror sarcină este să scrie în formă scrisă notele medicale făcute ca înregistrare audio. În mod ideal, cuvintele și, prin urmare, mesajul, vor fi exact aceleași, în ciuda schimbării mediului. În celule, transcrierea implică copierea unui mesaj ADN genetic, scris în limbajul secvențelor de bază azotate, în formă de ARN - în special, ARN mesager (ARNm). Această sinteză de ARN apare în nucleul celulelor eucariote, după care ARNm părăsește nucleul și se îndreaptă către o structură numită ribozom. traducere.

În timp ce transcrierea este simpla codificare fizică a unui mesaj într-un mediu diferit, traducerea, în termeni biologici, este conversia acelui mesaj în acțiune intenționată. O lungime de ADN sau mesaj ADN unic, numit a genă, în cele din urmă, rezultă că celulele produc un produs proteic unic. ADN-ul expediază acest mesaj sub formă de ARNm, care apoi poartă mesajul către un ribozom pentru ca acesta să fie tradus în fabricarea unei proteine. În acest punct de vedere, ARNm este ca un plan sau un set de instrucțiuni pentru asamblarea unei piese de mobilier.

Asta, sperăm, vă clarifică orice mister pe care îl aveți despre acizii nucleici. Dar ce zici de transcriere în special?

ADN-ul, destul de faimos, este țesut într-o spirală dublă. Dar, în această formă, ar fi fizic dificil să construim ceva din ea. Prin urmare, în iniţiere faza (sau etapa) transcripției, molecula de ADN este derulată de enzime numite helicaze. Doar una dintre cele două catene de ADN rezultate este utilizată pentru sinteza ARN la un moment dat. Acest fir este denumit necodificatoare, deoarece, datorită regulilor de împerechere a bazelor ADN și ARN, cealaltă catena ADN are aceeași secvență de baze azotate ca ARNm care urmează să fie sintetizat, făcând astfel această catena codificare șuviță. Pe baza punctelor prezentate anterior, puteți concluziona că un fir de ADN și ARNm de care este responsabil pentru fabricare sunt complementare.

Cu catena acum pregătită pentru acțiune, o secțiune de ADN numită secvența promotor indică de unde trebuie să înceapă transcripția de-a lungul catenei. Enzima ARN polimerază ajunge în această locație și devine parte a unui complex promotor. Toate acestea sunt pentru a se asigura că sinteza ARNm începe exact acolo unde se presupune că se află pe molecula de ADN și acest lucru generează o catenă de ARN care conține mesajul codat dorit.

Apoi, în elongaţie fază, ARN polimeraza „citește” catena ADN, începând de la secvența promotor și deplasându-se de-a lungul catenei ADN, ca o profesor mergând pe un rând de studenți și distribuind teste, adăugând nucleotide la capătul în creștere al ARN-ului nou format moleculă.

Legăturile create între grupările fosfat ale unui nucleotid și grupul riboză sau dezoxiriboză de pe nucleotida următoare se numesc legături fosfodiester. Rețineți că o moleculă de ADN are ceea ce se numește un capăt 3 '(„trei-prim”) la un capăt și un capăt 5' („cinci-prim”) la celălalt, cu aceste numere provenind de la pozițiile terminale ale atomului de carbon în „inelele” ribozei terminale respective. Pe măsură ce molecula de ARN în sine crește în direcția 3 ', se deplasează de-a lungul firului de ADN în 5' direcţie. Ar trebui să examinați o diagramă pentru a vă asigura că înțelegeți pe deplin mecanica sintezei ARNm.

Adăugarea de nucleotide - în mod specific, trifosfații nucleozidici (ATP, CTP, GTP și UTP; ATP este adenozin trifosfat, CTP este citidin trifosfat și așa mai departe) - pentru catena de ARNm alungită necesită energie. Acest lucru, la fel de multe procese biologice, este asigurat de legăturile fosfat din nucleozidele trifosfați. Când legătura fosfat-fosfat de mare energie este ruptă, nucleotida rezultată (AMP, CMP, GMP și UMP; în aceste nucleotide, "MP" înseamnă "monofosfat") este adăugat la ARNm și o pereche de molecule de fosfat anorganic, de obicei scrise PP_eu, cădea.

Pe măsură ce apare transcrierea, o face, așa cum sa menționat, de-a lungul unei singure fire de ADN. Fiți conștienți, totuși, că întreaga moleculă de ADN nu se desfășoară și nu se separă în fire complementare; acest lucru se întâmplă numai în vecinătatea directă a transcrierii. Ca rezultat, puteți vizualiza o „bulă de transcripție” care se deplasează de-a lungul moleculei de ADN. Acesta este ca un obiect care se deplasează de-a lungul unui fermoar care este dezarhivat chiar în fața obiectului printr-un mecanism, în timp ce un alt mecanism restabilește fermoarul în urma obiectului.

În cele din urmă, când ARNm a atins lungimea și forma cerute, reziliere faza începe. La fel ca inițierea, această fază este activată de secvențe specifice de ADN care funcționează ca semne de stop pentru ARN polimeraza.

La bacterii, acest lucru se poate întâmpla în două moduri generale. Într-una dintre acestea, secvența de terminare este transcrisă, generând o lungime de ARNm care se pliază înapoi în sine și, prin urmare, se „acumulează” pe măsură ce ARN polimeraza continuă să-și facă treaba. Aceste secțiuni îndoite ale ARNm sunt adesea denumite fire de ac de păr și implică împerecherea complementară a bazelor în molecula de ARNm monocatenară, dar contorsionată. În aval de această secțiune a acului de păr se află o întindere prelungită de baze U sau reziduuri. Aceste evenimente obligă ARN-polimeraza să nu mai adauge nucleotide și să se detașeze de ADN, terminând transcripția. Aceasta este denumită terminație independentă de rho, deoarece nu se bazează pe o proteină cunoscută sub numele de factor rho.

În terminația dependentă de rho, situația este mai simplă și nu sunt necesare segmente de ARNm cu ac de păr sau reziduuri U. În schimb, factorul rho se leagă de locul necesar pe ARNm și trage fizic ARNm departe de ARN polimeraza. Dacă are loc terminarea independentă de rho sau depinde de rho depinde de versiunea exactă a ARN polimerazei care acționează pe ADN și ARNm (există o varietate de subtipuri), precum și proteinele și alți factori din celula imediată mediu inconjurator.

Ambele cascade de evenimente duc în cele din urmă la eliminarea ARNm de ADN-ul la bula de transcripție.

Există numeroase diferențe între transcrierea procariotelor (aproape toate sunt bacterii) și eucariote (organisme multicelulare precum animale, plante și ciuperci). De exemplu, inițierea în procariote implică de obicei un aranjament bazat pe ADN cunoscut sub numele de cutia Pribnow, cu secvența de bază TATAAT situată la aproximativ 10 perechi de baze distanță de locul în care are loc inițierea transcripției. Cu toate acestea, eucariotele au secvențe amplificatoare poziționate la o distanță considerabilă de locul de inițiere, ca precum și proteine ​​activatoare care ajută la deformarea moleculei de ADN într-un mod care o face mai accesibilă pentru ARN polimeraza.

În plus, alungirea are loc de aproximativ două ori mai repede la bacterii (în jur de 42 până la 54 de perechi de baze pe minut, care se învecinează cu una pe secundă) ca în eucariote (aproximativ 22 până la 25 de perechi de baze pe minut). În cele din urmă, în timp ce mecanismele bacteriene de terminare sunt descrise mai sus, în eucariote, această fază implică factori specifici de terminație, precum și o catena de ARN numită poli-A (ca în, multe baze de adenină la rând) „coadă”. Nu este încă clar dacă încetarea alungirii declanșează scindarea ARNm din bulă sau dacă scindarea însăși pune capăt brusc alungirii proces.