Независимо от того, являетесь ли вы новичком в биологии или давним поклонником, велики шансы, что по умолчанию вы рассматриваете дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) как, пожалуй, самое незаменимое понятие во всей жизни. наука. Как минимум, вы, вероятно, знаете, что ДНК - это то, что делает вас уникальным среди миллиардов людей на планеты, что дает ей роль в мире уголовного правосудия, а также центральное место в молекулярной биологии. лекции. Вы почти наверняка узнали, что ДНК отвечает за наделение вас всеми чертами, которые вы унаследовали. от ваших родителей, и что ваша собственная ДНК является вашим прямым наследием будущим поколениям, если у вас есть дети.
Возможно, вы не очень много знаете о пути, который соединяет ДНК в ваших клетках с физическими чертами, которые вы проявляете, как явными, так и скрытыми, и серией шагов на этом пути. Молекулярные биологи разработали концепцию «центральной догмы» в своей области, которую можно резюмировать просто как «ДНК к РНК к белку». Первая часть этого процесса - создание РНК или рибонуклеиновой кислоты из ДНК - известна как
транскрипция, и эта хорошо изученная и скоординированная серия биохимической гимнастики столь же элегантна, как и глубока с научной точки зрения.Обзор нуклеиновых кислот
ДНК и РНК - это нуклеиновые кислоты. Оба фундаментальны для всей жизни; эти макромолекулы очень тесно связаны, но их функции, хотя и тесно переплетены, сильно расходятся и специализированы.
ДНК - это полимер, а это означает, что она состоит из большого количества повторяющихся субъединиц. Эти субъединицы не совсем идентичны, но идентичны по форме. Рассмотрим длинную бусинку, состоящую из кубиков четырех цветов и немного различающихся по размеру, и вы получите общее представление о том, как устроены ДНК и РНК.
Мономеры (субъединицы) нуклеиновых кислот известны как нуклеотиды. Сами нуклеотиды состоят из триад трех различных молекул: фосфатной группы (или групп), пятиуглеродный сахар и богатое азотом основание («основание» не в смысле «основа», а означает «ион водорода. акцептор »). Нуклеотиды, из которых состоят нуклеиновые кислоты, имеют одну фосфатную группу, но некоторые из них имеют два или даже три фосфата, прикрепленных подряд. Молекулы аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ) являются нуклеотидами исключительной важности в энергетическом метаболизме клеток.
ДНК и РНК различаются несколькими важными способами. Во-первых, в то время как каждая из этих молекул включает четыре разных азотистых основания, ДНК включает аденин (A), цитозин. (C), гуанин (G) и тимин (T), тогда как РНК включает первые три из них, но заменяет урацил (U) на Т. Во-вторых, сахар в ДНК - дезоксирибоза, а сахар в РНК - рибоза. И в-третьих, ДНК является двухцепочечной в своей наиболее энергетически стабильной форме, тогда как РНК является одноцепочечной. Эти различия имеют большое значение как для специфической транскрипции, так и для функции этих соответствующих нуклеиновых кислот в целом.
Основания A и G называются пуринами, а C, T и U классифицируются как пиримидины. Важно то, что А химически связывается только с Т (если ДНК) или U (если РНК); C связывается только с G. Две цепи молекулы ДНК являются комплементарными, что означает, что основания в каждой цепи совпадают в каждой точке с уникальным «партнерским» основанием в противоположной цепи. Таким образом, AACTGCGTATG дополняет TTGACGCATAC (или UUGACGCAUAC).
Транскрипция ДНК vs. Перевод
Прежде чем углубляться в механику транскрипции ДНК, стоит уделить время и изучить терминологию. связаны с ДНК и РНК, потому что с таким количеством похожих по звучанию слов в смеси можно легко спутать их.
Репликация это акт создания идентичной копии чего-либо. Когда вы делаете ксерокопию письменного документа (старая школа) или используете функцию копирования и вставки на компьютере (новая школа), вы копируете контент в обоих случаях.
ДНК подвергается репликации, а РНК, насколько современная наука может установить, нет; оно возникает только из транскрипции _._ От латинского корня, означающего «поперечное письмо», транскрипция - это кодирование определенного сообщения в копии оригинального источника. Возможно, вы слышали о медицинских транскрипционистах, чья работа заключается в том, чтобы печатать в письменной форме медицинские записи, сделанные в виде аудиозаписи. В идеале слова и, следовательно, сообщение должны быть точно такими же, несмотря на изменение среды. В клетках транскрипция включает в себя копирование генетического сообщения ДНК, написанного на языке азотистых оснований, в форму РНК - в частности, информационную РНК (мРНК). Этот синтез РНК происходит в ядре эукариотических клеток, после чего мРНК покидает ядро и направляется в структуру, называемую рибосомой. перевод.
В то время как транскрипция - это простое физическое кодирование сообщения на другом носителе, перевод с биологической точки зрения - это преобразование этого сообщения в целенаправленное действие. Длина ДНК или отдельного сообщения ДНК, называемого ген, в конечном итоге приводит к тому, что клетки производят уникальный белковый продукт. ДНК передает это сообщение в форме мРНК, которая затем передает сообщение рибосоме, чтобы она транслировалась в создание белка. С этой точки зрения мРНК похожа на план или набор инструкций по сборке предмета мебели.
Мы надеемся, что это проясняет любые ваши загадки о том, что делают нуклеиновые кислоты. Но как насчет транскрипции в частности?
Этапы транскрипции
ДНК, как известно, сплетена в двухцепочечную спираль. Но в таком виде построить из него что-либо физически будет сложно. Поэтому в инициация На этапе (или этапе) транскрипции молекула ДНК раскручивается ферментами, называемыми геликазами. Только одна из двух образующихся цепей ДНК используется для синтеза РНК за раз. Эта нить называется некодирование цепи, потому что, благодаря правилам спаривания оснований ДНК и РНК, другая цепь ДНК имеет ту же последовательность азотистых оснований, что и синтезируемая мРНК, что делает эту цепь кодирование прядь. Основываясь на высказанных ранее замечаниях, можно сделать вывод, что цепь ДНК и мРНК, за производство которой она отвечает, дополняют друг друга.
Теперь, когда цепь готова к действию, участок ДНК, называемый последовательностью промотора, указывает, где должна начинаться транскрипция вдоль цепи. Ферментная РНК-полимераза попадает в это место и становится частью промоторного комплекса. Все это делается для того, чтобы синтез мРНК начинался именно там, где он должен был, на молекуле ДНК, и это генерирует цепь РНК, которая содержит желаемое закодированное сообщение.
Далее в удлинение В фазе РНК-полимераза «считывает» цепь ДНК, начиная с промоторной последовательности и перемещаясь вдоль цепи ДНК, как учитель подходит к ряду учеников и раздает тесты, добавляя нуклеотиды к растущему концу вновь формирующейся РНК молекула.
Связи, образованные между фосфатными группами одного нуклеотида и рибозной или дезоксирибозной группой следующего нуклеотида, называются фосфодиэфирные связи. Обратите внимание, что молекула ДНК имеет так называемый 3 '(«трехполюсный») конец на одном конце и 5' («пятизначный») конец на другом, причем эти числа происходят от положения концевых атомов углерода в соответствующих концевых «кольцах» рибозы. Поскольку сама молекула РНК растет в направлении 3 ', она движется вдоль цепи ДНК в направлении 5'. направление. Вам следует изучить диаграмму, чтобы убедиться, что вы полностью понимаете механику синтеза мРНК.
Добавление нуклеотидов - в частности, нуклеозидтрифосфатов (АТФ, CTP, GTP и UTP; АТФ - это аденозинтрифосфат, CTP - цитидинтрифосфат и т. Д.) - для удлинения цепи мРНК требуется энергия. Это, как и многие другие биологические процессы, обеспечивается фосфатными связями в самих нуклеозидтрифосфатах. Когда высокоэнергетическая фосфат-фосфатная связь разрывается, образующийся нуклеотид (AMP, CMP, GMP и UMP; в этих нуклеотидах «MP» означает «монофосфат») добавляется к мРНК, и пара молекул неорганического фосфата, обычно обозначаемая PPя, отпадают.
Поскольку транскрипция происходит, она, как уже говорилось, происходит по одной нити ДНК. Однако имейте в виду, что вся молекула ДНК не раскручивается и не разделяется на комплементарные цепи; это происходит только в непосредственной близости от транскрипции. В результате вы можете визуализировать «пузырь транскрипции», движущийся вдоль молекулы ДНК. Это похоже на объект, который движется по застежке-молнии, которая расстегивается перед объектом одним механизмом, в то время как другой механизм повторно застегивает молнию вслед за объектом.
Наконец, когда мРНК достигла необходимой длины и формы, прекращение фаза начинается. Подобно инициации, эта фаза обеспечивается конкретными последовательностями ДНК, которые действуют как стоп-сигналы для РНК-полимеразы.
У бактерий это может происходить двумя способами. В одном из них последовательность терминации транскрибируется, генерируя длину мРНК, которая складывается сама по себе и, таким образом, «сгущается» по мере того, как РНК-полимераза продолжает выполнять свою работу. Эти свернутые участки мРНК часто называют нитями шпильки, и они включают комплементарное спаривание оснований в одноцепочечной, но искаженной молекуле мРНК. Ниже этого участка шпильки находится продолжительный участок U-оснований или остатков. Эти события заставляют РНК-полимеразу перестать добавлять нуклеотиды и отсоединяться от ДНК, заканчивая транскрипцию. Это называется rho-независимым завершением, потому что оно не зависит от белка, известного как rho-фактор.
При rho-зависимой терминации ситуация проще, и не требуются шпильки-сегменты мРНК или U-остатки. Вместо этого rho-фактор связывается с нужным участком мРНК и физически отрывает мРНК от РНК-полимеразы. Произойдет ли rho-независимая или rho-зависимая терминация, зависит от точной версии действующей РНК-полимеразы. на ДНК и мРНК (существует множество подтипов), а также на белки и другие факторы в ближайшем клеточном среда.
Оба каскада событий в конечном итоге приводят к отрыву мРНК от ДНК в пузыре транскрипции.
Прокариоты vs. Эукариоты
Между транскрипцией прокариот (почти все из которых являются бактериями) и эукариот (многоклеточных организмов, таких как животные, растения и грибы) существуют многочисленные различия. Например, инициация у прокариот обычно включает расположение оснований ДНК, известное как блок Прибноу, с последовательность оснований TATAAT расположена примерно в 10 парах оснований от того места, где происходит сама инициация транскрипции. Однако у эукариот энхансерные последовательности расположены на значительном расстоянии от сайта инициации, так как а также белки-активаторы, которые помогают деформировать молекулу ДНК, делая ее более доступной для РНК. полимераза.
Кроме того, у бактерий удлинение происходит примерно в два раза быстрее (примерно от 42 до 54 пар оснований в минуту, что граничит с одной пар оснований в секунду), чем у эукариот (примерно от 22 до 25 пар оснований в минуту). Наконец, хотя бактериальные механизмы терминации описаны выше, у эукариот эта фаза включает специфические факторы терминации, а также цепь РНК, называемую поли-А (как и во многих других случаях). адениновые основания в ряд) "хвостик". Пока неясно, вызывает ли прекращение элонгации отщепление мРНК от пузыря или само расщепление резко завершает элонгацию. процесс.