Prepis DNA: Ako to funguje?

Bez ohľadu na to, či ste v biológii nováčikom alebo dlhoročným nadšencom, šanca je vynikajúca predvolene považujete deoxyribonukleovú kyselinu (DNA) za možno najnevyhnutnejší koncept v celom živote veda. Minimálne si pravdepodobne uvedomujete, že DNA je to, čo vás robí jedinečným medzi miliardami ľudí na internete planéty, čo mu dáva rolu vo svete trestného súdnictva, ako aj ústredné miesto v molekulárnej biológii prednášky. Takmer určite ste sa dozvedeli, že DNA je zodpovedná za to, že vás obdaruje akýmikoľvek vlastnosťami, ktoré ste zdedili od svojich rodičov a že vaša vlastná DNA je vašim priamym odkazom pre budúce generácie, ktoré by ste mali mať deti.

O čom možno veľa neviete, je cesta, ktorá spája DNA vo vašich bunkách s fyzickými znakmi, ktoré prejavujete, zjavné aj skryté, a séria krokov pozdĺž tejto cesty. Molekulárni biológovia vytvorili vo svojom odbore koncept „centrálnej dogmy“, ktorý možno zhrnúť jednoducho ako „DNA na RNA na proteín.“ Prvá časť tohto procesu - generovanie RNA alebo ribonukleovej kyseliny z DNA - je známa ako

DNA a RNA sú nukleové kyseliny. Obidve sú zásadné pre celý život; tieto makromolekuly sú veľmi úzko spojené, ale ich funkcie sú síce vynikajúco prepletené, ale sú veľmi odlišné a špecializované.

DNA je polymér, čo znamená, že pozostáva z veľkého množstva opakujúcich sa podjednotiek. Tieto podjednotky nie sú úplne identické, ale majú zhodnú formu. Zvážte dlhý rad korálikov pozostávajúci z kociek, ktoré majú štyri farby a ich veľkosť sa mierne líši. Získate základný prehľad o usporiadaní DNA a RNA.

Monoméry (podjednotky) nukleových kyselín sú známe ako nukleotidy. Samotné nukleotidy pozostávajú z triád troch odlišných molekúl: fosfátovej skupiny (alebo skupín), a cukor s piatimi uhlíkmi a báza bohatá na dusík („báza“ nie v zmysle „základ“, ale znamená „vodíkový ión“ akceptor “). Nukleotidy, ktoré tvoria nukleové kyseliny, majú jednu fosfátovú skupinu, ale niektoré majú dva alebo dokonca tri fosfáty pripojené za sebou. Molekuly adenozíndifosfát (ADP) a adenozíntrifosfát (ATP) sú nukleotidy mimoriadneho významu v metabolizme bunkovej energie.

DNA a RNA sa líšia niekoľkými dôležitými spôsobmi. Jedna, zatiaľ čo každá z týchto molekúl obsahuje štyri rôzne dusíkaté bázy, DNA zahŕňa adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T), zatiaľ čo RNA obsahuje prvé tri z nich, ale nahrádza uracil (U) za T. Po druhé, cukrom v DNA je deoxyribóza, zatiaľ čo v RNA je ribóza. A tri, DNA je dvojreťazcová vo svojej energeticky najstabilnejšej forme, zatiaľ čo RNA je jednoreťazcová. Tieto rozdiely majú zásadný význam ako pri transkripcii, tak aj pri funkcii týchto nukleových kyselín všeobecne.

Bázy A a G sa nazývajú puríny, zatiaľ čo C, T a U sú klasifikované ako pyrimidíny. Kriticky sa A chemicky viaže na, a iba na, T (ak je DNA) alebo U (ak je RNA); C sa viaže na a iba na G. Dva reťazce molekuly DNA sú komplementárne, čo znamená, že bázy v každom vlákne sa v každom bode zhodujú s jedinečnou „partnerskou“ bázou v opačnom vlákne. AACTGCGTATG je teda komplementárny k TTGACGCATAC (alebo UUGACGCAUAC).

Predtým, ako sa pustíme do mechaniky prepisu DNA, stojí za to chvíľu si prečítať terminológiu spojené s DNA a RNA, pretože pri toľkom množstve podobne znejúcich slov v zmesi môže byť ľahké zameniť ich.

Replikácia je úkon vytvorenia identickej kópie niečoho. Keď urobíte fotokópiu písomného dokumentu (stará škola) alebo použijete funkciu kopírovania a vloženia na počítači (nová škola), replikujete obsah v obidvoch prípadoch.

DNA podlieha replikácii, ale RNA, pokiaľ to moderná veda môže zistiť, nie; vzniká iba z prepisu _._ Z latinského koreňa, ktorý znamená „prepis“, prepis predstavuje kódovanie konkrétnej správy v kópii pôvodného zdroja. Možno ste už počuli o lekárskych prepisovačoch, ktorých úlohou je písať do písomnej formy lekárske poznámky ako zvukový záznam. V ideálnom prípade budú slová, a teda aj správa, úplne rovnaké aj napriek zmene média. V bunkách transkripcia spočíva v kopírovaní správy o genetickej DNA, napísanej v jazyku sekvencií dusíkatých báz, do formy RNA - špeciálne na messenger RNA (mRNA). Táto syntéza RNA sa vyskytuje v jadre eukaryotických buniek, potom mRNA opustí jadro a smeruje k štruktúre nazývanej ribozóm. preklad.

Zatiaľ čo prepis je jednoduché fyzické kódovanie správy na inom médiu, preklad z biologického hľadiska predstavuje premenu tejto správy na účelnú akciu. Dĺžka DNA alebo jedna správa DNA, nazývaná a gen, nakoniec vedie k tomu, že bunky vyrábajú jedinečný proteínový produkt. DNA dodáva túto správu vo forme mRNA, ktorá ju potom prenáša do ribozómu, aby sa mohla preložiť na bielkovinu. Z tohto pohľadu je mRNA ako plán alebo súbor pokynov na zostavenie kusu nábytku.

Dúfajme, že to objasní všetky vaše záhady o tom, čo nukleové kyseliny robia. Čo však konkrétne s prepisom?

DNA, pomerne slávne, je utkaná do dvojvláknovej špirály. Ale v tejto podobe by bolo fyzicky ťažké z toho niečo postaviť. Preto v zasvätenie fázy (alebo kroku) transkripcie sa molekula DNA odmotáva pomocou enzýmov nazývaných helikázy. Na syntézu RNA sa súčasne používa iba jeden z dvoch výsledných reťazcov DNA. Tento prameň sa označuje ako nekódujúci vlákno, pretože vďaka pravidlám párovania báz DNA a RNA má druhé vlákno DNA rovnakú sekvenciu dusíkatých báz ako syntetizovaná mRNA, čím sa z tohto vlákna stáva kódovanie vlákno. Na základe vyššie uvedených úvah môžete usúdiť, že vlákno DNA a mRNA, ktorá je zodpovedná za výrobu, sa navzájom dopĺňajú.

Keď je vlákno teraz pripravené na akciu, časť DNA nazývaná promótorová sekvencia naznačuje, kde má transkripcia začať pozdĺž vlákna. Enzým RNA polymeráza prichádza na toto miesto a stáva sa súčasťou promótorového komplexu. To všetko má zaistiť, aby syntéza mRNA začala presne tam, kde má na molekule DNA, a to generuje vlákno RNA, ktoré obsahuje požadovanú kódovanú správu.

Ďalej v predĺženie fázy, RNA polymeráza „číta“ reťazec DNA, počnúc promótorovou sekvenciou a pohybujúcou sa pozdĺž reťazca DNA, ako učiteľ prechádzal po rade študentov a distribuoval testy a pridával nukleotidy k rastúcemu koncu novovznikajúcej RNA molekula.

Väzby vytvorené medzi fosfátovými skupinami jedného nukleotidu a ribózovou alebo deoxyribózovou skupinou na nasledujúcom nukleotide sa nazývajú fosfodiesterové väzby. Všimnite si, že molekula DNA má na jednom konci takzvaný 3 '("trojpriestorový") koniec a na druhom konci 5' ("päťpripravený") koniec, pričom tieto čísla pochádzajú z koncové polohy uhlíka-atóm v príslušných koncových ribózových „kruhoch“. Keď molekula RNA sama rastie v 3 'smere, pohybuje sa pozdĺž reťazca DNA v 5' smer. Mali by ste preskúmať diagram, aby ste sa ubezpečili, že úplne rozumiete mechanike syntézy mRNA.

Pridanie nukleotidov - konkrétne nukleozid trifosfátov (ATP, CTP, GTP a UTP; ATP je adenozíntrifosfát, CTP je cytidín trifosfát atď.) - na predĺženie reťazca mRNA je potrebná energia. To, rovnako ako toľko biologických procesov, zabezpečujú fosfátové väzby v samotných nukleozid trifosfátoch. Keď dôjde k prerušeniu vysokoenergetickej fosfát-fosfátovej väzby, vzniknutý nukleotid (AMP, CMP, GMP a UMP; v týchto nukleotidoch sa „MP“ označuje ako „monofosfát“), ktorý sa pridáva k mRNA a dvojici anorganických fosfátových molekúl, zvyčajne napísaných PP_i, odpadnúť.

Keď dôjde k transkripcii, robí to, ako je uvedené, pozdĺž jedného vlákna DNA. Uvedomte si však, že celá molekula DNA sa nerozvinie a nerozdelí na komplementárne reťazce; toto sa deje iba v priamej blízkosti transkripcie. Vďaka tomu si môžete predstaviť „transkripčnú bublinu“, ktorá sa pohybuje pozdĺž molekuly DNA. Je to ako predmet, ktorý sa pohybuje pozdĺž zipsu, ktorý sa rozopína tesne pred objektom jedným mechanizmom, zatiaľ čo iný mechanizmus zipsy zopne znova.

Nakoniec, keď mRNA dosiahne požadovanú dĺžku a formu, ukončenie fáza začína. Rovnako ako iniciácia, aj túto fázu umožňujú špecifické sekvencie DNA, ktoré fungujú ako stopky pre RNA polymerázu.

V prípade baktérií sa to môže stať dvoma všeobecnými spôsobmi. V jednom z nich je terminačná sekvencia transkribovaná, pričom generuje dĺžku mRNA, ktorá sa skladá späť do seba a tým sa „zhlukuje“, keď RNA polymeráza naďalej plní svoju úlohu. Tieto zložené úseky mRNA sa často označujú ako vlásenkové vlákna a zahŕňajú párovanie komplementárnych báz v rámci jednovláknovej, ale skreslenej molekuly mRNA. Za touto vlásenkovou časťou je pod ním predĺžený úsek U báz alebo zvyškov. Tieto udalosti nútia RNA polymerázu prestať pridávať nukleotidy a odpojiť sa od DNA, čím sa končí transkripcia. Toto sa označuje ako rho-nezávislé ukončenie, pretože sa nespolieha na proteín známy ako rho faktor.

Pri terminácii závislej na rho je situácia jednoduchšia a nie sú potrebné žiadne vlásenkové mRNA segmenty alebo U zvyšky. Namiesto toho sa rho faktor viaže na požadované miesto na mRNA a fyzicky oddeľuje mRNA od RNA polymerázy. To, či dôjde k rho-nezávislému alebo rho-závislému ukončeniu, závisí od presnej verzie RNA polymerázy, ktorá účinkuje na DNA a mRNA (existuje celý rad podtypov), ako aj na proteíny a ďalšie faktory v bezprostrednej bunkovej oblasti prostredie.

Obe kaskády udalostí nakoniec vedú k tomu, že mRNA sa uvoľní z DNA na transkripčnej bubline.

Medzi transkripciou u prokaryotov (takmer všetky sú baktérie) a eukaryotov (mnohobunkové organizmy, ako sú zvieratá, rastliny a huby) existuje veľa rozdielov. Napríklad iniciácia u prokaryotov obvykle zahŕňa usporiadanie báz DNA, známe ako Pribnow box, s bázová sekvencia TATAAT umiestnená približne 10 párov báz od miesta, kde nastáva samotná iniciácia transkripcie. Eukaryoty však majú zosilňovacie sekvencie umiestnené v značnej vzdialenosti od iniciačného miesta, ako napr rovnako ako aktivátorové proteíny, ktoré pomáhajú deformovať molekulu DNA spôsobom, ktorý ju robí prístupnejšou pre RNA polymeráza.

Okrem toho k predĺženiu dochádza u baktérií asi dvakrát rýchlejšie (okolo 42 až 54 párov báz za minútu, hraničiacich s jednou za sekundu) ako u eukaryotov (asi 22 až 25 párov báz za minútu). Nakoniec, zatiaľ čo bakteriálne mechanizmy terminácie sú opísané vyššie, u eukaryotov táto fáza zahŕňa špecifické terminačné faktory, ako aj reťazec RNA nazývaný poly-A (ako v mnohých adenínové bázy v rade) „chvost“. Zatiaľ nie je jasné, či zastavenie predĺženia spustí štiepenie mRNA z bubliny alebo či samotné štiepenie náhle predĺženie ukončí. procesu.