DNK(deoksiribonukleinska kislina) je genski material vsega znanega življenja od najpreprostejših enoceličnih bakterij do najlepšega pettonskega slona na afriški ravnici. "Genetski material" se nanaša na molekule, ki vsebujejo dva pomembna sklopa navodil: eno za izdelava beljakovin za trenutne potrebe celice, druga pa za kopirajo sebeali razmnoževanje, tako da lahko popolnoma isto genetsko kodo uporabljajo prihodnje generacije celic.
Če celico ohranimo pri življenju dovolj dolgo, da se razmnožuje, je potrebno veliko teh beljakovinskih produktov, ki jih DNK naroči prek mRNA (messenger ribonucleic acid) ustvarja kot odposlanec pri ribosomih, kjer se beljakovine dejansko sintetizirajo.
Imenuje se kodiranje genskih informacij z DNA v messenger RNA prepis, medtem ko se imenuje izdelava beljakovin na podlagi usmeritev iz mRNA prevod.
Prevajanje vključuje tlakovanje skupaj beljakovin s pomočjo peptidnih vezi tvorijo dolge verige amino kisline ali monomerov v tej shemi. Obstaja 20 različnih aminokislin in človeško telo potrebuje nekaj od njih, da preživi.
Sinteza beljakovin pri prevajanju med drugim vključuje usklajeno srečanje kompleksov mRNA, aminoacil-tRNA in par ribosomskih podenot.
Nukleinske kisline: pregled
Nukleinske kisline sestavljajo ponavljajoče se podenote ali monomeri, imenovani nukleotidi. Vsak nukleotid je sestavljen iz treh ločenih komponent: a riboza (petogljični) sladkor, ena do tri fosfatne skupine in a dušikova baza.
Vsaka nukleinska kislina ima eno od štiri možne podlage v vsakem nukleotidu, od tega dva purina in dva pirimidina. Razlike v osnovah med nukleotidi so tisto, kar daje različnim nukleotidom njihov bistveni značaj.
Nukleotidi lahko obstajajo zunaj nukleinskih kislin in dejansko so nekateri od teh nukleotidov osrednjega pomena za celoten metabolizem. Nukleotidi adenozin difosfat (ADP) in adenozin trifosfat (ATP) so jedro enačb, v katerih se energija za celično uporabo pridobiva iz kemičnih vezi hranil.
Nukleotidi v nukleinska kislinaimajo pa le en fosfat, ki se deli z naslednjim nukleotidom v verigi nukleinske kisline.
Osnovne razlike med DNA in RNA
Na molekularni ravni se DNA razlikuje od RNA na dva načina. Eno je, da je sladkor v DNK deoksiribozamedtem ko je v RNA riboza (od tod njihova imena). Deoksiriboza se od riboze razlikuje po tem, da ima namesto hidroksilne (-OH) skupine na položaju ogljika številka 2 atom vodika (-H). Tako je deoksiribozi en kisikov atom manjkal od riboze, torej "deoksi".
Druga strukturna razlika med nukleinskimi kislinami je v njihovi sestavi dušikove baze. DNA in RNA vsebujeta dve purinski bazi adenin (A) in gvanin (G) ter pirimidinsko bazo citozin (C). Toda medtem ko je druga pirimidinska baza v DNK timin (T) v RNA, je ta osnova uracil (U).
Kot se zgodi, se v nukleinskih kislinah A veže na in samo na T (ali U, če je molekula RNA), C pa na in samo na G. To specifično in edinstveno komplementarno osnovno parjenje ureditev je potrebna za pravilen prenos informacij o DNA na informacije mRNA v transkripciji in informacij mRNA na informacije tRNA med prevajanjem.
Druge razlike med DNA in RNA
Na bolj makro ravni je DNA dvoverižna, medtem ko je RNA enoverižna. Natančneje, DNK ima obliko dvojne vijačnice, ki je kot lestev, ki je na obeh koncih zvita v različnih smereh.
Verige so na vsakem nukleotidu povezane z njihovimi dušikovimi bazami. To pomeni, da ima nukleotid, ki nosi "A", nukleotid, ki nosi "T", le na svojem "partnerskem" nukleotidu. To pomeni, da sta skupaj dve verigi DNA komplementarne drug drugemu.
Molekule DNA so lahko na tisoče baz (ali bolj pravilno, osnovni pari) dolga. Pravzaprav človek kromosom ni nič drugega kot en sam zelo dolg sklop DNA, povezan z veliko mero beljakovin. Po drugi strani pa so molekule RNA vseh vrst ponavadi razmeroma majhne.
DNK najdemo tudi predvsem v jedrih evkariontov, pa tudi v mitohondrijih in kloroplastih. Največ RNA pa najdemo v jedru in citoplazmi. Kot boste kmalu videli, RNA prihaja v različnih vrstah.
Vrste RNA
RNA je na voljo v treh primarnih vrstah. Prvi je mRNA, ki je narejen iz vzorca DNA med transkripcijo v jedru. Ko je veriga mRNA končana, se izvleče iz jedra skozi pore v jedrski ovojnici in konča, tako da usmerja oddajo na ribosom, mesto prevajanje beljakovin.
Druga vrsta RNA je prenos RNA (tRNA). To je manjša molekula nukleinske kisline in je na voljo v 20 podtipih, po en za vsako aminokislino. Njegov namen je premakniti svojo "dodeljeno" aminokislino na mesto prevajanja na ribosomu, da jo lahko dodamo rastoči polipeptidni (majhni beljakovini, pogosto v teku) verigi.
Tretja vrsta RNA je ribosomska RNA (rRNA). Ta vrsta RNA predstavlja pomemben delež mase ribosomov z beljakovinami, specifičnimi za ribosome, ki tvorijo preostalo maso.
Pred prevajanjem: Ustvarjanje predloge mRNA
Pogosto citirana "osrednja dogma" molekularne biologije je DNA v RNA v beljakovine. Morda bi bilo postavljeno še bolj jedrnato prepis v prevod. Prepis je prvi dokončni korak k sintezi beljakovin in je ena od stalnih potreb vsake celice.
Ta postopek se začne z odvijanjem molekule DNA v posamezne verige, tako da se encimi in nukleotidi, ki sodelujejo v transkripciji, lahko premaknejo na prizorišče.
Nato se vzdolž ene od verig DNA sestavi verigo mRNA s pomočjo encima RNA polimeraze. Ta veriga mRNA ima osnovno zaporedje, ki je komplementarno zaporedju verige predloge, razen dejstva, da se U pojavi tam, kjer bi se T pojavil v DNA.
- Če je na primer zaporedje DNA, ki je v postopku transkripcije, ATTCGCGGTATGTC, potem bi nastala veriga mRNA imela zaporedje UAAGCGCCAUACAG.
Ko se sintetizira veriga mRNA, se določene dolžine DNA, imenovane introni, sčasoma izvlečejo iz zaporedja mRNA, ker ne kodirajo nobenih beljakovinskih produktov. Le deli verige DNA, ki dejansko kodirajo nekaj, imenovano eksoni, prispevajo k končni molekuli mRNA.
Kaj je vključeno v prevajanje
Na mestu sinteze beljakovin so za uspešno prevajanje potrebne različne strukture.
Ribosom: Vsak ribosom je narejen iz majhne ribosomske podenote in velike ribosomske podenote. Ti obstajajo v paru šele, ko se prevod začne. Vsebujejo veliko količino rRNA in tudi beljakovin. To so ene redkih celičnih komponent, ki obstajajo tako v prokariontih kot v evkariontih.
mRNA: Ta molekula vsebuje neposredna navodila iz DNK celice za proizvodnjo določenega proteina. Če je DNK mogoče razumeti kot načrt celotnega organizma, vsebuje sklop mRNA ravno toliko informacij, da je ena odločilnih sestavin tega organizma.
tRNA: Ta nukleinska kislina tvori vezi z aminokislinami individualno in tvori tako imenovane komplekse aminoacil-tRNA. To samo pomeni, da taksi (tRNA) trenutno prevaža predvideno in edino vrsto potnika (specifična aminokislina) med 20 "vrstami" ljudi v bližini.
Amino kisline: To so majhne kisline z amino (-NH2) skupina, skupina karboksilne kisline (-COOH) in stranska veriga, vezana na osrednji atom ogljika skupaj z atomom vodika. Pomembno je, da se kode za vsako od 20 aminokislin nosijo v skupinah treh imenovanih baz mRNA trojni kodoni.
Kako deluje prevajanje?
Prevajanje temelji na razmeroma preprosti trojni kodi. Upoštevajte, da lahko katera koli skupina treh zaporednih baz vključuje eno od 64 možnih kombinacij (na primer AAG, CGU itd.), Ker so štiri dvignjene na tretjo stopnjo 64.
To pomeni, da je kombinacij več kot dovolj za tvorbo 20 aminokislin. Pravzaprav bi lahko več kot en kodon kodiral isto aminokislino.
To je pravzaprav tako. Nekatere aminokisline se sintetizirajo iz več kot kodona. Na primer, levcin je povezan s šestimi različnimi zaporedji kodonov. Tripletna koda je ta "izrojena".
Pomembno pa je, da ni odvečno. Se pravi enako kodon mRNA ne more koda za več kot en aminokislina.
Mehanika prevajanja
Fizično mesto prevajanja v vseh organizmih je ribosom. Nekateri deli ribosoma imajo tudi encimske lastnosti.
Prevajanje pri prokariontih se začne z iniciacija prek signala faktorja iniciacije iz kodona, ki se ustrezno imenuje START kodon. Tega pri evkariontih ni, namesto tega je prva izbrana aminokislina metionin, ki ga kodira AUG, ki deluje kot nekakšen kodon START.
Ko je vsak nadaljnji trisegmentni trak mRNA izpostavljen na površini ribosoma, tRNA z zahtevano aminokislino zaide na prizorišče in spusti potnika. To vezno mesto se imenuje "A" mesto ribosoma.
Ta interakcija se zgodi na molekularni ravni, ker imajo te molekule tRNA bazna zaporedja, komplementarna dohodni mRNA in se tako zlahka vežejo na mRNA.
Gradnja polipeptidne verige
V raztezek V fazi translacije se ribosom premika za tri baze, kar se imenuje translacija. To na novo razkrije mesto "A" in vodi do tega, da se polipeptid, ne glede na njegovo dolžino v tem miselnem poskusu, premakne na mesto "P".
Ko nov kompleks aminoacil-tRNA prispe na mesto "A", se celotna polipeptidna veriga odstrani iz na mestu "P" in pritrjena na aminokislino, ki je bila pravkar deponirana na mestu "A", s pomočjo peptida obveznica. Ko se bo torej spet pojavila translokacija ribosoma po "tiru" molekule mRNA, bo cikel zaključen in rastoča polipeptidna veriga je zdaj daljša za eno aminokislino.
V prekinitev fazo, ribosom naleti na enega od treh zaključnih kodonov ali STOP kodonov, ki so vključeni v mRNA (UAG, UGA in UAA). To povzroči, da se na mesto ne javijo tRNA, temveč snovi, imenovane faktorji sproščanja, kar vodi do sproščanja polipeptidne verige. Ribosomi se ločijo na sestavne podenote in prevod je končan.
Kaj se zgodi po prevodu
Postopek prevajanja ustvarja polipeptidno verigo, ki jo je treba še spremeniti, preden bo lahko pravilno delovala kot nova beljakovina. Primarna struktura a beljakovine, njegovo aminokislinsko zaporedje, predstavlja le majhen del njegove morebitne funkcije.
Beljakovine se po prevajanju spremenijo tako, da jih zložijo v posebne oblike, kar se pogosto zgodi spontano zaradi elektrostatičnih interakcij med aminokislinami na sosednjih mestih vzdolž polipeptidna veriga.
Kako genske mutacije vplivajo na prevajanje
Ribosomi so odlični delavci, vendar niso inženirji za nadzor kakovosti. Beljakovine lahko ustvarijo samo iz predloge mRNA, ki jim je dana. V tej predlogi ne morejo zaznati napak. Zato bi bile napake pri prevajanju neizogibne tudi v svetu popolnoma delujočih ribosomov.
Mutacije ki spremenijo en sam amino, lahko motijo delovanje beljakovin, na primer mutacija, ki povzroča srpastocelično anemijo. Mutacije, ki dodajo ali izbrišejo osnovni par, lahko odvržejo celotno trojno kodo, tako da bo večina ali vse naslednje aminokisline napačne.
Mutacije bi lahko ustvarile zgodnji STOP kodon, kar pomeni, da se sintetizira le del beljakovin. Vsi ti pogoji so lahko izčrpavajoči v različnih stopnjah in poskus premagovanja prirojenih napak, kot so te, je stalen in zapleten izziv za medicinske raziskovalce.