Prepis DNK: kako deluje?

Ne glede na to, ali ste novinec v biologiji ali ste dolgoletni ljubitelj, obstaja velika verjetnost privzeto gledate na deoksiribonukleinsko kislino (DNA) kot na najbolj nepogrešljiv koncept v vsem življenju znanosti. Verjetno se zavedate, da je DNK tisto, zaradi česar ste edinstveni med milijardami ljudi na svetu planetu, ki mu daje vlogo v svetu kazenskega pravosodja, pa tudi v središču molekularne biologije predavanja. Skoraj zagotovo ste že izvedeli, da je DNK odgovorna za to, da vas obdaruje z vsemi lastnostmi, ki ste jih podedovali od svojih staršev in da je vaš DNK vaša neposredna zapuščina prihodnjim generacijam, če bi jih morali imeti otroci.

Morda ne veste veliko o poti, ki povezuje DNK v vaših celicah s fizičnimi lastnostmi, ki jih kažete, tako očitne kot skrite, in vrsto korakov na tej poti. Molekularni biologi so na svojem področju ustvarili koncept "osrednje dogme", ki ga lahko preprosto povzamemo kot "DNA v RNA v beljakovine." Prvi del tega procesa - tvorjenje RNA ali ribonukleinske kisline iz DNA - je znan kot

DNA in RNA sta nukleinski kislini. Oboje je bistvenega pomena za vse življenje; te makromolekule so zelo povezane, vendar so njihove funkcije, čeprav so izvrstno prepletene, zelo raznolike in specializirane.

DNA je polimer, kar pomeni, da je sestavljena iz velikega števila ponavljajočih se podenot. Te podenote niso popolnoma enake, so pa po obliki enake. Upoštevajte dolg niz kroglic, sestavljen iz kock, ki so v štirih barvah in se tako malo razlikujejo po velikosti, in dobili boste osnovni občutek, kako sta razporejeni DNA in RNA.

Monomeri (podenote) nukleinskih kislin so znani kot nukleotidi. Sami nukleotidi so sestavljeni iz triad treh različnih molekul: fosfatne skupine (ali skupin), a sladkor z petimi ogljiki in dušikom bogata baza ("baza" ni v smislu "temelj", ampak pomeni "vodikov ion sprejemnik "). Nukleotidi, ki tvorijo nukleinske kisline, imajo eno fosfatno skupino, nekateri pa imajo dva ali celo tri fosfate, vezane zapored. Molekuli adenozin difosfat (ADP) in adenozin trifosfat (ATP) sta nukleotidi izrednega pomena pri celični energetski presnovi.

DNA in RNA se razlikujejo na več pomembnih načinov. Ena, medtem ko vsaka od teh molekul vključuje štiri različne dušikove baze, DNA vključuje adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T), medtem ko RNA vključuje prve tri, vendar nadomešča uracil (U) T. Drugič, sladkor v DNK je deoksiriboza, medtem ko je v RNK riboza. In tretjič, DNA je dvoverižna v svoji energetsko najbolj stabilni obliki, medtem ko je RNA enoverižna. Te razlike so zelo pomembne tako pri transkripciji kot tudi pri funkciji teh nukleinskih kislin na splošno.

Bazi A in G se imenujeta purini, medtem ko se C, T in U uvrščajo med pirimidine. Kritično je, da se A kemijsko veže na T in samo na T (če je DNA) ali U (če je RNA); C se veže na in samo na G. Dve verigi molekule DNA se dopolnjujeta, kar pomeni, da se baze v vsaki verigi na vsaki točki ujemata z edinstveno "partnersko" bazo v nasprotni verigi. Tako AACTGCGTATG dopolnjuje TTGACGCATAC (ali UUGACGCAUAC).

Preden se poglobimo v mehaniko transkripcije DNK, si je vredno vzeti trenutek, da si ogledamo terminologijo povezana z DNA in RNA, saj je s toliko podobnimi besedami v mešanici enostavno zamenjati njim.

Replikacija je dejanje izdelave enake kopije nečesa. Ko naredite fotokopijo pisnega dokumenta (stara šola) ali uporabite funkcijo kopiranja in lepljenja v računalniku (nova šola), kopirate vsebino v obeh primerih.

DNK se podvaja, RNA pa, kolikor lahko ugotovi sodobna znanost, ne; izhaja samo iz prepisa _._ Iz latinskega korena, ki pomeni "pisanje čez", je prepis kodiranje določenega sporočila v kopiji izvirnega vira. Morda ste že slišali za medicinske prepisovalce, katerih naloga je, da v pisno obliko vpišejo medicinske zapiske, narejene kot zvočni posnetek. V idealnem primeru bodo besede in s tem sporočilo popolnoma enake kljub spremembi medija. V celicah transkripcija vključuje kopiranje genskega sporočila DNA, napisanega v jeziku zaporedij dušikovih baz, v obliko RNA - posebej v sporočevalno RNA (mRNA). Ta sinteza RNA se pojavi v jedru evkariontskih celic, nato pa mRNA zapusti jedro in se napoti v strukturo, imenovano ribosom prevod.

Medtem ko je transkripcija preprosto fizično kodiranje sporočila v drugem mediju, je prevod v biološkem smislu pretvorba tega sporočila v namensko delovanje. Dolžina DNA ali posamezno sporočilo DNA, imenovano a gen, na koncu povzroči, da celice izdelajo edinstven beljakovinski izdelek. DNA pošlje to sporočilo v obliki mRNA, ki nato sporočilo prenese v ribosom, da se prevede v tvorbo beljakovin. V tem pogledu je mRNA kot načrt ali sklop navodil za sestavljanje kosa pohištva.

Upajmo, da to razjasni vse skrivnosti o tem, kaj počnejo nukleinske kisline. Kaj pa predvsem prepis?

DNK je precej slavno vtkana v dvoverižno vijačnico. Toda v tej obliki bi bilo fizično težko karkoli iz tega zgraditi. Zato je v iniciacija V fazi (ali stopnji) transkripcije molekulo DNA odvijejo encimi, imenovani helikaze. Za sintezo RNK se hkrati uporablja le ena od dveh nastalih verig DNA. Ta pramen se imenuje nekodiranje ker imajo pravila DNK in RNA baznega seznanjanja druga veriga DNA enako zaporedje dušikovih baz kot mRNA, ki jo je treba sintetizirati, tako da ta veriga postane kodiranje pramen. Na podlagi predhodnih točk lahko sklepate, da se veriga DNA in mRNA, ki je odgovorna za proizvodnjo, dopolnjujeta.

Ko je veriga zdaj pripravljena na akcijo, odsek DNA, imenovan promotorska sekvenca, kaže, kje naj se začne transkripcija vzdolž verige. Encim RNA polimeraza prispe na to lokacijo in postane del promotorskega kompleksa. Vse to je namenjeno temu, da se zagotovi, da se sinteza mRNA začne točno tam, kjer naj bi se začela na molekuli DNA, kar ustvari verigo RNA, ki vsebuje želeno kodirano sporočilo.

Nato v raztezek faze, RNA polimeraza "bere" verigo DNA, začenši s promotorskim zaporedjem in se premika vzdolž verige DNA, kot učitelj je sprehajal vrsto študentov in razdelil teste ter na rastoči konec novonastajajoče RNA dodal nukleotide molekula.

Vezi, ki nastanejo med fosfatnimi skupinami enega nukleotida in ribozo ali deoksiribozno skupino na naslednjem nukleotidu, se imenujejo fosfodiesterske povezave. Upoštevajte, da ima molekula DNA na enem koncu tako imenovani 3 '("tri-prime") konec, na drugem pa 5' ("pet prime"), pri čemer te številke prihajajo iz končni položaji ogljikovih atomov v ustreznih končnih "obročih" riboze. Ko molekula RNA sama raste v smeri 3 ', se giblje vzdolž verige DNA v 5' smer. Preučite diagram, da se prepričate, da popolnoma razumete mehaniko sinteze mRNA.

Dodatek nukleotidov - še posebej nukleozidnih trifosfatov (ATP, CTP, GTP in UTP; ATP je adenozin trifosfat, CTP je citidin trifosfat itd.) - za podaljšanje verige mRNA je potrebna energija. To, tako kot toliko bioloških procesov, zagotavljajo fosfatne vezi v nukleozidnih trifosfatih. Ko se visokoenergijska fosfat-fosfatna vez pretrga, nastali nukleotid (AMP, CMP, GMP in UMP; v teh nukleotidih je "MP" pomeni "monofosfat") se doda mRNA in par anorganskih fosfatnih molekul, navadno napisanih PP_jaz, pasti stran.

Ko pride do transkripcije, to stori, kot rečeno, vzdolž ene same verige DNA. Vendar se zavedajte, da se celotna molekula DNA ne odvije in ne loči v komplementarne verige; to se zgodi le v neposredni bližini transkripcije. Kot rezultat si lahko predstavljate "transkripcijski mehurček", ki se premika vzdolž molekule DNA. To je kot predmet, ki se premika vzdolž zadrge, ki jo en mehanizem odpne tik pred objektom, medtem ko drug mehanizem znova stisne zadrgo po njem.

Končno, ko mRNA doseže zahtevano dolžino in obliko, prekinitev faza začne teči. Tako kot iniciacijo tudi to fazo omogočajo specifična zaporedja DNA, ki delujejo kot znaki za zaustavitev RNK polimeraze.

Pri bakterijah se to lahko zgodi na dva splošna načina. V enem od teh se zaključno zaporedje transkribira, tako da ustvari dolžino mRNA, ki se zloži nazaj vase in se tako "poveže", ko RNA polimeraza še naprej opravlja svoje delo. Ti prepognjeni odseki mRNA se pogosto imenujejo pramenske verige in vključujejo komplementarno spajanje baz znotraj enoverižne, a zvite molekule mRNA. Dolvodno od tega odseka je daljši odsek U baz ali ostankov. Ti dogodki prisilijo RNA-polimerazo, da preneha dodajati nukleotide in se loči od DNK ter konča transkripcijo. To se imenuje rho-neodvisna prekinitev, ker se ne zanaša na beljakovine, znane kot rho faktor.

Pri prekinitvi, odvisni od rho, je situacija preprostejša in niso potrebni nobeni segmenti mRNA ali ostanki U. Namesto tega se faktor rho veže na zahtevano mesto na mRNA in fizično potegne mRNA stran od RNA polimeraze. Ali pride do rho-neodvisne ali od rho-odvisne terminacije, je odvisno od natančne različice RNA-polimeraze, ki deluje na DNA in mRNA (obstajajo različni podtipi), pa tudi na beljakovine in druge dejavnike v neposredni celični okolje.

Obe kaskadi dogodkov na koncu povzročita, da se mRNA sprosti iz DNA na transkripcijskem mehurčku.

Obstajajo številne razlike med transkripcijo pri prokariontih (skoraj vsi so bakterije) in evkariontih (večcelični organizmi, kot so živali, rastline in glive). Na primer, iniciacija pri prokariontih običajno vključuje razporeditev baze DNK, znano kot škatla Pribnow, s osnovno zaporedje TATAAT se nahaja približno 10 baznih parov stran od mesta, kjer se začne sama transkripcija. Evkarioti pa imajo ojačevalna zaporedja, nameščena na precejšnji razdalji od mesta iniciacije, kot kot tudi aktivatorske beljakovine, ki pomagajo deformirati molekulo DNA na način, da postane dostopnejša RNA polimeraza.

Poleg tega se raztezanje pri bakterijah zgodi približno dvakrat hitreje (približno 42 do 54 baznih parov na minuto, meji na enega na sekundo) kot pri evkariontih (približno 22 do 25 baznih parov na minuto). Nazadnje, čeprav so zgoraj opisani bakterijski mehanizmi končanja, pri evkariontih ta faza vključuje specifične terminacijske dejavnike, pa tudi verigo RNA, imenovano poli-A (kot pri mnogih adeninske osnove v vrsti) "rep". Še ni jasno, ali prenehanje raztezanja sproži cepitev mRNA iz mehurčka ali pa samo cepljenje nenadoma konča raztezanje proces.