Транскрипција ДНК: како то функционише?

Без обзира да ли сте новопридошли у биологији или дугогодишњи обожаватељ, шансе су одличне по дефаулту, на деоксирибонуклеинску киселину (ДНК) гледате као на можда најважнији концепт у целом животу Наука. Као минимум, вероватно сте свесни да је ДНК оно што вас чини јединственим међу милијардама људи на планети, дајући јој улогу у свету кривичног правосуђа, као и главном месту у молекуларној биологији предавања. Готово сте сигурно научили да је ДНК одговорна за то што вас је обдарио свим особинама које сте наследили од родитеља и да је ваш сопствени ДНК ваше директно наследство за будуће генерације ако бисте требали деца.

Оно о чему можда не знате пуно је пут који повезује ДНК у ћелијама са физичким особинама које испољавате, како очигледним тако и скривеним, и низ корака дуж тог пута. Молекуларни биолози су створили концепт „централне догме“ у свом пољу, који се може резимирати једноставно као „ДНК до РНК до протеина“. Први део овог процеса - генерисање РНК или рибонуклеинске киселине из ДНК - познат је као

ДНК и РНК су нуклеинске киселине. И једно и друго је основно за цео живот; ове макромолекуле су врло уско повезане, али њихове функције, док су изврсно испреплетане, веома су различите и специјализоване.

ДНК је полимер, што значи да се састоји од великог броја подјединица које се понављају. Ове подјединице нису прецизно идентичне, али су идентичне по облику. Размислите о дугачком низу перли који се састоје од коцкица које су у четири боје и које се све мало разликују, и стекнете основни осећај како су уређени ДНК и РНК.

Мономери (подјединице) нуклеинских киселина познати су као нуклеотиди. Сами нуклеотиди састоје се од тријаде три различита молекула: фосфатна група (или групе), а шећер са пет угљеника и база богата азотом („база“ не у смислу „основа“, већ што значи „водоник-јон акцептор "). Нуклеотиди који чине нуклеинске киселине имају једну фосфатну групу, али неки имају два или чак три фосфата везана у низу. Молекули аденозин дифосфат (АДП) и аденозин трифосфат (АТП) су нуклеотиди од изузетне важности у ћелијском метаболизму енергије.

ДНК и РНК се разликују на неколико важних начина. Један, док сваки од ових молекула укључује четири различите азотне базе, ДНК укључује аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т), док РНК укључује прва три од њих, али замењује урацил (У) за Т. Друго, шећер у ДНК је деоксирибоза, док је у РНК рибоза. И треће, ДНК је дволанчана у свом енергетски најстабилнијем облику, док је РНК једноланчана. Ове разлике су од велике важности како за транскрипцију, тако и за функционисање ових нуклеинских киселина уопште.

Базе А и Г називају се пурини, док су Ц, Т и У класификоване као пиримидини. Критично, А се хемијски везује за и само за Т (ако је ДНК) или У (ако је РНК); Ц се везује и само за Г. Два ланца молекула ДНК су комплементарна, што значи да се базе у сваком ланцу у свакој тачки подударају са јединственом базом "партнера" ​​у супротном ланцу. Стога је ААЦТГЦГТАТГ комплементаран ТТГАЦГЦАТАЦ (или УУГАЦГЦАУАЦ).

Пре него што се позабавите механиком транскрипције ДНК, вреди одвојити тренутак да размотрите терминологију повезане са ДНК и РНК, јер са толико речи сличног звука у мешавини може бити лако збунити њих.

Репликација је чин прављења идентичне копије нечега. Када направите фотокопију писаног документа (стара школа) или користите функцију копирања и лепљења на рачунару (нова школа), реплицирате садржај у оба случаја.

ДНК се подвргава репликацији, али РНК, колико савремена наука може да утврди, не; настаје само из транскрипције _._ Из латинског корена који значи „писање преко“, транскрипција је кодирање одређене поруке у копији изворног извора. Можда сте чули за медицинске транскрипционисте, чији је посао да у писани облик откуцају медицинске белешке направљене као аудио запис. У идеалном случају, речи, а тиме и порука, биће потпуно исте упркос промени медија. У ћелијама транскрипција подразумева копирање генетске ДНК поруке, написане језиком секвенци азотних база, у РНК облик - посебно, мессенгер РНА (мРНА). Ова синтеза РНК се дешава у језгру еукариотских ћелија, након чега мРНА напушта језгро и креће ка структури која се назива рибосом превод.

Док је транскрипција једноставно физичко кодирање поруке у другом медијуму, превод је, у биолошком смислу, претварање те поруке у сврсисходно деловање. Дужина ДНК или појединачна ДНК порука, названа а ген, на крају резултира да ћелије производе јединствени протеински производ. ДНК ову поруку шаље у облику мРНК, која затим преноси поруку до рибосома да би она била преведена у стварање протеина. У овом погледу, мРНА је попут нацрта или скупа упутстава за састављање комада намештаја.

То се надам да ће разјаснити све ваше мистерије о томе шта нуклеинске киселине раде. Али шта је са транскрипцијом посебно?

ДНК је, прилично позната, уткана у дволанчану завојницу. Али у овом облику, физички би било тешко из тога било шта изградити. Стога је у иницијација фазе (или корака) транскрипције, молекул ДНК се одмотава ензимима званим хеликазе. За синтезу РНК истовремено се користи само један од два резултујућа ланца ДНК. Овај прамен се назива некодирање јер, захваљујући правилима упаривања базе ДНК и РНК, други ланац ДНК има исти низ азотних база као и мРНК која се синтетише, чинећи тако овај ланац кодирање нит. На основу претходно изнетих тачака можете закључити да се ланац ДНК и мРНК која је одговорна за производњу допуњују.

Када је ланац сада спреман за акцију, део ДНК који се назива промоторска секвенца указује на то где транскрипција треба започети дуж ланца. Ензим РНК полимераза стиже на ово место и постаје део комплекса промотора. Све ово треба да осигура да синтеза мРНК започне тачно тамо где треба на молекулу ДНК, а ово генерише РНА ланац који садржи жељену кодирану поруку.

Даље, у издужење фазе, РНК полимераза „чита“ ланац ДНК, почевши од промоторске секвенце и крећући се дуж ланца ДНК, попут наставник шета редом ученика и дели тестове, додајући нуклеотиде на растући крај новонастајуће РНК молекула.

Везе створене између фосфатних група једног нуклеотида и рибозне или деоксирибозне групе на следећем нуклеотиду називају се фосфодиестерске везе. Имајте на уму да молекул ДНК има оно што се назива 3 '("три основна") краја на једном крају и 5' ("пет примарних") краја на другом, с тим да ови бројеви долазе из крајњи положаји атома угљеника у одговарајућим терминалним рибозним „прстеновима“. Како сам молекул РНК расте у правцу 3 ', он се креће дуж ланца ДНК у смеру 5' правац. Требали бисте испитати дијаграм да бисте се уверили да у потпуности разумете механику синтезе мРНК.

Додатак нуклеотида - посебно нуклеозидних трифосфата (АТП, ЦТП, ГТП и УТП; АТП је аденозин трифосфат, ЦТП је цитидин трифосфат и тако даље) - за издужени мРНК ланац потребна је енергија. Ово, као и толики биолошки процеси, обезбеђују фосфатне везе у самим нуклеозидним трифосфатима. Када се високоенергетска веза фосфат-фосфат прекине, настали нуклеотид (АМП, ЦМП, ГМП и УМП; у овим нуклеотидима, „МП“ означава „монофосфат“) додаје се мРНК и пар неорганских молекула фосфата, обично написаних ПП_и, венути.

Како се транскрипција дешава, она то чини, како је наведено, дуж једног ланца ДНК. Међутим, имајте на уму да се читав молекул ДНК не одмотава и не раздваја у комплементарне нити; ово се дешава само у непосредној близини транскрипције. Као резултат, можете да визуализујете „балон транскрипције“ који се креће дуж молекула ДНК. Ово је попут предмета који се креће дуж рајсфершлуса који се једним механизмом распакује непосредно испред објекта, док други механизам поново затвара патентни затварач у кретању предмета.

Коначно, када мРНА достигне потребну дужину и облик, Прекид фаза почиње. Као и иницијација, и ову фазу омогућавају специфичне секвенце ДНК које функционишу као знакови заустављања РНК полимеразе.

Код бактерија се то може догодити на два општа начина. У једном од њих, завршна секвенца је транскрибована, генеришући дужину мРНК која се поново савија у себи и на тај начин се „скупља“ док РНК полимераза наставља да ради свој посао. Ови пресавијени делови мРНК често се називају нитима укоснице и укључују комплементарно упаривање базе унутар једноланчаног, али згрченог молекула мРНК. Низводно од овог дела укоснице налази се продужени део У база или остатака. Ови догађаји приморавају РНК полимеразу да престане да додаје нуклеотиде и одваја се од ДНК, завршавајући транскрипцију. Ово се назива рхо-независним прекидом, јер се не ослања на протеин познат као рхо фактор.

У терминима који зависе од рхо-а, ситуација је једноставнија и нису потребни сегменти мРНА у облику укоснице или У остаци. Уместо тога, рхо фактор се везује за потребно место на мРНК и физички одвлачи мРНК од РНК полимеразе. Да ли ће доћи до рхо-независног или рхо-зависног прекида зависи од тачне верзије РНК полимеразе која делује на ДНК и мРНК (постоје разни подтипови) као и на протеине и друге факторе у непосредној ћелији Животна средина.

Обе каскаде догађаја на крају доводе до тога да се мРНА ослободи ДНК на мехурићу транскрипције.

Постоје бројне разлике између транскрипције код прокариота (од којих су готово сви бактерије) и еукариота (вишећелијски организми као што су животиње, биљке и гљиве). На пример, иницијација код прокариота обично укључује аранжман ДНК базе познат као Прибнов-ова кутија, са секвенца базе ТАТААТ налази се отприлике 10 парова база даље од места где се дешава сама иницијација транскрипције. Еукариоти, међутим, имају појачивачке секвенце смештене на значајној удаљености од места иницијације, као као и протеини активатора који помажу у деформисању молекула ДНК на начин који га чини приступачнијим РНК полимераза.

Поред тога, продужење се дешава приближно двоструко брже код бактерија (око 42 до 54 базних парова у минути, граничи са једним у секунди) него код еукариота (око 22 до 25 базних парова у минути). Коначно, док су горе описани бактеријски механизми терминације, код еукариота ова фаза укључује специфичне факторе терминације, као и ланац РНК који се назива поли-А (као у, многи аденинске основе у низу) „реп“. Још увек није јасно да ли прекид издужења изазива цепање мРНК из мехурића или само цепање нагло завршава издуживање процес.