Незалежно від того, новачок ви в біології чи давній шанувальник, шанси на це чудові за замовчуванням ви розглядаєте дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК) як, мабуть, єдину найнеобхіднішу концепцію у всьому житті наук. Як мінімум, ви, мабуть, знаєте, що ДНК - це те, що робить вас унікальним серед мільярдів людей на планети, надаючи їй роль у світі кримінального правосуддя, а також центральному етапі в молекулярній біології лекції. Ви майже напевно дізналися, що ДНК відповідальна за наділення вас будь-якими ознаками, які ви успадкували від своїх батьків, і що ваша власна ДНК - це ваша пряма спадщина для майбутніх поколінь, якщо б ви мали діти.
Ви, можливо, не знаєте багато про шлях, який зв’язує ДНК у ваших клітинах з фізичними рисами, які ви виявляєте, явними та прихованими, та ряд кроків на цьому шляху. Молекулярні біологи виробили концепцію "центральної догми" у своїй галузі, яку можна просто узагальнити як "ДНК на РНК на білок". Перша частина цього процесу - генерування РНК, або рибонуклеїнової кислоти, з ДНК - відома як
Огляд нуклеїнових кислот
ДНК і РНК - нуклеїнові кислоти. І те, і інше є фундаментальним для всього життя; ці макромолекули дуже тісно пов'язані, але їх функції, хоч і вишукано переплітаються, дуже різняться та спеціалізуються.
ДНК - це полімер, а це означає, що вона складається з великої кількості повторюваних субодиниць. Ці субодиниці не є абсолютно тотожними, але вони однакові за формою. Розгляньте довгу нитку бісеру, що складається з кубиків чотирьох кольорів, які коливаються дещо незначно, і ви отримуєте базове уявлення про розташування ДНК та РНК.
Мономери (субодиниці) нуклеїнових кислот відомі як нуклеотиди. Самі нуклеотиди складаються з тріад трьох різних молекул: фосфатної групи (або груп), a п'ятивуглецевий цукор і багата азотом основа ("основа" не у значенні "основи", а означає "іон водню" акцептор "). Нуклеотиди, що входять до складу нуклеїнових кислот, мають одну фосфатну групу, але деякі мають два або навіть три фосфати, приєднані підряд. Молекули аденозиндифосфату (АДФ) та аденозинтрифосфату (АТФ) є нуклеотидами, що мають надзвичайне значення в клітинному енергетичному обміні.
ДНК і РНК відрізняються кількома важливими ознаками. Один, хоча кожна з цих молекул включає чотири різні азотисті основи, ДНК включає аденін (А), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T), тоді як РНК включає перші три з них, але замінює урацил (U) на Т. По-друге, цукор у ДНК - це дезоксирибоза, тоді як у РНК - рибоза. І по-третє, ДНК є дволанцюжковою в найбільш енергетично стабільній формі, тоді як РНК - одноланцюгова. Ці відмінності мають головне значення як для транскрипції, так і для функції відповідних нуклеїнових кислот загалом.
Основи A і G називаються пуринами, тоді як C, T і U класифікуються як піримідини. Критично важливо, що А хімічно пов'язується з Т (і лише з ДНК) або U (якщо РНК); С пов'язується і лише з G. Два ланцюги молекули ДНК взаємодоповнюють один одного, що означає, що основи кожного ланцюга збігаються в кожній точці з унікальною базою "партнера" у протилежному ланцюгу. Таким чином, AACTGCGTATG доповнює TTGACGCATAC (або UUGACGCAUAC).
Транскрипція ДНК проти Переклад
Перш ніж заглибитися в механіку транскрипції ДНК, варто приділити трохи часу, щоб переглянути термінологію пов’язані з ДНК та РНК, оскільки з такою кількістю слів, що звучать подібним чином, це легко сплутати їх.
Реплікація це акт виготовлення ідентичної копії чогось. Коли ви робите фотокопію письмового документа (стара школа) або використовуєте функцію копіювання та вставлення на комп’ютері (нова школа), ви копіюєте вміст в обох випадках.
ДНК піддається реплікації, але РНК, наскільки це може встановити сучасна наука, ні; воно виникає лише з транскрипції _._ Від латинського кореня, що означає "перепис", транскрипція - це кодування певного повідомлення в копії оригінального джерела. Можливо, ви вже чули про медичних транскрипціоністів, чия робота полягає в тому, щоб набирати в письмовій формі медичні записки, зроблені як аудіозапис. В ідеалі слова, а отже і повідомлення, будуть абсолютно однаковими, незважаючи на зміну середовища. У клітинах транскрипція передбачає копіювання генетичного повідомлення ДНК, написаного мовою послідовностей азотистих основ, у форму РНК - спеціально, передавальну РНК (мРНК). Цей синтез РНК відбувається в ядрі еукаріотичних клітин, після чого мРНК залишає ядро і направляється до структури, званої рибосомою переклад.
Тоді як транскрипція - це просте фізичне кодування повідомлення на іншому носії, переклад, в біологічному плані, є перетворенням цього повідомлення у цілеспрямовані дії. Довжина ДНК або одне повідомлення ДНК, що називається a ген, зрештою, призводить до того, що клітини виробляють унікальний білковий продукт. ДНК передає це повідомлення у вигляді мРНК, яка потім передає повідомлення в рибосому, щоб воно перетворилося на отримання білка. З цієї точки зору, мРНК схожа на проект або набір інструкцій для складання предмета меблів.
Це, сподіваємось, прояснить усі ваші загадки щодо того, що роблять нуклеїнові кислоти. Але як щодо транскрипції зокрема?
Кроки транскрипції
ДНК, досить знаменито, вплетена у дволанцюгову спіраль. Але в такій формі фізично важко було б щось з цього побудувати. Тому в ініціація На фазі (або стадії) транскрипції молекула ДНК розмотується ферментами, які називаються геліказами. Лише одна з двох отриманих ниток ДНК одночасно використовується для синтезу РНК. Ця нитка називається некодування, оскільки, завдяки правилам спарювання ДНК та РНК підстав, інший ланцюг ДНК має таку ж послідовність азотистих основ, що і синтезована мРНК, завдяки чому цей ланцюг стає кодування пасмо. Виходячи з раніше зроблених пунктів, ви можете зробити висновок, що ланцюг ДНК та мРНК, яку вона відповідає за виробництво, є взаємодоповнюючими.
Коли ланцюг тепер готовий до дії, ділянка ДНК, яка називається промоторною послідовністю, вказує, де починається транскрипція вздовж ланцюга. Фермент РНК-полімераза надходить у це місце і стає частиною промоторного комплексу. Все це для того, щоб синтез мРНК розпочався саме там, де передбачається, на молекулі ДНК, і це генерує ланцюг РНК, що містить бажане кодоване повідомлення.
Далі, в подовження фаза, РНК-полімераза "зчитує" ланцюг ДНК, починаючи з промоторної послідовності і рухаючись уздовж ланцюга ДНК, як викладач вигулює ряд учнів і розподіляє тести, додаючи нуклеотиди до зростаючого кінця новоутворюючої РНК молекула.
Зв'язки, створені між фосфатними групами одного нуклеотиду та рибозною або дезоксирибозною групою на наступному нуклеотиді, називаються фосфодіефірні зв’язки. Зверніть увагу, що молекула ДНК має так званий кінець 3 '("три прості") на одному кінці і 5' ("п’ять простих") кінець на іншому, причому ці числа походять від кінцеві позиції атомів вуглецю у відповідних кінцевих "кільцях" рибози. По мірі зростання молекули РНК у напрямку 3 'вона рухається вздовж ланцюга ДНК у напрямку 5' напрямку. Вам слід вивчити схему, щоб переконатись, що ви повністю розумієте механіку синтезу мРНК.
Додавання нуклеотидів - зокрема, нуклеозид-трифосфатів (ATP, CTP, GTP та UTP; АТФ - це аденозинтрифосфат, ЦТФ - цитидинтрифосфат тощо) - для подовження ланцюга мРНК потрібна енергія. Це, як і багато інших біологічних процесів, забезпечується фосфатними зв’язками в самих нуклеозид-трифосфатах. При розриві високоенергетичного фосфатно-фосфатного зв’язку отриманий нуклеотид (AMP, CMP, GMP та UMP; у цих нуклеотидах "МР" означає "монофосфат") додається до мРНК і пара неорганічних фосфатних молекул, як правило, пишеться PPi, відпасти.
Як відбувається транскрипція, вона робить це, як зазначено, уздовж одного ланцюга ДНК. Однак майте на увазі, що вся молекула ДНК не розмотується і не розділяється на додаткові ланцюги; це відбувається лише в безпосередній близькості від транскрипції. В результаті ви можете візуалізувати «міхур транскрипції», що рухається вздовж молекули ДНК. Це як об’єкт, який рухається вздовж застібки-блискавки, яка розпаковується безпосередньо перед об’єктом одним механізмом, тоді як інший механізм заново застібає на блискавку блискавку в об’єкті.
Нарешті, коли мРНК досягла необхідної довжини та форми, припинення фаза починається. Як і ініціація, ця фаза забезпечується завдяки специфічним послідовностям ДНК, які функціонують як знаки зупинки РНК-полімерази.
У бактерій це може відбуватися двома загальними способами. В одному з них термінаційна послідовність транскрибується, генеруючи довжину мРНК, яка згортається назад сама собою і тим самим "згрупується", оскільки РНК-полімераза продовжує виконувати свою роботу. Ці складені ділянки мРНК часто називають шпильковими нитками, і вони передбачають додаткове сполучення підстав в межах одноланцюгової, але зігнутої молекули мРНК. Нижче за течією цієї шпильки знаходиться тривалий відрізок U-основ або залишків. Ці події змушують РНК-полімеразу припинити додавання нуклеотидів і від’єднатися від ДНК, закінчуючи транскрипцію. Це називають Rho-незалежним припиненням, оскільки воно не покладається на білок, відомий як Rho-фактор.
При Rho-залежному термінації ситуація простіша, і не потрібні сегменти мРНК шпильки або залишки U. Натомість, фактор rho зв'язується з необхідною плямою на мРНК і фізично відтягує мРНК від РНК-полімерази. Чи відбувається rho-незалежне або rho-залежне припинення, залежить від точної версії РНК-полімерази, яка діє на ДНК та мРНК (існує безліч підтипів), а також білки та інші фактори безпосередньої клітини середовище.
Обидва каскади подій в кінцевому підсумку призводять до того, що мРНК звільняється від ДНК у міхурі транскрипції.
Прокаріоти проти Еукаріоти
Існують численні відмінності між транскрипцією у прокаріотів (майже всі вони є бактеріями) та еукаріотів (багатоклітинних організмів, таких як тварини, рослини та гриби). Наприклад, ініціація у прокаріотів зазвичай включає розташування бази ДНК, відоме як коробка Прібнова, с базова послідовність TATAAT розташована приблизно в 10 парах основ від того місця, де відбувається сама ініціація транскрипції. Однак у еукаріотів є енхансерні послідовності, розташовані на значній відстані від місця ініціації, як а також білки-активатори, які допомагають деформувати молекулу ДНК таким чином, щоб зробити її більш доступною для РНК полімераза.
Крім того, подовження відбувається приблизно вдвічі швидше у бактерій (приблизно 42-54 пари основ в хвилину, що межує з однією в секунду), ніж у еукаріотів (приблизно 22-25 пар основ в хвилину). Нарешті, хоча бактеріальні механізми термінації описані вище, у еукаріотів ця фаза включає специфічні фактори термінації, а також ланцюг РНК, що називається полі-А (як у багатьох аденинові основи в ряд) "хвіст". Поки незрозуміло, чи припинення елонгації викликає розщеплення мРНК від бульбашки, чи саме розщеплення раптово закінчує елонгацію процес.