Зміст
- Огляд нуклеїнових кислот
- Транскрипція ДНК проти перекладу
- Кроки транскрипції
- Прокаріоти проти еукаріотів
Незалежно від того, ви новачок у біології чи давній любитель, шанси чудові, що за замовчуванням ви розглядаєте дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК) як чи не єдину найнеобхіднішу концепцію в усіх науках про життя. Як мінімум, ви, ймовірно, знаєте, що ДНК - це те, що робить вас унікальним серед мільярдів людей на планеті, надаючи їй роль у світі кримінального правосуддя, а також займає центральний етап у лекціях з молекулярної біології. Ви майже напевно дізналися, що ДНК відповідає за те, щоб наділити вас будь-якими рисами, які ви успадкували від своїх батьків, і що ваша власна ДНК є вашою прямою спадщиною для наступних поколінь, якщо у вас є діти.
Те, про що ви, можливо, багато чого не знаєте, - це шлях, який з'єднує ДНК у ваших клітинах з фізичними ознаками, які ви виявляєте, як відкритими, так і прихованими, та низкою кроків на цьому шляху. Молекулярні біологи виробили концепцію "центральної догми" у своїй галузі, яку можна узагальнити просто як "ДНК до РНК до білка". Перша частина цього процесу - генерування РНК, або рибонуклеїнової кислоти, з ДНК - відома як транскрипція, і ця добре вивчена і узгоджена серія біохімічної гімнастики настільки ж елегантна, як і науково глибока.
Огляд нуклеїнових кислот
ДНК і РНК - це нуклеїнові кислоти. Обидва є основними для всього життя; ці макромолекули дуже тісно пов'язані, але їх функції, вишукано переплітаючись, дуже розходяться та спеціалізуються.
ДНК - це полімер, що означає, що вона складається з великої кількості повторюваних субодиниць. Ці субодиниці не є точно однаковими, але вони однакові за формою. Розгляньте довгу нитку з намистин, що складаються з кубиків, які бувають чотирьох кольорів і настільки незначні за розмірами, і ви отримуєте базове відчуття того, як розташовані ДНК та РНК.
Мономери (субодиниці) нуклеїнових кислот відомі як нуклеотиди. Самі нуклеотиди складаються з тріад з трьох різних молекул: фосфатної групи (або груп), п’ятивуглецевого цукру та багатих на азот основи ("основа" не в значенні "основа", але означає "акцептор іонів водню" ). Нуклеотиди, що складають нуклеїнові кислоти, мають одну фосфатну групу, але деякі мають два чи навіть три фосфати, приєднані підряд. Молекули аденозиндифосфату (АДФ) та аденозинтрифосфату (АТФ) є нуклеотидами надзвичайного значення в клітинному енергетичному обміні.
ДНК і РНК відрізняються кількома важливими способами. Один, хоча кожна з цих молекул включає чотири різні азотисті основи, ДНК включає аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T), тоді як РНК включає перші три з них, але замінює урацил (U) для Т. Два, цукор у ДНК - дезоксирибоза, тоді як у РНК - рибоза. По-третє, ДНК є дволанцюжкової у своїй найбільш енергетично стійкій формі, тоді як РНК - одноланцюгова. Ці відмінності мають головне значення як для транскрипції, так і для функції цих відповідних нуклеїнових кислот взагалі.
Основи A і G називаються пуринами, тоді як C, T і U класифікуються як піримідини. Критично, A хімічно зв'язується з, і тільки з, Т (якщо ДНК) або U (якщо РНК); C пов'язується з і лише для G. Дві нитки молекули ДНК є взаємодоповнюючими, це означає, що основи кожної ланцюга у кожній точці збігаються з унікальною базою «партнера» у протилежному ланцюжку. Таким чином, AACTGCGTATG є доповненням до TTGACGCATAC (або UUGACGCAUAC).
Транскрипція ДНК проти перекладу
Перш ніж заглиблюватися в механіку транскрипції ДНК, варто заглянути мить, щоб переглянути термінологію, пов’язану з ДНК та РНК, тому що з такою кількістю подібних за звучанням слів у суміші їх можна легко сплутати.
Реплікація це акт виготовлення ідентичної копії чогось. Коли ви робите ксерокопію письмового документа (стара школа) або використовуєте функцію копіювання та вставки на комп’ютер (нова школа), ви реплікуєте вміст в обох випадках.
ДНК піддається реплікації, але РНК, наскільки сучасна наука може встановити, не робить цього; вона виникає лише з транскрипції _._ Від латинського кореня, що означає "написання поперек", транскрипція - це кодування певної частини в копії оригінального джерела. Можливо, ви чули про медичних транскрипціоністів, завдання яких - набрати в письмовій формі медичні нотатки, зроблені як аудіозапис. В ідеалі слова, а отже, і будуть точно однаковими, незважаючи на зміну середовища. У клітинах транскрипція передбачає копіювання генетичної ДНК, записаної мовою азотистих послідовностей бази, у форму РНК - спеціально, месенджер РНК (мРНК). Цей синтез РНК відбувається в ядрі еукаріотичних клітин, після чого мРНК залишає ядро і спрямовується на структуру, яку називають рибосомою для проходження переклад.
Тоді як транскрипція - це просте фізичне кодування a в іншому середовищі, переклад, у біологічному плані, - це перетворення цього в цілеспрямоване дію. Довжина ДНК або однієї ДНК, що називається a ген, в кінцевому рахунку призводить до того, що клітини виготовляють унікальний білковий продукт. ДНК передає це разом у вигляді мРНК, яка потім переносить рибосому, щоб вона перетворилася на отримання білка. На цей погляд, мРНК - це блакитний колір або набір інструкцій зі складання предмета меблів.
Це, сподіваємось, очищає всі ваші таємниці щодо того, чим займаються нуклеїнові кислоти. А як щодо транскрипції зокрема?
Кроки транскрипції
ДНК, досить знаменито, вплетена в дволанцюжну спіраль. Але в такому вигляді фізично було б важко щось з цього побудувати. Тому в посвячення фаза (або стадія) транскрипції, молекула ДНК розмотується ферментами, званими геліказами. Лише одна з двох отриманих ниток ДНК використовується одночасно для синтезу РНК. Ця нитка називається " некодування нитка, тому що, завдяки правилам спарювання ДНК та РНК, інший ланцюг ДНК має ту саму послідовність азотистих основ, що і мРНК, що синтезується, завдяки чому ця ланцюг є кодування пасмо. Спираючись на попередні моменти, можна зробити висновок, що нитка ДНК та мРНК, яку вона відповідає за виготовлення, є взаємодоповнюючими.
З ланцюжком, готовим до дії, ділянка ДНК, яка називається промоторною послідовністю, вказує, де слід починати транскрипцію вздовж ланцюга. Ферментна РНК-полімераза надходить у це місце і стає частиною промоторного комплексу. Все це для того, щоб синтез мРНК починався саме там, де належить на молекулі ДНК, і це генерує ланцюг РНК, який утримує потрібну кодовану.
Далі, в подовження фаза, РНК-полімераза «зчитує» ланцюг ДНК, починаючи з промоторної послідовності і рухаючись по ланцюжку ДНК, подібно до викладача, що йде по ряду студентів і розподіляє тести, додаючи нуклеотиди до зростаючого кінця новоутворюючої молекули РНК.
Зв’язки, створені між фосфатними групами одного нуклеотиду та групою рибози або дезоксирибози на наступному нуклеотиді, називаються фосфодіефірні зв’язки. Зауважимо, що молекула ДНК має, що називається, 3 ("три простих") кінці на одному кінці і 5 ("п'ять простих") кінець на іншому, при цьому ці числа надходять з кінцевих позицій атома вуглецю в позиції відповідна кінцева рибоза "кільця". Оскільки сама молекула РНК зростає в 3-му напрямку, вона рухається вздовж ланцюга ДНК у 5-му напрямку. Вам слід вивчити схему, щоб переконатися, що ви повністю розумієте механіку синтезу мРНК.
Додавання нуклеотидів - конкретно, нуклеозид трифосфатів (АТФ, СТР, GTP та UTP; АТФ є аденозинтрифосфатом, СТФ - цитидиновим трифосфатом тощо) - до видовженої ланцюга мРНК потрібна енергія. Це, як і стільки біологічних процесів, забезпечується фосфатними зв'язками в самих нуклеозидних трифосфатах. Коли розривається високоенергетичний фосфатно-фосфатний зв'язок, до отриманої нуклеотиду (AMP, CMP, GMP та UMP; у цих нуклеотидах "MP" означає "монофосфат") додають до мРНК і пару молекул неорганічних фосфатів. , зазвичай пишеться ППi, відвалитися.
Коли транскрипція відбувається, це робиться так, як було зазначено, вздовж одного ланцюга ДНК. Однак майте на увазі, що вся молекула ДНК не розкручується і не розділяється на комплементарні ланцюги; це відбувається лише в безпосередній близькості від транскрипції. В результаті ви можете візуалізувати «міхур транскрипції», що рухається по молекулі ДНК. Це подібно до об'єкта, який рухається по блискавці, який розкручується безпосередньо перед об’єктом одним механізмом, тоді як інший механізм знову зашпилює застібку-блискавку в об'єктах.
Нарешті, коли мРНК досягла необхідної довжини та форми, то припинення починається фаза. Як ініціація, ця фаза забезпечується специфічними послідовностями ДНК, які функціонують як знаки зупинки для РНК-полімерази.
У бактерій це може статися двома загальними способами. В одному з них транскрипційна послідовність транскрибується, генеруючи довжину мРНК, яка згортається на себе і тим самим "згущується", коли полімераза РНК продовжує виконувати свою роботу. Ці складені ділянки мРНК часто називають шпильками, і вони включають комплементарне спарювання основи в межах однониткової, але викривленої молекули мРНК. Нижче від цієї секції шпильки є тривале розтягнення U підстав або залишків. Ці події змушують РНК-полімеразу припиняти додавання нуклеотидів та відриватися від ДНК, закінчуючи транскрипцію. Це називається rho-незалежним припиненням, оскільки воно не покладається на білок, відомий як rho-фактор.
У термозалежному припиненні ситуація простіша, і не потрібні сегменти мРНК шпильки або U залишки. Натомість rho-фактор зв'язується з необхідною плямою на мРНК і фізично відтягує мРНК від РНК-полімерази. Незалежно від того, чи відбудеться rho-незалежне або rho-залежне припинення, залежить від точної версії РНК-полімерази, яка діє на ДНК та мРНК (існують різноманітні підтипи), а також білків та інших факторів у безпосередньому клітинному середовищі.
Обидва каскади подій в кінцевому рахунку призводять до того, що мРНК звільняється від ДНК на міхурі транскрипції.
Прокаріоти проти еукаріотів
Існують численні відмінності між транскрипцією в прокаріоти (майже всі це бактерії) та еукаріоти (багатоклітинні організми, такі як тварини, рослини та гриби). Наприклад, ініціація в прокаріотів зазвичай передбачає розташування бази ДНК, відомого як поле Pribnow, причому послідовність базових даних TATAAT розташована приблизно в 10 парах основ від місця, де відбувається сама ініціація транскрипції. Однак еукаріоти мають послідовності-підсилювачі, розташовані на значній відстані від місця ініціації, а також активаторні білки, які допомагають деформувати молекулу ДНК таким чином, щоб зробити її більш доступною для РНК-полімерази.
Крім того, у бактерій подовження відбувається приблизно вдвічі швидше (близько 42 до 54 пар основ в хвилину, що межує з однією в секунду), ніж у еукаріотів (приблизно від 22 до 25 пар основ в хвилину). Нарешті, хоча бактеріальні механізми припинення описані вище, у еукаріотів ця фаза включає специфічні фактори припинення, а також нитку РНК, яку називають полі-А (як у багатьох аденінових підрядів підряд) "хвіст". Поки ще не ясно, чи припинення подовження спричиняє відщеплення мРНК від міхура чи сам розкол різко закінчує процес подовження.