Περιεχόμενο
- Επισκόπηση των νουκλεϊνικών οξέων
- Μεταγραφή DNA έναντι μετάφρασης
- Τα βήματα της μεταγραφής
- Προκαρυώτες εναντίον Ευκαρυωτών
Ανεξάρτητα από το αν είστε νεοφερμένος στη βιολογία ή ένας μακροχρόνιος λάτρης, οι πιθανότητες είναι εξαιρετικές ότι, εκ προεπιλογής, βλέπετε το δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) ίσως ως την πιο απαραίτητη ιδέα σε όλες τις επιστήμες της ζωής. Ως ένα ελάχιστο, ίσως γνωρίζετε ότι το DNA είναι αυτό που σας κάνει μοναδικό ανάμεσα στα δισεκατομμύρια των ανθρώπων του πλανήτη, δίνοντάς του ένα ρόλο στον κόσμο της ποινικής δικαιοσύνης καθώς και στο επίκεντρο των διαλέξεων της μοριακής βιολογίας. Έχετε σχεδόν βεβαιωθεί ότι το DNA είναι υπεύθυνο για να σας προμηθεύσει με τα γνωρίσματα που έχετε κληρονομήσει από τους γονείς σας και ότι το δικό σας DNA είναι η άμεση κληρονομιά σας στις μελλοντικές γενιές εάν έχετε παιδιά.
Αυτό που ίσως δεν γνωρίζετε πολλά είναι το μονοπάτι που συνδέει το DNA στα κύτταρά σας με τα φυσικά χαρακτηριστικά που εκδηλώνετε, τόσο φανερά και κρυμμένα, όσο και τη σειρά των βημάτων κατά μήκος αυτής της διαδρομής. Οι μοριακοί βιολόγοι έχουν δημιουργήσει την έννοια ενός «κεντρικού δόγματος» στον τομέα τους, το οποίο μπορεί να συνοψιστεί απλώς ως «DNA σε RNA σε πρωτεΐνες». Το πρώτο μέρος αυτής της διαδικασίας - που παράγει RNA, ή ριβονουκλεϊκό οξύ, από το DNA - είναι γνωστό ως μεταγραφή, και αυτή η καλά μελετημένη και συντονισμένη σειρά βιοχημικής γυμναστικής είναι τόσο κομψή όσο είναι επιστημονικά βαθιά.
Επισκόπηση των νουκλεϊνικών οξέων
Το DNA και το RNA είναι νουκλεϊκά οξέα. Και οι δύο είναι θεμελιώδεις για όλη τη ζωή. αυτά τα μακρομόρια είναι πολύ στενά συνδεδεμένα, αλλά οι λειτουργίες τους, ενώ είναι εξαιρετικά αλληλένδετα, είναι πολύ αποκλίνουσες και εξειδικευμένες.
Το DNA είναι πολυμερές, το οποίο σημαίνει ότι αποτελείται από μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων υπομονάδων. Αυτές οι υπομονάδες δεν είναι ακριβώς ίδιες, αλλά είναι πανομοιότυπες. Σκεφτείτε μια μακρά σειρά από χάντρες που αποτελούνται από κύβους που έρχονται σε τέσσερα χρώματα και ποικίλλουν τόσο ελαφρώς σε μέγεθος και αποκτάτε μια βασική αίσθηση του τρόπου διαμόρφωσης του DNA και του RNA.
Τα μονομερή (υπομονάδες) των νουκλεϊκών οξέων είναι γνωστά ως νουκλεοτίδια. Τα ίδια τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από τριάδες τριών διακριτών μορίων: μια φωσφορική ομάδα (ή ομάδες), ένα ζάχαρο πέντε ανθράκων και μια πλούσια σε άζωτο βάση ("βάση" όχι με την έννοια "θεμέλιο", αλλά σημαίνει "δέκτης ιόντων υδρογόνου" ). Τα νουκλεοτίδια που αποτελούν νουκλεϊνικά οξέα έχουν μία φωσφορική ομάδα, αλλά μερικά έχουν δύο ή και τρία φωσφορικά συνδεδεμένα στη σειρά. Τα μόρια διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) και τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) είναι νουκλεοτίδια εξαιρετικής σημασίας στον μεταβολισμό της κυτταρικής ενέργειας.
Το DNA και το RNA διαφέρουν με διάφορους σημαντικούς τρόπους. Το ένα, ενώ κάθε ένα από αυτά τα μόρια περιλαμβάνει τέσσερις διαφορετικές αζωτούχες βάσεις, το DNA περιλαμβάνει αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ), ενώ το RNA περιλαμβάνει τα πρώτα τρία από αυτά αλλά υποκαθιστά την ουρακίλη για το Τ. Δύο, η ζάχαρη στο DNA είναι δεοξυριβόζη, ενώ αυτή στο RNA είναι ριβόζη. Και τρία, το DNA είναι δίκλωνο στην πιο ενεργειακά σταθερή μορφή του, ενώ το RNA είναι μονόκλωνο. Αυτές οι διαφορές έχουν μεγάλη σημασία και στην μεταγραφή ειδικώς και στη λειτουργία αυτών των αντίστοιχων νουκλεϊκών οξέων γενικά.
Οι βάσεις Α και G ονομάζονται πουρίνες, ενώ τα C, Τ και U ταξινομούνται ως πυριμιδίνες. Κρίσιμα, το Α δεσμεύεται χημικά, και μόνο σε, Τ (αν DNA) ή U (αν RNA)? C δεσμεύει και μόνο στο G. Οι δύο κλώνοι ενός μορίου ϋΝΑ είναι συμπληρωματικές, που σημαίνει ότι οι βάσεις σε κάθε κλώνο ταιριάζουν σε κάθε σημείο με τη μοναδική βάση "εταίρου" στον αντίθετο κλώνο. Έτσι, το AACTGCGTATG είναι συμπληρωματικό του TTGACGCATAC (ή UUGACGCAUAC).
Μεταγραφή DNA έναντι μετάφρασης
Πριν βρεθούμε στη μηχανική της μεταγραφής του DNA, αξίζει να πάρουμε μια στιγμή για να αναθεωρήσουμε την ορολογία που σχετίζεται με το DNA και το RNA, διότι με τόσες πολλές παρόμοιες λέξεις στο μείγμα μπορεί να είναι εύκολο να τους συγχέουμε.
Αντιγραφή είναι η πράξη να κάνουμε ένα ίδιο αντίγραφο κάτι. Όταν κάνετε μια φωτοτυπία ενός γραπτού εγγράφου (παλιό σχολείο) ή χρησιμοποιείτε τη λειτουργία αντιγραφής και επικόλλησης σε έναν υπολογιστή (νέο σχολείο), αναπαράγετε το περιεχόμενο και στις δύο περιπτώσεις.
Το DNA υφίσταται αντιγραφή, αλλά το RNA, στο βαθμό που η σύγχρονη επιστήμη μπορεί να εξακριβώσει, δεν το κάνει. προκύπτει μόνο από την μεταγραφή _._ Από λατινική ρίζα που σημαίνει "γραφή σε όλη την", η μεταγραφή είναι η κωδικοποίηση μιας συγκεκριμένης σε ένα αντίγραφο μιας αρχικής πηγής. Μπορεί να έχετε ακούσει για ιατρικούς μεταγραφείς, των οποίων η δουλειά είναι να πληκτρολογήσετε σε γραπτή μορφή τις ιατρικές σημειώσεις που γίνονται ως ηχογράφηση. Στην ιδανική περίπτωση, οι λέξεις, και κατά συνέπεια η, θα είναι ακριβώς οι ίδιες παρά την αλλαγή στο μέσο. Στα κύτταρα, η μεταγραφή περιλαμβάνει την αντιγραφή ενός γενετικού DNA, γραμμένο στη γλώσσα των αλληλουχιών αζωτούχων βάσεων, σε μορφή RNA - ειδικά, αγγελιαφόρο RNA (mRNA). Αυτή η σύνθεση RNA συμβαίνει στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων, μετά το οποίο το mRNA φεύγει από τον πυρήνα και κατευθύνεται προς μια δομή που ονομάζεται ριβόσωμα για να υποβληθεί μετάφραση.
Ενώ η μεταγραφή είναι η απλή φυσική κωδικοποίηση ενός σε ένα διαφορετικό μέσο, η μετάφραση, από βιολογικούς όρους, είναι η μετατροπή αυτού σε σκόπιμη δράση. Ένα μήκος DNA ή ενιαίο DNA, που ονομάζεται a γονίδιο, τελικά οδηγεί σε κύτταρα που παράγουν ένα μοναδικό πρωτεϊνικό προϊόν. Το ϋΝΑ φέρνει αυτό μαζί στη μορφή του mRNA, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρει το σε ένα ριβόσωμα για να μεταφραστεί σε μια πρωτεΐνη. Σε αυτή την άποψη, το mRNA είναι σαν ένα μπλε χρώμα ή ένα σύνολο οδηγιών για τη συναρμολόγηση ενός έπιπλα.
Αυτό ελπίζουμε να καθαρίζει τα μυστήρια που έχετε για το τι κάνουν τα νουκλεϊνικά οξέα. Αλλά τι γίνεται με τη μεταγραφή ειδικότερα;
Τα βήματα της μεταγραφής
Το DNA, μάλλον περίφημο, υφαίνεται σε διπλή έλικα. Αλλά με αυτή τη μορφή, θα ήταν φυσικά δύσκολο να χτιστεί κάτι από αυτό. Ως εκ τούτου, στο την έναρξη (ή βήμα) της μεταγραφής, το μόριο ϋΝΑ ξετυλίγεται από ένζυμα που ονομάζονται ελικάσες. Μόνο ένας από τους δύο κλώνους DNA που προκύπτουν χρησιμοποιείται για τη σύνθεση RNA κάθε φορά. Αυτό το σκέλος αναφέρεται ως μη κωδικοποίηση επειδή, χάρη στους κανόνες του ζευγαρώματος βάσεων DNA και RNA, ο άλλος κλώνος ϋΝΑ έχει την ίδια αλληλουχία αζωτούχων βάσεων με το mRNA που πρόκειται να συντεθεί, κάνοντας έτσι αυτό το κλώνο κωδικοποίηση νήμα. Με βάση τα σημεία που έγιναν προηγουμένως, μπορείτε να συμπεράνετε ότι ένα σκέλος DNA και το mRNA που είναι υπεύθυνο για την κατασκευή είναι συμπληρωματικά.
Με τον κλώνο τώρα έτοιμο για δράση, ένα τμήμα του DNA που ονομάζεται αλληλουχία υποκινητή υποδεικνύει πού πρέπει να ξεκινήσει η μεταγραφή κατά μήκος του κλώνου. Η ενζυμική RNA πολυμεράση φθάνει σε αυτή τη θέση και γίνεται μέρος ενός συμπλέγματος προαγωγού. Όλα αυτά είναι να διασφαλιστεί ότι η σύνθεση mRNA αρχίζει ακριβώς όπου υποτίθεται ότι στο μόριο ϋΝΑ, και αυτό δημιουργεί έναν κλώνο RNA που κρατά το επιθυμητό κωδικοποιημένο.
Στη συνέχεια, στο επιμήκυνση φάση, η RNA πολυμεράση "διαβάζει" τον κλώνο του DNA ξεκινώντας από την αλληλουχία του προαγωγού και μετακινώντας κατά μήκος του κλώνου του ϋΝΑ όπως ένας δάσκαλος περπατώντας σε μια σειρά μαθητών και διανέμοντας δοκιμές προσθέτοντας νουκλεοτίδια στο αναπτυσσόμενο άκρο του νεοσύστατου μορίου RNA.
Οι δεσμοί που δημιουργούνται μεταξύ των φωσφορικών ομάδων ενός νουκλεοτιδίου και της ομάδας ριβόζης ή δεοξυριβόζης στο επόμενο νουκλεοτίδιο καλούνται φωσφοδιεστερικών δεσμών. Σημειώστε ότι ένα μόριο ϋΝΑ έχει αυτό που ονομάζεται τερματικό 3 ("τριών πρώτων") στο ένα άκρο και ένα τερματικό 5 ("πέντε" prime) στο άλλο, με αυτούς τους αριθμούς να προέρχονται από τις τελικές θέσεις ατόμων άνθρακα στο αντίστοιχα "δακτυλίους ριβόζης". " Καθώς το ίδιο το μόριο RNA αναπτύσσεται προς την κατεύθυνση 3, κινείται κατά μήκος της αλυσίδας DNA στην 5 κατεύθυνση. Θα πρέπει να εξετάσετε ένα διάγραμμα για να βεβαιωθείτε ότι κατανοείτε πλήρως τη μηχανική της σύνθεσης mRNA.
Η προσθήκη νουκλεοτιδίων - ειδικά, τριφωσφορικών νουκλεοσιδίων (ATP, CTP, GTP και UTP, ATP είναι τριφωσφορική αδενοσίνη, CTP είναι τριφωσφορική κυτιδίνη και ούτω καθεξής) - στην επιμήκυνση του κλώνου mRNA απαιτεί ενέργεια. Αυτό, όπως και πολλές βιολογικές διεργασίες, παρέχεται από τους φωσφορικούς δεσμούς στα ίδια τα τριφωσφορικά νουκλεοσίδια. Όταν το φωσφορικό-φωσφορικό δεσμό υψηλής ενέργειας σπάσει, το προκύπτον νουκλεοτίδιο (AMP, CMP, GMP και UMP · σε αυτά τα νουκλεοτίδια, το «ΜΡ» σημαίνει «μονοφωσφορικό») προστίθεται στο mRNA και ένα ζεύγος ανόργανων φωσφορικών μορίων , συνήθως γραπτά PPΕγώ, να πέσει μακριά.
Καθώς συμβαίνει η μεταγραφή, το κάνει, όπως δηλώνεται, κατά μήκος μιας μονής αλυσίδας DNA. Να γνωρίζετε, ωστόσο, ότι ολόκληρο το μόριο ϋΝΑ δεν ξετυλίγεται και διαχωρίζεται σε συμπληρωματικούς κλώνους. αυτό συμβαίνει μόνο στο άμεσο περιβάλλον της μεταγραφής. Ως αποτέλεσμα, μπορείτε να απεικονίσετε μια "φούσκα μεταγραφής" που κινείται κατά μήκος του μορίου DNA. Αυτό είναι σαν ένα αντικείμενο που κινείται κατά μήκος ενός φερμουάρ που αποσυμπιέζεται ακριβώς μπροστά από το αντικείμενο από ένα μηχανισμό, ενώ ένας διαφορετικός μηχανισμός επαναφέρει το φερμουάρ στα αντικείμενα ξυπνήσει.
Τέλος, όταν το mRNA έχει φτάσει στο απαιτούμενο μήκος και μορφή, το λήξη φάση βρίσκεται σε εξέλιξη. Όπως η έναρξη, αυτή η φάση ενεργοποιείται από ειδικές αλληλουχίες ϋΝΑ που λειτουργούν ως σημάδια στάσης για την πολυμεράση RNA.
Στα βακτήρια, αυτό μπορεί να συμβεί με δύο γενικούς τρόπους. Σε μία από αυτές, η αλληλουχία τερματισμού μεταγράφεται, δημιουργώντας ένα μήκος mRNA που διπλώνει πίσω στο ίδιο και έτσι «συσσωρεύεται» καθώς η RNA πολυμεράση συνεχίζει να κάνει τη δουλειά της. Αυτά τα διπλωμένα τμήματα του mRNA συχνά αναφέρονται ως κλώνοι φουρκέτας και περιλαμβάνουν συμπληρωματικό ζευγάρωμα βάσεων εντός του μονόκλωνου μορίου mRNA αλλά που έχει μεταβληθεί. Κατάντη από αυτό το τμήμα φουρκέτας είναι μια παρατεταμένη έκταση U βάσεων ή υπολειμμάτων. Αυτά τα γεγονότα υποχρεώνουν την πολυμεράση RNA να σταματήσει την προσθήκη νουκλεοτιδίων και να αποκολληθεί από το DNA, καταλήγοντας στη μεταγραφή. Αυτό αναφέρεται ως rho-ανεξάρτητο τερματισμό επειδή δεν βασίζεται σε μια πρωτεΐνη γνωστή ως παράγοντας rho.
Σε rho-εξαρτώμενο τερματισμό, η κατάσταση είναι απλούστερη και δεν χρειάζονται τμήματα mRNA φουρκέτας ή υπολείμματα U. Αντίθετα, ο παράγοντας rho συνδέεται με το απαιτούμενο σημείο στο mRNA και τραβάει φυσικά το mRNA μακριά από RNA πολυμεράση. Είτε εξαρτάται από τον rho-ανεξάρτητο είτε από rho εξαρτώμενο τερματισμό εξαρτάται από την ακριβή εκδοχή της RNA πολυμεράσης η οποία δρα επί του DNA και του mRNA (υπάρχει ποικιλία υποτύπων) καθώς επίσης και των πρωτεϊνών και άλλων παραγόντων στο άμεσο κυτταρικό περιβάλλον.
Και οι δύο καταρράκτες συμβάντων τελικά οδηγούν στο σπάσιμο του mRNA ελεύθερο από το DNA στην φούσκα μεταγραφής.
Προκαρυώτες εναντίον Ευκαρυωτών
Υπάρχουν πολυάριθμες διαφορές μεταξύ της μεταγραφής σε προκαρυωτικά (σχεδόν όλα τα βακτηρίδια) και των ευκαρυωτικών (πολυκύτταροι οργανισμοί όπως τα ζώα, τα φυτά και οι μύκητες). Για παράδειγμα, η έναρξη σε προκαρυωτικά συνήθως περιλαμβάνει μια διάταξη βάσης DNA γνωστή ως το πλαίσιο Pribnow, με την ακολουθία βάσης ΤΑΤΑΑΤ να βρίσκεται περίπου 10 ζεύγη βάσεων μακριά από εκεί όπου συμβαίνει η ίδια η έναρξη της μεταγραφής. Οι ευκαρυώτες, ωστόσο, έχουν αλληλουχίες ενισχυτή τοποθετημένες σε σημαντική απόσταση από τη θέση έναρξης, καθώς και πρωτεΐνες ενεργοποιητή που βοηθούν στην παραμόρφωση του μορίου ϋΝΑ κατά τρόπο που καθιστά πιο προσιτή στην πολυμεράση RNA.
Επιπλέον, η επιμήκυνση συμβαίνει περίπου δύο φορές ταχύτερα σε βακτήρια (περίπου 42 έως 54 ζεύγη βάσεων ανά λεπτό, που συνορεύουν με ένα ανά δευτερόλεπτο) όπως σε ευκαρυώτες (περίπου 22 έως 25 ζεύγη βάσης ανά λεπτό). Τέλος, ενώ οι βακτηριακοί μηχανισμοί τερματισμού περιγράφονται παραπάνω, σε ευκαρυωτικά, αυτή η φάση περιλαμβάνει συγκεκριμένους παράγοντες τερματισμού, καθώς και έναν κλώνο RNA που ονομάζεται πολυ-Α (όπως σε πολλές βάσεις αδενίνης στη σειρά) "ουρά". Δεν είναι ακόμη σαφές εάν η διακοπή της επιμήκυνσης ενεργοποιεί τη διάσπαση του mRNA από τη φούσκα ή αν η ίδια η διάσπαση τερματίζει απότομα τη διαδικασία επιμήκυνσης.