Содержание
- Обзор нуклеиновых кислот
- Транскрипция ДНК против трансляции
- Шаги транскрипции
- Прокариоты против Эукариот
Независимо от того, являетесь ли вы новичком в биологии или давним поклонником, велики шансы, что по умолчанию вы рассматриваете дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) как, пожалуй, единственное самое необходимое понятие во всей науке о жизни. Как минимум, вы, вероятно, понимаете, что ДНК - это то, что делает вас уникальным среди миллиардов людей на планете, давая ей роль в мире уголовного правосудия, а также в центре внимания лекций по молекулярной биологии. Вы почти наверняка узнали, что ДНК отвечает за то, чтобы наделить вас какими-либо чертами, которые вы унаследовали от своих родителей, и что ваша собственная ДНК - это ваше прямое наследие для будущих поколений, если у вас появятся дети.
То, о чем вы, возможно, не знаете много, - это путь, который соединяет ДНК в ваших клетках с физическими чертами, которые вы проявляете, как явными, так и скрытыми, и последовательность шагов на этом пути. Молекулярные биологи разработали концепцию «центральной догмы» в своей области, которую можно обобщить просто как «ДНК к РНК к белку». Первая часть этого процесса - генерирование РНК или рибонуклеиновой кислоты из ДНК - известна как транскрипцияи эта хорошо изученная и скоординированная серия биохимической гимнастики столь же изящна, сколь и научно глубока.
Обзор нуклеиновых кислот
ДНК и РНК являются нуклеиновыми кислотами. Оба имеют основополагающее значение для всей жизни; эти макромолекулы очень тесно связаны, но их функции, хотя и изящно переплетены, сильно расходятся и специализируются.
ДНК представляет собой полимер, что означает, что он состоит из большого количества повторяющихся субъединиц. Эти субъединицы не являются точно идентичными, но они идентичны по форме. Рассмотрим длинную цепочку бус, состоящую из кубов, которые бывают четырех цветов и очень мало различаются по размеру, и вы получите общее представление о том, как устроены ДНК и РНК.
Мономеры (субъединицы) нуклеиновых кислот известны как нуклеотиды, Сами нуклеотиды состоят из триад трех разных молекул: фосфатной группы (или групп), пятиуглеродного сахара и богатого азотом основания («основание» не в смысле «основания», а в значении «акцептор ионов водорода»). ). Нуклеотиды, которые составляют нуклеиновые кислоты, имеют одну фосфатную группу, но некоторые имеют два или даже три фосфата, связанных в ряд. Молекулы аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ) являются нуклеотидами, имеющими исключительное значение для клеточного энергетического обмена.
ДНК и РНК отличаются по нескольким важным аспектам. Один, в то время как каждая из этих молекул включает четыре различных азотистых основания, ДНК включает аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T), тогда как РНК включает первые три из них, но заменяет урацил (U) для Т. 2 сахар в ДНК - это дезоксирибоза, а в РНК - рибоза. И, в-третьих, ДНК является двухцепочечной в ее наиболее энергетически стабильной форме, тогда как РНК одноцепочечная. Эти различия имеют большое значение как для конкретной транскрипции, так и для функции этих соответствующих нуклеиновых кислот в целом.
Основания A и G называются пуринами, а C, T и U классифицируются как пиримидины. Критически, А химически связывается и только с Т (если ДНК) или U (если РНК); C связывается и только с G. Две цепи молекулы ДНК являются взаимодополняющими, это означает, что основания в каждой цепи совпадают в каждой точке с уникальным «партнерским» основанием в противоположной цепи. Таким образом, AACTGCGTATG дополняет TTGACGCATAC (или UUGACGCAUAC).
Транскрипция ДНК против трансляции
Прежде чем углубляться в механику транскрипции ДНК, стоит потратить немного времени на пересмотр терминологии, связанной с ДНК и РНК, потому что с таким количеством похожих слов в миксе их легко перепутать.
копирование это акт создания идентичной копии чего-либо. Когда вы делаете ксерокопию письменного документа (старая школа) или используете функцию копирования и вставки на компьютере (новая школа), вы копируете содержимое в обоих случаях.
ДНК подвергается репликации, а РНК, поскольку современная наука может установить, не делает; это происходит только из транскрипции _._ из латинского корня, что означает «переписывание», транскрипция - это кодирование конкретного в копии исходного источника. Возможно, вы слышали о медицинских транскрипционистах, чья работа заключается в том, чтобы печатать в письменной форме медицинские записи, сделанные в виде аудиозаписи. В идеале слова и, следовательно, слова будут точно такими же, несмотря на изменение среды. В клетках транскрипция включает в себя копирование генетической ДНК, написанной на языке азотистых последовательностей оснований, в форму РНК - в частности, мессенджер РНК (мРНК). Этот синтез РНК происходит в ядре эукариотических клеток, после чего мРНК покидает ядро и направляется к структуре, называемой рибосомой, чтобы пройти перевод.
В то время как транскрипция представляет собой простое физическое кодирование в другой среде, перевод в биологических терминах - это преобразование этого в целенаправленное действие. Длина ДНК или одной ДНК, называемая генв конечном итоге приводит к тому, что клетки производят уникальный белковый продукт. ДНК отправляет это вместе в форме мРНК, которая затем переносит ее в рибосому, чтобы она могла быть преобразована в белок. С этой точки зрения мРНК - это синий или набор инструкций по сборке предмета мебели.
Надеюсь, это прояснит все ваши загадки о том, что делают нуклеиновые кислоты. Но как насчет транскрипции в частности?
Шаги транскрипции
ДНК, как известно, сплетена в двухцепочечную спираль. Но в этой форме было бы физически трудно что-либо из этого построить. Поэтому в инициирование В фазе (или стадии) транскрипции молекула ДНК разматывается энзимами, называемыми геликазами. Только одна из двух полученных нитей ДНК используется одновременно для синтеза РНК. Эта прядь называется некодирующая нить, потому что, благодаря правилам спаривания оснований ДНК и РНК, другая нить ДНК имеет ту же последовательность азотистых оснований, что и синтезируемая мРНК, что делает эту нить кодирование нитка. Основываясь на ранее сделанных замечаниях, можно сделать вывод, что нить ДНК и мРНК, за которую она отвечает, являются комплементарными.
Теперь, когда цепь готова к действию, участок ДНК, называемый промоторной последовательностью, указывает, где должна начинаться транскрипция вдоль цепи. Фермент РНК-полимераза прибывает в это место и становится частью промоторного комплекса. Все это должно гарантировать, что синтез мРНК начинается именно там, где это должно быть на молекуле ДНК, и это генерирует цепь РНК, которая содержит желаемую кодировку.
Далее в удлинение фаза, РНК-полимераза «читает» цепь ДНК, начиная с последовательности промотора и двигаясь вдоль цепи ДНК, подобно учителю, идущему по ряду учеников и распределяющему тесты, добавляя нуклеотиды к растущему концу вновь образующейся молекулы РНК.
Связи, созданные между фосфатными группами одного нуклеотида и рибозной или дезоксирибозной группой на следующем нуклеотиде, называются фосфодиэфирные связи, Обратите внимание, что молекула ДНК имеет то, что называется 3 («три простых») конца на одном конце и 5 («пять простых») конца на другом, причем эти числа поступают из терминальных положений атома углерода в соответствующие концевые рибозные «кольца». Когда молекула РНК растет в направлении 3, она движется вдоль цепи ДНК в направлении 5. Вы должны изучить диаграмму, чтобы убедиться, что вы полностью понимаете механизм синтеза мРНК.
Добавление нуклеотидов - в частности, нуклеозидтрифосфатов (АТФ, CTP, GTP и UTP; ATP - аденозинтрифосфат, CTP - цитидин трифосфат и т. Д.) - к удлиненной цепи мРНК требует энергии. Это, как и многие другие биологические процессы, обеспечивается фосфатными связями в самих нуклеозидтрифосфатах. Когда высокоэнергетическая фосфатно-фосфатная связь разрывается, полученный нуклеотид (AMP, CMP, GMP и UMP; в этих нуклеотидах «MP» обозначает «монофосфат») добавляется к мРНК и паре молекул неорганического фосфата. обычно пишется ППяотвали.
Как происходит транскрипция, это происходит, как указано, вдоль одной цепи ДНК. Имейте в виду, однако, что вся молекула ДНК не раскручивается и не разделяется на комплементарные нити; это происходит только в непосредственной близости от транскрипции. В результате вы можете визуализировать «пузырь транскрипции», движущийся вдоль молекулы ДНК. Это похоже на объект, который движется вдоль молнии, которая расстегивается молнией прямо перед объектом одним механизмом, в то время как другой механизм повторно застегивает молнию в объекте.
Наконец, когда мРНК достигла необходимой длины и формы, окончание фаза начинается. Подобно инициации, эта фаза активируется специфическими последовательностями ДНК, которые функционируют как знаки остановки для РНК-полимеразы.
У бактерий это может происходить двумя основными способами. В одном из них последовательность терминации транскрибируется, генерируя длину мРНК, которая снова складывается сама по себе и, таким образом, «связывается», когда РНК-полимераза продолжает выполнять свою работу. Эти свернутые участки мРНК часто называют шпильками, и они включают комплементарное спаривание оснований в одноцепочечной, но искривленной молекуле мРНК. Вниз по течению от этой секции шпильки пролонгированный участок U-оснований или остатков. Эти события заставляют РНК-полимеразу прекращать добавление нуклеотидов и отрываться от ДНК, заканчивая транскрипцию. Это упоминается как независимое от rho завершение, потому что это не зависит от белка, известного как rho фактор.
При rho-зависимом терминации ситуация проще, и не нужны сегменты мРНК шпильки или остатки U. Вместо этого rho-фактор связывается с необходимым местом на мРНК и физически отрывает мРНК от РНК-полимеразы. Происходит ли rho-независимое или rho-зависимое завершение, зависит от точной версии РНК-полимеразы, которая действует на ДНК и мРНК (существует множество подтипов), а также от белков и других факторов в непосредственной клеточной среде.
Оба каскада событий в конечном итоге приводят к тому, что мРНК освобождается от ДНК в пузыре транскрипции.
Прокариоты против Эукариот
Существуют многочисленные различия между транскрипцией у прокариот (почти все из которых являются бактериями) и эукариот (многоклеточных организмов, таких как животные, растения и грибы). Например, инициация у прокариот обычно включает в себя расположение оснований ДНК, известное как бокс Pribnow, с последовательностью оснований TATAAT, расположенной примерно в 10 парах оснований от места, где происходит инициация транскрипции. Эукариоты, однако, имеют энхансерные последовательности, расположенные на значительном расстоянии от сайта инициации, а также белки-активаторы, которые помогают деформировать молекулу ДНК таким образом, чтобы сделать ее более доступной для РНК-полимеразы.
Кроме того, у бактерий удлинение происходит примерно в два раза быстрее (около 42–54 пар оснований в минуту, граничащих с одной в секунду), чем у эукариот (около 22–25 пар оснований в минуту). Наконец, в то время как бактериальные механизмы терминации описаны выше, у эукариот эта фаза включает специфические факторы терминации, а также цепь РНК, называемую поли-А (как у многих оснований аденина в ряду) «хвост». Пока не ясно, вызывает ли прекращение элонгации отщепление мРНК из пузыря или же само расщепление внезапно завершает процесс элонгации.