TRANSKRIPCIJA DNK: PROCES V EVKARIOTIH IN PROKARIOTIH - BIOLOGIJA - 2025

Transkripcija DNA je proces, s katerim so informacije v deoksiribonukleinske kisline kopira kot podobne molekule, RNA, bodisi kot korak v sintezi proteinov, ali za tvorbo RNA molekule, ki sodelujejo pri več celičnih procesov velikega pomena (regulacija izražanja genov, signalizacija itd.).

Čeprav ni res, da vsi geni organizma kodirajo beljakovine, je res, da vse beljakovine celice, bodisi evkariontske ali prokariotske, kodira en ali več genov, pri čemer je vsaka aminokislina predstavljena z set treh baz DNK (kodon).

Obdelava evkariontskih genov (Vir: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prek Wikimedia Commons)

Sinteza polipeptidne verige, ki pripada katerikoli celični beljakovini, se zgodi zahvaljujoč dvema temeljnima procesoma: prepisovanju in prevajanju; oboje je zelo regulirano, saj gre za dva procesa, ki sta zelo pomembna za delovanje katerega koli živega organizma.

Kaj je transkripcija DNK?

Transkripcija vključuje oblikovanje "predloge" za molekulo RNA, znano kot "messenger RNA" (mRNA) iz "standardnega" zaporedja, kodiranega v območju DNA, ki ustreza genu, ki ga je treba prepisati.

Ta postopek izvaja encim imenovan RNA polimeraza, ki prepozna posebna mesta v zaporedju DNK, se na njih veže, odpre verigo DNK in sintetizira molekulo RNA z uporabo enega od teh komplementarnih nizov DNK kot predloge oz. vzorec, tudi ko naleti na drugo posebno zaporedno zaporo.

Prevajanje je na drugi strani postopek, skozi katerega pride do sinteze beljakovin. Sestavljen je iz "branja" informacij, ki jih vsebuje mRNA, ki je bila prepisana iz gena, "prevajanja" kodonov DNK v aminokisline in nastajanja polipeptidne verige.

Prevajanje nukleotidnih zaporedij mRNA izvajajo encimi, znani kot sintetaze aminoacil-tRNA, zahvaljujoč sodelovanju drugih molekul RNA, znanih kot "prenosna RNA" (tRNA), ki so antikodoni kodonov, ki jih vsebuje MRNA, ki so zvesta kopija zaporedja DNA gena.

Prepisovanje v evkariote (postopek)

Med transkripcijo v evkariontih se DNK uporablja kot predloga za ustvarjanje niza messenger RNA s pomočjo encima RNA polimeraze.

V evkariontskih celicah se postopek transkripcije odvija znotraj jedra, ki je glavna znotrajcelična organela, kjer je DNK vsebovan v obliki kromosomov. Začne se s "kopijo" kodirajočega območja gena, ki je prepisan v enopasovno molekulo, znano kot messenger RNA (mRNA).

Ker je DNK omejena v omenjeni organeli, molekule mRNA delujejo kot posredniki ali prenašalci pri prenosu genetskega sporočila iz jedra do citosola, kjer pride do prevajanja RNK in celotne biosintetske naprave za sintezo beljakovin ( ribosomi).

- Kakšni so evkariontski geni?

Gen je sestavljen iz sekvence DNA, katere značilnosti določajo njeno funkcijo, saj je vrstni red nukleotidov v omenjenem zaporedju tisti, ki določa njegovo transkripcijo in kasnejšo translacijo (v primeru tistih, ki kodirajo proteine).

Ko je gen prepisan, torej ko se njegovi podatki kopirajo v obliki RNA, je lahko rezultat nekodirajoča RNA (cRNA), ki ima neposredne funkcije pri uravnavanju izražanja genov, pri celični signalizaciji itd. ali pa je lahko messenger RNA (mRNA), ki se bo nato v peptidu prevedla v aminokislinsko zaporedje.

Predstavitev strukture evkariontskega gena (Vir: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) prek Wikimedia Commons)

Ali ima gen funkcionalni produkt v obliki RNA ali proteina, je odvisno od nekaterih elementov ali regij, ki so prisotni v njegovem zaporedju.

Geni, evkariontski ali prokariontski, imajo dva sklopa DNK, enega poznanega kot "čutni" niz in drugega "antisense". Encimi, odgovorni za prepisovanje teh zaporedij, "berejo" samo enega od obeh pramenov, navadno sklop "smisel" ali "kodiranje", ki ima "smer" 5'-3 '.

Vsak gen ima na svojih koncih regulativne sekvence:

- če so sekvence pred kodirnim območjem (tisto, ki se bo prepisalo), so znane kot "promotorji"

- če jih ločuje veliko kilobaz, jih lahko "utišate" ali "ojačate"

- tiste sekvence, ki so najbližje 3 'območju genov, so ponavadi terminatorske sekvence, ki polimerazi povedo, da mora ustaviti in končati prepisovanje (ali podvajanje, odvisno od primera)

Promotorsko območje je razdeljeno na distalno in proksimalno glede na bližino kodirnega območja. Na 5 'koncu gena encim RNA polimeraza in drugi proteini prepoznajo, da začnejo prepisovati iz DNK v RNA.

V proksimalnem delu promotorskega območja se lahko vežejo transkripcijski faktorji, ki lahko spremenijo pripadnost encimu zaporedju, ki ga je treba prepisati, zato so odgovorni za regulacijo prepisovanja genov pozitivno ali negativno.

Ojačevalna in utišalna območja so prav tako odgovorna za uravnavanje transkripcije genov s spreminjanjem "aktivnosti" promotorskih regij z njihovo vezavo z elementi aktivatorja ali represorja "navzgor" kodirne sekvence gena.

Govori se, da so evkariontski geni vedno privzeto "izključeni" ali "potisnjeni", zato potrebujejo njihovo aktivacijo s pomočjo promotorskih elementov, da bi se lahko izrazili (prepisali).

- Kdo je zadolžen za prepisovanje?

Ne glede na organizem transkripcijo izvaja skupina encimov, imenovanih RNA polimeraze, ki so podobno kot encimi, odgovorni za podvajanje DNK, ko se celica kmalu deli, specializirani za sintezo verige RNA iz enega od verig DNA prepisanega gena.

Polmeraze RNA so veliki encimski kompleksi, sestavljeni iz številnih podenot. Obstajajo različne vrste:

- RNA polimeraza I (Pol I): ki prepisujejo gene, ki kodirajo "veliko" ribosomsko podenoto.

- RNA polimeraza II (Pol II): ki prepisujejo gene, ki kodirajo beljakovine in proizvajajo mikro RNA.

- RNA polimeraza III (Pol III): ki proizvajajo prenosne RNA, ki se uporabljajo med prevajanjem, in tudi RNA, ki ustreza majhni podenoti ribosoma.

- RNA polimeraza IV in V (Pol IV in Pol V): tipične so za rastline in so odgovorne za prepisovanje majhnih motečih RNK.

- Kakšen je postopek?

Evkariontska transkripcija genov (Vir: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prek Wikimedia Commons)

Genetska transkripcija je postopek, ki ga lahko preučimo, če ga razdelimo v tri faze: iniciacija, raztezanje in prenehanje.

Iniciacija

Med iniciacijo promocijsko območje promocijsko območje gena deluje kot mesto za prepoznavanje RNA polimeraze. Tu je nadzorovana večina genskega izražanja

RNA polimeraza (recimo RNA polimeraza II) se veže na zaporedje promotorskega območja, ki ga sestavlja 6 do 10 baznih parov na 5 'koncu gena, običajno približno 35 baznih parov začetnega mesta prepisovanja.

Združevanje RNA polimeraze vodi do "odpiranja" dvojne vijačnice DNK, ki ločuje komplementarne niti. Sinteza RNK se začne na mestu, ki je znano kot "mesto iniciacije" in poteka v smeri 5'-3 ', torej "navzdol" ali od leve proti desni (po dogovoru).

Začetek transkripcije, ki ga posredujejo polimeraze RNA, je odvisen od sočasne prisotnosti faktorjev transkripcije beljakovin, znanih kot splošni transkripcijski faktorji, ki prispevajo k "lokaciji" encima v promotorski regiji.

Ko se encim začne polimerizirati, se "izloči" tako iz promocijskega zaporedja kot iz splošnih faktorjev transkripcije.

Raztezek

Med podaljševanjem RNA polimeraza drsi po verigi, ki služi kot predloga

Pojavlja se, ko se polimeraza RNA "giblje" po zaporedju DNK in dodaja ribonukleotide, komplementarne verigi DNK, ki služijo kot "predloga" rastoči RNA. Ko RNA polimeraza "prehaja" skozi pramen DNK, se ponovno pridruži svojemu antisenskemu nizu.

Polimerizacija, ki jo izvaja RNA polimeraza, sestoji iz nukleofilnih napadov kisika v položaju 3 'rastoče verige RNA do fosfatnega "alfa" naslednjega nukleotidnega predhodnika, ki ga je treba dodati, s posledičnim tvorjenjem fosfodiesterskih vezi in sproščanjem pirofosfatna molekula (PPi).

Niz, ki ga sestavljajo pramen DNK, polimeraza RNA in nastajajoči niz RNA, poznamo kot transkripcijski mehurček ali kompleks.

Prekinitev

Ko RNA polimeraza doseže terminalno območje gena, je transkripcijski messenger RNA končan. Potem se RNA polimeraza, veriga DNA in transkripcijski messenger RNA disociirajo

Do prenehanja pride, ko polimeraza doseže zaporedje zaključka, ki je logično locirano "nizvodno" od mesta iniciacije transkripcije. Ko se to zgodi, se encim in sintetizirana RNA "odlepi" od zaporedja prepisa DNA.

Zaključno območje običajno sestoji iz zaporedja DNK, ki se lahko "zloži" na sebi in tvori strukturo tipa "lasna zanka".

Po ukinitvi je sintetizirani niz RNA znan kot primarni transkript, ki se sprosti iz transkripcijskega kompleksa, po katerem se lahko ali ne more naknadno predelati (pred prevodom v protein, če je primerno) prek postopek, imenovan "rezanje in spajanje".

Prepisovanje v prokariote (postopek)

Ker prokariontske celice nimajo membrana zaprtega jedra, se prepisovanje zgodi v citosolu, natančneje v "jedrskem" območju, kjer je koncentrirana kromosomska DNK (bakterije imajo krožni kromosom).

Na ta način je povečanje koncentracije citosolov danega proteina pri prokariotih bistveno hitrejše kot pri evkariotih, saj se procesi prepisovanja in prevajanja dogajajo v istem oddelku.

- Kakšni so prokariotski geni?

Prokariotski organizmi imajo gene, ki so zelo podobni evkarionom: prvi uporabljajo tudi promotorje in regulativne regije za njihovo prepisovanje, čeprav je pomembna razlika povezana s tem, da je promocijsko območje pogosto dovolj za dosego "močnega" izraza geni.

V tem smislu je treba omeniti, da so na splošno prokariotski geni privzeto vedno "vklopljeni".

Promotorska regija je povezana z drugo regijo, običajno "gorvodno", ki jo uravnavajo molekule represorja in je znana kot "operacijsko območje".

Predstavitev strukture prokariotskega gena (Vir: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) prek Wikimedia Commons)

Razlika v transkripciji med prokarioti in evkarioti je v tem, da so običajno messenger RNA evkarioti monokistronski, to je, da vsak vsebuje informacije za sintezo enega samega proteina, medtem ko so v prokariotih lahko monokistronske ali polikistronske, kjer je le ena MRNA lahko vsebuje informacije o dveh ali več proteinih.

Tako je dobro znano, da se na primer prokariontski geni, ki kodirajo beljakovine s podobnimi metaboličnimi funkcijami, najdejo v skupinah, znanih kot operoni, ki se hkrati prepisujejo v eno samo molekularno obliko selitvene RNA.

Prokariontski geni so gosto pakirani, brez številnih nekodirajočih se regij med njimi, zato jih lahko enkrat, ko jih prepišemo v molekule RNA z linearnim messengerjem, takoj pretvorimo v beljakovine (evkariontske mRNA pogosto potrebujejo nadaljnjo obdelavo).

- Kako je prokariotska RNA polimeraza?

Prokariotski organizmi, kot so na primer bakterije, uporabljajo isti encim RNA polimerazo, da prepisujejo vse svoje gene, torej tiste, ki kodirajo ribosomske podenote in tiste, ki kodirajo različne celične beljakovine.

V bakteriji E. coli je RNA polimeraza sestavljena iz 5 polipeptidnih podenot, od katerih sta dve enaki. Podenote α, α, β, β 'obsegajo osrednji del encima in jih sestavljajo in razstavljajo med vsakim dogodkom prepisovanja.

Α podenote so tiste, ki omogočajo zvezo med DNK in encimom; β podenota se veže na trifosfatne ribonukleotide, ki bodo polimerizirani po vzorcu DNK v molekuli mRNA, ki se rodi, in β 'podenota se veže na omenjeni niz DNK predloge.

Peta podenota, znana kot σ, sodeluje pri začetku transkripcije in je specifična za polimerazo.

- Kakšen je postopek?

Transkripcija v prokariote je zelo podobna kot pri evkariotih (razdeljena je tudi na začetek, raztezanje in prenehanje), z nekaterimi razlikami v identiteti promocijskih regij in transkripcijskih faktorjev, potrebnih za RNA polimerazo izvajajo svoje funkcije.

Čeprav se promocijske regije lahko razlikujejo med različnimi prokariotskimi vrstami, obstajata dve ohranjeni "konsenzusni" sekvenci, ki ju je mogoče enostavno identificirati v območju -10 (TATAAT) in v -35 regiji (TTGACA) zgoraj pred kodirno sekvenco.

Iniciacija

Odvisno je od σ podenote RNA polimeraze, saj posreduje medsebojno delovanje med DNK in encimom, zaradi česar je sposoben prepoznati promocijske sekvence. Iniciacija se konča, ko nastanejo nekaj abortofilnih prepisov približno 10 nukleotidov.

Raztezek

Ko se σ podenota izloči od encima, se začne faza raztezanja, ki je sestavljena iz sinteze molekule mRNA v smeri 5'-3 '(približno 40 nukleotidov na sekundo).

Prekinitev

Prekinitev v prokariotih je odvisna od dveh različnih vrst signalov, lahko je od Rho odvisna in od Rho neodvisna.

Od Rho odvisnega proteina nadzira ta protein, ki "sledi" polimerazi, ko napreduje v sintezi RNA, dokler slednja ne doseže zaporedja, bogatega z gvanini (G), upočasni in pride v stik z Rho proteinom. ločimo od DNA in mRNA.

Rho-neodvisno zaključevanje nadzirajo posebne sekvence gena, ponavadi bogate z ponavljanjem gvanin-citozina (GC).

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Molekularna biologija celice. Garland Science. New York, 1392.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Uvod v genetsko analizo. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, poslanec, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Molekularna celična biologija. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
5. Rosenberg, LE, & Rosenberg, DD (2012). Človeški geni in genomi: znanost. Zdravje, družba, 317–338.
6. Shafee, T., & Lowe, R. (2017). Evkariontska in prokariotska struktura genov. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill Animations, youtube.com. Prepisovanje in prevajanje DNK.