W jaki sposób geny w DNA mają zakodowane przepisy na białka. Centralny dogmat biologii molekularnej: DNA → RNA → białko. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Przegląd: Ekspresja genów

DNA jest materiałem genetycznym wszystkich organizmów na Ziemi. Kiedy DNA jest przekazywane od rodziców do dzieci, może ono określać pewne ich cechy (takie jak ich kolor oczu czy włosów). Ale jak w rzeczywistości sekwencja cząsteczki DNA wpływa na cechy człowieka lub innych organizmów? Na przykład, jak sekwencja nukleotydów (A, T, C i G) w DNA w groszkach Mendla określa kolor ich kwiatów?

Geny określają funkcjonalne produkty (takie jak białka)

Cząsteczka DNA nie jest tylko długim, nudnym ciągiem nukleotydów. Jest natomiast podzielona na funkcjonalne jednostki nazywane genami. Każdy gen dostarcza instrukcji dla funkcjonalnego produktu, to znaczy, cząsteczki niezbędnej do wypełnienia konkretnej funkcji w komórce. Na przykład, gen koloru kwiatów Mendla dostarcza instrukcji dla białka, które pomaga w utworzeniu kolorowych cząsteczek (barwników) w płatkach kwiatów.
Funkcjonalne produkty większości znanych genów są białkami, lub dokładniej - polipeptydami. Polipeptyd jest tylko innymi słowy łańcuchem aminokwasów. Chociaż wiele białek składa się z pojedynczego polipeptydu, niektóre z nich są zbudowane z wielu polipeptydów. Geny, które określają białka, są nazywane genami kodującymi białka.
Nie wszystkie geny określają polipeptydy. Natomiast niektóre dostarczają instrukcji do utworzenia cząsteczek RNA, takich jak tRNA i rRNA, które pełnią rolę w translacji.

Jak sekwencja DNA genu określa dane białko?

Wiele genów dostarcza wskazówek do tworzenia polipeptydów. Jak dokładnie DNA kieruje budową polipeptydu? Ten proces obejmuje dwa główne kroki: transkrypcję i translację.
  • W transkrypcji, sekwencja DNA genu jest kopiowana, aby utworzyć cząsteczkę RNA. Ten etap jest nazywany transkrypcją, ponieważ obejmuje przepisywanie, czyli transkrybowanie, sekwencji DNA w podobnym "alfabecie" RNA. U eukariotów, cząsteczka RNA musi przejść obróbkę, aby stać się dojrzałym informacyjnym (mRNA)
  • W translacji, sekwencja mRNA jest dekodowana, aby zdefiniować sekwencję aminokwasową polipeptydu. Nazwa translacja odzwierciedla to, że sekwencja nukleotydowa mRNA musi być przetłumaczona na kompletnie inny "język" aminokwasów.
Zatem, podczas ekspresji genu kodującego białko, informacja przepływa DNA \rightarrow RNA \rightarrow białko. Ten kierunkowy przepływ informacji jest znany jako centralny dogmat biologii molekularnej. Geny niekodujące białek (geny, które określają funkcjonalne RNA) są nadal transkrybowane, aby produkować RNA, ale to RNA nie jest przepisywane na polipeptyd. Dla obu typów genów, proces przechodzenia od DNA do funkcjonalnego produktu jest znany jako ekspresja genu.

Transkrypcja

W transkrypcji, jedna nić DNA, która tworzy gen, nazywana nicią niekodującą, działa jak matryca do syntezy pasującej (komplementarnej) nici RNA dzięki enzymowi nazywanemu polimerazą RNA. Ta nić RNA jest pierwotnym transkryptem.
Pierwotny transkrypt niesie tą samą sekwencję informacji jak nietranskrybowana nić DNA, czasami nazywana nicią kodującą. Jednakże, pierwotny transkrypt i nić kodująca DNA nie są identyczne dzięki niektórym biochemicznym różnicom pomiędzy DNA i RNA. Jedną ważną różnicą jest ta, że cząsteczka RNA nie zawiera tyminy (T). Natomiast, ma podobną zasadę - uracyl (U). Tak jak tymina, uracyl paruje z adeniną.

Transkrypcja i obróbka RNA: eukarioty vs. bakterie

W bakteriach pierwotny transkrypt RNA może bezpośrednio służyć jako informacyjny RNA, czyli mRNA. mRNA otrzymały taką swoją nazwę, ponieważ służą jako informacyjni pośrednicy pomiędzy DNA i rybosomami. Rybosomy są strukturami zbudowanymi z RNA i białek obecnymi w cytozolu, gdzie białka są syntetyzowane.
U eukariotów (takich jak ludzie), pierwotny transkrypt musi przejść przez kilka dodatkowych etapów obróbki, aby stać się dojrzałym mRNA. Podczas obróbki, czapeczki są dodawane do końców RNA i niektóre kawałki RNA mogą być starannie usunięte w procesie nazywanym splicingiem. Te etapy nie mają miejsca u bakterii.
Lokalizacja transkrypcji jest także różna pomiędzy prokariotami i eukariotami. Transkrypcja eukariotyczna ma miejsce w jądrze komórkowym, gdzie składowane jest DNA, kiedy synteza białek dzieje się w cytozolu. Z tego powodu. eukariotyczne mRNA musi być eksportowane z jądra przed tym jak będzie przepisywane na polipeptyd. Komórki prokariotyczne, z drugiej strony, nie maja jądra, więc przeprowadzają i transkrypcję i translację w cytozolu.

Translacja

Po transkrypcji (i u eukariotów po obróbce) cząsteczka mRNA jest gotowa do kierowania syntezą białka. Proces wykorzystujący informację z mRNA, aby utworzyć polipeptyd jest nazywany translacją.

Kod genetyczny

Podczas translacji, sekwencja nukleotydów mRNA jest przepisywana na sekwencję aminokwasów polipeptydu. W szczególności nukleotydy mRNA są czytane trypletami (grupami po trzy) nazywanymi kodonami. Jest 6161 kodonów, które określają aminokwasy. Jeden kodon jest kodonem "START", który określa, gdzie rozpocząć translację. Kodon start określa aminokwas metioninę, więc większość polipeptydów rozpoczyna się tym aminokwasem. Trzy inne kodony "stop"sygnalizują koniec polipeptydu. Te związki pomiędzy kodonami i aminokwasami są nazywane kodem genetycznym.

Etapy translacji

Translacja ma miejsce wewnątrz struktur znanych jako rybosomy. Rybosomy są molekularnymi maszynami, których zadaniem jest tworzenie polipeptydów. Kiedy rybosom doczepia się do mRNA i znajduje kodon start, szybko wędruje w dół, wzdłuż mRNA, po jednym kodonie. Jak to się dzieje, stopniowo buduje łańcuch aminokwasów, które dokładnie odzwierciedlają sekwencję kodonów w mRNA.
Jak rybosom "wie", który aminokwas dodać dla każdego z kodonów? Jak się okazuje, to dopasowanie nie jest wykonywane przez sam rybosom. Natomiast zależy ono od grupy wyspecjalizowanych cząsteczek RNA nazywanych transferowym RNA (tRNA). Każde tRNA ma trzy wystające nukleotydy na jednym końcu, które mogą rozpoznawać (parować z) tylko jedną lub kilkoma szczególnymi kodonami. Na drugim końcu, tRNA niesie aminokwas - szczególny, który pasuje do tych kodonów.
Istnieje wiele tRNA pływających w komórce, ale tylko jedno tRNA, które pasuje (paruje z) kodonem, który obecnie jest odczytywany, łączy się i dostarcza swój ładunek - aminokwas. Kiedy tRNA jest ciasno połączone z pasującym kodonem w rybosomie, jego aminokwas będzie dodawany do końca łańcucha polipeptydowego.
Ten proces powtarza się wiele razy, wraz z rybosomem przesuwającym się dalej, kodon za kodonem. Łańcuch aminokwasów jest budowany jeden za drugim, z sekwencją aminokwasów, która pasuje do sekwencji kodonów znajdujących się w mRNA. Translacja kończy się, kiedy rybosom osiąga kodon stop i uwalnia polipeptyd.

Co dzieje się później?

Kiedy polipeptyd jest ukończony, może być przetwarzany lub modyfikowany, łączony z innymi polipeptydami lub kierowany do specjalnego miejsca wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Ostatecznie, będzie pełnić swoją funkcję potrzebną dla komórki lub organizmu - może jako cząsteczka sygnałowa, element budulcowy lub enzym!

Podsumowanie:

  • DNA jest podzielne na małe funkcjonalne jednostki nazywane genami, które mogą określać polipeptydy (białka i podjednostki białek) lub funkcjonalne RNA (takie jak tRNA i rRNA).
  • Informacja z genu jest wykorzystywana do utworzenia funkcjonalnego produktu w procesie nazywanym ekspresją genów.
  • Gen, który koduje polipeptyd jest wyrażany w dwóch etapach. W tym procesie, informacja przepływa DNA \rightarrow RNA \rightarrow białko, to kierunkowa relacja znana jako centralny dogmat biologii molekularnej.
    • Transkrypcja: Jedna nić DNA genu jest kopiowana na RNA. U eukariotów. transkrypt RNA musi przechodzić dodatkowe etapy obróbki, aby stać się dojrzałym informacyjnym RNA (mRNA).
    • Translacja: Sekwencja nukleotydów mRNA jest odczytywana, aby określić sekwencję aminokwasów polipeptydu. Ten proces dzieje się wewnątrz rybosomu i wymaga cząsteczek przejściowych nazywanych tRNA.
  • Podczas translacji. nukleotydy tRNA są odczytywane grupami po trzy nazywanymi kodonami. Każdy kodon określa poszczególny aminokwas lub sygnał stop. Ten zestaw związków jest znany jako kod genetyczny.
Ładowanie