Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.3: Метаболізм ДНК та РНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    24723

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    Пройшовши цей урок, ви зможете:

    • Зрозумійте механізм реплікації ДНК.
    • Зрозумійте процес експресії генів.
    • Перерахуйте основні види мутації ДНК і механізм репарації ДНК.

    Реплікація ДНК

    Процес реплікації ДНК складається з розмотування дволанцюгової ДНК, копіювання кожного ланцюга ДНК, а потім відокремлення двох, нових, дволанцюгових копій. Процес починається з походження реплікації (орі), послідовності нуклеїнових кислот, де може початися реплікація. Є близько 100 000 походження реплікації в кожній клітині людини. Це означає, що реплікація ДНК може початися одночасно в різних положеннях одночасно. Вилка реплікації - це точка, де розділяються дві нитки ДНК, одна називається провідною ниткою, а інша - відстаюча нитка, і відбувається копіювання ДНК. Спірально-котушкова двоспіральна структура ДНК спочатку розмотується ферментом ДНК helicase шляхом розриву водневих зв'язків між комплементарними нуклеїновими кислотами. Одноланцюгові зв'язуючі білки прикріплюються до нових ниток ДНК, щоб тримати їх відокремленими.

    Фермент під назвою примаза потім виробляє коротку нитку РНК, яка служить праймером для решти процесу. Ферментна ДНК-полімераза відтворює кожну нитку ДНК в напрямку від 5 ′ до 3 ′, додаючи правильний, відповідний нуклеотидний трифосфат до 3-гідроксильного кінця нитки праймера. При додаванні кожної нової нуклеїнової кислоти утворюється нова фосфодіефірний зв'язок, яка використовує енергію, що міститься в залишилася дифосфатній групі.

    Реплікація ДНК

    Транскрипція РНК

    Транскрипція РНК - це процес, за допомогою якого певний сегмент ДНК транскрибується в еквівалентну послідовність РНК.

    • мРНК: Для генів, які кодують білок.
    • тРНК: Для передачі РНК.
    • рРНК: Для складання рибосоми.
    • miRNA (мікро РНК): Який зв'язується з мРНК і гальмує її трансляцію.
    • SiRNA (малозаважаюча РНК): Яка зв'язується з мРНК і допомагає в її деградації.
    • sNRNA (мала ядерна РНК): Яка бере участь в обробці РНК як частина спліцеосом.
    • SnРНК (мала ядерна РНК): Які беруть участь у обробці ядерної РНК.

    Транскрипція починається з зв'язування ферменту РНК-полімерази з послідовністю промоторів на ДНК, регуляторною областю, яка диктує, де повинна починатися транскрипція.

    ДНК транскрибується від 3 ′ до 5′ і відбувається лише на одній з ниток ДНК, шаблону.

    Як і при реплікації ДНК, енергія для утворення фосфодіефірного зв'язку отримується від гідролізу двох кінцевих фосфатних зв'язків нуклеозидного трифосфату.

    Множинні РНК-полімерази можуть транскрибуватися на одній послідовності генів ДНК, що дозволяє швидко виробляти продукт РНК.

    Малюнок 2. Машини транскрипції РНК

    Enhancer: Це коротка область ДНК, яка може бути пов'язана факторами транскрипції для збільшення або полегшення транскрипції певного гена. Вони можуть розташовуватися далеко від гена, вище за течією або нижче за течією від початкового місця.

    Фактори транскрипції (ТФ): До них відноситься велика кількість білків, за винятком РНК-полімерази, яка сприяє (як активатор) або блокує (як репресор) набір РНК-полімерази в ДНК. ТФ зв'язуються з промоторними областями ДНК.

    Promoter Region: Це специфічні послідовності ДНК, зазвичай розташовані вище за течією та поблизу початкових ділянок транскрипції генів і служить місцем зв'язування білків, званих факторами транскрипції, які набирають РНК-полемеразу. Приклад: TATA бос, острів CpG.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Машини транскрипції РНК

    Обробка РНК

    Нещодавно синтезовані стенограми РНК обробляються до їх використання в клітині як зрілої РНК.

    Обробка РНК
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Обробка РНК

    7-метилгуанозиннуклеїнова кислота додається до 5-кінця (відомого як 5′ ковпачок) попередньо МРНК, коли вона виходить з РНК-полімерази II (Пол II). Ковпачок захищає РНК від деградації ферментами і служить точкою збірки для того, щоб білки почали трансляцію в білок.

    Видалення інтронів, присутніх у попередній МРНК, та зрощування решти екзонів, у процесі, який називається зрощенням РНК. Безперервний ряд основ ДНК, що кодують білок, перериваються базовими послідовностями, які не переведені. Перекладені послідовності називаються екзонами (вираженими послідовностями), а неперекладені послідовності - інтронами (інтервентними послідовностями). На цьому молекула мРНК, яка тепер готова до експорту в цитозол. (Решта стенограми деградується, а РНК-полімераза залишає ДНК.)

    3.4 Переклад білка

    Синтез білка вимагає взаємодії мРНК, тРНК, декількох допоміжних білків, званих фактором ініціації (IF) і фактором подовження (EF), і рибосом.

    Перенесення РНК (тРНК) - © 2013 Освіта природиВелика рибосомальна субодиниця зв'язується з малою рибосомальною субодиницею для завершення комплексу ініціації. Молекула тРНК зв'язується з однією амінокислотою у верхній частині структури. У основі тРНК є три базові послідовності, відомі як антикодон. Цей антикодон зв'язується, через сполучення основи, з трьома базовими кодонами на мРНК. Саме така взаємодія між мРНК і амінокислотою-тРНК забезпечує високий ступінь вірності, що спостерігається при передачі генетичної інформації від ДНК до білків.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Перенесення РНК (тРНК) - © 2013 Освіта природи

    Генетичний код - © 2014 Освіта природиТриплетний код (Генетичний код)

    Послідовність трьох основ ДНК ідентифікує кожну з 20 амінокислот, які повинні бути включені в нещодавно синтезований білок. Ця інформація включена в мРНК, яка синтезується за допомогою ДНК як шаблону. З огляду на, що потрібно мінімум три основи, а у нас 4 нуклеотиди (43 = 64 кодових слова можливі). Це більше, ніж 20 амінокислот. Насправді, багато трійня використовуються для визначення однієї ж амінокислоти. Крім того, деякі «зайві» триплетні послідовності використовуються як стоп-кодони для припинення синтезу білка. AUG використовується як початковий кодон для N-кінцевої амінокислоти в еукаріотів.

    Використовуючи ті ж правила зв'язування, що і подвійні нитки ДНК (наприклад, тРНК, яка зв'язує початковий кодон мРНК AUG, має антикодонну послідовність UAC), забезпечуючи конкретний порядок АА, необхідний для належного виробництва білка.

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Генетичний код - © 2014 Освіта природи

    РНК відіграє три різні і важливі ролі:

    • мРНК: посередник між геном і білком - забезпечує повідомлення.
    • тРНК: Ключ або адаптер — зчитує генетичний код, приносить амінокислоти до зростаючого поліпептидного ланцюга
    • рРНК: У рибосомі забезпечує ешафот для синтезу білка, каталізує утворення пептидних зв'язків

    JuQ_NiaEj1Y0b3Be.jpg

    Додаткові білки IF та EF виконують ряд ролей, включаючи можливість зв'язування молекули мРНК з рибосомою, рух мРНК вздовж рибосоми до початкової точки синтезу, стикування тРНК - амінокислоти та рух мРНК та зростаючого пептидного ланцюга, а також забезпечення точності.

    Біосинтез білка можна розділити на три фази: ініціювання, подовження та припинення.

    Ініціація

    Ініціація синтезу білка починається тоді, коли фактор ініціатора білка IF-3 зв'язується з малою субодиницею рибосоми і викликає її дисоціацію. Потім мала рибосомальна субодиниця зв'язується з 5' стороною мРНК, яка несе інформацію в триплетному коді з ДНК. Потім мала субодиниця транслокується там, де вона зустрічається з великою рибосомальною субодиницею, іншими факторами ініціатора білка та ініціатором тРНК. ТРНК зв'язується з метіоніном на місці в рибосомі, відомому як сайт P.

    Подовження

    У фазі подовження синтезу білка специфічна аміноацил-тРНК, спрямована водневими зв'язковими взаємодіями між антикодонною областю аміноацил-тРНК та кодоновою областю мРНК, додає до ділянки, відмінного від ділянки Р, ділянки А. Ділянки A і P знаходяться в безпосередній близькості, що дозволяє утворювати пептидний зв'язок між амінокислотами. Нещодавно синтезований тРНК пов'язаний дипептид потім переміщається з ділянки А до ділянки Р. Після транслокації рибосоми в напрямку 5' - 3' уздовж мРНК відбувається оголення нового кодону. Потім інша ідентичність амінокислота-тРНК і зв'язується з мРНК на ділянці А, і реакція пептидилтрансферази знову ініціюється. Оскільки поліпептидний ланцюг зростає через наступні цикли включення амінокислотних залишків, він виходить з рибосоми і піддається згортанню в свої рідні вторинні та третинні конформації.

    Припинення

    На стадії припинення синтез пептидних зв'язків припиняється при досягненні стоп-кодону на мРНК. Цей сайт припинення не зв'язуватиме аміноацил-тРНК і припиняється синтез пептидів. Фактори вивільнення дозволяють новосинтезованому білку дисоціювати від рибосоми.

    3.5 Експресія генів

    Експресія генів - це двоетапний процес, при якому ДНК перетворюється в білок.

    gYowfszG4IBKjBiH.jpgКрок 1: Перший крок - транскрипція ДНК до РНК. На цьому кроці інформація з архівної копії ДНК відображається в мРНК. Будова РНК трохи відрізняється, вона містить рибозу замість дезоксирибози, а чотири підстави, які зв'язуються з нею, - цитозин (С), гуанін (G), аденін (А) і урацил (U). Під час транскрипції ДНК розгортається, і мРНК створюється шляхом сполучення основ мРНК з основами ДНК. У цьому процесі C в ДНК перекладається на G, G до C, A до U, а T до A. Після транскрипції мРНК він транспортується в рибосому.

    Крок 2: Другий етап, трансляція білка відбувається на рибосомі. Під час перекладу послідовність кодонів (триплет основ) мРНК за допомогою тРНК перекладається в послідовність амінокислот

    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Експресія генів, здається, є простим процесом, механізмом, який контролює експресію генів, що викликає більшість фенотипічних відмінностей в організмах.

    3.6 Мутація

    fig8-topic3_orig.jpgМутації - це зміни генетичної послідовності (послідовність ДНК або РНК), і вони є основною причиною різноманітності серед організмів. Хоча деякі мутації корисні, пропонуючи стійкість до захворювань або поліпшення структури та/або функції, деякі інші специфічні мутації можуть призвести до захворювання та/або загибелі клітини або організму.

    Мутації можуть виникати через напади навколишнього середовища або спонтанна мутація може виникнути під час реплікації ДНК. За оцінками, мутації відбуваються з приблизною швидкістю 1000—1,000,000 на клітину в день в геномі людини, і кожна нова клітина, як вважають, містить приблизно 120 нових мутацій.

    ВИДИ МУТАЦІЇ

    Точкові мутації, коли тільки одна базова пара змінюється на іншу базову пару. Їх можна класифікувати як такі:

    • Перехід: Коли пуриновий нуклеотид змінюється на інший пурин (A ↔ G) або нуклеотид піримідину змінюється на інший нуклеотид піримідину [C ↔ T (U)].
    • Трансверсія: Коли орієнтація одного пурину та нуклеотиду піримідину зворотна [A/G ↔ C/T (U)].
    • Безшумний: Коли кодується один і той же АА.
    • Missense: Коли кодується інший AA.
    • Нейтральний: коли відбувається зміна АА, але не впливає на структуру або функцію білка.
    • Нісенітниця: Коли виникає стоп-кодон, припиняючи трансляцію і скорочуючи отриманий білок.

    Мутації вставки та видалення, які разом відомі як indels. Інделі можуть мати найрізноманітнішу довжину. На короткому кінці спектра найбільший ефект мають інделі однієї або двох пар основ в послідовностях кодування, оскільки вони неминуче викличуть зрушення кадрів, тобто змінять все читання послідовності мРНК. На проміжному рівні інделі можуть вражати частини гена або цілі групи генів. На найбільшому рівні вставок або делецій можуть впливати цілі хромосоми або навіть цілі копії генома. На цьому високому рівні також можна інвертувати або транслокувати цілі ділянки хромосоми, а хромосоми можуть навіть злитися або розбиватися.

    Якщо в результаті одного з цих процесів втрачається велика кількість генів, то наслідки зазвичай дуже шкідливі.

    3.7 Ремонт ДНК

    Людський організм має механізми виявлення та відновлення різних типів пошкоджень, які можуть виникнути в ДНК, незалежно від того, спричинена ця шкода навколишнім середовищем чи помилками реплікації.

    Оскільки ДНК - це молекула, яка відіграє активну та критичну роль у діленні клітин, під час клітинного циклу механізми контрольних точок забезпечують недоторканність ДНК, перш ніж дозволити реплікацію ДНК та поділ клітин. Збої в цих контрольно-пропускних пунктах можуть призвести до накопичення пошкоджень, що в свою чергу призводить до мутацій.

    УФ-випромінювання спричиняє ураження ДНК, які можуть спотворювати структуру ДНК, вводячи вигини або перегини і тим самим перешкоджати транскрипції та реплікації. Ці ураження можуть бути відновлені за допомогою процесу, відомого як відновлення висічення нуклеотидів (NER), механізму, де фермент каталізує видалення пошкоджених нуклеотидів, і заміна правильної послідовності, керуючись інтактною комплементарною ниткою ДНК. Дефекти цього механізму пов'язані з такими захворюваннями людини, як рак шкіри.

    Іншим механізмом відновлення, який обробляє спонтанне пошкодження ДНК, спричинене окисленням або гідроксилюванням, що генерується метаболізмом, є відновлення висічення основи (BER). У цьому механізмі ферменти, відомі як глікозилази ДНК, видаляють пошкоджені основи, буквально вирізаючи їх з ланцюга ДНК шляхом розщеплення ковалентних зв'язків між основами та цукрово-фосфатною кісткою. Потім отриманий проміжок заповнюється спеціалізованої ремонтної полімеразою і герметизується лігазою.

    Пошкодження ДНК також може відбуватися у вигляді дволанцюгових розривів, які викликані іонізуючим випромінюванням, включаючи гамма-промені і рентгенівські промені. Дволанцюгові розриви можуть бути відновлені за допомогою одного з двох механізмів: негомологічне з'єднання кінця (NHEJ), де фермент під назвою ДНК-лігаза IV використовує нависаючі шматочки ДНК, прилеглі до розриву, щоб приєднатися і заповнити кінці; або гомологічний рекомбінаційний ремонт (HRR), де Сама гомологічна хромосома використовується як шаблон для ремонту.

    УФ-випромінювання може спотворювати ДНК, перешкоджаючи транскрипції та реплікації. Область ДНК показана до (А) і після (В) її структура спотворюється УФ-випромінюванням. Спотворення в панелі B відбувається через опуклий вигин в одній нитці (С). - Джерело: © Nature Education
    Малюнок\(\PageIndex{6}\): УФ-випромінювання може спотворювати ДНК, перешкоджаючи транскрипції та реплікації. Область ДНК показана до (А) і після (В) її структура спотворюється УФ-випромінюванням. Спотворення в панелі B відбувається через опуклий вигин в одній нитці (С). - Джерело: © Nature Education

    Тема 3: Ключові моменти

    У цьому розділі ми вивчили наступні основні моменти:

    1. Процес реплікації ДНК контролюється кількома білками, які діють разом, щоб забезпечити правильне сполучення основи для створення нової ланцюга ДНК.
    2. Транскрипція - це перший етап експресії генів, при якому певний сегмент ДНК копіюється в РНК (мРНК) ферментом РНК-полімеразою.
    3. У перекладі месенджерна РНК (мРНК) - вироблена транскрипцією з ДНК - декодується рибосомою та тРНК для отримання специфічного амінокислотного ланцюга або білка.
    4. Мутації - це зміни генетичної послідовності (послідовності ДНК або РНК), які можуть бути корисними або можуть призвести до пошкодження, якщо їх не відновити.
    Перевірка знань

    1. Зрощування РНК - це процес, який включає видалення інтронів, присутніх у попередній МРНК, та зрощування решти екзонів. Правда чи брехня?

    Правда

    Помилковий

    Відповідь

    істинний

    2. Що з перерахованого не відноситься до процесу реплікації ДНК?

    Примаза

    ДНК-полімераза

    РНК-полімераза

    Відповідь

    РНК-полімераза

    3. Під час трансляції білка послідовність кодонів (трійок основ) мРНК важлива для:

    Підтримувати структуру мРНК

    Переведено правильну послідовність амінокислот.

    Реплікація ДНК

    Відповідь

    Переведено правильну послідовність амінокислот.