55 просмотров

Рибосомы, транскрипция и трансляция

Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, представляет собой живой архив инструкций, которые клетки используют для выполнения функций жизни. Внутри каждой клетки катализаторы ищут соответствующую информацию из этого архива и используют ее для создания новых белков — белков, которые составляют структуру клетки, запускают биохимические реакции в клетке и иногда производятся на экспорт. Хотя все клетки, составляющие многоклеточный организм, содержат одинаковую генетическую информацию, функционально разные клетки внутри организма используют разные наборы катализаторов для выражения только определенных частей этих инструкций для выполнения функций жизни.

Как передается генетическая информация в делящихся клетках?

Когда клетка делится, она создает одну копию своей генетической информации — в виде молекул ДНК — для каждой из двух получившихся дочерних клеток. Точность этих копий определяет здоровье и наследуемые особенности зарождающихся клеток, поэтому важно, чтобы процесс ДНК репликация быть максимально точным (рис. 1).

На схеме показана репликационная линейная молекула ДНК: на ДНК указаны белки геликаза, праймаза и ДНК-полимераза.Также показаны цепи праймеров РНК, которые связаны с каждой комплементарной цепью ДНК. Направление, в котором ДНК-полимераза добавляет новую одноцепочечную ДНК к этим каркасам РНК, показано стрелкой.

Рисунок 1: Репликация ДНК ведущей и отстающей цепей

Хеликаза расстегивает двухцепочечную ДНК для репликации, создавая разветвленную структуру. Примаза генерирует короткие нити РНК, которые связываются с одноцепочечной ДНК, чтобы инициировать синтез ДНК с помощью ДНК-полимеразы. Этот фермент может работать только в направлении от 5' к 3', поэтому он непрерывно реплицирует ведущую цепь.Репликация отстающих цепей носит прерывистый характер, при этом образуются короткие фрагменты Оказаки, которые позже соединяются вместе.

Статья в тему:  Что такое ядерная энергия? умник.

Посмотреть условия использования

© 2006 Nature Publishing Group Bell, S.D. Молекулярная биология: прогресс в прайм-тайм. Природа 439, 542-543 (2006). Все права защищены.

Одним из факторов, который помогает обеспечить точную репликацию, является двойная спиральная структура самой ДНК. В частности, две нити двойной спирали ДНК состоят из комбинаций молекул, называемых нуклеотиды. ДНК состоит всего из четырех разных нуклеотидов. аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), и гуанин (G) — каждый из которых назван в честь содержащегося в нем азотистого основания. Более того, нуклеотиды, образующие одну цепь двойной спирали ДНК, всегда связываются с нуклеотидами другой цепи по схеме, известной как комплементарное спаривание оснований — в частности, A всегда сочетается с T, а C всегда сочетается с G (рис. 2). Таким образом, во время клеточного деления спаренные нити распутываются, и каждая нить служит матрицей для синтеза новой комплементарной нити.

На схеме показан ряд из четырех нуклеотидов: аденина (А), цитозина (С), тимина (Т) и гуанина (G), расположенных параллельно. Те же четыре нуклеотида расположены параллельно под верхним рядом, но порядок был изменен, чтобы отразить комплементарное спаривание оснований между нуклеотидами в верхнем и нижнем рядах. T показан ниже A, G показан ниже C, A показан ниже T, а C показан ниже G.

Каждый нуклеотид имеет сродство к своему партнеру: А соединяется с Т, а С соединяется с G.

Посмотреть условия использования

© 2009 Nature Education Все права защищены.

В большинстве многоклеточных организмов каждая клетка несет одну и ту же ДНК, но эта генетическая информация используется разными типами клеток по-разному. Другими словами, то, что клетка «делает» внутри организма, диктует, какие из ее генов экспрессируются. Нервные клетки, например, синтезируют множество химических веществ, называемых нейротрансмиттерами, которые они используют для отправки сообщений другим клеткам, в то время как мышечные клетки загружаются белковыми нитями, необходимыми для мышечных сокращений.

Статья в тему:  Как пережить ядерный теракт

Каковы начальные шаги в доступе к генетической информации?

На схеме показан участок бывшей двухцепочечной ДНК. Две нити были разделены друг от друга на верхнюю и нижнюю пряди. Было добавлено десять последовательных нуклеотидов, чтобы сформировать вновь синтезированную цепь, которая соединяется с исходной нижней цепью, образуя двухцепочечную область. ДНК-полимераза показана как глобулярная структура, покрывающая часть этой вновь синтезированной цепи и часть исходной нижней цепи. Отдельные свободно плавающие нуклеотиды разбросаны по рисунку и вблизи молекулы ДНК-полимеразы.

Рисунок 3: РНК-полимераза в действии

РНК-полимераза (зеленая) синтезирует цепь РНК, комплементарную расположенной под ней цепи ДНК-матрицы.

Посмотреть условия использования

© 2009 Nature Education Все права защищены.

Транскрипция является первым шагом в расшифровке генетической информации клетки. Во время транскрипции ферменты, называемые РНК-полимеразы построить молекулы РНК, комплементарные части одной нити двойной спирали ДНК (рис. 3).

Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК по нескольким важным параметрам: они одноцепочечные, а не двухцепочечные; их сахарный компонент представляет собой рибозу, а не дезоксирибозу; и они включают урацил (U) нуклеотиды, а не тиминовые (T) нуклеотиды (рис. 4). Кроме того, поскольку молекулы РНК представляют собой одиночные нити, они не образуют спирали; скорее, они складываются в сложные структуры, которые стабилизируются за счет внутреннего комплементарного спаривания оснований.

На схеме показана одна цепь ДНК рядом с одной цепью РНК. Обе нити состоят из линейного расположения нуклеотидов, напоминающих зубцы расчески. Каждый из четырех типов нуклеотидов представлен своим цветом. Там, где на молекуле ДНК появляется красный нуклеотид, на молекуле РНК появляется желтый нуклеотид (таким образом, на молекуле РНК нет красных нуклеотидов).

Рисунок 4: ДНК (вверху) включает тимин (красный); в РНК (внизу) тимин заменен урацилом (желтый)

Посмотреть условия использования

© 2009 Nature Education Все права защищены.

Три основных класса молекул РНК участвуют в экспрессии генов, закодированных в клеточной ДНК. Мессенджер РНК Молекулы (мРНК) несут кодирующие последовательности для синтеза белка и называются транскриптами; рибосомная РНК (рРНК) молекулы образуют ядро ​​клеточных рибосом (структур, в которых происходит синтез белка); а также транспортная РНК (тРНК) молекулы переносят аминокислоты к рибосомам во время синтеза белка. В эукариотических клетках каждый класс РНК имеет свою собственную полимеразу, тогда как в прокариотических клетках одна РНК-полимераза синтезирует другой класс РНК. Другие типы РНК также существуют, но не так хорошо изучены, хотя они, по-видимому, играют регулирующую роль в экспрессии генов, а также участвуют в защите от вторжения вирусов.

Статья в тему:  Как ядерная бомба убивает вас

мРНК — это самый изменчивый класс РНК, и в любой момент времени в клетке присутствуют буквально тысячи различных молекул мРНК. Некоторые молекулы мРНК многочисленны, их число исчисляется сотнями или тысячами, как это часто бывает с транскриптами, кодирующими структурные белки.Другие мРНК довольно редки, возможно, присутствует только одна копия, как это иногда бывает с транскриптами, кодирующими сигнальные белки. мРНК также различаются по продолжительности жизни. У эукариот транскрипты структурных белков могут оставаться интактными более десяти часов, тогда как транскрипты сигнальных белков могут разрушаться менее чем за десять минут.

Клетки можно охарактеризовать по спектру присутствующих в них молекул мРНК; этот спектр называется транскриптом. В то время как каждая клетка в многоклеточном организме несет одну и ту же ДНК или геном, ее транскриптом широко варьируется в зависимости от типа клетки и функции. Например, инсулинпродуцирующие клетки поджелудочной железы содержат транскрипты инсулина, а костные клетки — нет. Хотя костные клетки несут ген инсулина, этот ген не транскрибируется. Следовательно, транскриптом функционирует как своего рода каталог всех генов, которые экспрессируются в клетке в определенный момент времени.

Какова функция рибосом?

На микрофотографии в оттенках серого показано поперечное сечение круглой бактериальной клетки.

Рисунок 5: Электронная микрофотография прокариота (кишечная палочка), показывающая ДНК и рибосомы

Этот кишечная палочка Клетка была обработана химическими веществами и разрезана так, чтобы ее ДНК и рибосомы были хорошо видны. ДНК выглядит как завитки в центре клетки, а рибосомы выглядят как темные частицы на периферии клетки.

Статья в тему:  Что такое группа ядерных поставщиков

Посмотреть условия использования

Предоставлено доктором Авраамом Мински (2014). Все права защищены.

Рибосомы участки в клетке, в которых происходит синтез белка. В клетках много рибосом, и точное количество зависит от того, насколько активна конкретная клетка в синтезе белков. Например, быстрорастущие клетки обычно имеют большое количество рибосом (рис. 5).

Рибосомы представляют собой комплексы молекул рРНК и белков, и их можно наблюдать на электронных микрофотографиях клеток. Иногда рибосомы видны в виде кластеров, называемых полирибосомами.У эукариот (но не у прокариот) некоторые рибосомы прикреплены к внутренним мембранам, где они синтезируют белки, которые позже будут находиться в этих мембранах или предназначены для секреции (рис. 6). Хотя в каждой рибосоме присутствует лишь несколько молекул рРНК, эти молекулы составляют примерно половину массы рибосомы. Остальная масса состоит из ряда белков — около 60 в прокариотических клетках и более 80 в эукариотических клетках.

Внутри рибосомы молекулы рРНК управляют каталитическими этапами синтеза белка — соединением аминокислот в белковую молекулу. Фактически, рРНК иногда называют рибозимом или каталитической РНК, чтобы отразить эту функцию.

Эукариотические и прокариотические рибосомы отличаются друг от друга в результате дивергентной эволюции. Эти различия используются антибиотиками, которые предназначены для ингибирования прокариотических рибосом инфекционных бактерий, не влияя на эукариотические рибосомы, тем самым не влияя на клетки больного хозяина.

Электронная микрофотография показывает ядро, эндоплазматический ретикулум и рибосомы в клетке поджелудочной железы. Показана только часть ячейки из-за большого увеличения изображения.Небольшая часть круглого ядра в ядре клетки видна и кажется более темной, чем окружающий объем. Внутренняя часть клетки заполнена множеством параллельных изогнутых линий, представляющих эндоплазматический ретикулум (ЭР). Изогнутые параллельные складки мембраны ЭР напоминают дорожки лабиринта или множество маленьких черных точек окружают каждую сторону складок мембраны; это рибосомы.

Рисунок 6: Эндоплазматический ретикулум этой эукариотической клетки усеян рибосомами.

Статья в тему:  Насколько широкий радиус действия ядерного оружия

Электронная микрофотография среза экзокринных клеток поджелудочной железы. Цитозоль заполнен плотно упакованными слоями мембраны эндоплазматического ретикулума, усеянными рибосомами. Внизу слева часть ядра и его ядерная оболочка. Изображение предоставлено профессором Л. Орчи (Женевский университет, Швейцария).

Посмотреть условия использования

© 2014 Nature Publishing Group Schekman, R. Слияние культур в исследовании мембранного трафика. Природа Клеточная Биология 6, 483-486 (2004) doi:10.1038/ncb0604-483. Все права защищены.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x