תעתיק DNA: תהליך באוקריוטות ופרוקריוטות - ביולוגיה - 2025

תעתיק של ה- DNA הוא תהליך שבו המידע הכלול חומצה דאוקסיריבונוקלאית מועתק כמו מולקולה דומה, RNA, או כצעד כדי סינתזת החלבון או ליצירת מולקולות רנ"א מעורבים תהליכים סלולריים מרובים בעלי חשיבות רבה (ויסות ביטוי גנים, איתות וכו ').

למרות שזה לא נכון שכל הגנים של קוד אורגניזם לחלבונים, זה נכון שכל חלבוני התא, בין אם אוקריוטיים או פרוקריוטיים, מקודדים על ידי אחד או יותר גנים, כאשר כל חומצת אמינו מיוצגת על ידי קבוצה של שלושה בסיסי DNA (קודון).

עיבוד הגנים האוקריוטים (מקור: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) באמצעות Wikimedia Commons)

הסינתזה של שרשרת הפוליפפטיד השייכת לכל חלבון תאית מתרחשת בזכות שני תהליכים בסיסיים: שעתוק ותרגום; שניהם מוסדרים מאוד, מכיוון שהם שני תהליכים בעלי חשיבות רבה לתפקודו של כל אורגניזם חי.

מהי תעתיק DNA?

תעתיק כרוך בהיווצרות "תבנית" למולקולת RNA המכונה "RNA messenger" (mRNA) מרצף "המאסטר" המקודד באזור ה- DNA המתאים לגן שיש לתמלול.

תהליך זה מתבצע על ידי אנזים הנקרא פולימראז RNA, שמכיר במקומות מיוחדים ברצף ה- DNA, נקשר אליהם, פותח את גדיל ה- DNA ומסנך מולקולת RNA בעזרת אחד מגדלי ה- DNA המשלימים הללו כתבנית או דפוס, גם כאשר הוא נתקל ברצף עצירה מיוחד אחר.

תרגום, לעומת זאת, הוא התהליך שבאמצעותו מתרחשת סינתזת חלבון. זה מורכב מ"קריאה "של המידע הכלול ב- mRNA שהועבר מגן," תרגום "של קודונים ה- DNA לחומצות אמינו ויצירת שרשרת פוליפפטיד.

התרגום של רצפי הנוקלאוטידים של ה- mRNA מתבצע על ידי אנזימים המכונים סינתזות aminoacyl-tRNA, בזכות השתתפותן של מולקולות RNA אחרות המכונות "העברת RNA" (tRNA), שהן אנטיקודונים של הקודונים הכלולים ב- MRNA שהם עותק נאמן של רצף ה- DNA של גן.

שעתוק באוקריוטות (תהליך)

במהלך התעתיק באוקריוטים, ה- DNA משמש כתבנית ליצירת גדיל של RNA מסנג'ר בעזרת האנזים RNA פולימראז.

בתאים אוקריוטיים תהליך התמלול מתרחש בתוך הגרעין, שהוא האברון התאי הראשי בו נמצא ה- DNA בצורה של כרומוזומים. זה מתחיל ב"העתק "של האזור המקודד של הגן המועתק למולקולת של להקה יחידה המכונה מסנג'ר RNA (mRNA).

מכיוון שה- DNA כלול באורגנל האמור, מולקולות ה- mRNA מתפקדות כמתווכים או כמובילים בהעברת המסר הגנטי מהגרעין לציטוזול, שם מתרחש התרגום של RNA וכל המנגנון הביוסינתטי לסינתזת חלבון ( ריבוזומים).

- איך נראים גנים אקוארוטיים?

גן מורכב מרצף DNA שתכונותיו קובעות את תפקודו, מכיוון שסדר הנוקליאוטידים ברצף האמור הוא שקובע את התמלול שלו ואת התרגום שלו לאחר מכן (במקרה של אלה שקודדים לחלבונים).

כאשר תעתיק גן, כלומר כאשר המידע שלו מועתק בצורה של RNA, התוצאה יכולה להיות RNA שאינו מקודד (cRNA), שיש לו תפקידים ישירים בוויסות ביטוי הגן, באיתות תאים וכו '. או שזה יכול להיות RNA שליח (mRNA), אשר יתורגם אז לרצף חומצות אמינו בפפטיד.

ייצוג מבנה הגן האוקריוטי (מקור: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) באמצעות Wikimedia Commons)

האם לגן יש מוצר פונקציונלי בצורת RNA או חלבון תלוי באלמנטים או אזורים מסוימים שנמצאים ברצף שלו.

לגנים, אוקריוטיים או פרוקריוטים, יש שני גדילי DNA, האחד מכונה גדיל ה"חוש "והשני" אנטיסנס ". האנזימים האחראים לתמלול של רצפים אלה "קוראים" רק אחד משני הגדילים, בדרך כלל גדיל ה"חוש "או" קידוד ", שיש לו" כיוון "5'-3 '.

לכל גן יש רצפי ויסות בקצותיו:

- אם הרצפים נמצאים לפני אזור הקידוד (זה שיועתק) הם ידועים כ"מקדמים "

- אם הם מופרדים על ידי קילובאזים רבים, הם יכולים להיות "השתקה" או "שיפור"

- אותם רצפים הקרובים ביותר לאזור ה- 3 'של הגנים הם בדרך כלל רצפי סיום, האומרים לפולימראז שהוא חייב להפסיק ולסיים את השעתוק (או שכפול, לפי העניין)

אזור המקדם מחולק לדיסטלי ופרוקסימלי, בהתאם לקרבתו לאזור הקידוד. זה נמצא בסוף ה 5 'של הגן והוא האתר בו אנזים האנזים פולימראז וחלבונים אחרים מכירים בכך שהוא מתחיל שעתוק מ- DNA ל- RNA.

בחלק הפרוקסימלי של אזור המקדם, גורמי התמלול יכולים להיקשר, שיש להם יכולת לשנות את זיקת האנזים לרצף שיש לתמלל, וכך הם אחראים על ויסות חיובי או שלילי של שעתוק הגנים.

האזורים המשפרים וההשתקה אחראים גם על ויסות שעתוק הגנים על ידי שינוי ה"פעילות "של אזורי המקדם על ידי קשירתם עם אלמנטים של מפעיל או מדכא" במעלה הזרם "של רצף הקידוד של הגן.

נאמר כי הגנים האוקריוטים תמיד "כבויים" או "מודחקים" כברירת מחדל, ולכן הם צריכים להיות מופעלים על ידי גורמי מקדם כדי לבוא לידי ביטוי (לתעתיק).

- מי אחראי על התמלול?

לא משנה מה האורגניזם, התעתיק מתבצע על ידי קבוצה של אנזימים הנקראים פולימראזות RNA, אשר בדומה לאנזימים האחראים על שכפול ה- DNA כאשר תא עומד להתחלק, מתמחים בסינתזה של שרשרת RNA. מאחד מגדילי ה- DNA של הגן המועתק.

פולימראזות RNA הם קומפלקסים גדולים של אנזים המורכבים מתת-יחידות רבות. ישנם סוגים שונים:

- RNA פולימראז I (Pol I): המתמללים את הגנים המקודדים לתת היחידה הריבוזומלית "הגדולה".

- RNA Polymerase II (Pol II): המתמללים את הגנים המקודדים לחלבונים ומייצרים RNA מיקרו.

- RNA Polymerase III (Pol III): המייצרים את ה- RNA העברה המשמשים בזמן התרגום וגם את ה- RNA המתאים לתת היחידה הקטנה של הריבוזום.

- RNA פולימראז IV ו- V (Pol IV ו- Pol V): אלה אופייניים לצמחים ואחראים לתעתיק של RNA קטנים המפריעים.

- מה התהליך?

תעתיק גנים אוקריוטיים (מקור: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) באמצעות Wikimedia Commons)

תעתיק גנטי הוא תהליך שניתן ללמוד אותו מחולק לשלושה שלבים: התחלה, התארכות והפסקה.

חניכה

במהלך ההתחלה אזור המקדם אזור המקדם של הגן מתפקד כאתר זיהוי לפולימראז RNA. כאן נשלטת מרבית הביטוי הגנטי

פולימראז RNA (נניח RNA פולימראז II) נקשר לרצף של אזור המקדם, המורכב ממתח זוגי של 6 עד 10 בקצה 5 'של הגן, בדרך כלל כ 35 זוגות בסיס של אתר התחלת התמלול.

האיחוד של פולימראז RNA מוביל ל"פתיחה "של הסליל הכפול של ה- DNA, המפריד בין הגדילים המשלימים. סינתזת RNA מתחילה באתר המכונה "אתר החניכה" ומתרחשת בכיוון 5'-3 ', כלומר "במורד הזרם" או משמאל לימין (על פי אמנה).

התחלת השעתוק המתווכת על ידי פולימראזות RNA תלויה בנוכחות במקביל של גורמי שעתוק חלבון המכונים גורמי שעתוק כללי, התורמים ל"מיקום "האנזים באזור המקדם.

לאחר שהאנזים התחיל לבצע פילמור הוא "נשפך" הן מרצף המקדם והן מגורמי התמלול הכלליים.

הַאֲרָכָה

במהלך התארכות, פולימראז RNA מחליק לאורך השרשרת המשמשת תבנית

זה מתרחש כאשר פולימראז RNA "נע" לאורך רצף ה- DNA ומוסיף ריבונוקליאוטידים המשלימים לחוט ה- DNA המשמש כ"תבנית "ל RNA הגדל. כאשר פולימראז RNA "עובר" דרך גדיל ה- DNA, הוא מצטרף לחוט האנטנסנס שלו.

הפילמור המתבצע על ידי פולימראז RNA מורכב מהתקפות נוקלאופיליות של חמצן במצב 3 'של שרשרת ה- RNA הגוברת ל"אלפא "הפוספט של מבשר הנוקלאוטידים הבא שיש להוסיף, עם היווצרות כתוצאה של קשרים פוספודיאסטר ושחרור של מולקולת פירופוספט (PPi).

הסט המורכב מגדיל ה- DNA, פולימראז ה- RNA וחוט ה- RNA המתהווה ידוע כבועת שעתוק או מורכבת.

סיום

כאשר פולימראז RNA מגיע לאזור הטרמינלי של הגן, ה- RNA של המסר התעתיקתי הושלם. ואז מתנתקים RNA פולימראז, גדיל DNA ו- RNA שליח

סיום מתרחש כאשר הפולימראז מגיע לרצף הסיום, הנמצא באופן לוגי "במורד הזרם" מאתר חניכת התמלול. כאשר זה קורה, גם האנזים וגם ה- RNA המסונתז "מנותקים" מרצף ה- DNA שמתעתק.

אזור הסיום מורכב בדרך כלל מרצף DNA המסוגל "להתקפל" על עצמו, ליצור מבנה מסוג "לולאת סיכת שיער".

לאחר סיום, גדיל ה- RNA המסונתז ידוע בשם התמלול העיקרי, שמשתחרר ממתחם התמלול, שלאחריו יתכן שהוא יעובד או שלא יתבצע עיבוד לאחר התמלול (לפני התרגום שלו לחלבון, אם יש) באמצעות תהליך המכונה "חיתוך ושחבור".

שעתוק בפרוקריוטות (תהליך)

מכיוון שלתאים פרוקריוטיים אין גרעין סגור קרום, התעתיק מתרחש בציטוזול, במיוחד באזור "הגרעיני", בו מרוכז DNA כרומוזומי (לחיידקים יש כרומוזום מעגלי).

באופן זה, העלייה בריכוז הציטוזולי של חלבון נתון מהירה יותר באופן משמעותי בפרוקריוטים מאשר באוקריוטות, שכן תהליכי התמלול והתרגום מתרחשים באותו תא.

- איך נראים גנים פרוקריוטים?

לאורגניזמים פרוקריוטיים יש גנים הדומים מאוד לאוקריוטים: הראשונים משתמשים גם באזורי מקדם ורגולציה לצורך תעתיקם, אם כי הבדל חשוב קשור לעובדה שאזור המקדם מספיק לעתים קרובות בכדי להשיג ביטוי "חזק" של גנים.

במובן זה, חשוב להזכיר שבאופן כללי הגנים הפרוקריוטים תמיד "מופעלים" כברירת מחדל.

אזור המקדם קשור לאזור אחר, בדרך כלל "במעלה הזרם", שמווסת על ידי מולקולות מדכא ומכונה "אזור המפעיל".

ייצוג מבנה של גן פרוקריוטי (מקור: תומאס שאפי / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) באמצעות ויקימדיה Commons)

ההבדל בתמלול בין פרוקריוטות לאוקריוטות הוא שבדרך כלל ה- RNA של המסנגרים של האוקריוטות הם מונוציסטרונים, כלומר כל אחד מהם מכיל את המידע לסינתזת חלבון בודד, ואילו בפרוקריוטים אלה יכולים להיות מונוציסטוניים או פוליסטריסטיים, שבהם רק אחד MRNA יכול להכיל את המידע לשני חלבונים או יותר.

כך, ידוע היטב כי גנים פרוקריוטיים המקודדים חלבונים עם פונקציות מטבוליות דומות, למשל, נמצאים בקבוצות המכונות אופרונים, אשר מועתקות במקביל לצורת מולקולה אחת של RNA מסנג'ר.

גנים פרוקריוטיים ארוזים בצפיפות, ללא אזורים רבים שאינם מקודדים ביניהם, ולכן לאחר שהועברו למולקולות RNA של מסנג'ר ליניארי, ניתן לתרגם אותם לחלבון באופן מיידי (mRNA eukaryotic לעיתים קרובות זקוק לעיבוד נוסף).

- כיצד פולימרז RNA פרוקריוטי?

אורגניזמים פרוקריוטים כמו חיידקים, למשל, משתמשים באותו אנזים RNA פולימראז כדי לתמלל את כל הגנים שלהם, כלומר אלה שמקודדים לתת-יחידות ריבוזומליות וכאלה שקודמים לחלבונים תאיים שונים.

בחיידקי E. coli, RNA פולימראז מורכב מחמש יחידות משנה של פוליפפטיד, שתיים מהן זהות. תת היחידות α, α, β, β 'מהוות את החלק המרכזי של האנזים ומרכיבות ומתפרקות במהלך כל אירוע שעתוק.

תת-היחידות α הן אלה המאפשרות איחוד בין ה- DNA לאנזים; יחידת המשנה β נקשרת לריבונוקליאוטידים הטריפוספטיים אשר יפורסמו על פי תבנית ה- DNA במולקולת ה- mRNA המתהווה, ויחידת ה- β 'נקשרת לחוט ה- DNA של התבנית.

יחידת המשנה החמישית, המכונה σ משתתפת בהתחלת התעתיק והיא זו שמעניקה ספציפיות לפולימראז.

- מה התהליך?

שעתוק בפרוקריוטות דומה מאוד לזה של איקריוטות (הוא מחולק גם ליזום, התארכות והפסקה), עם כמה הבדלים בזהות אזורי המקדם ובגורמי התמלול הנחוצים לפולימראז RNA. לממש את תפקידיהם.

למרות שאזורי המקדם יכולים להשתנות בין מינים פרוקריוטים שונים, ישנם שני רצפי "קונצנזוס" שמורים שניתן לזהות בקלות באזור -10 (TATAAT) ובאזור -35 (TTGACA) במעלה הזרם של רצף הקידוד.

חניכה

זה תלוי בתת היחידה σ של פולימראז RNA, מכיוון שהוא מתווך את האינטראקציה בין ה- DNA לאנזים, מה שהופך אותו למסוגל לזהות רצפי מקדם. החניכה מסתיימת כאשר מיוצרים כמה תמלילי הפלה של כעשרה נוקלאוטידים שמשתחררים.

הַאֲרָכָה

כאשר תת-היחידה σ מנותקת מהאנזים, מתחיל שלב ההתארכות, המורכב מסינתזה של מולקולת mRNA בכיוון 5'-3 '(כ- 40 נוקלאוטידים בשנייה).

סיום

סיום בפרוקריוטות תלוי בשני סוגים שונים של אותות, זה יכול להיות תלוי Rho ועצמאי Rho.

החלבון התלוי ב- Rho נשלט על ידי חלבון זה ש"עקוב אחר "הפולימראז כשהוא מתקדם בסינתזת RNA עד שהאחרון משיג רצף עשיר בגואנינים (G), נעצר ובא במגע עם חלבון ה- Rho. מתנתק מ- DNA ו- mRNA.

סיום עצמאי של Rho נשלט על ידי רצפים ספציפיים של הגן, העשיר בדרך כלל חוזר על גוונין-ציטוזין (GC).

הפניות

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2007). ביולוגיה מולקולרית של התא. גרלנד מדע. ניו יורק, 1392.
2. גריפית'ס, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). מבוא לניתוח גנטי. מקמילן.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של התא. מקמילן.
4. נלסון, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). עקרונות הלינגר של הביוכימיה. מקמילן.
5. רוזנברג, LE, ורוזנברג, DD (2012). גנים אנושיים וגנים: מדע. בריאות, חברה, 317-338.
6. Shafee, T., & Lowe, R. (2017). מבנה גנים אוקריוטי ופרוקריוטי. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. אנימציות של McGraw-Hill, youtube.com. תעתיק DNA ותרגום.