Nucleic Acid Sintesis

Majelis memerintahkan deoksiribonukleotida menjadi DNA dan ribonucleotides ke RNA melibatkan mekanisme seluler agak sederhana dari perakitan yang benar dari asam amino dalam protein rantai. Di sini kita mempertimbangkan prinsip-prinsip umum beberapa yang mengatur pembentukan rantai polinukleotida dalam sel dan membahas secara singkat beberapa sifat dari enzim yang melakukan sintesis tersebut. Kami juga menjelaskan langkah-langkah dalam produksi mRNA dan meneliti bagaimana dan mengapa proses ini berbeda pada bakteri dan eukariota . Kemudian bab mencakup mekanisme replikasi DNA dan kontrol selama pertumbuhan sel dan pembelahan, dan mekanisme dan kontrol sintesis mRNA spesifik selama diferensiasi (Bab 10 dan 12).

Go to:

Baik DNA dan RNA Chains Apakah Diproduksi oleh Menyalin DNA Template Strands

The pasangan reguler basis dalam heliks ganda DNA struktur yang diusulkan untuk Watson dan Crick mekanisme sintesis DNA.Proposal mereka bahwa untai baru DNA disintesis dengan menyalin untai DNA orangtua telah terbukti benar.

The DNA untai yang disalin untuk membentuk untai baru disebut Template . Informasi dalam template yang diawetkan: meskipun salinan pertama memiliki komplementer urutan, tidak satu identik, salinan copy menghasilkan asli (template) urutan lagi. Dalam replikasi dari molekul DNA untai ganda, atau duplex, baik asli (orangtua) untai DNA yang dapat disalin. Setelah penyalinan selesai, dua kopel baru, masing-masing terdiri dari salah satu dari dua helai asli ditambah salinannya, terpisah dari satu sama lain. Dalam beberapa virus, beruntai tunggal RNA molekul berfungsi sebagai template untuk sintesis RNA atau DNA rantai komplementer (Bab 7). Namun, sebagian besar RNA dan DNA dalam sel disintesis dari DNA yang sudah ada sebelumnya duplex.

Go to:

Nucleic Acid Strands Tumbuh di 5 '→ 3' Direction

Semua RNA dan DNA sintesis, baik seluler dan virus, hasil dalam arah kimia yang sama: dari 5 '(fosfat) mengakhiri 3' (hidroksil) akhir (lihat Gambar 4-13 ). Nucleic acid rantai yang dirakit dari 5 'trifosfat dari ribonucleosides atau deoxyribonucleosides.Pertumbuhan Strand adalah penuh semangat menguntungkan tetapi didorong oleh energi yang tersedia di trifosfat. The α fosfat dari masuk nukleotida menempel pada 3 'hidroksil dari ribosa (atau deoksiribosa) dari residu sebelumnya untuk membentuk ikatan fosfodiester , merilis sebuah pirofosfat (PP i). Keseimbangan reaksi didorong lebih lanjut terhadap rantai perpanjangan oleh pyrophosphatase, yang mengkatalisis pembelahan PP i menjadi dua molekul fosfat anorganik (lihat Tabel 2-7 ).

Go to:

RNA Polymerase Bisa Memulai Strand Pertumbuhan tapi DNA Polimerase Tidak bisa

Enzim yang menyalin (meniru) DNA untuk membuat lebih banyak DNA polimerase DNA , mereka yang menyalin (menuliskan) DNA untuk membentuk RNA adalah RNA polimerase . Karena dua untai DNA yang komplementer , bukan identik, transkripsi dari segmen DNA tertentu secara teoritis dapat menghasilkan dua mRNA dengan urutan yang berbeda dan karenanya berbeda protein -coding potensi. Umumnya, hanya satu untai dari duplex dalam segmen DNA tertentu menimbulkan informasi yang dapat digunakan ketika ditranskripsi menjadi mRNA. Dalam kasus yang tidak biasa, meskipun, bagian dari protein encode DNA pada kedua untai terbatas.

Sebuah polimerase RNA dapat menemukan situs inisiasi yang sesuai pada duplex DNA , mengikat DNA, sementara "meleleh", atau terpisah, dua helai di daerah itu, dan mulai menghasilkan RNA untai baru ( Gambar 4-15 ). Sebagaimana dibahas dalam Bab 10, lokasi dan penggunaan diatur dari transkripsi mulai situs untuk menghasilkan mRNA membutuhkan banyak puluhan protein dalam eukariota dan beberapa protein bahkan pada bakteri. The nukleotida pada ujung 5 'ujung untai RNA tumbuh secara kimiawi berbeda dari nukleotida dalam untai dalam hal mempertahankan semua tiga gugus fosfat. Ketika sebuah nukleotida tambahan ditambahkan ke ujung 3 'dari untai tumbuh, hanya α-fosfat dipertahankan, sedangkan β dan γ fosfat hilang sebagai pirofosfat, yang kemudian dihidrolisis untuk menghasilkan 2 molekul fosfat anorganik.

Gambar 4-15

Transkripsi DNA menjadi RNA dikatalisis oleh RNA polimerase, yang dapat memulai sintesis untai de novo pada DNA template. Nukleotida pada ujung 5 'dari RNA (more. ..)

Tidak seperti RNA polimerase, DNA polimerase tidak dapat memulai rantai sintesis de novo, melainkan, mereka memerlukan pendek, sudah ada sebelumnya atau RNA untai DNA, yang disebut primer , untuk memulai pertumbuhan rantai. Dengan primerbasis -dipasangkan ke template yang strand, sebuah polimerase DNA menambahkan nukleotida ke gugus hidroksil bebas pada ujung 3 'dari primer:

Jika RNA adalah primer , yang polynucleotide disalin dari Template adalah RNA di ujung 5 'dan DNA pada ujung 3 '.

Kedua sel prokariotik dan eukariotik memiliki beberapa jenis DNA polimerase. Beberapa polimerase berpartisipasi dalam membuat DNA baru untuk mempersiapkan pembelahan sel ; polimerase lainnya melayani dalam perbaikan dan rekombinasi molekul DNA.Struktur, mekanisme, dan peran fisiologis enzim ini dijelaskan dalam Bab 12.

Go to:

Replikasi DNA Duplex Membutuhkan Majelis Banyak Protein pada Fork Tumbuh

Karena duplex DNA terdiri dari dua helai terjalin, dengan basis menyalin-sepasang setiap untai membutuhkan unwinding dari duplex asli, yang dilakukan dengan spesifik "unwinding protein" disebut helicases . Seperti disebutkan sebelumnya, unwinding lokal DNA duplex menghasilkan stres torsional, yang mengarah ke pembentukan superkoil, yang dihapus oleh topoisomerase.Tindakan dari semua protein ini menghasilkan sebuah bergerak, wilayah yang sangat khusus dari DNA yang disebut garpu berkembang , di mana DNA polimerase melakukan nukleotida tambahan. Agar DNA

polimerase bergerak sepanjang dan menyalin DNA duplex, helikase berurutan harus bersantai dupleks dan topoisomerase harus menghapus superkoil yang membentuk.

DNA replikasi dimulai dengan penciptaan garpu tumbuh oleh protein atau protein yang memiliki helikase aktivitas dan bersantai bagian pendek DNA orangtua. Sebuah khusus RNA polimerase kemudian membentuk primer RNA pendek komplementer untuk dibatalkan Template helai. Setiap seperti primer , masih terikat untai DNA komplementer, kemudian memanjang oleh polimerase DNA , sehingga membentuk putri untai baru. Salah satu komplikasi utama terakhir dalam operasi tumbuh garpu DNA adalah bahwa meskipun dua untai dari duplex orangtua yang antiparalel, nukleosida-pasang dapat ditambahkan ke alur baru yang tumbuh hanya dalam 5 '→ 3' arah. Seperti digambarkan di Gambar 4-16 , sintesis dari satu putri untai, yang disebut untai terkemuka , hasil terus menerus dari primer RNA tunggal dalam 5 '→ 3' arah, arah yang sama dengan gerakan garpu tumbuh. Karena pertumbuhan lainnya putri untai, yang disebut untai tertinggal , juga harus terjadi pada 5 '→ 3' arah, menyalin template untai entah bagaimana harus terjadi dalam arah yang berlawanan dari pergerakan garpu tumbuh. Sebuah sel menyelesaikan prestasi ini dengan memproduksi tambahan primer RNA pendek setiap 1000 basis atau seterusnya untai orangtua kedua, karena lebih dari untai terkena oleh unwinding. Masing-masing primer ini, dasar -dipasangkan ke untai template mereka, yang memanjang di 5 '→ 3' arah, membentuk segmen terputus disebut fragmen Okazaki setelah penemunya mereka Reiji Okazaki. RNA primer dari setiap fragmen Okazaki akan dihapus dan digantikan oleh pertumbuhan rantai DNA dari tetangga Okazaki fragmen, akhirnya sebuah enzim yang disebut DNA ligase bergabung dengan fragmen yang berdekatan. Setidaknya 30 protein berpartisipasi dalam pembentukan dan pengoperasian tumbuh garpu DNA, ini mesin DNA-replikasi dibahas secara rinci dalam Bab 12.

Gambar 4-16

Skema diagram replikasi DNA pada garpu tumbuh. Nukleotida ditambahkan oleh polimerase DNA untuk masing-masing untai putri dalam 5 '→ 3' arah (ditandai dengan panah). (more. ..)

Go to:

Organisasi Gen dalam DNA berbeda dalam Prokariota dan Eukariota

Setelah menguraikan prinsip-prinsip yang mengatur perakitan bertahap dari polynucleotides, sekarang kita fokus sebentar pada pengaturan skala besar informasi dalam DNA dan bagaimana pengaturan ini menentukan persyaratan untuk RNA pembuatan sehingga informasi transfer berjalan lancar. Definisi paling sederhana dari sebuah gen adalah "unit DNA yang berisi informasi untuk menentukan sintesis tunggal polipeptida rantai. "Jumlah gen dalam sel bervariasi, dengan sel prokariotik non-bernukleus sederhana memiliki gen jauh lebih sedikit daripada sel eukariotik . Sebagian besar gen membawa informasi untuk membangun proteinmolekul, dan itu adalah salinan RNA dari protein-coding seperti gen yang merupakan molekul mRNA dari sel. Dalam beberapa tahun terakhir, seluruh urutan DNA genom beberapa organisme telah ditentukan, memberikan bukti langsung untuk perbedaan besar dalam protein-coding kapasitas mereka (Bab 7).

Pengaturan yang paling umum dari protein -coding gen di semua prokariota memiliki logika yang kuat dan menarik: gen yang ditujukan untuk tujuan metabolik tunggal, misalnya, sintesis asam amino triptofan, yang paling sering ditemukan dalam array bersebelahan dalam DNA . Ini gen rangka memungkinkan untuk menghasilkan untai terus menerus mRNA yang membawa pesan untuk serangkaian terkait enzim dikhususkan untuk membuat triptofan ( Gambar 4-17a ). Setiap bagian dari

mRNA merupakan unit (atau gen) yang menginstruksikan aparat sintesis protein untuk membuat protein tertentu. Pengaturan seperti gen dalam kelompok fungsional disebut operon , karena beroperasi sebagai unit dari satu transkripsi awal situs. Dalam DNA prokariotik gen yang dikemas erat dengan sangat sedikit kesenjangan noncoding, dan DNA ditranskripsi langsung ke mRNA colinear, yang kemudian diterjemahkan menjadi protein, bahkan ketika membentang dari mRNA lebih dekat ke ujung 3 'masih sedang diproduksi.

Gambar 4-17

Perbandingan organisasi gen, transkripsi, dan translasi pada prokariot dan eukariot. (A) triptofan (trp) operon adalah segmen terus menerus dari E. coli kromosom, yang mengandung (more. ..)

Pengelompokan ekonomi ini gen dikhususkan untuk fungsi metabolisme tunggal tidak terjadi pada eukariota , bahkan yang sederhana seperti ragi yang dapat metabolik mirip dengan bakteri. Sebaliknya, gen eukariotik, bahkan mereka dikhususkan untuk jalur tunggal, paling sering secara fisik dipisahkan dalam DNA , bahkan kadang-kadang yang terletak pada kromosom yang berbeda. Setiap gen ditranskripsi dari sendiri mulai situs, menghasilkan satu mRNA, yang umumnya diterjemahkan untuk menghasilkan satu protein ( Gambar 4-17b ). Selain itu, ketika peneliti pertama kali membandingkan nukleotida urutan mRNA eukariotik dengan DNA encoding mereka, mereka terkejut menemukan bahwa urutan penyandi protein terganggu dari mRNA yang diberikan rusak (terputus) dalam bagian yang sesuai dari DNA. Mereka menyimpulkan bahwa gen eukariotik ada di potongan coding urutan, ekson, dipisahkan oleh protein-coding non-segmen, intron. Temuan yang mengejutkan ini, pertama kali ditemukan pada virus yang menginfeksi sel-sel eukariotik, tersirat bahwa selama awal RNA copy, disebut dengan transkrip primer , urutan DNA seluruh disalin, harus dipotong terpisah untuk menghapus intron dan kemudian dengan hati-hati dijahit kembali bersama-sama untuk menghasilkan banyak mRNA sel eukariotik.

Go to:

Eukariotik Transkrip RNA primer Apakah Diproses untuk mRNA Bentuk Fungsional

Pada sel prokariotik, yang tidak memiliki inti, terjemahan dari mRNA menjadi protein dapat mulai dari ujung 5 'dari mRNA bahkan ketika ujung 3' masih sedang disalin dari DNA . Dengan demikian, transkripsi dan translasi dapat terjadi secara bersamaan. Pada sel eukariotik, bagaimanapun, tidak hanya merupakan inti dipisahkan dari sitoplasma di mana sintesis protein terjadi, tetapi primerRNA transkrip dari protein-coding gen harus menjalani beberapa modifikasi, secara kolektif disebut pengolahan RNA , yang menghasilkan mRNA fungsional. MRNA ini kemudian harus dibawa ke sitoplasma sebelum dapat diterjemahkan ke dalam protein.Dengan demikian, transkripsi dan translasi tidak dapat terjadi secara bersamaan dalam sel eukariotik.

Langkah-langkah awal dalam pengolahan semua primer eukariotik RNA transkrip terjadi pada kedua ujung, dan modifikasi ini disimpan dalam mRNA. Untuk inisiasi (5 ') nukleotida dari transkrip primer ditambahkan 5 'cap, yang dapat berfungsi untuk melindungi mRNA dari degradasi enzimatik ( Gambar 4-18 ). Modifikasi ini terjadi sebelum transkripsi selesai, sehingga tutup 5 'hadir dalam transkrip primer. Pengolahan pada ujung 3 'dari transkrip primer melibatkan pembelahan oleh endonuklease untuk menghasilkan gugus 3'-hidroksil bebas yang string adenylic asam residu

ditambahkan oleh enzim yang disebut poli (A) polimerase.poli yang dihasilkan (A) ekor berisi 100-250 basis, menjadi lebih pendek dalam ragi dan invertebrata dibandingkan vertebrata. Poli (A) polimerase merupakan bagian dari kompleks protein yang menambahkan poli (A) ekor. Kompleks ini tidak memerlukantemplate yang dan dapat menentukan jumlah yang benar residu A untuk menambahkan pada setiap spesies.

Gambar 4-18

Struktur 5 'cap alkohol mRNA eukariotik. Fitur kimia membedakan adalah 5 '→ 5' linkage dari 7-methylguanylate ke (more. ..)

Langkah terakhir dalam pengolahan banyak molekul mRNA eukariotik berbeda adalah splicing: pembelahan internal RNA transkripuntuk cukai intron, diikuti dengan ligasi ekson coding. Banyak mRNA eukariotik juga mengandung daerah noncoding di setiap akhir, ini disebut sebagai 5 'dan 3' daerah belum diterjemahkan (UTRs). Gambar 4-19 merangkum langkah-langkah dasar dalampemrosesan RNA . Kami memeriksa mesin seluler untuk melaksanakan pengolahan mRNA, serta tRNA dan rRNA, dalam Bab 11.

Gambar 4-19

Sekilas pengolahan RNA pada eukariota menggunakan gen β-globin sebagai contoh.Gen β-globin mengandung tiga protein-coding ekson (merah) dan dua intervensi intron noncoding (more. ..)

Go to:

RINGKASAN

Transfer informasi dari gen ke protein dibantu oleh protein yang berpartisipasi dalam sintesis DNA dan RNA .

Polinukleotida dan polipeptida rantai dirakit dari sejumlah monomer unit yang ditambahkan satu per satu, dimulai pada akhir 5 'asam nukleat dan ujung amino-terminal protein (lihat Gambar 4-13 ). Dalam kedua kasus, produk polimer awal umumnya diubah dengan cara tertentu untuk menghasilkan sebuah molekul fungsional.

Sebuah rantai polinukleotida disintesis dengan menyalin dari komplementer Template untai (biasanya DNA ). Dalam proses ini, DNA dupleks dibatalkan secara lokal, mengungkapkan

template untai berpasangan, dan nukleotida yang ditambahkan ke akhir 3'-hidroksil dari untai tumbuh RNA atau DNA polimerase .

RNA polymerase  dapat memulai transkripsi dari DNA ke RNA dengan mengikat tertentu start situs dan unwinding dupleks. Sebagai enzim bergerak sepanjang DNA, itu unwinds segmen berurutan DNA dan menambahkan nukleotida untuk untai RNA berkembang (lihat Gambar 4-15 ). Umumnya, hanya satu untai DNA dalam satu lokus ditranskripsi menjadi RNA.

Replikasi DNA membutuhkan bantuan helikase untuk bersantai duplex, topoisomerase untuk menghapus superkoil, dan khusus RNA polimerase untuk membentuk primer RNA karena DNA polimerase tidak dapat memulai rantai. Selain nukleotida pada garpu tumbuh , daerah yang bergerak pemisahan untai yang dihasilkan oleh unwinding berurutan dupleks, dikatalisis oleh satu jenis DNA polimerase.

Selama DNA replikasi, dua untai putri baru dirakit agak berbeda karena DNA polimerase dapat menambahkan nukleotida hanya dalam 5 '→ 3' arah (lihat Gambar 4-16 ). Satu untai baru, untai terkemuka , yang memanjang terus menerus dari satu primer . Untai baru lain, untai tertinggal , disintesis terputus-putus sebagai rangkaian segmen pendek, yang disebutfragmen Okazaki , dimulai dari beberapa RNA primer. Setelah penghapusan primer intervensi, fragmen Okazaki yang berdekatan bergabung dengan DNA ligase .

Pada prokariotik DNA , terkait protein -coding gen ini terkelompok ke dalam wilayah fungsional, sebuah operon , yang ditranskripsi dari satu awal situs menjadi satu mRNA encoding beberapa protein (lihat Gambar 4-17a ). Terjemahan dari mRNA dapat dimulai sebelum sintesis mRNA selesai.

Dalam eukariotik DNA , setiap protein -coding gen ditranskripsi dari sendiri mulai situs, dan sangat sering coding daerah (ekson) dipisahkan oleh daerah noncoding (intron). Primer RNA transkrip yang dihasilkan dari gen tersebut harus menjalani pengolahan untuk menghasilkan mRNA fungsional. Selama pengolahan, ujung semua transkrip primer dimodifikasi dengan penambahan 'topi dan 3' 5 poly (A) tail, banyak transkrip juga menjalani splicing - penghapusan intron dan bergabung dari ekson (lihat Gambar 4-19 ).

Dengan kesepakatan dengan penerbit, buku ini dapat diakses dengan fitur pencarian, tetapi tidak dapat diakses.

Copyright © 2000, WH Freeman and Company.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books