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DNA,RNA和蛋白質的合成

遺傳物質被存儲在DNA的形式在大多數生物體。在人類中,每個細胞的核中含有3×10 9分布在23對染色體的DNA的堿基對,並且每個單元具有遺傳物質的兩個副本。此統稱爲人類基因組。人類基因組包含大約30萬個基因,其中每一個編碼一種蛋白質。

在人类基因组中的DNA的大片被轉錄,但不为蛋白质编码。這些區域被稱爲內含子,彌補約95%的基因組。人類基因組的堿基序列,現在已知的精度的一個合理程度,但我們還不知道爲什麽如此的它是非編碼。一些本非編碼DNA的控制基因表達,但有多少它的目的尚不清楚。這是一個引人入勝的主題是一定要在未來幾年內迅速推進。

分子生物學中心法則指出,DNA使RNA生成蛋白質圖1)。

分子生物學中心法則:DNA使RNA生成蛋白質

圖1 | 分子生物學中心法則:DNA使RNA生成蛋白質

由其中DNA複制的RNA的过程称为轉錄,並通過其中的RNA被用于産生蛋白質被稱爲翻譯

DNA複制

每次細胞分裂,各DNA的其雙鏈的分裂成兩個單鏈。每個單鏈充當互補DNA的新鏈的模板。其結果是,每一個新的小區都有它自己的完整基因組。這個過程被稱爲DNA複制複制是通過在模板鏈與進入脫氧核苷三磷酸的堿的沃森-克裏克配對控制,並通過DNA聚合酶定向。它是一個複雜的過程,特別是在真核細胞中,涉及的酶的陣列。細菌DNA的複制的簡化版本中描述如圖2

在细菌DNA複制

圖2 | 细菌DNA複制简化DNA複制的代表性细菌。

DNA生物合成的收益在5'至3'的方向。這使得無法進行DNA聚合酶同時合成兩條鏈。雙螺旋的一部分,必須先放松,這是由導解旋酶。

前導鏈連續地合成,但相反鏈被複制在約1000個堿基的短脈沖串,作爲隨鏈模板變得可用。由此産生的短鏈稱爲岡崎片段(他們的發現者,禮治和岡崎Tsuneko後)。細菌至少有三個不同的DNA聚合酶:POL我,聚合酶II和聚合酶III; 這是波爾三是主要參與鏈的延伸。奇怪的是,DNA聚合酶不能啓動DNA合成從頭,但需要用無3'-羟基的短引物。這在由RNA聚合酶(稱爲DNA的引物酶),其能夠在長使用DNA模板和合成一小段RNA的約20個堿基後隨鏈産生。然後聚合酶III可以接管,但最終遭遇在其路徑前面合成的短RNA片段中的一個。此時聚合酶I接管,利用其5'-至3'-外切酶活性消化RNA和填充DNA中的間隙,直到達到的DNA的連續拉伸。這使得新合成的DNA的3'端和先前由聚合酶III合成的DNA的5'-末端之間的間隙。該間隙是通過DNA連接酶,使一個5'-磷酸和3'-羟基(間的共價鍵的酶填充的圖3)。DNA複制在先导链起始更为复杂和详细更专门的文本进行了讨论。

在DNA複制的DNA聚合酶

圖3 | DNA複制DNA聚合酶DNA聚合酶的DNA複制细菌的作用简化表示。

DNA複制错误

DNA複制是不完美的。错误发生在DNA複制,当不正确的碱基掺入生长的DNA鏈。這導致不匹配的堿基對,或錯配DNA聚合酶有校對活性,和一個DNA修複酶已經進化糾正這些錯誤。偶尔,錯配存活并掺入到基因组中的下一个轮的复制。這些突變可具有沒有結果,它們可能會導致生物體的死亡,它們可能會導致遺傳性疾病或癌症; 或者他們可以給機體帶來競爭優勢在其鄰國,它通過自然選擇導致進化。

轉錄

轉錄是DNA拷贝(处理轉錄)與mRNA,其承載所需蛋白質的合成的信息。轉錄发生在两大步骤的地方。首先,前信使RNA的形成,與RNA聚合酶的酶的參與。該過程依賴于Watson-Crick堿基配對,和RNA的合成單鏈是原始DNA序列的反向互補。信使预RNA,然后“编辑”,以产生在這個過程被稱爲所需的mRNA分子RNA剪接

信使預RNA形成

轉錄的机制具有这样的平行DNA複制作为与DNA複制,必须轉錄之前发生的双螺旋的部分退绕可以发生,而且是RNA聚合酶的酶催化这一过程。

不像DNA複制,其中两条链被复制,仅一条链被轉錄。包含基因的鏈被稱爲鏈,而互補鏈是反義鏈。在轉錄产生的mRNA是有义链的拷贝,但它是被轉錄的反義鏈。

核糖核苷三磷酸(国家结核病防治规划)沿反義DNA链调整,与Watson-Crick碱基配对(带U A对)。RNA聚合酶加入核糖在一起形成前体信使RNA分子是反義DNA链的一个区域互补。当RNA聚合酶到达基地三重被读作“停止”信号轉錄结束。該DNA分子重新風重新形成雙螺旋。

轉錄

圖4 | 轉錄从双链DNA(蓝色)中的轉錄形成的前体信使核糖核酸(橙色)的简化表示。

RNA剪接

这样形成的前信使RNA的包含未所需蛋白质的合成內含子。信使预RNA被切碎以除去內含子,并在這個過程被稱爲RNA剪接创建信使RNA(mRNA)(圖5)。

RNA剪接

圖5 | RNA剪接內含子被从前信使RNA,得到信使RNA(mRNA)剪接。

選擇性剪接

在選擇性剪接,个别外显子或剪接或包括,产生多个不同的可能的mRNA产物。對于不同的蛋白質同種型的每個mRNA産物碼; 這些蛋白亞型在其肽序列中,因此它們的生物活性不同。据估计,人基因产物高达60%经历選擇性剪接。可變剪接的幾種不同的機制是已知的,其中兩個在示出圖6中

選擇性剪接

圖6 | 選擇性剪接選擇性剪接的几种不同的机制存在-的盒外显子既可以包含在或从最终的RNA(顶部)排除在外,或两个盒外显子可以是互斥的(底部)。

選擇性剪接有助于蛋白质多样性 - 一个单一的基因轉錄(RNA),可以有上千种不同的拼接图案,所以会为成千上万的不同蛋白质的代码:从一个相对有限的基因组产生多样化的蛋白质组。拼接是在遺傳調節(響應于細胞條件的剪接模式的改變改變蛋白質表達)重要。這也許並不奇怪,不正常的剪接模式可能導致疾病,包括癌症。

逆轉錄

在反轉錄,RNA被“反轉錄”到的DNA。这个过程中,用逆轉錄酶催化的,允许逆轉錄病毒,包括人类免疫缺陷病毒(HIV),为使用RNA作为遗传物质。逆轉錄酶人还发现在生物技术的应用,使科学家能够RNA转变成DNA为技术如PCR

翻譯

形成轉錄mRNA的运出细胞核,进入细胞质,核糖体(细胞的蛋白質合成工厂)。這裏,它指導蛋白質的合成。信使RNA不直接参与蛋白质的合成-轉運RNA(tRNA的)需要这一点。通過該mRNA的指導蛋白質合成與tRNA的協助下,對過程稱爲翻譯

核糖體是RNA和蛋白質分子的一個非常大的複合物。的mRNA(三重峰)的各三堿基拉伸被稱爲一個密碼子,和一个密碼子包含特定氨基酸的信息。作为mRNA的穿过核糖体,每个密碼子与交互反密碼通過Watson-Crick堿基配對的特定轉移RNA(tRNA的)分子。此的tRNA分子攜帶在其3'末端,其被結合到生長的蛋白質鏈的氨基酸。tRNA的然後從核糖體排出。圖7示出了參與蛋白質合成的步驟。

翻譯

圖7 | 翻譯(一)和(b)的tRNA分子結合到核糖體的兩個結合位點,並通過氫鍵與mRNA; (c)該兩個氨基酸之間的肽鍵的形式,使二肽,而tRNA的分子是左不帶電荷的; (d)该不带电荷的tRNA分子离开核糖体,而核糖体移动一个密碼子在正确的(二肽是由一个结合位点易位到其他); (五)其他的tRNA分子結合; (六)在兩個氨基酸之間的肽鍵的形式使三肽;(七)不帶電荷的tRNA分子離開核糖體。

轉移RNA

的tRNA的二维结构(轉運RNA)

圖8 | 的tRNA(轉運RNA)的二维结构。在一些的tRNA的DHU臂只有三個堿基對。

每種氨基酸都有其特殊的tRNA(或一組的tRNA)。例如,所述的tRNA爲苯丙氨酸(tRNAPhe)是從不同的組氨酸(tRNAHis)。各氨基酸通過3'-OH基團連接到其的tRNA以形成與α氨基生長蛋白鏈的末端氨基酸的反應的酯,以形成蛋白質中一個新的酰胺鍵(肽鍵)合成(圖9)。酯與胺的反應通常是有利的,但反應速度在核糖體大大增加。

蛋白質合成

圖9 | 蛋白質合成與帶電的tRNA的3'末端的生長的多肽鏈的反應。的氨基酸是從的tRNA分子到蛋白質轉移。

每个轉移RNA分子具有被酶氨酰基tRNA合成酶,它增加了正确的氨基酸的不带电荷的tRNA的3'端识别的良好定义的三级结构。修飾的核苷的存在是在穩定的tRNA結構重要。一些這些修改的示于圖10

在tRNA的修饰碱基

圖10 | 在tRNA的修飾的堿基的一些發現的tRNA的修飾堿基的結構。

遺傳密碼

遺傳密碼几乎是普遍的。它是由核酸在所有生物體的遺傳信息傳遞的基礎。有在RNA(A,G,C和U)四種堿基,所以有64種可能的三聯碼(4 3 = 64)。理论上仅需要22码:每个20种天然存在的氨基酸,增加一个起始密碼子和终止密碼子(以指示蛋白质序列的开始和结束)。許多氨基酸具有幾個碼(簡並性),因此,使用所有64種可能的三聯體編碼。例如精氨酸和服务各有6个密碼子,而色氨酸和蛋氨酸只有一个。没有两个氨基酸具有相同的代码,但氨基酸的侧链具有相似的物理或化学性质往往有相似的密碼子的序列,例如苯丙氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,缬氨酸都是疏水性的,和Asp和Glu的侧链两个羧酸(参见圖11)。这意味着,如果在翻譯过程中选择了不正确的tRNA(在密碼子反密碼接口由于单一碱的錯配)的misincorporated氨基酸可能具有类似的性质,以预定的tRNA分子。雖然所得到的蛋白質將具有一個不正確的氨基酸它代表的是功能性的可能性高。生物显示“密碼子偏好”,并使用特定的密碼子的特定氨基酸比别人多。例如,在人类中的密碼子使用是与在细菌不同; 它有時可能難以在細菌中表達人蛋白因爲相關的tRNA可能存在在太低的濃度。

遗传代码 - 三重为20个氨基酸的密碼子分配。 以及编码蛋氨酸,AUG被用作起始密碼子,起始蛋白质的生物合成

圖11 | 遗传代码-三重密碼子分配为20个氨基酸。以及编码蛋氨酸,AUG被用作起始密碼子,起始蛋白质的生物合成

在使用遺傳密碼的一个运动

基因組DNA(鏈A,編碼鏈)的一條鏈包含下列序列讀取從5'到3':

TCGT

這股將形成以下複式:

5'-TCGTA-3' 
3'-AGCAT-5'

因此在DNA(鏈B)的寫入5'-至3'-另一條鏈堿基序列是

TCGAG

基地的mRNA从书面到5'3'的DNA链轉錄的序列

UCGAG

由上述的mRNA編碼的氨基酸序列是

丝氨酸 - 丝氨酸 - 丝氨酸 - 精氨酸 - 停止

然而,如果DNA鏈B是編碼鏈mRNA序列將是:

UCG

和氨基酸序列將是:

丝氨酸 - 丝氨酸 - 苏氨酸 - 精氨酸 - 丝氨酸 - 丝氨酸 - 甘氨酸 - 半胱氨酸 - 丝氨酸

擺動假說

所有特定氨基酸可用密碼子的靠近检查发现的变化是在第三位置最大(例如,丙氨酸的密碼子是GCU,GCC,GCA和GCG)。克里克和布伦纳提出单一的tRNA分子可以识别与在由于非Watson-Crick碱基对的形成与在密碼子反密碼相互作用第三基3'-端不同碱基的密碼子。這些非標准堿基對是由形狀不同·U和·G·C和術語擺動假說表明有一定程度的柔性或“擺動”是允許在核糖體這個位置。不是所有的組合都是可能的; 的“允許”的配對的例子示于圖12

擺動堿基對的結構中發現的RNA

圖12 | 擺動堿基對的結構中發現的RNA

DNA堿基,以形成擺動堿基對以及Watson-Crick堿基對的能力可導致碱基对錯配的DNA複制过程中发生的。如果不被修複的DNA修複酶,这些錯配可导致遗传性疾病和癌症。

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