Genetik & Evolution

Vererbung - Expression des genetischen Codes: Transkription und Übersetzung

Ausdruck der genetischer Code :Transkription undÜbersetzung

DNA stellt eine Art von Information dar, die für die Form und Gestalt eines Organismus von entscheidender Bedeutung ist. Es enthält Anweisungen in einer codierten Sequenz von Nukleotiden, und diese Sequenz interagiert mit der Umgebung , um Form zu erzeugen - den lebenden Organismus mit all seinen komplexen Strukturen und Funktionen. Die Form eines Organismus wird weitgehend bestimmt durchProtein . Ein großer Teil dessen, was wir sehen, wenn wir die verschiedenen Teile eines Organismus beobachten, ist Protein; Zum Beispiel bestehen Haare , Muskeln und Haut größtenteils aus Protein. Andere chemische Verbindungen , aus denen der menschliche Körper besteht , wie Kohlenhydrate, Fette und komplexere Chemikalien, werden entweder durch katalytische Proteine ​​(Enzyme) synthetisiert oder zu bestimmten Zeiten und in bestimmten Geweben unter dem Einfluss von Proteinen abgelagert. Zum Beispiel das schwarzbraune Hautpigment Melaninwird durch Enzyme synthetisiert und in speziellen Hautzellen, sogenannten Melanozyten, abgelagert. Gene üben ihre Wirkung hauptsächlich aus, indem sie die Struktur und Funktion der vielen tausend verschiedenen Proteine ​​bestimmen, die wiederum die Eigenschaften eines Organismus bestimmen. Im Allgemeinen ist es richtig zu sagen, dass jedes Protein von einem Gen codiert wird , wobei zu berücksichtigen ist, dass die Produktion einiger Proteine ​​die Zusammenarbeit mehrerer Gene erfordert.

Proteine ​​sind polymere Moleküle; Das heißt, sie bestehen aus Ketten monomerer Elemente, ebenso wie DNA. In Proteinen sind die MonomereAminosäuren . Organismen enthalten im Allgemeinen 20 verschiedene Arten von Aminosäuren, und die Unterscheidungsfaktoren, die ein Protein von einem anderen unterscheiden, sind seine Länge und spezifische Aminosäuresequenz , die durch die Anzahl und Sequenz von Nukleotidpaaren in der DNA bestimmt werden. Mit anderen Worten, es gibt eine Kolinearität (dh eine parallele Struktur) zwischen dem Polymer , das DNA ist, und dem Polymer, das Protein ist.

Daher fließt genetische Information von der DNA in das Protein. Dies ist jedoch kein einstufiger Prozess. Zuerst dieDie Nukleotidsequenz der DNA wird in einem als Transkription bezeichneten Prozess in die Nukleotidsequenz der einzelsträngigen RNA kopiert. Die Transkription eines Gens findet an der chromosomalen Stelle dieses Gens statt. Während die Replikationseinheit ein ganzes Chromosom ist , ist die Transkriptionseinheit ein relativ kurzes Segment des Chromosoms, des Gens. Die aktive Transkription eines Gens hängt von der Notwendigkeit der Aktivität dieses bestimmten Gens in einem bestimmten Gewebe oder zu einem bestimmten Zeitpunkt ab.

Die Nukleotidsequenz in der RNA spiegelt genau die der DNA wider, von der sie transkribiert wurde. DasUracil in RNA hat genau die gleichen Wasserstoffbindungseigenschaften wie Thymin, daher gibt es auf Informationsebene keine Änderungen. Bei den meisten RNA-Molekülen wird die Nukleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz umgewandelt, ein Prozess, der als Translation bezeichnet wird. ImProkaryoten , die Translation beginnt während des Transkriptionsprozesses, bevor das vollständige RNA-Transkript erstellt wird. ImEukaryoten , die Transkription endet und das RNA- Molekül gelangt vom Zellkern in das Zytoplasma , wo die Translation stattfindet.

Das Genom eines Virustyps namens a Retrovirus (von dem dieDas humane Immundefizienzvirus (HIV) ist ein Beispiel. Es besteht aus RNA anstelle von DNA. In einem Retrovirus, ist RNA revers transkribiert in die DNA, die dann integriert in die chromosomale DNA der Wirtszelle , dass die Retrovirus infiziert. Die DNA-Synthese wird durch das Enzym katalysiertreverse Transkriptase . Die Existenz der reversen Transkriptase zeigt, dass genetische Informationen in Ausnahmefällen von RNA zu DNA fließen können. Da angenommen wird, dass Leben in einer RNA-Welt entstanden ist, war die Entwicklung der reversen Transkriptase wahrscheinlich ein wichtiger Schritt beim Übergang in die gegenwärtige DNA-Welt.

Transkription

Ein Gen ist eine funktionelle Region eines Chromosoms, die in der Lage ist, als Reaktion auf geeignete regulatorische Signale ein Transkript zu erstellen. Daher muss ein Gen nicht nur aus der tatsächlich transkribierten DNA-Sequenz bestehen, sondern auch eine benachbarte regulatorische oder Kontrollregion enthalten, die erforderlich ist, damit das Transkript im richtigen Entwicklungskontext erstellt werden kann .

Die Polymerisation von Ribonukleotiden während der Transkription wird durch das Enzym katalysiert RNA-Polymerase . Wie bei der DNA-Replikation müssen sich die beiden DNA-Stränge trennen, um die Matrize freizulegen. Die Transkription unterscheidet sich jedoch von der Replikation darin, dass für jedes Gen nur einer der DNA-Stränge, der 3 '→ 5'-Strang, tatsächlich als Matrize verwendet wird. Die RNA-Synthese erfolgt wie bei der DNA in 5 '→ 3' -Richtung. Daher ist der Wachstumspunkt der RNA-Kette das 3'-Ende, und die Polymerisation ist kontinuierlich, wenn sich die RNA-Polymerase entlang der transkribierten Region bewegt. Der RNA-Strang wird wie ein Schwanz aus dem Transkriptionskomplex extrudiert , der mit fortschreitendem Transkriptionsprozess länger wächst. Schließlich wird ein Transkript von RNA in voller Länge erzeugt, das sich von der DNA löst. Der Vorgang wird wiederholt und mehrere RNA-Transkripte werden aus einem Gen hergestellt.

Prokaryotes possess only one type of RNA polymerase, but in eukaryotes there are several different types. RNA polymerase I synthesizes ribosomal RNA (rRNA), and RNA polymerase III synthesizes transfer RNA (tRNA) and other small RNAs. The types of RNA transcribed by these two polymerases are never translated into protein. RNA polymerase II transcribes the major type of genes, those genes that code for proteins. Transcription of these genes is considered in detail below.

Transcription of protein-coding genes results in a type of RNA called messenger RNA (mRNA), so named because it carries a genetic message from the gene on a nuclear chromosome into the cytoplasm, where it is acted upon by the protein-synthesizing apparatus. The transcription machinery contains many items in addition to the RNA polymerase. The successful binding of the RNA polymerase to the DNA “upstream” of the transcribed sequence depends upon the cooperation of many additional proteinaceous transcription factors. The region of the gene upstream from the region to be transcribed contains specific DNA sequences that are essential for the binding of transcription factors and a region called the promoter, to which the RNA polymerase binds. These sequences must be a specific distance from the transcriptional start site for successful operation. Various short base sequences in this regulatory region physically bind specific transcription factors by virtue of a lock-and-key fit between the DNA and the protein. As might be expected, a protein binds with the centre of the DNA molecule, which contains the sequence specificity, and not with the outside of the molecule, which is merely a uniform repetition of sugar and phosphate groups.

In eukaryotes, a key segment is the TATA box, a TATA sequence approximately 30 nucleotides upstream from the transcription start site. If this sequence is changed or moved, the rate of transcription drops drastically. The TATA box is bound by a transcription factor called the TATA-binding protein, which, together with RNA polymerase II and numerous other transcription factors, assembles in a precise sequence around the TATA box, binding to each other and to the DNA. Together, RNA polymerase and the transcription factors constitute the transcription complex.

The RNA polymerase is directed by the transcription complex to begin transcription at the proper site. It then moves along the template, synthesizing mRNA as it goes. At some position past the coding region, the transcription process stops. Bacteria have well-characterized specific termination sequences; however, in eukaryotes, termination signals are less well understood, and the transcription process stops at variable positions past the end of the coding sequence. A short nucleotide sequence downstream from the coding region acts as a signal for the RNA to be cut at that position, and this becomes the 3′ end of the new RNA strand. Subsequently, approximately 200 adenine nucleotides are added to the 3′ end to form what is called a poly(A) tail, which is characteristic of all eukaryotic DNA. At the 5′ end of the mRNA, a modified guanine nucleotide, called a cap, is added. Noncoding nucleotide sequences called introns are excised from the RNA at this stage in a process called intron splicing. Molecular complexes called spliceosomes, which are composed of proteins and RNA, have RNA sequences that are complementary to the junction between introns and adjacent coding regions called Exons . Das Intron wird zu einer Schleife verdreht und herausgeschnitten, und die Exons werden miteinander verbunden. Das resultierende verkappte, schwanzförmige und intronfreie Molekül ist nun reife mRNA.