معلومة

كم عدد الفوسفات في 5 'نهاية خيط DNA؟

كم عدد الفوسفات في 5 'نهاية خيط DNA؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أعلم أن بيروفوسفات NTP يتحلل بالماء بحيث يمكنه توليد طاقة كافية لتخليق الحمض النووي. ولكن إذا أردنا الحصول على معلومات محددة ، فيمكننا أن نعرف على وجه اليقين أن الطرف الثالث من خيط الحمض النووي يحتوي على فوسفات واحد لأن الفوسفات يرتبط بنوكليوتيد آخر. ولكن ما هو سبب احتواء الطرف 5 على فوسفات واحد فقط وليس 3؟ هل يمكن أن يكون مصدر الطاقة أم أن الهيكل يجب أن يكون متسقًا أو شيء آخر لا يمكنني التفكير فيه؟


يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يمتد فقط التمهيدي ، وبالتالي فإن جميع أشكال الحياة تقريبًا لها بريماز (وهو نوع من بوليميريز الحمض النووي الريبي) الذي يصنع بادئات الحمض النووي الريبي في أصول النسخ التي يمكن أن يمتدها بوليميراز الحمض النووي.

كما خمنت ، فإن الطرف 5 سيكون بالفعل ثلاثي الفوسفات.

قالب الكائن الحي تسلسل التمهيدي توليفها

Herpes simplex-1 3'-GPyPy pppPuPu T4 3'-TTG pppAC T7 3'-CTG pppAC E. coli 3'-GTC pppAG S. aureus 3'-ATPy pppAPu S. aureus 3'-ATPy pppAPu A. aeolicus 3 ' -CCC و CCG و CGC pppGG و pppGC و pppCG B. stearothermophilus 3'-ATPy pppAPu Human 3'-PyNN pppPuNN Calf 3'-PyNN pppPuNNمواقع البدء المستخدمة من قبل primase من مصادر مختلفة. Pu = البيورين ، Py = بيريميدين ، N = أي قاعدة ppp = ثلاثي الفوسفات على الطرف 5'-نهاية التمهيدي. تلك القواعد المطلوبة ولكنها لا ترمز لقاعدة في التمهيدي (النيوكليوتيدات "الخفية") موضحة بخط غامق.

Kuchta and Stengel (2010)

في المراحل النهائية من التكرار ، تتم إزالة بادئات RNA بواسطة RNAseH و DNA polymerase I في البكتيريا ويتم ملء الفجوات بواسطة الأخير (Cooper (2000) الخلية). في حقيقيات النوى ، تتم إزالة التمهيدي بفعل Fen1 و Dna2 exonucleases ويتم ملء الفجوات بواسطة DNA polymerase (Burgers 2009).

في تفاعل البوليميراز المتسلسل ، يكون الأمر واضحًا تمامًا: سيحتوي المنتج على أي تعديلات مقاس 5 بوصات تحتوي على البادئات (عادةً لا شيء).


تكرار الحمض النووي

من أجل تحديد أي من هذه النماذج كان صحيحًا ، تم إجراء التجربة التالية: تم تمييز خيط الحمض النووي الأصلي بالنظير الثقيل للنيتروجين ، N-15. تم السماح لهذا الحمض النووي بالمرور من خلال جولة واحدة من النسخ المتماثل مع N-14 ، ثم تم طرد الخليط بالطرد المركزي بحيث يشكل الحمض النووي الأثقل نطاقًا أقل في الأنبوب ، والوسيط (حبلا N-15 وواحد N-14 ستظهر حبلا) والحمض النووي الخفيف (كل N-14) كشريط أعلى في الأنبوب. النتائج المتوقعة لكل نموذج كانت:

كانت النتائج الفعلية كما هو متوقع للنموذج شبه المحافظ ، وبالتالي تأكدت شكوك واتسون وكريك.

آلية الكيمياء الحيوية لتكرار الحمض النووي

إنزيمات النسخ المتماثل للحمض النووي

  1. Topoisomerase مسؤول عن بدء تفكيك الحمض النووي. يمكن كسر التوتر الذي يمسك اللولب في هيكله الملفوف والملفوف عن طريق شق خيط واحد من الحمض النووي. جرب هذا بسلسلة. قم بلف الخيطين معًا ، ممسكًا بالجزء العلوي والسفلي. إذا قمت بقص واحد فقط من الخيطين ، فسيتم تحرير شد الالتواء وتفك الأوتار.

شوكة النسخ المتماثل

لماذا يمكن أن يعمل بوليميراز الحمض النووي فقط من 5 إلى 3؟ السبب هو الاستقرار النسبي لكل طرف من أطراف الحمض النووي. ثلاثي الفوسفات ضروري لتوفير الطاقة للرابطة بين النوكليوتيدات الملتصقة حديثًا وشريط الحمض النووي المتنامي. ومع ذلك ، فإن هذا ثلاثي الفوسفات غير مستقر للغاية ويمكن أن يتكسر بسهولة إلى أحادي الفوسفات وبيروفوسفات غير عضوي ، والذي يطفو بعيدًا في الخلية. في الطرف الخامس من الحمض النووي ، يمكن أن ينكسر هذا ثلاثي الفوسفات بسهولة ، لذلك إذا كان الخيط جالسًا في الخلية لفترة من الوقت ، فلن يكون قادرًا على ربط نيوكليوتيدات جديدة بالطرف 5 بمجرد كسر الفوسفات. من ناحية أخرى ، فإن الطرف 3 يحتوي فقط على مجموعة هيدروكسيل ، طالما أن النوكليوتيد ثلاثي الفوسفات يتم إحضاره دائمًا بواسطة بوليميريز الحمض النووي ، يمكن أن يستمر تخليق خيط جديد بغض النظر عن المدة التي ظلت فيها النهاية 3 حرة.

يمثل هذا مشكلة ، حيث أن أحد خيوط اللولب المزدوج يتراوح من 5 إلى 3 ، والآخر من 3 إلى 5. كيف يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يصنع نسخًا جديدة من الخيط 5 إلى 3 ، إذا كان يمكن أن ينتقل في اتجاه واحد فقط؟ يُطلق على هذا الخيط اسم الخيط المتأخر ، ويقوم بوليميراز الحمض النووي بعمل نسخة ثانية من هذه الخصلة على شكل طفرات ، تسمى شظايا أوكازاكي ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي. يمكن للخيط الآخر المضي قدمًا في التوليف مباشرة ، من 5 'إلى 3' ، حيث يفك اللولب. هذا هو الخيط الرئيسي.


كم عدد الفوسفات في 5 'نهاية خيط DNA؟ - مادة الاحياء

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • صف بنية الحمض النووي
  • اشرح طريقة سانجر لتسلسل الحمض النووي
  • ناقش أوجه التشابه والاختلاف بين DNA حقيقية النواة وبدائية النواة

اللبنات الأساسية للحمض النووي هي النيوكليوتيدات. المكونات المهمة للنيوكليوتيدات هي القاعدة النيتروجينية (الحاملة للنيتروجين) ، والسكر المكون من 5 كربون (البنتوز) ، ومجموعة الفوسفات ((الشكل)). يتم تسمية النيوكليوتيد اعتمادًا على القاعدة النيتروجينية. يمكن أن تكون القاعدة النيتروجينية من البيورين مثل الأدينين (A) والجوانين (G) ، أو بيريميدين مثل السيتوزين (C) والثايمين (T).

اتصال فني

شكل 1. تحتوي البيورينات على بنية حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. البيريميدينات أصغر حجمًا ولديها بنية حلقة واحدة من ستة أعضاء.

توضح الصور أعلاه القواعد الخمس للحمض النووي والحمض النووي الريبي. افحص الصور واشرح سبب تسمية هذه "القواعد النيتروجينية". كيف تختلف البيورينات عن البيريميدينات؟ كيف يختلف أحد البيورين أو بيريميدين عن الآخر ، على سبيل المثال ، الأدينين من الجوانين؟ كيف يختلف النيوكليوسيد عن النيوكليوتيدات؟

تحتوي البيورينات على بنية حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. البيريميدينات أصغر حجمًا ولديها بنية حلقة واحدة من ستة أعضاء.

السكر هو deoxyribose في DNA و ribose في RNA. تم ترقيم ذرات الكربون للسكر المكون من خمسة كربون 1 & # 8242 ، 2 & # 8242 ، 3 & # 8242 ، 4 & # 8242 ، و 5 & # 8242 (1 & # 8242 تقرأ على أنها "عدد أولي واحد"). الفوسفات ، الذي يجعل الحمض النووي والحمض النووي الريبي حامضيين ، مرتبط بالكربون 5 & # 8242 من السكر عن طريق تكوين رابط استر بين حمض الفوسفوريك ومجموعة 5 & # 8242-OH (الإستر هو حمض + كحول). في نيوكليوتيدات الحمض النووي ، يرتبط الكربون 3 & # 8242 من سكر الديوكسيريبوز بمجموعة الهيدروكسيل (OH). في نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي ، يحتوي الكربون 2 & # 8242 من ريبوز السكر أيضًا على مجموعة الهيدروكسيل. القاعدة متصلة بكربون 1 & # 8217 من السكر.

تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لإنتاج روابط فوسفوديستر. تشكل بقايا الفوسفات الملحقة بالكربون 5 & # 8242 من سكر نيوكليوتيد واحد رابط إستر ثانٍ مع مجموعة الهيدروكسيل للكربون 3 & # 8242 من سكر النوكليوتيد التالي ، وبالتالي تشكل 5 & # 8242-3 & # 8242 phosphodiester رابطة. في عديد النوكليوتيد ، يحتوي أحد طرفي السلسلة على 5 & # 8242 فوسفات مجاني ، والطرف الآخر به 3 & # 8242-OH مجانًا. تسمى هذه نهايات السلسلة 5 & # 8242 و 3 & # 8242.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، عمل فرانسيس كريك وجيمس واتسون معًا لتحديد بنية الحمض النووي في جامعة كامبريدج بإنجلترا. كان علماء آخرون مثل لينوس بولينج وموريس ويلكينز يستكشفون هذا المجال بنشاط. اكتشف بولينج سابقًا التركيب الثانوي للبروتينات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. في مختبر ويلكنز ، كانت الباحثة روزاليند فرانكلين تستخدم طرق حيود الأشعة السينية لفهم بنية الحمض النووي. تمكن Watson و Crick من تجميع أحجية جزيء الحمض النووي معًا على أساس بيانات Franklin & # 8217s لأن كريك درس أيضًا حيود الأشعة السينية ((الشكل)). في عام 1962 ، مُنح جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكنز جائزة نوبل في الطب. لسوء الحظ ، بحلول ذلك الوقت ، توفي فرانكلين ، ولم يتم منح جوائز نوبل بعد وفاته.

الشكل 2. أدى عمل العلماء الرواد (أ) جيمس واتسون وفرانسيس كريك وماكلين مكارتي إلى فهمنا الحالي للحمض النووي. اكتشفت العالمة روزاليند فرانكلين (ب) نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي ، والذي ساعد في توضيح هيكله الحلزوني المزدوج. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة مارجوري مكارتي ، المكتبة العامة للعلوم)

اقترح واتسون وكريك أن الحمض النووي يتكون من خيطين ملتويين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون أيمن. يحدث الاقتران الأساسي بين البيورين والبيريميدين على خيوط متقابلة ، بحيث أزواج A مع أزواج T و G مع C (مقترح بواسطة قواعد Chargaff & # 8217s). وبالتالي ، فإن الأدينين والثايمين هما أزواج قاعدية تكميلية ، كما أن السيتوزين والجوانين هما أيضًا أزواج قاعدية مكملة. يتم تثبيت أزواج القاعدة بواسطة روابط هيدروجينية: يشكل الأدينين والثايمين رابطتين هيدروجينيتين ، ويشكل السيتوزين والجوانين ثلاث روابط هيدروجينية. الخصلتان متوازيتان بطبيعتهما أي أن الطرف 3 & # 8242 من خيط واحد يواجه الطرف 5 & # 8242 من الخيط الآخر. يشكل السكر والفوسفات في النيوكليوتيدات العمود الفقري للهيكل ، بينما تتراكم القواعد النيتروجينية بالداخل ، مثل درجات السلم. يتم فصل كل زوج أساسي عن زوج القاعدة التالي بمسافة 0.34 نانومتر ، ويبلغ قياس كل دورة من اللولب 3.4 نانومتر. لذلك ، توجد 10 أزواج أساسية في كل دورة من اللولب. يبلغ قطر الحلزون المزدوج للحمض النووي 2 نانومتر ، وهو منتظم طوال الوقت. فقط الاقتران بين البيورين والبيريميدين والاتجاه المعاكس لجدلي الحمض النووي يمكن أن يفسر القطر المنتظم. يؤدي التواء الخيطين حول بعضهما البعض إلى تكوين أخاديد رئيسية وثانوية متباعدة بشكل موحد ((الشكل)).

الشكل 3. يحتوي الحمض النووي على (أ) بنية حلزونية مزدوجة و (ب) روابط الفوسفوديستر ، الخطوط المنقطة بين الثايمين والأدينين والجوانين وتمثل السيتوزين روابط هيدروجينية. (ج) الأخاديد الرئيسية والثانوية هي مواقع ربط لبروتينات ربط الحمض النووي أثناء عمليات مثل النسخ (نسخ الحمض النووي الريبي من الحمض النووي) والتكرار.

تقنيات تسلسل الحمض النووي

حتى التسعينيات ، كان تسلسل الحمض النووي (قراءة تسلسل الحمض النووي) عملية مكلفة نسبيًا وطويلة. كما أدى استخدام النيوكليوتيدات ذات العلامات الإشعاعية إلى تفاقم المشكلة من خلال مخاوف تتعلق بالسلامة. مع التكنولوجيا والآلات الآلية المتاحة حاليًا ، تكون العملية أرخص وأكثر أمانًا ويمكن إكمالها في غضون ساعات. طور فريد سانجر طريقة التسلسل المستخدمة في مشروع تسلسل الجينوم البشري ، والذي يستخدم على نطاق واسع اليوم ((الشكل)).

ارتباط بالتعلم

قم بزيارة هذا الموقع لمشاهدة مقطع فيديو يشرح تقنية قراءة تسلسل الحمض النووي التي نتجت عن عمل سانجر.

تُعرف طريقة التسلسل باسم طريقة إنهاء سلسلة dideoxy. تعتمد الطريقة على استخدام عوامل إنهاء السلسلة ، ديديوكسينوكليوتيدات (ddNTPs). تختلف ddNTPSs عن deoxynucleotides بسبب عدم وجود مجموعة 3 & # 8242 OH مجانية على السكر المكون من خمسة كربون. إذا تمت إضافة ddNTP إلى حبلا DNA المتنامي ، فلا يمكن تمديد السلسلة أكثر من ذلك لأن المجموعة 3 & # 8242 OH المجانية اللازمة لإضافة نيوكليوتيد آخر غير متوفرة. باستخدام نسبة محددة مسبقًا من ديوكسي ريبونوكليوتيدات إلى ديديوكسين نيوكليوتيدات ، من الممكن توليد أجزاء من الحمض النووي بأحجام مختلفة.

الشكل 4. في طريقة إنهاء سلسلة dideoxy من Frederick Sanger & # 8217s ، يتم استخدام dideoxynucleotides المسمى بصبغة لتوليد شظايا الحمض النووي التي تنتهي عند نقاط مختلفة. يتم فصل الحمض النووي عن طريق الرحلان الكهربائي الشعري (غير محدد) على أساس الحجم ، ومن ترتيب الأجزاء المتكونة ، يمكن قراءة تسلسل الحمض النووي. تظهر قراءة تسلسل الحمض النووي على مخطط كهربية (غير محدد) يتم إنشاؤه بواسطة ماسح ضوئي بالليزر.

يتم تغيير طبيعة عينة الحمض النووي المراد ترتيب تسلسلها (يتم فصلها إلى شريطين عن طريق تسخينها إلى درجات حرارة عالية). ينقسم الحمض النووي إلى أربعة أنابيب يتم فيها إضافة مادة أولية ، وبوليميراز DNA ، وثلاثي فوسفات النوكليوزيد الأربعة (A ، و T ، و G ، و C). بالإضافة إلى ذلك ، تمت إضافة كميات محدودة من واحد من أربعة ديوكسينوكليوزيد ثلاثي الفوسفات (ddCTP ، ddATP ، ddGTP ، و ddTTP) إلى كل أنبوب على التوالي. تم تصنيف الأنابيب على أنها A و T و G و C وفقًا لـ ddNTP المضافة. لأغراض الكشف ، يحمل كل من ديديوكسينوكليوتيدات أربعة تسمية فلورية مختلفة. يستمر استطالة السلسلة حتى يتم دمج نيوكليوتيد ثنائي أكسيد الفلورسنت ، وبعد ذلك لا يحدث مزيد من الاستطالة. بعد انتهاء التفاعل ، يتم إجراء التفريد. حتى الفرق في طول قاعدة واحدة يمكن اكتشافه. تتم قراءة التسلسل من ماسح ضوئي بالليزر يكتشف العلامة الفلورية لكل جزء. عن عمله في تسلسل الحمض النووي ، حصل سانجر على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1980.

ارتباط بالتعلم

أدى تسلسل جينوم سانجر إلى سباق لتسلسل الجينوم البشري بسرعة عالية وبتكلفة منخفضة ، وغالبًا ما يشار إليه بالتسلسل 1000 دولار في يوم واحد. تعرف على المزيد من خلال تحديد ملف التسلسل في سرعة الرسوم المتحركة هنا.

الرحلان الكهربائي للهلام هو تقنية تستخدم لفصل أجزاء الحمض النووي ذات الأحجام المختلفة. عادة ما يتكون الجل من مادة كيميائية تسمى الاغاروز (بوليمر عديد السكاريد مستخرج من الأعشاب البحرية يحتوي على نسبة عالية من مخلفات الجالاكتوز). يضاف مسحوق Agarose إلى المخزن المؤقت ويتم تسخينه. بعد التبريد ، يُسكب محلول الجل في صينية الصب. بمجرد أن يصلب الجل ، يتم تحميل الحمض النووي على الجل ويتم تطبيق التيار الكهربائي. يحتوي الحمض النووي على شحنة سالبة صافية ويتحرك من القطب السالب باتجاه القطب الموجب. يتم تطبيق التيار الكهربائي لوقت كافٍ للسماح للحمض النووي بالفصل وفقًا للحجم ، وستكون الشظايا الأصغر بعيدة عن البئر (حيث تم تحميل الحمض النووي) ، وستكون شظايا الوزن الجزيئي الأثقل هي الأقرب إلى البئر. بمجرد فصل الحمض النووي ، يتم تلوين الجل بصبغة خاصة بالحمض النووي لمشاهدته ((الشكل)).

الشكل 5. يمكن فصل الحمض النووي على أساس الحجم باستخدام الرحلان الكهربائي للهلام. (الائتمان: جيمس جاكوب ، كلية المجتمع تومبكينز كورتلاند)

اتصال التطور

جينوم الإنسان البدائي: كيف نحن مرتبطون؟

تم نشر المسودة الأولى لتسلسل جينوم الإنسان البدائي مؤخرًا بواسطة Richard E.Green et al. في عام 2010. [1] إنسان نياندرتال هم أقرب أسلاف البشر في الوقت الحاضر. كان من المعروف أنهم عاشوا في أوروبا وغرب آسيا (والآن ، ربما ، في شمال إفريقيا) قبل أن يختفوا من سجلات الحفريات منذ حوالي 30000 عام. درس فريق جرين ما يقرب من 40 ألف عام من بقايا أحافير تم اختيارها من مواقع في جميع أنحاء العالم. تم استخدام وسائل متطورة للغاية لإعداد العينات وتسلسل الحمض النووي بسبب الطبيعة الهشة للعظام والتلوث الجرثومي الشديد. في دراستهم ، تمكن العلماء من تسلسل حوالي أربعة مليارات زوج قاعدي. تمت مقارنة تسلسل الإنسان البدائي بتسلسل البشر الحاليين من جميع أنحاء العالم. بعد مقارنة التسلسلات ، وجد الباحثون أن جينوم الإنسان البدائي لديه تشابه أكبر بنسبة 2 إلى 3 في المائة مع الأشخاص الذين يعيشون خارج إفريقيا مقارنة بالناس في إفريقيا. بينما اقترحت النظريات الحالية أن جميع البشر الحاليين يمكن تتبعهم إلى مجموعة صغيرة من الأسلاف في إفريقيا ، تشير البيانات من جينوم الإنسان البدائي إلى بعض التزاوج بين إنسان نياندرتال والإنسان الحديث المبكر.

اكتشف جرين وزملاؤه أيضًا شرائح الحمض النووي بين الناس في أوروبا وآسيا والتي تشبه تسلسل الإنسان البدائي أكثر من التسلسلات البشرية المعاصرة الأخرى. ملاحظة أخرى مثيرة للاهتمام هي أن إنسان نياندرتال مرتبط ارتباطًا وثيقًا بأشخاص من بابوا غينيا الجديدة كما هو الحال مع أولئك من الصين أو فرنسا. هذا مثير للدهشة لأن بقايا أحافير إنسان نياندرتال كانت موجودة فقط في أوروبا وغرب آسيا. على الأرجح ، حدث التبادل الجيني بين إنسان نياندرتال والإنسان الحديث حيث ظهر الإنسان الحديث من إفريقيا ، قبل تباعد الأوروبيين وشرق آسيا وبابوا غينيا الجديدة.

يبدو أن العديد من الجينات قد خضعت لتغييرات من إنسان نياندرتال خلال تطور البشر في الوقت الحاضر. تشارك هذه الجينات في بنية الجمجمة ، والتمثيل الغذائي ، وتشكل الجلد ، والتطور المعرفي. أحد الجينات ذات الأهمية الخاصة هو رونكس 2، والذي يختلف في البشر المعاصرين والنياندرتال. هذا الجين مسؤول عن العظم الجبهي البارز ، والقفص الصدري على شكل جرس ، والاختلافات السنية التي تظهر في إنسان نياندرتال. من المتوقع أن يحدث تغيير تطوري في رونكس 2 كان مهمًا في أصل الإنسان المعاصر ، وقد أثر ذلك على الجمجمة والجزء العلوي من الجسم.

ارتباط بالتعلم

شاهد حديث Svante Pääbo الذي يشرح أبحاث جينوم الإنسان البدائي في مؤتمر TED السنوي لعام 2011 (التكنولوجيا والترفيه والتصميم).

تغليف الحمض النووي في الخلايا

بدائيات النوى أبسط بكثير من حقيقيات النوى في العديد من ميزاتها ((الشكل)). تحتوي معظم بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد موجود في منطقة من السيتوبلازم تسمى منطقة نووية.

اتصال فني

الشكل 6. تحتوي حقيقيات النوى على نواة محددة جيدًا ، بينما في بدائيات النوى ، يكمن الكروموسوم في السيتوبلازم في منطقة تسمى النواة.

في الخلايا حقيقية النواة ، يحدث تخليق الحمض النووي والحمض النووي الريبي في حجرة منفصلة عن تخليق البروتين. في الخلايا بدائية النواة ، تحدث كلتا العمليتين معًا. ما هي المزايا التي قد تكون هناك لفصل العمليات؟ ما هي المزايا التي قد تكون هناك من حدوثها معًا؟

حجم الجينوم في واحدة من بدائيات النوى الأكثر دراسة ، بكتريا قولونية، 4.6 مليون زوج قاعدي (حوالي 1.1 مم ، إذا تم قطعها وتمديدها). فكيف يتناسب هذا داخل خلية بكتيرية صغيرة؟ يتم التواء الحمض النووي بما يعرف باسم الالتواء الفائق. يشير الالتواء الفائق إلى أن الحمض النووي إما "تحت الجرح" (أقل من لفة واحدة من اللولب لكل 10 أزواج أساسية) أو "مفرط الجرح" (أكثر من دورة واحدة لكل 10 أزواج قاعدية) من حالته الطبيعية المريحة. من المعروف أن بعض البروتينات تشارك في الالتفاف الفائق للبروتينات والإنزيمات الأخرى مثل DNA gyrase التي تساعد في الحفاظ على البنية فائقة الالتفاف.

تستخدم حقيقيات النوى ، التي تتكون كل كروموسوماتها من جزيء دنا خطي ، نوعًا مختلفًا من استراتيجية التعبئة لتلائم الحمض النووي الخاص بها داخل النواة ((الشكل)). على المستوى الأساسي ، يتم لف الحمض النووي حول البروتينات المعروفة باسم هيستون لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. الهستونات عبارة عن بروتينات محفوظة تطوريًا غنية بالأحماض الأمينية الأساسية وتشكل أوكتامرًا يتكون من جزيئين من كل من أربعة هيستونات مختلفة. الحمض النووي (تذكر أنه مشحون سلبًا بسبب مجموعات الفوسفات) ملفوف بإحكام حول قلب هيستون. يرتبط هذا الجسيم بالنيوكليوسوم التالي بمساعدة أ رابط DNA. يُعرف هذا أيضًا باسم بنية "الخرز على الخيط". بمساعدة هيستون خامسة ، يتم ضغط سلسلة من النيوكليوسومات بشكل أكبر في ألياف قطرها 30 نانومتر ، وهو قطر الهيكل. يتم تكثيف الكروموسومات الطورية بشكل أكبر من خلال الارتباط ببروتينات السقالات. في مرحلة الطور الفائق ، تكون الكروموسومات في أكثر حالاتها إحكاما ، وعرضها حوالي 700 نانومتر.

في الطور البيني ، تحتوي الكروموسومات حقيقية النواة على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما عن طريق التلوين. تُعرف المنطقة المعبأة بإحكام باسم الكروماتين المتغاير ، وتُعرف المنطقة الأقل كثافة بالكروماتين الحقيقي. عادة ما يحتوي الهيتروكروماتين على جينات لم يتم التعبير عنها ، وتوجد في مناطق السنترومير والتيلوميرات. عادةً ما يحتوي الكروماتين الحقيقي على جينات منسوخة ، مع حزم الحمض النووي حول النيوكليوسومات ولكن لا يتم ضغطها بشكل أكبر.

الشكل 7. توضح هذه الأرقام انضغاط كروموسوم حقيقيات النواة.

ملخص القسم

تم اقتراح النموذج المقبول حاليًا للهيكل الحلزون المزدوج للحمض النووي من قبل واطسون وكريك. بعض السمات البارزة هي أن الخيطين اللذين يشكلان اللولب المزدوج لهما تسلسلات أساسية تكميلية واتجاهات مضادة متوازية. تشكل سكريات الديوكسيريبوز والفوسفات بالتناوب العمود الفقري للهيكل ، والقواعد النيتروجينية مكدسة مثل الدرجات بالداخل. قطر اللولب المزدوج ، 2 نانومتر ، موحد طوال الوقت. دائمًا ما يقترن البيورين مع أزواج بيريميدين A مع أزواج T ، وأزواج G مع C. بدائيات النوى أبسط بكثير من حقيقيات النوى في العديد من سماتها. تحتوي معظم بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد. بشكل عام ، تحتوي الكروموسومات حقيقية النواة على جزيء دنا خطي معبأ في نيوكليوسومات ، ولها منطقتان متميزتان يمكن تمييزهما عن طريق التلوين ، مما يعكس حالات مختلفة من التعبئة والضغط.

اتصالات فنية

(الشكل) في الخلايا حقيقية النواة ، يحدث تخليق الحمض النووي والحمض النووي الريبي في حجرة منفصلة عن تخليق البروتين. في الخلايا بدائية النواة ، تحدث كلتا العمليتين معًا. ما هي المزايا التي قد تكون هناك لفصل العمليات؟ ما هي المزايا التي قد تكون هناك من حدوثها معًا؟

(الشكل) يمكّن التقسيم الخلية حقيقية النواة من تقسيم العمليات إلى خطوات منفصلة حتى تتمكن من بناء منتجات بروتينية و RNA أكثر تعقيدًا. ولكن هناك ميزة لوجود حجرة واحدة أيضًا: يحدث تخليق البروتين والـ RNA بسرعة أكبر في خلية بدائية النواة.

راجع الأسئلة

لا يحتوي الحلزون المزدوج للحمض النووي على أي مما يلي؟

  1. التكوين المضاد
  2. الاقتران الأساسي التكميلي
  3. الأخاديد الكبيرة والصغيرة
  4. اليوراسيل

في حقيقيات النوى ، ما هو الحمض النووي الذي يلتف حوله؟

إستجابة مجانية

قدم ملخصًا موجزًا ​​لطريقة التسلسل Sanger.

يتم خلط خيط الحمض النووي النموذجي مع بوليميريز DNA ، وبادئ ، و 4 ديوكسينوكليوتيدات ، وتركيز محدود من 4 ديديوكسينوكليوتيدات. يقوم بوليميراز الحمض النووي بتجميع خيط مكمل للقالب. ينتج عن دمج ddNTPs في مواقع مختلفة شظايا الحمض النووي التي انتهت عند كل قاعدة ممكنة في القالب. يتم فصل هذه الشظايا بواسطة الرحلان الكهربائي للهلام ويتم تصورها بواسطة كاشف الليزر لتحديد تسلسل القواعد.

صف البنية والاقتران الأساسي التكميلي للحمض النووي.

يحتوي الحمض النووي على خيطين في اتجاه مضاد للتوازي. تشكل روابط السكر والفوسفات العمود الفقري من الخارج ، ويتم إقران القواعد من الداخل: A مع T ، و G مع C ، مثل الدرجات على سلم حلزوني.

تحتوي بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد بينما تحتوي حقيقيات النوى على كروموسومات خطية. وصف ميزة واحدة وعيوب واحدة لتعبئة الجينوم حقيقية النواة مقارنة بدائيات النوى.

الميزة: يسمح الترتيب الخطي للكروموسوم حقيقي النواة بتعبئة المزيد من الحمض النووي عن طريق لفه بإحكام حول الهستونات. يعني المزيد من المواد الجينية أن الكائن الحي يمكنه ترميز المزيد من المعلومات في خلية واحدة. سمح هذا في النهاية لبعض حقيقيات النوى بالتطور إلى كائنات متعددة الخلايا مع تخصص خلوي.


3.5 الأحماض النووية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف بنية الأحماض النووية وتحديد نوعي الأحماض النووية
  • اشرح بنية الحمض النووي ودوره
  • اشرح بنية RNA وأدوارها

الأحماض النووية هي أهم الجزيئات لاستمرارية الحياة. إنهم يحملون المخطط الجيني للخلية ويحملون التعليمات الخاصة بوظائفها.

DNA و RNA

النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية هما الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). الحمض النووي هو المادة الجينية في جميع الكائنات الحية ، بدءًا من البكتيريا وحيدة الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا. إنه موجود في نواة حقيقيات النوى وفي العضيات والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. في بدائيات النوى ، لا يكون الحمض النووي محاطًا بغلاف غشائي.

المحتوى الجيني الكامل للخلية هو جينومها ، ودراسة الجينوم هي علم الجينوم. في الخلايا حقيقية النواة ولكن ليس في بدائيات النوى ، يشكل الحمض النووي مركبًا مع بروتينات هيستون لتكوين الكروماتين ، وهو مادة الكروموسومات حقيقية النواة. قد يحتوي الكروموسوم على عشرات الآلاف من الجينات. تحتوي العديد من الجينات على المعلومات اللازمة لصنع منتجات بروتينية. كود الجينات الأخرى لمنتجات الحمض النووي الريبي. يتحكم الحمض النووي في جميع الأنشطة الخلوية عن طريق تشغيل الجينات أو "إيقاف تشغيلها".

النوع الآخر من الحمض النووي ، RNA ، يشارك في الغالب في تخليق البروتين. لا تغادر جزيئات الحمض النووي النواة أبدًا ولكنها تستخدم وسيطًا للتواصل مع بقية الخلية. هذا الوسيط هو الرسول RNA (mRNA). أنواع أخرى من الرنا - مثل الرنا الريباسي ، الرنا الريباسي ، و الرنا الميكروي - تشارك في تخليق البروتين وتنظيمه.

يتكون DNA و RNA من مونومرات يسميها العلماء نيوكليوتيدات. تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل عديد النيوكليوتيدات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. ثلاثة مكونات تتكون من كل نوكليوتيد: قاعدة نيتروجينية ، بنتوز (خمسة كربون) سكر ، ومجموعة فوسفات (الشكل 3.31). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في نوكليوتيد بجزيء سكر ، والذي يرتبط بمجموعة أو أكثر من مجموعات الفوسفات.

القواعد النيتروجينية ، وهي مكونات مهمة للنيوكليوتيدات ، هي جزيئات عضوية وسميت بهذا الاسم لأنها تحتوي على الكربون والنيتروجين. إنها قواعد لأنها تحتوي على مجموعة أمينية لديها القدرة على ربط هيدروجين إضافي ، وبالتالي تقليل تركيز أيون الهيدروجين في بيئتها ، مما يجعلها أكثر أساسية. يحتوي كل نيوكليوتيد في الحمض النووي على واحدة من أربع قواعد نيتروجينية محتملة: الأدينين (A) والجوانين (G) السيتوزين (C) والثيمين (T).

يصنف العلماء الأدينين والجوانين على أنها بورينات. هيكل البيورين الأساسي هو حلقتان من الكربون والنيتروجين. يصنف العلماء السيتوزين ، الثايمين ، واليوراسيل على أنها بيريميدين التي لها حلقة كربون-نيتروجين واحدة كهيكلها الأساسي (الشكل 3.31). كل من حلقات الكربون والنيتروجين الأساسية هذه لها مجموعات وظيفية مختلفة مرتبطة بها. في اختزال البيولوجيا الجزيئية ، نعرف القواعد النيتروجينية برموزها A و T و G و C و U. يحتوي DNA على A و T و G و C بينما يحتوي RNA على A و U و G و C.

سكر البنتوز في الحمض النووي هو ديوكسيريبوز ، وفي الحمض النووي الريبي ، السكر هو ريبوز (الشكل 3.31). الفرق بين السكريات هو وجود مجموعة الهيدروكسيل على ثاني كربون الريبوز وهيدروجين على ثاني أكسيد ريبوز الكربون. يتم ترقيم ذرات الكربون في جزيء السكر على أنها 1 و 2 و 3 و 4 و 5 (1 ′ تقرأ على أنها "عدد أولي واحد"). تلتصق بقايا الفوسفات بمجموعة الهيدروكسيل المكونة من 5 كربون لسكر واحد ومجموعة الهيدروكسيل المكونة من 3 كربون من سكر النوكليوتيد التالي ، والتي تشكل رابطة 5′ - 3 phosphodiester. تفاعل الجفاف البسيط مثل الروابط الأخرى التي تربط المونومرات في الجزيئات الكبيرة لا يشكل رابط الفوسفوديستر. يتضمن تكوينه إزالة مجموعتين من الفوسفات. قد يحتوي عديد النيوكليوتيد على آلاف من روابط الفوسفوديستر هذه.

هيكل DNA مزدوج الحلزون

الحمض النووي له هيكل مزدوج الحلزون (الشكل 3.32). يقع السكر والفوسفات على السطح الخارجي للحلزون ، ويشكلان العمود الفقري للحمض النووي. القواعد النيتروجينية مكدسة في الداخل ، مثل زوج من درجات السلم. تربط الروابط الهيدروجينية الأزواج ببعضها البعض. يتم فصل كل زوج أساسي في اللولب المزدوج عن الزوج الأساسي التالي بمقدار 0.34 نانومتر. يعمل خصلتا اللولب في اتجاهين متعاكسين ، مما يعني أن الطرف المكون من 5-كربون لخيط واحد سيواجه نهاية 3-كربون من خيطه المطابق. (يطلق العلماء على هذا التوجه المضاد وهو مهم لتكرار الحمض النووي وفي العديد من تفاعلات الحمض النووي.)

يُسمح فقط بأنواع معينة من الاقتران الأساسي. على سبيل المثال ، يمكن أن يقترن بورين معين فقط مع بيريميدين معين. هذا يعني أنه يمكن أن يقترن A مع T ، ويمكن أن يقترن G مع C ، كما يوضح الشكل 3.33. هذه هي القاعدة التكميلية الأساسية. وبعبارة أخرى ، فإن خيوط الحمض النووي مكملة لبعضها البعض. إذا كان تسلسل حبلا واحد هو AATTGGCC ، فإن الخيط التكميلي سيكون له تسلسل TTAACCGG. أثناء تكاثر الحمض النووي ، تنسخ كل خصلة نفسها ، مما ينتج عنه حلزون مزدوج للحمض النووي ابنة يحتوي على خيط DNA أبوي واحد وخيط مركب حديثًا.

اتصال مرئي

تحدث طفرة ، ويحل الأدينين محل السيتوزين. ما هو تأثير ذلك في اعتقادك على بنية الحمض النووي؟

يشارك الحمض النووي الريبي ، أو RNA ، بشكل أساسي في عملية تخليق البروتين تحت إشراف الحمض النووي. عادة ما يكون الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة ويتكون من ريبونوكليوتيدات مرتبطة بروابط فوسفوديستر. يحتوي الريبونوكليوتيد الموجود في سلسلة الحمض النووي الريبي على ريبوز (سكر البنتوز) ، وهو أحد القواعد النيتروجينية الأربعة (A ، و U ، و G ، و C) ، ومجموعة الفوسفات.

هناك أربعة أنواع رئيسية من الرنا: الرنا المرسال (الرنا) ، الرنا الريبوزومي (الرنا) ، الرنا الناقل (الرنا) ، الرنا المجهري (الميرنا). الأول ، mRNA ، يحمل الرسالة من الحمض النووي ، الذي يتحكم في جميع الأنشطة الخلوية في الخلية. إذا كانت الخلية تتطلب تخليق بروتين معين ، فإن الجين الخاص بهذا المنتج "يعمل" ويقوم الحمض النووي الريبي المرسال بتوليف النواة. تسلسل قاعدة الحمض النووي الريبي مكمل لتسلسل تشفير الحمض النووي الذي تم نسخه منه. ومع ذلك ، في RNA ، القاعدة T غائبة و U موجودة بدلاً من ذلك. إذا كان حبلا DNA يحتوي على تسلسل AATTGCGC ، فإن تسلسل الحمض النووي الريبي التكميلي هو UUAACGCG. في السيتوبلازم ، يتفاعل الرنا المرسال مع الريبوسومات والآلات الخلوية الأخرى (الشكل 3.34).

تتم قراءة الرنا المرسال في مجموعات من ثلاث قواعد تعرف باسم الكودونات. يرمز كل كودون لحمض أميني واحد. بهذه الطريقة ، يتم قراءة mRNA ويتم تصنيع منتج البروتين. الرنا الريبوزومي (الرنا الريباسي) هو مكون رئيسي للريبوسومات التي يرتبط بها الرنا المرسال. يضمن الرنا الريباسي المحاذاة الصحيحة لمرنا والريبوزومات. يحتوي الرنا الريباسي للريبوسوم أيضًا على نشاط إنزيمي (بيبتيديل ترانسفيراز) ويحفز تكوين رابطة الببتيد بين اثنين من الأحماض الأمينية المتوافقة. RNA الناقل (tRNA) هو واحد من أصغر الأنواع الأربعة من الحمض النووي الريبي ، وعادة ما يكون بطول 70-90 نيوكليوتيد. يحمل الحمض الأميني الصحيح إلى موقع تخليق البروتين. إن الاقتران الأساسي بين الحمض الريبي النووي النقال و الرنا المرسال هو الذي يسمح للحمض الأميني الصحيح بإدخال نفسه في سلسلة البولي ببتيد. MicroRNAs هي أصغر جزيئات RNA وينطوي دورها على تنظيم التعبير الجيني عن طريق التدخل في التعبير عن رسائل معينة من mRNA. يلخص الجدول 3.2 ميزات DNA و RNA.

الحمض النووي RNA
وظيفةيحمل معلومات وراثيةتشارك في تخليق البروتين
موقعيبقى في النواةيترك النواة
بنيةالحلزون المزدوجعادة واحدة تقطعت بهم السبل
سكرديوكسيريبوزريبوز
بيريميدينالسيتوزين ، الثايمينالسيتوزين ، اليوراسيل
البيوريناتعدنين ، جوانينعدنين ، جوانين

على الرغم من أن RNA تقطعت به السبل أحاديًا ، فإن معظم أنواع RNA تُظهر اقترانًا قاعديًا واسعًا داخل الجزيء بين المتواليات التكميلية ، مما يخلق بنية ثلاثية الأبعاد يمكن التنبؤ بها ضرورية لوظيفتها.

كما تعلمت ، فإن تدفق المعلومات في الكائن الحي يحدث من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي إلى البروتين. يفرض الحمض النووي بنية الرنا المرسال في عملية يسميها العلماء النسخ ، ويحدد الحمض النووي الريبي بنية البروتين في عملية يسميها العلماء الترجمة. هذه هي العقيدة المركزية للحياة ، والتي تنطبق على جميع الكائنات الحية ، ومع ذلك ، تحدث استثناءات للقاعدة فيما يتعلق بالعدوى الفيروسية.

ارتباط بالتعلم

لمعرفة المزيد عن الحمض النووي ، استكشف الرسوم المتحركة الحيوية التفاعلية لمعهد هوارد هيوز الطبي حول موضوع الحمض النووي.


كم عدد الفوسفات في 5 'نهاية خيط DNA؟ - مادة الاحياء

مقدمة

تشير التقديرات إلى أن أجسامنا تتكون من أكثر من 10 تريليون خلية. كيف تعرف كل هذه الخلايا ما هي الوظيفة التي يجب القيام بها؟ تحتوي الخلايا التي يتكون منها جسم الإنسان على أحماض نووية ترشد الخلية إلى كيفية عملها. الحمض النووي حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين يخزن (DNA) المعلومات في خلايانا ويشارك هذه المعلومات بشكل انتقائي عندما يكون ذلك مناسبًا. الحمض النووي جزيء يمكن أن ينتقل من جيل إلى جيل. يمكن تكرار الحمض النووي في عملية منظمة بعناية مصممة للحفاظ على الجينوم آمنًا من التدهور وخاليًا من الأخطاء. يمكن أن تؤدي التغييرات الصغيرة على ما يبدو في الشفرة الوراثية إلى تغييرات مهددة للحياة وحتى غير متوافقة مع بنية البروتين ووظيفته. في هذا الفصل ، ستتم مناقشة التركيب الفريد للحمض النووي ، جنبًا إلى جنب مع عمليات النسخ والإصلاح. سيكون التركيز الأساسي على العمليات حقيقية النواة ، ولكن سيكون هناك بعض المراجعة لعلم الوراثة بدائية النواة لمساعدتنا على فهم الأساس الجزيئي للحياة بشكل أفضل.

يرجع جزء كبير من تقدم الطب في العقدين الماضيين إلى فهمنا المتزايد لعلم الوراثة الجزيئي ، مما أدى إلى إنشاء صناعة كاملة للتكنولوجيا الحيوية تتمحور حول علم الجينوم واستخدام الأحماض النووية في اختبارات التشخيص المختلفة والتدخلات العلاجية. سنلقي نظرة أيضًا على بعض هذه المبادئ المهمة في هذا الفصل.

6.1 هيكل الحمض النووي

هناك نوعان مختلفان كيميائيا من الأحماض النووية داخل الخلايا حقيقية النواة. حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (الحمض النووي) و حمض النووي الريبي (RNA) عبارة عن بوليمرات ، لكل منها أدوار مميزة ، والتي تشكل معًا جزيئات جزءًا لا يتجزأ من الحياة في جميع الكائنات الحية. الحمض النووي هو محور هذا الفصل وسيتم مناقشة الحمض النووي الريبي بمزيد من التفصيل في الفصل السابع من مراجعة الكيمياء الحيوية MCAT. تم العثور على الجزء الأكبر من الحمض النووي في الكروموسومات في نواة الخلايا حقيقية النواة ، على الرغم من وجود بعضها أيضًا في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

النيوكليوزيدات والنيوكليوتيدات

الحمض النووي هو جزيء ضخم ومن الضروري فهم كيفية تكوين هذا الجزيء. الحمض النووي هو بوليديوكسي ريبونوكليوتيد يتكون من العديد أحادي أوكسي ريبونوكليوتيدات مرتبطة ببعضها البعض. يمكن أن تكون تسمية الأحماض النووية معقدة ، لذلك تم تعريف المصطلحات هنا:

& middot & emspنيوكليوسيدات تتكون من سكر خماسي الكربون (بنتوز) مرتبطة بقاعدة نيتروجينية وتتكون عن طريق ربط القاعدة تساهميًا بـ C-1 & Prime من السكر ، كما هو موضح في الشكل 6.1. لاحظ أن ذرات الكربون في السكر تحمل رمزًا أوليًا لتمييزها عن ذرات الكربون في القاعدة النيتروجينية.

& middot & emspالنيوكليوتيدات تتشكل عندما ترتبط مجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات الفوسفات بـ C-5 & Prime من النيوكليوسيد. غالبًا ما يتم تسمية هذه الجزيئات وفقًا لعدد الفوسفات المرتبط. الأدينوزين ثنائي وثلاثي الفوسفات (ADP و ATP) ، على سبيل المثال ، يكتسبان اسمهم من عدد مجموعات الفوسفات المرتبطة بأدينوزين نوكليوزيد. هذه مركبات عالية الطاقة بسبب الطاقة المرتبطة بالتنافر بين الشحنات السالبة المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمجموعات الفوسفات ، كما هو موضح في الشكل 6.2. النيوكليوتيدات هي اللبنات الأساسية للحمض النووي.

شكل 6.1. أمثلة على النيوكليوسيدات

شكل 6.2. روابط عالية الطاقة في أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو نيوكليوتيد

في الفصل 3 من مراجعة الكيمياء العامة MCAT، تعلمنا أن كسر الرابطة عادة ما يكون ماصًا للحرارة وأن صنع السندات عادة ما يكون طاردًا للحرارة. يقدم ATP مفهومًا ذا صلة بيولوجيًا و mdashand تم اختباره و mdashexception لهذه القاعدة. نظرًا لجميع الشحنات السالبة على مقربة شديدة ، فإن إزالة الفوسفات الطرفي من ATP يطلق بالفعل طاقة ، والتي تمد خلايانا بالطاقة.

تصنف الأحماض النووية وفقًا للبنتوز الذي تحتويه ، كما هو موضح في الشكل 6.3. إذا كان البنتوز هو ريبوز، الحمض النووي هو RNA إذا كان البنتوز ديوكسيريبوز (الريبوز مع 2 & Prime –OH تم استبدال المجموعة بـ –H) ، ثم يكون DNA.

شكل 6.3. ريبوز وديوكسيريبوز يحتوي ريبوز على مجموعة –OH في C-2 deoxyribose لديها –H.

The nomenclature for the common bases, nucleosides, and nucleotides is shown in Table 6.1. Note that there is no thymidine listed (only deoxythymidine) because thymine appears almost exclusively in DNA.

النيوكليوتيدات

Names of nucleosides and nucleotides attached to deoxyribose are shown in parentheses.

Table 6.1. Nomenclature of Important Bases, Nucleosides, and Nucleotides

The backbone of DNA is composed of alternating sugar and phosphate groups it determines the directionality of the DNA and is always read from 5&prime to 3&prime. It is formed as nucleotides are joined by 3&prime–5&prime phosphodiester bonds. That is, a phosphate group links the 3&prime carbon of one sugar to the 5&prime phosphate group of the next incoming sugar in the chain. Phosphates carry a negative charge thus, DNA and RNA strands have an overall negative charge.

شكل 6.4. DNA Strand Polarity DNA strands run antiparallel to one another enzymes that replicate and transcribe DNA only work in the 5&prime to 3&prime direction.

Each strand of DNA has distinct 5&prime and 3&prime ends, creating polarity within the backbone, as shown in Figure 6.4. The 5&prime end of DNA, for instance, will have an –OH or phosphate group bound to C-5&prime of the sugar, while the 3&prime end has a free –OH on C-3&prime of the sugar. The base sequence of a nucleic acid strand is both written and read in the 5&prime to 3&prime direction. Thus, the DNA strand in Figure 6.4 must be written: 5&prime&mdashATG&mdash3&prime (or simply ATG). DNA sequences can also be written in slightly different ways:

·&emspIf written backwards, the ends must be labeled: 3&prime&mdashGTA&mdash5&prime

·&emspThe position of phosphates may be shown: pApTpG

·&emsp“d” may be used as shorthand for deoxyribose: dAdTdG

خبرة MCAT

On the MCAT, always check nucleic acids for polarity. One of the easiest ways to generate incorrect answers is to simply reverse the reading frame: 3&prime&mdashGATTACA&mdash5&prime is not the same as 3&prime&mdashACATTAG&mdash5&prime.

DNA is generally double-stranded (dsDNA) and RNA is generally single-stranded (ssRNA). Exceptions to this rule may be seen, especially in viruses, as described in Chapter 1 of مراجعة علم الأحياء MCAT.

There are two families of nitrogen-containing bases found in nucleotides: purines and pyrimidines. The bases described below, and shown in Figure 6.5, represent the common bases in eukaryotes however, it should be noted that exceptions may be seen in tRNA and in some prokaryotes and viruses. البيورينات contain two rings in their structure. The two purines found in nucleic acids are الأدينين (أ) و جوانين (جي) both are found in DNA and RNA. بيريميدين contain only one ring in their structure. The three pyrimidines are السيتوزين (ج), الثايمين (تي)، و اليوراسيل (يو) while cytosine is found in both DNA and RNA, thymine is only found in DNA and uracil is only found in RNA.

شكل 6.5. Bases Commonly Found in Nucleic Acids

To remember the types and structures of these two classes of nitrogenous bases, remember to CUT ال PYe (as ج, يو، و تي are pyrimidines). You can also note that pie has one ring of crust, and pyrimidines have only one ring in their structure. You can also remember PURه أسجيold (as أ و جي are purines) think of gold wedding rings. It takes two gold rings at a wedding, just like purines have two rings in their structure.

Purines and pyrimidines are examples of biological aromatic heterocycles. In chemistry, the term aromatic describes any unusually stable ring system that adheres to the following four specific rules:

3. The compound is conjugated (has alternating single and multiple bonds, or lone pairs, creating at least one unhybridized ص-orbital for each atom in the ring)

4. The compound has 4ن + 2 (where ن is any integer) &pi electrons. هذا يسمي Hückel's rule

The most common example of an aromatic compound is benzene, but many different structures obey these rules. In an aromatic compound, the extra stability is due to the delocalized &pi electrons, which can travel throughout the entire compound using available ص-orbitals. All six of the carbon atoms in benzene are ص 2 -hybridized, and each of the six orbitals overlaps equally with its two neighbors. As a result, the delocalized electrons form two &pi electron clouds (one above and one below the plane of the ring), as shown in Figure 6.6. This delocalization is characteristic of all aromatic molecules, and because of this, aromatic molecules are fairly unreactive.

شكل 6.6. Delocalization of &pi Electrons in Benzene

Heterocycles are ring structures that contain at least two different elements in the ring. As shown in Figure 6.5 earlier, both purines and pyrimidines contain nitrogen in their aromatic rings. Nucleic acids are thus imbued with exceptional stability. This helps to explain the utility of nucleotides as the molecule for storing genetic information.

Putting this information together, we can start looking at the Watson–Crick model of DNA structure. In 1953, James Watson and Francis Crick presented one of the landmark findings of modern biology and medicine: the three-dimensional structure of DNA. They were able to deduce the double-helical nature of DNA and propose specific base-pairing that would be the basis of a copying mechanism. في ال double helix, two linear polynucleotide chains of DNA are wound together in a spiral orientation along a common axis. The key features of the model&mdashsome of which have already been mentioned&mdashare:

·&emspThe two strands of DNA are antiparallel that is, the strands are oriented in opposite directions. When one strand has polarity 5&prime to 3&prime تحت the page, the other strand has 5&prime to 3&prime polarity فوق the page.

·&emspThe sugar–phosphate backbone is on the outside of the helix with the nitrogenous bases on the inside.

·&emspThere are specific base-pairing rules, often referred to as complementary base-pairing, as shown in Figure 6.7. An adenine (A) is always base-paired with a thymine (T) via two hydrogen bonds. A guanine (G) always pairs with cytosine (C) via three hydrogen bonds. The three hydrogen bonds make the G–C base pair interaction stronger. These hydrogen bonds, and the hydrophobic interactions between bases, provide stability to the double helix structure. Thus, the base sequence on one strand defines the base sequence on the other strand.

·&emspBecause of the specific base-pairing, the amount of A equals the amount of T, and the amount of G equals the amount of C. Thus, total purines will be equal to total pyrimidines overall. These properties are known as قواعد Chargaff.

شكل 6.7. Base-Pairing in DNA

المفهوم الرئيسي

When writing a complementary strand of DNA, it is important to not only remember the base-pairing rules but to also keep track of the 5&prime and 3&prime ends. Remember that the sequences need to be both complementary and antiparallel. For example, 5&prime&mdashATCG&mdash3&prime will be complementary to 5&prime&mdashCGAT&mdash3&prime.

خبرة MCAT

In double-stranded DNA, purines = pyrimidines:

If a sample of DNA has 10% G, what is the % of T?

The double helix of most DNA is a right-handed helix, forming what is called ب- DNA, as shown in Figure 6.8. The helix in B-DNA makes a turn every 3.4 nm and contains about 10 bases within that span. Major and minor grooves can be identified between the interlocking strands and are often the site of protein binding. Another form of DNA is called Z-DNA for its zigzag appearance it is a left-handed helix that has a turn every 4.6 nm and contains 12 bases within each turn. A high GC-content or a high salt concentration may contribute to the formation of this form of DNA. No biological activity has been attributed to Z-DNA partly because it is unstable and difficult to research.

شكل 6.8. The B-DNA Double Helix

DENATURATION AND REANNEALING

During processes such as replication and transcription, it is necessary to gain access to the DNA. The double helical nature of DNA can be denatured by conditions that disrupt hydrogen bonding and base-pairing, resulting in the “melting” of the double helix into two single strands that have separated from each other. Notably, none of the covalent links between the nucleotides in the backbone of the DNA break during this process. Heat, alkaline pH, and chemicals like formaldehyde and urea are commonly used to denature DNA.

Denatured, single-stranded DNA can be reannealed (brought back together) if the denaturing condition is slowly removed. If a solution of heat-denatured DNA is slowly cooled, for example, then the two complementary strands can become paired again, as shown in Figure 6.9.

شكل 6.9. Denaturation and Reannealing of DNA

Such annealing of complementary DNA strands is also an important step in many laboratory processes, such as polymerase chain reactions (PCR) and in the detection of specific DNA sequences. In these techniques, a well-characterized probe DNA (DNA with known sequence) is added to a mixture of target DNA sequences. When probe DNA binds to target DNA sequences, this may provide evidence of the presence of a gene of interest. This binding process is called hybridization and is described in further detail later in this chapter.

MCAT Concept Check 6.1:

قبل المضي قدمًا ، قم بتقييم فهمك للمادة باستخدام هذه الأسئلة.

1. What is the difference between a nucleoside and a nucleotide?

2. What are the base-pairing rules according to the Watson–Crick model?

3. What are the three major structural differences between DNA and RNA?

4. How does the aromaticity of purines and pyrimidines underscore their genetic function?

5. If a strand of RNA contained 15% cytosine, 15% adenine, 35% guanine, and 35% uracil, would this violate Chargaff's rules? لما و لما لا؟

إذا كنت مالك حقوق الطبع والنشر لأي مادة واردة على موقعنا وتعتزم إزالتها ، فيرجى الاتصال بمسؤول الموقع للحصول على الموافقة.


هيكل DNA مزدوج الحلزون

Figure 2. DNA is an antiparallel double helix. The phosphate backbone (the curvy lines) is on the outside, and the bases are on the inside. Each base interacts with a base from the opposing strand. (credit: Jerome Walker/Dennis Myts)

DNA has a double-helix structure (Figure 2). يقع السكر والفوسفات على السطح الخارجي للحلزون ، ويشكلان العمود الفقري للحمض النووي. The nitrogenous bases are stacked in the interior, like the steps of a staircase, in pairs the pairs are bound to each other by hydrogen bonds. Every base pair in the double helix is separated from the next base pair by 0.34 nm.

The two strands of the helix run in opposite directions, meaning that the 5′ carbon end of one strand will face the 3′ carbon end of its matching strand. (This is referred to as antiparallel orientation and is important to DNA replication and in many nucleic acid interactions.)

Only certain types of base pairing are allowed. For example, a certain purine can only pair with a certain pyrimidine. This means A can pair with T, and G can pair with C, as shown in Figure 3. This is known as the base complementary rule. In other words, the DNA strands are complementary to each other. If the sequence of one strand is AATTGGCC, the complementary strand would have the sequence TTAACCGG. During DNA replication, each strand is copied, resulting in a daughter DNA double helix containing one parental DNA strand and a newly synthesized strand.

ممارسة

Figure 3. In a double stranded DNA molecule, the two strands run antiparallel to one another so that one strand runs 5′ to 3′ and the other 3′ to 5′. The phosphate backbone is located on the outside, and the bases are in the middle. Adenine forms hydrogen bonds (or base pairs) with thymine, and guanine base pairs with cytosine.

A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

Ribonucleic acid, or RNA, is mainly involved in the process of protein synthesis under the direction of DNA. RNA is usually single-stranded and is made of ribonucleotides that are linked by phosphodiester bonds. A ribonucleotide in the RNA chain contains ribose (the pentose sugar), one of the four nitrogenous bases (A, U, G, and C), and the phosphate group.

There are four major types of RNA: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), transfer RNA (tRNA), and microRNA (miRNA). The first, mRNA, carries the message from DNA, which controls all of the cellular activities in a cell. If a cell requires a certain protein to be synthesized, the gene for this product is turned “on” and the messenger RNA is synthesized in the nucleus. The RNA base sequence is complementary to the coding sequence of the DNA from which it has been copied. However, in RNA, the base T is absent and U is present instead. If the DNA strand has a sequence AATTGCGC, the sequence of the complementary RNA is UUAACGCG. In the cytoplasm, the mRNA interacts with ribosomes and other cellular machinery (Figure 4).

Figure 4. A ribosome has two parts: a large subunit and a small subunit. The mRNA sits in between the two subunits. A tRNA molecule recognizes a codon on the mRNA, binds to it by complementary base pairing, and adds the correct amino acid to the growing peptide chain.

The mRNA is read in sets of three bases known as codons. Each codon codes for a single amino acid. In this way, the mRNA is read and the protein product is made. Ribosomal RNA (rRNA) is a major constituent of ribosomes on which the mRNA binds. The rRNA ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes the rRNA of the ribosome also has an enzymatic activity (peptidyl transferase) and catalyzes the formation of the peptide bonds between two aligned amino acids. Transfer RNA (tRNA) is one of the smallest of the four types of RNA, usually 70–90 nucleotides long. It carries the correct amino acid to the site of protein synthesis. It is the base pairing between the tRNA and mRNA that allows for the correct amino acid to be inserted in the polypeptide chain. microRNAs are the smallest RNA molecules and their role involves the regulation of gene expression by interfering with the expression of certain mRNA messages.


DNA replication and the cell cycle

DNA is copied during interphase of the cell cycle. Cells spend 90% of the time in this stage which includes three events, gap 1 (G1), synthesis (S), and gap 2 (G2). The DNA replication process occurs during the synthesis stage of interphase.

The DNA molecule is checked at various checkpoints during interphase to make sure that there are no errors. If errors are found then either the problem is fixed, often by enzymes, or the cell may be ordered to self-destruct (undergo apoptosis).

The replication process is known as semiconservative because it uses both the original strands to make copies and in the end each new DNA that is produced consists of one old strand and one new strand.

There are three main stages of the DNA replication process, initiation, elongation, and termination. The initiation is the start of the process, the elongation is when the strand is being formed and elongated. Termination is the end of the replication process.

The process can involve several different proteins and, in fact, research on the bacterium بكتريا قولونية has found that there are 20 different molecules involved in the replication of the genetic material.

In eukaryotic cells, there are also many molecules that work together in the process but there are three main enzymes that are involved, namely helicase, primase, and polymerase.

Helicase, primase, and polymerase

The DNA replication process involves various enzymes that catalyze reactions. The first enzyme involved is helicase which helps the DNA helix to unwind and the hydrogen bonds to break. These bonds are found between the corresponding bases of the two polynucleotide strands.

The bonds break and the two strands separate so that the next stage of replication can take place. A primer is put in place by the enzyme called primase. This primer is a particular sequence of bases that are added to the strand.

The next step of the replication process involves the activity of a third protein called polymerase. This enzyme carries pieces of nucleotides in towards the old strand. Both the original strands function as templates dictating the sequence by which the new bases will be added.

It is important to understand that the 5’ end of the DNA is the growing section and the process of replication actually occurs in the 5’ to 3’ direction. In other words, bases are added in this direction.

How the two new strands are created

There are two new strands created based on the original DNA polynucleotides. However, the formation of these two new strands takes place in a slightly different way.

A leading and a lagging strand is formed. The leading strand is made by bases being added to the template strand in a continual manner from 5’ to 3’.

The second strand is made in a different way and there are actually multiple starting points or initiation sites resulting in bases being added in a discontinuous way to produce what is called a lagging strand.

The lagging strands result in the formation of sections called Okazaki fragments. The enzyme DNA ligase has to be activated in order to fill in these gaps between the fragments in order to form a complete strand.


Transcription blockage by bulky end termini at single-strand breaks in the DNA template: differential effects of 5' and 3' adducts

RNA polymerases from phage-infected bacteria and mammalian cells have been shown to bypass single-strand breaks (SSBs) with a single-nucleotide gap in the template DNA strand during transcription elongation however, the SSB bypass efficiency varies significantly depending upon the backbone end chemistries at the break. Using a reconstituted T7 phage transcription system (T7 RNAP) and RNA polymerase II (RNAPII) in HeLa cell nuclear extracts, we observe a slight reduction in the level of transcription arrest at SSBs with no gap as compared to those with a single-nucleotide gap. We have shown that biotin and carbon-chain moieties linked to the 3' side, and in select cases the 5' side, of an SSB in the template strand strongly increase the level of transcription arrest when compared to unmodified SSBs. We also find that a small carbon-chain moiety linked to the upstream side of an SSB aids transcriptional bypass of SSBs for both T7 RNAP and RNAP II. Analysis of transcription across SSBs flanked by bulky 3' adducts reveals the ability of 3' end chemistries to arrest T7 RNAP in a size-dependent manner. T7 RNAP is also completely arrested when 3' adducts or 3'-phosphate groups are placed opposite 5'-phosphate groups at an SSB. We have also observed that a biotinylated thymine in the template strand (without a break) does not pose a strong block to transcription. Taken together, these results emphasize the importance of the size of 3', but usually not 5', end chemistries in arresting transcription at SSBs, substantiating the notion that bulky 3' lesions (e.g., topoisomerase cleavable complexes, 3'-phosphoglycolates, and 3'-unsaturated aldehydes) pose very strong blocks to transcribing RNA polymerases. These findings have implications for the processing of DNA damage through SSB intermediates and the mechanism of SSB bypass by T7 RNAP and mammalian RNAPII.

الأرقام

Protocol for making transcription substrates,…

Protocol for making transcription substrates, which consisted of two parts: a promoter-containing fragment,…

T7 RNAP transcription arrest at…

T7 RNAP transcription arrest at SSBs with naturally occurring end-chemistries. Runoff products (324nt)…

3′, but not 5′, moieties increase T7 transcription arrest at SSBs. A) Radiolabeled…

3′-C3, but not 5′-C3, moieties increase RNAP II transcription arrest at SSBs. A)…

Transcription arrest increases with increasing…

Transcription arrest increases with increasing size of bulky 3′ groups at SSBs with…


محتويات

A DNA transcription unit encoding for a protein may contain both a تسلسل الترميز, which will be translated into the protein, and regulatory sequences, which direct and regulate the synthesis of that protein. The regulatory sequence before ("upstream" from) the coding sequence is called the five prime untranslated region (5'UTR) the sequence after ("downstream" from) the coding sequence is called the three prime untranslated region (3'UTR). [3]

As opposed to DNA replication, transcription results in an RNA complement that includes the nucleotide uracil (U) in all instances where thymine (T) would have occurred in a DNA complement.

Only one of the two DNA strands serve as a template for transcription. The antisense strand of DNA is read by RNA polymerase from the 3' end to the 5' end during transcription (3' → 5'). The complementary RNA is created in the opposite direction, in the 5' → 3' direction, matching the sequence of the sense strand with the exception of switching uracil for thymine. This directionality is because RNA polymerase can only add nucleotides to the 3' end of the growing mRNA chain. This use of only the 3' → 5' DNA strand eliminates the need for the Okazaki fragments that are seen in DNA replication. [3] This also removes the need for an RNA primer to initiate RNA synthesis, as is the case in DNA replication.

ال عدم-template (sense) strand of DNA is called the coding strand, because its sequence is the same as the newly created RNA transcript (except for the substitution of uracil for thymine). This is the strand that is used by convention when presenting a DNA sequence. [5]

Transcription has some proofreading mechanisms, but they are fewer and less effective than the controls for copying DNA. As a result, transcription has a lower copying fidelity than DNA replication. [6]

Transcription is divided into initiation, promoter escape, استطالة، و نهاية. [7]

Setting up for transcription Edit

Enhancers, transcription factors, Mediator complex and DNA loops in mammalian transcription Edit

Setting up for transcription in mammals is regulated by many cis-regulatory elements, including core promoter and promoter-proximal elements that are located near the transcription start sites of genes. Core promoters combined with general transcription factors are sufficient to direct transcription initiation, but generally have low basal activity. [8] Other important cis-regulatory modules are localized in DNA regions that are distant from the transcription start sites. These include enhancers, silencers, insulators and tethering elements. [9] Among this constellation of elements, enhancers and their associated transcription factors have a leading role in the initiation of gene transcription. [10] An enhancer localized in a DNA region distant from the promoter of a gene can have a very large effect on gene transcription, with some genes undergoing up to 100-fold increased transcription due to an activated enhancer. [11]

المعززات هي مناطق الجينوم التي تعتبر عناصر تنظيم الجينات الرئيسية. Enhancers control cell-type-specific gene transcription programs, most often by looping through long distances to come in physical proximity with the promoters of their target genes. [12] While there are hundreds of thousands of enhancer DNA regions, [13] for a particular type of tissue only specific enhancers are brought into proximity with the promoters that they regulate. In a study of brain cortical neurons, 24,937 loops were found, bringing enhancers to their target promoters. [11] Multiple enhancers, each often at tens or hundred of thousands of nucleotides distant from their target genes, loop to their target gene promoters and can coordinate with each other to control transcription of their common target gene. [12]

يوضح الرسم التوضيحي التخطيطي في هذا القسم وجود مُحسِّن يدور حوله ليقترب من محفز الجين المستهدف. يتم تثبيت الحلقة بواسطة ثنائى بروتين موصل (على سبيل المثال dimer من CTCF أو YY1) ، مع تثبيت أحد أعضاء الثنائى على شكل الربط الخاص به على المحسن والعضو الآخر مثبت على شكل الربط الخاص به على المحفز (يمثله متعرج أحمر في الرسم التوضيحي). [14] Several cell function specific transcription factors (there are about 1,600 transcription factors in a human cell [15] ) generally bind to specific motifs on an enhancer [16] and a small combination of these enhancer-bound transcription factors, when brought close to a promoter by a DNA loop, govern level of transcription of the target gene. Mediator (a complex usually consisting of about 26 proteins in an interacting structure) communicates regulatory signals from enhancer DNA-bound transcription factors directly to the RNA polymerase II (pol II) enzyme bound to the promoter. [17]

Enhancers, when active, are generally transcribed from both strands of DNA with RNA polymerases acting in two different directions, producing two enhancer RNAs (eRNAs) as illustrated in the Figure. [18] An inactive enhancer may be bound by an inactive transcription factor. قد تؤدي الفسفرة لعامل النسخ إلى تنشيطه وقد يؤدي عامل النسخ النشط هذا إلى تنشيط المُحسِّن المرتبط به (انظر نجمة حمراء صغيرة تمثل فسفرة عامل النسخ المرتبط بالمُحسِّن في الرسم التوضيحي). [19] An activated enhancer begins transcription of its RNA before activating transcription of messenger RNA from its target gene. [20]

CpG island methylation and demethylation Edit

Transcription regulation at about 60% of promoters is also controlled by methylation of cytosines within CpG dinucleotides (where 5’ cytosine is followed by 3’ guanine or CpG sites). 5-methylcytosine (5-mC) is a methylated form of the DNA base cytosine (see Figure). 5-mC is an epigenetic marker found predominantly within CpG sites. About 28 million CpG dinucleotides occur in the human genome. [21] In most tissues of mammals, on average, 70% to 80% of CpG cytosines are methylated (forming 5-methylCpG or 5-mCpG). [22] Methylated cytosines within 5’cytosine-guanine 3’ sequences often occur in groups, called CpG islands. About 60% of promoter sequences have a CpG island while only about 6% of enhancer sequences have a CpG island. [23] CpG islands constitute regulatory sequences, since if CpG islands are methylated in the promoter of a gene this can reduce or silence gene transcription. [24]

DNA methylation regulates gene transcription through interaction with methyl binding domain (MBD) proteins, such as MeCP2, MBD1 and MBD2. These MBD proteins bind most strongly to highly methylated CpG islands. [25] These MBD proteins have both a methyl-CpG-binding domain as well as a transcription repression domain. [25] They bind to methylated DNA and guide or direct protein complexes with chromatin remodeling and/or histone modifying activity to methylated CpG islands. MBD proteins generally repress local chromatin such as by catalyzing the introduction of repressive histone marks, or creating an overall repressive chromatin environment through nucleosome remodeling and chromatin reorganization. [25]

As noted in the previous section, transcription factors are proteins that bind to specific DNA sequences in order to regulate the expression of a gene. The binding sequence for a transcription factor in DNA is usually about 10 or 11 nucleotides long. As summarized in 2009, Vaquerizas et al. indicated there are approximately 1,400 different transcription factors encoded in the human genome by genes that constitute about 6% of all human protein encoding genes. [26] About 94% of transcription factor binding sites (TFBSs) that are associated with signal-responsive genes occur in enhancers while only about 6% of such TFBSs occur in promoters. [16]

EGR1 protein is a particular transcription factor that is important for regulation of methylation of CpG islands. An EGR1 transcription factor binding site is frequently located in enhancer or promoter sequences. [27] There are about 12,000 binding sites for EGR1 in the mammalian genome and about half of EGR1 binding sites are located in promoters and half in enhancers. [27] The binding of EGR1 to its target DNA binding site is insensitive to cytosine methylation in the DNA. [27]

While only small amounts of EGR1 transcription factor protein are detectable in cells that are un-stimulated, translation of the EGR1 gene into protein at one hour after stimulation is drastically elevated. [28] Expression of EGR1 transcription factor proteins, in various types of cells, can be stimulated by growth factors, neurotransmitters, hormones, stress and injury. [28] In the brain, when neurons are activated, EGR1 proteins are up-regulated and they bind to (recruit) the pre-existing TET1 enzymes which are highly expressed in neurons. TET enzymes can catalyse demethylation of 5-methylcytosine. When EGR1 transcription factors bring TET1 enzymes to EGR1 binding sites in promoters, the TET enzymes can demethylate the methylated CpG islands at those promoters. Upon demethylation, these promoters can then initiate transcription of their target genes. Hundreds of genes in neurons are differentially expressed after neuron activation through EGR1 recruitment of TET1 to methylated regulatory sequences in their promoters. [27]

The methylation of promoters is also altered in response to signals. The three mammalian DNA methyltransferasess (DNMT1, DNMT3A, and DNMT3B) catalyze the addition of methyl groups to cytosines in DNA. While DNMT1 is a “maintenance” methyltransferase, DNMT3A and DNMT3B can carry out new methylations. There are also two splice protein isoforms produced from the DNMT3A gene: DNA methyltransferase proteins DNMT3A1 and DNMT3A2. [29]

The splice isoform DNMT3A2 behaves like the product of a classical immediate-early gene and, for instance, it is robustly and transiently produced after neuronal activation. [30] Where the DNA methyltransferase isoform DNMT3A2 binds and adds methyl groups to cytosines appears to be determined by histone post translational modifications. [31] [32] [33]

On the other hand, neural activation causes degradation of DNMT3A1 accompanied by reduced methylation of at least one evaluated targeted promoter. [34]

بدء تحرير

Transcription begins with the binding of RNA polymerase, together with one or more general transcription factors, to a specific DNA sequence referred to as a "promoter" to form an RNA polymerase-promoter "closed complex". In the "closed complex" the promoter DNA is still fully double-stranded. [7]

RNA polymerase, assisted by one or more general transcription factors, then unwinds approximately 14 base pairs of DNA to form an RNA polymerase-promoter "open complex". In the "open complex" the promoter DNA is partly unwound and single-stranded. The exposed, single-stranded DNA is referred to as the "transcription bubble." [7]

RNA polymerase, assisted by one or more general transcription factors, then selects a موقع بدء النسخ in the transcription bubble, binds to an initiating NTP and an extending NTP (or a short RNA primer and an extending NTP) complementary to the transcription start site sequence, and catalyzes bond formation to yield an initial RNA product. [7]

In bacteria, RNA polymerase holoenzyme consists of five subunits: 2 α subunits, 1 β subunit, 1 β' subunit, and 1 ω subunit. In bacteria, there is one general RNA transcription factor known as a sigma factor. RNA polymerase core enzyme binds to the bacterial general transcription (sigma) factor to form RNA polymerase holoenzyme and then binds to a promoter. [7] (RNA polymerase is called a holoenzyme when sigma subunit is attached to the core enzyme which is consist of 2 α subunits, 1 β subunit, 1 β' subunit only). Unlike eukaryotes, the initiating nucleotide of nascent bacterial mRNA is not capped with a modified guanine nucleotide. The initiating nucleotide of bacterial transcripts bears a 5′ triphosphate (5′-PPP), which can be used for genome-wide mapping of transcription initiation sites. [35]

In archaea and eukaryotes, RNA polymerase contains subunits homologous to each of the five RNA polymerase subunits in bacteria and also contains additional subunits. In archaea and eukaryotes, the functions of the bacterial general transcription factor sigma are performed by multiple general transcription factors that work together. [7] In archaea, there are three general transcription factors: TBP, TFB, and TFE. In eukaryotes, in RNA polymerase II-dependent transcription, there are six general transcription factors: TFIIA, TFIIB (an ortholog of archaeal TFB), TFIID (a multisubunit factor in which the key subunit, TBP, is an ortholog of archaeal TBP), TFIIE (an ortholog of archaeal TFE), TFIIF, and TFIIH. The TFIID is the first component to bind to DNA due to binding of TBP, while TFIIH is the last component to be recruited. In archaea and eukaryotes, the RNA polymerase-promoter closed complex is usually referred to as the "preinitiation complex." [36]

Transcription initiation is regulated by additional proteins, known as activators and repressors, and, in some cases, associated coactivators or corepressors, which modulate formation and function of the transcription initiation complex. [7]

Promoter escape Edit

After the first bond is synthesized, the RNA polymerase must escape the promoter. During this time there is a tendency to release the RNA transcript and produce truncated transcripts. This is called abortive initiation, and is common for both eukaryotes and prokaryotes. [37] Abortive initiation continues to occur until an RNA product of a threshold length of approximately 10 nucleotides is synthesized, at which point promoter escape occurs and a transcription elongation complex is formed.

Mechanistically, promoter escape occurs through DNA scrunching, providing the energy needed to break interactions between RNA polymerase holoenzyme and the promoter. [38]

In bacteria, it was historically thought that the sigma factor is definitely released after promoter clearance occurs. This theory had been known as the obligate release model. However, later data showed that upon and following promoter clearance, the sigma factor is released according to a stochastic model known as the stochastic release model. [39]

In eukaryotes, at an RNA polymerase II-dependent promoter, upon promoter clearance, TFIIH phosphorylates serine 5 on the carboxy terminal domain of RNA polymerase II, leading to the recruitment of capping enzyme (CE). [40] [41] The exact mechanism of how CE induces promoter clearance in eukaryotes is not yet known.

Elongation Edit

One strand of the DNA, the ستراند قالب (or noncoding strand), is used as a template for RNA synthesis. As transcription proceeds, RNA polymerase traverses the template strand and uses base pairing complementarity with the DNA template to create an RNA copy (which elongates during the traversal). Although RNA polymerase traverses the template strand from 3' → 5', the coding (non-template) strand and newly formed RNA can also be used as reference points, so transcription can be described as occurring 5' → 3'. This produces an RNA molecule from 5' → 3', an exact copy of the coding strand (except that thymines are replaced with uracils, and the nucleotides are composed of a ribose (5-carbon) sugar where DNA has deoxyribose (one fewer oxygen atom) in its sugar-phosphate backbone). [ بحاجة لمصدر ]

mRNA transcription can involve multiple RNA polymerases on a single DNA template and multiple rounds of transcription (amplification of particular mRNA), so many mRNA molecules can be rapidly produced from a single copy of a gene. [ بحاجة لمصدر ] The characteristic elongation rates in prokaryotes and eukaryotes are about 10-100 nts/sec. [42] In eukaryotes, however, nucleosomes act as major barriers to transcribing polymerases during transcription elongation. [43] [44] In these organisms, the pausing induced by nucleosomes can be regulated by transcription elongation factors such as TFIIS. [44]

Elongation also involves a proofreading mechanism that can replace incorrectly incorporated bases. In eukaryotes, this may correspond with short pauses during transcription that allow appropriate RNA editing factors to bind. These pauses may be intrinsic to the RNA polymerase or due to chromatin structure. [ بحاجة لمصدر ]

Termination Edit

Bacteria use two different strategies for transcription termination – Rho-independent termination and Rho-dependent termination. In Rho-independent transcription termination, RNA transcription stops when the newly synthesized RNA molecule forms a G-C-rich hairpin loop followed by a run of Us. When the hairpin forms, the mechanical stress breaks the weak rU-dA bonds, now filling the DNA–RNA hybrid. This pulls the poly-U transcript out of the active site of the RNA polymerase, terminating transcription. In the "Rho-dependent" type of termination, a protein factor called "Rho" destabilizes the interaction between the template and the mRNA, thus releasing the newly synthesized mRNA from the elongation complex. [45]

Transcription termination in eukaryotes is less well understood than in bacteria, but involves cleavage of the new transcript followed by template-independent addition of adenines at its new 3' end, in a process called polyadenylation. [46]


إستجابة مجانية

What are the structural differences between RNA and DNA?

DNA has a double-helix structure. The sugar and the phosphate are on the outside of the helix and the nitrogenous bases are in the interior. The monomers of DNA are nucleotides containing deoxyribose, one of the four nitrogenous bases (A, T, G and C), and a phosphate group. RNA is usually single-stranded and is made of ribonucleotides that are linked by phosphodiester linkages. A ribonucleotide contains ribose (the pentose sugar), one of the four nitrogenous bases (A,U, G, and C), and the phosphate group.

What are the four types of RNA and how do they function?

The four types of RNA are messenger RNA, ribosomal RNA, transfer RNA, and microRNA. Messenger RNA carries the information from the DNA that controls all cellular activities. The mRNA binds to the ribosomes that are constructed of proteins and rRNA, and tRNA transfers the correct amino acid to the site of protein synthesis. microRNA regulates the availability of mRNA for translation.


شاهد الفيديو: How is Phosphodiester Bond formed in DNA? Why the Name? (أغسطس 2022).