lärandemål

huvudmål

  • förklara processen genom vilken en cell bygger proteiner med hjälp av DNA-koden

i slutet av detta avsnitt kommer du att kunna använda en cell för att:

  • förklara hur den genetiska koden inom DNA bestämmer de bildade proteinerna
  • beskriv transkriptionsprocessen
  • förklara översättningsprocessen
  • diskutera funktionen av ribosomer

det nämndes tidigare att DNA ger en ”ritning” för cellstrukturen och fysiologin. Detta hänvisar till det faktum att DNA innehåller den information som krävs för att cellen ska kunna bygga en mycket viktig typ av molekyl: proteinet. De flesta strukturella komponenterna i cellen består åtminstone delvis av proteiner och praktiskt taget alla funktioner som en cell utför kompletteras med hjälp av proteiner. En av de viktigaste klasserna av proteiner är enzymer, vilket hjälper till att påskynda nödvändiga biokemiska reaktioner som äger rum inuti cellen. Några av dessa kritiska biokemiska reaktioner inkluderar att bygga större molekyler från mindre komponenter (såsom vad som inträffar under DNA-replikation eller syntes av mikrotubuli) och bryta ner större molekyler i mindre komponenter (till exempel vid skörd av kemisk energi från näringsmolekyler). Oavsett cellprocessen kan det vara nästan säkert att involvera proteiner. Precis som cellens genom beskriver dess fulla komplement av DNA, är en Cells proteom dess fulla komplement av proteiner. Proteinsyntes börjar med gener. En gen är ett funktionellt segment av DNA som ger den genetiska informationen som är nödvändig för att bygga ett protein. Varje enskild gen ger koden som är nödvändig för att konstruera ett visst protein. Genuttryck, som omvandlar informationen kodad i en gen till en slutlig genprodukt, dikterar slutligen strukturen och funktionen hos en cell genom att bestämma vilka proteiner som görs.

tolkningen av gener fungerar på följande sätt. Minns att proteiner är polymerer, eller kedjor, av många aminosyra byggstenar. Sekvensen av baser i en gen (det vill säga dess sekvens av A, T, C, G nukleotider) översätts till en aminosyrasekvens. En triplett är en sektion av tre DNA-baser i rad som kodar för en specifik aminosyra. Exempelvis specificerar DNA-tripletten CAC (cytosin, adenin och cytosin) aminosyran valin. Därför tillhandahåller en gen, som består av flera tripletter i en unik sekvens, koden för att bygga ett helt protein, med flera aminosyror i rätt sekvens (figur 3.4.1). Mekanismen genom vilken celler förvandlar DNA-koden till en proteinprodukt är en tvåstegsprocess, med en RNA-molekyl som mellanprodukt.

detta diagram visar översättningen av RNA till proteiner. En DNA-Mallsträng visas bli en RNA-sträng genom transkription. Sedan genomgår RNA-strängen översättning och blir proteiner.
figur 3.4.1-den genetiska koden: DNA innehåller all genetisk information som behövs för att bygga en Cells proteiner. Nukleotidsekvensen av en gen översätts slutligen till en aminosyrasekvens av genens motsvarande protein.

från DNA till RNA: transkription

DNA är inrymt i kärnan och proteinsyntes sker i cytoplasman, så det måste finnas någon form av mellanliggande budbärare som lämnar kärnan och hanterar proteinsyntes. Denna mellanliggande budbärare är messenger RNA (mRNA), (Figur 3.29), en enkelsträngad nukleinsyra som bär en kopia av den genetiska koden för en enda gen ut ur kärnan och in i cytoplasman där den används för att producera proteiner.

det finns flera olika typer av RNA, var och en har olika funktioner i cellen. Strukturen av RNA liknar DNA med några få små undantag. För en sak, till skillnad från DNA, är de flesta typer av RNA, inklusive mRNA, enkelsträngade och innehåller ingen komplementär sträng. För det andra innehåller ribossockret i RNA en ytterligare syreatom jämfört med DNA. Slutligen, istället för bastymin, innehåller RNA basen uracil. Detta innebär att adenin alltid kommer att para ihop med uracil under proteinsyntesprocessen.

genuttryck börjar med processen som kallas transkription, vilket är syntesen av en sträng av mRNA som är komplementär till genen av intresse. Denna process kallas transkription eftersom mRNA är som ett transkript eller kopia av genens DNA-kod. Transkription börjar på ett sätt som liknar DNA-replikation, genom att en region av DNA avvecklas och de två strängarna separeras, men endast den lilla delen av DNA kommer att delas isär. Tripletterna inom genen på denna del av DNA-molekylen används som mall för att transkribera den komplementära strängen av RNA (figur 3.4.2). Ett kodon är en tre-bassekvens av mRNA, så kallad eftersom de direkt kodar aminosyror. Liksom DNA-replikation finns det tre steg till transkription: initiering, förlängning och avslutning.

i detta diagram visas RNA-polymeras transkribering av en DNA-Mallsträng i dess motsvarande RNA-transkript.
figur 3.4.2-transkription: från DNA till mRNA: i det första av de två stegen för att göra protein från DNA transkriberas en gen på DNA-molekylen till en komplementär mRNA-molekyl.

i det första av de två stegen för att göra protein från DNA transkriberas en gen på DNA-molekylen till en komplementär mRNA-molekyl.

Steg 1: initiering. En region i början av genen som kallas en promotor—en viss sekvens av nukleotider—utlöser transkriptionsstart.

steg 2: förlängning. Transkription börjar när RNA-polymeras avlindar DNA-segmentet. En sträng, kallad kodningssträngen, blir mallen med generna som ska kodas. Polymeraset justerar sedan den korrekta nukleinsyran (A, C, G eller U) med sin komplementära bas på den kodande DNA-strängen. RNA-polymeras är ett enzym som tillför nya nukleotider till en växande RNA-sträng. Denna process bygger en sträng av mRNA.

steg 3: uppsägning. När polymeraset har nått slutet av genen kodar en av tre specifika tripletter (UAA, UAG eller UGA) en ”stop” – signal, som utlöser enzymerna för att avsluta transkriptionen och frigöra mRNA-transkriptet.transkriptionsprocessen regleras av en klass av proteiner som kallas transkriptionsfaktorer, vilka binder till gensekvensen och antingen främjar eller hämmar deras transkription. (flytta figur 3.35 här).

innan mRNA-molekylen lämnar kärnan och fortsätter till proteinsyntes modifieras den på ett antal sätt. Av denna anledning kallas det ofta en pre-mRNA i detta skede. Till exempel innehåller ditt DNA, och därmed kompletterande mRNA, långa regioner som kallas icke-kodande regioner som inte kodar för aminosyror. Deras funktion är fortfarande ett mysterium, men processen som kallas skarvning tar bort dessa icke-kodande regioner från pre-mRNA-transkriptet (figur 3.4.3). En spliceosom-en struktur som består av olika proteiner och andra molekyler—fäster vid mRNA och ”skarvar” eller skär ut de icke-kodande regionerna. Det borttagna segmentet av transkriptet kallas en intron. De återstående exonerna klistras ihop. En exon är ett segment av RNA som kvarstår efter skarvning. Intressant är att vissa introner som tas bort från mRNA inte alltid är icke-kodande. När olika kodande regioner av mRNA skarvas ut, kommer olika variationer av proteinet så småningom att resultera, med skillnader i struktur och funktion. Denna process resulterar i en mycket större mängd möjliga proteiner och proteinfunktioner. När mRNA-transkriptet är klart reser det ut ur kärnan och in i cytoplasman.

extern webbplats

den här videon visar dig de viktiga enzymerna och biomolekylerna som är involverade i transkriptionsprocessen, processen att göra en mRNA-molekyl från DNA.

i detta diagram visas ett pre-mRNA-transkript i toppen av ett flödesschema. Detta pre-mRNA-transkript innehåller introner och exoner. I nästa steg är intron i en struktur som kallas spliceosomen. I det sista steget visas intron separerad från det skarvade RNA.
figur 3.4.3-skarvning av DNA: I kärnan skär en struktur som kallas en spliceosom ut introner (icke-kodande regioner) inom ett pre-mRNA-transkript och återansluter exonerna.

från RNA till Protein: översättning

som att översätta en bok från ett språk till ett annat måste kodonerna på en sträng av mRNA översättas till aminosyraalfabetet av proteiner. Översättning är processen att syntetisera en kedja av aminosyror som kallas en polypeptid. Översättning kräver två stora hjälpmedel: först en ”översättare”, molekylen som kommer att genomföra översättningen, och för det andra ett substrat på vilket mRNA-strängen översätts till ett nytt protein, som översättarens ” skrivbord.”Båda dessa krav uppfylls av andra typer av RNA. Substratet på vilket översättning sker är ribosomen.

Kom ihåg att många av en Cells ribosomer finns associerade med den grova ER och utför syntesen av proteiner avsedda för Golgi-apparaten. Ribosomalt RNA (rRNA) är en typ av RNA som tillsammans med proteiner komponerar strukturen hos ribosomen. Ribosomer finns i cytoplasman som två distinkta komponenter, en liten och en stor subenhet. När en mRNA-molekyl är redo att översättas, kommer de två underenheterna samman och fäster vid mRNA. Ribosomen ger ett substrat för översättning, sammanför och anpassar mRNA-molekylen med de molekylära ”översättarna” som måste dechiffrera sin kod.

det andra stora kravet på proteinsyntes är översättarmolekylerna som fysiskt ”läser” mRNA-kodonerna. Överför RNA (tRNA) är en typ av RNA som färjer lämpliga motsvarande aminosyror till ribosomen och fäster varje ny aminosyra till den sista och bygger polypeptidkedjan en efter en. Således överför tRNA specifika aminosyror från cytoplasman till en växande polypeptid. TRNA-molekylerna måste kunna känna igen kodonerna på mRNA och matcha dem med rätt aminosyra. TRNA är modifierat för denna funktion. I ena änden av dess struktur är en bindningsplats för en specifik aminosyra. I den andra änden är en bassekvens som matchar kodonet som specificerar dess speciella aminosyra. Denna sekvens av tre baser på tRNA-molekylen kallas en anticodon. Till exempel innehåller en tRNA som är ansvarig för shuttling aminosyran glycin en bindningsplats för glycin i ena änden. I andra änden innehåller den ett antikodon som kompletterar glycinkodonet (GGA är ett kodon för glycin, och så skulle tRNAs anticodon läsa CCU). Utrustad med sin speciella last och matchande antikodon kan en tRNA-molekyl läsa sitt erkända mRNA-kodon och föra motsvarande aminosyra till den växande kedjan (figur 3.4.4).

den övre delen av denna figur visar en stor ribosomal subenhet som kommer i kontakt med mRNA som redan har den lilla ribosomala subenheten bifogad. TRNA och anticodon finns i närheten. I den andra panelen binder tRNA också till samma plats som de ribosomala underenheterna. I bottenpanelen visas en polypeptidkedja som kommer ut från komplexet.
figur 3.4.4-översättning från RNA till Protein: under översättning ”läses” mRNA-transkriptet av ett funktionellt komplex bestående av ribosomen och tRNA-molekylerna. tRNA ger lämpliga aminosyror i följd till den växande polypeptidkedjan genom att matcha deras anti-kodon med kodon på mRNA-strängen.

ungefär som processerna för DNA-replikation och transkription består översättning av tre huvudfaser: initiering, förlängning och avslutning. Initiering sker med bindning av en ribosom till ett mRNA-transkript. Förlängningssteget innebär erkännande av ett tRNA-antikodon med nästa mRNA-kodon i sekvensen. När antikodon-och kodonsekvenserna är bundna (kom ihåg att de är komplementära baspar) presenterar tRNA sin aminosyralast och den växande polypeptidsträngen är fäst vid denna nästa aminosyra. Denna bilaga sker med hjälp av olika enzymer och kräver energi. TRNA-molekylen släpper sedan mRNA-strängen, mRNA-strängen skiftar ett kodon över i ribosomen, och nästa lämpliga tRNA kommer med sitt matchande antikodon. Denna process fortsätter tills det slutliga kodonet på mRNA nås vilket ger ett ”stopp” – meddelande som signalerar uppsägning av översättning och utlöser frisättningen av det fullständiga, nysyntetiserade proteinet. Således transkriberas en gen inom DNA-molekylen till mRNA, som sedan översätts till en proteinprodukt (figur 3.4.5).

extern webbplats

den här videon visar dig de viktiga enzymerna och biomolekylerna som är involverade i översättningsprocessen, som använder mRNA för att koda för ett protein.

denna figur visar en schematisk av en cell där transkription från DNA till mRNA sker inuti kärnan och översättning från mRNA till protein sker i cytoplasman.
figur 3.4.5-från DNA till Protein: transkription genom översättning: Transkription inom cellkärnan producerar en mRNA-molekyl, som modifieras och sedan skickas in i cytoplasman för översättning. Transkriptet avkodas till ett protein med hjälp av en ribosom och tRNA-molekyler.

vanligtvis kommer en mRNA-transkription att översättas samtidigt av flera intilliggande ribosomer. Detta ökar effektiviteten av proteinsyntesen. En enda ribosom kan översätta en mRNA-molekyl på ungefär en minut; så flera ribosomer ombord på ett enda transkript kan producera flera gånger antalet av samma protein i samma minut. En polyribosom är en sträng av ribosomer översätta en enda mRNA sträng.

extern webbplats

QR-kod som representerar en URL

titta på den här videon för att lära dig mer om ribosomer. Ribosomen binder till mRNA-molekylen för att starta översättningen av dess kod till ett protein. Vad händer med de små och stora ribosomala underenheterna i slutet av översättningen?

Kapitel granskning

DNA lagrar den information som krävs för att instruera cellen att utföra alla dess funktioner. Celler använder den genetiska koden lagrad i DNA för att bygga proteiner, vilket i slutändan bestämmer cellens struktur och funktion. Denna genetiska kod ligger i den speciella sekvensen av nukleotider som utgör varje gen längs DNA-molekylen. För att” läsa ” den här koden måste cellen utföra två sekventiella steg. I det första steget, transkription, omvandlas DNA-koden till en RNA-kod. En molekyl av budbärar-RNA som är komplementär till en specifik gen syntetiseras i en process som liknar DNA-replikation. Molekylen av mRNA ger koden för att syntetisera ett protein. I översättningsprocessen fäster mRNA till en ribosom. Därefter överför tRNA-molekyler de lämpliga aminosyrorna till ribosomen, en efter en, kodad av sekventiella triplettkodoner på mRNA, tills proteinet är fullständigt syntetiserat. När det är klart lossnar mRNA från ribosomen och proteinet frigörs. Typiskt fäster flera ribosomer till en enda mRNA-molekyl på en gång så att flera proteiner kan tillverkas från mRNA samtidigt.

granska frågor

kritiskt tänkande frågor

förklara kort likheterna mellan transkription och DNA-replikation.

transkription och DNA-replikation involverar båda syntesen av nukleinsyror. Dessa processer delar många gemensamma funktioner-särskilt liknande processer för initiering, förlängning och uppsägning. I båda fallen måste DNA-molekylen lossas och separeras, och kodningssträngen (dvs sense) kommer att användas som en mall. Polymeraser tjänar också till att tillsätta nukleotider till den växande DNA-eller mRNA-strängen. Båda processerna signaleras att avslutas när de är färdiga.

kontrast transkription och översättning. Ange minst tre skillnader mellan de två processerna.transkription är verkligen en” kopia ” – process och översättning är verkligen en ”tolkning” – process, eftersom transkription innebär att kopiera DNA-meddelandet till ett mycket liknande RNA-meddelande medan översättning innebär att omvandla RNA-meddelandet till det mycket olika aminosyrameddelandet. De två processerna skiljer sig också åt i deras läge: transkription sker i kärnan och översättning i cytoplasman. Mekanismerna genom vilka de två processerna utförs är också helt olika: transkription använder polymerasenzymer för att bygga mRNA medan översättning använder olika typer av RNA för att bygga protein.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *