عملکرد RNA انتقالی ساختار و عملکرد RNA

انتقال RNA ها، ساختار و مکانیسم عملکردی.

RNA انتقالی (tRNA) نقش مهمی در فرآیند استفاده از اطلاعات ارثی توسط یک سلول دارد. با رساندن اسیدهای آمینه لازم به محل مونتاژ زنجیره های پپتیدی، tRNA به عنوان یک واسطه ترجمه عمل می کند.

مولکول های tRNA زنجیره های پلی نوکلئوتیدی هستند که از توالی های DNA خاصی سنتز می شوند. آنها از تعداد نسبتا کمی نوکلئوتید -75-95 تشکیل شده اند. در نتیجه اتصال مکمل بازهایی که در قسمت های مختلف زنجیره پلی نوکلئوتیدی tRNA قرار دارند، ساختاری شبیه به برگ شبدر به دست می آورد (شکل 3.26).

برنج. 3.26. ساختار یک مولکول tRNA معمولی.

دارای چهار بخش اصلی است که عملکردهای مختلفی را انجام می دهند. پذیرنده"ساقه" توسط دو قسمت انتهایی tRNA بهم پیوسته تشکیل می شود. از هفت جفت پایه تشکیل شده است. انتهای 3 اینچی این ساقه کمی بلندتر است و یک ناحیه تک رشته ای را تشکیل می دهد که به دنباله ای CCA با گروه آزاد OH ختم می شود. اسید آمینه منتقل شده به این انتها متصل است. سه شاخه باقیمانده توالی های نوکلئوتیدی زوج مکمل هستند که به پایان می رسد. در نواحی جفت نشده ای که حلقه ها را تشکیل می دهند، یکی از شاخه های میانی - آنتی کدون - از پنج جفت نوکلئوتید تشکیل شده است و یک آنتی کدون در مرکز حلقه آن وجود دارد. توسط این tRNA به محل سنتز پپتید.

بین شاخه های گیرنده و آنتی کدون دو شاخه جانبی وجود دارد. در حلقه های خود آنها حاوی پایه های اصلاح شده هستند - دی هیدرووریدین (D-loop) و یک TψC سه گانه، که در آن \y پسودوریدین (T^C-حلقه) است.

بین شاخه های Aiticodon و T^C یک حلقه اضافی وجود دارد که شامل 3-5 تا 13-21 نوکلئوتید می شود.

به طور کلی، انواع مختلف tRNA با ثبات خاصی از توالی نوکلئوتیدی مشخص می شود که اغلب از 76 نوکلئوتید تشکیل شده است. تغییر در تعداد آنها عمدتاً به دلیل تغییر در تعداد نوکلئوتیدها در حلقه اضافی است. نواحی مکمل که از ساختار tRNA پشتیبانی می کنند معمولاً حفظ می شوند. ساختار اولیه tRNA که توسط توالی نوکلئوتیدی تعیین می شود، ساختار ثانویه tRNA را تشکیل می دهد که به شکل برگ شبدر است. به نوبه خود، ساختار ثانویه ساختار سوم سه بعدی را تعیین می کند که با تشکیل دو مارپیچ دوتایی عمود بر هم مشخص می شود (شکل 3.27). یکی از آنها توسط شاخه های گیرنده و TψC و دیگری توسط شاخه های آنتی کدون و D تشکیل می شود.

اسید آمینه منتقل شده در انتهای یکی از مارپیچ های دوتایی و آنتی کدون در انتهای دیگری قرار دارد. این مناطق تا حد امکان از یکدیگر فاصله دارند. پایداری ساختار سوم tRNA به دلیل وقوع پیوندهای هیدروژنی اضافی بین پایه های زنجیره پلی نوکلئوتیدی که در قسمت های مختلف آن قرار دارد، اما از نظر مکانی در ساختار سوم نزدیک است، حفظ می شود.

انواع مختلف tRNA ساختار سوم مشابهی دارند، هرچند با برخی تغییرات.

برنج. 3.27. سازمان فضایی tRNA:

I - ساختار ثانویه tRNA به شکل "برگ شبدر" که توسط ساختار اولیه آن تعیین می شود (توالی نوکلئوتیدها در زنجیره).

II - طرح ریزی دو بعدی ساختار سوم tRNA.

III - نمودار آرایش مولکول tRNA در فضا

ضمیمه (در صورتی که کسی این را متوجه نشود)

دندان های رعد و برق - نوکلئوتیدها (آدنین-تیمین/اوراسیل/، گوانین-سیتازین). تمام رعد و برق ها DNA هستند.

برای انتقال اطلاعات از DNA، 2 رشته باید شکسته شود. پیوند بین A-T و G-C هیدروژن است، بنابراین به راحتی توسط آنزیم هلیکاز شکسته می شود:

برای جلوگیری از ایجاد گره (من یک حوله را به عنوان مثال پیچاندم):

برای جلوگیری از پیچ خوردگی زنجیره، یک رشته DNA در مبدا همانندسازی توسط توپوایزومراز قطع می شود.

هنگامی که یک نخ آزاد است، دومی به راحتی می تواند حول محور خود بچرخد، در نتیجه تنش را در هنگام "باز کردن" کاهش می دهد. گره ها ظاهر می شوند، انرژی ذخیره می شود.

سپس، یک آغازگر RNA برای شروع مونتاژ RNA مورد نیاز است. پروتئینی که mRNA را جمع‌آوری می‌کند نمی‌تواند به سادگی اولین نوکلئوتید را جمع‌آوری کند، برای شروع به یک قطعه RNA نیاز دارد (در آنجا به تفصیل نوشته شده است، بعداً آن را خواهم نوشت). این قطعه پرایمر RNA نامیده می شود. و این پروتئین در حال حاضر اولین نوکلئوتید را به آن متصل می کند.

آیا سنتز یک مولکول پروتئین بر اساس RNA پیام رسان (ترجمه) است. با این حال، بر خلاف رونویسی، یک توالی نوکلئوتیدی نمی تواند مستقیماً به یک توالی اسید آمینه ترجمه شود، زیرا این ترکیبات ماهیت شیمیایی متفاوتی دارند. بنابراین، ترجمه به واسطه ای به شکل RNA انتقالی (tRNA) نیاز دارد که وظیفه آن ترجمه کد ژنتیکی به "زبان" اسیدهای آمینه است.

مشخصات کلی RNA انتقالی

RNA های انتقالی یا tRNA ها مولکول های کوچکی هستند که اسیدهای آمینه را به محل سنتز پروتئین (ریبوزوم) می رسانند. مقدار این نوع اسید ریبونوکلئیک در سلول تقریباً 10 درصد کل مخزن RNA است.

مانند سایر انواع tRNA، از زنجیره ای از ریبونوکلئوزید تری فسفات تشکیل شده است. طول توالی نوکلئوتیدی 70-90 واحد است و حدود 10 درصد ترکیب مولکول را اجزای فرعی تشکیل می دهد.

با توجه به این واقعیت که هر اسید آمینه ناقل مخصوص به خود را به شکل tRNA دارد، سلول تعداد زیادی از انواع این مولکول را سنتز می کند. بسته به نوع موجود زنده، این شاخص از 80 تا 100 متغیر است.

توابع tRNA

RNA انتقالی تامین کننده سوبسترای سنتز پروتئین است که در ریبوزوم ها اتفاق می افتد. به دلیل توانایی منحصر به فرد برای اتصال به هر دو اسید آمینه و توالی الگو، tRNA عملکرد یک آداپتور حس را هنگام ترجمه اطلاعات ژنتیکی از فرم RNA به فرم پروتئین انجام می دهد. برهمکنش چنین واسطه ای با ماتریس کدگذاری، مانند رونویسی، بر اساس اصل مکمل بودن بازهای نیتروژنی است.

وظیفه اصلی tRNA پذیرش واحدهای اسید آمینه و انتقال آنها به دستگاه سنتز پروتئین است. در پشت این فرآیند فنی یک معنای بیولوژیکی عظیم وجود دارد - اجرای کد ژنتیکی. اجرای این فرآیند بر اساس ویژگی های زیر است:

• همه اسیدهای آمینه توسط سه گانه نوکلئوتیدی کدگذاری می شوند.
• برای هر سه گانه (یا کدون) یک آنتی کدون وجود دارد که بخشی از tRNA است.
• هر tRNA فقط می تواند به یک اسید آمینه خاص متصل شود.

بنابراین، توالی اسید آمینه یک پروتئین مشخص می شود که کدام tRNA ها و به چه ترتیبی به طور مکمل با RNA پیام رسان در طول ترجمه برهمکنش خواهند داشت. این امر به دلیل وجود مراکز عملکردی در RNA انتقالی امکان پذیر است که یکی از آنها مسئول افزودن انتخابی یک اسید آمینه و دیگری برای اتصال به یک کدون است. بنابراین، توابع ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند.

ساختار RNA انتقالی

منحصر به فرد tRNA این است که ساختار مولکولی آن خطی نیست. این شامل مناطق مارپیچ دو رشته ای به نام ساقه و 3 حلقه تک رشته ای است. این ترکیب شبیه به برگ شبدر است.

ساقه های زیر در ساختار tRNA متمایز می شوند:

• پذیرنده؛
• آنتی کدون؛
• دی هیدرووریدیل;
• pseudouridyl;
• اضافی

مارپیچ های دوتایی ساقه ها شامل 5 تا 7 جفت واتسون-کریکسون است. در انتهای ساقه پذیرنده زنجیره کوچکی از نوکلئوتیدهای جفت نشده وجود دارد که 3-هیدروکسیل آن محل اتصال مولکول اسید آمینه مربوطه است.

ناحیه ساختاری برای اتصال با mRNA یکی از حلقه های tRNA است. این آنتی کدون مکمل سه گانه حسی است.

ساختار سوم مولکول

"برگ شبدر" ساختار ثانویه tRNA است، اما به دلیل تا شدن، مولکول یک ترکیب L شکل پیدا می کند که توسط پیوندهای هیدروژنی اضافی در کنار هم نگه داشته می شود.

شکل L ساختار سوم tRNA است و از دو مارپیچ A-RNA تقریباً عمود بر هم تشکیل شده است که طول آن 7 نانومتر و ضخامت آن 2 نانومتر است. این شکل از مولکول فقط 2 انتهای دارد که روی یکی از آنها یک آنتی کدون و در سمت دیگر یک مرکز پذیرنده وجود دارد.

ویژگی های اتصال tRNA به اسید آمینه

فعال سازی اسیدهای آمینه (افزودن آنها به RNA انتقالی) توسط آمینواسیل-tRNA سنتتاز انجام می شود. این آنزیم به طور همزمان 2 عملکرد مهم را انجام می دهد:

• تشکیل پیوند کووالانسی بین گروه 3'-هیدروکسیل ساقه پذیرنده و اسید آمینه را کاتالیز می کند.
• اصل تطابق انتخابی را فراهم می کند.

هر یک از آنها آمینواسیل-tRNA سنتتاز خاص خود را دارند. این فقط می تواند با نوع مناسب مولکول حمل و نقل تعامل کند. این بدان معنی است که آنتی کدون دومی باید مکمل سه گانه ای باشد که این اسید آمینه خاص را کد می کند. به عنوان مثال، لوسین سنتتاز تنها به tRNA هدفدار لوسین متصل می شود.

مولکول آمینواسیل-tRNA سنتتاز دارای سه محفظه اتصال به نوکلئوتید است که ترکیب و بار آنها مکمل نوکلئوتیدهای آنتی کدون مربوطه در tRNA است. بنابراین، آنزیم مولکول انتقال مورد نظر را تعیین می کند. خیلی کمتر، قطعه شناسایی توالی نوکلئوتیدی ساقه پذیرنده است.

آمینواسیل-tRNA سنتتاز (ARCase) یک آنزیم سنتتاز است که تشکیل aminoacyl-tRNA را در واکنش استری شدن یک اسید آمینه خاص با مولکول tRNA مربوطه آن کاتالیز می کند. هر اسید آمینه آمینواسیل-tRNA سنتتاز خاص خود را دارد. ARSaseها انطباق با سه گانه نوکلئوتیدی کد ژنتیکی (آنتی کدون tRNA) اسیدهای آمینه ساخته شده در پروتئین را تضمین می کنند و بنابراین از صحت خواندن بعدی اطلاعات ژنتیکی از mRNA در طول سنتز پروتئین روی ریبوزوم ها اطمینان حاصل می کنند. اکثر APCase ها از 1، 2 یا 4 زنجیره پلی پپتیدی یکسان تشکیل شده اند. وزن مولکولی زنجیره های پلی پپتیدی 30-140 هزار است. 3 قطعه وجود دارد. ناحيه اول ويژگي آن براي همه آنزيم ها يكسان است. ناحيه دوم داراي ويژگي دقيقي است كه در اينجا AK متصل مي شود، به همين دليل است كه به عنوان مثال، ARSase ناميده مي شود. ناحیه سوم نیز یک ناحیه کاملاً خاص است و فقط می تواند به یک tRNA خاص متصل شود. بنابراین، آنزیم برای شناسایی اسید آمینه و tRNA ضروری است.

ویژگی واکنش های کاتالیز شده توسط APCase ها بسیار بالا است که دقت سنتز پروتئین در یک سلول زنده را تعیین می کند. اگر A. آمینواسیلاسیون اشتباه یک tRNA را با یک اسید آمینه مشابه در ساختار انجام دهد، اصلاح از طریق هیدرولیز AA-tRNA های اشتباه که توسط همان APCase به AA و tRNA کاتالیز می شوند، رخ می دهد. سیتوپلاسم شامل مجموعه ای کامل از کلروپلاست ها است و میتوکندری ها APCase های خاص خود را دارند.

انتقال RNA ساختار، توابع. ساختار ریبوزوم ها

همه tRNA ها هم در ساختار اولیه خود و هم در نحوه تا شدن زنجیره پلی نوکلئوتیدی به یک ساختار ثانویه به دلیل برهمکنش بین پایه های باقی مانده های نوکلئوتیدی دارای ویژگی های مشترک هستند.

ساختار اولیه tRNA

tRNA ها مولکول های نسبتا کوچکی هستند، طول زنجیره های آنها از 74 تا 95 باقی مانده نوکلئوتیدی متغیر است. تمام tRNA ها انتهای 3 اینچی یکسانی دارند که از دو باقی مانده سیتوزین و یک باقیمانده آدنوزین (انتهای CCA) ساخته شده اند. این آدنوزین انتهایی 3 اینچی است که در طول تشکیل aminoacyl-tRNA به باقی مانده اسید آمینه متصل می شود. انتهای CCA توسط یک آنزیم خاص به بسیاری از tRNA ها متصل می شود. سه گانه نوکلئوتیدی مکمل کدون یک اسید آمینه (آنتیکودون) تقریباً در وسط زنجیره tRNA قرار دارد. در موقعیت های خاصی در توالی، تقریباً همه انواع tRNA حاوی باقی مانده های نوکلئوتیدی (حفظ شده) یکسانی هستند. برخی از موقعیت ها ممکن است فقط حاوی پایه های پورین یا فقط پیریمیدین باشند (به آنها باقیمانده های نیمه محافظه کار گفته می شود).

همه مولکول‌های tRNA با حضور تعداد زیادی (تا 25٪ از کل باقیمانده‌ها) از نوکلئوزیدهای مختلف اصلاح شده مشخص می‌شوند که اغلب آنها را جزئی می‌نامند. آنها در مکان‌های مختلف مولکول‌ها، در بسیاری از موارد کاملاً مشخص، در نتیجه اصلاح باقی‌مانده‌های نوکلئوزیدی معمولی توسط آنزیم‌های خاص، تشکیل می‌شوند.

ساختار ثانویه tRNA

تا شدن زنجیره به یک ساختار ثانویه به دلیل مکمل بودن متقابل بخش های زنجیره رخ می دهد. این سه تکه زنجیره وقتی روی خود تا می‌شوند مکمل یکدیگر می‌شوند و ساختارهایی شبیه سنجاق سر را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، انتهای 5 اینچی مکمل ناحیه نزدیک به انتهای 3 اینچی زنجیره است، با آرایش ضد موازی آنها. آنها به اصطلاح ساقه پذیرنده را تشکیل می دهند. نتیجه ساختاری است که با وجود چهار ساقه و سه حلقه مشخص می شود که به آن "برگ شبدر" می گویند. ساقه و حلقه یک شاخه تشکیل می دهند. در پایین شاخه آنتی کدون قرار دارد که شامل یک سه گانه آنتی کدون به عنوان بخشی از حلقه آن است. در سمت چپ و راست این شاخه‌های D و T قرار دارند که به ترتیب به دلیل وجود نوکلئوزیدهای غیرمعمول حفظ شده دی هیدرووریدین (D) و تیمیدین (T) در حلقه‌هایشان نامگذاری شده‌اند. توالی های نوکلئوتیدی همه tRNA های مورد مطالعه را می توان در ساختارهای مشابه تا کرد. علاوه بر سه حلقه برگ شبدر، tRNA یک حلقه اضافی یا متغیر (حلقه V) نیز دارد. اندازه آن در میان tRNA های مختلف به شدت متفاوت است، از 4 تا 21 نوکلئوتید، و طبق آخرین داده ها، تا 24 نوکلئوتید متغیر است.

ساختار فضایی (ثالثیه) tRNA

در اثر متقابل عناصر ساختار ثانویه، ساختار ثالثی به وجود می آید که به دلیل شباهت با حرف لاتین L به آن شکل L می گویند (شکل 2 و 3). با انباشته شدن پایه، ساقه گیرنده و ساقه T برگ شبدر یک مارپیچ مضاعف پیوسته و دو ساقه دیگر، آنتی کدون و D، یک مارپیچ مضاعف ممتد دیگر را تشکیل می دهند. در این حالت، حلقه‌های D و T به هم نزدیک‌تر می‌شوند و با تشکیل جفت‌های پایه اضافی، اغلب غیرمعمول، به هم متصل می‌شوند. باقی مانده های محافظه کار یا نیمه محافظه کار، به عنوان یک قاعده، در تشکیل این جفت ها شرکت می کنند. فعل و انفعالات ثالثی مشابه برخی از بخش های دیگر ساختار L را کنار هم نگه می دارد

هدف اصلی انتقال RNA (tRNA) رساندن بقایای اسید آمینه فعال به ریبوزوم و اطمینان از گنجاندن آنها در زنجیره پروتئین سنتز شده مطابق با برنامه نوشته شده توسط کد ژنتیکی در ماتریس یا اطلاعات، RNA (mRNA) است.

ساختار ریبوزوم ها

ریبوزوم ها تشکیلات ریبونوکلئوپروتئینی هستند - نوعی "کارخانه" که در آن اسیدهای آمینه به پروتئین ها مونتاژ می شوند. ریبوزوم های یوکاریوتی دارای ثابت ته نشینی 80S هستند و از 40S (کوچک) و 60S (بزرگ) تشکیل شده اند. هر زیر واحد شامل rRNA و پروتئین است.

پروتئین ها بخشی از زیر واحدهای ریبوزومی در یک نسخه هستند و عملکرد ساختاری را انجام می دهند و برهمکنش بین mRNA و tRNA مرتبط با اسید آمینه یا پپتید را فراهم می کنند.

در حضور mRNA، زیرواحدهای 40S و 60S با هم ترکیب می‌شوند و یک ریبوزوم کامل را تشکیل می‌دهند که وزن آن تقریباً 650 برابر جرم یک مولکول هموگلوبین است.

ظاهراً rRNA خصوصیات اساسی ساختاری و عملکردی ریبوزوم ها را تعیین می کند، به ویژه، یکپارچگی زیر واحدهای ریبوزومی را تضمین می کند، شکل آنها و تعدادی از ویژگی های ساختاری را تعیین می کند.

اتحاد زیر واحدهای بزرگ و کوچک در حضور RNA پیام رسان (mRNA) رخ می دهد. یک مولکول mRNA معمولا چندین ریبوزوم را مانند رشته ای از مهره ها به هم متصل می کند. به این ساختار پلی زومی می گویند. پلی زوم ها آزادانه در ماده اصلی سیتوپلاسم قرار دارند یا به غشاهای شبکه سیتوپلاسمی خشن متصل می شوند. در هر دو مورد، آنها به عنوان محل سنتز پروتئین فعال عمل می کنند.

مانند شبکه آندوپلاسمی، ریبوزوم ها تنها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کشف شدند. ریبوزوم ها کوچکترین اندامک های سلولی هستند.

ریبوزوم دارای 2 مرکز برای اتصال مولکول های tRNA است: مراکز آمینواسیل (A) و پپتیدیل (P) که هر دو زیر واحد در تشکیل آنها شرکت می کنند. مراکز A و P با هم شامل ناحیه ای از mRNA برابر با 2 کدون هستند. در حین ترجمه، مرکز A به aa-tRNA متصل می شود که ساختار آن توسط کدون واقع در ناحیه این مرکز مشخص می شود. ساختار این کدون ماهیت اسید آمینه ای را رمزگذاری می کند که در زنجیره پلی پپتیدی در حال رشد گنجانده می شود. مرکز P توسط peptidyl-tRNA اشغال شده است. tRNA متصل به یک زنجیره پپتیدی که قبلاً سنتز شده است.

در یوکاریوت ها، دو نوع ریبوزوم وجود دارد: "آزاد" که در سیتوپلاسم سلول ها یافت می شود و آنهایی که با شبکه آندوپلاسمی (ER) مرتبط هستند. ریبوزوم های مرتبط با ER مسئول سنتز پروتئین های "برای صادرات" هستند که در پلاسمای خون آزاد می شوند و در تجدید پروتئین های ER، غشای دستگاه گلژی، میتوکندری یا لیزوزوم ها نقش دارند.

سنتز یک مولکول پلی پپتیدی شروع و طویل شدن.

سنتز پروتئین یک فرآیند حلقوی، چند مرحله ای و وابسته به انرژی است که در آن اسیدهای آمینه آزاد به یک توالی تعیین شده ژنتیکی پلیمریزه می شوند تا پلی پپتیدها را تشکیل دهند.

مرحله دوم سنتز پروتئین ماتریکس، ترجمه واقعی که در ریبوزوم اتفاق می افتد، به طور معمول به سه مرحله تقسیم می شود: شروع، افزایش طول و پایان.

شروع.

دنباله ای از DNA رونویسی شده به یک mRNA واحد، که با جستجو در انتهای 5 شروع می شود و با پایان دهنده در انتهای 3 پایان می یابد، یک واحد رونویسی است و با مفهوم "ژن" مطابقت دارد. کنترل بیان ژن را می توان در مرحله شروع ترجمه انجام داد. در این مرحله، RNA پلیمراز پروموتر را می شناسد - قطعه ای به طول 41-44 جفت باز. رونویسی در جهت 5`-3` یا از چپ به راست انجام می شود. توالی‌هایی که در سمت راست نوکلئوتید آغازین قرار دارند، که سنتز tRNA از آن آغاز می‌شود، با اعداد با علامت + (+1،+2..) و آنهایی که در سمت چپ با علامت – (-1،-2) قرار دارند مشخص می‌شوند. بنابراین، ناحیه ای از DNA که DNA پلیمراز به آن متصل می شود، منطقه ای با مختصات تقریباً 20- تا 20+ را اشغال می کند. همه پروموترها حاوی توالی های نوکلئوتیدی یکسانی هستند که به آنها حفظ شده می گویند. چنین توالی هایی به عنوان سیگنال های شناسایی شده توسط RNA پلیمرازها عمل می کنند. نقطه شروع معمولاً پورین است. بلافاصله در سمت چپ این 6-9 جفت باز است که به دنباله (یا جعبه) Pribnow معروف است: TATAAT. می تواند تا حدودی متفاوت باشد، اما دو پایه اول در بیشتر پروموترها قرار می گیرند. فرض بر این است که از آنجایی که توسط ناحیه ای غنی از جفت های AT تشکیل شده است که توسط دو پیوند هیدروژنی به هم متصل شده اند، DNA در این مکان راحت تر به رشته های جداگانه جدا می شود. این شرایط برای عملکرد RNA پلیمراز ایجاد می کند. علاوه بر این، جعبه Pribnow برای جهت‌یابی به گونه‌ای ضروری است که سنتز mRNA از چپ به راست، یعنی از 5`-3` انجام شود. مرکز جعبه پریبنو در نوکلئوتید -10 است. دنباله ای از ترکیب مشابه در ناحیه دیگری به مرکزیت موقعیت 35 واقع شده است. این ناحیه، متشکل از 9 جفت باز، به دنباله 35 یا ناحیه تشخیص تعیین می شود. این محلی است که فاکتور به آن متصل می شود، در نتیجه بازدهی را تعیین می کند که RNA پلیمراز نمی تواند بدون پروتئین های خاص رونویسی را آغاز کند. یکی از آنها فاکتور CAP یا CRP است.

در یوکاریوت ها، پروموترهایی که با RNA پلیمراز II تعامل دارند با جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار گرفته اند. آنها شامل سه بخش همولوگ در مناطق با مختصات در نقاط -25، -27 و همچنین در نقطه شروع هستند. پایه های آغازین آدنین هستند که در دو طرف پیریمیدین ها قرار دارند. در فاصله 19-25 جفت باز. 7 جفت باز در سمت چپ سایت قرار دارد. TATAA، معروف به دنباله TATA یا جعبه Hogness، اغلب توسط مناطق غنی از جفت GC احاطه شده است. حتی بیشتر در سمت چپ، در موقعیت های 70- تا 80-، دنباله GTZ یا CAATCT قرار دارد که جعبه CAAT نامیده می شود. فرض بر این است که توالی TATA انتخاب نوکلئوتید شروع را کنترل می کند و CAAT اتصال اولیه RNA پلیمراز به الگوی DNA را کنترل می کند.

ازدیاد طول. مرحله ازدیاد طول mRNA مشابه ازدیاد طول DNA است. به عنوان پیش ساز به ریبونوکلئوتید تری فسفات نیاز دارد. مرحله طویل شدن رونویسی، یعنی رشد زنجیره mRNA، با چسباندن ریبونوکلئوتید مونوفسفات ها به انتهای 3' زنجیره با آزاد شدن پیروفسفات رخ می دهد. کپی برداری در یوکاریوت ها معمولاً در بخش محدودی از DNA (ژن) اتفاق می افتد، اگرچه در پروکاریوت ها، در برخی موارد، رونویسی می تواند به طور متوالی از طریق چندین ژن مرتبط که یک اپرون واحد و یک پروموتر مشترک را تشکیل می دهند، رخ دهد. در این حالت mRNA پلی سیسترونیک تشکیل می شود.

تنظیم فعالیت ژن با استفاده از مثال اپرون لاکتوز.

اپرون لاکتوز یک اپرون پلی سیسترونیک از باکتری است که ژن های متابولیسم لاکتوز را کد می کند.

تنظیم بیان ژن های متابولیسم لاکتوز در اشریشیا کلی برای اولین بار در سال 1961 توسط دانشمندان F. Jacob و J. Monod توصیف شد. یک سلول باکتری تنها زمانی آنزیم های دخیل در متابولیسم لاکتوز را سنتز می کند که لاکتوز در محیط وجود داشته باشد و سلول فاقد گلوکز باشد.

اپرون لاکتوز از سه ژن ساختاری، یک پروموتر، یک اپراتور و یک پایان دهنده تشکیل شده است. فرض بر این است که اپرون همچنین شامل یک ژن تنظیم کننده است که یک پروتئین سرکوب کننده را کد می کند.

ژن های ساختاری اپرون لاکتوز - lacZ، lacY و lacA:

lacZ آنزیم β-گالاکتوزیداز را رمزگذاری می کند که دی ساکارید لاکتوز را به گلوکز و گالاکتوز تجزیه می کند.

lacY بتا-گالاکتوزید پرماز را کد می کند، یک پروتئین ناقل غشایی که لاکتوز را به داخل سلول منتقل می کند.

lacA بتا-گالاکتوزید ترانس استیلاز را کد می کند، آنزیمی که یک گروه استیل را از استیل-CoA به β-گالاکتوزیدها منتقل می کند.

در ابتدای هر اپرون یک ژن خاص وجود دارد - ژن اپراتور. یک m-RNA معمولاً روی ژن‌های ساختاری یک اپرون تشکیل می‌شود و این ژن‌ها می‌توانند به طور همزمان فعال یا غیرفعال باشند. به عنوان یک قاعده، ژن های ساختاری در اپرون در حالت سرکوب قرار دارند.

یک پروموتر بخشی از DNA است که توسط آنزیم RNA پلیمراز شناسایی می شود، که سنتز m-RNA را در اپرون تضمین می کند، قبل از بخشی از DNA که پروتئین Sar، یک پروتئین فعال کننده، به آن متصل است. این دو بخش از DNA از 85 جفت نوکلئوتید تشکیل شده است. پس از پروموتر، اپرون حاوی یک ژن اپراتور است که از 21 جفت نوکلئوتیدی تشکیل شده است. فاصله‌گذارها بخش‌های غیر اطلاعاتی یک مولکول DNA با طول‌های مختلف (گاهی تا 20000 جفت باز) هستند که ظاهراً در تنظیم فرآیند رونویسی یک ژن همسایه شرکت می‌کنند.

اپرون با پایان دهنده به پایان می رسد - بخش کوچکی از DNA که به عنوان یک سیگنال توقف برای سنتز m-RNA در این اپرون عمل می کند.

ژن‌های گیرنده به‌عنوان محل اتصال پروتئین‌های مختلف عمل می‌کنند که عملکرد ژن‌های ساختاری را تنظیم می‌کنند. اگر لاکتوز با نفوذ به داخل سلول (در این مورد به آن القاء کننده گفته می شود)، پروتئین های کدگذاری شده توسط ژن تنظیم کننده را مسدود کند، آنگاه توانایی اتصال به ژن اپراتور را از دست می دهند. ژن اپراتور به حالت فعال می رود و ژن های ساختاری را روشن می کند.

RNA پلیمراز با کمک پروتئین Cap (پروتئین فعال کننده)، به پروموتر متصل می شود و با حرکت در امتداد اپرون، pro-m-RNA را سنتز می کند. در طول رونویسی، m-RNA اطلاعات ژنتیکی همه ژن‌های ساختاری را در یک اپرون می‌خواند. در طول ترجمه بر روی ریبوزوم، چندین زنجیره پلی پپتیدی مختلف مطابق با کدون های موجود در m-RNA - توالی های نوکلئوتیدی سنتز می شوند که شروع و پایان ترجمه هر زنجیره را تضمین می کند. نوع تنظیم عملکرد ژن که با استفاده از مثال اپرون لاکتوز در نظر گرفته می شود، القای منفی سنتز پروتئین نامیده می شود.

تنظیم فعالیت ژن با استفاده از مثال اپرون تریپتوفان.

نوع دیگری از تنظیم ژن، سرکوب منفی است که در E.coU با استفاده از مثال اپرونی که سنتز اسید آمینه تریپتوفون را کنترل می کند مورد مطالعه قرار گرفت. این اپرون از 6700 جفت نوکلئوتیدی تشکیل شده و شامل 5 ژن ساختاری، یک ژن اپراتور و دو پروموتر می باشد. ژن تنظیم کننده سنتز ثابت یک پروتئین تنظیمی را تضمین می کند که بر عملکرد اپرون trp تأثیر نمی گذارد. هنگامی که مقدار تریپتوفان در سلول وجود دارد، دومی به پروتئین تنظیم کننده متصل می شود و آن را به گونه ای تغییر می دهد که به اپرون متصل می شود و سنتز m-RNA مربوطه را سرکوب می کند.

کنترل منفی و مثبت فعالیت ژنتیکی.

به اصطلاح القای مثبت نیز شناخته می شود، زمانی که محصول پروتئینی ژن تنظیم کننده، عملکرد اپرون را فعال می کند، یعنی. یک سرکوبگر نیست، بلکه یک فعال کننده است، این تقسیم بندی مشروط است و ساختار بخش پذیرنده اپرون و عملکرد تنظیم کننده ژن در پروکاریوت ها بسیار متنوع است.

تعداد ژن های ساختاری در یک اپرون در پروکاریوت ها از یک تا دوازده متغیر است. یک اپرون ممکن است یک یا دو پروموتر و پایان دهنده داشته باشد. همه ژن‌های ساختاری که در یک اپرون قرار دارند، معمولاً سیستمی از آنزیم‌ها را کنترل می‌کنند که یک زنجیره از واکنش‌های بیوشیمیایی را فراهم می‌کنند. شکی نیست که در سلول سیستم هایی وجود دارد که تنظیم چند اپرون را هماهنگ می کند.

پروتئین هایی که سنتز m-RNA را فعال می کنند به بخش اول گیرنده ژن - اپراتور و به انتهای آن - پروتئین های سرکوب کننده متصل می شوند که سنتز m-RNA را سرکوب می کنند. یک ژن منفرد توسط یکی از چندین پروتئین تنظیم می شود که هر کدام به یک محل گیرنده مربوطه متصل می شوند. ژن های مختلف می توانند تنظیم کننده های مشترک و مناطق عملگر یکسان داشته باشند. تنظیم کننده های ژن به طور همزمان عمل نمی کنند. ابتدا یکی بلافاصله یک گروه از ژن ها را روشن می کند، سپس بعد از مدتی دیگری گروه دیگری را روشن می کند، یعنی. تنظیم فعالیت ژن در "آبشار" رخ می دهد، و پروتئین سنتز شده در یک مرحله می تواند تنظیم کننده سنتز پروتئین در مرحله بعدی باشد.

ساختار کروموزوم ها. کاریوتایپ. ایدیوگرام. مدل های ساختار کروموزوم

کروموزوم های یوکاریوتی ساختار پیچیده ای دارند. اساس کروموزوم یک ماکرومولکول خطی (نه در حلقه بسته) از اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) با طول قابل توجهی است (به عنوان مثال، در مولکول های DNA کروموزوم های انسانی از 50 تا 245 میلیون جفت باز نیتروژنی وجود دارد). در صورت کشیده شدن، طول کروموزوم انسان می تواند به 5 سانتی متر برسد، علاوه بر آن، کروموزوم شامل پنج پروتئین تخصصی - H1، H2A، H2B، H3 و H4 (به اصطلاح هیستون ها) و تعدادی پروتئین غیر هیستونی است. . توالی اسیدهای آمینه هیستون ها بسیار حفظ شده است و عملاً در متنوع ترین گروه های موجودات متفاوت است. در اینترفاز، کروماتین متراکم نمی شود، اما حتی در این زمان رشته های آن مجموعه ای از DNA و پروتئین است. کروماتین یک دئوکسی ریبونوکلئوپروتئین است که در زیر میکروسکوپ نوری به شکل رشته ها و دانه های نازک قابل مشاهده است. ماکرومولکول DNA به دور اکتومرها (ساختارهای متشکل از هشت گلبول پروتئینی) پروتئین های هیستونی H2A، H2B، H3 و H4 می پیچد و ساختارهایی به نام نوکلئوزوم را تشکیل می دهد.

به طور کلی، کل ساختار تا حدودی یادآور مهره ها است. دنباله ای از چنین نوکلئوزومی هایی که توسط پروتئین H1 متصل می شوند، نوکلئوفیلامنت یا رشته نوکلئوزومی با قطر حدود 10 نانومتر نامیده می شود.

کروموزوم متراکم شکل X (اغلب با بازوهای نابرابر) دارد زیرا دو کروماتید حاصل از همانندسازی هنوز در سانترومر به هم متصل هستند. هر سلول بدن انسان دقیقاً دارای 46 کروموزوم است. کروموزوم ها همیشه جفت هستند. همیشه 2 کروموزوم از هر نوع در یک سلول وجود دارد که از نظر طول، شکل و وجود ضخامت یا انقباض با یکدیگر متفاوت هستند.

سانترومر یک ناحیه سازمان یافته خاص از کروموزوم است که برای هر دو کروماتید خواهر مشترک است. سانترومر جسم کروموزوم را به دو بازو تقسیم می کند. بسته به محل انقباض اولیه، انواع کروموزوم های زیر متمایز می شوند: بازوهای مساوی (متاسانتریک)، زمانی که سانترومر در وسط قرار دارد و طول بازوها تقریباً برابر است. بازوهای نابرابر (submetacentric)، هنگامی که سانترومر از وسط کروموزوم جابجا می شود و طول بازوها نابرابر است. میله ای شکل (اکروسنتریک)، زمانی که سانترومر به یک انتهای کروموزوم منتقل می شود و یک بازو بسیار کوتاه است. برخی از کروموزوم ها ممکن است دارای انقباضات ثانویه باشند که ناحیه ای به نام ماهواره را از بدنه کروموزوم جدا می کند.

مطالعه سازماندهی شیمیایی کروموزوم ها در سلول های یوکاریوتی نشان داده است که آنها عمدتاً از DNA و پروتئین تشکیل شده اند. همانطور که توسط مطالعات متعدد ثابت شده است، DNA حامل مادی خواص وراثت و تنوع است و حاوی اطلاعات بیولوژیکی است - برنامه ای برای توسعه یک سلول یا ارگانیسم که با استفاده از یک کد خاص ثبت شده است. پروتئین ها بخش قابل توجهی از ماده کروموزوم ها را تشکیل می دهند (حدود 65٪ از جرم این ساختارها). کروموزوم به عنوان مجموعه ای از ژن ها یک ساختار تکاملی است که مشخصه همه افراد یک گونه خاص است. موقعیت نسبی ژن ها در یک کروموزوم نقش مهمی در ماهیت عملکرد آنها دارد.

نمایش گرافیکی کاریوتیپ که ویژگی‌های ساختاری آن را نشان می‌دهد، ایدیوگرام نامیده می‌شود.

مجموعه‌ای از کروموزوم‌ها از نظر تعداد و ساختار خاص یک گونه خاص، کاریوتایپ نامیده می‌شود.

هیستون ها ساختار نوکلئوزومی

هیستون ها دسته اصلی از نوکلئوپروتئین ها هستند، پروتئین های هسته ای که برای مونتاژ و بسته بندی رشته های DNA در کروموزوم ها لازم هستند. پنج نوع مختلف هیستون وجود دارد که H1/H5، H2A، H2B، H3، H4 نامیده می شوند. توالی اسیدهای آمینه در این پروتئین ها عملاً در ارگانیسم های سطوح مختلف سازمان متفاوت نیست. هیستون ها پروتئین های کوچک و بسیار اساسی هستند که مستقیماً به DNA متصل می شوند. هیستون ها در سازماندهی ساختاری کروماتین شرکت می کنند و گروه های فسفات با بار منفی DNA را به دلیل بارهای مثبت باقی مانده های اسید آمینه خنثی می کنند که بسته بندی متراکم DNA را در هسته ممکن می کند.

دو مولکول هر یک از هیستون‌های H2A، H2B، H3 و H4 یک اکتامر را تشکیل می‌دهند که در اطراف یک قطعه 146 جفت باز از DNA پیچیده شده است که 1.8 دور مارپیچ را در بالای ساختار پروتئین تشکیل می‌دهد. این ذره با قطر 7 نانومتر نوکلئوزوم نامیده می شود. بخشی از DNA (DNA پیوند دهنده) که مستقیماً با اکتامر هیستون در تماس نیست با هیستون H1 برهمکنش می کند.

گروه پروتئین‌های غیرهیستونی بسیار ناهمگن هستند و شامل پروتئین‌های هسته‌ای ساختاری، بسیاری از آنزیم‌ها و فاکتورهای رونویسی مرتبط با بخش‌های خاصی از DNA و تنظیم بیان ژن و سایر فرآیندها هستند.

هیستون ها در اکتامر دارای یک قطعه N ترمینال متحرک ("دم") از 20 اسید آمینه هستند که از نوکلئوزوم بیرون زده و برای حفظ ساختار کروماتین و کنترل بیان ژن مهم است. به عنوان مثال، تشکیل (تراکم) کروموزوم ها با فسفوریلاسیون هیستون ها همراه است و افزایش رونویسی با استیلاسیون باقی مانده های لیزین در آنها همراه است. جزئیات مکانیسم نظارتی به طور کامل درک نشده است.

نوکلئوزوم یک زیرواحد کروماتین است که از DNA و مجموعه ای از چهار جفت پروتئین هیستونی H2A، H2B، H3 و H4 از یک مولکول هیستون H1 تشکیل شده است. هیستون H1 به DNA پیوند دهنده بین دو نوکلئوزوم متصل می شود.

نوکلئوزوم واحد بسته بندی اولیه کروماتین است. این شامل یک مارپیچ دوگانه DNA است که به دور مجموعه خاصی از هشت هیستون نوکلئوزومی (هیستون اکتامر) پیچیده شده است. نوکلئوزوم یک ذره دیسکی شکل با قطر حدود 11 نانومتر است که شامل دو نسخه از هر یک از هیستون های نوکلئوزومی (H2A، H2B، H3، H4) است. اکتامر هیستون یک هسته پروتئینی را تشکیل می دهد که DNA دو رشته ای دوبار دور آن پیچیده شده است (146 جفت باز DNA در هر اکتامر هیستون).

نوکلئوزوم های تشکیل دهنده فیبریل ها کم و بیش به طور مساوی در امتداد مولکول DNA در فاصله 10-20 نانومتر از یکدیگر قرار دارند.

سطوح بسته بندی کروموزوم در یوکاریوت ها تراکم کروماتین

بنابراین، سطوح بسته بندی DNA به شرح زیر است:

1) نوکلئوزومی (2.5 چرخش DNA دو رشته ای در اطراف هشت مولکول پروتئین هیستون).

2) سوپرنوکلئوزومی - مارپیچ کروماتین (کرومونما).

3) کروماتید - کرومونما مارپیچی.

4) کروموزوم - درجه چهارم اسپری شدن DNA.

در هسته اینترفاز، کروموزوم ها متراکم شده و توسط کروماتین نشان داده می شوند. ناحیه بدون مارپیچ حاوی ژن، یوکروماتین (کروماتین شل و فیبری) نامیده می شود. این یک پیش نیاز برای رونویسی است. در طول خواب بین تقسیمات، نواحی خاص کروموزوم و کل کروموزوم ها فشرده می مانند.

این نواحی پیچ خورده و بسیار لکه دار، هتروکروماتین نامیده می شود. آنها از نظر رونویسی غیرفعال هستند. هتروکروماتین اختیاری و سازنده وجود دارد.

هتروکروماتین اختیاری آموزنده است زیرا حاوی ژن است و می تواند به یوکروماتین تبدیل شود. از دو کروموزوم همولوگ، یکی ممکن است هتروکروماتیک باشد. هتروکروماتین سازنده همیشه هتروکروماتیک، غیر تشکیل دهنده (شامل ژن نیست) است و بنابراین همیشه در مورد رونویسی غیرفعال است.

DNA کروموزومی از بیش از 108 جفت باز تشکیل شده است که از آنها بلوک های اطلاعاتی تشکیل می شود - ژن هایی که به صورت خطی مرتب شده اند. آنها تا 25 درصد از DNA را تشکیل می دهند. یک ژن واحد عملکردی DNA است که حاوی اطلاعاتی برای سنتز پلی پپتیدها یا تمام RNA است. بین ژن ها فاصله دهنده وجود دارد - بخش های DNA غیر اطلاعاتی با طول های مختلف. ژن های اضافی با تعداد زیادی - 104 نسخه یکسان نشان داده می شوند. به عنوان مثال، ژن های t-RNA، r-RNA و هیستون ها هستند. توالی هایی از همان نوکلئوتیدها در DNA وجود دارند. آنها می توانند دنباله هایی نسبتاً تکراری یا بسیار تکرار شونده باشند. توالی های نسبتاً تکرار شونده به 300 جفت نوکلئوتیدی با تکرارهای 102 - 104 می رسند و اغلب نشان دهنده جداکننده ها، ژن های اضافی هستند.

توالی های بسیار تکراری (105 - 106) هتروکروماتین سازنده را تشکیل می دهند. حدود 75 درصد از کل کروماتین در رونویسی دخالت ندارد و شامل توالی های بسیار تکراری و فاصله دهنده های غیر رونویسی شده است.

آماده سازی آماده سازی کروموزومی. استفاده از کلشی سین هیپوتونی، تثبیت و رنگ آمیزی.

بسته به میزان فعالیت تکثیری سلول های بافت های مختلف در داخل بدن و در شرایط آزمایشگاهی، روش های مستقیم و غیر مستقیم برای به دست آوردن آماده سازی کروموزوم ها متمایز می شود.

1) روش های مستقیم در مطالعه بافت هایی با فعالیت میتوزی بالا (مغز استخوان، کوریون و جفت، سلول های غدد لنفاوی، بافت جنینی در مراحل اولیه رشد) استفاده می شود. آماده سازی کروموزومی مستقیماً از مواد تازه به دست آمده پس از پردازش ویژه تهیه می شود.

2) روش های غیرمستقیم شامل تهیه آماده سازی کروموزوم از هر بافت پس از کشت اولیه آن برای دوره های زمانی مختلف است.

اصلاحات زیادی در روش های مستقیم و غیرمستقیم برای تهیه آماده سازی کروموزوم وجود دارد، اما مراحل اصلی بدست آوردن صفحات متافاز بدون تغییر باقی می مانند:

1. استفاده از کلشی سین (colcemid) - یک مهار کننده تشکیل دوک میتوزی، که تقسیم سلولی را در مرحله متافاز متوقف می کند.

2. شوک هیپوتونیک با استفاده از محلول های نمک های پتاسیم یا سدیم که به دلیل اختلاف فشار اسمزی داخل و خارج سلول ها باعث متورم شدن آنها و شکستن پیوندهای بین کروموزومی می شود. این روش منجر به جدا شدن کروموزوم ها از یکدیگر می شود و به پراکندگی بیشتر آنها در صفحات متافاز کمک می کند.

3. تثبیت سلول ها با استفاده از اسید استیک یخبندان و اتانول (متانول) به نسبت 3:1 (تثبیت کننده Carnoy) که به حفظ ساختار کروموزوم کمک می کند.

4. انداختن سوسپانسیون سلولی روی اسلایدهای شیشه ای.

5. رنگ آمیزی آماده سازی کروموزوم.

تعدادی از روش‌های رنگ‌آمیزی (باندبندی) برای آشکار کردن مجموعه‌ای از علائم عرضی (نوارها، نوارها) روی یک کروموزوم ایجاد شده‌اند. هر کروموزوم با مجموعه خاصی از نوارها مشخص می شود. کروموزوم های همولوگ به طور یکسان رنگ آمیزی می شوند، به استثنای مناطق چند شکلی که در آن گونه های آللی مختلف ژن ها موضعی هستند. پلی مورفیسم آللی مشخصه بسیاری از ژن ها است و در اکثر جمعیت ها دیده می شود. تشخیص پلی مورفیسم در سطح سیتوژنتیک ارزش تشخیصی ندارد.

الف. رنگ آمیزی کیو. اولین روش رنگ‌آمیزی افتراقی کروموزوم‌ها توسط سیتولوژیست سوئدی Kasperson ساخته شد که از رنگ فلورسنت کینین خردل برای این منظور استفاده کرد. در زیر میکروسکوپ فلورسانس، مناطقی با شدت فلورسانس نابرابر روی کروموزوم ها - بخش های Q قابل مشاهده است. این روش برای مطالعه کروموزوم‌های Y مناسب‌تر است و بنابراین برای تعیین سریع جنسیت ژنتیکی، تشخیص جابه‌جایی (تبادل مناطق) بین کروموزوم‌های X و Y یا بین کروموزوم Y و اتوزوم‌ها و همچنین برای مشاهده تعداد زیادی از کروموزوم‌ها استفاده می‌شود. هنگامی که لازم است مشخص شود که آیا بیمار مبتلا به موزائیسم کروموزوم جنسی دارای یک کلون سلولی حاوی کروموزوم Y است یا خیر.

B. رنگ آمیزی G. پس از پیش درمانی گسترده، اغلب با استفاده از تریپسین، کروموزوم ها با رنگ گیمسا رنگ آمیزی می شوند. در زیر میکروسکوپ نوری، نوارهای روشن و تیره روی کروموزوم ها - بخش های G قابل مشاهده است. اگرچه محل قطعات Q با محل قطعات G مطابقت دارد، اما ثابت شده است که رنگ آمیزی G حساس تر است و جای رنگ آمیزی Q را به عنوان روش استاندارد برای تجزیه و تحلیل سیتوژنتیک گرفته است. رنگ آمیزی G برای تشخیص انحرافات کوچک و کروموزوم های نشانگر (تقسیم بندی متفاوت از کروموزوم های همولوگ معمولی) بهترین است.

ب. رنگ آمیزی R تصویری مخالف رنگ آمیزی G می دهد. معمولاً از رنگ فلورسنت نارنجی آکریدین یا لکه گیمسا استفاده می شود. این روش تفاوت‌هایی را در رنگ‌آمیزی نواحی همولوگ G یا Q منفی کروماتیدهای خواهر یا کروموزوم‌های همولوگ نشان می‌دهد.

G. رنگ آمیزی C برای تجزیه و تحلیل نواحی سانترومر کروموزوم ها (این نواحی حاوی هتروکروماتین سازنده هستند) و قسمت دیستال فلورسنت روشن و متغیر کروموزوم Y استفاده می شود.

E. رنگ آمیزی T برای تجزیه و تحلیل مناطق تلومری کروموزوم ها استفاده می شود. این تکنیک و همچنین رنگ آمیزی نواحی سازمان دهنده هسته با نیترات نقره (رنگ آمیزی AgNOR)، برای شفاف سازی نتایج به دست آمده از رنگ آمیزی کروموزوم استاندارد استفاده می شود.

انواع مختلف DNA و RNA - اسیدهای نوکلئیک - یکی از موضوعات مورد مطالعه زیست شناسی مولکولی است. یکی از نویدبخش ترین و به سرعت در حال توسعه ترین زمینه ها در این علم در سال های اخیر، مطالعه RNA بوده است.

مختصری در مورد ساختار RNA

بنابراین، RNA، اسید ریبونوکلئیک، یک پلیمر زیستی است که مولکول آن زنجیره ای است که توسط چهار نوع نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید به نوبه خود از یک باز نیتروژن دار (آدنین A، گوانین G، اوراسیل U یا سیتوزین C) ترکیب شده با ریبوز قند و یک باقیمانده اسید فسفریک تشکیل شده است. بقایای فسفات که با ریبوز نوکلئوتیدهای همسایه ترکیب می شوند، بلوک های تشکیل دهنده RNA را به یک ماکرومولکول - یک پلی نوکلئوتید " پیوند متقابل" می دهند. به این ترتیب ساختار اولیه RNA تشکیل می شود.

ساختار ثانویه - تشکیل یک زنجیره دوتایی - در برخی از قسمت های مولکول مطابق با اصل مکمل بودن بازهای نیتروژنی تشکیل می شود: آدنین از طریق یک جفت با اوراسیل و گوانین با سیتوزین - یک پیوند هیدروژنی سه گانه تشکیل می دهد.

در شکل کار خود، مولکول RNA نیز یک ساختار سوم را تشکیل می دهد - یک ساختار فضایی ویژه، ترکیب.

سنتز RNA

تمام انواع RNA با استفاده از آنزیم RNA پلیمراز سنتز می شوند. این می تواند وابسته به DNA و RNA باشد، یعنی می تواند سنتز را بر روی هر دو الگوی DNA و RNA کاتالیز کند.

سنتز بر اساس مکمل بودن پایه و جهت ضد موازی خواندن کد ژنتیکی است و در چند مرحله انجام می شود.

ابتدا RNA پلیمراز شناسایی می شود و به دنباله خاصی از نوکلئوتیدها روی DNA متصل می شود - پروموتر، پس از آن مارپیچ دوگانه DNA در یک منطقه کوچک باز می شود و مونتاژ یک مولکول RNA روی یکی از زنجیره ها به نام الگو شروع می شود. زنجیره DNA دیگر رمزگذاری نامیده می شود - کپی آن است که RNA سنتز می شود. عدم تقارن پروموتر تعیین می کند که کدام رشته DNA به عنوان یک الگو عمل می کند، و در نتیجه به RNA پلیمراز اجازه می دهد تا سنتز را در جهت صحیح آغاز کند.

مرحله بعدی ازدیاد طول نام دارد. کمپلکس رونویسی شامل RNA پلیمراز و ناحیه پیچ خورده با هیبرید DNA-RNA شروع به حرکت می کند. با ادامه این حرکت، زنجیره RNA در حال رشد به تدریج جدا می شود و مارپیچ دوگانه DNA در جلوی مجموعه باز می شود و در پشت آن بازسازی می شود.

مرحله نهایی سنتز زمانی اتفاق می افتد که RNA پلیمراز به ناحیه خاصی از الگو به نام پایان دهنده برسد. خاتمه (تکمیل) فرآیند را می توان به روش های مختلفی به دست آورد.

انواع اصلی RNA و عملکرد آنها در سلول ها

آنها به شرح زیر است:

• ماتریس یا اطلاعات (mRNA). از طریق آن، رونویسی انجام می شود - انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA.
• ریبوزومال (rRNA)، که فرآیند ترجمه - سنتز پروتئین را در ماتریس mRNA تضمین می کند.
• حمل و نقل (tRNA). اسیدهای آمینه را می شناسد و به ریبوزوم منتقل می کند، جایی که سنتز پروتئین اتفاق می افتد، و همچنین در ترجمه شرکت می کند.
• RNA های کوچک دسته بزرگی از مولکول های کوچک هستند که عملکردهای مختلفی را در طول فرآیندهای رونویسی، بلوغ RNA و ترجمه انجام می دهند.
• ژنوم های RNA توالی های کد کننده ای هستند که حاوی اطلاعات ژنتیکی در برخی از ویروس ها و ویروس ها هستند.

در دهه 1980، فعالیت کاتالیزوری RNA کشف شد. به مولکول های دارای این خاصیت ریبوزیم می گویند. هنوز بسیاری از ریبوزیم‌های طبیعی شناخته نشده‌اند. در حال حاضر، کار موفقیت آمیزی بر روی سنتز ریبوزیم ها در حال انجام است که اهمیت عملی نیز دارند.

بیایید نگاهی دقیق تر به انواع مختلف مولکول های RNA بیندازیم.

پیام رسان (پیام رسان) RNA

این مولکول بر روی یک بخش پیچیده از DNA سنتز می شود، بنابراین ژن کد کننده یک پروتئین خاص کپی می شود.

RNA سلول های یوکاریوتی، قبل از تبدیل شدن به ماتریکس سنتز پروتئین، باید بالغ شود، یعنی از مجموعه ای از تغییرات مختلف - پردازش عبور کند.

اول از همه، حتی در مرحله رونویسی، مولکول درپوش است: یک ساختار ویژه از یک یا چند نوکلئوتید اصلاح شده - یک کلاه - به انتهای آن متصل است. نقش مهمی در بسیاری از فرآیندهای پایین دست ایفا می کند و پایداری mRNA را افزایش می دهد. به اصطلاح دم poly(A)، دنباله ای از نوکلئوتیدهای آدنین، به انتهای دیگر رونوشت اولیه متصل است.

پس از آن، pre-mRNA تحت پیوند قرار می گیرد. این حذف از مولکول مناطق غیر کد کننده - اینترون ها است که تعداد زیادی از آنها در DNA یوکاریوتی وجود دارد. در مرحله بعد، روش ویرایش mRNA رخ می دهد، که طی آن ترکیب آن از نظر شیمیایی اصلاح می شود، و همچنین متیلاسیون، پس از آن mRNA بالغ هسته سلول را ترک می کند.

RNA ریبوزومی

اساس ریبوزوم، مجموعه ای که سنتز پروتئین را تضمین می کند، از دو rRNA بلند تشکیل شده است که زیر ذرات ریبوزومی را تشکیل می دهند. آنها با هم به شکل یک pre-rRNA سنتز می شوند که سپس در طول پردازش از هم جدا می شوند. زیر ذره بزرگ همچنین شامل rRNA با وزن مولکولی کم است که از یک ژن جداگانه سنتز شده است. RNA های ریبوزومی دارای ساختار سوم محکمی هستند که به عنوان داربستی برای پروتئین های موجود در ریبوزوم عمل می کند که عملکردهای کمکی را انجام می دهند.

در فاز بیکار، زیر واحدهای ریبوزومی از هم جدا می شوند. هنگامی که فرآیند ترجمه آغاز می شود، rRNA زیر ذره کوچک با RNA پیام رسان ترکیب می شود، پس از آن عناصر ریبوزوم کاملاً ترکیب می شوند. هنگامی که RNA یک زیر واحد کوچک با mRNA برهمکنش می کند، دومی از طریق ریبوزوم کشیده می شود (که معادل حرکت ریبوزوم در طول mRNA است). RNA ریبوزومی زیر واحد بزرگ یک ریبوزیم است، یعنی دارای خواص آنزیمی است. تشکیل پیوندهای پپتیدی بین اسیدهای آمینه را در طول سنتز پروتئین کاتالیز می کند.

لازم به ذکر است که بزرگترین بخش از تمام RNA در یک سلول ریبوزومی است - 70-80٪. DNA دارای تعداد زیادی ژن رمزکننده rRNA است که رونویسی بسیار شدید را تضمین می کند.

انتقال RNA

این مولکول توسط یک اسید آمینه خاص با کمک یک آنزیم خاص شناسایی می شود و با ترکیب با آن، اسید آمینه را به ریبوزوم منتقل می کند، جایی که به عنوان واسطه در فرآیند ترجمه - سنتز پروتئین عمل می کند. انتقال از طریق انتشار در سیتوپلاسم سلول اتفاق می افتد.

مولکول های tRNA تازه سنتز شده، مانند سایر انواع RNA، تحت پردازش قرار می گیرند. tRNA بالغ در شکل فعال خود دارای ترکیبی شبیه برگ شبدر است. روی "دمبرگ" برگ - محل پذیرنده - یک توالی CCA با یک گروه هیدروکسیل وجود دارد که به اسید آمینه متصل می شود. در انتهای مخالف "برگ" یک حلقه آنتی کدون وجود دارد که به کدون مکمل روی mRNA متصل می شود. حلقه D برای اتصال RNA انتقالی به آنزیم در هنگام تعامل با یک اسید آمینه و حلقه T برای اتصال به زیر واحد بزرگ ریبوزوم عمل می کند.

RNA های کوچک

این نوع RNA نقش مهمی در فرآیندهای سلولی ایفا می کنند و اکنون به طور فعال در حال مطالعه هستند.

به عنوان مثال، RNA های هسته ای کوچک در سلول های یوکاریوتی در پیوند mRNA نقش دارند و احتمالاً دارای خواص کاتالیزوری همراه با پروتئین های اسپلایسئوزومی هستند. RNA های هسته کوچک در پردازش RNA ریبوزومی و انتقالی نقش دارند.

تداخل‌کننده‌های کوچک و microRNA‌ها مهم‌ترین عناصر سیستم تنظیم بیان ژن هستند که برای سلول برای کنترل ساختار و عملکردهای حیاتی خود ضروری است. این سیستم بخش مهمی از پاسخ ضد ویروسی ایمنی سلول است.

همچنین دسته ای از RNA های کوچک وجود دارد که با پروتئین های Piwi به صورت پیچیده عمل می کنند. این کمپلکس ها نقش بزرگی در توسعه سلول های زایا، اسپرم زایی و سرکوب عناصر ژنتیکی متحرک دارند.

ژنوم RNA

مولکول RNA می تواند به عنوان ژنوم توسط اکثر ویروس ها استفاده شود. ژنوم های ویروسی متفاوت هستند - تک و دو رشته ای، دایره ای یا خطی. همچنین، ژنوم های ویروس RNA اغلب قطعه بندی شده و به طور کلی کوتاه تر از ژنوم های DNA هستند.

خانواده‌ای از ویروس‌ها وجود دارند که اطلاعات ژنتیکی آن‌ها که در RNA کدگذاری می‌شوند، پس از آلوده کردن یک سلول، با رونویسی معکوس به DNA رونویسی می‌شوند و سپس به ژنوم سلول قربانی وارد می‌شوند. اینها به اصطلاح رتروویروس هستند. اینها به ویژه ویروس نقص ایمنی انسانی را شامل می شود.

اهمیت تحقیق RNA در علم مدرن

اگر قبلاً نظر غالب این بود که RNA نقش جزئی ایفا می کند، اکنون واضح است که عنصر ضروری و ضروری حیات درون سلولی است. بسیاری از فرآیندهای دارای اهمیت اولیه نمی توانند بدون مشارکت فعال RNA رخ دهند. مکانیسم چنین فرآیندهایی برای مدت طولانی ناشناخته باقی ماند، اما به لطف مطالعه انواع مختلف RNA و عملکرد آنها، بسیاری از جزئیات به تدریج واضح تر می شوند.

ممکن است RNA نقش تعیین کننده ای در پیدایش و توسعه حیات در طلوع تاریخ زمین داشته باشد. نتایج مطالعات اخیر به نفع این فرضیه صحبت می کند، که نشان دهنده قدمت خارق العاده بسیاری از مکانیسم های عملکرد سلولی است که شامل انواع خاصی از RNA است. به عنوان مثال، به گفته بسیاری از محققان، ریبوسوئیچ‌های اخیراً کشف شده در mRNA (سیستم تنظیم بدون پروتئین فعالیت ژن در مرحله رونویسی)، به گفته بسیاری از محققان، بازتاب دورانی هستند که زندگی اولیه بر اساس RNA و بدون مشارکت ساخته شد. از DNA و پروتئین ها MicroRNA ها نیز جزء بسیار قدیمی سیستم تنظیمی در نظر گرفته می شوند. ویژگی های ساختاری rRNA فعال کاتالیزوری نشان دهنده تکامل تدریجی آن از طریق افزودن قطعات جدید به پروتو ریبوزوم باستانی است.

مطالعه کامل اینکه کدام نوع RNA و چگونه در فرآیندهای خاص دخیل هستند نیز برای زمینه های نظری و کاربردی پزشکی بسیار مهم است.

70-90N | صفحه ثانویه شبدر | CCA 3 اینچ برای تمام tRNA | Act به آدنوزین انتهایی اضافه می شود
وجود تیمین، پسودوریدین-psi، دیگیروریدین DGU در حلقه D - محافظت در برابر ریبونوکلئازها؟ عمر طولانی | تنوع ساختارهای اولیه tRNA - 1+61 - با توجه به تعداد کدون + tRNA فرمیل متیونین، آنتی کدون با tRNA متیونین یکسان است. انواع ساختارهای سوم - 20 (با توجه به تعداد اسیدهای آمینه) | شناخت - تشکیل پیوند کووالانسی بین tRNA و act | aminoacyl-tRNA سنتتازها اعمال خود را به tRNA متصل می کنند

وظیفه tRNA انتقال اسیدهای آمینه از سیتوپلاسم به ریبوزوم ها است، جایی که سنتز پروتئین اتفاق می افتد.
tRNA هایی که به یک اسید آمینه متصل می شوند، ایزوگیرنده نامیده می شوند.
در مجموع، 64 tRNA مختلف به طور همزمان در یک سلول وجود دارد.
هر tRNA فقط با کدون خودش جفت می شود.
هر tRNA کدون خود را بدون مشارکت اسید آمینه تشخیص می دهد. آمینو اسیدهای متصل به tRNA از نظر شیمیایی اصلاح شدند و پلی پپتید حاصل که حاوی اسید آمینه اصلاح شده بود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. سیستئینیل-tRNACys ​​(R=CH2-SH) به آلانیل-tRNACys ​​(R=CH3) کاهش یافت.
اکثر tRNA ها، صرف نظر از توالی نوکلئوتیدی شان، به دلیل وجود سه سنجاق سر، ساختار ثانویه ای به شکل برگ شبدری دارند.

ویژگی های ساختار tRNA

در انتهای 3 اینچی مولکول همیشه چهار نوکلئوتید جفت نشده وجود دارد و سه تای آنها لزوماً CCA هستند. انتهای 5 اینچی و 3 اینچی زنجیره RNA یک ساقه پذیرنده را تشکیل می دهند. زنجیره ها به دلیل جفت شدن مکمل ها در کنار هم نگه داشته می شوند. هفت نوکلئوتید 5 اینچی با هفت نوکلئوتید واقع در نزدیکی انتهای 3 اینچی خاتمه می‌یابند. همه مولکول‌ها دارای یک سنجاق سر T?C هستند، به این دلیل که دارای دو باقیمانده غیرمعمول است: ریبو-تیمیدین (T) و سودوریدین (? سنجاق سر از یک گیره مو تشکیل شده است. ساقه دو رشته ای از پنج باز جفت، از جمله یک جفت G-C، و یک حلقه از هفت نوکلئوتید T?C trinucleotide همیشه قرار دارد.
در همان مکان در حلقه 3. در سنجاق سر آنتی کدون، ساقه همیشه با هفت جفت نشان داده می شود
زمینه های جدید سه گانه مکمل کدون مربوطه، آنتی کدون، در حیوان خانگی قرار دارد.
le، متشکل از هفت نوکلئوتید. انتهای 5 اینچی آنتی کدون توسط یک باقیمانده اورا ثابت احاطه شده است.
سیلا و سیتوزین اصلاح شده، و یک پورین اصلاح شده در مجاورت انتهای 3 اینچی آن است، معمولا
آدنین 4. سنجاق سر دیگر از یک ساقه سه تا چهار جفت پایه و یک حلقه متغیر تشکیل شده است
اندازه، اغلب حاوی اوراسیل به شکل کاهش یافته - دی هیدرواوراسیل (DU). مهم ترین تغییرات در توالی نوکلئوتیدی ساقه ها، تعداد نوکلئوتیدها بین ساقه آنتی کدون و ساقه T?C (حلقه متغیر)، و همچنین اندازه حلقه و محل قرارگیری باقیمانده های دی هیدرواوراسیل در حلقه DU است. .
[خواننده، 1998].

ساختار سوم tRNA

ساختار L شکل.

اتصال اسیدهای آمینه به tRNA

برای اینکه یک اسید آمینه یک زنجیره پلی پپتیدی تشکیل دهد، باید با استفاده از آنزیم aminoacyl-tRNA سنتتاز به tRNA بپیوندد. این آنزیم یک پیوند کووالانسی بین گروه کربوکسیل یک اسید آمینه و گروه هیدروکسیل ریبوز در انتهای 3' tRNA با مشارکت ATP ایجاد می کند. آمینواسیل-tRNA سنتتاز یک کدون خاص را نه به دلیل وجود یک آنتی کدون در tRNA، بلکه به دلیل وجود یک مکان شناسایی خاص در tRNA تشخیص می دهد.
در مجموع، 21 سنتتاز آمینواسیل-tRNA مختلف در سلول وجود دارد.
پیوند در دو مرحله انجام می شود:
1. گروه کربوکسیل یک اسید آمینه به a-phosphate ATP اضافه می شود. آمینواسیل آدنیلات ناپایدار حاصل با اتصال به آنزیم تثبیت می شود.
2. انتقال گروه آمینواسیل آمینواسیل آدنیلات به گروه 2' یا 3'-OH ریبوز انتهایی tRNA
برخی از aminoacyl-tRNA سنتتازها از یک زنجیره پلی پپتیدی منفرد تشکیل شده‌اند، در حالی که برخی دیگر از دو یا چهار زنجیره یکسان تشکیل شده‌اند که وزن مولکولی هر کدام بین 35 تا 115 کیلو دالتون است. برخی از آنزیم های دایمر و تترامر از دو نوع زیر واحد تشکیل شده اند. هیچ ارتباط واضحی بین اندازه مولکول آنزیم یا ماهیت ساختار زیرواحد و ویژگی آن وجود ندارد.
ویژگی آنزیم با اتصال قوی آن به انتهای گیرنده tRNA، ناحیه DU و حلقه متغیر تعیین می شود. به نظر می رسد برخی از آنزیم ها سه گانه آنتی کدون را تشخیص نمی دهند و واکنش آمینواستیلاسیون را حتی با یک آنتی کدون تغییر یافته کاتالیز می کنند. با این حال، برخی از آنزیم ها نسبت به چنین tRNA های اصلاح شده فعالیت کاهشی نشان می دهند و هنگام جایگزینی آنتی کدون، اسید آمینه اشتباهی را اضافه می کنند.

70-90n | صفحه ثانویه شبدر | CCA 3 اینچ برای تمام tRNA | Act به آدنوزین انتهایی اضافه می شود
وجود تیمین، پسودوریدین-psi، دیگیروریدین DGU در حلقه D - محافظت در برابر ریبونوکلئازها؟ عمر طولانی | تنوع ساختارهای اولیه tRNA - 61+1 - با توجه به تعداد کدون + tRNA فرمیل متیونین، آنتی کدون با tRNA متیونین یکسان است. انواع ساختارهای سوم - 20 (با توجه به تعداد اسیدهای آمینه)

دو نوع tRNA وجود دارد که به متیونین متصل می شود، tRNAFMet و tRNAMMet در پروکاریوت ها و tRNAIMet و tRNAMMet در یوکاریوت ها. متیونین از طریق سنتز aminoacyl-tRNA مناسب به هر tRNA اضافه می شود. متیونین متصل به tRNAFMet و tRNAIMet توسط آنزیم methionyl-tRNA transformylase به Fmet-tRNAFMet تشکیل می شود. tRNA های بارگذاری شده با فرمیل متیونین کدون شروع AUG را تشخیص می دهند.

ادبیات:

متاسفانه لیست مرجعی وجود ندارد.