Skip to main content
Global

8.5: סינתזת חלבון: שעתוק (DNA ל- RNA)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208388

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    לאחר שהכרנו בפניכם את הקוד הגנטי ואת ה-mRNA, אולם בקצרה, אנו חוזרים כעת לתהליך שבו פוליפפטיד מוגדר על ידי רצף DNA. המשימה הראשונה שלנו היא להבין כיצד אנו יכולים למצוא את האזור הספציפי של מולקולת ה- DNA המקודד לפוליפפטיד ספציפי; אנו מחפשים אזור (יחסית) קצר של DNA בתוך מיליונים (בפרוקריוטים) או מיליארדים (באוקריוטים) של זוגות בסיס של DNA. אז בעוד שהאופי הכפול של ה-DNA הופך את המידע המאוחסן בו למיותר (עובדה שהופכת את שכפול ה-DNA לפשוט), רצף הנוקלאוטידים הספציפי שיפענח באמצעות הקוד הגנטי קיים רק באחד משני הגדילים. מנקודת המבט של רצף הפוליפפטיד הגדיל השני הוא שטויות.

    כפי שציינו, גן הוא אזור (ים) של מולקולת DNA גדולה יותר. חלק מרצף הגן ידוע כאזור הרגולציה שלו; אזור זה של ה- DNA משמש (כחלק ממערכת גדולה יותר הכוללת תוצרים של גנים אחרים) כדי לציין מתי, היכן וכמה הגן "בא לידי ביטוי". אז מה בא לידי ביטוי? זהו החלק ברצף הגן המשמש לכוון את הסינתזה של מולקולת RNA, המכונה האזור המתועתק או תמליל. בתוך האזור המתועתק נמצא אזור ה- RNA המקודד למעשה לפוליפפטיד, בתהליך התרגום - זה ידוע כאזור הקידוד. אזורי ה- RNA שאינם מתורגמים ידועים כאזורים לא מתורגמים (UTRs). בדרך כלל אזור הקידוד של מולקולת RNA ממוקם בין UTR 5' ל-3' UTR.

    לאחר זיהוי האזור הרגולטורי של הגן (על ידי קישור של סוג חלבון ספציפי - ראה להלן), פולימראז RNA תלוי DNA נקשר לקומפלקס החלבון-DNA ומתחילה הסינתזה של מולקולת mRNA. כפשט כללי, נגיד שגן מתבטא כאשר ה-RNA שהאזור המתועתק שלו מקודד מסונתז (שימו לב: בעוד שאזורים רגולטוריים בדרך כלל אינם מתומללים, הם עדיין חלק מהגן). אנו יכולים לדחות מורכבות נוספת למועד מאוחר יותר (ולשיעורים הבאים). חשוב להכיר בכך שאורגניזם "פשוט" כמו חיידק מכיל אלפי גנים וכי קבוצות שונות של גנים משמשות בסביבות ומצבים שונים, ובשילובים שונים לייצור התנהגויות ספציפיות. במקרים מסוימים, התנהגויות אלה עשויות להיות אנטגוניסטיות הדדית. לדוגמה, חיידק העומד בפני סביבה מתייבשת במהירות עשוי להפעיל גנים ספציפיים המעורבים בצמיחה וחלוקה מהירה על מנת להכין את עצמו (באמצעות ביטוי של גנים אחרים המופעלים) לשרוד בסביבה עוינת יותר. המטרה שלנו היא לא לקבל לך תחזיות מדויקות לגבי התנהגותו של אורגניזם במצב מסוים, אלא להיות מסוגל לחזות תחזיות סבירות לגבי האופן שבו ביטוי הגנים ישתנה בתגובה להפרעות שונות. זה מחייב אותנו לשקול, אם כי ברמה אלמנטרית למדי, כמה מתהליכי הרגולציה פעילים בתאים.

    אז אתה צריך לחשוב, מהם המרכיבים המולקולריים שיכולים לזהות את הרצפים הרגולטוריים של הגן? התשובה היא חלבונים. סוג החלבונים שעושים זאת ידוע באופן כללי כגורמי שעתוק. המאפיין המשותף שלהם הוא שהם נקשרים בזיקה גבוהה לרצפים ספציפיים של נוקלאוטידים בתוך מולקולות DNA. השאלה הבאה היא כיצד נוצר RNA המבוסס על רצף DNA? התשובה היא פולימראז RNA תלוי DNA, אליו נתייחס כפולימראז RNA. לעתים קרובות קבוצות של גנים חולקות רצפים רגולטוריים המוכרים על ידי גורמי שעתוק ספציפיים. כפי שנראה זה מאפשר לווסת קבוצות של גנים מסוימים באופן מתואם. עכשיו בואו נפנה איך, בדיוק (אם כי ברזולוציה נמוכה), זה נעשה, תחילה בחיידקים ולאחר מכן בתאים אוקריוטיים.

    בשלב זה, עלינו להכיר במפורש היבטים משותפים של מערכות ביולוגיות. הם מוסדרים מאוד, מסתגלים והומאוסטטיים - כלומר, הם יכולים להתאים את התנהגותם לשינויים בסביבתם (פנימית וחיצונית) כדי לשמור על מצב החיים. התנהגויות מסוג זה מבוססות על צורות שונות של ויסות משוב. במקרה של מערכת ביטוי הגנים החיידקיים, ישנם גנים המקודדים לגורמי שעתוק ספציפיים. אילו מהגנים הללו באים לידי ביטוי קובע אילו חלבוני גורם שעתוק קיימים ואילו גנים באים לידי ביטוי באופן פעיל. כמובן שהגן המקודד לגורם שעתוק ספציפי מוסדר בעצמו. גורמי שעתוק יכולים לפעול באופן חיובי או שלילי, מה שאומר שהם יכולים להוביל להפעלת שעתוק או לעיכובו. בנוסף ניתן להסדיר את הפעילות של גורמי שעתוק מסוימים (נושא אליו נחזור בהמשך פרק זה).

    כדי שגורם שעתוק יסדיר גן ספציפי, באופן חיובי או שלילי, הוא חייב להיות מסוגל להיקשר לאתרים ספציפיים ב-DNA. האם גן בא לידי ביטוי או לא (בין אם הוא "מופעל" או "כבוי") תלוי באילו גורמי שעתוק באים לידי ביטוי, פעילים ויכולים לקיים אינטראקציה פרודוקטיבית עם ה- RNA פולימראז התלוי ב- DNA (RNA פולימראז). השבתה של גורם שעתוק יכולה לכלול מספר מנגנונים, כולל הרס, שינוי או אינטראקציות עם חלבונים אחרים, כך שהוא כבר לא יכול לקיים אינטראקציה פרודוקטיבית עם רצף ה-DNA היעד שלו או עם ה-RNA פולימראז. ברגע שגורם שעתוק פעיל, הוא יכול להתפזר דרך התא (בתאים פרוקריוטים שאין להם אינטראקציות בקרת מחסום עם DNA) יכול להיקשר לרצפי ה-DNA היעד שלו. כעת פולימראז RNA יכול להיקשר למכלול גורמי שעתוק ה-DNA, אינטראקציות המובילות להפעלה של פולימראז ה-RNA ולהתחלת סינתזת RNA, באמצעות גדיל DNA אחד כדי לכוון סינתזת RNA. לאחר הפעלת RNA פולימראז, הוא יתרחק ממכלול גורם השעתוק-DNA. גורם השעתוק הקשור ל- DNA יכול לקשור פולימראז אחר או שגורם השעתוק יכול להשתחרר מה- DNA (בתגובה להתנגשויות ברמה המולקולרית), אשר יתפזר משם, יתקשר עם גורמים רגולטוריים אחרים או ייקשר מחדש לאתרים אחרים ב- DNA. ברור שמספר העותקים של גורם השעתוק ושותפי האינטראקציה שלו ואתרי הקישור ל-DNA ישפיעו על התנהגות המערכת.

    כתזכורת, סינתזת RNA היא תגובה שלילית מבחינה תרמודינמית, ולכן כדי שהיא תתרחש יש לחבר אותה לתגובה חיובית תרמודינמית, בפרט הידרוליזה של נוקלאוטיד טריפוספט (ראה פרק קודם). פולימראז ה- RNA נע לאורך ה- DNA (או שה- DNA עובר דרך פולימראז ה- RNA, לבחירתכם), ליצירת מולקולת RNA (התמליל). אותות אחרים בתוך ה- DNA מובילים להפסקת השעתוק ולשחרור פולימראז ה- RNA. לאחר שחרורו, פולימראז ה- RNA חוזר למצבו הלא פעיל. הוא יכול לפעול על גן אחר אם ה-RNA פולימראז מקיים אינטראקציה עם גורם שעתוק הקשור למקדם שלו. מכיוון שקיימים מספר סוגים של חלבוני גורם שעתוק בתוך התא ו-RNA פולימראז יכול לקיים אינטראקציה עם כולם, אילו גנים באים לידי ביטוי בתוך תא יהיו תלויים בריכוזים ובפעילויות היחסיות של גורמי שעתוק ספציפיים ובחלבונים הרגולטוריים שלהם, יחד עם זיקות הקישור של גורמי שעתוק מסוימים לרצפי DNA ספציפיים (בהשוואה לקשירה הכללית שלהם עם זיקה נמוכה ל-DNA באופן כללי).

    תורמים וייחוסים