Средишна догма на молекуларната биологија

Средишна догма на молекуларната биологија ― објаснување на протокот на генетски информации во биолошкиот систем. Често се наведува како „ДНК создава РНК, а РНК прави белковина“, иако тоа не е неговото првобитно значење. За прв пат било наведено од Френсис Крик во 1957 година, потоа објавено во 1958 година:
Тој го повторил тоа во трудот на списанието ''Nature'' објавен во 1970 година: „Средишната догма на молекуларната биологија се занимава со деталниот пренос на секвенцијални информации од остаток по остаток. Таа наведува дека таквата информација не може да се префрли назад од белковина или на белковина или на нуклеински киселина“.
Втората верзија на средишната догма е популарна, но неточна. Ова е поедноставена патека на ДНК → РНК → белковина објавена од Џејмс Вотсон во првото издание на ''Молекуларната биологија на генот'' (''The Molecular Biology of the Gene;'' 1965). Верзијата на Вотсон се разликува од онаа на Крик бидејќи Вотсон опишува постапка во два чекора (ДНК → РНК и РНК → белковина) како средишна догма. Додека догмата како што првично била наведена од Крик останува валидна и денес, верзијата на Вотсон не.
Догмата е рамка за разбирање на преносот на информации за секвенца помеѓу биополимерите што носат информации, во најчест или општ случај, кај живите организми. Постојат 3 главни класи на такви биополимери: ДНК и РНК (и двете нуклеински киселини) и бек. Постојат замисливи директни преноси на информации што може да се случат помеѓу нив. Догмата ги класифицира овие во 3 групи од 3: три општи преноси (се верува дека се случуваат нормално во повеќето клетки), два посебни преноси (познато дека се случуваат, но само под специфични услови во случај на некои вируси или во лабораторија) и четири непознати преноси (се верува дека никогаш нема да се случат). Општите преноси го опишуваат нормалниот тек на биолошките информации: ДНК може да се копира во ДНК (репликација на ДНК), информациите за ДНК може да се копираат во информациска РНК (транскрипција), а белковините може да се синтетизираат користејќи ги информациите во информациска РНК како образец (превод). Специјалните преноси опишуваат: РНК се копира од РНК (репликација на РНК), ДНК се синтетизира со помош на шаблон РНК (обратна транскрипција). Непознатите трансфери опишуваат: белковините што се синтетизирани директно од шаблонот на ДНК без употреба на информациска РНК, белковината се копира од белковината, синтезата на РНК користејќи ја првичната структура на белковината како шаблон, синтезата на ДНК користејќи ја примарната структура на протеинот како шаблон - се смета дека не се појавуваат природно.
1 Информации за биолошката низа/секвенца
Биополимерите што содржат ДНК, РНК и (поли) пептиди се линеарни полимери (т.е.: секој мономер е поврзан со најмногу два други мономери). Редоследот на нивните мономери ефикасно ги кодира информациите. Преносите на информации опишани од средишната догма идеално се верни, одлучувачки преноси, каде што секвенцата на еден биополимер е користена како образец за конструкција на друг биополимер со низа која е целосно зависна од првичната секвенца на биополимер. Кога ДНК се транскрибира во РНК, нејзиниот комплемент е спарен со неа. ДНК кодовите A, G, T и C се пренесуваат на РНК кодовите U, C, A и G, соодветно. Кодирањето на белковините се врши во групи од три, познати како кодони. Стандардната табела со кодони се применува за луѓето и цицачите, но некои други облици на живот (вклучувајќи ги и човечките митохондрии) користат различни преводи.
2 Општи преноси на биолошки секвенцијални информации
2.1 Репликации на ДНК
Во смисла дека репликацијата на ДНК мора да се случи ако треба да се обезбеди генетски материјал за потомството на која било клетка, без разлика дали е соматска или размножувачка, копирањето од ДНК на ДНК веројатно е фундаменталниот чекор во преносот на информации. Сложена група белковини наречена репликозом врши репликација на информациите од матичната нишка до комплементарната сој-ќерка.
Реплизомот се состои од:* Хеликаза што ја одмотува суперхеликсот како и двоверижната ДНК спирала за да создаде виљушка за репликација
* Единечносојната спојувачка белковина кој се врзува ја отвора двоверижната ДНК за да спречи нејзино повторно поврзување
* Примаза додава комплементарен РНК прајмер на секоја шаблонска нишка како почетна точка за репликација
* ДНК-полимераза III што го чита постоечкиот синџир на шаблон од неговиот 3' крај до неговиот 5' крај и додава нови комплементарни нуклеотиди од 5' крај до 3' крај на ќеркиниот синџир
* ДНК-полимераза I која ги отстранува РНК прајмерите и ги заменува со ДНК
* ДНК-лигаза која ги спојува двата фрагменти Оказаки со фосфодиестерски врски за да произведе продолжен синџир
Оваа постапка обично се одвива за време на синтезината фаза од клеточниот циклус.
2.2 Транскрипција
Транскрипцијата е постапка со кој информациите содржани во дел од ДНК се реплицираат во обликна новособрано парче гласник РНК (mRNA). Ензимите кои го олеснуваат процесот вклучуваат РНК-полимераза и фактори на транскрипција. Во еукариотските клетким, примарниот транскрипт е пред-информариска РНК . Пред-информациската РНК мора да биде обработена за да продолжи преводот. Обработката вклучува додавање на 5' капа и поли-А опашка на синџирот на пред-инфорциската РНК, проследено со спојување. Алтернативно спојување се случува кога е соодветно, зголемувајќи ја разновидноста на белковините што може да ги произведе секоја поединечна информациска РНК. Производот на целата постапка на транскрипција (кој започна со производството на синџирот на пред-информациската РНК) е зрел синџир на информациска РНК.
2.3 Превод
Зрелата информациска РНК го наоѓа својот пат до рибозомот, каде што се преведува. Во прокариотските клетки, кои немаат јадрен оддел, процесите на транскрипција и преведување може да бидат поврзани заедно без јасно раздвојување. Во еукариотските клетки, местото на транскрипција (клеточното јадро) обично е одвоено од местото на превод (цитоплазмата), така што информациската РНК мора да биде пренесена надвор од јадрото во цитоплазмата, каде што може да се врзе со рибозоми. Рибозомот ги чита тројните кодони на информациска РНК, обично почнувајќи со аденин-урацил-гванин, или иницијатор на метионински кодон низводно од местото на врзување на рибозомот. Комплексите на иницијациски фактори и фактори на издолжување доведуваат до аминоацилирани транспортни РНК (тРНК) во комплексот рибозом-информациска РНК, усогласувајќи го кодонот во тРНК со антикодонот на тРНК. Секоја тРНК го носи соодветниот остаток на аминокиселини за да се додаде во синтезата на полипептид. Како што аминокиселините се поврзуваат во растечкиот пептиден синџир, синџирот почнува да се преклопува во правилната конформација. Преводот завршува со стоп-кодон кој може да биде тројка на урацил-аденин-аденин, урацил-гванин-аденин или урацил-аденин-гванин.
Информациската РНК не ги содржи сите информации за спецификација на природата на зрелата белковина. Зародишот полипептиден синџир ослободен од рибозомот најчесто бара дополнителна обработка пред да се појави крајниот производ. Како прво, правилната постапка на превиткување е сложена и од витално значење. За повеќето белковини, потребни се други белковини (шаперон) за контрола на обликот на производот. Некои белковини потоа ги акцизираат внатрешните сегменти од нивните сопствени пептидни синџири, спојувајќи ги слободните краеви што се граничат со јазот; во таквите процеси внатрешните „отфрлени“ делови се нарекувани интеини. Другите белковини мора да се поделат на повеќе делови без спојување. Некои полипептидни синџири треба да бидат вкрстено поврзани, а други мора да се прикачат на кофактори како што е хем пред да станат функционални.
3 Специјални преноси на биолошки секвенцијални информации
3.1 Обратна транскрипција
Обратна транскрипција е пренос на информации од РНК на ДНК (обратно од нормалната транскрипција). Познато е дека ова се случува во случај на ретровируси, како што е ХИВ, како и кај еукариоти, во случај на ретротранспонзони и синтеза на теломери. Тоа е постапка со која генетските информации од РНК се транскрибираат во нова ДНК. Семејството на ензими вклучени во оваа постапка се нарекува обратна транскриптаза.
3.2 Репликација на РНК
Репликацијата на РНК е копирање на една РНК во друга. Многу вируси се реплицираат на овој начин. Ензимите кои ја копираат РНК во нова РНК, наречени РНК-зависни РНК полимерази, исто така се наоѓаат кај многу еукариоти каде што се вклучени во потиштувањето на РНК.
Уредувањето на РНК, во кое секвенцата на РНК се менува со комплекс од белковини и „РНК водич“, исто така може да биде гледано како пренос од РНК во РНК.
3.3 Директен превод од ДНК во белковина
Директен превод од ДНК во белковина е докажан во систем без клетки (т.е. во епрувета), користејќи екстракти од ''E. coli'' кои содржеле рибозоми, но не и непроменети клетки. Овие фрагменти од клетки може да синтетизираат белковини од едноверижни шаблони на ДНК изолирани од други организми (на пример, глушец или крастава жаба), а неомицинот го подобрува овој ефект. Сепак, не било јасно дали овој механизам на преведување одговара конкретно со генетскиот код.
4 Преноси на информации кои не се експлицитно опфатени во теоријата
4.1 Послепреведувачка модификација
Откако ќе се преведат белковинските аминокиселински секвенци од синџирите на нуклеинските киселини, тие може да бидат уредувани со соодветни ензими. Иако ова е облик на белковина што влијае на белковинската секвенца, која не е експлицитно опфатена со средишната догма, нема многу јасни примери каде поврзаните концепти на двете полиња имаат многу врска еден со друг.
4.2 Интеини
Интеинот е „паразитски“ сегмент од белковина која може да биде отсечена од синџирот на аминокиселини додека тие излегуваат од рибозомот и повторно ги спојуваат преостанатите делови со пептидна врска на таков начин што главниот белковински „рбет“ го прави тоа за да не се распадне. Ова е случај на белковина кој ја менува својата примарна секвенца од секвенцата првично кодирана од ДНК на генот. Дополнително, повеќето интеини содржат доминг ендонуклеаза или HEG домен кој е способен да најде копија од родителскиот ген кој не ја вклучува интеинско нуклеотидната секвенца. При допир со копијата без интеин, доменот HEG го започнува механизмот за поправка на двоверижни прекини на ДНК. Оваа постапка предизвикува копирање на интеинската секвенца од првичниот изворен ген до генот без интеин. Ова е пример за белковина што директно ја уредува секвенцата на ДНК, како и за зголемување на наследното размножување на секвенцата.
4.3 Метилација
Варијацијата во состојбите на метилација на ДНК може значително да ги промени нивоата на генско изразување. Варијацијата на метилација обично се јавува преку дејство на ДНК метилазите. Кога промената е наследна, таа е сметана за епигенетска. Кога промената во статусот на информации не е наследна, тоа би било соматски епитип. Ефективната информациска содржина е променета со помош на дејството на белковината или белковините на ДНК, но примарната секвенца на ДНК не е променета.
4.4 Приони
Прионите се белковини со одредени аминокиселински секвенци во одредени конформации. Тие се пропагираат во клетките домаќини со правење конформациски промени во други молекули на белковина со иста аминокиселинска секвенца, но со различна конформација која е функционално важна или штетна за организмот. Откако белковината ќе се преобрази во прионското преклопување, таа ја менува функцијата. За возврат може да пренесе информации во нови клетки и да преконфигурира повеќе функционални молекули од таа низа во алтернативен прионски облик. Кај некои врсти на прион кај габите оваа промена е продолжена и директна; протокот на информации е белковина→белковина.
Некои научници како Алeн Е. Бусар и Ежен Куонин тврдат дека наследувањето со посредство на прион ја нарушува средишната догма на молекуларната биологија. Сепак, Розалинд Ридли во ''Молекуларната патологија на прионите'' (''Molecular Pathology of the Prions''; 2001) напишала дека „прионската хипотеза не е еретичка за средишната догма на молекуларната биологија - дека информациите неопходни за производство на белковини се кодирани во нуклеотидната секвенца на нуклеинската киселина - затоа што не тврди дека белковините се реплицираат. Наместо тоа, тој тврди дека постои извор на информации во белковинските молекули што придонесува за нивната биолошка функција и дека оваа информација може да биде пренесена на други молекули“.
4.5 Природно генетско инженерство
Џејмс А. Шапиро тврди дека суперзбир од овие примери треба да се класифицирани како природно генетско инженерство и се доволни за фалсификување на средишната догма. Додека Шапиро добил сослушување со почит за неговиот став, неговите критичари не биле убедени дека неговото читање на средишната догма е во согласност со она што го сакал Крик.
5 Употреба на поимот „догма“
Во својата автобиографија, „''Каква луда потера''“ (изворно: ''What Mad Pursuit''), Крик напишал за неговиот избор на зборот „догма“ и некои од проблемите што му ги предизвикало:„Оваа идеја ја нареков средишна догма, се сомневам од две причини. Веќе го употребив очигледниот збор хипотеза во секвенциска хипотеза, и дополнително сакав да наведам дека оваа нова претпоставка е посредишна и помоќна. ... Како што се испостави, употребата на зборот догма предизвика речиси повеќе проблеми отколку што вредеше. Многу години подоцна Жак Моно ми посочи дека не ја разбирам правилната употреба на зборот догма, што е верување во кое не може да се сомнева. Го сфатив ова на нејасен начин, но бидејќи мислев дека сите религиозни верувања се без основа, го употребив зборот онака како што јас размислував за тоа, а не како што го прави најголемиот дел од светот, и едноставно го применив на голема хипотеза. тоа, колку и да е веродостојно, имало мала директна опитна поддршка.Слично на тоа, Хорас Фриленд Џадсон запишал во делото ''Осмиот ден на создавањето'' (''Eighth Day of Creation''):„Мојот ум беше дека догмата е идеја за која ''нема разумни докази''. Гледате?! И Крик даде татнеж на задоволство. „Едноставно не ''знаев'' што ''значи'' догмата. И можев да ја наречам „Средишна хипотеза“ или - знаете. Тоа е што сакав да кажам. Догмата сашо беше фраза лесна за памтење.“
6 Споредба со Вајсмановата пречка
Вајсмановата пречка, предложена од Август Вајсман во 1892 година, прави разлика помеѓу „бесмртните“ лози на бацилните клетки (бацилната плазма) кои произведуваат гамети и „еднократните“ соматски клетки. Наследните информации се движат само од бацилните клетки до соматските клетки (односно, соматските мутации не се наследни). Ова, пред откривањето на улогата или структурата на ДНК, не ја предвидува средишната догма, туку го предвидува нејзиниот геноцентричен поглед на животот, иако во немолекуларна смисла.
7 Поврзано
* Живот
* Клетка
* Клеточна делба
* Ген
* Генско изразување
* Епигенетика
* Геном
* Алтернативно спојување
* Генетски код
* Рибопрекинувач
8 Дополнителна литература
**Baker, Harry F. (2001). ''Molecular Pathology of the Prions (Methods in Molecular Medicine)''. Humana Press.
***