Centralna dogma molekularne biologije

Centralna dogma molekularne biologije je u početnom obliku formulirana 1958. u jednom simpozijskom radu Francisa Cricka ^[1], koju je zatim potvrdio u članku objavljenom u elitnom žurnalu pod nazivom Nature 1970.^[2]

Centralna dogma molekularne biologije se bavi detaljnim prijenosom bioloških informacija po sistemu ostatak-po-ostatak njenih informacijskih sekvenci. Ona počiva na stajalištu da se tok ovakve informacije ne može vratiti u obrnutom smjeru, ni na jednoj od prolaznih tačaka njene realizacije. Ukratko, konačni proizvod njene realizacije, (protein) se ne može vratiti u bilo koji drugi protein ili nukleinsku kiselinu. Prema mišljenju Marshalla Nirenberga:

DNK stvara RNK koji onda stvara protein.

^[3]

Centralna dogma je okvir za razumijevanje prenosa informacija između polimerno strukturiranih sekvenci informacije (biopolimera), najčešćim ili uopće u živim organizmima. Postoje tri glavne klase takivih biopolimera: DNK, RNK ( nukleinske kiseline) i proteini. Moguće je zamisliti 9 (=3×3) pravaca međusobnog prijenosa biološke poruke među njima. Prema ovoj centralnoj dogmi molekularne biologije podijeljeni su u tri grupe od po tri:

tri opća transfera (za koje se smatra da se normalno javljaju u većini ćelija),
tri specijalna transfera (koji se javljaju pod posebnim uslovima, kod nekih virusa ili u laboratoriji), i
tri nepoznata transfera (za koje se vjeruje da se ne javljaju).

Generalni transferi opisuju normalni protok biološke informacije:

DNK se može samokopirati sa jenog na drugi polulanac nukleotida DNK (replikacija DNK),
DNK informacija se može kopirati na iRNK (transkripcija), i
proteini se mogu sintetizirati prema iRNK informaciji kao prepis (template) putem translacije

Biološka informacija

Biološki polimeri DNK, RNK i proteini su strukturirani linearno, što znači da je svaki monomer spojen s još najviše dva druga monomera. Biološka informacija je zapisana u redoslijedu monomera. Prijenos informacija koji naveden u centralnoj dogmi je određen tako da: sekvenca jednog polimera služi kao kalup drugog, čija sekvenca potpuno ovisi o informaciji izvorišnog polimera.^[4]

Opći tok prijenosa informacija

Tablica 3 klase prijenosa informacija prema centralnoj dogmi
Općeniti	Specifični	Nepoznati
DNK → DNK	RNK → DNK	bjelančevina → DNK
DNK → RNK	RNK → RNK	bjelančevina → RNK
RNK → bjelančevina	DNK → bjelančevina	bjelančevina → bjelančevina

Umnožavanje (replikacija) DNK

Kao završni korak u interpretaciji centralne dogme, za međugeneracijski tok genetičke informacije između roditelja i potomaka niza sukcesivnih generacija, DNK mora biti vjerno replicirana. Umnožavanje DNK kontroliraju kompleksne grupe proteina koji odvijaju super-zavojnicu, dvostruku zavojnicu, a zatim uz katalizu enzima DNK polimeraze i pridruženih proteina, kopira ili replicira sami glavni predložak tako da se ciklusni proces

DNK → RNK → protein može ponoviti u budućim generacijama molekula proteina.^[5]^[6]^[7]

Transkripcija

Transkripcija (= prepisivanje) je proces u kojem se informacije iz odgovarajuće sekvence DNK (gena) kopira na novostvonastajuću molekulu RNK (iRNK). U tom procesu sudjeluje enzim RNK polimeraza i transkripcijski faktori. U eukariotskim ćelijama glavni transkript (pre-iRNK) se često prerađuje do same efektivne iRNK. U ovom procesu, dijelovi pre-iRNK (egzoni i introni) se izrezuju i preuređuju spajanjem egzona u različite organizacijske oblike izvorne genetičke informacije.

Translacija

Na kraju ovog procesa, prerađena iRNK kroz pore jedrove ovojnice, prolazi od citoplazmu do ribosoma, gdje biva sa jezika nukleotida "prevedena" na jezik redoslijeda posebnih aminokiselina u nastajućem peptidnom lancu. Kod prokariotskih ćelija koje nemaju jedro, procesi transkripcije i translacije mogu teći povezano i paralelno. U eukariotskim ćelijama, mjesto transkripcije (jedro) obično je odvojeno od mjesta translacije (citoplazme), pa iRNK iz mjesta nastanka mora biti otpremljena u citoplazmu. Tu se veže za ribosome. Ribosom očitava iRNK kao triplet (kodon) obično počevši od AUG, odnosno inicijatorskog metionin-kodona. Ovisno o kodonu iRNK, do ribosoma pristiže posebna tRNK koja donosi odgovarajuću aminokiselinu, preko kojeg raste polimerni lanac. Aktivna mjesta (antikodoni) više vrsta transportne RNK može prepoznati isti kodon, ali svaka od njih nosi odgovarajuču aminokiselinu, prema poruci iRNK.

Posebni prijenos informacija

Reverzna transkripcija

Reverzna transkripcija je rijetka pojava koju karakterizira prijenos informacija iz RNK u DNK (suprotno od obične transkripcije). Ovaakav proces je dokazan kod retrovirusa, poput HIV-a, kao i prilikom sinteze telomera.

Replikacija RNK

Replikacija RNK je izvorno kopiranje jedne RNK na drugu. Takav proces je osoben za razmnožavanje mnogih virusa. Enzimi koji kataliziraju kopiranje RNK na novu molekulu RNK se naziva RNK-ovisne RNK polimeraze, koje također nalazimo i u brojnim procesima kod eukariota, gdje služe za rezanje segmenata RNK.

Direktna translacija DNK → protein

Direktno prevođenje biološke informacije sa DNK u protein je demonstrirano u sistemu slobodnih ćelija (odnosno u epruveti), koristeći ekstrakt Escherichia coli koji je sadržavao ribosome, ali ne i netaknute ćelije. Ovi ćelijski fragmenti su mogli sintetizirati proteine iz jednog DNK predloška izoliranog od nekog drugog organizma (npr. miša ili žabe), a neomicin je poboljšavao ovaj efekat. Međutim, bilo je nejasno da li je ovaj mehanizam prijevoda odgovarao konkretnom genetičkom kodu.

Posttranslacijske modifikacije

Nakon što su proteinske sekvence prevedene sa lanaca nukleinskih kiselina, sa jezika nukleotida na jezik aminokiselina, one mogu biti preuređene odgovarajućim enzimima. Iako ovaj oblik proteina, koji utiče na konačmnu proteinsku sekvencu nije izričito obuhvaćen centralnom dogmom, nema mnogo primjera gdje je jasna povezanost ova dva oblika i koliko mnogo imaju veze jedan s drugim.

Translacijom sintetizirani proteini su podvrgnuti različitim hemijskim, fizičkim i drugim promjenama što se uopšteno označava kao posttranslacijska modifikacija. Nakon sinteze, većina proteina uz pomoć tzv. signalnih peptida na njihovom NH₃ kraju odlazi do posebnih mjesta i organela u ćeliji. Ovi signalni peptidi omogućavaju sintetiziranim polipeptidima (proteinima) da uđu u lumen endoplazmatskog retikuluma, gdje dolazi do njihove modifikacije ili se prenose do Golgijevog kompleksa. Odatle se nakon modifikacije prenose do lizosoma, plazma membrana i drugih organela ili učestvuju u unutarćelijskom transportu. Također, proteini mitohondrija i hloroplasta eukariota, te proteini bakterija, koji se ekstracelularno luče, imaju signalne peptide. Na kraju, proteini mogu biti razgrađeni od strane proteolitičkog sistema ćelije. Zbog toga kod eukariota u procesu translacijske modifikacije proteina dolazi do njihovog vezivanja s ubikvitin proteinom koji stvara rep. Tako nastali proteini su dobrim dijelom zaštićeni od proteolitičkih enzima u ćeliji, čime je omogućeno normalno funkcionisanje ćelijskih procesa.

U citoplazmi dolazi do sinteze proteina koji se, da bi bili funkcionalni, podvrgavaju različitim modifikacijama. Ukratko, u jednom eukariotskom organizmu sve ćelije sadrže iste gene, ali u različitim ćelijama dolazi do izražavanja različitih gena i sinteze različitih proteina. Isto tako, jedna ćelija u različitim razvojnim fazama ili pod utjecajem različitih vanjskih faktora i u odvojenim vremenskim intervalima pokazuje ekspresiju različitih gena. Ovo potvrđuje da je ekspresija gena jedan vrlo organizovan proces, koji uključuje: promjenu hromatinske građe, transkripciju, sazrijevanje do iRNK, prijenos zrele iRNK u citoplazmu, stabilnost iRNK, translaciju i posttranslacijsku modifikaciju.^[6]

Reference

^ Crick F. H. C. (1958): On protein synthesis. Symp. Soc. Exp. Biol. XII, 139-163. (pdf, early draft of original article)
^ Crick F. (1970): Central dogma of molecular biology. Nature, 227 (5258): 561–563. http://www.nature.com/nature/focus/crick/pdf/crick227.pdf .
^ Leavitt S. A., Marshall Nirenberg M. (2010): Deciphering the genetic code: Marshall Nirenberg. Office of NIH History. http://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/glossary.htm.
^ Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London, ISBN 0-674-30775-5, ISBN 0-674-30776-3.
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
^ ^a ^b Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
^ Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.

Vanjski linkovi

Centralna dogma molekularne biologije

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Centralna dogma molekularne biologije

Animation: The Central Dogma - Nature video
The Elaboration of the Central Dogma - Scitable: By Nature Education
Discussion on challenges to the "Central Dogma of Molecular Biology"
Explanation of the central dogma using a musical analogy
"Francis Harry Compton Crick (1916-2004)" by A. Andrei at the Embryo Project Encyclopedia
Central dogma as a case of knowledge shielding

[1] Crick F. H. C. (1958): On protein synthesis. Symp. Soc. Exp. Biol. XII, 139-163. (pdf, early draft of original article)

[2] Crick F. (1970): Central dogma of molecular biology. Nature, 227 (5258): 561–563. http://www.nature.com/nature/focus/crick/pdf/crick227.pdf .

[3] Leavitt S. A., Marshall Nirenberg M. (2010): Deciphering the genetic code: Marshall Nirenberg. Office of NIH History. http://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/glossary.htm.

[4] Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London, ISBN 0-674-30775-5, ISBN 0-674-30776-3.

[5] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.

[Kapur_Pojskić_L._2014-6] Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.

[7] Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]