DNA-transkription: Hvordan fungerer det?

Uanset om du er en nybegynder i biologi eller en mangeårig aficionado, er chancerne fremragende, at ved som standard ser du deoxyribonukleinsyre (DNA) som måske det mest uundværlige koncept i hele livet videnskab. I det mindste er du sandsynligvis opmærksom på, at DNA er det, der gør dig unik blandt de milliarder mennesker på planet, hvilket giver den en rolle i den strafferetlige verden såvel som centrum i molekylærbiologi forelæsninger. Du har næsten helt sikkert lært, at DNA er ansvarlig for at give dig de egenskaber, du arvede fra dine forældre, og at dit eget DNA er din direkte arv til fremtidige generationer, hvis du skulle have børn.

Hvad du måske ikke ved meget om, er den sti, der forbinder DNA'et i dine celler med de fysiske træk, du manifesterer, både åben og skjult, og række trin langs den sti. Molekylærbiologer har produceret begrebet "central dogme" inden for deres felt, som simpelthen kan sammenfattes som "DNA til RNA til protein." Den første del af denne proces - generering af RNA eller ribonukleinsyre fra DNA - er kendt som

DNA og RNA er nukleinsyrer. Begge er grundlæggende for hele livet; disse makromolekyler er meget nært beslægtede, men deres funktioner er skønt udsøgt sammenflettet, men meget forskellige og specialiserede.

DNA er en polymer, hvilket betyder, at den består af et stort antal gentagne underenheder. Disse underenheder er ikke nøjagtigt identiske, men de er identiske i form. Overvej en lang streng af perler bestående af terninger, der kommer i fire farver og varierer lige så lidt i størrelse, og du får en grundlæggende fornemmelse af, hvordan DNA og RNA er arrangeret.

Monomerer (underenheder) af nukleinsyrer er kendt som nukleotider. Selve nukleotiderne består af triader af tre forskellige molekyler: en fosfatgruppe (eller grupper), en fem-kulstof sukker og en nitrogenrig base ("base" ikke i betydningen "fundament", men betyder "hydrogen-ion acceptor "). Nukleotiderne, der udgør nukleinsyrer, har en fosfatgruppe, men nogle har to eller endda tre fosfater bundet i træk. Molekylerne adenosindiphosphat (ADP) og adenosintriphosphat (ATP) er nukleotider af ekstraordinær betydning i cellulær energimetabolisme.

DNA og RNA adskiller sig på flere vigtige måder. Én, mens hvert af disse molekyler inkluderer fire forskellige nitrogenholdige baser, inkluderer DNA adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T), hvorimod RNA inkluderer de første tre af disse, men erstatter uracil (U) for T. To, sukkeret i DNA er deoxyribose, mens det i RNA er ribose. Og tre er DNA dobbeltstrenget i sin mest energisk stabile form, mens RNA er enkeltstrenget. Disse forskelle er af stor betydning i både transskription specifikt og funktionen af ​​disse respektive nukleinsyrer generelt.

Baserne A og G kaldes puriner, mens C, T og U er klassificeret som pyrimidiner. Kritisk binder A kemisk til og kun til T (hvis DNA) eller U (hvis RNA); C binder til og kun til G. De to tråde i et DNA-molekyle er komplementære, hvilket betyder at baserne i hver streng matcher hvert punkt til den unikke "partner" -base i den modsatte streng. Således er AACTGCGTATG komplementær til TTGACGCATAC (eller UUGACGCAUAC).

Før vi går ned i mekanikken i DNA-transkription, er det værd at tage et øjeblik på at gennemgå terminologien forbundet med DNA og RNA, fordi det med så mange ord, der ligner hinanden, kan være let at forvirre dem.

Replikation er handlingen med at lave en identisk kopi af noget. Når du laver en fotokopi af et skriftligt dokument (old school) eller bruger funktionen copy-and-paste på en computer (new school), replikerer du indholdet i begge tilfælde.

DNA gennemgår replikering, men RNA, så vidt moderne videnskab kan fastslå, gør det ikke; det stammer kun fra transkription _._ Fra en latinsk rod, der betyder "en skrivning på tværs af", er transkription kodning af en bestemt meddelelse i en kopi af en original kilde. Du har måske hørt om medicinske transkriptionister, hvis opgave er at skrive de medicinske notater, der er lavet som en lydoptagelse, i skriftlig form. Ideelt set vil ordene og dermed budskabet være nøjagtigt de samme på trods af ændringen i mediet. I celler involverer transkription kopiering af en genetisk DNA-besked, skrevet på sproget med nitrogenholdige basesekvenser, til RNA-form - specielt messenger-RNA (mRNA). Denne RNA-syntese forekommer i kernen i eukaryote celler, hvorefter mRNA'en forlader kernen og går mod en struktur kaldet et ribosom for at gennemgå oversættelse.

Mens transskription er den enkle fysiske kodning af en besked i et andet medium, oversættelse i biologiske termer er konvertering af denne besked til målrettet handling. En længde af DNA eller en enkelt DNA-besked, kaldet en genresulterer i sidste ende i celler, der fremstiller et unikt proteinprodukt. DNA'en sender denne meddelelse sammen i form af mRNA, som derefter bærer meddelelsen til et ribosom, så den kan oversættes til fremstilling af et protein. I denne opfattelse er mRNA som en tegning eller et sæt instruktioner til samling af et møbel.

Det forhåbentlig rydder op i mysterier, du har om, hvad nukleinsyrer gør. Men hvad med transskription i særdeleshed?

DNA er ret berømt vævet ind i en dobbeltstrenget helix. Men i denne form ville det fysisk være svært at bygge noget ud af det. Derfor i indvielse fase (eller trin) af transkription, afvikles DNA-molekylet af enzymer kaldet helicaser. Kun en af ​​de to resulterende DNA-tråde bruges til RNA-syntese ad gangen. Denne streng kaldes ikke-kodning streng, fordi den anden DNA-streng takket være reglerne for DNA- og RNA-baseparring har den samme sekvens af nitrogenholdige baser som mRNA'et, der skal syntetiseres, hvilket gør denne streng til kodning strand. Baseret på tidligere nævnte punkter kan du konkludere, at en streng af DNA og det mRNA, det er ansvarligt for fremstilling, er komplementære.

Med strengen nu klar til handling indikerer en sektion af DNA kaldet promotorsekvensen, hvor transkription skal starte langs strengen. Enzymet RNA-polymerase ankommer til dette sted og bliver en del af et promotorkompleks. Alt dette er for at sikre, at mRNA-syntese begynder nøjagtigt, hvor det skal på DNA-molekylet, og dette genererer en RNA-streng, der indeholder den ønskede kodede besked.

Dernæst i forlængelse fase, "læser" RNA-polymerase DNA-strengen, startende ved promotorsekvensen og bevæger sig langs DNA-strengen, som en lærer, der går op ad en række studerende og distribuerer prøver, tilføjer nukleotider til den voksende ende af det nyligt dannede RNA molekyle.

Bindingerne dannet mellem phosphatgrupperne i et nukleotid og ribose- eller deoxyribosegruppen på det næste nukleotid kaldes phosphodiester-forbindelser. Bemærk, at et DNA-molekyle har det, der kaldes en 3 '("tre-prime") terminal i den ene ende og en 5' ("fem-prime") terminal i den anden, med disse tal kommer fra terminale carbonatom-positioner i de respektive terminale ribose "ringe". Da RNA-molekylet selv vokser i 3'-retningen, bevæger det sig langs DNA-strengen i 5 ' retning. Du bør undersøge et diagram for at forsikre dig selv om, at du fuldt ud forstår mekanikken i mRNA-syntese.

Tilsætningen af ​​nukleotider - specifikt nukleosidtriphosphater (ATP, CTP, GTP og UTP; ATP er adenosintriphosphat, CTP er cytidintriphosphat og så videre) - til den langstrakte mRNA-streng kræver energi. Dette, som så mange biologiske processer, tilvejebringes af phosphatbindingerne i selve nucleosidtriphosphaterne. Når den højenergiske fosfat-fosfatbinding brydes, resulterer det resulterende nukleotid (AMP, CMP, GMP og UMP; i disse nukleotider tilsættes "MP" for "monophosphat") til mRNA, og et par uorganiske phosphatmolekyler, normalt skrevet PP_jeg, fald væk.

Efterhånden som transkription sker, gør den det som sagt langs en enkelt DNA-streng. Vær dog opmærksom på, at hele DNA-molekylet ikke spoles og adskilles i komplementære tråde; dette sker kun i direkte nærhed af transkription. Som et resultat kan du visualisere en "transkriptionsboble", der bevæger sig langs DNA-molekylet. Dette er som et objekt, der bevæger sig langs en lynlås, der bliver pakket ud lige foran objektet ved hjælp af en mekanisme, mens en anden mekanisme lynlåser lynlåsen igen i objektets kølvandet.

Når mRNA endelig har nået den krævede længde og form, er afslutning fase kommer i gang. Ligesom initiering er denne fase aktiveret af specifikke DNA-sekvenser, der fungerer som stoptegn for RNA-polymerase.

Hos bakterier kan dette ske på to generelle måder. I en af ​​disse transkriberes termineringssekvensen, hvilket genererer en længde af mRNA, der foldes tilbage på sig selv og derved "bundter sig", når RNA-polymerasen fortsætter med at udføre sit arbejde. Disse foldede sektioner af mRNA kaldes ofte hårnålstråde, og de involverer komplementær baseparring inden i det enkeltstrengede, men forvrængede mRNA-molekyle. Nedstrøms for denne hårnålssektion er en langstrakt U-base eller rester. Disse begivenheder tvinger RNA-polymerasen til at stoppe med at tilføje nukleotider og løsne sig fra DNA'et og afslutte transkription. Dette kaldes rho-uafhængig afslutning, fordi den ikke er afhængig af et protein kendt som en rho-faktor.

Ved rho-afhængig afslutning er situationen enklere, og der er ikke behov for hårnåls-mRNA-segmenter eller U-rester. I stedet binder rho-faktoren til det krævede sted på mRNA og trækker mRNA'en fysisk væk fra RNA-polymerase. Hvorvidt rho-uafhængig eller rho-afhængig terminering finder sted, afhænger af den nøjagtige version af RNA-polymerase, der virker på DNA og mRNA (der findes en række undertyper) såvel som proteinerne og andre faktorer i den umiddelbare cellulære miljø.

Begge kaskader af begivenheder fører i sidste ende til, at mRNA bryder fri for DNA ved transkriptionsboblen.

Der findes adskillige forskelle mellem transkription i prokaryoter (hvoraf næsten alle er bakterier) og eukaryoter (flercellede organismer såsom dyr, planter og svampe). For eksempel involverer initiering i prokaryoter normalt et DNA-basearrangement kendt som Pribnow-kassen med basesekvensen TATAAT placeret ca. 10 basepar væk fra hvor selve transkriptionsinitiering forekommer. Eukaryoter har imidlertid enhancersekvenser placeret i en betydelig afstand fra initieringsstedet som samt aktivatorproteiner, der hjælper med at deformere DNA-molekylet på en måde, der gør det mere tilgængeligt for RNA polymerase.

Desuden forekommer forlængelse ca. dobbelt så hurtigt i bakterier (ca. 42 til 54 basepar pr. Minut, der grænser op til en pr. Sekund) som i eukaryoter (ca. 22 til 25 basepar pr. Minut). Endelig, mens bakterielle mekanismer for terminering er beskrevet ovenfor, involverer denne fase i eukaryoter specifikke termineringsfaktorer såvel som en streng af RNA kaldet poly-A (som i mange adeninbaser i træk) "hale". Det er endnu ikke klart, om ophør af forlængelse udløser spaltning af mRNA fra boblen, eller om spaltning i sig selv pludselig afslutter forlængelsen behandle.