Egal, ob Sie ein Neuling in der Biologie oder ein langjähriger Kenner sind, die Chancen stehen gut, dass Standardmäßig betrachten Sie Desoxyribonukleinsäure (DNA) als vielleicht das unentbehrlichste Konzept im ganzen Leben Wissenschaft. Zumindest wissen Sie wahrscheinlich, dass die DNA Sie unter den Milliarden von Menschen einzigartig macht Planeten, was ihm eine Rolle in der Welt der Strafjustiz sowie eine zentrale Rolle in der Molekularbiologie verleiht Vorträge. Sie haben mit ziemlicher Sicherheit gelernt, dass die DNA dafür verantwortlich ist, Ihnen die Eigenschaften zu verleihen, die Sie geerbt haben von deinen Eltern und dass deine eigene DNA dein direktes Vermächtnis an zukünftige Generationen ist, falls du sie haben solltest Kinder.
Worüber Sie vielleicht nicht viel wissen, ist der Pfad, der die DNA in Ihren Zellen mit den physischen Eigenschaften verbindet, die Sie manifestieren, sowohl offen als auch verborgen, und die Reihe von Schritten auf diesem Pfad. Molekularbiologen haben auf ihrem Gebiet das Konzept eines "zentralen Dogmas" hervorgebracht, das sich einfach zusammenfassen lässt als "DNA zu RNA zu Protein." Der erste Teil dieses Prozesses – die Erzeugung von RNA oder Ribonukleinsäure aus DNA – ist bekannt als
Transkription, und diese gut untersuchte und koordinierte Reihe biochemischer Gymnastik ist ebenso elegant wie wissenschaftlich fundiert.Übersicht über Nukleinsäuren
DNA und RNA sind Nukleinsäuren. Beide sind grundlegend für alles Leben; Diese Makromoleküle sind sehr eng miteinander verwandt, aber ihre Funktionen sind zwar exquisit miteinander verflochten, aber sehr unterschiedlich und spezialisiert.
DNA ist ein Polymer, das heißt, sie besteht aus einer Vielzahl sich wiederholender Untereinheiten. Diese Untereinheiten sind nicht genau identisch, aber sie sind in der Form identisch. Stellen Sie sich eine lange Perlenkette vor, die aus Würfeln besteht, die in vier Farben erhältlich sind und sich in ihrer Größe geringfügig unterscheiden, und Sie erhalten ein grundlegendes Gefühl dafür, wie DNA und RNA angeordnet sind.
Die Monomere (Untereinheiten) von Nukleinsäuren sind bekannt als Nukleotide. Nukleotide selbst bestehen aus Triaden von drei verschiedenen Molekülen: einer Phosphatgruppe (oder -gruppen), a Fünf-Kohlenstoff-Zucker und eine stickstoffreiche Base ("Base" nicht im Sinne von "Foundation", sondern bedeutet "Wasserstoff-Ion" Akzeptor"). Die Nukleotide, aus denen Nukleinsäuren bestehen, haben eine Phosphatgruppe, aber einige haben zwei oder sogar drei Phosphate hintereinander. Die Moleküle Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP) sind Nukleotide von außerordentlicher Bedeutung für den zellulären Energiestoffwechsel.
DNA und RNA unterscheiden sich in mehreren wichtigen Punkten. Während jedes dieser Moleküle vier verschiedene stickstoffhaltige Basen enthält, enthält die DNA Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T), wobei die RNA die ersten drei davon umfasst, aber Uracil (U) ersetzt T. Zweitens ist der Zucker in DNA Desoxyribose, während der in RNA Ribose ist. Und drittens ist DNA in ihrer energetisch stabilsten Form doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist. Diese Unterschiede sind sowohl für die Transkription spezifisch als auch für die Funktion dieser jeweiligen Nukleinsäuren im Allgemeinen von großer Bedeutung.
Die Basen A und G werden Purine genannt, während C, T und U als Pyrimidine klassifiziert werden. Entscheidend ist, dass A chemisch an und nur an T (wenn DNA) oder U (wenn RNA) bindet; C bindet an und nur an G. Die beiden Stränge eines DNA-Moleküls sind komplementär, was bedeutet, dass die Basen in jedem Strang an jedem Punkt mit der einzigartigen "Partner"-Base im gegenüberliegenden Strang übereinstimmen. Somit ist AACTGCGTATG komplementär zu TTGACGCATAC (oder UUGACGCAUAC).
DNA-Transkription vs. Übersetzung
Bevor Sie sich mit der Mechanik der DNA-Transkription befassen, sollten Sie sich einen Moment Zeit nehmen, um die Terminologie zu überprüfen mit DNA und RNA verbunden, denn bei so vielen ähnlich klingenden Wörtern in der Mischung kann es leicht zu Verwechslungen kommen Sie.
Reproduzieren ist der Vorgang, eine identische Kopie von etwas zu erstellen. Wenn Sie eine Kopie eines schriftlichen Dokuments anfertigen (Old School) oder die Copy-and-Paste-Funktion auf einem Computer verwenden (New School), replizieren Sie den Inhalt in beiden Fällen.
DNA wird repliziert, RNA jedoch, soweit die moderne Wissenschaft feststellen kann, nicht; es entsteht nur aus der Transkription_._ Von einer lateinischen Wurzel, die "eine Überschrift" bedeutet, ist die Transkription die Kodierung einer bestimmten Botschaft in einer Kopie einer Originalquelle. Sie haben vielleicht schon von medizinischen Schreibkräften gehört, deren Aufgabe es ist, die medizinischen Notizen, die als Audioaufzeichnung erstellt wurden, in schriftliche Form zu tippen. Im Idealfall bleiben die Worte und damit die Botschaft trotz des Medienwechsels exakt gleich. In Zellen beinhaltet die Transkription das Kopieren einer genetischen DNA-Botschaft, die in der Sprache stickstoffhaltiger Basensequenzen geschrieben ist, in RNA-Form – insbesondere Boten-RNA (mRNA). Diese RNA-Synthese findet im Kern eukaryontischer Zellen statt, wonach die mRNA den Kern verlässt und auf eine Struktur namens Ribosom zusteuert Übersetzung.
Während die Transkription die einfache physische Kodierung einer Nachricht in einem anderen Medium ist, ist die Übersetzung im biologischen Sinne die Umwandlung dieser Nachricht in eine zielgerichtete Handlung. Eine DNA-Länge oder einzelne DNA-Nachricht, genannt a Gen, führt letztendlich dazu, dass Zellen ein einzigartiges Proteinprodukt herstellen. Die DNA schickt diese Nachricht in Form von mRNA weiter, die die Nachricht dann an ein Ribosom weiterleitet, damit sie in ein Protein übersetzt werden kann. Aus dieser Sicht ist mRNA wie ein Bauplan oder eine Bauanleitung für den Zusammenbau eines Möbelstücks.
Das klärt hoffentlich alle Geheimnisse, die Sie über die Wirkung von Nukleinsäuren haben. Aber was ist im Besonderen mit der Transkription?
Die Schritte der Transkription
DNA, ziemlich bekannt, ist zu einer doppelsträngigen Helix verwoben. Aber in dieser Form wäre es physikalisch schwierig, etwas daraus zu bauen. Daher im Einleitung Phase (oder Schritt) der Transkription wird das DNA-Molekül durch Enzyme, die Helikasen genannt werden, abgewickelt. Es wird jeweils nur einer der beiden resultierenden DNA-Stränge für die RNA-Synthese verwendet. Dieser Strang wird als. bezeichnet nicht kodierend Strang, weil der andere DNA-Strang dank der Regeln der DNA- und RNA-Basenpaarung die gleiche Abfolge von stickstoffhaltigen Basen wie die zu synthetisierende mRNA hat und somit dieser Strang zum Codierung Strand. Aus den zuvor genannten Punkten können Sie schließen, dass ein DNA-Strang und die mRNA, für deren Herstellung er verantwortlich ist, komplementär sind.
Nachdem der Strang nun einsatzbereit ist, zeigt ein DNA-Abschnitt, der als Promotorsequenz bezeichnet wird, an, wo die Transkription entlang des Strangs beginnen soll. An dieser Stelle kommt das Enzym RNA-Polymerase an und wird Teil eines Promotorkomplexes. All dies soll sicherstellen, dass die mRNA-Synthese genau dort beginnt, wo sie auf dem DNA-Molekül sein soll, und so entsteht ein RNA-Strang, der die gewünschte codierte Botschaft enthält.
Als nächstes in der Verlängerung Phase "liest" die RNA-Polymerase den DNA-Strang, beginnend an der Promotorsequenz und entlang des DNA-Strangs, wie a Lehrer geht eine Reihe von Schülern hinauf und verteilt Tests, fügt Nukleotide an das wachsende Ende der sich neu bildenden RNA hinzu adding Molekül.
Die Bindungen, die zwischen den Phosphatgruppen eines Nukleotids und der Ribose- oder Desoxyribosegruppe des nächsten Nukleotids entstehen, werden als. bezeichnet Phosphodiesterbindungen. Beachten Sie, dass ein DNA-Molekül an einem Ende einen so genannten 3'-Terminus ("Drei-Prime") und einen 5'-Terminus ("Fünf-Prime") am anderen Ende hat, wobei diese Zahlen von den endständige Kohlenstoffatompositionen in den jeweiligen endständigen Ribose-"Ringen". Während das RNA-Molekül selbst in 3'-Richtung wächst, bewegt es sich entlang des DNA-Strangs in 5'-Richtung. Richtung. Sie sollten sich ein Diagramm ansehen, um sich zu vergewissern, dass Sie die Mechanik der mRNA-Synthese vollständig verstehen.
Die Zugabe von Nukleotiden – insbesondere Nukleosidtriphosphaten (ATP, CTP, GTP und UTP; ATP ist Adenosintriphosphat, CTP ist Cytidintriphosphat und so weiter) – der verlängerte mRNA-Strang benötigt Energie. Dies wird, wie bei so vielen biologischen Prozessen, durch die Phosphatbindungen in den Nukleosidtriphosphaten selbst bereitgestellt. Wenn die hochenergetische Phosphat-Phosphat-Bindung gebrochen ist, wird das resultierende Nukleotid (AMP, CMP, GMP und UMP; in diesen Nukleotiden steht das "MP" für "Monophosphat") an mRNA, und ein Paar anorganischer Phosphatmoleküle, normalerweise geschrieben PPich, fallen weg.
Die Transkription erfolgt, wie bereits erwähnt, entlang eines einzelnen DNA-Strangs. Beachten Sie jedoch, dass sich nicht das gesamte DNA-Molekül abwickelt und in komplementäre Stränge auftrennt; dies geschieht nur in unmittelbarer Nähe der Transkription. Als Ergebnis können Sie eine "Transkriptionsblase" visualisieren, die sich entlang des DNA-Moleküls bewegt. Dies ist wie ein Objekt, das sich entlang eines Reißverschlusses bewegt, der gerade vor dem Objekt durch einen Mechanismus geöffnet wird, während ein anderer Mechanismus den Reißverschluss im Gefolge des Objekts wieder schließt.
Wenn die mRNA schließlich ihre erforderliche Länge und Form erreicht hat, wird die Beendigung Phase beginnt. Wie die Initiation wird diese Phase durch spezifische DNA-Sequenzen ermöglicht, die als Stoppzeichen für die RNA-Polymerase fungieren.
Bei Bakterien kann dies auf zwei Arten geschehen. In einer von ihnen wird die Terminationssequenz transkribiert, wodurch eine mRNA-Länge erzeugt wird, die sich in sich selbst zurückfaltet und sich dadurch "zusammenlegt", während die RNA-Polymerase ihre Arbeit fortsetzt. Diese gefalteten Abschnitte der mRNA werden oft als Haarnadelstränge bezeichnet und beinhalten eine komplementäre Basenpaarung innerhalb des einzelsträngigen, aber verzerrten mRNA-Moleküls. Stromabwärts von diesem Haarnadelabschnitt befindet sich eine längere Strecke von U-Basen oder Rückständen. Diese Ereignisse zwingen die RNA-Polymerase, die Zugabe von Nukleotiden zu stoppen und sich von der DNA zu lösen, wodurch die Transkription beendet wird. Dies wird als rho-unabhängige Termination bezeichnet, da es nicht auf einem als Rho-Faktor bekannten Protein beruht.
Bei der rho-abhängigen Termination ist die Situation einfacher und es werden keine Hairpin-mRNA-Segmente oder U-Reste benötigt. Stattdessen bindet der Rho-Faktor an die erforderliche Stelle auf der mRNA und zieht die mRNA physisch von der RNA-Polymerase weg. Ob eine rho-unabhängige oder rho-abhängige Termination auftritt, hängt von der genauen Version der wirkenden RNA-Polymerase ab auf DNA und mRNA (es gibt eine Vielzahl von Subtypen) sowie den Proteinen und anderen Faktoren in der unmittelbaren zellulären Umgebung.
Beide Ereigniskaskaden führen schließlich dazu, dass sich die mRNA an der Transkriptionsblase von der DNA löst.
Prokaryonten vs. Eukaryoten
Zwischen der Transkription bei Prokaryoten (fast alle sind Bakterien) und Eukaryoten (mehrzelligen Organismen wie Tieren, Pflanzen und Pilzen) gibt es zahlreiche Unterschiede. Zum Beispiel beinhaltet die Initiation in Prokaryoten normalerweise eine DNA-Basen-Anordnung, die als Pribnow-Box bekannt ist, mit die Basensequenz TATAAT befindet sich ungefähr 10 Basenpaare entfernt von der Stelle, an der die Transkriptionsinitiation selbst stattfindet. Eukaryoten haben jedoch Enhancer-Sequenzen, die in beträchtlichem Abstand von der Initiationsstelle positioniert sind, da sowie Aktivatorproteine, die dazu beitragen, das DNA-Molekül so zu verformen, dass es für RNA leichter zugänglich ist Polymerase.
Außerdem erfolgt die Elongation bei Bakterien etwa doppelt so schnell (etwa 42 bis 54 Basenpaare pro Minute, fast eins pro Sekunde) wie bei Eukaryoten (etwa 22 bis 25 Basenpaare pro Minute). Obwohl oben bakterielle Terminationsmechanismen beschrieben wurden, umfasst diese Phase bei Eukaryoten schließlich spezifische Terminationsfaktoren sowie einen RNA-Strang, der als Poly-A bezeichnet wird (wie in vielen Adeninbasen in einer Reihe) "Schwanz". Es ist noch nicht klar, ob die Beendigung der Elongation die Abspaltung der mRNA aus der Blase auslöst oder ob die Spaltung selbst die Elongation abrupt beendet ends Prozess.