Transkripsi DNA: Bagaimana Cara Kerjanya?

Terlepas dari apakah Anda seorang pendatang baru di bidang biologi atau penggemar lama, kemungkinan besar bahwa dengan default, Anda melihat asam deoksiribonukleat (DNA) sebagai mungkin satu-satunya konsep yang paling diperlukan dalam semua kehidupan ilmu. Setidaknya, Anda mungkin menyadari bahwa DNA adalah apa yang membuat Anda unik di antara miliaran orang di dunia planet, memberinya peran dalam dunia peradilan pidana serta panggung utama dalam biologi molekuler kuliah. Anda hampir pasti telah belajar bahwa DNA bertanggung jawab untuk memberi Anda sifat apa pun yang Anda warisi dari orang tua Anda, dan bahwa DNA Anda sendiri adalah warisan langsung Anda ke generasi mendatang yang harus Anda miliki anak-anak.

Apa yang mungkin tidak banyak Anda ketahui adalah jalur yang menghubungkan DNA dalam sel Anda dengan sifat fisik yang Anda wujudkan, baik yang terlihat maupun yang tersembunyi, dan serangkaian langkah di sepanjang jalur tersebut. Ahli biologi molekuler telah menghasilkan konsep "dogma sentral" di bidang mereka, yang dapat diringkas secara sederhana sebagai "DNA ke RNA ke protein." Bagian pertama dari proses ini – menghasilkan RNA, atau asam ribonukleat, dari DNA – dikenal sebagai

DNA dan RNA adalah asam nukleat. Keduanya fundamental bagi semua kehidupan; makromolekul-makromolekul ini sangat erat hubungannya, tetapi fungsinya, meskipun terjalin dengan sangat indah, sangat berbeda dan terspesialisasi.

DNA adalah polimer, yang berarti terdiri dari sejumlah besar subunit berulang. Subunit ini tidak persis sama, tetapi bentuknya identik. Pertimbangkan untaian panjang manik-manik yang terdiri dari kubus yang datang dalam empat warna dan ukurannya sedikit berbeda, dan Anda mendapatkan pemahaman dasar tentang bagaimana DNA dan RNA diatur.

Monomer (subunit) asam nukleat dikenal sebagai nukleotida. Nukleotida sendiri terdiri dari triad dari tiga molekul berbeda: gugus fosfat (atau gugus), a gula lima karbon dan basa kaya nitrogen ("basa" tidak dalam arti "fondasi", tetapi berarti "ion hidrogen akseptor"). Nukleotida yang membentuk asam nukleat memiliki satu gugus fosfat, tetapi beberapa memiliki dua atau bahkan tiga fosfat yang terikat secara berurutan. Molekul adenosin difosfat (ADP) dan adenosin trifosfat (ATP) adalah nukleotida yang sangat penting dalam metabolisme energi seluler.

DNA dan RNA berbeda dalam beberapa hal penting. Satu, sementara masing-masing molekul ini mencakup empat basa nitrogen yang berbeda, DNA termasuk adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T), sedangkan RNA mencakup tiga yang pertama, tetapi menggantikan urasil (U) untuk T. Dua, gula dalam DNA adalah deoksiribosa, sedangkan pada RNA adalah ribosa. Dan ketiga, DNA beruntai ganda dalam bentuk yang paling stabil secara energetik, sedangkan RNA beruntai tunggal. Perbedaan-perbedaan ini sangat penting baik dalam transkripsi secara khusus dan fungsi masing-masing asam nukleat ini secara umum.

Basa A dan G disebut purin, sedangkan C, T dan U diklasifikasikan sebagai pirimidin. Secara kritis, A secara kimiawi mengikat, dan hanya pada, T (jika DNA) atau U (jika RNA); C mengikat dan hanya untuk G. Dua untai molekul DNA saling melengkapi, artinya basa di setiap untai cocok di setiap titik dengan basa "pasangan" unik di untai yang berlawanan. Jadi AACTGCGTATG melengkapi TTGACGCATAC (atau UUGACGCAUAC).

Sebelum mempelajari mekanisme transkripsi DNA, ada baiknya meluangkan waktu sejenak untuk meninjau terminologi terkait dengan DNA dan RNA, karena dengan begitu banyak kata yang terdengar mirip dalam campuran, dapat dengan mudah membingungkan mereka.

Replikasi adalah tindakan membuat salinan identik dari sesuatu. Saat Anda membuat fotokopi dokumen tertulis (sekolah lama) atau menggunakan fungsi salin dan tempel di komputer (sekolah baru), Anda mereplikasi konten dalam kedua kasus tersebut.

DNA mengalami replikasi, tetapi RNA, sejauh yang dapat dipastikan oleh ilmu pengetahuan modern, tidak; itu muncul hanya dari transkripsi_._ Dari akar kata Latin yang berarti "tulisan di seberang," transkripsi adalah pengkodean pesan tertentu dalam salinan dari sumber asli. Anda mungkin pernah mendengar tentang transcriptionists medis, yang tugasnya adalah mengetik ke dalam bentuk tertulis catatan medis yang dibuat sebagai rekaman audio. Idealnya, kata-kata, dan dengan demikian pesannya, akan sama persis meskipun medianya berubah. Dalam sel, transkripsi melibatkan penyalinan pesan DNA genetik, yang ditulis dalam bahasa urutan basa nitrogen, ke dalam bentuk RNA – khususnya, messenger RNA (mRNA). Sintesis RNA ini terjadi di nukleus sel eukariotik, setelah itu mRNA meninggalkan nukleus dan menuju struktur yang disebut ribosom untuk menjalani terjemahan.

Sedangkan transkripsi adalah pengkodean fisik sederhana dari sebuah pesan dalam media yang berbeda, terjemahan, dalam istilah biologis, adalah konversi pesan itu menjadi tindakan yang bertujuan. Sebuah panjang DNA atau pesan DNA tunggal, yang disebut a gen, pada akhirnya menghasilkan sel yang memproduksi produk protein yang unik. DNA mengirimkan pesan ini dalam bentuk mRNA, yang kemudian membawa pesan ke ribosom untuk diterjemahkan menjadi protein. Dalam pandangan ini, mRNA seperti cetak biru atau seperangkat instruksi untuk merakit perabot.

Mudah-mudahan itu bisa menghilangkan misteri yang Anda miliki tentang apa yang dilakukan asam nukleat. Tapi bagaimana dengan transkripsi pada khususnya?

DNA, agak terkenal, dijalin menjadi heliks beruntai ganda. Tetapi dalam bentuk ini, secara fisik akan sulit untuk membangun sesuatu darinya. Oleh karena itu, dalam inisiasi fase (atau langkah) transkripsi, molekul DNA dilepaskan oleh enzim yang disebut helikase. Hanya satu dari dua untai DNA yang dihasilkan digunakan untuk sintesis RNA pada suatu waktu. Untaian ini disebut sebagai tanpa kode untai, karena, berkat aturan pasangan basa DNA dan RNA, untai DNA lainnya memiliki urutan basa nitrogen yang sama dengan mRNA yang akan disintesis, sehingga membuat untai ini pengkodean untai. Berdasarkan poin yang dibuat sebelumnya, Anda dapat menyimpulkan bahwa untai DNA dan mRNA yang bertanggung jawab untuk pembuatannya saling melengkapi.

Dengan untai sekarang siap beraksi, bagian DNA yang disebut urutan promotor menunjukkan di mana transkripsi akan dimulai di sepanjang untai. Enzim RNA polimerase tiba di lokasi ini dan menjadi bagian dari kompleks promotor. Semua ini untuk memastikan bahwa sintesis mRNA dimulai tepat di tempat yang seharusnya pada molekul DNA, dan ini menghasilkan untai RNA yang menyimpan pesan kode yang diinginkan.

Selanjutnya, di pemanjangan fase, RNA polimerase "membaca" untai DNA, mulai dari urutan promotor dan bergerak sepanjang untai DNA, seperti guru berjalan ke deretan siswa dan membagikan tes, menambahkan nukleotida ke ujung RNA yang baru terbentuk molekul.

Ikatan yang dibuat antara gugus fosfat dari satu nukleotida dan gugus ribosa atau deoksiribosa pada nukleotida berikutnya disebut ikatan fosfodiester. Perhatikan bahwa molekul DNA memiliki apa yang disebut ujung 3' ("tiga prima") di satu ujung dan ujung 5' ("lima prima") di ujung lainnya, dengan angka-angka ini berasal dari posisi karbon-atom terminal di masing-masing "cincin" terminal ribosa. Saat molekul RNA itu sendiri tumbuh ke arah 3', ia bergerak di sepanjang untai DNA di 5' arah. Anda harus memeriksa diagram untuk meyakinkan diri sendiri bahwa Anda sepenuhnya memahami mekanisme sintesis mRNA.

Penambahan nukleotida – khususnya, nukleosida trifosfat (ATP, CTP, GTP dan UTP; ATP adalah adenosin trifosfat, CTP adalah sitidin trifosfat dan sebagainya) – untuk untai mRNA yang memanjang membutuhkan energi. Ini, seperti banyak proses biologis, disediakan oleh ikatan fosfat di nukleosida trifosfat itu sendiri. Ketika ikatan fosfat-fosfat berenergi tinggi terputus, nukleotida yang dihasilkan (AMP, CMP, GMP dan UMP; dalam nukleotida ini, "MP" singkatan dari "monofosfat") ditambahkan ke mRNA, dan sepasang molekul fosfat anorganik, biasanya ditulis PP_saya, memungkiri.

Saat transkripsi terjadi, ia melakukannya, seperti yang dinyatakan, di sepanjang satu untai DNA. Sadarilah, bagaimanapun, bahwa seluruh molekul DNA tidak terurai dan terpisah menjadi untaian komplementer; ini hanya terjadi di sekitar transkripsi langsung. Hasilnya, Anda dapat memvisualisasikan "gelembung transkripsi" yang bergerak di sepanjang molekul DNA. Ini seperti sebuah objek yang bergerak di sepanjang ritsleting yang sedang membuka ritsleting tepat di depan objek dengan satu mekanisme sementara mekanisme yang berbeda ritsleting kembali ritsleting di belakang objek.

Akhirnya, ketika mRNA telah mencapai panjang dan bentuk yang dibutuhkan, penghentian fase berlangsung. Seperti inisiasi, fase ini diaktifkan oleh urutan DNA spesifik yang berfungsi sebagai tanda berhenti untuk RNA polimerase.

Pada bakteri, ini bisa terjadi dalam dua cara umum. Dalam salah satu dari ini, urutan terminasi ditranskripsi, menghasilkan panjang mRNA yang melipat kembali pada dirinya sendiri dan dengan demikian "berkumpul" saat RNA polimerase terus melakukan tugasnya. Bagian mRNA yang terlipat ini sering disebut sebagai untai jepit rambut, dan mereka melibatkan pasangan basa komplementer dalam molekul mRNA beruntai tunggal tetapi berkerut. Hilir dari bagian jepit rambut ini adalah bentangan basa U, atau residu yang memanjang. Peristiwa ini memaksa RNA polimerase untuk berhenti menambahkan nukleotida dan melepaskan diri dari DNA, mengakhiri transkripsi. Ini disebut sebagai terminasi rho-independen karena tidak bergantung pada protein yang dikenal sebagai faktor rho.

Dalam terminasi rho-dependent, situasinya lebih sederhana, dan tidak diperlukan segmen mRNA jepit rambut atau residu U. Sebaliknya, faktor rho mengikat ke tempat yang diperlukan pada mRNA dan secara fisik menarik mRNA menjauh dari RNA polimerase. Apakah terminasi rho-independen atau rho-dependent terjadi tergantung pada versi pasti dari RNA polimerase yang bekerja pada DNA dan mRNA (berbagai subtipe ada) serta protein dan faktor lain dalam sel langsung lingkungan Hidup.

Kedua kaskade peristiwa pada akhirnya menyebabkan mRNA terlepas dari DNA pada gelembung transkripsi.

Ada banyak perbedaan antara transkripsi pada prokariota (hampir semuanya adalah bakteri) dan eukariota (organisme multiseluler seperti hewan, tumbuhan, dan jamur). Misalnya, inisiasi pada prokariota biasanya melibatkan susunan basa DNA yang dikenal sebagai kotak Pribnow, dengan urutan basa TATAAT terletak kira-kira 10 pasangan basa jauhnya dari tempat inisiasi transkripsi itu sendiri terjadi. Eukariota, bagaimanapun, memiliki urutan penambah diposisikan pada jarak yang cukup jauh dari situs inisiasi, seperti: serta protein aktivator yang membantu mengubah bentuk molekul DNA dengan cara yang membuatnya lebih mudah diakses oleh RNA polimerase.

Selain itu, pemanjangan terjadi sekitar dua kali lebih cepat pada bakteri (sekitar 42 hingga 54 pasangan basa per menit, berbatasan dengan satu per detik) seperti pada eukariota (sekitar 22 hingga 25 pasangan basa per menit). Akhirnya, sementara mekanisme penghentian bakteri dijelaskan di atas, pada eukariota, fase ini melibatkan faktor terminasi spesifik, serta untai RNA yang disebut poli-A (seperti pada, banyak basa adenin berturut-turut) "ekor." Belum jelas apakah penghentian pemanjangan memicu pembelahan mRNA dari gelembung atau apakah pembelahan itu sendiri secara tiba-tiba mengakhiri pemanjangan. proses.