Uansett om du er en nykommer i biologi eller en mangeårig tilhenger, er sjansen stor standard, ser du deoksyribonukleinsyre (DNA) som kanskje det eneste uunnværlige konseptet i hele livet vitenskap. I det minste er du sannsynligvis klar over at DNA er det som gjør deg unik blant milliardene mennesker på planet, noe som gir den en rolle i strafferettsverdenen samt senter i molekylærbiologi forelesninger. Du har nesten helt sikkert lært at DNA er ansvarlig for å gi deg alle egenskapene du arvet fra foreldrene dine, og at ditt eget DNA er din direkte arv til fremtidige generasjoner hvis du har barn.
Det du kanskje ikke vet mye om, er banen som forbinder DNA i cellene dine med de fysiske egenskapene du manifesterer, både åpen og skjult, og rekke trinn langs den banen. Molekylærbiologer har produsert konseptet med et "sentralt dogme" innen sitt felt, som enkelt kan oppsummeres som "DNA til RNA til protein." Den første delen av denne prosessen - generering av RNA, eller ribonukleinsyre, fra DNA - er kjent som
transkripsjon, og denne godt studerte og koordinerte serien av biokjemisk gymnastikk er like elegant som den er vitenskapelig dyp.Oversikt over nukleinsyrer
DNA og RNA er nukleinsyrer. Begge er grunnleggende for hele livet; disse makromolekylene er veldig nært beslektede, men funksjonene deres, selv om de er flott sammenflettet, er svært forskjellige og spesialiserte.
DNA er en polymer, som betyr at den består av et stort antall repeterende underenheter. Disse underenhetene er ikke nøyaktig identiske, men de har identisk form. Tenk på en lang streng med perler som består av terninger som kommer i fire farger og varierer så lite i størrelse, og du får en grunnleggende følelse av hvordan DNA og RNA er ordnet.
Monomerer (underenheter) av nukleinsyrer er kjent som nukleotider. Selve nukleotidene består av triader av tre forskjellige molekyler: en fosfatgruppe (eller grupper), en fem-karbon sukker og en nitrogenrik base ("base" ikke i betydningen "foundation", men som betyr "hydrogen-ion aksepterer "). Nukleotidene som utgjør nukleinsyrer har en fosfatgruppe, men noen har to eller til og med tre fosfater festet på rad. Molekylene adenosindifosfat (ADP) og adenosintrifosfat (ATP) er nukleotider av ekstraordinær betydning i cellulær energimetabolisme.
DNA og RNA skiller seg ut på flere viktige måter. En, mens hvert av disse molekylene inkluderer fire forskjellige nitrogenholdige baser, inkluderer DNA adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T), mens RNA inkluderer de tre første av disse, men erstatter uracil (U) for T. To, sukkeret i DNA er deoksyribose, mens det i RNA er ribose. Og tre, DNA er dobbeltstrenget i sin mest energisk stabile form, mens RNA er enkeltstrenget. Disse forskjellene er av stor betydning i både transkripsjon spesifikt og funksjonen til disse respektive nukleinsyrene generelt.
Basene A og G kalles puriner, mens C, T og U er klassifisert som pyrimidiner. Kritisk binder A kjemisk til, og bare til, T (hvis DNA) eller U (hvis RNA); C binder seg til og bare til G. De to strengene i et DNA-molekyl er komplementære, noe som betyr at basene i hver streng samsvarer til hvert punkt med den unike "partner" -basen i motsatt streng. Dermed er AACTGCGTATG komplementær til TTGACGCATAC (eller UUGACGCAUAC).
DNA-transkripsjon vs. Oversettelse
Før du går inn i mekanikken til DNA-transkripsjon, er det verdt å ta et øyeblikk for å gjennomgå terminologien assosiert med DNA og RNA, fordi det med så mange ord som ligner like i blandingen, kan være lett å forvirre dem.
Replikering er det å lage en identisk kopi av noe. Når du tar en kopi av et skriftlig dokument (old school) eller bruker kopier og lim-funksjonen på en datamaskin (new school), replikerer du innholdet i begge tilfeller.
DNA gjennomgår replikering, men RNA, i den grad moderne vitenskap kan fastslå, gjør det ikke; det stammer bare fra transkripsjon _._ Fra en latinsk rot som betyr "en skrift på tvers," er transkripsjon koding av en bestemt melding i en kopi av en original kilde. Du har kanskje hørt om medisinske transkripsjonseksperter, hvis jobb er å skrive de medisinske notatene som er laget som lydopptak i skriftlig form. Ideelt sett vil ordene, og dermed budskapet, være nøyaktig de samme til tross for endring i medium. I celler innebærer transkripsjon kopiering av en genetisk DNA-melding, skrevet på språket av nitrogenholdige basesekvenser, til RNA-form - spesielt messenger-RNA (mRNA). Denne RNA-syntese forekommer i kjernen til eukaryote celler, hvoretter mRNA forlater kjernen og går mot en struktur som kalles et ribosom å gjennomgå oversettelse.
Mens transkripsjon er den enkle fysiske kodingen av en melding i et annet medium, er oversettelse i biologiske termer konvertering av denne meldingen til målrettet handling. En lengde på DNA eller enkelt DNA-melding, kalt a gen, resulterer til slutt i at celler produserer et unikt proteinprodukt. DNA sender denne meldingen i form av mRNA, som deretter fører meldingen til et ribosom for at den skal oversettes til å lage et protein. I dette synet er mRNA som en tegning eller et sett med instruksjoner for å montere et møbel.
Det forhåpentligvis rydder opp eventuelle mysterier du har om hva nukleinsyrer gjør. Men hva med transkripsjon spesielt?
Trinn for transkripsjon
DNA, ganske kjent, er vevd inn i en dobbeltstrenget helix. Men i denne formen ville det fysisk være vanskelig å bygge noe fra det. Derfor, i innvielse fase (eller trinn) av transkripsjon, blir DNA-molekylet viklet ut av enzymer som kalles helicaser. Bare en av de to resulterende DNA-strengene brukes til RNA-syntese om gangen. Denne delen er referert til som ikke-koding streng, fordi, takket være reglene for DNA- og RNA-baseparing, har den andre DNA-strengen den samme sekvensen av nitrogenholdige baser som mRNA som skal syntetiseres, og dermed gjør denne strengen til koding Strand. Basert på poeng som er gjort tidligere, kan du konkludere med at en DNA-streng og mRNA den er ansvarlig for produksjon er komplementære.
Med strengen nå klar for handling, indikerer en seksjon av DNA kalt promotorsekvensen hvor transkripsjon skal starte langs strengen. Enzymet RNA-polymerase ankommer dette stedet og blir en del av et promotorkompleks. Alt dette er for å sikre at mRNA-syntese begynner nøyaktig der det skal på DNA-molekylet, og dette genererer en RNA-streng som inneholder den ønskede kodede meldingen.
Neste, i forlengelse fase, "leser" RNA-polymerase DNA-strengen, starter ved promotersekvensen og beveger seg langs DNA-strengen, som en lærer som går opp en rad studenter og distribuerer tester, og legger nukleotider til den voksende enden av det nylig dannede RNA molekyl.
Bindingene som er opprettet mellom fosfatgruppene i ett nukleotid og ribose- eller deoksyribosegruppen på neste nukleotid kalles fosfodiesterbindinger. Merk at et DNA-molekyl har det som kalles en 3 '("tre-prime") terminal i den ene enden og en 5' ("fem-prime") terminal i den andre, med disse tallene kommer fra terminale karbonatomposisjoner i de respektive terminale ribose "ringene". Når RNA-molekylet selv vokser i 3'-retningen, beveger det seg langs DNA-strengen i 5 ' retning. Du bør undersøke et diagram for å forsikre deg selv om at du forstår mekanikken til mRNA-syntese.
Tilsetningen av nukleotider - spesifikt nukleosidtrifosfater (ATP, CTP, GTP og UTP; ATP er adenosintrifosfat, CTP er cytidintrifosfat og så videre) - til den langstrakte mRNA-strengen krever energi. Dette, som så mange biologiske prosesser, tilveiebringes av fosfatbindinger i selve nukleosidtrifosfatene. Når høynergifosfat-fosfatbindingen brytes, blir det resulterende nukleotidet (AMP, CMP, GMP og UMP; i disse nukleotidene, "MP" står for "monofosfat") blir lagt til mRNA, og et par uorganiske fosfatmolekyler, vanligvis skrevet PPJeg, falle bort.
Når transkripsjon skjer, gjør den det, som sagt, langs en enkelt DNA-streng. Vær imidlertid oppmerksom på at hele DNA-molekylet ikke spoles og skilles i komplementære tråder; dette skjer bare i umiddelbar nærhet av transkripsjon. Som et resultat kan du visualisere en "transkripsjonsboble" som beveger seg langs DNA-molekylet. Dette er som et objekt som beveger seg langs en glidelås som blir pakket ut rett foran objektet av en mekanisme, mens en annen mekanisme glidelåser glidelåsen på nytt i gjenstanden.
Til slutt, når mRNA har nådd ønsket lengde og form, er avslutning fase kommer i gang. I likhet med initiering aktiveres denne fasen av spesifikke DNA-sekvenser som fungerer som stoppskilt for RNA-polymerase.
Hos bakterier kan dette skje på to generelle måter. I en av disse blir termineringssekvensen transkribert, og genererer en lengde på mRNA som brettes inn på seg selv og derved "knuses opp" når RNA-polymerase fortsetter å gjøre jobben sin. Disse brettede delene av mRNA blir ofte referert til som hårnålstrenger, og de involverer komplementær baseparring i det enkeltstrengede, men forvrengte mRNA-molekylet. Nedstrøms fra denne hårnålseksjonen er en langvarig strekning av U-baser eller rester. Disse hendelsene tvinger RNA-polymerasen til å slutte å tilsette nukleotider og løsne seg fra DNA, og avslutte transkripsjonen. Dette blir referert til som rho-uavhengig avslutning fordi det ikke er avhengig av et protein kjent som en rho-faktor.
Ved rho-avhengig avslutning er situasjonen enklere, og det er ikke nødvendig med noen hårnål-mRNA-segmenter eller U-rester. I stedet binder rho-faktoren til det nødvendige stedet på mRNA og trekker mRNA fysisk fra RNA-polymerase. Hvorvidt rho-uavhengig eller rho-avhengig avslutning avhenger av den nøyaktige versjonen av RNA-polymerase som virker på DNA og mRNA (det finnes en rekke undertyper) så vel som proteiner og andre faktorer i den umiddelbare cellulære miljø.
Begge kaskader av hendelser fører til slutt til at mRNA bryter løs fra DNA ved transkripsjonsboblen.
Prokaryoter vs. Eukaryoter
Det er mange forskjeller mellom transkripsjon i prokaryoter (nesten alle bakterier) og eukaryoter (flercellede organismer som dyr, planter og sopp). For eksempel innebærer initiering i prokaryoter vanligvis et DNA-basearrangement kjent som Pribnow-boksen, med basesekvensen TATAAT lokaliserte omtrent 10 basepar bort fra hvor selve transkripsjonsinitieringen forekommer. Eukaryoter har imidlertid forsterkersekvenser plassert i betydelig avstand fra initieringsstedet, som samt aktivatorproteiner som hjelper til med å deformere DNA-molekylet på en måte som gjør det mer tilgjengelig for RNA polymerase.
I tillegg skjer forlengelse omtrent dobbelt så raskt i bakterier (rundt 42 til 54 basepar per minutt, som grenser til en per sekund) som i eukaryoter (ca. 22 til 25 basepar per minutt). Til slutt, mens bakterielle mekanismer for terminering er beskrevet ovenfor, involverer denne fasen i eukaryoter spesifikke termineringsfaktorer, så vel som en streng av RNA kalt poly-A (som i mange adeninbaser på rad) "hale." Det er foreløpig ikke klart om opphør av forlengelse utløser spalting av mRNA fra boblen, eller om spalting i seg selv brått avslutter forlengelsen prosess.