DNA-transkription: Hur fungerar det?

Oavsett om du är en nykomling i biologi eller en långvarig entusiast, är chansen utmärkt standard ser du deoxiribonukleinsyra (DNA) som kanske det mest oumbärliga konceptet i hela livet vetenskap. Som ett minimum är du sannolikt medveten om att DNA är det som gör dig unik bland de miljarder människor som finns på planet, vilket ger den en roll i den straffrättsliga världen såväl som centrum i molekylärbiologi föredrag. Du har nästan säkert lärt dig att DNA är ansvarigt för att ge dig alla egenskaper du ärvde från dina föräldrar, och att ditt eget DNA är ditt direkta arv till framtida generationer om du skulle ha barn.

Vad du kanske inte vet mycket om är vägen som ansluter DNA i dina celler till de fysiska egenskaper som du uppenbarar, både öppen och dold, och serien av steg längs den vägen. Molekylärbiologer har tagit fram begreppet "central dogma" inom sitt område, som enkelt kan sammanfattas som "DNA till RNA till protein." Den första delen av denna process - generering av RNA, eller ribonukleinsyra, från DNA - är känd som

DNA och RNA är nukleinsyror. Båda är grundläggande för hela livet; dessa makromolekyler är mycket nära besläktade, men deras funktioner, även om de är väldigt sammanflätade, är mycket olika och specialiserade.

DNA är en polymer, vilket innebär att den består av ett stort antal upprepande underenheter. Dessa underenheter är inte exakt identiska, men de har identisk form. Tänk på en lång sträng pärlor bestående av kuber som finns i fyra färger och varierar någonsin så lite i storlek, och du får en grundläggande känsla för hur DNA och RNA är ordnade.

Monomererna (underenheter) av nukleinsyror är kända som nukleotider. Nukleotiderna själva består av triader av tre distinkta molekyler: en fosfatgrupp (eller grupper), en socker med fem kol och en kväverik bas ("bas" inte i betydelsen "grund", men betyder "vätejon acceptor "). Nukleotiderna som utgör nukleinsyror har en fosfatgrupp, men vissa har två eller till och med tre fosfater bundna i rad. Molekylerna adenosindifosfat (ADP) och adenosintrifosfat (ATP) är nukleotider av extraordinär betydelse för cellulär energimetabolism.

DNA och RNA skiljer sig åt på flera viktiga sätt. En, medan var och en av dessa molekyler innehåller fyra olika kvävebaser, inkluderar DNA adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T), medan RNA inkluderar de tre första av dessa, men ersätter uracil (U) för T. Två, sockret i DNA är deoxiribos, medan det i RNA är ribos. Och tre är DNA dubbelsträngat i sin mest energiskt stabila form, medan RNA är enkelsträngat. Dessa skillnader är av stor betydelse i både transkription specifikt och funktionen hos dessa respektive nukleinsyror i allmänhet.

Baserna A och G kallas puriner, medan C, T och U klassificeras som pyrimidiner. Kritiskt binder A kemiskt till och endast till T (om DNA) eller U (om RNA); C binder till och endast till G. De två strängarna i en DNA-molekyl är komplementära, vilket innebär att baserna i varje sträng matchar vid varje punkt till den unika "partner" -basen i motsatt sträng. Således är AACTGCGTATG komplement till TTGACGCATAC (eller UUGACGCAUAC).

Innan du går in i mekaniken för DNA-transkription är det värt att ta en stund att granska terminologin associerad med DNA och RNA, för med så många ord som liknar i mixen kan det vara lätt att förvirra dem.

Replikering är att göra en identisk kopia av något. När du gör en kopia av ett skriftligt dokument (old school) eller använder kopiera och klistra in funktionen på en dator (new school) replikerar du innehållet i båda fallen.

DNA genomgår replikering, men RNA, i den mån modern vetenskap kan konstatera, gör det inte; det härrör endast från transkription _._ Från en latinsk rot som betyder "en skrift över", är transkription kodningen av ett visst meddelande i en kopia av en originalkälla. Du kanske har hört talas om medicinska transkriptionister, vars uppgift är att skriva in medicinska anteckningar som en ljudinspelning i skriftlig form. Idealt kommer orden och därmed meddelandet att vara exakt desamma trots förändringen i mediet. I celler innebär transkription kopiering av ett genetiskt DNA-meddelande, skrivet på språket av kvävebaserade sekvenser, till RNA-form - speciellt budbärar-RNA (mRNA). Denna RNA-syntes inträffar i kärnan i eukaryota celler, varefter mRNA lämnar kärnan och går mot en struktur som kallas en ribosom för att genomgå översättning.

Medan transkription är den enkla fysiska kodningen av ett meddelande i ett annat medium, är översättning, i biologiska termer, omvandlingen av det meddelandet till målmedveten handling. En längd av DNA eller ett enda DNA-meddelande, kallat a genresulterar i slutändan i att celler tillverkar en unik proteinprodukt. DNA skickar detta meddelande i form av mRNA, som sedan överför meddelandet till en ribosom för att det ska översättas till att göra ett protein. Enligt denna uppfattning är mRNA som en ritning eller en uppsättning instruktioner för att montera en möbel.

Det förhoppningsvis rensar upp alla mysterier du har om vad nukleinsyror gör. Men vad sägs om transkription i synnerhet?

DNA, ganska känt, vävs in i en dubbelsträngad helix. Men i denna form skulle det fysiskt vara svårt att bygga någonting av det. Därför, i initiering transkriptionsfas (eller steg) avlindas DNA-molekylen av enzymer som kallas helicaser. Endast en av de två resulterande DNA-strängarna används för RNA-syntes åt gången. Denna del kallas icke-kodande sträng, för tack vare reglerna för DNA- och RNA-basparning har den andra DNA-strängen samma sekvens av kvävebaser som mRNA som ska syntetiseras, vilket gör denna sträng till kodning strå. Baserat på poäng som gjorts tidigare kan du dra slutsatsen att en DNA-sträng och mRNA som den ansvarar för tillverkning är komplementära.

Med strängen nu redo för åtgärd indikerar en sektion av DNA som kallas promotorsekvensen var transkriptionen ska börja längs strängen. Enzymet RNA-polymeras anländer till denna plats och blir en del av ett promotorkomplex. Allt detta är för att säkerställa att mRNA-syntes börjar exakt där den ska på DNA-molekylen, och detta genererar en RNA-sträng som innehåller det önskade kodade meddelandet.

Nästa, i förlängning fas, "läser" RNA-polymeras DNA-strängen, börjar vid promotorsekvensen och rör sig längs DNA-strängen, som en lärare går upp en rad elever och distribuerar tester och lägger till nukleotider i den växande änden av det nybildande RNA molekyl.

Bindningarna skapade mellan fosfatgrupperna i en nukleotid och ribos- eller deoxiribosgruppen vid nästa nukleotid kallas fosfodiesterbindningar. Observera att en DNA-molekyl har vad som kallas en 3 '("tre-prime") terminal i ena änden och en 5' ("five-prime") terminal i den andra, med dessa siffror som kommer från terminala kolatompositioner i respektive terminala ribos "ringar". När RNA-molekylen själv växer i 3'-riktningen rör sig den längs DNA-strängen i 5 ' riktning. Du bör undersöka ett diagram för att försäkra dig själv om att du förstår mekaniken för mRNA-syntes.

Tillsatsen av nukleotider - specifikt nukleosidtrifosfater (ATP, CTP, GTP och UTP; ATP är adenosintrifosfat, CTP är cytidintrifosfat och så vidare) - till den långsträckta mRNA-strängen krävs energi. Detta, som så många biologiska processer, tillhandahålls av fosfatbindningarna i själva nukleosidtrifosfaterna. När fosfat-fosfatbindningen med hög energi bryts, blir den resulterande nukleotiden (AMP, CMP, GMP och UMP; i dessa nukleotider tillsätts "MP" för "monofosfat") till mRNA och ett par oorganiska fosfatmolekyler, vanligtvis skrivna PP_i, falla bort.

När transkription sker gör den det, som sagt, längs en enda DNA-tråd. Var dock medveten om att hela DNA-molekylen inte rullas upp och separeras i komplementära strängar; detta händer bara i transkriptionens direkta närhet. Som ett resultat kan du visualisera en "transkriptionsbubbla" som rör sig längs DNA-molekylen. Det här är som ett objekt som rör sig längs en dragkedja som packas upp precis före objektet med en mekanism medan en annan mekanism drar tillbaka blixtlåset i objektets kölvatten.

Slutligen, när mRNA har nått sin önskade längd och form, kommer uppsägning fasen börjar. Liksom initiering aktiveras denna fas av specifika DNA-sekvenser som fungerar som stopptecken för RNA-polymeras.

Hos bakterier kan detta hända på två allmänna sätt. I en av dessa transkriberas avslutningssekvensen, vilket genererar en mRNA-längd som viks tillbaka på sig själv och därigenom "samlas" när RNA-polymeras fortsätter att göra sitt jobb. Dessa vikta sektioner av mRNA kallas ofta hårnålsträngar, och de involverar kompletterande basparning i den enkelsträngade men förvrängda mRNA-molekylen. Nedströms från denna hårnålssektion är en långsträckt U-bas eller rester. Dessa händelser tvingar RNA-polymeraset att sluta tillsätta nukleotider och lossna från DNA, vilket avslutar transkriptionen. Detta kallas rho-oberoende avslutning eftersom det inte är beroende av ett protein som kallas en rho-faktor.

Vid rho-beroende avslutning är situationen enklare och inga hårnåls-mRNA-segment eller U-rester behövs. Istället binder rho-faktorn till den önskade platsen på mRNA och drar fysiskt mRNA bort från RNA-polymeras. Huruvida rho-oberoende eller rho-beroende avslutning sker beror på den exakta versionen av RNA-polymeras som verkar på DNA och mRNA (det finns en mängd olika typer) liksom proteinerna och andra faktorer i den omedelbara cellulära miljö.

Båda kaskaderna av händelser leder slutligen till att mRNA bryter sig fritt från DNA vid transkriptionsbubblan.

Det finns många skillnader mellan transkription i prokaryoter (nästan alla bakterier) och eukaryoter (flercelliga organismer som djur, växter och svampar). Till exempel involverar initiering i prokaryoter vanligtvis ett DNA-basarrangemang som kallas Pribnow-rutan, med bassekvensen TATAAT lokaliserade ungefär 10 baspar bort från var själva transkriptionsinitieringen sker. Eukaryoter har emellertid förstärkarsekvenser placerade på ett avsevärt avstånd från initieringsstället, såsom samt aktivatorproteiner som hjälper till att deformera DNA-molekylen på ett sätt som gör den mer tillgänglig för RNA polymeras.

Dessutom uppträder töjning ungefär dubbelt så snabbt i bakterier (cirka 42 till 54 baspar per minut, gränsar till en per sekund) som i eukaryoter (cirka 22 till 25 baspar per minut). Slutligen, medan bakteriella termineringsmekanismer beskrivs ovan, i eukaryoter, involverar denna fas specifika termineringsfaktorer, liksom en sträng av RNA som kallas poly-A (som i många adeninbaser i rad) "svans." Det är ännu inte klart om upphörande av förlängning utlöser klyvning av mRNA från bubblan eller om klyvning i sig plötsligt avslutar förlängningen bearbeta.