DNA-transkription: Hvordan fungerer det?

Uanset om du er en nybegynder i biologi eller en langvarig aficionado, er chancerne fremragende, at du som standard ser deoxyribonukleinsyre (DNA) som måske det mest uundværlige koncept i alt af livsvidenskab. I det mindste er du sandsynligvis opmærksom på, at DNA er det, der gør dig unik blandt milliarder af mennesker på planeten, hvilket giver det en rolle i den strafferetlige verden såvel som midterste fase i molekylærbiologiske forelæsninger. Du har næsten helt sikkert lært, at DNA er ansvarlig for at give dig de træk, du har arvet fra dine forældre, og at dit eget DNA er din direkte arv til fremtidige generationer, hvis du får børn.

Hvad du måske ikke ved meget handler om den sti, der forbinder DNA'et i dine celler til de fysiske træk, du viser, både åbenlyst og skjult, og række trin langs den sti. Molekylærbiologer har produceret begrebet en "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 transkription, og denne godt studerede og koordinerede serie af biokemisk gymnastik er lige så elegant, som den er videnskabeligt dybtgående.
Oversigt over nukleinsyrer

DNA og RNA er nukleinsyrer. Begge er grundlæggende for hele livet; disse makromolekyler er meget tæt beslægtede, men deres funktioner, selv om de er smukt sammenflettede, er meget afvigende 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 perler bestående af terninger, der findes i fire farver og varierer nogensinde 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. Nukleotider består i sig selv af triader af tre forskellige molekyler: en phosphatgruppe (eller -grupper), en sukker med fem carbonhydrider 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 adenosintrifosfat (ATP) er nukleotider af ekstraordinær betydning i cellulær energimetabolisme.

DNA og RNA adskiller sig på flere vigtige måder. Én, mens hver 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 er sukkeret i DNA deoxyribose, mens det i RNA er ribose. Og tre er DNA dobbeltstrenget i sin mest energisk stabile form, hvorimod RNA er enkeltstrenget. Disse forskelle er af største betydning i både transkription specifikt og funktionen af disse respektive nukleinsyrer generelt.

Baserne A og G kaldes puriner, mens C, T og U klassificeres 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 strenge af et DNA-molekyle er komplementære, hvilket betyder, at baserne i hver streng matcher på hvert punkt til den unikke "partner" -base i den modsatte streng. Således er AACTGCGTATG komplementær til TTGACGCATAC (eller UUGACGCAUAC).
DNA-transkription vs. oversættelse

Før man går i dybden med mekanik af DNA-transkription, er det værd at tage et øjeblik at gennemgå terminologien, der er forbundet med DNA og RNA, fordi med så mange lignende-lydende ord i blandingen, kan det være let at forvirre dem.

Replikering er handlingen om at fremstille en identisk kopi af noget. Når du laver en fotokopi af et skriftligt dokument (old school) eller bruger kopi-og-indsæt-funktionen på en computer (ny skole), kopierer du indholdet i begge tilfælde.

DNA gennemgår replikation, men RNA, for så vidt moderne videnskab kan konstatere, gør det ikke; den stammer kun fra transkription _._ Fra en latin rod, der betyder "en skrivning på tværs," transkription er kodning af en bestemt meddelelse i en kopi af en original kilde. Du har muligvis hørt om medicinske transkriptionister, hvis opgave er at indtaste de medicinske noter, der er lavet som en lydoptagelse i skriftlig form. Ideelt set vil ordene og dermed budskabet være nøjagtigt de samme trods ændringen i medium. I celler involverer transkription kopiering af en genetisk DNA-meddelelse, skrevet på sprog med nitrogenholdige basesekvenser, til RNA-form - specielt messenger RNA (mRNA). Denne RNA-syntese finder sted i kernen i eukaryote celler, hvorefter mRNA forlader kernen og går mod en struktur kaldet et ribosom for at gennemgå translation.

Mens transkription er den enkle fysiske kodning af en meddelelse i et andet medium , oversættelse, biologisk set, er konverteringen af dette budskab til målrettet handling. En længde med DNA eller enkelt DNA-meddelelse, kaldet et gen, resulterer i sidste ende i celler, der fremstiller et unikt proteinprodukt. DNA'et sender denne meddelelse med i form af mRNA, som derefter bærer beskeden til et ribosom for at det kan oversættes til fremstilling af et protein. I denne opfattelse er mRNA som en plan eller et sæt instruktioner til samling af et møbel.

Det forhåbentlig rydder alle mysterier, du har om, hvad nukleinsyrer gør. Men hvad med transkription især?
Trinnene til transkription -

DNA, snarere berømt, er vævet i en dobbeltstrenget helix. Men i denne form ville det fysisk være vanskeligt at bygge noget ud fra det. I initieringsfasen (eller trinet) af transkription afvikles DNA-molekylet derfor af enzymer, der kaldes helikaser. Kun en af de to resulterende DNA-strenge bruges til RNA-syntese ad gangen. Denne streng omtales som den ikke-kodende streng, fordi, takket være reglerne for DNA- og RNA-baseparring, har den anden DNA-streng den samme sekvens af nitrogenholdige baser som mRNA, der skal syntetiseres, hvilket gør denne streng til den kodende streng. Baseret på tidligere nævnte punkter kan du konkludere, at en DNA-streng og det mRNA, det er ansvarlig for fremstilling, er komplementære.

Med strengen nu klar til handling, angiver et afsnit af DNA, der kaldes promotorsekvensen, hvor transkription er at starte langs snoren. Enzymet RNA-polymerase ankommer til dette sted og bliver en del af et promotorkompleks. Alt dette er at sikre, at mRNA-syntese begynder nøjagtigt, hvor den skal på DNA-molekylet, og dette genererer en RNA-streng, der har den ønskede kodede meddelelse.

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

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

Tilsætningen af nukleotider - specifikt, nukleosidtriphosphater (ATP, CTP, GTP og UTP; ATP er adenosintriphosphat, CTP er cytidin triphosphat osv.) - til den langstrakte mRNA-streng kræver energi. Dette, ligesom så mange biologiske processer, tilvejebringes af phosphatbindingerne i selve nukleosidtrifosfaterne. Når den høje energi-phosphat-phosphatbinding brydes, sættes det resulterende nukleotid (AMP, CMP, GMP og UMP; i disse nucleotider står "MP" for "monophosphat") til mRNA, og et par uorganiske phosphatmolekyler , normalt skrevet PP _{i, falder væk.}

Når transkription forekommer, gør det det som sagt langs en enkelt DNA-streng. Vær dog opmærksom på, at hele DNA-molekylet ikke opvikles og adskilles i komplementære strenge; dette sker kun i umiddelbar 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 pakkes lige foran objektet af en mekanisme, mens en anden mekanisme lynlåser lynlåsen i objektets kølvandet.

Endelig, når mRNA har nået sit krævet længde og form, afsluttes fase i gang. Ligesom initiering aktiveres denne fase 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 ind i sig selv og derved "bundter sig op", når RNA-polymerasen fortsætter med at gøre sit job. Disse foldede sektioner af mRNA omtales ofte som hårnåle-strenge, og de involverer komplementær baseparring inden i det enkeltstrengede, men forvrængede mRNA-molekyle. Nedstrøms for denne hårnålsektion findes en langvarig strækning af U-baser eller rester. Disse begivenheder tvinger RNA-polymerasen til at stoppe tilsætning af nukleotider og løsne sig fra DNA'et og afslutte transkription. Dette kaldes rho-uafhængig terminering, fordi det ikke er afhængigt af et protein, der er kendt som en rho-faktor.

Ved rho-afhængig terminering er situationen enklere, og der kræves ingen hårnåle-mRNA-segmenter eller U-rester . I stedet binder rho-faktoren til det krævede sted på mRNA og trækker fysisk mRNA væk fra RNA-polymerase. Hvorvidt rho-uafhængig eller rho-afhængig terminering forekommer 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 det umiddelbare cellulære miljø.

Begge kaskader af begivenheder fører i sidste ende til, at mRNA frigøres af DNA ved transkriptionsboblen.
Prokaryoter vs. eukaryoter.

Der findes adskillige forskelle mellem transkription i prokaryoter (næsten alle er bakterier) og eukaryoter (flercellede organismer såsom dyr, planter og svampe). F.eks. Involverer initiering i prokaryoter normalt et DNA-basearrangement kendt som Pribnow-boksen, med basesekvensen TATAAT placeret omtrent 10 basepar væk fra hvor transkriptionstartning i sig selv forekommer. Eukaryoter har imidlertid enhancer-sekvenser placeret i en betydelig afstand fra initieringsstedet såvel som aktivatorproteiner, der hjælper med at deformere DNA-molekylet på en måde, der gør det mere tilgængeligt for RNA-polymerase.

Derudover forlængelse forekommer cirka dobbelt så hurtigt i bakterier (ca. 42 til 54 basepar i minuttet, der grænser op til et pr. sekund) som i eukaryoter (ca. 22 til 25 basepar per minut). Endelig, mens bakterielle termineringsmekanismer er beskrevet ovenfor, involverer denne fase i eukaryoter specifikke termineringsfaktorer såvel som en streng af RNA kaldet en 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 forlængelsesprocessen.