Inhoud
- Overzicht van nucleïnezuren
- DNA-transcriptie versus vertaling
- De stappen van transcriptie
- Prokaryotes versus Eukaryotes
Ongeacht of u een nieuwkomer in de biologie bent of een oude liefhebber, de kansen zijn uitstekend dat u standaard deoxyribonucleïnezuur (DNA) ziet als misschien het meest onmisbare concept in de hele levenswetenschap. Je bent je er waarschijnlijk op zijn minst van bewust dat DNA jou uniek maakt onder de miljarden mensen op de planeet, waardoor het een rol speelt in de wereld van het strafrecht en een centrale rol speelt in lezingen over moleculaire biologie. Je hebt vrijwel zeker geleerd dat DNA verantwoordelijk is voor het schenken van alle eigenschappen die je van je ouders hebt geërfd, en dat je eigen DNA je directe erfenis is voor toekomstige generaties als je kinderen hebt.
Waar je misschien niet veel over weet, is het pad dat het DNA in je cellen verbindt met de fysieke eigenschappen die je manifesteert, zowel openlijk als verborgen, en de reeks stappen langs dat pad. Moleculaire biologen hebben het concept van een "centraal dogma" in hun vakgebied geproduceerd, dat eenvoudig kan worden samengevat als "DNA tot RNA tot eiwit". Het eerste deel van dit proces - het genereren van RNA, of ribonucleïnezuur, uit DNA - staat bekend als transcriptie, en deze goed bestudeerde en gecoördineerde reeks biochemische gymnastiek is even elegant als wetenschappelijk diepgaand.
Overzicht van nucleïnezuren
DNA en RNA zijn nucleïnezuren. Beide zijn fundamenteel voor het hele leven; deze macromoleculen zijn zeer nauw verwant, maar hun functies, hoewel prachtig met elkaar verweven, zijn zeer uiteenlopend en gespecialiseerd.
DNA is een polymeer, wat betekent dat het bestaat uit een groot aantal herhalende subeenheden. Deze subeenheden zijn niet precies identiek, maar ze zijn identiek van vorm. Overweeg een lange reeks kralen bestaande uit kubussen die in vier kleuren komen en heel licht in grootte variëren, en je krijgt een basisgevoel van hoe DNA en RNA zijn gerangschikt.
De monomeren (subeenheden) van nucleïnezuren staan bekend als nucleotiden. Nucleotiden zelf bestaan uit triaden van drie verschillende moleculen: een fosfaatgroep (of groepen), een suiker met vijf koolstofatomen en een stikstofrijke base ("base" niet in de zin van "foundation", maar betekent "waterstofionenacceptor") ). De nucleotiden waaruit nucleïnezuren bestaan, hebben één fosfaatgroep, maar sommige hebben twee of zelfs drie fosfaten achter elkaar. De moleculen adenosinedifosfaat (ADP) en adenosinetrifosfaat (ATP) zijn nucleotiden van buitengewoon belang in het cellulaire energiemetabolisme.
DNA en RNA verschillen op verschillende belangrijke manieren. Eén, terwijl elk van deze moleculen vier verschillende stikstofbasen omvat, omvat DNA adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T), terwijl RNA de eerste drie hiervan bevat, maar uracil vervangt (U) voor T. Twee is de suiker in DNA deoxyribose, terwijl die in RNA ribose is. En drie: DNA is dubbelstrengig in zijn meest energetisch stabiele vorm, terwijl RNA enkelstrengig is. Deze verschillen zijn van groot belang in zowel transcriptie specifiek als de functie van deze respectieve nucleïnezuren in het algemeen.
De basen A en G worden purines genoemd, terwijl C, T en U worden geclassificeerd als pyrimidines. Kritisch, A bindt chemisch aan en alleen aan T (indien DNA) of U (indien RNA); C bindt aan en alleen aan G. De twee strengen van een DNA-molecuul zijn complementair, wat betekent dat de basen in elke streng op elk punt overeenkomen met de unieke "partner" -basis in de tegenovergestelde streng. AACTGCGTATG is dus complementair aan TTGACGCATAC (of UUGACGCAUAC).
DNA-transcriptie versus vertaling
Voordat we ingaan op de mechanica van DNA-transcriptie, is het de moeite waard om even de tijd te nemen om de terminologie van DNA en RNA te bekijken, omdat het met zoveel woorden die op dezelfde manier klinken in de mix, het gemakkelijk kan zijn om ze te verwarren.
kopiëren is het maken van een identieke kopie van iets. Wanneer u een kopie maakt van een geschreven document (oude school) of de functie kopiëren en plakken op een computer (nieuwe school) gebruikt, repliceert u de inhoud in beide gevallen.
DNA ondergaat replicatie, maar RNA, voor zover de moderne wetenschap kan vaststellen, niet; het komt alleen voort uit transcriptie _._ Van een Latijnse wortel die 'een schrift over' betekent, transcriptie is de codering van een bepaalde in een kopie van een originele bron. Je hebt misschien gehoord van medische transcriptionists, wiens taak het is om de medische aantekeningen die als een audio-opname zijn gemaakt, schriftelijk in te typen. In het ideale geval zijn de woorden, en dus de, precies hetzelfde ondanks de verandering in medium. In cellen omvat transcriptie het kopiëren van een genetisch DNA, geschreven in de taal van stikstofbase-sequenties, in RNA-vorm - speciaal messenger RNA (mRNA). Deze RNA-synthese vindt plaats in de kern van eukaryotische cellen, waarna het mRNA de kern verlaat en op weg is naar een structuur die een ribosoom wordt genoemd vertaling.
Terwijl transcriptie de eenvoudige fysieke codering van een in een ander medium is, is vertaling, in biologische termen, de omzetting daarvan in doelgerichte actie. Een lengte van DNA of enkelvoudig DNA, genaamd a gen, resulteert uiteindelijk in cellen die een uniek eiwitproduct produceren. Het DNA verzendt dit mee in de vorm van mRNA, dat het vervolgens naar een ribosoom voert om het te vertalen in het maken van een eiwit. In deze weergave is mRNA als een blauwe of een set instructies voor het samenstellen van een meubel.
Dat lost hopelijk alle mysteries op die je hebt over wat nucleïnezuren doen. Maar hoe zit het met transcriptie in het bijzonder?
De stappen van transcriptie
DNA, vrij beroemd, is geweven in een dubbelstrengige helix. Maar in deze vorm zou het fysiek moeilijk zijn om er iets van te maken. Daarom in de inwijding fase (of stap) van transcriptie, het DNA-molecuul wordt afgewikkeld door enzymen die helicases worden genoemd. Slechts één van de twee resulterende DNA-strengen wordt tegelijkertijd voor RNA-synthese gebruikt. Deze streng wordt de niet-coderende streng, omdat, dankzij de regels van DNA en RNA-baseparing, de andere DNA-streng dezelfde volgorde van stikstofbasen heeft als het te synthetiseren mRNA, waardoor deze streng de codering strand. Op basis van eerder gemaakte punten, kunt u concluderen dat een streng DNA en het mRNA dat verantwoordelijk is voor de productie complementair zijn.
Met de streng nu klaar voor actie, geeft een deel van DNA, de promotorsequentie genoemd, aan waar de transcriptie langs de streng moet beginnen. Het enzym RNA-polymerase komt op deze locatie aan en wordt onderdeel van een promotorcomplex. Dit alles om ervoor te zorgen dat de mRNA-synthese precies begint waar het hoort op het DNA-molecuul, en dit genereert een RNA-streng die de gewenste code bevat.
Vervolgens in de verlenging fase "leest" RNA-polymerase de DNA-streng, beginnend bij de promotorsequentie en bewegend langs de DNA-streng, zoals een leraar die een rij studenten oploopt en tests verspreidt, nucleotiden toevoegt aan het groeiende uiteinde van het nieuw gevormde RNA-molecuul.
De bindingen gevormd tussen de fosfaatgroepen van het ene nucleotide en de ribose- of deoxyribosegroep op het volgende nucleotide worden genoemd fosfodiester koppelingen. Merk op dat een DNA-molecuul aan het ene uiteinde een uiteinde 3 ("drie-prime") heeft en aan het andere uiteinde een uiteinde 5 ("vijf-prime"), waarbij deze getallen afkomstig zijn van de eindstandige koolstofatoomposities in de respectieve eindstandige ribose "ringen". Terwijl het RNA-molecuul zelf in de 3-richting groeit, beweegt het langs de DNA-streng in de 5-richting. U moet een diagram onderzoeken om er zeker van te zijn dat u de mechanica van mRNA-synthese volledig begrijpt.
De toevoeging van nucleotiden - in het bijzonder nucleoside trifosfaten (ATP, CTP, GTP en UTP; ATP is adenosine trifosfaat, CTP is cytidine trifosfaat enzovoort) - aan de langwerpige mRNA-streng vereist energie. Dit wordt, zoals zoveel biologische processen, geleverd door de fosfaatbindingen in de nucleoside trifosfaten zelf. Wanneer de hoogenergetische fosfaat-fosfaatbinding wordt verbroken, wordt het resulterende nucleotide (AMP, CMP, GMP en UMP; in deze nucleotiden staat de "MP" voor "monofosfaat") aan mRNA en een paar anorganische fosfaatmoleculen , meestal geschreven PPik, wegvallen.
Wanneer transcriptie plaatsvindt, gebeurt dit, zoals gezegd, langs een enkele DNA-streng. Houd er echter rekening mee dat het hele DNA-molecuul niet ontrolt en in complementaire strengen wordt gescheiden; dit gebeurt alleen in de directe omgeving van transcriptie. Als gevolg hiervan kunt u een "transcriptiebel" visualiseren die langs het DNA-molecuul beweegt. Dit is als een object dat langs een rits beweegt die net voor het object door een mechanisme wordt uitgepakt, terwijl een ander mechanisme de ritssluiting in het zog van het object opnieuw ritst.
Ten slotte, wanneer het mRNA de vereiste lengte en vorm heeft bereikt, de beëindiging fase komt op gang. Net als initiatie wordt deze fase mogelijk gemaakt door specifieke DNA-sequenties die fungeren als stoptekens voor RNA-polymerase.
Bij bacteriën kan dit op twee algemene manieren gebeuren. In een van deze wordt de terminatiesequentie getranscribeerd, waardoor een lengte van mRNA wordt gegenereerd die zich weer op zichzelf vouwt en daardoor "ophoopt" naarmate het RNA-polymerase zijn werk blijft doen. Deze gevouwen secties van mRNA worden vaak aangeduid als haarspeldstrengen, en ze omvatten complementaire basenparen binnen het enkelstrengige maar verwrongen mRNA-molecuul. Stroomafwaarts van deze haarspeldsectie is een langdurige rek van U-bases of resten. Deze gebeurtenissen dwingen de RNA-polymerase om te stoppen met het toevoegen van nucleotiden en los te komen van het DNA, waardoor de transcriptie eindigt. Dit wordt rho-onafhankelijke beëindiging genoemd omdat het niet afhankelijk is van een eiwit dat bekend staat als een rho-factor.
Bij rho-afhankelijke beëindiging is de situatie eenvoudiger en zijn geen haarspeld-mRNA-segmenten of U-residuen nodig. In plaats daarvan bindt de rho-factor aan de vereiste plek op mRNA en trekt het mRNA fysiek weg van RNA-polymerase. Of rho-onafhankelijke of rho-afhankelijke beëindiging optreedt, hangt af van de exacte versie van RNA-polymerase die op DNA en mRNA werkt (er bestaan verschillende subtypen), evenals de eiwitten en andere factoren in de onmiddellijke cellulaire omgeving.
Beide cascades van gebeurtenissen leiden er uiteindelijk toe dat het mRNA bij de transcriptiebel loskomt van het DNA.
Prokaryotes versus Eukaryotes
Er bestaan veel verschillen tussen transcriptie in prokaryoten (bijna allemaal bacteriën) en eukaryoten (meercellige organismen zoals dieren, planten en schimmels). Initiatie in prokaryoten omvat bijvoorbeeld gewoonlijk een DNA-basisopstelling bekend als de Pribnow-box, met de basensequentie TATAAT ongeveer 10 basenparen verwijderd van waar transcriptie-initiatie zelf plaatsvindt. Eukaryoten hebben echter versterkersequenties die op een aanzienlijke afstand van de initiatieplaats zijn gepositioneerd, evenals activator-eiwitten die helpen het DNA-molecuul te vervormen op een manier die het toegankelijker maakt voor RNA-polymerase.
Bovendien treedt verlenging ongeveer twee keer zo snel op bij bacteriën (ongeveer 42 tot 54 basenparen per minuut, grenzend aan één per seconde) als bij eukaryoten (ongeveer 22 tot 25 basenparen per minuut). Ten slotte, hoewel bacteriële terminatiemechanismen hierboven zijn beschreven, omvat deze fase in eukaryoten specifieke terminatiefactoren, evenals een RNA-streng die een poly-A (zoals in vele adeninebasen op een rij) wordt genoemd "staart". Het is nog niet duidelijk of beëindiging van verlenging splitsing van het mRNA uit de bel veroorzaakt of dat splitsing zelf abrupt het verlengingsproces beëindigt.