DNA-Transkription: Wie funktioniert es?

Inhalt

• Übersicht über Nukleinsäuren
• DNA-Transkription vs. Translation
• Die Schritte der Transkription
• Prokaryoten gegen Eukaryoten

Unabhängig davon, ob Sie ein Neuling in der Biologie oder ein langjähriger Liebhaber sind, stehen die Chancen sehr gut, dass Sie Desoxyribonukleinsäure (DNA) standardmäßig als das vielleicht unentbehrlichste Konzept in der gesamten Biowissenschaft ansehen. Zumindest sind Sie sich wahrscheinlich bewusst, dass DNA Sie unter den Milliarden Menschen auf dem Planeten einzigartig macht und ihm eine Rolle in der Welt der Strafjustiz sowie eine zentrale Rolle in molekularbiologischen Vorlesungen einräumt. Sie haben mit ziemlicher Sicherheit gelernt, dass die DNA dafür verantwortlich ist, dass Sie mit allen Eigenschaften ausgestattet werden, die Sie von Ihren Eltern geerbt haben, und dass Ihre eigene DNA Ihr direktes Vermächtnis für zukünftige Generationen ist, falls Sie Kinder haben.

Was Sie vielleicht nicht viel wissen, ist der Weg, der die DNA in Ihren Zellen mit den physischen Merkmalen verbindet, die Sie offen und verborgen manifestieren, sowie die Abfolge der Schritte auf diesem Weg. Molekularbiologen haben das Konzept eines "zentralen Dogmas" auf ihrem Gebiet entwickelt, das einfach als "DNA zu RNA zu Protein" zusammengefasst werden kann. Der erste Teil dieses Prozesses - die Erzeugung von RNA oder Ribonukleinsäure aus DNA - ist bekannt als Transkription, und diese gut untersuchte und koordinierte Serie biochemischer Gymnastik ist ebenso elegant wie wissenschaftlich fundiert.

Übersicht über Nukleinsäuren

DNA und RNA sind Nukleinsäuren. Beides ist für das ganze Leben von grundlegender Bedeutung. Diese Makromoleküle sind sehr eng miteinander verwandt, aber ihre Funktionen sind, obwohl sie außerordentlich miteinander verwoben sind, sehr unterschiedlich und spezialisiert.

DNA ist ein Polymer, was bedeutet, dass es aus einer großen Anzahl sich wiederholender Untereinheiten besteht. Diese Untereinheiten sind nicht genau identisch, aber sie sind in der Form identisch. Betrachten Sie eine lange Perlenkette, die aus Würfeln besteht, die in vier Farben erhältlich sind und sich in der Größe geringfügig unterscheiden, und Sie erhalten ein grundlegendes Gefühl dafür, wie DNA und RNA angeordnet sind.

Die Monomere (Untereinheiten) von Nukleinsäuren sind bekannt als Nukleotide. Die Nukleotide selbst bestehen aus Triaden von drei verschiedenen Molekülen: einer Phosphatgruppe (oder Gruppen), einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer stickstoffreichen Base ("Base" nicht im Sinne von "Foundation", sondern "Wasserstoffionenakzeptor"). ). Die Nukleotide, aus denen die Nukleinsäuren bestehen, haben eine Phosphatgruppe, aber einige haben zwei oder sogar drei Phosphate, die hintereinander gebunden sind. Die Moleküle Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP) sind Nukleotide von außerordentlicher Bedeutung für den zellulären Energiestoffwechsel.

DNA und RNA unterscheiden sich in mehreren wichtigen Punkten. Während jedes dieser Moleküle vier verschiedene stickstoffhaltige Basen enthält, enthält DNA Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T), während RNA die ersten drei dieser Moleküle enthält, aber Uracil (U) ersetzt. für T. Two ist der Zucker in der DNA Desoxyribose, während der in der RNA Ribose ist. Und drittens ist DNA in ihrer energetisch stabilsten Form doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist. Diese Unterschiede sind sowohl für die spezifische Transkription als auch für die Funktion dieser jeweiligen Nukleinsäuren im Allgemeinen von großer Bedeutung.

Die Basen A und G werden Purine genannt, während C, T und U als Pyrimidine klassifiziert werden. Kritisch gesehen bindet A chemisch und nur an T (wenn DNA) oder U (wenn RNA); C bindet an und nur an G. Die zwei Stränge eines DNA-Moleküls sind komplementär, was bedeutet, dass die Basen in jedem Strang an jedem Punkt mit der einzigartigen "Partner" -Base im gegenüberliegenden Strang übereinstimmen. Somit ist AACTGCGTATG komplementär zu TTGACGCATAC (oder UUGACGCAUAC).

DNA-Transkription vs. Translation

Bevor wir uns mit den Mechanismen der DNA-Transkription befassen, sollten wir uns einen Moment mit der Terminologie von DNA und RNA befassen, da es bei so vielen ähnlich klingenden Wörtern in der Mischung leicht sein kann, sie zu verwechseln.

Replikation ist der Akt, eine identische Kopie von etwas zu machen. Wenn Sie eine Fotokopie eines schriftlichen Dokuments anfertigen (alte Schule) oder die Kopier- und Einfügefunktion auf einem Computer verwenden (neue Schule), replizieren Sie den Inhalt in beiden Fällen.

Die DNA wird repliziert, die RNA jedoch, soweit die moderne Wissenschaft dies feststellen kann, nicht. es ergibt sich nur aus der Transkription _._ Von einer lateinischen Wurzel, die "ein Schreiben über" bedeutet, ist die Transkription die Kodierung eines bestimmten in einer Kopie einer Originalquelle. Sie haben vielleicht von medizinischen Schreibkräften gehört, deren Aufgabe es ist, die medizinischen Notizen, die als Audioaufzeichnung erstellt wurden, in schriftlicher Form einzutippen. Idealerweise sind die Wörter und damit auch die genau dieselben, trotz des Medienwechsels. In Zellen beinhaltet die Transkription das Kopieren einer genetischen DNA, die in der Sprache stickstoffhaltiger Basensequenzen geschrieben ist, in die RNA-Form, insbesondere in die Messenger-RNA (mRNA). Diese RNA-Synthese findet im Kern eukaryotischer Zellen statt. Danach verlässt die mRNA den Kern und steuert auf eine Struktur zu, die als Ribosom bezeichnet wird Übersetzung.

Während die Transkription die einfache physikalische Kodierung eines in einem anderen Medium ist, ist die biologische Übersetzung die Umwandlung dieses in eine gezielte Aktion. Eine DNA-Länge oder einzelne DNA, genannt a GenDies führt letztendlich dazu, dass Zellen ein einzigartiges Proteinprodukt herstellen. Die DNA transportiert dies in Form von mRNA, die dann das Ribosom transportiert, um es in ein Protein umzuwandeln. In dieser Ansicht ist mRNA wie ein Blau oder eine Anleitung zum Zusammenbauen eines Möbels.

Das klärt hoffentlich alle Rätsel, die Sie bezüglich der Funktionsweise von Nukleinsäuren haben. Aber was ist mit der Transkription im Besonderen?

Die Schritte der Transkription

DNA ist bekanntlich zu einer doppelsträngigen Helix verwoben. Aber in dieser Form wäre es physikalisch schwierig, irgendetwas daraus zu bauen. Deshalb in der Initiation In der Phase (oder im Schritt) der Transkription wird das DNA-Molekül durch Enzyme, sogenannte Helikasen, abgewickelt. Es wird jeweils nur einer der beiden resultierenden DNA-Stränge für die RNA-Synthese verwendet. Dieser Strang wird als. Bezeichnet Nichtcodierung Strang, denn dank der Regeln der DNA- und RNA-Basenpaarung hat der andere DNA-Strang die gleiche Sequenz stickstoffhaltiger Basen wie die zu synthetisierende mRNA und macht diesen Strang zum Kodierung Strand. Auf der Grundlage der zuvor gemachten Aussagen können Sie den Schluss ziehen, dass ein DNA-Strang und die von ihm hergestellte mRNA komplementär sind.

Wenn der Strang jetzt einsatzbereit ist, gibt ein DNA-Abschnitt, der als Promotorsequenz bezeichnet wird, an, wo die Transkription entlang des Strangs beginnen soll. Das Enzym RNA-Polymerase kommt an dieser Stelle an und wird Teil eines Promotor-Komplexes. All dies soll sicherstellen, dass die mRNA-Synthese genau dort beginnt, wo es auf dem DNA-Molekül sein soll, und dies erzeugt einen RNA-Strang, der den gewünschten codierten enthält.

Als nächstes in der Verlängerung In dieser Phase "liest" die RNA-Polymerase den DNA-Strang, wobei sie an der Promotorsequenz beginnt und sich entlang des DNA-Strangs bewegt, wie ein Lehrer, der eine Reihe von Schülern hinaufgeht und Tests verteilt und dem wachsenden Ende des sich neu bildenden RNA-Moleküls Nukleotide hinzufügt.

Die Bindungen, die zwischen den Phosphatgruppen eines Nukleotids und der Ribose- oder Desoxyribosegruppe des nächsten Nukleotids erzeugt werden, werden als bezeichnet Phosphodiester-Bindungen. Es ist zu beachten, dass ein DNA-Molekül an einem Ende einen so genannten 3-Terminus ("Drei-Primus") und am anderen Ende einen 5-Terminus ("Fünf-Primus") aufweist, wobei diese Zahlen von den terminalen Kohlenstoffatompositionen in stammen entsprechende terminale Ribose- "Ringe". Wenn das RNA-Molekül selbst in 3-Richtung wächst, bewegt es sich entlang des DNA-Strangs in 5-Richtung. Sie sollten ein Diagramm untersuchen, um sich zu vergewissern, dass Sie die Mechanismen der mRNA-Synthese vollständig verstehen.

Die Zugabe von Nukleotiden - insbesondere von Nukleosidtriphosphaten (ATP, CTP, GTP und UTP; ATP ist Adenosintriphosphat, CTP ist Cytidintriphosphat usw.) - zum verlängernden mRNA-Strang erfordert Energie. Dies wird, wie so viele biologische Prozesse, durch die Phosphatbindungen in den Nukleosidtriphosphaten selbst bewirkt. Wenn die hochenergetische Phosphat-Phosphat-Bindung aufgebrochen wird, wird das resultierende Nukleotid (AMP, CMP, GMP und UMP; in diesen Nukleotiden steht "MP" für "Monophosphat") zu mRNA und einem Paar anorganischer Phosphatmoleküle gegeben , normalerweise geschrieben PP_ichfallen weg

Während der Transkription geschieht dies, wie angegeben, entlang eines einzelnen DNA-Strangs. Beachten Sie jedoch, dass sich das gesamte DNA-Molekül nicht abwickelt und in komplementäre Stränge zerlegt. Dies geschieht nur in unmittelbarer Nähe der Transkription. Als Ergebnis können Sie sich eine "Transkriptionsblase" vorstellen, die sich entlang des DNA-Moleküls bewegt. Dies ist wie ein Objekt, das sich entlang eines Reißverschlusses bewegt, der von einem Mechanismus direkt vor dem Objekt geöffnet wird, während ein anderer Mechanismus den Reißverschluss erneut schließt, während die Objekte geöffnet werden.

Schließlich, wenn die mRNA ihre erforderliche Länge und Form erreicht hat, wird die Beendigung Phase beginnt. Wie die Initiierung wird diese Phase durch spezifische DNA-Sequenzen ermöglicht, die als Stoppzeichen für die RNA-Polymerase fungieren.

Bei Bakterien kann dies auf zwei allgemeine Arten geschehen. In einer davon wird die Terminationssequenz transkribiert, wodurch eine Länge von mRNA erzeugt wird, die sich in sich selbst zurückfaltet und sich dadurch "zusammenballt", während die RNA-Polymerase ihre Arbeit fortsetzt. Diese gefalteten Abschnitte der mRNA werden oft als Haarnadelstränge bezeichnet und beinhalten komplementäre Basenpaarungen innerhalb des einzelsträngigen, aber verzerrten mRNA-Moleküls. Stromabwärts von diesem Haarnadelabschnitt befindet sich eine längere Strecke von U-Basen oder Rückständen. Diese Ereignisse zwingen die RNA-Polymerase, die Zugabe von Nukleotiden zu beenden und sich von der DNA zu lösen, wodurch die Transkription beendet wird. Dies wird als Rho-unabhängige Terminierung bezeichnet, da sie nicht auf einem Protein beruht, das als Rho-Faktor bekannt ist.

Bei der rho-abhängigen Terminierung ist die Situation einfacher und es werden keine Haarnadel-mRNA-Segmente oder U-Reste benötigt. Stattdessen bindet der Rho-Faktor an den gewünschten Punkt auf der mRNA und zieht die mRNA physikalisch von der RNA-Polymerase weg. Ob eine rho-unabhängige oder eine rho-abhängige Termination auftritt, hängt von der genauen Version der RNA-Polymerase ab, die auf DNA und mRNA (es gibt eine Vielzahl von Subtypen) sowie auf Proteine ​​und andere Faktoren in der unmittelbaren zellulären Umgebung einwirkt.

Beide Ereigniskaskaden führen letztendlich dazu, dass sich die mRNA an der Transkriptionsblase von der DNA löst.

Prokaryoten gegen Eukaryoten

Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen der Transkription von Prokaryoten (fast alle Bakterien) und Eukaryoten (mehrzelligen Organismen wie Tieren, Pflanzen und Pilzen). Zum Beispiel beinhaltet die Initiation in Prokaryoten gewöhnlich eine DNA-Basenanordnung, die als Pribnow-Box bekannt ist, wobei die Basensequenz TATAAT ungefähr 10 Basenpaare von der Stelle entfernt ist, an der die Transkriptionsinitiierung selbst stattfindet. Eukaryoten weisen jedoch Enhancersequenzen auf, die in beträchtlichem Abstand von der Initiationsstelle positioniert sind, sowie Aktivatorproteine, die dazu beitragen, das DNA-Molekül auf eine Weise zu deformieren, die es für RNA-Polymerase zugänglicher macht.

Außerdem tritt die Verlängerung bei Bakterien etwa doppelt so schnell auf (etwa 42 bis 54 Basenpaare pro Minute, die an eine pro Sekunde grenzen) wie bei Eukaryoten (etwa 22 bis 25 Basenpaare pro Minute). Während die bakteriellen Terminationsmechanismen oben beschrieben wurden, beinhaltet diese Phase bei Eukaryoten spezifische Terminationsfaktoren sowie einen RNA-Strang, der als Poly-A-Schwanz (wie in vielen Adeninbasen hintereinander) bezeichnet wird. Es ist noch nicht klar, ob das Aufhören der Elongation die Abspaltung der mRNA von der Blase auslöst oder ob die Abspaltung selbst den Elongationsprozess abrupt beendet.