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 alle van biowetenschappen. U bent zich waarschijnlijk minimaal bewust van het feit dat DNA u 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.

Wat je misschien niet weet veel gaat over 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 serie 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 zeer nauw 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 die bestaan 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 betekenis 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 bevat, omvat DNA adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T), terwijl RNA de eerste drie hiervan omvat, 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 in 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 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 geassocieerd met DNA en RNA te herzien, omdat met zoveel op elkaar lijkende woorden in de mix, kan het gemakkelijk zijn ze te verwarren.

Replicatie is het maken van een identieke kopie van iets. Wanneer u een kopie maakt van een geschreven document (oude school) of de kopieer- en plakfunctie 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 overschrijving" betekent, transcriptie is de codering van een bepaald bericht in een kopie van een originele bron. Je hebt misschien gehoord van medische transcriptionists, wiens taak het is om de medische aantekeningen die zijn gemaakt als een audio-opname in schriftelijke vorm te typen. In het ideale geval zijn de woorden, en dus de boodschap, precies hetzelfde ondanks de verandering in medium. In cellen omvat transcriptie het kopiëren van een genetisch DNA-bericht, 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 gaat naar een structuur die een ribosoom wordt genoemd om vertaling te ondergaan.

Terwijl transcriptie de eenvoudige fysieke codering van een bericht in een ander medium is , vertaling, in biologische termen, is de conversie van die boodschap in doelgerichte actie. Een lengte van DNA of een enkele DNA-boodschap, een gen genaamd, resulteert uiteindelijk in cellen die een uniek eiwitproduct produceren. Het DNA verzendt deze boodschap in de vorm van mRNA, die de boodschap vervolgens naar een ribosoom brengt om te worden vertaald in het maken van een eiwit. In deze weergave is mRNA als een blauwdruk of een set instructies voor het samenstellen van een meubel.

Dat hopelijk alle mysteries oplost die je hebt over wat nucleïnezuren doen. Maar hoe zit het met transcriptie in het bijzonder?
De stappen van transcriptie

DNA, nogal beroemd, is geweven in een dubbelstrengige helix. Maar in deze vorm zou het fysiek moeilijk zijn om er iets van te bouwen. Daarom wordt het DNA-molecuul in de initiatieffase (of stap) van transcriptie afgewikkeld door enzymen die helicasen worden genoemd. Slechts één van de twee resulterende DNA-strengen wordt tegelijkertijd voor RNA-synthese gebruikt. Deze streng wordt de niet-coderende streng genoemd, omdat, dankzij de regels van DNA en RNA-baseparing, de andere DNA-streng dezelfde sequentie stikstofbasen heeft als het te synthetiseren mRNA, waardoor deze streng de coderende streng wordt. Op basis van eerder gemaakte punten, kunt u concluderen dat een streng van DNA en het mRNA dat verantwoordelijk is voor de productie complementair zijn.

Met de streng nu klaar voor actie, geeft een gedeelte van DNA genaamd de promotorsequentie aan waar transcriptie is om langs de streng te 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 het gewenste gecodeerde bericht bevat.

Vervolgens, in de verlengingsfase, RNA-polymerase " leest "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 fosfodiesterbindingen genoemd. Merk op dat een DNA-molecuul aan het ene uiteinde een 3 '("three-prime") uiteinde heeft en aan het andere uiteinde een 5' ("five-prime") uiteinde, met deze getallen afkomstig 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 bestuderen om er zeker van te zijn dat u de mechanica van mRNA-synthese volledig begrijpt.

De toevoeging van nucleotiden - specifiek nucleoside trifosfaten (ATP, CTP, GTP en UTP; ATP is adenosinetrifosfaat, CTP is cytidine trifosfaat enzovoort) - voor de langwerpige mRNA-streng is energie vereist. 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 "MP" voor "monofosfaat") toegevoegd aan mRNA en een paar anorganische fosfaatmoleculen , meestal geschreven met PP _{i, valt weg.}

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 ritssluiting beweegt die net voor het object door een mechanisme wordt uitgepakt, terwijl een ander mechanisme de ritssluiting in de kielzog van het object opnieuw ritst.

Eindelijk, wanneer het mRNA zijn vereiste lengte en vorm, begint de beëindigingsfase. 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 werkt op DNA en mRNA (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 talloze 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 de 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 verlenging komt ongeveer twee keer zo snel voor 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, terwijl 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 bubbel veroorzaakt of dat splitsing zelf abrupt het verlengingsproces beëindigt.