Genteknologi gør det muligt at ændre i generne, men hvad er gener, og hvordan tænder og slukker cellen for dem? En vigtig forklaring findes i genernes kodning som DNA og i de cellebiologiske mekanismer, der håndterer generne.
DNA og gener: Cellernes sprogkode
Peter Rugbjerg
Gener, proteiner og enzymer - de grundlæggende elementer i cellen
Et gen?
Et gen er en sekvens af DNA, der koder for et protein, som en form for biologisk instruktion. Genet giver derved en arvelig egenskab, da DNA'et videregives til nye celler. Gener kan påvirke deres organisme meget tydeligt, fx bestemme hvad øjenfarven bliver. Men mange gener virker dog i samspil med hinanden, og der er fx ikke ét gen, der alene dikterer, hvor høj man kan blive.
Et gen omfatter både den kodende del, der fører til proteinet, samt de omgivende regulerende områder, der hjælper med at tænde/slukke genet.
Nogle særlige gener kommer ikke til udtryk som protein, fordi det som undtagelse faktisk er deres RNA-sekvens, som har den biologiske virkning. Et eksempel er de proteindannende ribosomer, som bl.a. består af store, foldede RNA-molekyler.
Et protein?
Proteiner er store, vigtige molekyler i cellerne, hvor de fx fungerer som enzymer, som signalgivere eller celleskelet. Ethvert protein er bygget op af en kombination af de 20 forskellige aminosyrer i en lang kæde. Og hver aminosyre har forskellige egenskaber, som påvirker, hvordan proteinet spiller sammen med andre molekyler i cellen, og hvordan den lange kæde af aminosyrer bliver foldet op i proteinets tredimensionelle struktur.
Et enzym?
Enzymer er proteiner, der hjælper med at udføre bestemte biokemiske reaktioner. Denne assistering af reaktionerne kaldes katalyse. Enzymer findes derfor overalt i biologien og bliver kodet for af gener præcis ligesom andre proteiner. På den måde kan et gen styre, hvad der foregår i cellen, fx hvilke stoffer cellen skal danne. Enzymer kan være meget avancerede, som fx DNA-polymerase, der kopierer DNA og samtidig kan tjekke for fejl i kopieringen for at rette dem. Fordøjelsesenzymer er en anden type af enzymer, hvis særlige evne består i at nedbryde forskellige typer af molekyler såsom fedt og kulhydrat-kæder.
I cellerne findes en meget bred variation af forskellige opgaver, der afhænger af assistance fra enzymer.
Cellebiologien bag det centrale dogme
Indtil nu er de overordnede principper bag udtryk af DNA gennemgået, men hvordan håndterer cellen rent faktisk DNA'et og det mRNA og protein, der følger?
Transkriptionen
Transkriptionen er mekanismen, hvor mRNA afskrives fra de store DNA-kæder for de gener, som cellen her og nu skal bruge. Som tidligere nævnt skal dette afskrevne gen ende med dannelsen af det kodede protein.
Denne første del af vejen for udtrykket af et gen begynder i
transkriptionen med, at forskellige aktiverende proteiner (transkriptionsfaktorer) binder til området lige inden selve den proteinkodende del af DNA'et. Dette bindingsområde kaldes en promoter.
Figur 1.6 Transkription, hvor RNA-polymerase syntetitserer en mRNA-streng (lilla) ud fra de komplementære nukleotider i DNA'et.
Bindingen af transkriptionsfaktorer gør det muligt for enzymet RNA-polymerase at binde sig til DNA’et for at foretage selve transkriptionen. RNA-polymerase er et meget stort enzym med en form lidt som en krappeklo. Med DNA’et i ’kloen’ bevæger enzymet sig langs DNA-strengen alt imens det syntetiserer mRNA-kæden ud fra DNA-sekvensen ved at bruge reglen om baseparring og komplementære
nukleotider (se figur 1.6). Det vil altså sige, at et G på DNA-strengen fører til et C på mRNA'et. Da U som tidligere nævnt bruges i stedet for T i RNA, fører et A på DNA’et til et U på den nye mRNA-streng. Bakteriers RNA-polymerase kan transkriptere med en hastighed på omkring 2000 nukleotider i minuttet, og transkriptionen forløber, indtil enzymet møder en særlig terminator-sekvens, hvorefter mRNA-strengen frigives.
Translationen
Translationen er den næste del af proteinsyntesen. Her oversættes mRNA’ets codons til deres tilhørende aminosyrer, som bliver bygget ind i aminosyrekæden. Aminosyrekæden udgør til sidst det endelige protein. Translationen er en nøje afstemt biologisk proces, som kan forløbe med en hastighed på op til ca. 15 aminosyrer i sekundet.
Translationen begynder på mRNA-stengen ved startcodonet AUG, som har den tilhørende aminosyre methionin (Met). Translationen hjælpes af et stort molekyle, der kaldes et ribosom. Ribosomet vil ofte først binde til et ribosombindingsted på mRNA-strengen, som ligger inden startcodonet (figur 1.7). Efter ribosomet har oversat start-codonet til methionin, vil det fortsætte til det næste codon på mRNA'et, så den næste aminosyre kan sættes på proteinet.
|
Figur 1.7 Translationen hvor protein dannes fra mRNA. tRNA baseparrer til det næste ledige codon på mRNA-strengen. tRNA'et indsætter dermed den passende aminosyre i den voksende aminosyrekæde, der bliver det nye protein. |
Hver af de tyve aminosyrer, der kan bruges i proteiner, bliver ’ladet’ (placeret) på en særlig type RNA, der kaldes tRNA (transfer-RNA). Denne påsættelse kaldes aminoacylering. tRNA’et er det molekyle, der afleverer den rigtige aminosyre, som et codon koder for i translationen. Hjulpet af ribosomet binder tRNA til det passende codon på mRNA'et, fordi det selv har et såkaldt anticodon, som består af de tre komplementære nukleotider til codonet (se figur 1.7). Her afleverer tRNA nu sin aminosyre til det protein, der dannes.
Videoanimation af transkription og translation
Denne animationen viser først transkription fra den røde DNA-streng. Læg mest mærke til de overordnede principper og hvor fortryllende stærkt, det går! Det er i real-time.
Den gule streng, der dannes, er mRNA'et. Til sidst ses translation, hvor det blå ribosomkompleks danner proteinet (rødt). Engelsk tale.
Replikationen
Replikation er måden, hvorpå cellen laver en kopi af sit DNA før en celledeling. Når replikationen af en DNA-dobbeltstreng skal til at starte, sørger enzymet helicase først for, at der er arbejdsrum. Helicase adskiller nemlig det dobbeltstrengede DNA til enkeltstrenge i et område, som kaldes replikationsboblen. Replikationen sker ved, at DNA-polymerasen katalyserer baseparring af
nukleotider og sammensætter disse i en kæde. Derfor vil hver eksisterende DNA-streng få opbygget en helt ny komplementær streng over for sig (se figur 1.8). Resultatet af replikationen er altså, at én dobbeltstreng bliver til to dobbeltstrenge, der hver har én af de oprindelige strenge.
Figur 1.8 Replikation af de to modsatrettede DNA-strenge, som resulterer i en kopiering af DNA'et. De nye DNA-strenge (rødlig) startes fra primerne (røde kugler) og syntetiseres af DNA-polymerase i retningen 5' til 3'.
DNA-polymerase kan ikke selv binde sig til DNA’et for at danne den nye DNA-streng; det er nemlig kun ekspert i at bygge videre på en eksisterende streng. Et andet enzym, primase, er derfor nødt til at danne en indledende komplementær sekvens, som kaldes en primer. Disse korte primere dannes med RNA-nukleotider og skal derfor senere også omdannes til DNA (se røde kugler, figur 1.8).
Ligesom RNA dannes de nye DNA-strenge ved at tilføje ét nyt nukleotid ad gangen og danne en binding mellem 5’-enden til 3’-enden på det nye nukleotid. Men da der er to modsatrettede strenge, betyder det, at de to DNA-polymeraser må bevæge sig i hver sin retning! De to strenges replikation følger hinanden i samme replikationsboble, men boblens bevægelse vil kun kunne gå i samme retning som én af strengene (kaldes leading strand). Derfor må den modsatte af strengene (lagging strand) dannes i små bidder, der følger med replikationsboblen. Disse mindre stykker kaldes Okazaki-fragmenter (se figur 1.8).
Især vigtigt at huske:
-
Det centrale dogme inden for biologien beskriver den genetiske informationsvej, som alle organismer følger. Generne er kodet som DNA og afskrives efter behov til RNA i transkriptionen. mRNA oversættes i translationen til det protein, som genet koder for. Proteiner deltager i næsten alle vigtige processer i cellerne.
-
DNA er dobbeltstrenget og består af fire forskellige nukleotider, der forkortes A, T, G og C. De baseparrer som A-T og C-G.
-
mRNA er en enkeltstrenget afskrift af gener, som cellen har behov for. mRNA består af nukleotiderne A, U, G og C.
-
Genteknologi gør det bl.a. muligt at ændre DNA og dermed både at slette gener og at indsætte nye eller ændrede gener.
Quiz dig selv i "Hvad er DNA og gener?"
