مرنا: التعريف والوظيفة والبنية

الحمض النووي الريبي ، أو الحمض النووي الريبي ، هو أحد اثنين من الأحماض النووية الموجودة في الطبيعة. أما الآخر ، وهو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) ، فهو بالتأكيد أكثر ثباتًا في الخيال. حتى الأشخاص الذين لا يهتمون كثيرًا بالعلوم لديهم فكرة أن الحمض النووي عنصر حيوي في نقل السمات من أحدهم من جيل إلى آخر ، وأن الحمض النووي لكل إنسان فريد من نوعه (وبالتالي فإن تركه في جريمة سيئة يعد فكرة سيئة مشهد). ولكن على الرغم من سمعة الحمض النووي السيئة ، فإن الحمض النووي الريبي (RNA) هو جزيء أكثر تنوعًا ، ويأتي في ثلاثة أشكال رئيسية: الرنا المرسال (mRNA) ، والحمض النووي الريبوزي (الرنا الريباسي) ، والحمض النووي الريبي (الرنا) الناقل.

تعتمد وظيفة mRNA بشكل كبير على النوعين الآخرين ، ويقع mRNA بشكل مباشر في مركز ما يسمى بالعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية (الحمض النووي يولد الحمض النووي الريبي ، والذي بدوره يولد البروتينات).

DNA و RNA عبارة عن أحماض نووية ، مما يعني أنها جزيئات بوليمر كبيرة ، تسمى مكوناتها الأحادية النيوكليوتيدات. تتكون النيوكليوتيدات من ثلاثة أجزاء متميزة: سكر بنتوز ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية ، يتم اختيارها من بين أربعة اختيارات. سكر البنتوز هو سكر يحتوي على بنية حلقة مكونة من خمس ذرات.

هناك ثلاثة اختلافات رئيسية تميز الحمض النووي عن الحمض النووي الريبي. أولاً ، في الحمض النووي الريبي ، يكون جزء السكر من النيوكليوتيد هو الريبوز ، بينما في الحمض النووي يكون ديوكسيريبوز ، وهو ببساطة ريبوز مع مجموعة هيدروكسيل (-OH) تم إزالتها من أحد الكربونات في الحلقة المكونة من خمس ذرات واستبدالها بذرة هيدروجين (-H). وبالتالي فإن جزء السكر في الحمض النووي هو مجرد ذرة أكسجين واحدة أقل كتلة من الحمض النووي الريبي ، لكن الحمض النووي الريبي هو جزيء أكثر تفاعلًا كيميائيًا من الحمض النووي بسبب مجموعة واحدة إضافية من OH. ثانيًا ، الحمض النووي ، بشكل مشهور ، مزدوج الشريطة وجرح في شكل حلزوني في أكثر حالاته استقرارًا. من ناحية أخرى ، فإن الحمض النووي الريبي واحد تقطعت به السبل. وثالثًا ، بينما يتميز كل من DNA و RNA بالقواعد النيتروجينية Adenine (A) والسيتوزين (C) و Guanine (G) ، فإن القاعدة الرابعة من هذا القبيل في DNA هي الثايمين (T) بينما في RNA هو uracil (U).

نظرًا لأن الحمض النووي مزدوج الشريطة ، فقد عرف العلماء منذ منتصف القرن العشرين أن هذه القواعد النيتروجينية تتزاوج مع نوع واحد آخر فقط من القواعد ؛ أزواج A مع أزواج T و C مع G. علاوة على ذلك ، يتم تصنيف A و G كيميائيًا على أنهما بورينات ، بينما يسمى C و T بيريميدين. نظرًا لأن البيورينات أكبر بكثير من البيريميدينات ، فإن الاقتران A-G سيكون ضخمًا للغاية ، في حين أن الاقتران C-T سيكون أصغر من المعتاد ؛ كلتا الحالتين ستكونان معطلتين للخيطين في الحمض النووي المزدوج الشريطة كونهما على مسافة واحدة متباعدة في جميع النقاط على طول الخيطين.

بسبب مخطط الاقتران هذا ، يُطلق على خيطي الحمض النووي اسم "مكمل" ، ويمكن التنبؤ بتسلسل أحدهما إذا كان الآخر معروفًا. على سبيل المثال ، إذا كانت سلسلة من عشرة نيوكليوتيدات في خيط من الحمض النووي تحتوي على التسلسل الأساسي AAGCGTATTG ، فإن خيط الحمض النووي التكميلي سيكون له التسلسل الأساسي TTCGCATAAC. نظرًا لأن الحمض النووي الريبي يتم تصنيعه من قالب الحمض النووي ، فإن هذا له آثار على النسخ أيضًا.

mRNA هو الشكل الأكثر "شبيهة بالحمض النووي" من الحمض النووي الريبي لأن وظيفته متشابهة إلى حد كبير: نقل المعلومات مشفرة في الجينات ، على شكل قواعد نيتروجينية مرتبة بعناية ، إلى الآلية الخلوية التي تتجمع البروتينات. ولكن توجد أيضًا أنواع حيوية مختلفة من الحمض النووي الريبي.

تم توضيح التركيب ثلاثي الأبعاد للحمض النووي في عام 1953 ، وحصل جيمس واتسون وفرانسيس كريك على جائزة نوبل. لكن لسنوات بعد ذلك ، ظلت بنية الحمض النووي الريبي بعيدة المنال على الرغم من الجهود التي بذلها بعض خبراء الحمض النووي لوصفها. في الستينيات ، أصبح من الواضح أنه على الرغم من أن الحمض النووي الريبي أحادي الخيط ، فإن بنيته الثانوية - أي علاقة التسلسل من النيوكليوتيدات لبعضها البعض بينما يشق الحمض النووي الريبي طريقه عبر الفضاء - وهذا يعني أن أطوال الحمض النووي الريبي يمكن أن تنثني مرة أخرى على نفسها ، مع القواعد الموجودة في نفس الخصلة وبالتالي ترتبط ببعضها البعض بنفس الطريقة التي قد يلتصق بها طول الشريط اللاصق بنفسه إذا سمحت له بذلك شبك. هذا هو الأساس للهيكل الشبيه بالـ tRNA ، والذي يتضمن ثلاثة انحناءات 180 درجة والتي تخلق المكافئ الجزيئي لـ cul-de-sacs في الجزيء.

يختلف الرنا الريباسي إلى حد ما. كل الرنا الريباسي مشتق من وحش واحد من الرنا الريباسي بطول 13000 نيوكليوتيد. بعد عدد من التعديلات الكيميائية ، يتم تقسيم هذا الشريط إلى وحدتين فرعيتين غير متساويتين ، أحدهما يسمى 18S والأخرى 28S. (يشير الحرف "S" إلى "وحدة Svedberg" ، وهو مقياس يستخدمه علماء الأحياء لتقدير كتلة الجزيئات الكبيرة بشكل غير مباشر.) تم دمج جزء 18S مع ما هو تسمى الوحدة الفرعية الريبوسومية الصغيرة (والتي عند اكتمالها تكون في الواقع 30S) ويساهم الجزء 28S في الوحدة الفرعية الكبيرة (والتي يبلغ حجمها الإجمالي 50S) ؛ تحتوي جميع الريبوسومات على واحدة من كل وحدة فرعية إلى جانب عدد من البروتينات (وليس الأحماض النووية ، التي تجعل البروتينات نفسها ممكنة) لتزويد الريبوسومات بالسلامة الهيكلية.

خيوط كل من DNA و RNA لها ما يسمى 3 'و 5' ("ثلاثة برايم" و "خمسة برايم") بناءً على مواضع الجزيئات المرتبطة بجزء السكر من الشريط. في كل نوكليوتيد ، يتم ربط مجموعة الفوسفات بذرة الكربون المسمى 5 'في حلقتها ، بينما يتميز الكربون 3' بمجموعة هيدروكسيل (-OH). عندما يضاف نوكليوتيد إلى سلسلة حمض نووي متنامية ، يحدث هذا دائمًا في نهاية 3 'من السلسلة الحالية. أي أن مجموعة الفوسفات عند الطرف 5 بوصات من النيوكليوتيد الجديد تنضم إلى الكربون 3 بوصات الذي يضم مجموعة الهيدروكسيل قبل حدوث هذا الارتباط. يتم استبدال -OH بالنيوكليوتيدات ، مما يفقد البروتون (H) من مجموعة الفوسفات الخاصة به ؛ وبالتالي جزيء H₂يُفقد O ، أو الماء ، في البيئة في هذه العملية ، مما يجعل تخليق الحمض النووي الريبي مثالاً على تخليق الجفاف.

النسخ هو العملية التي يتم فيها تصنيع mRNA من قالب DNA. من حيث المبدأ ، بالنظر إلى ما تعرفه الآن ، يمكنك بسهولة تصور كيفية حدوث ذلك. الحمض النووي مزدوج الشريطة ، لذلك يمكن أن يعمل كل خيط كقالب للحمض النووي الريبي أحادي الجديلة. سيكون هذان الخيطان الجديدان من الحمض النووي الريبي ، بسبب تقلبات الاقتران الأساسي المحدد ، مكملين لبعضهما البعض ، وليس أنهما سيرتبطان معًا. إن نسخ الحمض النووي الريبي (RNA) مشابه جدًا لتكرار الحمض النووي في أن نفس قواعد الاقتران تنطبق ، مع U تحل محل T في RNA. لاحظ أن هذا الاستبدال هو ظاهرة أحادية الاتجاه: لا يزال T في DNA يشفر لـ A في RNA ، لكن A في أكواد DNA لـ U في RNA.

لكي يحدث النسخ ، يجب أن يصبح الحلزون المزدوج للحمض النووي غير ملفوف ، وهو ما يحدث تحت إشراف إنزيمات معينة. (يعيد لاحقًا افتراض شكله الحلزوني الصحيح.) بعد حدوث ذلك ، هناك تسلسل محدد يسمى إشارات تسلسل المحفز حيث يبدأ النسخ على طول الجزيء. يستدعي هذا إلى المشهد الجزيئي إنزيمًا يسمى RNA polymerase ، والذي أصبح بحلول هذا الوقت جزءًا من معقد محفز. كل هذا يحدث كنوع من الآلية الكيميائية الحيوية الآمنة من الفشل لمنع تخليق الحمض النووي الريبي من البدء في النقطة الخاطئة على الحمض النووي ، وبالتالي إنتاج خيط RNA يحتوي على كود غير شرعي. إن بوليميراز الحمض النووي الريبي "يقرأ" خيط الحمض النووي بدءًا من تسلسل المحفز ويتحرك على طول خيط الحمض النووي ، مضيفًا النيوكليوتيدات إلى الطرف الثالث من الحمض النووي الريبي. اعلم أن خيوط الحمض النووي الريبي والحمض النووي ، بحكم كونها مكملة ، هي أيضًا متناقضة. هذا يعني أنه بينما ينمو الحمض النووي الريبي في الاتجاه 3 ، فإنه يتحرك على طول شريط الحمض النووي في نهاية الـ 5 للحمض النووي. هذه نقطة ثانوية ولكنها غالبًا ما تكون مربكة للطلاب ، لذلك قد ترغب في الرجوع إلى رسم تخطيطي لتؤكد لنفسك أنك تفهم آليات تخليق الرنا المرسال.

يتم استدعاء الروابط التي تم إنشاؤها بين مجموعات الفوسفات لنيوكليوتيد واحد ومجموعة السكر في المجموعة التالية روابط phosphodiester (تُنطق "phos-pho-die-es-ter" وليس "phos-pho-dee-ster" لأنها قد تكون مغرية افترض).

يأتي إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي في أشكال عديدة ، على الرغم من أن البكتيريا تشمل نوعًا واحدًا فقط. إنه إنزيم كبير يتكون من أربع وحدات بروتينية فرعية: ألفا (α) وبيتا (β) وبيتا برايم (β ′) وسيغما (σ). مجتمعة ، هذه لها وزن جزيئي حوالي 420،000 دالتون. (كمرجع ، ذرة كربون مفردة لها وزن جزيئي 12 ؛ جزيء ماء واحد ، 18 ؛ وجزيء جلوكوز كامل ، 180). يُدعى الإنزيم holoenzyme عندما تكون الوحدات الفرعية الأربعة الحاضر ، هو المسؤول عن التعرف على تسلسل المحفز على الحمض النووي وفصل الحمض النووي خيوط. يتحرك بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول الجين المراد نسخه لأنه يضيف النيوكليوتيدات إلى قطاع الحمض النووي الريبي المتنامي ، وهي عملية تسمى الاستطالة. تتطلب هذه العملية ، مثل العديد من العمليات داخل الخلايا ، أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) كمصدر للطاقة. ATP ليس أكثر من نيوكليوتيد يحتوي على الأدينين يحتوي على ثلاثة فوسفات بدلاً من واحد.

يتوقف النسخ عندما يواجه بوليميراز الحمض النووي الريبي المتحرك تسلسل إنهاء في الحمض النووي. مثلما يمكن النظر إلى تسلسل المروج على أنه مكافئ لضوء أخضر على إشارة مرور ، فإن تسلسل الإنهاء هو التناظرية للضوء الأحمر أو علامة التوقف.

عندما يكتمل جزيء mRNA الذي يحمل المعلومات الخاصة ببروتين معين - أي قطعة من mRNA تتوافق مع جين - فإنه لا يزال بحاجة إلى المعالجة قبل أن يكون جاهزًا للقيام بعمله المتمثل في توصيل مخطط كيميائي إلى الريبوسومات ، حيث يتطلب تخليق البروتين مكان. في الكائنات حقيقية النواة ، تهاجر أيضًا من النواة (لا تحتوي بدائيات النوى على نواة).

بشكل حاسم ، تحمل القواعد النيتروجينية المعلومات الجينية في مجموعات من ثلاثة ، تسمى الكودونات الثلاثية. يحمل كل كودون تعليمات لإضافة حمض أميني معين إلى البروتين النامي. كما أن النيوكليوتيدات هي وحدات مونومر للأحماض النووية ، فإن الأحماض الأمينية هي مونومرات البروتينات. نظرًا لأن الحمض النووي الريبي يحتوي على أربعة نيوكليوتيدات مختلفة (بسبب القواعد الأربعة المختلفة المتاحة) ويتكون الكودون من ثلاثة نيوكليوتيدات متتالية ، فهناك 64 كودونًا ثلاثيًا متاحًا (4)³ = 64). أي ، بدءًا من AAA و AAC و AAG و AAU والعمل حتى UUU ، هناك 64 مجموعة. ومع ذلك ، يستخدم البشر 20 حمضًا أمينيًا فقط. نتيجة لذلك ، يُقال إن الشفرة الثلاثية زائدة عن الحاجة: في معظم الحالات ، يرمز العديد من ثلاثة توائم لنفس الحمض الأميني. المعكوس ليس صحيحًا - أي أن نفس المجموعة الثلاثية لا يمكنها ترميز أكثر من حمض أميني واحد. ربما يمكنك تخيل الفوضى البيوكيميائية التي ستترتب على خلاف ذلك. في الواقع ، الأحماض الأمينية ليسين ، أرجينين وسيرين لكل منها ستة ثلاثة توائم. ثلاثة أكواد مختلفة هي أكواد STOP ، على غرار تسلسل إنهاء النسخ في DNA.

الترجمة نفسها هي عملية تعاونية للغاية ، حيث تجمع بين جميع أعضاء عائلة RNA الممتدة. لأنه يحدث على الريبوسومات ، فمن الواضح أنه ينطوي على استخدام الرنا الريباسي. وصفت جزيئات الحمض الريبي النووي النقال سابقًا بأنها تقاطعات صغيرة ، وهي مسؤولة عن حمل الأحماض الأمينية الفردية إليها موقع الترجمة على الريبوسوم ، حيث يتم دفع كل حمض أميني بواسطة علامته التجارية الخاصة من الحمض الريبي النووي النقال مرافقة. مثل النسخ ، فإن الترجمة لها مراحل بدء واستطالة وإنهاء ، وفي نهاية تركيب جزيء البروتين ، يتم إطلاق البروتين من الريبوسوم وتعبئته في أجسام جولجي لاستخدامه في مكان آخر ، وينفصل الريبوسوم نفسه إلى مكونه الوحدات الفرعية.