ИРНК: Определение, функция и структура

РНК, или рибонуклеинова киселина, е една от двете нуклеинови киселини, открити в природата. Другата, дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), със сигурност е по-фиксирана във въображението. Дори хора с малък интерес към науката имат представа, че ДНК е жизненоважна за предаването на черти от една поколение към следващото и че ДНК на всяко човешко същество е уникална (и следователно е лоша идея да се остави при престъпление сцена). Но въпреки цялата известност на ДНК, РНК е по-гъвкава молекула, която се предлага в три основни форми: информационна РНК (тРНК), рибозомна РНК (рРНК) и трансферна РНК (тРНК).

Работата на мРНК разчита в голяма степен на другите два вида, а иРНК лежи точно в центъра на така наречената централна догма на молекулярната биология (ДНК поражда РНК, която от своя страна поражда протеини).

ДНК и РНК са нуклеинови киселини, което означава, че те са полимерни макромолекули, мономерните съставки на които се наричат ​​нуклеотиди. Нуклеотидите се състоят от три отделни порции: пентозна захар, фосфатна група и азотна основа, избрани измежду четири варианта. Пентозната захар е захар, която включва пет-атомна пръстенна структура.

Три основни разлики разграничават ДНК от РНК. Първо, в РНК захарната част на нуклеотида е рибоза, докато в ДНК това е дезоксирибоза, което е просто рибоза с хидроксилна (-ОН) група, отстранена от един от въглеродите в пет-атомния пръстен и заменена с водороден атом (-H). По този начин захарната част на ДНК е само един кислороден атом, по-малко масивен от РНК, но РНК е далеч по-химически реактивна молекула от ДНК, заради едната си екстра -ОН група. Второ, ДНК е, доста известна, двуверижна и навита в спираловидна форма в най-стабилната си форма. РНК, от друга страна, е едноверижна. И трето, докато ДНК и РНК и двете съдържат азотните основи аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G), четвъртата такава база в ДНК е тимин (Т), докато в РНК е урацил (U).

Тъй като ДНК е двуверижна, учените знаят от средата на 1900 г., че тези азотни основи се сдвояват и само с един друг вид основа; Двойки с T и C двойки с G. Освен това, A и G са химически класифицирани като пурини, докато C и T се наричат ​​пиримидини. Тъй като пурините са значително по-големи от пиримидините, A-G сдвояването би било прекалено обемисто, докато C-T сдвояването би било необичайно маломерно; и двете ситуации биха били разрушителни за двете вериги в двуверижната ДНК, които са на еднакво разстояние във всички точки по двете вериги.

Поради тази схема на сдвояване двете вериги на ДНК се наричат ​​„допълващи се“ и последователността на едната може да се предскаже, ако другата е известна. Например, ако низ от десет нуклеотида в верига на ДНК има основната последователност AAGCGTATTG, комплементарната ДНК верига ще има основната последователност TTCGCATAAC. Тъй като РНК се синтезира от ДНК шаблон, това има значение и за транскрипцията.

иРНК е най-"ДНК-подобната" форма на рибонуклеинова киселина, защото нейната работа е до голяма степен една и съща: да предава информацията кодирани в гени, под формата на внимателно подредени азотни основи, към клетъчната машина, която се сглобява протеини. Но съществуват и различни жизненоважни видове РНК.

Триизмерната структура на ДНК е изяснена през 1953 г., като Джеймс Уотсън и Франсис Крик получават Нобелова награда. Но години след това структурата на РНК остава неуловима въпреки усилията на някои от същите експерти по ДНК да я опишат. През 60-те години стана ясно, че въпреки че РНК е едноверижна, нейната вторична структура - тоест връзката на последователността на нуклеотиди един към друг, докато РНК се навива през пространството - предполага, че дължините на РНК могат да се сгънат обратно върху себе си, с основи в една и съща нишка, като по този начин се свързват една с друга по същия начин, дължина на тиксо може да се залепи за себе си, ако му позволите извиване. Това е основата за кръстообразната структура на тРНК, която включва три 180-градусови завоя, които създават молекулярния еквивалент на културите в молекулата.

rRNA е малко по-различна. Всички rRNA са получени от едно чудовище от rRNA верига с дължина около 13 000 нуклеотида. След редица химически модификации тази верига се разцепва на две неравномерни субединици, едната наречена 18S, а другата с етикет 28S. („S“ означава „единица на Сведберг“, мярка, която биолозите използват за индиректна оценка на масата на макромолекулите.) Частта от 18S е включена в това, което е наречена малката рибозомна субединица (която, когато завърши, всъщност е 30S), а 28S частта допринася за голямата субединица (която общо има размер на 50S); всички рибозоми съдържат по една от всяка субединица заедно с редица протеини (не нуклеинови киселини, които правят самите протеини възможни), за да осигурят на рибозомите структурна цялост.

ДНК и РНК веригите имат така наречените 3 'и 5' ("три първични" и "пет първични") краища въз основа на позициите на молекулите, прикрепени към захарната част на веригата. Във всеки нуклеотид фосфатната група е прикрепена към въглеродния атом, маркиран 5 'в пръстена си, докато 3' въглеродът има хидроксилна (-ОН) група. Когато нуклеотид се добави към нарастваща верига на нуклеинова киселина, това винаги се случва в 3 'края на съществуващата верига. Тоест, фосфатната група в 5 'края на новия нуклеотид се присъединява към 3' въглерода, съдържащ хидроксилната група, преди да настъпи това свързване. -OH се замества от нуклеотида, който губи протон (Н) от фосфатната си група; по този начин молекула на Н₂О или водата се губи за околната среда в този процес, което прави синтеза на РНК пример за синтез на дехидратация.

Транскрипцията е процес, при който иРНК се синтезира от ДНК шаблон. По принцип, като се има предвид това, което сега знаете, можете лесно да си представите как се случва това. ДНК е двуверижна, така че всяка верига може да служи като шаблон за едноверижна РНК; тези две нови РНК вериги, поради капризите на специфично сдвояване на основата, ще бъдат взаимно допълващи се, не че ще се свързват заедно. Транскрипцията на РНК е много подобна на репликацията на ДНК, тъй като се прилагат същите правила за сдвояване на основи, като U заема мястото на Т в РНК. Имайте предвид, че това заместване е еднопосочно явление: T в ДНК все още кодира A в RNA, но A в DNA кодове за U в RNA.

За да настъпи транскрипция, двойната спирала на ДНК трябва да се разгърне, което прави под ръководството на специфични ензими. (По-късно отново приема правилната си спирална конформация.) След като това се случи, специфична последователност, подходящо наречена сигнали на промоторната последователност, където транскрипцията трябва да започне по молекулата. Това призовава на молекулярната сцена ензим, наречен РНК полимераза, който по това време е част от промоторен комплекс. Всичко това се случва като нещо като биохимичен механизъм, който предпазва РНК от началото на грешното място на ДНК и по този начин произвежда РНК верига, която съдържа нелегитимен код. РНК полимеразата "чете" ДНК веригата, започвайки от промоторната последователност и се движи по ДНК веригата, добавяйки нуклеотиди към 3 'края на РНК. Имайте предвид, че РНК и ДНК веригите, поради допълването си, също са антипаралелни. Това означава, че докато РНК расте в посока 3 ', тя се движи по ДНК веригата в 5' края на ДНК. Това е незначителен, но често объркващ момент за учениците, така че може да пожелаете да се консултирате с диаграма, за да се уверите, че разбирате механиката на синтеза на иРНК.

Извикват се връзките, създадени между фосфатните групи на един нуклеотид и захарната група на следващия фосфодиестерни връзки (произнася се „фос-фо-ди-естер“, а не „фос-фо-диестер“, тъй като може да е изкушаващо да да предположим).

Ензимът РНК полимераза се предлага в много форми, въпреки че бактериите включват само един тип. Това е голям ензим, състоящ се от четири протеинови субединици: алфа (α), бета (β), бета-първичен (β ′) и сигма (σ). В комбинация те имат молекулно тегло около 420 000 далтона. (За справка, единичните въглеродни атоми имат молекулно тегло 12; единична водна молекула, 18; и цяла молекула глюкоза, 180.) Ензимът, наречен холоензим, когато и четирите субединици са присъства, е отговорен за разпознаването на промоторните последователности на ДНК и откъсването на двете ДНК направления. РНК полимеразата се движи по гена, за да се транскрибира, тъй като добавя нуклеотиди към нарастващия РНК сегмент, процес, наречен удължаване. Този процес, както много в клетките, изисква аденозин трифосфат (АТФ) като енергиен източник. АТФ всъщност не е нищо повече от аденин-съдържащ нуклеотид, който има три фосфата вместо един.

Транскрипцията спира, когато движещата се РНК полимераза срещне терминираща последователност в ДНК. Точно както промоторната последователност може да се разглежда като еквивалент на зелена светлина на светофара, последователността на прекратяване е аналог на червена светлина или знак за спиране.

Когато молекула на иРНК, носеща информацията за определен протеин - т.е. парче иРНК, съответстваща на ген - е пълна, тя все още трябва да бъде обработена, преди да е готова да си свърши работата по доставяне на химически план до рибозомите, където синтезът на протеин отнема място. При еукариотните организми той също мигрира от ядрото (прокариотите нямат ядро).

Критично е, че азотните бази носят генетична информация в групи от по три, наречени триплетни кодони. Всеки кодон носи инструкции за добавяне на определена аминокиселина към нарастващия протеин. Точно както нуклеотидите са мономерните единици на нуклеиновите киселини, аминокиселините са мономерите на протеините. Тъй като РНК съдържа четири различни нуклеотида (поради четирите налични основи) и кодонът се състои от три последователни нуклеотида, има общо 64 триплет кодона (4³ = 64). Тоест, като се започне с AAA, AAC, AAG, AAU и се работи чак до UUU, има 64 комбинации. Хората обаче използват само 20 аминокиселини. В резултат на това се казва, че триплетният код е излишен: В повечето случаи множество триплети кодират за една и съща аминокиселина. Обратното не е вярно - тоест един и същ триплет не може да кодира повече от една аминокиселина. Вероятно можете да си представите биохимичния хаос, който би възникнал в противен случай. Всъщност аминокиселините левцин, аргинин и серин имат по шест триплета, съответстващи на тях. Три различни кодона са STOP кодони, подобни на транскрипционните терминационни последователности в ДНК.

Самият превод е процес на силно сътрудничество, обединяващ всички членове на разширеното семейство РНК. Тъй като се среща на рибозомите, очевидно включва използването на рРНК. Молекулите на тРНК, описани по-рано като малки кръстоски, са отговорни за пренасянето на отделни аминокиселини мястото на транслация на рибозомата, като всяка аминокиселина е изплетена от собствената си специфична марка тРНК ескорт. Подобно на транскрипцията, транслацията има фази на иницииране, удължаване и прекратяване и в края на синтеза на протеинова молекула, протеинът се освобождава от рибозомата и се пакетира в телата на Голджи за използване другаде, а самата рибозома се дисоциира в своя компонент субединици.