Какво представлява рибонуклеиновата киселина?

Рибонуклеиновата киселина или РНК е един от двата вида нуклеинови киселини, открити в живота на Земята. Другата, дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), отдавна приема по-висок профил от РНК в популярната култура, в съзнанието на случайни наблюдатели и другаде. РНК обаче е по-универсалната нуклеинова киселина; той приема инструкциите, които получава от ДНК, и ги трансформира в различни координирани дейности, свързани със синтеза на протеини. Погледнато по този начин, ДНК може да се разглежда като президент или канцлер, чийто принос в крайна сметка определя какво се случва на нивото на ежедневните събития, като има предвид, че РНК е армията от лоялни пехотинци и мрънкащи работници, които извършват действителната работа и показват широка гама от впечатляващи умения в процес.

РНК, подобно на ДНК, е макромолекула (с други думи, молекула с относително голям брой отделни атоми, за разлика, да речем, CO₂ или Н₂O), състоящ се от полимер или верига от повтарящи се химични елементи. "Връзките" в тази верига или по-формално мономерите, които изграждат полимера, се наричат ​​нуклеотиди. Един нуклеотид се състои на свой ред от три различни химически области или части: пентозна захар, фосфатна група и азотна основа. Азотните основи могат да бъдат една от четирите различни основи: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и урацил (U).

Аденинът и гуанинът са химически класифицирани като пуриникато има предвид, че цитозинът и урацилът принадлежат към категорията на наречените вещества пиримидини. Пурините се състоят главно от петчленен пръстен, свързан с шестчленен пръстен, докато пиримидините са значително по-малки и имат само шест въглероден пръстен. Аденинът и гуанинът са много сходни по структура помежду си, както и цитозинът и урацилът.

Пентозната захар в РНК е рибоза, който включва пръстен с пет въглеродни атома и един кислороден атом. Фосфатната група е свързана с въглероден атом в пръстена от едната страна на кислородния атом, а азотната основа е свързана с въглеродния атом от другата страна на кислорода. Фосфатната група също се свързва с рибозата на съседния нуклеотид, така че рибозата и фосфатната част на нуклеотида заедно съставят "гръбнака" на РНК.

Азотните основи могат да се разглеждат като най-критичната част на РНК, тъй като именно те, в групи от по три в съседни нуклеотиди, са от изключително функционално значение. Групи от три съседни бази образуват единици, наречени триплет кодове, или кодони, които пренасят специални сигнали към машината, която обединява протеините, използвайки информацията, свързана първо в ДНК и след това в РНК. Без този код да бъде интерпретиран такъв, какъвто е, редът на нуклеотидите би бил без значение, както ще бъде описано накратко.

Когато хората с малко опит в биологията чуят термина „ДНК“, вероятно едно от първите неща, които им хрумват, е „двойната спирала“. Отличителното структурата на ДНК молекулата е изяснена от Уотсън, Крик, Франклин и други през 1953 г., а сред констатациите на екипа е, че ДНК е двуверижна и спираловидна в своята обичайна форма. РНК, напротив, на практика винаги е едноверижна.

Също така, както подсказват имената на тези съответни макромолекули, ДНК съдържа различна захар от рибоза. Вместо рибоза, той съдържа дезоксирибоза, съединение, идентично на рибозата, освен че има водороден атом вместо една от неговите хидроксилни (-ОН) групи.

И накрая, докато пиримидините в РНК са цитозин и урацил, в ДНК те са цитозин и тимин. В "стъпалата" на двуверижната ДНК "стълба" аденинът се свързва с и само с тимин, докато цитозинът се свързва с и само с гуанин. (Можете ли да си представите архитектурна причина, че пуриновите основи се свързват само с пиримидинови основи в центъра на ДНК? Съвет: "страните" на стълбата трябва да останат на фиксирано разстояние.) Когато ДНК се транскрибира и a се създава комплементарна верига на РНК, нуклеотидът, генериран срещу аденина в ДНК, е урацил, не тимин. Това разграничение помага на природата да избегне объркване на ДНК и РНК в клетъчна среда, в която неблагоприятно нещата може да са резултат от нежеланото поведение, ако ензимите, които действат върху съответните молекули.

Докато само ДНК е двуверижна, РНК е много по-умела да формира сложни триизмерни структури. Това позволи на три основни форми на РНК да се развият в клетките.

РНК се предлага в три основни типа, въпреки че съществуват и допълнителни, много неясни разновидности.

Пратеник РНК (иРНК): иРНК молекулите съдържат кодиращата последователност за протеини. Молекулите на иРНК варират значително по дължина, като еукариотите (по същество повечето живи същества, които не са бактерии), включително най-голямата все още открита РНК. Много преписи надвишават 100 000 бази (100 килобази или kb).

Трансферна РНК (tRNA): тРНК е къса (около 75 основи) молекула, която транспортира аминокиселини и ги премества към нарастващия протеин по време на транслацията. Смята се, че тРНК имат обща триизмерна подредба, която прилича на детелина при рентгенов анализ. Това се дължи на свързването на комплементарни основи, когато нишка на тРНК се сгъва обратно върху себе си, подобно на залепваща лента за себе си, когато случайно съберете страните на лента от нея.

Рибозомна РНК (rRNA): Молекулите на рРНК съставляват 65 до 70 процента от масата на органелата, наречена рибозома, структурата, която директно е домакин на транслация или синтез на протеини. Рибозомите са много големи според клетъчните стандарти. Бактериалните рибозоми имат молекулно тегло около 2,5 милиона, докато еукариотните рибозоми имат молекулно тегло около един и половина пъти повече от това. (За справка, молекулното тегло на въглерода е 12; няма единичен елемент на върха 300.)

Еукариотната рибозома, наречена 40S, съдържа една рРНК, както и около 35 различни протеина. Рибозомата 60S съдържа три рРНК и около 50 протеина. По този начин рибозомите са смес от нуклеинови киселини (rRNA) и протеиновите продукти, които други нуклеинови киселини (mRNA) носят кода, за да създадат.

Доскоро молекулярните биолози предполагаха, че рРНК изпълнява предимно структурна роля. По-новата информация обаче показва, че рРНК в рибозомите действа като ензим, докато протеините около нея действат като скеле.

Транскрипцията е процес на синтезиране на РНК от ДНК шаблон. Тъй като ДНК е двуверижна и РНК е едноверижна, нишките на ДНК трябва да бъдат разделени, преди да може да се получи транскрипция.

На този етап е полезна известна терминология. Ген, за който всички са чували, но малцина небиологични експерти могат официално да дефинират, е просто участък от ДНК, който съдържа както шаблон за синтез на РНК и последователности на нуклеотиди, които позволяват производството на РНК да се регулира и контролира от шаблона регион. Когато механизмите за синтез на протеини бяха описани за първи път с точност, учените предположиха, че всеки ген съответства на един протеинов продукт. Колкото и удобно да е това (и колкото и смисъл да изглежда на повърхността), идеята е доказано неправилна. Някои гени изобщо не кодират протеини, а при някои животни "редуват сплайсинг", при което изглежда, че един и същ ген може да се задейства, за да произвежда различни протеини при различни условия често срещани.

РНК транскрипцията произвежда продукт, който е допълващи се към ДНК шаблона. Това означава, че това е своеобразно огледално изображение и естествено би се сдвоило с всяка последователност, идентична на шаблона, благодарение на специфичните правила за сдвояване база-основа, отбелязани по-рано. Например, ДНК последователността TACTGGT е комплементарна на РНК последователността AUGACCA, тъй като всяка база в първата последователност може да бъде сдвоена двойка към съответната основа във втората последователност (имайте предвид, че U се появява в РНК, където T ще се появи в ДНК).

Инициирането на транскрипцията е сложен, но подреден процес. Стъпките включват:

1. Протеините на транскрипционния фактор се свързват с промотор "нагоре" от последователността, която ще се транскрибира.
2. РНК полимераза (ензимът, който събира нова РНК) се свързва с промоторно-протеиновия комплекс на ДНК, който е по-скоро като ключа за запалване в автомобил.
3. Новосформираният комплекс РНК полимераза / промотор-протеин разделя двете комплементарни ДНК вериги.
4. РНК полимеразата започва да синтезира РНК, един нуклеотид в даден момент.

За разлика от ДНК полимеразата, РНК полимеразата не трябва да бъде „грундирана“ от втори ензим. Транскрипцията изисква само свързване на РНК полимераза с промоторната област.

Гените в ДНК кодират протеинови молекули. Това са "пехотинците" от килията, изпълняващи задълженията, необходими за поддържане на живота. Може да си помислите за месо или мускули или здравословен шейк, когато мислите за протеин, но повечето протеини летят под радара на вашето ежедневие. Ензимите са протеини - молекули, които помагат за разграждането на хранителните вещества, изграждането на нови клетъчни компоненти, събирането на нуклеинови киселини (например ДНК полимераза) и правят копия на ДНК по време на клетъчното делене.

"Експресия на ген" означава производство на съответния на гена протеин, ако има такъв, и този сложен процес има две основни стъпки. Първата е транскрипция, подробно описана по-рано. В превод новоизградените иРНК молекули излизат от ядрото и мигрират към цитоплазмата, където се намират рибозомите. (При прокариотните организми рибозомите могат да се прикрепят към иРНК, докато транскрипцията все още е в ход.)

Рибозомите се състоят от две отделни части: голямата и малката субединица. Всяка субединица обикновено е разделена в цитоплазмата, но те се обединяват в молекула иРНК. Субединиците съдържат малко от почти всичко споменато вече: протеини, рРНК и тРНК. Молекулите на тРНК са адапторни молекули: единият край може да чете триплетния код в иРНК (например UAG или CGC) чрез допълнително сдвояване на база, а другият край се свързва със специфична аминокиселина. Всеки триплет код отговаря за една от приблизително 20-те аминокиселини, които изграждат всички протеини; някои аминокиселини са кодирани от множество триплети (което не е изненадващо, тъй като са възможни 64 триплета - четири основи, издигнати до третата степен, защото всеки триплет има три основи - и са само 20 аминокиселини необходимо). В рибозомата, иРНК и аминоацил-тРНК комплексите (парчета тРНК, пренасящи аминокиселина) се държат много близо един до друг, улеснявайки сдвояването на основата. rRNA катализира свързването на всяка допълнителна аминокиселина към нарастващата верига, която се превръща в полипептид и накрая протеин.

В резултат на способността си да се подрежда в сложни форми, РНК може да действа слабо като ензим. Тъй като РНК може както да съхранява генетична информация, така и да катализира реакциите, някои учени предполагат основна роля на РНК в произход на живота, наречен "Света на РНК". Тази хипотеза твърди, че далеч в историята на Земята молекулите на РНК са играли всички днес играят същите роли на молекулите на протеини и нуклеинови киселини, което би било невъзможно сега, но би могло да бъде възможно в предбиотичен свят. Ако РНК е действала едновременно като структура за съхранение на информация и като източник на каталитичната активност, необходима за основните метаболитни реакции, тя може да има предшества ДНК в най-ранните му форми (въпреки че сега е направена от ДНК) и служи като платформа за изстрелване на „организми“, които наистина са самовъзпроизвеждане.