MRNA: Definice, funkce a struktura

RNA nebo ribonukleová kyselina je jednou ze dvou nukleových kyselin vyskytujících se v přírodě. Druhá, kyselina deoxyribonukleová (DNA), je rozhodně pevnější ve fantazii. Dokonce i lidé s malým zájmem o vědu mají tušení, že DNA je životně důležitá při předávání vlastností jednoho generace na další a že DNA každé lidské bytosti je jedinečná (a proto je špatný nápad nechat ji spáchat zločin) scéna). Ale pro všechny známé pověsti DNA je RNA univerzálnější molekula, která přichází ve třech hlavních formách: messenger RNA (mRNA), ribozomální RNA (rRNA) a přenosová RNA (tRNA).

Úloha mRNA do značné míry závisí na dalších dvou typech a mRNA leží přímo uprostřed takzvaného centrálního dogmatu molekulární biologie (DNA plodí RNA, která zase plodí proteiny).

DNA a RNA jsou nukleové kyseliny, což znamená, že se jedná o polymerní makromolekuly, jejichž monomerní složky se nazývají nukleotidy. Nukleotidy se skládají ze tří odlišných částí: pentózový cukr, fosfátová skupina a dusíkatá báze, vybrané ze čtyř možností. Pentózový cukr je cukr, který zahrnuje pětatomovou kruhovou strukturu.

Tři hlavní rozdíly odlišují DNA od RNA. Za prvé, v RNA je cukernou částí nukleotidu ribóza, zatímco v DNA je to deoxyribóza, což je jednoduše ribóza s hydroxylovou skupinou (-OH) odstraněnou z jednoho z atomů uhlíku v pětatomovém kruhu a nahrazenou atomem vodíku (-H). Cukrová část DNA je tedy jen o jeden atom kyslíku méně masivní než RNA, ale RNA je díky své jedné extra -OH skupině mnohem chemicky reaktivnější molekulou než DNA. Zadruhé, DNA je, poměrně skvěle, dvouvláknová a navinutá do spirálovitého tvaru ve své nejstabilnější podobě. RNA je naproti tomu jednořetězcová. A za třetí, zatímco DNA i RNA obsahují dusíkaté báze adenin (A), cytosin (C) a guanin (G), čtvrtou takovou bází v DNA je thymin (T), zatímco v RNA je to uracil (U).

Protože DNA je dvouvláknová, vědci věděli od poloviny 20. století, že tyto dusíkaté báze se párují pouze s jedním dalším druhem báze; Páry s T a páry C s G. Kromě toho jsou A a G chemicky klasifikovány jako puriny, zatímco C a T se nazývají pyrimidiny. Protože puriny jsou podstatně větší než pyrimidiny, párování A-G by bylo příliš objemné, zatímco párování C-T by bylo neobvykle poddimenzované; obě tyto situace by rušily to, že by dva řetězce v dvouvláknové DNA byly ve všech bodech podél dvou řetězců ve stejné vzdálenosti od sebe.

Kvůli tomuto schématu párování se dvěma řetězcům DNA říká „komplementární“ a sekvenci jednoho lze předvídat, pokud je známo druhé. Například pokud řetězec deseti nukleotidů ve vlákně DNA má sekvenci bází AAGCGTATTG, komplementární řetězec DNA bude mít sekvenci bází TTCGCATAAC. Protože RNA je syntetizována z templátu DNA, má to také důsledky pro transkripci.

mRNA je nejvíce „DNA podobná“ forma ribonukleové kyseliny, protože její práce je do značné míry stejná: přenášet informace kódované v genech, ve formě pečlivě uspořádaných dusíkatých bází, do buněčného aparátu, který se shromažďuje bílkoviny. Ale existují také různé životně důležité typy RNA.

Trojrozměrná struktura DNA byla objasněna v roce 1953 a získal James Watson a Francis Crick Nobelovu cenu. Ale po letech zůstala struktura RNA nepolapitelná navzdory snahám některých stejných odborníků na DNA popsat ji. V šedesátých letech bylo jasné, že i když je RNA jednovláknová, její sekundární struktura - tedy vztah sekvence nukleotidů k ​​sobě navzájem, jak se RNA vine prostorem - znamená to, že délky RNA se mohou skládat zpět na sebe, s základny ve stejném vlákně, čímž se navzájem spojují stejným způsobem, může se na sebe lepit délka lepicí pásky, pokud to dovolíte zlomit. To je základ pro křížovou strukturu tRNA, která zahrnuje tři ohyby o 180 stupních, které v molekule vytvářejí molekulární ekvivalent slepých uliček.

rRNA je poněkud odlišná. Celá rRNA je odvozena z jednoho monstra řetězce rRNA dlouhého přibližně 13 000 nukleotidů. Po řadě chemických modifikací je toto vlákno štěpeno na dvě nerovné podjednotky, jednu s názvem 18S a druhou označenou 28S. („S“ znamená „Svedbergova jednotka“, což je míra, kterou biologové používají k nepřímému odhadu hmotnosti makromolekul.) Část 18S je začleněna do toho, co je nazývá se malá ribozomální podjednotka (která je po dokončení ve skutečnosti 30S) a část 28S přispívá k velké podjednotce (která má celkem velikost 50S); všechny ribozomy obsahují jednu z každé podjednotky spolu s řadou proteinů (nikoli nukleových kyselin, které umožňují samotné proteiny), aby ribosomy získaly strukturální integritu.

Vlákna DNA i RNA mají oba konce, které se nazývají 3 'a 5' ("tři" a "pět"), založené na pozicích molekul připojených k cukrové části řetězce. V každém nukleotidu je fosfátová skupina připojena k atomu uhlíku označenému 5 've svém kruhu, zatímco 3' uhlík má hydroxylovou (-OH) skupinu. Když se k rostoucímu řetězci nukleové kyseliny přidá nukleotid, vždy k tomu dojde na 3 'konci stávajícího řetězce. To znamená, že fosfátová skupina na 5 'konci nového nukleotidu je připojena k 3' uhlíku představujícímu hydroxylovou skupinu, než k tomuto propojení dojde. -OH je nahrazen nukleotidem, který ztrácí proton (H) ze své fosfátové skupiny; tedy molekula H₂Při tomto procesu se do životního prostředí ztrácí kyslík nebo voda, což činí syntézu RNA příkladem dehydratační syntézy.

Transkripce je proces, při kterém je mRNA syntetizována z templátu DNA. V zásadě, vzhledem k tomu, co nyní víte, si můžete snadno představit, jak se to stane. DNA je dvouvláknová, takže každé vlákno může sloužit jako templát pro jednořetězcovou RNA; tyto dva nové řetězce RNA, kvůli rozmarům specifického párování bází, se budou navzájem doplňovat, ne že by se spojily dohromady. Transkripce RNA je velmi podobná replikaci DNA v tom, že platí stejná pravidla párování bází, přičemž místo T v RNA zaujímá U. Všimněte si, že tato náhrada je jednosměrný jev: T v DNA stále kóduje A v RNA, ale A v DNA kóduje U v RNA.

Aby došlo k transkripci, musí se dvojitá šroubovice DNA odmotat, což se děje pod vedením specifických enzymů. (Později znovu předpokládá svou správnou šroubovicovou konformaci.) Poté, co se to stane, specifická sekvence vhodně nazvaná promotorová sekvence signalizuje, kde transkripce má začít podél molekuly. To přivolává na molekulární scénu enzym nazývaný RNA polymeráza, který je v této době součástí komplexu promotoru. To vše se děje jako druh biochemického mechanismu bezpečného proti selhání, který udržuje syntézu RNA od začátku na špatném místě na DNA a tím produkuje řetězec RNA, který obsahuje nelegitimní kód. RNA polymeráza „čte“ řetězec DNA počínaje promotorovou sekvencí a pohybuje se podél řetězce DNA, čímž přidává nukleotidy na 3 'konec RNA. Uvědomte si, že řetězce RNA a DNA jsou komplementární a jsou také antiparalelní. To znamená, že jak RNA roste ve 3 'směru, pohybuje se podél řetězce DNA na 5' konci DNA. Toto je pro studenty menší, ale často matoucí bod, takže si možná budete chtít prohlédnout diagram, abyste se ujistili, že rozumíte mechanice syntézy mRNA.

Vazby vytvořené mezi fosfátovými skupinami jednoho nukleotidu a skupinou cukru na další se nazývají fosfodiesterové vazby (vyslovuje se „phos-pho-die-es-ter“, nikoli „phos-pho-dee-ster“, jak může být lákavé převzít).

Enzym RNA polymeráza má mnoho forem, ačkoli bakterie zahrnují pouze jeden typ. Jedná se o velký enzym, který se skládá ze čtyř proteinových podjednotek: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) a sigma (σ). V kombinaci mají molekulovou hmotnost kolem 420 000 daltonů. (Pro informaci, jeden atom uhlíku má molekulovou hmotnost 12; jediná molekula vody, 18; a celá molekula glukózy, 180.) Enzym, nazývaný holoenzym, jsou-li všechny čtyři podjednotky přítomen, je zodpovědný za rozpoznávání promotorových sekvencí na DNA a roztahování dvou DNA prameny. RNA polymeráza se pohybuje podél genu, který má být transkribován, protože přidává nukleotidy do rostoucího segmentu RNA, což je proces zvaný elongace. Tento proces, stejně jako tolik v buňkách, vyžaduje jako zdroj energie adenosintrifosfát (ATP). ATP ve skutečnosti není nic jiného než nukleotid obsahující adenin, který má místo jednoho tři fosfáty.

Transkripce přestane, když pohybující se RNA polymeráza narazí na terminační sekvenci v DNA. Stejně jako sekvenci promotoru lze považovat za ekvivalent zeleného světla na semaforu, je koncová sekvence analogem červeného světla nebo stopky.

Když je molekula mRNA nesoucí informace pro konkrétní protein - tj. Část mRNA odpovídající genu - úplná, je ještě musí být zpracován, než bude připraven vykonat svou práci při dodávání chemického plánu do ribozomů, kde syntéza bílkovin trvá místo. U eukaryotických organismů také migruje z jádra (prokaryoty jádro nemají).

Kriticky, dusíkaté báze nesou genetickou informaci ve skupinách po třech, nazývaných tripletové kodony. Každý kodon nese pokyny pro přidání konkrétní aminokyseliny k rostoucímu proteinu. Stejně jako nukleotidy jsou monomerní jednotky nukleových kyselin, aminokyseliny jsou monomery proteinů. Protože RNA obsahuje čtyři různé nukleotidy (díky čtyřem dostupným základnám) a kodon se skládá ze tří po sobě jdoucích nukleotidů, je k dispozici celkem 64 tripletových kodonů (4³ = 64). To znamená, že počínaje AAA, AAC, AAG, AAU a až k UUU existuje 64 kombinací. Lidé však využívají pouze 20 aminokyselin. Ve výsledku se říká, že tripletový kód je nadbytečný: Ve většině případů kóduje více tripletů stejnou aminokyselinu. Inverzní není pravda - to znamená, že stejný triplet nemůže kódovat více než jednu aminokyselinu. Pravděpodobně si dokážete představit biochemický chaos, který by nastal jinak. Ve skutečnosti mají aminokyseliny leucin, arginin a serin šest odpovídajících tripletům. Tři různé kodony jsou STOP kodony, podobné transkripčním terminačním sekvencím v DNA.

Samotný překlad je vysoce kooperativní proces, který spojuje všechny členy rozšířené rodiny RNA. Protože se vyskytuje na ribozomech, zjevně zahrnuje použití rRNA. Molekuly tRNA, popsané dříve jako drobné křížení, jsou zodpovědné za přenášení jednotlivých aminokyselin translační místo na ribozomu, kde je každá aminokyselina ošetřena svou vlastní specifickou značkou tRNA doprovod. Stejně jako transkripce má translace fáze zahájení, prodloužení a ukončení a na konci syntézy molekuly proteinu je protein je uvolňován z ribozomu a zabalen do Golgiho těl pro použití jinde a samotný ribozom disociuje na svou složku podjednotky.