Co je kyselina ribonukleová?

Ribonukleová kyselina neboli RNA je jedním ze dvou typů nukleových kyselin vyskytujících se v životě na Zemi. Druhá, kyselina deoxyribonukleová (DNA), má v populární kultuře dlouho na paměti vyšší profil než RNA, a to v myslích náhodných pozorovatelů i jinde. RNA je však univerzálnější nukleová kyselina; přebírá pokyny, které přijímá od DNA, a transformuje je do různých koordinovaných činností zapojených do syntézy proteinů. Z tohoto pohledu lze na DNA pohlížet jako na prezidenta nebo kancléře, jehož vstup nakonec určuje, co se stane na úrovni každodenních událostí, vzhledem k tomu, že RNA je armáda věrných pěších vojáků a gruntových pracovníků, kteří provádějí skutečné práce a vykazují širokou škálu působivých dovedností proces.

RNA, stejně jako DNA, je makromolekula (jinými slovy, molekula s relativně velkým počtem jednotlivých atomů, na rozdíl od, řekněme, CO₂ nebo H₂O) sestávající z polymeru nebo řetězce opakujících se chemických prvků. „Články“ v tomto řetězci, nebo formálněji monomery, které tvoří polymer, se nazývají nukleotidy. Jeden nukleotid se skládá ze tří odlišných chemických oblastí nebo skupin: pentózový cukr, fosfátová skupina a dusíkatá báze. Dusíkatými bázemi mohou být jedna ze čtyř různých bází: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a uracil (U).

Adenin a guanin jsou chemicky klasifikovány jako purinyvzhledem k tomu, že cytosin a uracil patří do kategorie látek nazývaných pyrimidiny. Puriny se skládají hlavně z pětičlenného kruhu spojeného se šestičlennými kruhy, zatímco pyrimidiny jsou podstatně menší a mají pouze šestičlenný kruh. Adenin a guanin jsou si navzájem velmi podobné, stejně jako cytosin a uracil.

Pentózový cukr v RNA je ribóza, který zahrnuje kruh s pěti atomy uhlíku a jedním atomem kyslíku. Fosfátová skupina je navázána na atom uhlíku v kruhu na jedné straně atomu kyslíku a dusíkatá báze je navázána na atom uhlíku na druhé straně kyslíku. Fosfátová skupina se také váže na ribózu na sousedním nukleotidu, takže ribóza a fosfátová část nukleotidu společně tvoří „páteř“ RNA.

Dusíkaté báze lze považovat za nejkritičtější část RNA, protože právě tyto ve skupinách po třech v sousedních nukleotidech mají maximální funkční význam. Skupiny tří sousedících základen tvoří volané jednotky tripletové kódynebo kodony, které přenášejí speciální signály do strojního zařízení, které spojuje proteiny pomocí informací zapojených do první DNA a poté RNA. Bez toho, aby byl tento kód interpretován tak, jak je, by bylo pořadí nukleotidů irelevantní, jak bude brzy popsáno.

Když lidé s malým biologickým pozadím uslyší termín „DNA“, je pravděpodobné, že jednou z prvních věcí, která mi přijde na mysl, je „dvojitá šroubovice“. Výrazná Struktura molekuly DNA byla objasněna Watsonem, Crickem, Franklinem a dalšími v roce 1953 a mezi nálezy týmu bylo, že DNA je ve svém obvyklá forma. Naproti tomu RNA je prakticky vždy jednovláknová.

Jak napovídají názvy těchto příslušných makromolekul, DNA obsahuje jiný ribózový cukr. Místo ribózy obsahuje deoxyribózu, sloučeninu identickou s ribózou, kromě toho, že má místo jedné ze svých hydroxylových (-OH) skupin atom vodíku.

A konečně, zatímco pyrimidiny v RNA jsou cytosin a uracil, v DNA jsou to cytosin a thymin. Na „příčkách“ dvouvláknového „žebříčku DNA“ se adenin váže pouze s thyminem, zatímco cytosin se váže pouze s guaninem. (Napadá vás architektonický důvod, že purinové báze se vážou pouze na pyrimidinové báze přes střed DNA? Rada: „boky“ žebříku musí zůstat v pevné vzdálenosti od sebe.) Při přepisu DNA a a je vytvořeno komplementární vlákno RNA, nukleotid generovaný napříč adeninem v DNA je uracil, ne tymin. Tento rozdíl pomáhá přírodě zamezit záměně DNA a RNA v buněčných prostředích, ve kterých je to nepříjemné věci mohou vyplývat z nežádoucího chování, pokud enzymy, které působí na příslušné molekuly.

Zatímco pouze DNA je dvouvláknová, RNA je mnohem obratnější ve vytváření komplikovaných trojrozměrných struktur. To umožnilo vývoj tří základních forem RNA v buňkách.

RNA se dodává ve třech základních typech, i když existují i ​​další, velmi nejasné odrůdy.

Messenger RNA (mRNA): Molekuly mRNA obsahují kódující sekvenci proteinů. Molekuly mRNA se značně liší, pokud jde o délku, přičemž eukaryota (v podstatě většina živých tvorů, které nejsou bakteriemi), včetně dosud objevené největší RNA. Mnoho přepisů přesahuje délku 100 000 bází (100 kilobází nebo kb).

Transfer RNA (tRNA): tRNA je krátká (asi 75 bází) molekula, která transportuje aminokyseliny a během translace je přesouvá k rostoucímu proteinu. Předpokládá se, že tRNA mají společné trojrozměrné uspořádání, které na rentgenové analýze vypadá jako čtyřlístek. To je způsobeno vazbou komplementárních bází, když se vlákno tRNA sklopí zpět na sebe, podobně jako lepicí páska, když náhodně spojíte strany jejího pruhu.

Ribozomální RNA (rRNA): Molekuly rRNA tvoří 65 až 70 procent hmotnosti organely zvané ribozom, struktura, která přímo hostí translaci nebo syntézu proteinů. Ribosomy jsou podle buněčných standardů velmi velké. Bakteriální ribozomy mají molekulové hmotnosti asi 2,5 milionu, zatímco eukaryotické ribozomy mají molekulové hmotnosti asi jeden a půlkrát větší. (Pro srovnání, molekulová hmotnost uhlíku je 12; žádný jediný prvek vrcholy 300.)

Jeden eukaryotický ribozom, nazývaný 40S, obsahuje jednu rRNA a asi 35 různých proteinů. Ribosom 60S obsahuje tři rRNA a asi 50 proteinů. Ribozomy jsou tedy směsicí nukleových kyselin (rRNA) a proteinových produktů, které kód vytvářejí jiné nukleové kyseliny (mRNA).

Až donedávna molekulární biologové předpokládali, že rRNA plní převážně strukturální roli. Novější informace však naznačují, že rRNA v ribozomech působí jako enzym, zatímco okolní proteiny působí jako lešení.

Transkripce je proces syntézy RNA z templátu DNA. Vzhledem k tomu, že DNA je dvouvláknová a RNA je jednořetězcová, musí být řetězce DNA před transkripcí oddělena.

V tomto okamžiku je užitečná určitá terminologie. Gen, o kterém každý slyšel, ale jen málo odborníků na biologii ho může formálně definovat, je jen úsek DNA, který obsahuje jak templát pro syntézu RNA a sekvence nukleotidů, které umožňují regulaci a kontrolu produkce RNA z templátu kraj. Když byly mechanismy pro syntézu proteinů poprvé popsány přesně, vědci předpokládali, že každý gen odpovídá jednomu proteinovému produktu. Jakkoli by to bylo pohodlné (a stejně tak smysluplné jako na povrchu), myšlenka se ukázala jako nesprávná. Některé geny vůbec nekódují proteiny a u některých zvířat „alternativní sestřih“, ve kterém stejný gen může být spuštěn, aby vytvořil různé proteiny za různých podmínek, se zdá být běžný.

Transkripce RNA produkuje produkt, který je komplementární do šablony DNA. To znamená, že se jedná o zrcadlový obraz svého druhu a přirozeně by se spároval s jakoukoli sekvencí identickou s šablonou díky konkrétním pravidlům párování báze-báze, která byla uvedena dříve. Například sekvence DNA TACTGGT je komplementární se sekvencí RNA AUGACCA, protože každá báze v první sekvenci lze spárovat pár s odpovídající bází ve druhé sekvenci (všimněte si, že U se objevuje v RNA, kde T by se objevovalo v DNA).

Zahájení transkripce je složitý, ale řádný proces. Kroky zahrnují:

1. Proteiny transkripčního faktoru se vážou na promotor "upstream" od sekvence, která má být transkribována.
2. RNA polymeráza (enzym, který sestavuje novou RNA) se váže na komplex promotor-protein DNA, který je spíše jako spínač zapalování v autě.
3. Nově vytvořený komplex RNA polymeráza / promotor-protein odděluje dva komplementární řetězce DNA.
4. RNA polymeráza začíná syntetizovat RNA, jeden nukleotid po druhém.

Na rozdíl od DNA polymerázy nemusí být RNA polymeráza „připravena“ druhým enzymem. Transkripce vyžaduje pouze navázání RNA polymerázy na oblast promotoru.

Geny v DNA kódují proteinové molekuly. Jedná se o „pěšáky“ buňky, kteří plní povinnosti potřebné k udržení života. Když si pomyslíte na bílkoviny, můžete myslet na maso nebo svaly nebo na zdravý koktejl, ale většina bílkovin letí pod radarem vašeho každodenního života. Enzymy jsou bílkoviny - molekuly, které pomáhají štěpit živiny, budovat nové buněčné komponenty, shromažďovat nukleové kyseliny (např. DNA polymeráza) a vytvářet kopie DNA během dělení buněk.

„Genová exprese“ znamená výrobu odpovídajícího proteinu genu, pokud existuje, a tento komplikovaný proces má dva primární kroky. První je transkripce, podrobně popsaná dříve. V překladu nově vyrobené molekuly mRNA opouštějí jádro a migrují do cytoplazmy, kde jsou umístěny ribozomy. (V prokaryotických organismech se ribozomy mohou připojit k mRNA, zatímco transkripce stále probíhá.)

Ribozomy se skládají ze dvou odlišných částí: velké podjednotky a malé podjednotky. Každá podjednotka je obvykle oddělena v cytoplazmě, ale spojuje se na molekule mRNA. Podjednotky obsahují trochu téměř všeho, co již bylo zmíněno: proteiny, rRNA a tRNA. Molekuly tRNA jsou adaptorové molekuly: Jeden konec může číst tripletový kód v mRNA (například UAG nebo CGC) prostřednictvím doplňkového párování bází a druhý konec se váže na specifickou aminokyselinu. Každý tripletový kód je zodpovědný za jednu z přibližně 20 aminokyselin, které tvoří všechny proteiny; některé aminokyseliny jsou kódovány několika triplety (což není překvapující, protože je možné 64 tripletů - čtyři báze zvednuté na třetí mocninu, protože každý triplet má tři báze - a pouze 20 aminokyselin potřeboval). V ribozomu jsou komplexy mRNA a aminoacyl-tRNA (kousky tRNA překrývající aminokyselinu) drženy velmi blízko u sebe, což usnadňuje párování bází. rRNA katalyzuje připojení každé další aminokyseliny k rostoucímu řetězci, který se stává polypeptidem a nakonec proteinem.

Díky své schopnosti uspořádat se do složitých tvarů může RNA působit slabě jako enzym. Vzhledem k tomu, že RNA může uchovávat genetickou informaci i katalyzovat reakce, navrhli někteří vědci hlavní roli RNA v DNA původ života, nazývaný „svět RNA“. Tato hypotéza tvrdí, že již v historii Země všechny molekuly RNA hrály stejné role proteinů a molekul nukleových kyselin dnes hrají, což by nyní nebylo možné, ale mohlo by to být možné v a předbiotický svět. Pokud RNA fungovala jako struktura pro ukládání informací a jako zdroj katalytické aktivity potřebné pro základní metabolické reakce, může mít předcházela DNA v jejích nejranějších formách (i když ji nyní vyrábí DNA) a sloužila jako platforma pro vypouštění „organismů“, které jsou skutečně samoreplikující se.