RNA eller ribonukleinsyre er en af to nukleinsyrer, der findes i naturen. Den anden, deoxyribonukleinsyre (DNA), er bestemt mere fast i fantasien. Selv mennesker med ringe interesse for videnskab er klar over, at DNA er afgørende for videreformidlingen af træk fra et generation til den næste, og at ethvert menneskes DNA er unikt (og derfor er en dårlig idé at efterlade ved en forbrydelse scene). Men for al DNA's berygtethed er RNA et mere alsidigt molekyle, der kommer i tre hovedformer: messenger RNA (mRNA), ribosomalt RNA (rRNA) og transfer RNA (tRNA).
Jobbet med mRNA er stærkt afhængig af de to andre typer, og mRNA ligger helt i centrum af den såkaldte centrale dogme inden for molekylærbiologi (DNA får RNA, som igen afleder proteiner).
Nukleinsyrer: En oversigt
DNA og RNA er nukleinsyrer, hvilket betyder, at de er polymere makromolekyler, hvis monomere bestanddele kaldes nukleotider. Nukleotider består af tre forskellige portioner: et pentosesukker, en phosphatgruppe og en nitrogenholdig base valgt blandt fire valg. Et pentosesukker er et sukker, der inkluderer en ring på fem atomer.
Tre store forskelle skelner mellem DNA og RNA. For det første er sukkerdelen af nukleotidet i RNA ribose, mens det i DNA er deoxyribose, som simpelthen er ribose med en hydroxyl (-OH) gruppe fjernet fra et af carbonerne i fem-atomringen og erstattet af et hydrogenatom (-H). Således er sukkerdelen af DNA kun et iltatom mindre massivt end RNA, men RNA er et langt mere kemisk reaktivt molekyle end DNA på grund af dets ene ekstra -OH-gruppe. For det andet er DNA ret berømt dobbeltstrenget og viklet i en spiralform i sin mest stabile fra. RNA er derimod enkeltstrenget. Og for det tredje, mens DNA og RNA begge har de nitrogenholdige baser adenin (A), cytosin (C) og guanin (G), er den fjerde sådan base i DNA thymin (T), mens det i RNA er uracil (U).
Fordi DNA er dobbeltstrenget, har forskere siden midten af 1900'erne vidst, at disse nitrogenholdige baser er parret med og kun med en anden slags base; Et par med T og C par med G. Desuden klassificeres A og G kemisk som puriner, mens C og T kaldes pyrimidiner. Da puriner er væsentligt større end pyrimidiner, ville en A-G-parring være alt for omfangsrig, hvorimod en CT-parring ville være usædvanligt underdimensioneret; begge disse situationer ville være forstyrrende for de to tråde i dobbeltstrenget DNA med samme afstand fra hinanden på alle punkter langs de to tråde.
På grund af dette parringsskema kaldes de to DNA-tråde "komplementære", og sekvensen af den ene kan forudsiges, hvis den anden er kendt. For eksempel, hvis en streng på ti nukleotider i en streng af DNA har basesekvensen AAGCGTATTG, vil den komplementære DNA-streng have basesekvensen TTCGCATAAC. Fordi RNA syntetiseres fra en DNA-skabelon, har dette også konsekvenser for transkription.
Grundlæggende RNA-struktur
mRNA er den mest "DNA-lignende" form for ribonukleinsyre, fordi dens opgave stort set er den samme: at overføre informationen kodet i gener i form af omhyggeligt ordnede nitrogenholdige baser til det cellulære maskineri, der samles proteiner. Men der findes også forskellige vitale typer RNA.
Den tredimensionelle struktur af DNA blev belyst i 1953, hvilket gav James Watson og Francis Crick en Nobelpris. Men i årevis bagefter forblev strukturen af RNA undvigende på trods af nogle af de samme DNA-eksperters bestræbelser på at beskrive den. I 1960'erne blev det klart, at selvom RNA er enkeltstrenget, er dets sekundære struktur - det vil sige forholdet mellem sekvensen af nukleotider til hinanden, når RNA snor sig gennem rummet - indebærer, at længder af RNA kan foldes tilbage på sig selv med baser i den samme streng og dermed forbinder hinanden på samme måde som en længde af tape kan klæbe til sig selv, hvis du tillader det at knæk. Dette er grundlaget for den krydslignende struktur af tRNA, som inkluderer tre 180-graders bøjninger, der skaber den molekylære ækvivalent af blindveje i molekylet.
rRNA er noget anderledes. Alt rRNA er afledt af et monster af en rRNA-streng, der er ca. 13.000 nukleotider langt. Efter en række kemiske modifikationer spaltes denne streng i to ulige underenheder, den ene kaldet 18S og den anden mærket 28S. ("S" står for "Svedberg-enhed", et mål biologer bruger til indirekte at estimere massen af makromolekyler.) 18S-delen er inkorporeret i det, der er kaldet den lille ribosomale underenhed (som når den er komplet faktisk er 30S) og 28S-delen bidrager til den store underenhed (som i alt har en størrelse på 50S); alle ribosomer indeholder en af hver underenhed sammen med et antal proteiner (ikke nukleinsyrer, som gør proteinerne selv mulige) for at give ribosomer strukturel integritet.
DNA- og RNA-strenge har begge det, der kaldes 3 'og 5' ("tre-prime" og "fem-prime") ender baseret på positionerne af molekyler, der er bundet til sukkerdelen af strengen. I hvert nukleotid er phosphatgruppen bundet til carbonatomet mærket 5 'i sin ring, hvorimod 3'-carbonet har en hydroxyl (-OH) -gruppe. Når et nukleotid sættes til en voksende nukleinsyrekæde, sker dette altid i 3'-enden af den eksisterende kæde. Det vil sige, at phosphatgruppen i 5'-enden af det nye nukleotid er bundet til 3'-carbon med hydroxylgruppen, før denne binding finder sted. -OH erstattes af nukleotidet, der mister en proton (H) fra sin phosphatgruppe; således et molekyle af H2O eller vand går tabt for miljøet i denne proces, hvilket gør RNA-syntese til et eksempel på en dehydratiseringssyntese.
Transkription: Kodning af meddelelsen til mRNA
Transkription er den proces, hvor mRNA syntetiseres fra en DNA-skabelon. I princippet set i betragtning af det, du nu ved, kan du let forestille dig, hvordan dette sker. DNA er dobbeltstrenget, så hver streng kan tjene som en skabelon for enkeltstrenget RNA; disse to nye RNA-strenge, på grund af vagary af specifik baseparring, vil være komplementære til hinanden, ikke at de vil binde sammen. Transkriptionen af RNA ligner meget replikationen af DNA, idet de samme baseparringsregler gælder, hvor U indtager stedet T i RNA. Bemærk, at denne erstatning er et envejsfænomen: T i DNA koder stadig for A i RNA, men A i DNA koder for U i RNA.
For at transkription skal forekomme, skal DNA-dobbelthelixen løsnes, hvilket den gør under ledelse af specifikke enzymer. (Det antager senere sin korrekte spiralformede konformation.) Efter dette sker kaldes en specifik sekvens passende promotorsekvenssignaler, hvor transkription skal begynde langs molekylet. Denne indkaldelse til molekylærscenen et enzym kaldet RNA-polymerase, som på dette tidspunkt er en del af et promotorkompleks. Alt dette sker som en slags biokemisk fejlsikker mekanisme, der holder RNA-syntese fra at begynde på det forkerte sted på DNA og derved producerer en RNA-streng, der indeholder en ulovlig kode. RNA-polymerasen "læser" DNA-strengen startende ved promotorsekvensen og bevæger sig langs DNA-strengen, idet nucleotider tilsættes til 3'-enden af RNA'et. Vær opmærksom på, at RNA- og DNA-strengene i kraft af at være komplementære også er antiparallelle. Dette betyder, at når RNA vokser i 3'-retningen, bevæger det sig langs DNA-strengen ved DNA'ets 5'-ende. Dette er et mindre, men ofte forvirrende punkt for studerende, så du ønsker måske at konsultere et diagram for at forsikre dig selv om, at du forstår mekanikken i mRNA-syntese.
Bindingerne dannet mellem phosphatgrupperne i det ene nukleotid og sukkergruppen i det næste kaldes phosphodiesterbindinger (udtalt "phos-pho-die-es-ter", ikke "phos-pho-dee-ster", da det kan være fristende at antage).
Enzymet RNA-polymerase findes i mange former, selvom bakterier kun inkluderer en enkelt type. Det er et stort enzym, der består af fire proteinunderenheder: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) og sigma (σ). Kombineret har disse en molekylvægt på omkring 420.000 Dalton. (Som reference har et enkelt carbonatom en molekylvægt på 12; et enkelt vandmolekyle, 18; og et helt glukosemolekyle, 180.) Enzymet, kaldet et holoenzym, når alle fire underenheder er til stede, er ansvarlig for at genkende promotorsekvenserne på DNA og trække de to DNA fra hinanden tråde. RNA-polymerase bevæger sig langs genet, der skal transskriberes, da det tilføjer nukleotider til det voksende RNA-segment, en proces kaldet forlængelse. Denne proces, som så mange inden i celler, kræver adenosintriphosphat (ATP) som en energikilde. ATP er virkelig intet andet end et adeninholdigt nukleotid, der har tre fosfater i stedet for et.
Transkription ophører, når den bevægelige RNA-polymerase støder på en terminationssekvens i DNA. Ligesom promotorsekvensen kan ses som ækvivalent med et grønt lys på et trafiklys, er afslutningssekvensen analog med et rødt lys eller stopskilt.
Oversættelse: Afkodning af beskeden fra mRNA
Når et mRNA-molekyle, der bærer informationen for et bestemt protein - det vil sige et stykke mRNA svarende til et gen - er komplet, er det skal stadig behandles, før den er klar til at udføre sit job med at levere en kemisk plan til ribosomerne, hvor proteinsyntese tager placere. I eukaryote organismer migrerer den også ud af kernen (prokaryoter har ikke en kerne).
Kritisk bærer nitrogenholdige baser genetisk information i grupper på tre, kaldet tripletkodoner. Hver codon bærer instruktioner om at tilføje en bestemt aminosyre til et voksende protein. Ligesom nukleotider er monomerenhederne af nukleinsyrer, er aminosyrer monomerer af proteiner. Da RNA indeholder fire forskellige nukleotider (på grund af de fire forskellige baser, der er tilgængelige), og et codon består af tre på hinanden følgende nukleotider, er der 64 tilgængelige tripletkodoner i alt (43 = 64). Det vil sige, startende med AAA, AAC, AAG, AAU og arbejde helt til UUU, er der 64 kombinationer. Mennesker bruger dog kun 20 aminosyrer. Som et resultat siges tripletkoden at være overflødig: I de fleste tilfælde koder flere tripletter for den samme aminosyre. Det omvendte er ikke sandt - det vil sige, at den samme triplet ikke kan kode for mere end en aminosyre. Du kan sandsynligvis forestille dig det biokemiske kaos, der ellers ville følge. Faktisk har aminosyrerne leucin, arginin og serin hver seks trillinger svarende til dem. Tre forskellige kodoner er STOP-kodoner svarende til transkriptionstermineringssekvenser i DNA.
Oversættelse i sig selv er en yderst samarbejdsvillig proces, der samler alle medlemmer af den udvidede RNA-familie. Fordi det forekommer på ribosomer, involverer det naturligvis brugen af rRNA. TRNA-molekylerne, der tidligere er beskrevet som små kryds, er ansvarlige for at bære individuelle aminosyrer til oversættelsesstedet på ribosomet, hvor hver aminosyre er indkøbt af sit eget specifikke mærke af tRNA eskortere. Ligesom transkription har translation initierings-, forlængelses- og termineringsfaser, og i slutningen af syntesen af et proteinmolekyle er protein frigives fra ribosomet og pakkes ind i Golgi-legemer til brug andetsteds, og selve ribosomet adskiller sig i dets komponent underenheder.