MRNA: Ορισμός, Λειτουργία & Δομή

Το RNA, ή το ριβονουκλεϊκό οξύ, είναι ένα από τα δύο νουκλεϊκά οξέα που βρίσκονται στη φύση. Το άλλο, δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), είναι σίγουρα πιο σταθερό στη φαντασία. Ακόμη και άτομα με μικρό ενδιαφέρον για την επιστήμη έχουν την εντύπωση ότι το DNA είναι ζωτικής σημασίας για τη μετάδοση χαρακτηριστικών από ένα γενιά στην επόμενη, και ότι το DNA κάθε ανθρώπου είναι μοναδικό (και επομένως είναι κακή ιδέα να αφήσετε ένα έγκλημα σκηνή). Αλλά για όλη τη φήμη του DNA, το RNA είναι ένα πιο ευέλικτο μόριο, που έρχεται σε τρεις κύριες μορφές: RNA αγγελιοφόρου (mRNA), ριβοσωμικό RNA (rRNA) και RNA μεταφοράς (tRNA).

Η εργασία του mRNA βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στους άλλους δύο τύπους και το mRNA βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο του λεγόμενου κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας (το DNA δημιουργεί RNA, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί πρωτεΐνες).

Το DNA και το RNA είναι νουκλεϊκά οξέα, που σημαίνει ότι είναι μακρομόρια πολυμερούς, τα μονομερή συστατικά των οποίων ονομάζονται νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από τρία ξεχωριστά μέρη: ένα σάκχαρο πεντόζης, μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχα βάση, που επιλέγονται μεταξύ τεσσάρων επιλογών. Μια ζάχαρη πεντόζης είναι μια ζάχαρη που περιλαμβάνει μια δομή δακτυλίου πέντε ατόμων.

Τρεις μεγάλες διαφορές διακρίνουν το DNA από το RNA. Πρώτον, στο RNA, το τμήμα σακχάρου του νουκλεοτιδίου είναι ριβόζη, ενώ στο DNA είναι δεοξυριβόζη, η οποία είναι απλά ριβόζη με μια ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ) που αφαιρέθηκε από έναν από τους άνθρακες στον δακτύλιο πέντε ατόμων και αντικαταστάθηκε από ένα άτομο υδρογόνου (-Η). Έτσι, το τμήμα σακχάρου του DNA είναι ένα άτομο οξυγόνου λιγότερο ογκώδες από το RNA, αλλά το RNA είναι ένα πολύ πιο χημικώς αντιδραστικό μόριο από το DNA λόγω της μίας επιπλέον ομάδας -ΟΗ. Δεύτερον, το DNA είναι, μάλλον διάσημο, διπλόκλωνο και τυλίγεται σε ελικοειδές σχήμα στο πιο σταθερό του. Το RNA, από την άλλη πλευρά, είναι μονόκλωνο. Και τρίτον, ενώ το DNA και το RNA διαθέτουν αμφότερες τις αζωτούχες βάσεις αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G), η τέταρτη τέτοια βάση στο DNA είναι θυμίνη (Τ) ενώ στο RNA είναι ουρακίλη (U).

Επειδή το DNA είναι διπλόκλωνο, οι επιστήμονες γνωρίζουν από τα μέσα της δεκαετίας του 1900 ότι αυτές οι αζωτούχες βάσεις συνδέονται με και μόνο με ένα άλλο είδος βάσης. Ένα ζεύγος με T, και C ζεύγη με G. Επιπλέον, τα Α και G ταξινομούνται χημικά ως πουρίνες, ενώ τα C και T ονομάζονται πυριμιδίνες. Επειδή οι πουρίνες είναι ουσιαστικά μεγαλύτερες από τις πυριμιδίνες, ένας συνδυασμός A-G θα ήταν υπερβολικά ογκώδης, ενώ ένας συνδυασμός C-T θα ήταν ασυνήθιστα μικρότερος. Και οι δύο αυτές καταστάσεις θα ήταν ενοχλητικές για τα δύο σκέλη στο δίκλωνο DNA να είναι η ίδια απόσταση μεταξύ τους σε όλα τα σημεία κατά μήκος των δύο κλώνων.

Λόγω αυτού του σχήματος ζευγαρώματος, οι δύο κλώνοι του DNA ονομάζονται "συμπληρωματικοί" και η αλληλουχία του ενός μπορεί να προβλεφθεί εάν το άλλο είναι γνωστό. Για παράδειγμα, εάν μια σειρά δέκα νουκλεοτιδίων σε έναν κλώνο του DNA έχει την ακολουθία βάσης AAGCGTATTG, ο συμπληρωματικός κλώνος DNA θα έχει την ακολουθία βάσης TTCGCATAAC. Επειδή το RNA συντίθεται από ένα πρότυπο DNA, αυτό έχει επιπτώσεις και στη μεταγραφή.

Το mRNA είναι η πιο "ϋΝΑ" μορφή ριβονουκλεϊκού οξέος επειδή η δουλειά του είναι σε μεγάλο βαθμό η ίδια: η μετάδοση των πληροφοριών κωδικοποιείται σε γονίδια, με τη μορφή προσεκτικά διατεταγμένων αζωτούχων βάσεων, στα κυτταρικά μηχανήματα που συναρμολογούνται πρωτεΐνες. Υπάρχουν όμως και διάφοροι ζωτικοί τύποι RNA.

Η τρισδιάστατη δομή του DNA διασαφηνίστηκε το 1953, κερδίζοντας τον James Watson και τον Francis Crick ένα βραβείο Νόμπελ. Αλλά για χρόνια μετά, η δομή του RNA παρέμεινε αόριστη παρά τις προσπάθειες ορισμένων από τους ίδιους ειδικούς του DNA να το περιγράψουν. Στη δεκαετία του 1960, κατέστη σαφές ότι αν και το RNA είναι μονόκλωνο, η δευτερεύουσα δομή του - δηλαδή, η σχέση της ακολουθίας νουκλεοτιδίων το ένα στο άλλο καθώς το RNA περιελίσσεται στο διάστημα - υπονοεί ότι τα μήκη του RNA μπορούν να διπλωθούν ξανά στον εαυτό τους, με βάσεις στον ίδιο κλώνο συνδέοντας έτσι ο ένας τον άλλον με τον ίδιο τρόπο ένα μήκος αγωγού ταινία μπορεί να κολλήσει στον εαυτό του εάν το επιτρέψετε κόμβος. Αυτή είναι η βάση για την εγκάρσια δομή του tRNA, η οποία περιλαμβάνει τρεις καμπύλες 180 μοιρών που δημιουργούν το μοριακό ισοδύναμο των cul-de-sacs στο μόριο.

Το rRNA είναι κάπως διαφορετικό. Όλο το rRNA προέρχεται από ένα τέρας ενός κλώνου rRNA μήκους περίπου 13.000 νουκλεοτιδίων. Μετά από μια σειρά χημικών τροποποιήσεων, αυτός ο κλώνος διασπάται σε δύο άνισες υπομονάδες, η μία ονομάζεται 18S και η άλλη 288. ("S" σημαίνει "μονάδα Svedberg", ένα μέτρο που οι βιολόγοι χρησιμοποιούν για να εκτιμήσουν έμμεσα τη μάζα των μακρομορίων.) Το τμήμα 18S ενσωματώνεται σε αυτό που είναι ονομάζεται μικρή ριβοσωμική υπομονάδα (η οποία όταν ολοκληρωθεί είναι στην πραγματικότητα 30S) και το τμήμα 28S συμβάλλει στη μεγάλη υπομονάδα (η οποία έχει συνολικό μέγεθος 50S); Όλα τα ριβοσώματα περιέχουν μία από κάθε υπομονάδα μαζί με έναν αριθμό πρωτεϊνών (όχι νουκλεϊκών οξέων, που καθιστούν τις πρωτεΐνες ίδιες δυνατές) για να παρέχουν ριβοσώματα με δομική ακεραιότητα.

Οι κλώνοι DNA και RNA και οι δύο έχουν τα λεγόμενα άκρα 3 'και 5' ("three-prime" και "πέντε-prime") με βάση τις θέσεις των μορίων που συνδέονται με το τμήμα σακχάρου του κλώνου. Σε κάθε νουκλεοτίδιο, η φωσφορική ομάδα συνδέεται με το άτομο άνθρακα που φέρει την ένδειξη 5 'στον δακτύλιο του, ενώ ο άνθρακας 3' έχει μια ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ). Όταν ένα νουκλεοτίδιο προστίθεται σε μια αναπτυσσόμενη αλυσίδα νουκλεϊκού οξέος, αυτό συμβαίνει πάντα στο 3 'άκρο της υπάρχουσας αλυσίδας. Δηλαδή, η φωσφορική ομάδα στο 5 'άκρο του νέου νουκλεοτιδίου συνδέεται με τον 3' άνθρακα που χαρακτηρίζει την υδροξυλομάδα πριν εμφανιστεί αυτή η σύνδεση. Το -OH αντικαθίσταται από το νουκλεοτίδιο, το οποίο χάνει ένα πρωτόνιο (Η) από τη φωσφορική του ομάδα. έτσι ένα μόριο Η₂Ο, ή νερό, χάνεται στο περιβάλλον σε αυτή τη διαδικασία, καθιστώντας τη σύνθεση RNA ένα παράδειγμα σύνθεσης αφυδάτωσης.

Η μεταγραφή είναι η διαδικασία στην οποία συντίθεται το mRNA από ένα πρότυπο DNA. Κατ 'αρχήν, λαμβάνοντας υπόψη αυτό που γνωρίζετε τώρα, μπορείτε εύκολα να οραματιστείτε πώς συμβαίνει αυτό. Το DNA είναι διπλόκλωνο, έτσι κάθε κλώνος μπορεί να χρησιμεύσει ως πρότυπο για μονόκλωνο RNA. Αυτά τα δύο νέα σκέλη RNA, λόγω των ιδιοτροπιών του συγκεκριμένου ζευγαρώματος βάσεων, θα είναι συμπληρωματικά μεταξύ τους, όχι ότι θα ενωθούν μεταξύ τους. Η μεταγραφή του RNA είναι πολύ παρόμοια με την αντιγραφή του DNA στο ότι ισχύουν οι ίδιοι κανόνες ζευγαρώματος βάσης, με το U να αντικαθιστά το Τ στο RNA. Σημειώστε ότι αυτή η αντικατάσταση είναι ένα μονόπλευρο φαινόμενο: Το Τ στο DNA εξακολουθεί να κωδικοποιεί το Α στο RNA, αλλά το Α στο DNA κωδικοποιεί το U σε RNA.

Για να συμβεί η μεταγραφή, η διπλή έλικα του DNA πρέπει να ξετυλίγεται, κάτι που γίνεται υπό την καθοδήγηση συγκεκριμένων ενζύμων. (Αργότερα αναλαμβάνει την κατάλληλη ελικοειδή διαμόρφωσή της.) Μετά από αυτό, μια συγκεκριμένη αλληλουχία που ονομάζεται κατάλληλα η αλληλουχία προαγωγέα σηματοδοτεί την έναρξη της μεταγραφής κατά μήκος του μορίου. Αυτό καλεί στη μοριακή σκηνή ένα ένζυμο που ονομάζεται RNA πολυμεράση, το οποίο αυτή τη στιγμή αποτελεί μέρος ενός συμπλόκου προαγωγού. Όλα αυτά συμβαίνουν ως ένα είδος βιοχημικού μηχανισμού ασφαλούς αστοχίας που εμποδίζει την έναρξη της σύνθεσης RNA σε λάθος σημείο στο DNA και παράγοντας έτσι ένα σκέλος RNA που περιέχει έναν παράνομο κώδικα. Η πολυμεράση RNA "διαβάζει" τον κλώνο DNA ξεκινώντας από την αλληλουχία προαγωγέα και κινείται κατά μήκος του κλώνου DNA, προσθέτοντας νουκλεοτίδια στο 3 'άκρο του RNA. Να γνωρίζετε ότι οι κλώνοι RNA και DNA, λόγω του ότι είναι συμπληρωματικοί, είναι επίσης παράλληλοι. Αυτό σημαίνει ότι καθώς το RNA μεγαλώνει στην κατεύθυνση 3 ', κινείται κατά μήκος του κλώνου DNA στο 5' άκρο του DNA. Αυτό είναι ένα μικρό αλλά συχνά μπερδεμένο σημείο για τους μαθητές, οπότε ίσως θελήσετε να συμβουλευτείτε ένα διάγραμμα για να βεβαιωθείτε ότι κατανοείτε τους μηχανισμούς της σύνθεσης mRNA.

Οι δεσμοί που δημιουργούνται μεταξύ των φωσφορικών ομάδων ενός νουκλεοτιδίου και της ομάδας σακχάρου στο επόμενο καλούνται φωσφοδιεστερικοί δεσμοί (προφέρεται "phos-pho-die-es-ter", όχι "phos-pho-dee-ster" καθώς μπορεί να είναι δελεαστικό να υποθέτω).

Το ένζυμο RNA πολυμεράση έρχεται σε πολλές μορφές, αν και τα βακτήρια περιλαμβάνουν μόνο έναν μόνο τύπο. Είναι ένα μεγάλο ένζυμο, που αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες πρωτεΐνης: άλφα (α), βήτα (β), βήτα-πρωταρχικό (β β) και σίγμα (σ). Σε συνδυασμό, αυτά έχουν μοριακό βάρος περίπου 420.000 Daltons. (Για αναφορά, ένα άτομο άνθρακα έχει μοριακό βάρος 12. ένα μόνο μόριο νερού, 18; και ένα ολόκληρο μόριο γλυκόζης, 180.) Το ένζυμο, που ονομάζεται ολοένζυμο όταν είναι και οι τέσσερις υπομονάδες παρόν, είναι υπεύθυνο για την αναγνώριση των αλληλουχιών προαγωγέα στο DNA και την απομάκρυνση των δύο DNA σκέλη Η πολυμεράση RNA κινείται κατά μήκος του γονιδίου που πρόκειται να μεταγραφεί καθώς προσθέτει νουκλεοτίδια στο αναπτυσσόμενο τμήμα RNA, μια διαδικασία που ονομάζεται επιμήκυνση. Αυτή η διαδικασία, όπως και πολλά στα κύτταρα, απαιτεί τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) ως πηγή ενέργειας. Το ATP δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα νουκλεοτίδιο που περιέχει αδενίνη και έχει τρία φωσφορικά αντί ενός.

Η μεταγραφή σταματά όταν η κινούμενη πολυμεράση RNA συναντά μια αλληλουχία τερματισμού στο DNA. Ακριβώς όπως η ακολουθία προαγωγού μπορεί να θεωρηθεί ως το ισοδύναμο ενός πράσινου φωτός σε ένα φανό, η ακολουθία τερματισμού είναι το ανάλογο ενός κόκκινου φωτός ή ενός σημείου διακοπής.

Όταν ένα μόριο mRNA που φέρει τις πληροφορίες για μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη - δηλαδή, ένα κομμάτι mRNA που αντιστοιχεί σε ένα γονίδιο - είναι πλήρες, πρέπει ακόμη να υποβληθεί σε επεξεργασία προτού να είναι έτοιμη να κάνει τη δουλειά της να παραδώσει ένα χημικό σχεδιάγραμμα στα ριβοσώματα, όπου απαιτείται η σύνθεση πρωτεϊνών θέση. Σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς, μεταναστεύει επίσης από τον πυρήνα (οι προκαρυωτικοί δεν έχουν πυρήνα).

Κρίσιμα, οι αζωτούχες βάσεις μεταφέρουν γενετικές πληροφορίες σε ομάδες τριών, που ονομάζονται τριπλένια κωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο φέρει οδηγίες για την προσθήκη ενός συγκεκριμένου αμινοξέος σε μια αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη. Όπως τα νουκλεοτίδια είναι οι μονομερείς μονάδες νουκλεϊκών οξέων, τα αμινοξέα είναι τα μονομερή των πρωτεϊνών. Επειδή το RNA περιέχει τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια (λόγω των διαθέσιμων τεσσάρων διαφορετικών βάσεων) και ένα κωδικόνιο αποτελείται από τρία διαδοχικά νουκλεοτίδια, υπάρχουν 64 διαθέσιμα συνολικά τριπλή κωδικόνια (4³ = 64). Δηλαδή, ξεκινώντας με AAA, AAC, AAG, AAU και δουλεύοντας μέχρι το UUU, υπάρχουν 64 συνδυασμοί. Οι άνθρωποι, ωστόσο, χρησιμοποιούν μόνο 20 αμινοξέα. Ως αποτέλεσμα, λέγεται ότι ο τριπλός κώδικας είναι περιττός: Στις περισσότερες περιπτώσεις, πολλαπλές τριπλέτες κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ. Το αντίστροφο δεν είναι αλήθεια - δηλαδή, το ίδιο τρίδυμο δεν μπορεί να κωδικοποιήσει περισσότερα από ένα αμινοξέα. Μπορείτε πιθανώς να οραματιστείτε το βιοχημικό χάος που θα προκύψει διαφορετικά. Στην πραγματικότητα, τα αμινοξέα λευκίνη, αργινίνη και σερίνη έχουν το καθένα έξι τρίδυμα που αντιστοιχούν σε αυτά. Τρία διαφορετικά κωδικόνια είναι κωδικόνια STOP, παρόμοια με τις αλληλουχίες τερματισμού μεταγραφής στο DNA.

Η ίδια η μετάφραση είναι μια εξαιρετικά συνεργατική διαδικασία, που συγκεντρώνει όλα τα μέλη της εκτεταμένης οικογένειας RNA. Επειδή εμφανίζεται στα ριβοσώματα, προφανώς περιλαμβάνει τη χρήση του rRNA. Τα μόρια tRNA, που περιγράφηκαν νωρίτερα ως μικροί σταυροί, είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά μεμονωμένων αμινοξέων τον ιστότοπο μετάφρασης στο ριβόσωμα, με κάθε αμινοξύ να φέρει τη δική του συγκεκριμένη μάρκα tRNA συνοδεία. Όπως η μεταγραφή, η μετάφραση έχει φάσεις έναρξης, επιμήκυνσης και τερματισμού και στο τέλος της σύνθεσης ενός πρωτεϊνικού μορίου, η Η πρωτεΐνη απελευθερώνεται από το ριβόσωμα και συσκευάζεται σε σώματα Golgi για χρήση αλλού και το ίδιο το ριβόσωμα αποσυντίθεται στο συστατικό του υπομονάδες.