Τι είναι το ριβονουκλεϊκό οξύ;

Το ριβονουκλεϊκό οξύ, ή RNA, είναι ένας από τους δύο τύπους νουκλεϊκών οξέων που βρίσκονται στη ζωή στη Γη. Το άλλο, δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), έχει από καιρό αναλάβει υψηλότερο προφίλ από το RNA στη δημοφιλή κουλτούρα, στο μυαλό των περιστασιακών παρατηρητών και αλλού. Το RNA, ωστόσο, είναι το πιο ευέλικτο νουκλεϊκό οξύ. Παίρνει τις οδηγίες που λαμβάνει από το DNA και τις μετατρέπει σε μια ποικιλία συντονισμένων δραστηριοτήτων που εμπλέκονται στη σύνθεση πρωτεϊνών. Εξετάζοντας με αυτόν τον τρόπο, το DNA μπορεί να θεωρηθεί ως πρόεδρος ή καγκελάριος του οποίου η συμβολή καθορίζει τελικά τι συμβαίνει στο επίπεδο των καθημερινών εκδηλώσεων, λαμβάνοντας υπόψη ότι το RNA είναι ο στρατός των πιστών πολεμιστών και των εργαζομένων που κάνουν τις πραγματικές δουλειές και εμφανίζουν ένα ευρύ φάσμα εντυπωσιακών δεξιοτήτων επεξεργάζομαι, διαδικασία.

Το RNA, όπως το DNA, είναι ένα μακρομόριο (με άλλα λόγια, ένα μόριο με σχετικά μεγάλο αριθμό μεμονωμένων ατόμων, σε αντίθεση με, π.χ.

Η αδενίνη και η γουανίνη ταξινομούνται χημικά ως πουρίνες, ενώ η κυτοσίνη και η ουρακίλη ανήκουν στην κατηγορία των ουσιών που ονομάζονται πυριμιδίνες. Οι πουρίνες αποτελούνται κυρίως από έναν πενταμελή δακτύλιο ενωμένο σε έναν εξαμελή δακτύλιο, ενώ οι πυριμιδίνες είναι σημαντικά μικρότερες και έχουν μόνο έναν δακτύλιο έξι άνθρακα. Η αδενίνη και η γουανίνη έχουν πολύ παρόμοια δομή μεταξύ τους, όπως και η κυτοσίνη και η ουρακίλη.

Το σάκχαρο πεντόζης σε RNA είναι ριβόζη, που περιλαμβάνει ένα δακτύλιο με πέντε άτομα άνθρακα και ένα άτομο οξυγόνου. Η φωσφορική ομάδα συνδέεται με ένα άτομο άνθρακα στον δακτύλιο στη μία πλευρά του ατόμου οξυγόνου και η αζωτούχος βάση συνδέεται με το άτομο άνθρακα στην άλλη πλευρά του οξυγόνου. Η φωσφορική ομάδα συνδέεται επίσης με την ριβόζη στο γειτονικό νουκλεοτίδιο, έτσι το τμήμα ριβόζης και φωσφορικού ενός νουκλεοτιδίου συνθέτουν μαζί το "ραχοκοκαλιά" του RNA.

Οι αζωτούχες βάσεις μπορούν να θεωρηθούν ως το πιο κρίσιμο μέρος του RNA, επειδή είναι αυτές, σε ομάδες τριών σε γειτονικά νουκλεοτίδια, που έχουν υψίστης λειτουργικής σημασίας. Οι ομάδες τριών γειτονικών βάσεων σχηματίζουν μονάδες που ονομάζονται τριπλοί κωδικοί, ή κωδικόνια, που μεταφέρουν ειδικά σήματα στο μηχάνημα που ενώνει τις πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που συνδέονται στο πρώτο DNA και μετά στο RNA. Χωρίς αυτόν τον κώδικα να ερμηνευθεί ως έχει, η σειρά των νουκλεοτιδίων θα ήταν άσχετη, όπως θα περιγραφεί σύντομα.

Όταν άτομα με μικρό υπόβαθρο στη βιολογία ακούνε τον όρο "DNA", είναι πιθανό ότι ένα από τα πρώτα πράγματα που έρχεται στο μυαλό είναι η "διπλή έλικα". Το διακριτικό Η δομή του μορίου DNA διευκρινίστηκε από τους Watson, Crick, Franklin και άλλους το 1953, και μεταξύ των ευρημάτων της ομάδας ήταν ότι το DNA είναι διπλόκλωνο και ελικοειδές, στο συνηθισμένη μορφή. Το RNA, σε αντίθεση, είναι σχεδόν πάντα μονόκλωνο.

Επίσης, όπως υπονοούν τα ονόματα αυτών των αντίστοιχων μακρομορίων, το DNA περιέχει ένα διαφορετικό σάκχαρο ριβόζης. Αντί της ριβόζης, περιέχει δεοξυριβόζη, μια ένωση πανομοιότυπη με τη ριβόζη εκτός από το ότι έχει ένα άτομο υδρογόνου στη θέση μιας από τις υδροξυλο (-ΟΗ) ομάδες του.

Τέλος, ενώ οι πυριμιδίνες στο RNA είναι κυτοσίνη και ουρακίλη, στο DNA είναι κυτοσίνη και θυμίνη. Στα "σκαλοπάτια" της δίκλωνης DNA "σκάλα", η αδενίνη συνδέεται με και μόνο με θυμίνη, ενώ η κυτοσίνη δεσμεύεται με και μόνο με γουανίνη. (Μπορείτε να σκεφτείτε έναν αρχιτεκτονικό λόγο ότι οι βάσεις πουρίνης συνδέονται μόνο με βάσεις πυριμιδίνης στο κέντρο του DNA; Συμβουλή: οι "πλευρές" της σκάλας πρέπει να παραμένουν σε απόσταση μεταξύ τους.) Όταν μεταγράφεται το DNA και a δημιουργείται συμπληρωματικός κλώνος του RNA, το νουκλεοτίδιο που δημιουργείται απέναντι από την αδενίνη στο DNA είναι ουρακίλη, όχι θυμίνη. Αυτή η διάκριση βοηθά τη φύση να αποφύγει τη σύγχυση του DNA και του RNA σε κυτταρικά περιβάλλοντα στα οποία δεν υπάρχουν τα πράγματα μπορεί να προκύψουν από την ανεπιθύμητη συμπεριφορά εάν τα ένζυμα που λειτουργούν στο αντίστοιχο μόρια.

Ενώ μόνο το DNA είναι διπλόκλωνο, το RNA είναι πολύ πιο ικανό στο σχηματισμό περίπλοκων τρισδιάστατων δομών. Αυτό επέτρεψε την ανάπτυξη τριών βασικών μορφών RNA στα κύτταρα.

Το RNA διατίθεται σε τρεις βασικούς τύπους, αν και υπάρχουν επιπλέον, πολύ ασαφείς ποικιλίες.

Messenger RNA (mRNA): Τα μόρια mRNA περιέχουν την κωδικοποιητική αλληλουχία πρωτεϊνών. Τα μόρια mRNA ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό σε μήκος, με ευκαρυωτικά (ουσιαστικά, τα περισσότερα ζωντανά όντα που δεν είναι βακτήρια) συμπεριλαμβανομένου του μεγαλύτερου RNA που έχει ακόμη ανακαλυφθεί. Πολλά αντίγραφα υπερβαίνουν τις 100.000 βάσεις (100 kilobases ή kb) σε μήκος.

Μεταφορά RNA (tRNA): Το tRNA είναι ένα κοντό (περίπου 75 βάσεις) μόριο που μεταφέρει αμινοξέα και τα μετακινεί στην αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη κατά τη διάρκεια της μετάφρασης. Τα tRNAs πιστεύεται ότι έχουν μια κοινή τρισδιάστατη διάταξη που μοιάζει με ένα τριφύλλι στην ανάλυση ακτίνων Χ. Αυτό επιτυγχάνεται με τη δέσμευση συμπληρωματικών βάσεων όταν ένας κλώνος tRNA διπλώνεται πίσω στον εαυτό του, σαν την ταινία να κολλάει στον εαυτό της όταν φέρνετε κατά λάθος τις πλευρές μιας ταινίας μαζί.

Ριβοσωμικό RNA (rRNA): Τα μόρια rRNA αποτελούν το 65 έως 70 τοις εκατό της μάζας του οργανικού που ονομάζεται ριβόσωμα, η δομή που φιλοξενεί άμεσα τη μετάφραση ή τη σύνθεση πρωτεϊνών. Τα ριβοσώματα είναι πολύ μεγάλα από τα πρότυπα των κυττάρων. Τα βακτηριακά ριβοσώματα έχουν μοριακό βάρος περίπου 2,5 εκατομμυρίων, ενώ τα ευκαρυωτικά ριβοσώματα έχουν μοριακό βάρος περίπου ενάμισι φορές αυτό. (Για αναφορά, το μοριακό βάρος του άνθρακα είναι 12. κανένα μεμονωμένο στοιχείο κορυφής 300.)

Ένα ευκαρυωτικό ριβόσωμα, που ονομάζεται 40S, περιέχει ένα rRNA καθώς και περίπου 35 διαφορετικές πρωτεΐνες. Το ριβόσωμα 60S περιέχει τρία rRNA και περίπου 50 πρωτεΐνες. Τα ριβοσώματα είναι επομένως ένα άθλιο νουκλεϊκών οξέων (rRNA) και τα πρωτεϊνικά προϊόντα που άλλα νουκλεϊκά οξέα (mRNA) φέρουν τον κώδικα για να δημιουργήσουν.

Μέχρι πρόσφατα, οι μοριακοί βιολόγοι υπέθεσαν ότι το rRNA έπαιζε ως επί το πλείστον δομικό ρόλο. Ωστόσο, πιο πρόσφατες πληροφορίες δείχνουν ότι το rRNA στα ριβοσώματα δρα ως ένζυμο, ενώ οι πρωτεΐνες που το περιβάλλουν δρουν ως ικριώματα.

Η μεταγραφή είναι η διαδικασία σύνθεσης RNA από ένα πρότυπο DNA. Δεδομένου ότι το DNA είναι διπλόκλωνο και το RNA είναι μονόκλωνο, οι κλώνοι του DNA πρέπει να διαχωριστούν πριν να γίνει η μεταγραφή.

Κάποια ορολογία είναι χρήσιμη σε αυτό το σημείο. Ένα γονίδιο, το οποίο όλοι έχουν ακούσει, αλλά λίγοι ειδικοί μη βιολογίας μπορούν να ορίσουν επίσημα, είναι απλώς ένα τμήμα DNA που περιέχει και ένα μήτρα για σύνθεση RNA και αλληλουχίες νουκλεοτιδίων που επιτρέπουν την παραγωγή και τον έλεγχο της παραγωγής RNA από το εκμαγείο περιοχή. Όταν οι μηχανισμοί σύνθεσης πρωτεϊνών περιγράφηκαν για πρώτη φορά με ακρίβεια, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι κάθε γονίδιο αντιστοιχούσε σε ένα μόνο πρωτεϊνικό προϊόν. Όσο βολικό θα ήταν αυτό (και όσο νόημα έχει στην επιφάνεια), η ιδέα αποδείχθηκε λανθασμένη. Μερικά γονίδια δεν κωδικοποιούν καθόλου τις πρωτεΐνες, και σε ορισμένα ζώα, "εναλλακτικό μάτισμα" στο οποίο Το ίδιο γονίδιο μπορεί να ενεργοποιηθεί για την παραγωγή διαφορετικών πρωτεϊνών υπό διαφορετικές συνθήκες, φαίνεται να είναι κοινός.

Η μεταγραφή RNA παράγει ένα προϊόν που είναι συμπληρωματικός στο πρότυπο DNA. Αυτό σημαίνει ότι είναι μια κατοπτρική εικόνα των ειδών, και φυσικά θα αντιστοιχούσε σε οποιαδήποτε ακολουθία πανομοιότυπη με το πρότυπο χάρη στους συγκεκριμένους κανόνες βάσης-βάσης ζευγαρώματος που σημειώθηκαν προηγουμένως. Για παράδειγμα, η αλληλουχία DNA TACTGGT είναι συμπληρωματική της αλληλουχίας RNA AUGACCA, καθώς κάθε βάση στην πρώτη αλληλουχία μπορεί να αντιστοιχιστεί με την αντίστοιχη βάση στη δεύτερη ακολουθία (σημειώστε ότι το U εμφανίζεται στο RNA όπου θα εμφανιστεί το Τ DNA).

Η έναρξη της μεταγραφής είναι μια περίπλοκη αλλά τακτική διαδικασία. Τα βήματα περιλαμβάνουν:

1. Οι πρωτεΐνες του παράγοντα μεταγραφής δεσμεύονται σε έναν προαγωγέα "ανάντη" της αλληλουχίας που πρόκειται να μεταγραφεί.
2. RNA πολυμεράση (το ένζυμο που συγκροτεί νέο RNA) συνδέεται με το σύμπλοκο προαγωγού-πρωτεΐνης του DNA, το οποίο μοιάζει μάλλον με το διακόπτη ανάφλεξης σε ένα αυτοκίνητο.
3. Το πρόσφατα σχηματισμένο σύμπλοκο RNA πολυμεράσης / προαγωγού-πρωτεΐνης διαχωρίζει τους δύο συμπληρωματικούς κλώνους DNA.
4. Η πολυμεράση RNA αρχίζει να συνθέτει RNA, ένα νουκλεοτίδιο κάθε φορά.

Σε αντίθεση με την πολυμεράση DNA, η πολυμεράση RNA δεν χρειάζεται να "εκκινηθεί" από ένα δεύτερο ένζυμο. Η μεταγραφή απαιτεί μόνο δέσμευση της RNA πολυμεράσης στην περιοχή του υποκινητή.

Τα γονίδια στο DNA κωδικοποιούν μόρια πρωτεΐνης. Αυτοί είναι οι «στρατιώτες ποδιών» του κελιού, που εκτελούν τα καθήκοντα που απαιτούνται για τη διατήρηση της ζωής. Μπορεί να σκεφτείτε κρέας ή μυς ή ένα υγιές κούνημα όταν σκέφτεστε μια πρωτεΐνη, αλλά οι περισσότερες πρωτεΐνες πετούν κάτω από το ραντάρ της καθημερινής σας ζωής. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες - μόρια που βοηθούν στη διάσπαση των θρεπτικών ουσιών, στη δημιουργία νέων κυτταρικών συστατικών, στη συγκέντρωση νουκλεϊκών οξέων (π.χ., πολυμεράση DNA) και στη δημιουργία αντιγράφων του DNA κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.

"Γονιδιακή έκφραση" σημαίνει την παραγωγή της αντίστοιχης πρωτεΐνης του γονιδίου, εάν υπάρχει, και αυτή η περίπλοκη διαδικασία έχει δύο κύρια στάδια. Το πρώτο είναι η μεταγραφή, που αναλύθηκε προηγουμένως. Στη μετάφραση, τα νέα μόρια mRNA εξέρχονται από τον πυρήνα και μεταναστεύουν στο κυτόπλασμα, όπου βρίσκονται τα ριβοσώματα. (Σε προκαρυωτικούς οργανισμούς, τα ριβοσώματα μπορούν να προσκολληθούν στο mRNA ενώ η μεταγραφή είναι ακόμη σε εξέλιξη.)

Τα ριβοσώματα αποτελούνται από δύο ξεχωριστά τμήματα: τη μεγάλη υπομονάδα και τη μικρή υπομονάδα. Κάθε υπομονάδα διαχωρίζεται συνήθως στο κυτταρόπλασμα, αλλά συγκεντρώνονται σε ένα μοριακό mRNA. Οι υπομονάδες περιέχουν λίγο σχεδόν όλα όσα έχουν ήδη αναφερθεί: πρωτεΐνες, rRNA και tRNA. Τα μόρια tRNA είναι προσαρμοσμένα μόρια: Το ένα άκρο μπορεί να διαβάσει τον τριπλό κώδικα στο mRNA (για παράδειγμα, UAG ή CGC) μέσω συμπληρωματικής σύζευξης βάσης και το άλλο άκρο προσκολλάται σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Κάθε κωδικός τριάδας είναι υπεύθυνος για ένα από τα περίπου 20 αμινοξέα που συνθέτουν όλες τις πρωτεΐνες. ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούνται από πολλαπλές τριπλέτες (κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς είναι πιθανά 64 τρίδυμα - τέσσερις βάσεις υψώθηκαν στην τρίτη δύναμη επειδή κάθε τρίδυμο έχει τρεις βάσεις - και μόνο 20 αμινοξέα είναι απαιτείται). Στο ριβόσωμα, τα σύμπλοκα mRNA και αμινοακυλ-tRNA (τεμάχια tRNA που κλείνουν ένα αμινοξύ) διατηρούνται πολύ κοντά μεταξύ τους, διευκολύνοντας τη σύζευξη βάσεων. Το rRNA καταλύει τη σύνδεση κάθε επιπρόσθετου αμινοξέος στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα, η οποία γίνεται πολυπεπτίδιο και τελικά μια πρωτεΐνη.

Ως αποτέλεσμα της ικανότητάς του να τακτοποιείται σε πολύπλοκα σχήματα, το RNA μπορεί να ενεργήσει ασθενώς ως ένζυμο. Επειδή το RNA μπορεί να αποθηκεύσει γενετικές πληροφορίες και να καταλύσει αντιδράσεις, ορισμένοι επιστήμονες έχουν προτείνει έναν σημαντικό ρόλο για το RNA στο προέλευση της ζωής, που ονομάζεται «ο κόσμος RNA». Αυτή η υπόθεση υποστηρίζει ότι, πολύ πίσω στην ιστορία της Γης, τα μόρια RNA έπαιξαν όλα Οι ίδιοι ρόλοι των μορίων πρωτεΐνης και νουκλεϊκού οξέος παίζουν σήμερα, κάτι που θα ήταν αδύνατο τώρα, αλλά θα μπορούσε να ήταν δυνατό σε ένα προ-βιοτικός κόσμος. Εάν το RNA ενεργούσε τόσο ως δομή αποθήκευσης πληροφοριών όσο και ως πηγή της καταλυτικής δραστηριότητας που απαιτείται για βασικές μεταβολικές αντιδράσεις, μπορεί να έχει προηγούμενο DNA στις πρώτες μορφές του (παρόλο που τώρα κατασκευάζεται από DNA) και χρησιμεύει ως πλατφόρμα για την εκτόξευση "οργανισμών" που είναι πραγματικά αυτο-αναπαραγωγή.