Πώς αφήνει το mRNA τον πυρήνα;

Το συχνά αναφερόμενο «κεντρικό δόγμα του ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ"καταγράφεται στο απλό σχήμα DNA έως RNA σε πρωτεΐνη. Ελαφρώς διευρυμένη, αυτό σημαίνει ότι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, το οποίο είναι το γενετικό υλικό στον πυρήνα των κυττάρων σας, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενός παρόμοιου μορίου που ονομάζεται RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) σε μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή. Αφού γίνει αυτό, το RNA χρησιμοποιείται για να κατευθύνει τη σύνθεση πρωτεϊνών αλλού στο κύτταρο σε μια διαδικασία που ονομάζεται μετάφραση.

Κάθε οργανισμός είναι το άθροισμα των πρωτεϊνών που παράγει, και σε όλα όσα ζουν σήμερα και είναι γνωστά έχουν ζήσει, οι πληροφορίες για την παραγωγή αυτών των πρωτεϊνών αποθηκεύονται και μόνο σε αυτόν τον οργανισμό DNA. Το DNA σας είναι αυτό που σας κάνει αυτό που είστε και είναι αυτό που μεταβιβάζετε σε παιδιά που μπορεί να έχετε.

Σε ευκαρυωτικός οργανισμοί, αφού ολοκληρωθεί το πρώτο βήμα της μεταγραφής, το νέο συνθετικό αγγελιοφόρο RNA (mRNA) πρέπει να βρει τον δρόμο του έξω από τον πυρήνα στο κυτόπλασμα όπου πραγματοποιείται μετάφραση. (Σε προκαρυώτες, που δεν έχουν πυρήνες, αυτό δεν συμβαίνει.) Επειδή η μεμβράνη πλάσματος που περιβάλλει τα περιεχόμενα του πυρήνα μπορεί να είναι επιλεκτική, αυτή η διαδικασία απαιτεί ενεργή είσοδο από το ίδιο το κύτταρο.

Δύο νουκλεϊκά οξέα υπάρχουν στη φύση, το DNA και το RNA. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι μακρομόρια καθώς αποτελούνται από πολύ μεγάλες αλυσίδες επαναλαμβανόμενων υπομονάδων ή μονομερών, που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Νουκλεοτίδια αποτελούνται από τρία διαφορετικά χημικά συστατικά: ένα σάκχαρο πέντε-άνθρακα, μία έως τρεις ομάδες φωσφορικών και μία από τις τέσσερις βάσεις πλούσιες σε άζωτο (αζωτούχα).

Στο DNA, το συστατικό του σακχάρου είναι δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA είναι ριβόζη. Αυτά τα σάκχαρα διαφέρουν μόνο στο ότι η ριβόζη φέρει μια ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ) συνδεδεμένη με έναν άνθρακα έξω από τον πενταμελή δακτύλιο όπου η δεοξυριβόζη φέρει μόνο ένα άτομο υδρογόνου (-Η).

Οι τέσσερις δυνατοί αζωτούχες βάσεις στο DNA είναι έναdenine (A), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ). Το RNA έχει τα πρώτα τρία, αλλά περιλαμβάνει ουρακίλη (U) στη θέση της θυμίνης. Το DNA είναι διπλόκλωνο, με τους δύο κλώνους να συνδέονται στις αζωτούχες βάσεις τους. Ένα πάντοτε ζευγαρώνει με το Τ και το C πάντοτε ζεύγη με το G. Οι ομάδες ζάχαρης και φωσφορικών δημιουργούν τη ραχοκοκαλιά "κάθε λεγόμενου συμπληρωματικό σκέλος. Ο σχηματισμός που προκύπτει είναι μια διπλή έλικα, του οποίου το σχήμα ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1950.

• Στο DNA και το RNA, κάθε νουκλεοτίδιο περιέχει μια απλή φωσφορική ομάδα, αλλά τα ελεύθερα νουκλεοτίδια έχουν συχνά δύο (π.χ. ADP ή διφωσφορική αδενοσίνη) ή τρία (π.χ. ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη).

Η μεταγραφή είναι η σύνθεση ενός μορίου RNA που ονομάζεται messenger RNA (mRNA), από έναν από τους συμπληρωματικούς κλώνους ενός μορίου DNA. Υπάρχουν και άλλοι τύποι RNA, το πιο συνηθισμένο ον tRNA (μεταφορά RNA) και ριβοσωμικό RNA (rRNA), και οι δύο παίζουν κρίσιμο ρόλο στη μετάφραση στο ριβόσωμα.

Ο σκοπός του mRNA είναι να δημιουργήσει ένα κινητό, κωδικοποιημένο σύνολο οδηγιών για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Ένα μήκος DNA που περιλαμβάνει το «σχεδιάγραμμα» για ένα προϊόν πρωτεΐνης ονομάζεται γονίδιο. Κάθε ακολουθία τριών νουκλεοτιδίων φέρει τις οδηγίες για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου αμινοξέος, με αμινο οξέα που είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών με τον ίδιο τρόπο τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία των νουκλεϊκών οξέα.

Υπάρχουν 20 αμινοξέα συνολικά, επιτρέποντας έναν ουσιαστικά απεριόριστο αριθμό συνδυασμών και συνεπώς πρωτεϊνικών προϊόντων.

Η μεταγραφή εμφανίζεται στο πυρήνας, κατά μήκος ενός κλώνου DNA που έχει αποσυνδεθεί από τον συμπληρωματικό κλώνο του για σκοπούς μεταγραφής. Τα ένζυμα προσκολλούνται στο μόριο DNA στην αρχή του γονιδίου, ιδίως στην πολυμεράση RNA. Το mRNA που συντίθεται είναι συμπληρωματικό του κλώνου DNA που χρησιμοποιείται ως πρότυπο, και έτσι μοιάζει με τον κλώνο προτύπου δικό του συμπληρωματικό κλώνο DNA εκτός από το ότι το U εμφανίζεται στο mRNA όπου θα εμφανιζόταν το Τ ήταν το αναπτυσσόμενο μόριο DNA αντι αυτου.

Αφού συντεθούν μόρια mRNA στη θέση μεταγραφής, πρέπει να κάνουν το ταξίδι τους στις θέσεις μετάφρασης, τα ριβοσώματα. Ριβοσώματα εμφανίζονται και τα δύο ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων και προσκολλώνται σε ένα μεμβρανώδες οργανίδιο που ονομάζεται ενδοπλασματικό δίκτυο, και τα δύο βρίσκονται έξω από τον πυρήνα.

Προτού το mRNA περάσει από τη διπλή μεμβράνη πλάσματος που αποτελεί το πυρηνικό περίβλημα (ή την πυρηνική μεμβράνη), πρέπει να φτάσει στη μεμβράνη με κάποιο τρόπο. Αυτό συμβαίνει με τη δέσμευση των νέων μορίων mRNA στη μεταφορά πρωτεϊνών.

Προτού τα προκύπτοντα σύμπλοκα mRNA-πρωτεΐνης (mRNP) μετακινηθούν στην άκρη, αναμιγνύονται πλήρως μέσα στην ουσία του πυρήνα, έτσι ώστε αυτά τα σύμπλοκα mRNP που συμβαίνουν να σχηματίζονται κοντά στην άκρη του πυρήνα δεν έχουν καλύτερη πιθανότητα να βγουν από τον πυρήνα σε δεδομένο χρόνο μετά το σχηματισμό από ό, τι οι διαδικασίες mRNP κοντά στο εσωτερικό.

Όταν τα σύμπλοκα mRNP συναντούν περιοχές του πυρήνα βαρύ στο DNA, οι οποίες σε αυτό το περιβάλλον υπάρχει ως χρωματίνη (δηλαδή, το DNA που συνδέεται με τις δομικές πρωτεΐνες), μπορεί να σταματήσει, όπως ένα φορτηγό που παραμένει φορτωμένο σε βαρύ λάσπη. Αυτή η διακοπή μπορεί να ξεπεραστεί με την είσοδο ενέργειας με τη μορφή ATP, η οποία προκαλεί το φραγμένο mRNP προς την κατεύθυνση της άκρης του πυρήνα.

Ο πυρήνας πρέπει να προστατεύει το σημαντικότατο γενετικό υλικό του κυττάρου, αλλά πρέπει επίσης να έχει ένα μέσο ανταλλαγής πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων με το κυτταρόπλασμα των κυττάρων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω "πύλες" που αποτελούνται από πρωτεΐνες και είναι γνωστές ως πυρηνικά σύμπλοκα πόρων (NPC). Αυτά τα σύμπλοκα έχουν πόρο που διατρέχει τη διπλή μεμβράνη του πυρηνικού περιβλήματος και μια σειρά από διαφορετικές δομές και στις δύο πλευρές αυτής της «πύλης».

Το NPC είναι τεράστιο από μοριακά πρότυπα. Στα ανθρώπινα όντα, έχει μοριακή μάζα 125 εκατομμυρίων Daltons. Αντιθέτως, ένα μόριο γλυκόζης έχει μοριακή μάζα 180 Daltons, καθιστώντας το περίπου 700.000 φορές μικρότερο από το σύμπλοκο NPC. Τόσο η μεταφορά νουκλεϊκού οξέος όσο και η πρωτεΐνη στον πυρήνα και η κίνηση αυτών των μορίων από τον πυρήνα συμβαίνουν μέσω του NPC.

Από την κυτταροπλαστική πλευρά, το NPC έχει αυτό που ονομάζεται κυτταροπλασματικός δακτύλιος καθώς και κυτταροπλασματικά νήματα, και τα δύο χρησιμεύουν για να βοηθήσουν στην αγκύρωση του NPC στη θέση του στην πυρηνική μεμβράνη. Στην πυρηνική πλευρά του NPC υπάρχει ένας πυρηνικός δακτύλιος, ανάλογος με τον κυτταροπλασματικό δακτύλιο στην αντίθετη πλευρά, καθώς και ένα πυρηνικό καλάθι.

Μια ποικιλία μεμονωμένων πρωτεϊνών συμμετέχει στην κίνηση του mRNA και σε μια διαφορετική ποικιλία άλλων μοριακά φορτία έξω από τον πυρήνα, με το ίδιο ισχύει για τη μετακίνηση ουσιών στο πυρήνας.

Το mRNA δεν ξεκινά την πραγματική του δουλειά μέχρι να φτάσει σε ριβόσωμα. Κάθε ριβόσωμα στο κυτταρόπλασμα ή προσκολλάται ενδοπλασματικό πρόγραμμα αποτελείται από μια μεγάλη και μια μικρή υπομονάδα. Αυτά ενώνονται μόνο όταν το ριβόσωμα είναι ενεργό στη μεταγραφή.

Όταν ένα μόριο mRNA προσκολλάται σε ένα μετάφραση τοποθεσία κατά μήκος του ριβοσώματος, συνδέεται με ένα συγκεκριμένο είδος tRNA που μεταφέρει ένα συγκεκριμένο αμινοξύ (Υπάρχουν επομένως 20 διαφορετικές γεύσεις του tRNA, μία για κάθε αμινοξύ). Αυτό συμβαίνει επειδή το tRNA μπορεί να "διαβάσει" την αλληλουχία τριών νουκλεοτιδίων στο εκτεθειμένο mRNA που αντιστοιχεί σε ένα δεδομένο αμινοξύ.

Όταν το tRNA και το mRNA "ταιριάζουν", το tRNA απελευθερώνει το αμινοξύ του, το οποίο προστίθεται στο τέλος της αναπτυσσόμενης αλυσίδας αμινοξέων που προορίζεται να γίνει πρωτεΐνη. Αυτό πολυπεπτίδιο φτάνει το καθορισμένο μήκος του όταν το μόριο mRNA διαβάζεται στο σύνολό του, και το πολυπεπτίδιο απελευθερώνεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία σε μια καλή τη πρωτεΐνη.