MRNA: määratlus, funktsioon ja struktuur

RNA ehk ribonukleiinhape on üks kahest looduses leiduvast nukleiinhappest. Teine, deoksüribonukleiinhape (DNA), on fantaasias kindlasti rohkem fikseeritud. Isegi vähese teadushuviga inimestel on aimdus, et DNA on ühe omaduse edasiandmisel ülioluline põlvkonnalt järgmisele ja et iga inimese DNA on ainulaadne (ja seepärast on see halb mõte kuriteo juurest lahkuda stseen). Kuid kogu DNA tuntuse seisukohalt on RNA mitmekülgsem molekul, millel on kolm peamist vormi: messenger RNA (mRNA), ribosomaalne RNA (rRNA) ja transfer RNA (tRNA).

MRNA töö sõltub suuresti kahest teisest tüübist ja mRNA asub täpselt molekulaarbioloogia nn keskse dogma keskmes (DNA sünnitab RNA, mis omakorda sünnitab valke).

DNA ja RNA on nukleiinhapped, mis tähendab, et need on polümeermakromolekulid, mille monomeerseid koostisosi nimetatakse nukleotiidideks. Nukleotiidid koosnevad kolmest erinevast osast: pentoosisuhkur, fosfaatrühm ja lämmastikalus, mis on valitud nelja valiku hulgast. Pentoosisuhkur on suhkur, mis sisaldab viie aatomi tsüklilist struktuuri.

Kolm suurt erinevust eristavad DNA-d RNA-st. Esiteks on RNA-s nukleotiidi suhkruosa riboos, samas kui DNA-s on see desoksüriboos, mis on lihtsalt riboos hüdroksüül (-OH) rühmaga, mis on eemaldatud ühest viie aatomiga tsükli süsinikust ja asendatud vesiniku aatomiga (-H). Seega on DNA suhkruosa vaid üks hapniku aatom vähem massiivne kui RNA, kuid RNA on ühe ekstra -OH rühma tõttu palju keemiliselt reaktiivsem molekul kui DNA. Teiseks on DNA üsna kuulsalt kaheahelaline ja keritakse spiraalsesse kuju kõige stabiilsemast. RNA on seevastu üheahelaline. Ja kolmandaks, kui DNA-s ja RNA-s on mõlemal lämmastikalused adeniin (A), tsütosiin (C) ja guaniin (G), on DNA-s neljas selline alus tümiin (T), samas kui RNA-s on see uratsiil (U).

Kuna DNA on kaheahelaline, on teadlased alates 1900. aastate keskpaigast teadnud, et need lämmastikuga alused paaristuvad ainult ühe muu alusega; Paar T-ga ja C paar G-ga. Lisaks klassifitseeritakse A ja G keemiliselt puriinideks, C ja T aga pürimidiinideks. Kuna puriinid on oluliselt suuremad kui pürimidiinid, oleks A-G paaritus liiga mahukas, samas kui C-T paaritus oleks ebatavaliselt alamõõduline; mõlemad need olukorrad oleksid häirivad kaheahelalises DNA kahes ahelas, mis oleksid kahe ahela kõigis punktides üksteisest sama kaugel.

Selle paariskeemi tõttu nimetatakse kahte DNA ahelat "komplementaarseks" ja ühe järjestust saab ennustada, kui teine ​​on teada. Näiteks kui DNA ahelas olevast kümnest nukleotiidist koosneval stringil on alusjärjestus AAGCGTATTG, on komplementaarsel DNA ahelal alusjärjestus TTCGCATAAC. Kuna RNA sünteesitakse DNA matriitsist, mõjutab see ka transkriptsiooni.

mRNA on ribonukleiinhappe kõige "DNA-laadne" vorm, kuna selle ülesanne on suures osas sama: edastada teavet geenides kodeeritud hoolikalt korrastatud lämmastikaluste kujul raku masinale, mis koguneb valgud. Kuid eksisteerib ka erinevaid elutähtsaid RNA tüüpe.

DNA kolmemõõtmeline struktuur selgitati välja 1953. aastal, pälvides James Watsonile ja Francis Crickile Nobeli preemia. Kuid aastaid hiljem püsis RNA struktuur raskesti vaatamata mõnede samade DNA ekspertide püüdlustele seda kirjeldada. 1960. aastatel selgus, et kuigi RNA on üheahelaline, on selle sekundaarne struktuur - see tähendab järjestuse suhe nukleotiidide vahel, kui RNA läbib ruumi - tähendab, et RNA pikkused võivad end ise sisse sama ahela alused, mis seovad üksteisega ühtemoodi, võib kleeplindi pikkus jääda endale külge, kui lubate veidrus. See on aluseks tRNA ristitaolisele struktuurile, mis hõlmab kolme 180-kraadist paindumist, mis loovad molekulis tupiktännakute molekulaarse ekvivalendi.

rRNA on mõnevõrra erinev. Kogu rRNA pärineb umbes 13 000 nukleotiidi pikkuse rRNA-ahela ühest koletisest. Pärast mitmeid keemilisi modifikatsioone lõhustatakse see ahel kaheks ebavõrdseks alaühikuks, millest üks nimetatakse 18S ja teine ​​märgistusega 28S. ("S" tähistab "Svedbergi ühikut", mida bioloogid kasutavad makromolekulide massi kaudseks hindamiseks.) 18S osa on ühendatud sellega, mis on nimetatakse väikeseks ribosomaalseks subühikuks (mis on valmis siis, kui see on tegelikult 30S) ja 28S osa annab panuse suurde allüksusesse (mille kogu suurus on 50S); kõik ribosoomid sisaldavad ühte igast subühikust koos hulga valkudega (mitte nukleiinhapetega, mis muudavad valgud ise võimalikuks), et tagada ribosoomide struktuurne terviklikkus.

DNA ja RNA ahelatel on mõlemal nn 3 'ja 5' ("kolme peaministri" ja "viie peaministri") ots, tuginedes ahela suhkruportsjonile kinnitatud molekulide asenditele. Igas nukleotiidis on fosfaatrühm seotud selle tsüklis 5 'tähistatud süsinikuaatomiga, samas kui 3'-süsinikul on hüdroksüül (-OH) rühm. Kui kasvavale nukleiinhappeahelale lisatakse nukleotiid, toimub see alati olemasoleva ahela 3'-otsas. See tähendab, et uue nukleotiidi 5'-otsas olev fosfaatrühm on enne selle sidumise ühendamist hüdroksüülrühma sisaldava 3'-süsinikuga ühendatud. -OH asendatakse nukleotiidiga, mis kaotab oma fosfaatrühmast prootoni (H); seega H molekul₂Selles protsessis kaob O ehk vesi keskkonnale, mistõttu RNA süntees on dehüdratsiooni sünteesi näide.

Transkriptsioon on protsess, kus mRNA sünteesitakse DNA matriitsist. Põhimõtteliselt, arvestades seda, mida nüüd teate, saate hõlpsasti ette kujutada, kuidas see juhtub. DNA on kaheahelaline, seega võib iga ahel olla matriitsiks üheahelalise RNA jaoks; need kaks uut RNA ahelat, lähtudes spetsiifilise baaside paaristamise võludest, on üksteist täiendavad, mitte et nad omavahel kokku liimiksid. RNA transkriptsioon on väga sarnane DNA replikatsiooniga selles osas, et kehtivad samad aluse paaristamise reeglid, kusjuures U võtab R-is T koha. Pange tähele, et see asendus on ühesuunaline nähtus: DNA DNA-s kodeerib RNA-s endiselt A-d, kuid A-s DNA-s RNA-s U-d.

Transkriptsiooni toimumiseks peab DNA topeltheeliks keerduma, mida ta teeb spetsiifiliste ensüümide juhtimisel. (See võtab uuesti oma õige spiraalse konformatsiooni.) Pärast seda juhtub signaaliks spetsiifiline järjestus, mida sobivalt nimetatakse promootorjärjestuseks, kus transkriptsioon peab algama piki molekuli. See kutsub molekulaarsesse stseeni ensüümi nimega RNA polümeraas, mis on selleks ajaks osa promootorikompleksist. Kõik see toimub omamoodi biokeemilise tõrkekindla mehhanismina, mis hoiab RNA sünteesi alguse DNA valest kohast ja tekitab seeläbi ebaseadusliku koodi sisaldava RNA ahela. RNA polümeraas "loeb" promootorjärjestusest algava DNA ahela ja liigub piki DNA ahelat, lisades RNA 3 'otsa nukleotiide. Pidage meeles, et RNA ja DNA ahelad on komplementaarsuse tõttu ka antiparalleelsed. See tähendab, et kui RNA kasvab 3 'suunas, liigub see DNA 5' otsas piki DNA ahelat. See on üliõpilaste jaoks väike, kuid sageli segadust tekitav punkt, seega võiksite kasutada diagrammi, et olla kindel, et mõistate mRNA sünteesi mehaanikat.

Ühe nukleotiidi fosfaatrühmade ja järgmise suhkrurühma vahel tekkinud sidemeid nimetatakse fosfodiesteri sidemed (hääldatakse "phos-pho-die-es-ter", mitte "phos-pho-dee-ster", kuna see võib olla ahvatlev eeldada).

Ensüümi RNA polümeraasi esineb mitmel kujul, kuigi bakterid hõlmavad ainult ühte tüüpi. See on suur ensüüm, mis koosneb neljast valgu alaühikust: alfa (α), beeta (β), beeta-prime (β ′) ja sigma (σ). Kombineerituna on nende molekulmass umbes 420 000 daltonit. (Võrdluseks: ühe süsiniku aatomi molekulmass on 12; üks veemolekul, 18; ja terve glükoosimolekul, 180.) Ensüüm, mida nimetatakse holoensüümiks, kui kõik neli alaühikut asuvad kohal, vastutab DNA promootorjärjestuste äratundmise ja kahe DNA lahutamise eest kiud. RNA polümeraas liigub piki transkribeeritavat geeni, kui see lisab kasvavale RNA segmendile nukleotiide, seda protsessi nimetatakse pikenemiseks. Nagu ka paljud rakkudes, vajab see protsess energiaallikana adenosiintrifosfaati (ATP). ATP pole tegelikult midagi muud kui adeniini sisaldav nukleotiid, millel on ühe asemel kolm fosfaati.

Transkriptsioon lõpeb, kui liikuv RNA polümeraas kohtab DNA-s järjestust. Nii nagu promootorjärjestust võib vaadelda kui valgusfoori rohelise tule ekvivalenti, on lõppjärjestus punase tule või stoppmärgi analoog.

Kui konkreetse valgu kohta informatsiooni kandev mRNA molekul - see tähendab geenile vastav mRNA tükk - on täielik, on see tuleb veel töödelda, enne kui ta on valmis tegema oma tööd, toimetades keemilise projekti ribosoomidesse, kus valgusüntees kestab koht. Eukarüootsetes organismides migreerub see ka tuumast välja (prokarüootidel pole tuuma).

Kriitiliselt kannavad lämmastikalused geneetilist teavet kolmekesi, mida nimetatakse triplettkodoniteks. Igal koodonil on juhised konkreetse aminohappe lisamiseks kasvavale valgule. Nii nagu nukleotiidid on nukleiinhapete monomeerühikud, on ka aminohapped valkude monomeerid. Kuna RNA sisaldab nelja erinevat nukleotiidi (olemasolevate nelja erineva aluse tõttu) ja koodon koosneb kolmest järjestikusest nukleotiidist, on saadaval kokku 64 tripleti koodonit (4³ = 64). See tähendab, et alustades AAA-st, AAC-st, AAG-st, AAU-st ja töötades kuni UUU-ni, on 64 kombinatsiooni. Inimesed kasutavad aga ainult 20 aminohapet. Selle tulemusel öeldakse, et kolmikukood on üleliigne: enamasti kodeerivad sama aminohapet mitu kolmikut. Pöördarv ei ole tõsi - see tähendab, et sama kolmik ei saa kodeerida rohkem kui ühte aminohapet. Tõenäoliselt võite ette kujutada biokeemilist kaost, mis tekiks muidu. Tegelikult on aminohapetel leutsiinil, arginiinil ja seriinil mõlemal kuus kolmikut, mis vastavad neile. Kolm erinevat koodonit on STOP-koodonid, sarnased DNA-s sisalduvate transkriptsiooni lõpetamise järjestustega.

Tõlkimine ise on väga koostööaldis protsess, mis toob kokku kõik laiendatud RNA perekonna liikmed. Kuna see esineb ribosoomidel, hõlmab see ilmselgelt rRNA kasutamist. TRNA molekulid, mida varem kirjeldati väikeste ristidena, vastutavad üksikute aminohapete kandmise eest tõlkekoht ribosoomil, kusjuures iga aminohape on kärbitud oma spetsiifilise tRNA kaubamärgi järgi eskort. Sarnaselt transkriptsiooniga on ka translatsioonil initsieerimis-, pikenemis- ja lõppfaasid ning valgu molekuli sünteesi lõpus valk vabaneb ribosoomist ja pakitakse Golgi kehadesse mujal kasutamiseks ning ribosoom ise dissotsieerub oma komponendiks allüksused.