Mis on ribonukleiinhape?

Ribonukleiinhape ehk RNA on üks kahest nukleiinhapetüübist, mida leidub elus Maal. Teine, deoksüribonukleiinhape (DNA), on popkultuuris juba pikka aega võtnud kõrgema profiili kui RNA, nii juhuslike vaatlejate teadvuses kui ka mujal. RNA on aga mitmekülgsem nukleiinhape; see võtab DNA-lt saadud juhised ja muudab need mitmesugusteks valkude sünteesiga seotud koordineeritud tegevusteks. Sel viisil vaadates võib DNA-d pidada presidendiks või kantsleriks, kelle panus määrab lõpuks igapäevaste sündmuste tasandil toimuva, arvestades, et RNA on lojaalsete jalaväelaste ja jõmpsikute armee, kes saavad tegelikud tööd tehtud ja omavad mitmesuguseid muljetavaldavaid oskusi protsess.

RNA, nagu DNA, on makromolekul (teisisõnu, molekul, millel on suhteliselt palju üksikuid aatomeid, erinevalt näiteks CO₂ või H₂O) koosneb polümeerist või korduvate keemiliste elementide ahelast. Selles ahelas olevaid "linke" või vormisemalt polümeeri moodustavaid monomeere nimetatakse nukleotiidideks. Üks nukleotiid koosneb omakorda kolmest erinevast keemilisest piirkonnast või osast: pentoossuhkrust, fosfaatrühmast ja lämmastikalusest. Lämmastikulised alused võivad olla üks neljast erinevast alusest: adeniin (A), tsütosiin (C), guaniin (G) ja uratsiil (U).

Adeniin ja guaniin on keemiliselt klassifitseeritud puriinid, kusjuures tsütosiin ja uratsiil kuuluvad nn ainete kategooriasse pürimidiinid. Puriinid koosnevad peamiselt viieliikmelisest rõngast, mis on ühendatud kuueliikmeliste rõngastega, pürimidiinid on aga tunduvalt väiksemad ja neil on ainult kuue süsinikuga tsükkel. Adeniin ja guaniin on üksteise struktuurilt väga sarnased, nagu ka tsütosiin ja uratsiil.

RNA-s olev pentoosisuhkur on riboos, mis sisaldab viie süsinikuaatomiga ja ühe hapnikuaatomiga ringi. Fosfaatrühm on seotud hapniku aatomi ühel küljel oleva tsükli süsinikuaatomiga ja lämmastikuga seotud alus hapniku teisel küljel oleva süsinikuaatomiga. Fosfaatrühm seondub ka külgneva nukleotiidi riboosiga, seega moodustavad nukleotiidi riboos ja fosfaatosa koos RNA "selgroo".

Lämmastikulisi aluseid võib pidada RNA kõige kriitilisemaks osaks, sest just neil, külgnevate nukleotiidide kolmekordsetes rühmades, on ülim funktsionaalne tähtsus. Kolme külgneva aluse rühmad moodustavad nn kolmikud koodidvõi koodonid, mis kannavad spetsiaalseid signaale masinale, mis ühendab valke, kasutades kõigepealt DNA-sse ja seejärel RNA-sse ühendatud teavet. Ilma selle koodi sellisena tõlgendamiseta poleks nukleotiidide järjestus asjakohane, nagu seda lähiajal kirjeldatakse.

Kui vähese bioloogilise taustaga inimesed kuulevad mõistet "DNA", on tõenäoline, et üks esimesi asju, mis meelde tuleb, on "topeltheeliks". Eristusvõime DNA molekuli struktuuri selgitasid Watson, Crick, Franklin jt 1953. aastal ning meeskonna järelduste hulgas oli see, et DNA on kaheahelaline ja spiraalne tavaline vorm. RNA on seevastu praktiliselt alati üheahelaline.

Nagu nende vastavate makromolekulide nimed annavad mõista, sisaldab DNA teistsugust riboossuhkrut. Riboosi asemel sisaldab see deoksüriboosi, ühendit, mis on identne riboosiga, välja arvatud juhul, kui ühe selle hüdroksüül (-OH) rühma asemel on vesinikuaatom.

Lõpuks, kui RNA-s olevad pürimidiinid on tsütosiin ja uratsiil, siis DNA-s on need tsütosiin ja tümiin. Kaheahelalise DNA "redeli" astmetes "seondub adeniin tümiiniga ja ainult tümiiniga, tsütosiin aga ainult guaniiniga. (Kas suudate mõelda arhitektuurilisele põhjusele, et puriinalused seonduvad ainult pürimidiinalustega üle DNA keskpunkti? Vihje: redeli "küljed" peavad jääma üksteisest fikseeritud kaugusele.) Kui DNA transkribeeritakse ja a luuakse RNA komplementaarne ahel, DNA adeniinist pärinev nukleotiid on uratsiil, mitte tümiin. See eristamine aitab loodusel vältida DNA ja RNA segiajamist rakukeskkonnas, kus see on ebasoovitav asjad võivad tuleneda soovimatust käitumisest, kui ensüümid, mis toimivad vastavatel molekulid.

Kuigi ainult DNA on kaheahelaline, on RNA keerukamate kolmemõõtmeliste struktuuride moodustamisel palju osavam. See on võimaldanud rakkudes arendada kolme olulist RNA vormi.

RNA-d on kolmes põhitüübis, ehkki on olemas ka täiendavaid väga ebaselgeid sorte.

Messenger RNA (mRNA): mRNA molekulid sisaldavad valke kodeerivat järjestust. MRNA molekulide pikkus on väga erinev, eukarüootide (sisuliselt enamuse elusolendite, mis ei ole bakterid) hulgas on suurim seni avastatud RNA. Paljude ärakirjade pikkus ületab 100 000 alust (100 kilobaasi või kb).

Transfer RNA (tRNA): tRNA on lühike (umbes 75 alust) molekul, mis transpordib aminohappeid ja teisaldab need translatsiooni käigus kasvavasse valku. Usutakse, et tRNA-del on ühine kolmemõõtmeline paigutus, mis röntgenanalüüsil näeb välja nagu ristikuleht. Selle põhjustab komplementaarsete aluste seondumine, kui tRNA ahel voldib end tagasi, umbes nagu kleeplint, mis kleepub iseenda külge, kui juhuslikult selle riba küljed kokku viia.

Ribosomaalne RNA (rRNA): rRNA molekulid moodustavad 65 kuni 70 protsenti organelli, mida nimetatakse ribosoom, otseselt translatsiooni või valgusünteesi võõrustav struktuur. Ribosoomid on raku standardite järgi väga suured. Bakteriaalsete ribosoomide molekulmass on umbes 2,5 miljonit, eukarüootsete ribosoomide molekulmass on umbes poolteist korda suurem. (Võrdluseks on süsiniku molekulmass 12; ükski element ei ületa 300.)

Üks eukarüootne ribosoom, nimega 40S, sisaldab ühte rRNA-d ja umbes 35 erinevat valku. 60S ribosoom sisaldab kolme rRNA-d ja umbes 50 valku. Ribosoomid on seega nukleiinhapete (rRNA) ja valguproduktide segadus, mille loomiseks kannavad koodi teised nukleiinhapped (mRNA).

Alles hiljuti eeldasid molekulaarbioloogid, et rRNA täidab peamiselt struktuurilist rolli. Värskem teave näitab aga, et ribosoomides olev rRNA toimib ensüümina, samas kui seda ümbritsevad valgud toimivad tellingutena.

Transkriptsioon on RNA sünteesimise protsess DNA matriitsist. Kuna DNA on kaheahelaline ja RNA on üheahelaline, tuleb enne transkriptsiooni toimumist DNA ahelad eraldada.

Mõni terminoloogia on siinkohal kasulik. Geen, millest kõik on kuulnud, kuid vähesed mitte-bioloogiaeksperdid saavad seda ametlikult määratleda, on vaid DNA lõik, mis sisaldab nii mall RNA sünteesiks ja nukleotiidide järjestused, mis võimaldavad RNA tootmist matriitsist reguleerida ja kontrollida piirkonnas. Kui valgusünteesi mehhanisme esmakordselt täpselt kirjeldati, oletasid teadlased, et iga geen vastab ühele valguproduktile. Nii mugav kui see ka poleks (ja nii palju mõtet, kui see pinnal on), on idee osutunud valeks. Mõni geen ei kodeeri üldse valke ja mõnel loomal on "vahelduv splaissing", milles sama geeni saab käivitada erinevate valkude saamiseks erinevates tingimustes tavaline.

RNA transkriptsioon annab produkti, mis on täiendavad DNA malli juurde. See tähendab, et tegemist on omamoodi peegelpildiga ja loomulikult paaristatakse see mis tahes malliga identse järjestusega tänu eelnevalt märgitud konkreetsetele baas-alus sidumisreeglitele. Näiteks on DNA järjestus TACTGGT komplementaarne RNA järjestusega AUGACCA, kuna iga esimese järjestuse alus saab paari siduda vastava alusega teises järjestuses (pange tähele, et U ilmub RNA-sse, kus T ilmuks DNA).

Transkriptsiooni algatamine on keeruline, kuid korrapärane protsess. Sammud hõlmavad järgmist.

1. Transkriptsioonifaktori valgud seonduvad promootoriga transkribeeritava järjestuse "ülesvoolu".
2. RNA polümeraas (ensüüm, mis paneb kokku uue RNA) seondub DNA promootori-valgu kompleksiga, mis on pigem nagu auto süütelüliti.
3. Vastloodud RNA polümeraasi / promootori-valgu kompleks eraldab kaks komplementaarset DNA ahelat.
4. RNA polümeraas hakkab sünteesima RNA-d, üks nukleotiid korraga.

Erinevalt DNA polümeraasist ei pea RNA polümeraasi teise ensüümi abil "kruntima". Transkriptsioon nõuab ainult RNA polümeraasi seondumist promootori alaga.

DNA-s olevad geenid kodeerivad valgumolekule. Need on kambri "jalaväelased", kes täidavad elu säilitamiseks vajalikke ülesandeid. Valkule mõeldes võite mõelda lihale või lihasele või tervislikule raputusele, kuid enamik valke lendab teie igapäevaelu radari all. Ensüümid on valgud - molekulid, mis aitavad lagundada toitaineid, ehitada uusi rakukomponente, kokku panna nukleiinhappeid (nt DNA polümeraas) ja teha rakkude jagunemisel DNA-st koopiaid.

"Geeniekspressioon" tähendab geeni vastava valgu tootmist, kui seda on, ja sellel keerulisel protsessil on kaks peamist etappi. Esimene on transkriptsioon, mida on üksikasjalikult kirjeldatud varem. Tõlkes väljuvad äsja valmistatud mRNA molekulid tuumast ja migreeruvad tsütoplasmasse, kus asuvad ribosoomid. (Prokarüootsetes organismides võivad ribosoomid mRNA külge kinnituda, kui transkriptsioon on veel pooleli.)

Ribosoomid koosnevad kahest erinevast osast: suurest ja väikesest allüksusest. Iga alaühik on tavaliselt tsütoplasmas eraldatud, kuid nad saavad kokku molekuli mRNA-ga. Allüksused sisaldavad natuke peaaegu kõike juba mainitud: valke, rRNA ja tRNA. TRNA molekulid on adaptermolekulid: üks ots võib lugeda mRNA-s sisalduvat tripleti koodi (näiteks UAG või CGC) komplementaarse aluse sidumise kaudu ja teine ​​ots kinnitub spetsiifilisele aminohappele. Iga kolmikukood vastutab ühe umbes 20 aminohappe eest, mis moodustavad kõik valgud; mõnda aminohapet kodeerivad mitmed kolmikud (mis pole üllatav, kuna võimalik on 64 kolmikut - neli alust tõsteti kolmandale astmele, sest igal kolmikul on kolm alust - ja ainult 20 aminohapet vaja). Ribosoomis hoitakse mRNA ja aminoatsüül-tRNA komplekse (aminohapet vedavad tRNA tükid) üksteise lähedal, hõlbustades aluse sidumist. rRNA katalüüsib iga täiendava aminohappe kinnitumist kasvavale ahelale, millest saab polüpeptiid ja lõpuks valk.

Selle võime tõttu end keerukateks vormideks korraldada võib RNA ensüümina nõrgalt toimida. Kuna RNA suudab nii geneetilist teavet salvestada kui ka reaktsioone katalüüsida, on mõned teadlased soovitanud RNA-l suurt rolli elu päritolu, mida nimetatakse "RNA maailmaks". See hüpotees väidab, et kaugel Maa ajaloos mängisid RNA molekulid kõiki täna mängivad valgu ja nukleiinhappemolekulide samad rollid, mis oleks praegu võimatu, kuid oleks võinud olla võimalik a preebiootiline maailm. Kui RNA toimis nii teabe säilitamise struktuurina kui ka metaboolsete põhireaktsioonide jaoks vajaliku katalüütilise aktiivsuse allikana, võib see olla eelnes DNA-le selle varajases vormis (kuigi seda teeb nüüd DNA) ja see oli tõeliselt tõeliste "organismide" käivitamise platvorm isekopeeruv.