MRNA: Määritelmä, toiminto ja rakenne

RNA tai ribonukleiinihappo on yksi luonnossa esiintyvistä kahdesta nukleiinihaposta. Toinen, deoksiribonukleiinihappo (DNA), on varmasti kiinteämpi mielikuvituksessa. Jopa ihmisillä, joilla on vain vähän kiinnostusta tieteeseen, on aavistustakaan siitä, että DNA on elintärkeää luovuttaessa piirteitä yhdestä sukupolvelta toiselle ja että jokaisen ihmisen DNA on ainutlaatuinen (ja siksi on huono idea jättää rikos näkymä). Mutta kaikesta DNA: n tunnettuudesta RNA on monipuolisempi molekyyli, joka tulee kolmessa päämuodossa: lähettimen RNA (mRNA), ribosomaalinen RNA (rRNA) ja siirto-RNA (tRNA).

MRNA: n tehtävä riippuu voimakkaasti kahdesta muusta tyypistä, ja mRNA on suoraan molekyylibiologian niin kutsutun keskeisen dogman keskellä (DNA synnyttää RNA: n, joka puolestaan ​​synnyttää proteiineja).

DNA ja RNA ovat nukleiinihappoja, mikä tarkoittaa, että ne ovat polymeerimakromolekyylejä, joiden monomeerisiä ainesosia kutsutaan nukleotideiksi. Nukleotidit koostuvat kolmesta erillisestä osasta: pentoosisokerista, fosfaattiryhmästä ja typpipitoisesta emäksestä, jotka valitaan neljän vaihtoehdon joukosta. Pentoosisokeri on sokeri, joka sisältää viiden atomin rengasrakenteen.

Kolme suurta eroa erottaa DNA: n RNA: sta. Ensinnäkin RNA: ssa nukleotidin sokeriosa on riboosi, kun taas DNA: ssa se on deoksiriboosi, joka on yksinkertaisesti riboosi hydroksyyli (-OH) -ryhmällä, joka on poistettu yhdestä viiden atomin renkaan hiilestä ja korvattu vetyatomilla (-H). Siten DNA: n sokeriosa on vain yksi happiatomi vähemmän massiivinen kuin RNA, mutta RNA on paljon kemiallisesti reaktiivisempi molekyyli kuin DNA, koska se on yksi ylimääräinen -OH-ryhmä. Toiseksi, DNA on melko tunnetusti kaksisäikeinen ja haavoitettu kierteiseen muotoon vakaimmillaan. RNA on toisaalta yksijuosteinen. Ja kolmanneksi, kun taas DNA: lla ja RNA: lla on molemmissa typpipitoiset emäkset adeniini (A), sytosiini (C) ja guaniini (G), neljäs tällainen emäs DNA: ssa on tymiini (T), kun taas RNA: ssa se on urasiili (U).

Koska DNA on kaksijuosteinen, tiedemiehet ovat 1900-luvun puolivälistä lähtien tienneet, että nämä typpipitoiset emäkset muodostavat parin ja vain yhden muun tyyppisen emäksen kanssa; Parit T: n kanssa ja C-parit G: n kanssa. Lisäksi A ja G luokitellaan kemiallisesti puriineiksi, kun taas C ja T kutsutaan pyrimidiiniksi. Koska puriinit ovat oleellisesti suurempia kuin pyrimidiinit, A-G-pariliitos olisi liian iso, kun taas C-T-pariliitos olisi epätavallisen alamittainen; molemmat näistä tilanteista häiritsevät sitä, että kaksijuosteisen DNA: n kaksi säikettä ovat saman etäisyyden päässä molempien säikeiden pisteistä.

Tämän pariliitostavan vuoksi DNA: n kahta juosetta kutsutaan "komplementaarisiksi", ja toisen sekvenssi voidaan ennustaa, jos toinen tiedetään. Esimerkiksi, jos DNA-juosteessa olevalla kymmenen nukleotidijonolla on emässekvenssi AAGCGTATTG, komplementaarisella DNA-juosteella on emässekvenssi TTCGCATAAC. Koska RNA syntetisoidaan DNA-templaatista, tällä on vaikutuksia myös transkriptioon.

mRNA on ribonukleiinihapon kaikkein "DNA: n kaltainen" muoto, koska sen tehtävä on pääosin sama: tiedon välittäminen koodattu geeneissä huolellisesti järjestettyjen typpipitoisten emästen muodossa kokoavaan solukoneistoon proteiineja. Mutta olemassa on myös useita elintärkeitä RNA-tyyppejä.

DNA: n kolmiulotteinen rakenne selvitettiin vuonna 1953, antaen James Watsonille ja Francis Crickille Nobelin palkinnon. Mutta vuosien ajan sen jälkeen RNA: n rakenne pysyi vaikeana huolimatta joidenkin samojen DNA-asiantuntijoiden pyrkimyksistä kuvata sitä. 1960-luvulla kävi selväksi, että vaikka RNA on yksijuosteinen, sen toissijainen rakenne - toisin sanoen sekvenssin suhde nukleotidien keskenään, kun RNA kulkee tiensä läpi avaruuden - tarkoittaa, että RNA: n pituudet voivat taittua takaisin itseensä, samassa säikeessä olevat pohjat, jotka yhdistyvät toisiinsa samalla tavalla, pituus teippi saattaa tarttua itseensä, jos annat sen omituisuus. Tämä on tRNA: n ristikkäisen rakenteen perusta, joka sisältää kolme 180 asteen mutkaa, jotka luovat molekyylissä molekyyliekvivalentin umpikujaan.

rRNA on jonkin verran erilainen. Kaikki rRNA on peräisin noin 13 000 nukleotidin pituisen rRNA-juosteen yhdestä hirviöstä. Lukuisten kemiallisten modifikaatioiden jälkeen tämä juoste pilkotaan kahteen epätasaiseen alayksikköön, joista toinen on 18S ja toinen leimattu 28S. ("S" tarkoittaa "Svedberg-yksikköä", mittaa biologit arvioivat epäsuorasti makromolekyylien massan.) 18S-osa on sisällytetty siihen, mikä on kutsutaan pieneksi ribosomaaliseksi alayksiköksi (joka kun se on valmis, on tosiasiallisesti 30S) ja 28S-osa osallistuu suureen alayksikköön (jonka koko on 50S); kaikki ribosomit sisältävät yhden kustakin alayksiköstä yhdessä lukuisien proteiinien kanssa (ei nukleiinihappoja, jotka tekevät proteiineista itsestään mahdollisia) ribosomien rakenteen eheyden aikaansaamiseksi.

Molemmilla DNA- ja RNA-säikeillä on ns. 3'- ja 5'-päät ("kolme alkupäätä" ja "viisi alkupäätä") niiden juosteiden sokeriosaan kiinnittyneiden molekyylien sijaintien perusteella. Kussakin nukleotidissa fosfaattiryhmä on kiinnittynyt renkaassaan 5'-merkittyyn hiiliatomiin, kun taas 3'-hiilessä on hydroksyyli (-OH) -ryhmä. Kun nukleotidi lisätään kasvavaan nukleiinihappoketjuun, tämä tapahtuu aina olemassa olevan ketjun 3'-päässä. Toisin sanoen uuden nukleotidin 5'-päässä oleva fosfaattiryhmä liitetään 3'-hiileen, jossa on hydroksyyliryhmä, ennen kuin tämä kytkentä tapahtuu. -OH korvataan nukleotidilla, joka menettää protonin (H) fosfaattiryhmästä; siten H-molekyyli₂O tai vesi menetetään ympäristölle tässä prosessissa, mikä tekee RNA-synteesistä esimerkin dehydraatiosynteesistä.

Transkriptio on prosessi, jossa mRNA syntetisoidaan DNA-templaatista. Periaatteessa, koska tiedät nyt, voit helposti kuvitella, miten tämä tapahtuu. DNA on kaksijuosteinen, joten kukin juoste voi toimia templaattina yksisäikeiselle RNA: lle; nämä kaksi uutta RNA-säiettä, spesifisen emäsparin muodostumisen mielihyvien takia, täydentävät toisiaan, ei että ne sitoutuvat toisiinsa. RNA: n transkriptio on hyvin samanlainen kuin DNA: n replikaatio siinä mielessä, että sovelletaan samoja emäspariliitossääntöjä, kun U ottaa T: n paikan RNA: ssa. Huomaa, että tämä korvaus on yksisuuntainen ilmiö: T DNA: ssa koodaa edelleen A: ta RNA: ssa, mutta A DNA: ssa koodaa U: ta RNA: ssa.

Jotta transkriptio tapahtuisi, DNA: n kaksoiskierteen täytyy kiertyä, minkä se tekee spesifisten entsyymien johdolla. (Se palauttaa myöhemmin oikean kierukkamuodonsa.) Tämän jälkeen spesifinen sekvenssi, jota sopivasti kutsutaan promoottorisekvenssiksi, signaloi, missä transkription on tarkoitus alkaa pitkin molekyyliä. Tämä kutsuu molekyylikohteeseen entsyymin nimeltä RNA-polymeraasi, joka on tähän mennessä osa promoottorikompleksia. Kaikki tämä tapahtuu eräänlaisena biokemiallisena vikaturvallisena mekanismina, joka pitää RNA-synteesin alkamasta väärästä kohdasta DNA: ssa ja tuottaa siten RNA-juosteen, joka sisältää laittoman koodin. RNA-polymeraasi "lukee" DNA-juosteen promoottorisekvenssistä alkaen ja liikkuu pitkin DNA-juosetta lisäämällä nukleotideja RNA: n 3'-päähän. Ole tietoinen siitä, että RNA- ja DNA-säikeet ovat komplementaaristen ominaisuuksiensa vuoksi myös rinnakkaisia. Tämä tarkoittaa, että kun RNA kasvaa 3'-suunnassa, se liikkuu DNA-juosetta pitkin DNA: n 5'-päässä. Tämä on pieni, mutta usein hämmentävä asia opiskelijoille, joten kannattaa ehkä tarkastella kaaviota varmistaaksesi itsellesi, että ymmärrät mRNA-synteesin mekaniikan.

Yhden nukleotidin ja seuraavan sokeriryhmän fosfaattiryhmien välille syntyneitä sidoksia kutsutaan fosfodiesterisidokset (lausutaan "phos-pho-die-es-ter", ei "phos-pho-dee-ster", koska se voi olla houkuttelevaa olettaa).

Entsyymi RNA-polymeraasia tulee monissa muodoissa, vaikka bakteerit sisältävät vain yhden tyypin. Se on suuri entsyymi, joka koostuu neljästä proteiini-alayksiköstä: alfa (α), beeta (β), beeta-prime (β ′) ja sigma (σ). Yhdistettynä näiden molekyylipaino on noin 420 000 daltonia. (Vertailun vuoksi yksittäisten hiiliatomien molekyylipaino on 12; yksi vesimolekyyli, 18; ja koko glukoosimolekyyli, 180.) Entsyymi, jota kutsutaan holoentsyymiksi, kun kaikki neljä alayksikköä ovat läsnä, on vastuussa promoottorisekvenssien tunnistamisesta DNA: ssa ja kahden DNA: n erottamisesta toisistaan säikeet. RNA-polymeraasi liikkuu transkriboitavaa geeniä pitkin, kun se lisää nukleotideja kasvavaan RNA-segmenttiin, jota kutsutaan pidennykseksi. Tämä prosessi, kuten niin monet soluissa, vaatii adenosiinitrifosfaattia (ATP) energialähteenä. ATP ei todellakaan ole muuta kuin adeniinia sisältävä nukleotidi, jossa on kolme fosfaattia yhden sijasta.

Transkriptio loppuu, kun liikkuva RNA-polymeraasi kohtaa lopetussekvenssin DNA: ssa. Aivan kuten promoottorisekvenssin voidaan katsoa vastaavan vihreää valoa liikennevalossa, lopetussekvenssi on punaisen valon tai pysäytysmerkin analogia.

Kun tietyn proteiinin - eli geeniä vastaavan mRNA-osan - sisältävä mRNA-molekyyli on täydellinen, se on vielä käsiteltävä, ennen kuin se on valmis tekemään työnsä kemiallisen suunnitelman toimittamiseksi ribosomeihin, joissa proteiinisynteesi vie paikka. Eukaryoottisissa organismeissa se siirtyy myös ytimestä (prokaryooteilla ei ole ydintä).

Kriittisesti typpipitoiset emäkset kuljettavat geneettistä tietoa kolmena ryhmänä, joita kutsutaan triplettikodoneiksi. Jokaisella kodonilla on ohjeet lisätä tietty aminohappo kasvavaan proteiiniin. Aivan kuten nukleotidit ovat nukleiinihappojen monomeeriyksiköitä, aminohapot ovat proteiinien monomeerejä. Koska RNA sisältää neljä erilaista nukleotidia (käytettävissä olevien neljän eri emäksen vuoksi) ja kodoni koostuu kolmesta peräkkäisestä nukleotidista, käytettävissä on yhteensä 64 triplettikodonia (4³ = 64). Eli alkaen AAA: sta, AAC: sta, AAG: sta, AAU: sta ja aina UUU: han asti, on 64 yhdistelmää. Ihmiset käyttävät kuitenkin vain 20 aminohappoa. Tämän seurauksena triplettikoodin sanotaan olevan tarpeeton: Useimmissa tapauksissa useita triplettejä koodataan samaa aminohappoa. Käänteinen ei ole totta - eli sama tripletti ei voi koodata useampaa kuin yhtä aminohappoa. Voit todennäköisesti kuvitella biokemiallisen kaaoksen, joka syntyisi muuten. Itse asiassa aminohapoilla leusiini, arginiini ja seriini ovat kumpikin kuusi triplettiä, jotka vastaavat niitä. Kolme erilaista kodonia ovat STOP-kodoneja, samanlaisia ​​kuin DNA: n transkription lopetussekvenssit.

Kääntäminen itsessään on erittäin yhteistyöhön perustuva prosessi, joka kokoaa yhteen kaikki laajennetun RNA-perheen jäsenet. Koska se esiintyy ribosomeilla, siihen liittyy ilmeisesti rRNA: n käyttö. TRNA-molekyylit, jotka on kuvattu aikaisemmin pieninä risteinä, ovat vastuussa yksittäisten aminohappojen kuljettamisesta käännöskohde ribosomissa, jokaisen aminohapon kärjessä oman spesifisen tRNA-merkkinsä avulla saattaja. Transkription tavoin translaatiolla on aloitus-, venymä- ja lopetusvaiheet, ja proteiinimolekyylin synteesin lopussa proteiini vapautuu ribosomista ja pakataan Golgi-elimiin käytettäväksi muualla, ja ribosomi itse hajoaa komponenteikseen alayksiköt.