RNA, ili ribonukleinska kiselina, jedna je od dvije nukleinske kiseline koje se nalaze u prirodi. Druga, deoksiribonukleinska kiselina (DNA), sigurno je više fiksirana u mašti. Čak i ljudi koje malo zanima nauka naslućuju da je DNA presudna za prenošenje osobina s jedne generacije do sljedeće, te da je DNK svakog ljudskog bića jedinstvena (i stoga je loša ideja prestupiti za zločin scena). No, unatoč svemu što je DNK poznat, RNA je svestranija molekula koja dolazi u tri glavna oblika: glasnička RNA (mRNA), ribosomska RNA (rRNA) i prijenosna RNA (tRNA).
Posao mRNA u velikoj se mjeri oslanja na druge dvije vrste, a mRNA leži točno u središtu takozvane središnje dogme molekularne biologije (DNA rađa RNA, koja zauzvrat rađa proteine).
Nukleinske kiseline: pregled
DNA i RNA su nukleinske kiseline, što znači da su polimerne makromolekule, čiji se monomerni sastojci nazivaju nukleotidi. Nukleotidi se sastoje od tri različita dijela: pentozni šećer, fosfatna skupina i dušična baza, odabrani između četiri izbora. Pentozni šećer je šećer koji uključuje petomatnu prstenastu strukturu.
Tri glavne razlike razlikuju DNA od RNA. Prvo, u RNA, šećerni dio nukleotida je riboza, dok je u DNA to deoksiriboza, što je jednostavno riboza s hidroksilnom (-OH) skupinom uklonjenom iz jednog od ugljika u petomatnom prstenu i zamijenjenom atomom vodika (-H). Stoga je šećerni dio DNA samo jedan atom kisika manje masivan od RNA, ali RNA je kemijski daleko reaktivnija molekula od DNA zbog svoje jedne ekstra -OH skupine. Drugo, DNK je, prilično poznata, dvolančana i uvijena u spiralni oblik u svom najstabilnijem obliku. RNA je, s druge strane, jednolančana. I treće, dok DNA i RNA sadrže dušične baze adenin (A), citozin (C) i gvanin (G), četvrta takva baza u DNA je timin (T), dok je u RNA uracil (U).
Budući da je DNA dvolančana, znanstvenici od sredine 1900-ih znaju da se te dušične baze spajaju i samo s jednom drugom vrstom baze; Parovi s T, a C parovi s G. Nadalje, A i G su kemijski klasificirani kao purini, dok se C i T nazivaju pirimidini. Budući da su purini znatno veći od pirimidina, A-G uparivanje bilo bi pretjerano glomazno, dok bi C-T uparivanje bilo neobično premalo; obje ove situacije mogle bi poremetiti dva lanca u dvolančanoj DNK na istoj udaljenosti u svim točkama duž dva lanca.
Zbog ove sheme uparivanja, dva lanca DNA nazivaju se "komplementarnima", a slijed jednog može se predvidjeti ako je drugi poznat. Na primjer, ako niz od deset nukleotida u lancu DNA ima bazni slijed AAGCGTATTG, komplementarni DNA lanac imat će bazni slijed TTCGCATAAC. Budući da se RNA sintetizira iz DNK predloška, to ima implikacije i na transkripciju.
Osnovna struktura RNA
mRNA je najviše "DNK-sličan" oblik ribonukleinske kiseline, jer je njezin posao uglavnom isti: prenositi informacije kodirani u genima, u obliku pažljivo poredanih dušičnih baza, u stanični stroj koji se okuplja bjelančevine. Ali postoje i razne vitalne vrste RNA.
Trodimenzionalna struktura DNA razjašnjena je 1953. godine, donijevši Jamesu Watsonu i Francisu Cricku Nobelovu nagradu. No, godinama nakon toga, struktura RNA ostala je nedostižna usprkos naporima nekih istih stručnjaka za DNK da je opišu. Šezdesetih godina postalo je jasno da iako je RNA jednolančana, njezina sekundarna struktura - odnosno odnos niza nukleotida jedni drugima dok se RNA vijuga kroz prostor - podrazumijeva da se duljine RNA mogu saviti natrag, baze u istoj niti tako se međusobno povezujući na isti način duljina selotejpa može zalijepiti za sebe ako mu dopustite kink. To je osnova za unakrsnu strukturu tRNA, koja uključuje tri zavoja od 180 stupnjeva koji stvaraju molekularni ekvivalent slijepih vrećica u molekuli.
rRNA je nešto drugačija. Sva rRNA potječe od jednog čudovišta iz lanca rRNA duljine oko 13 000 nukleotida. Nakon brojnih kemijskih modifikacija, ovaj se lanac cijepa na dvije nejednake podjedinice, jednu nazvanu 18S, a drugu s oznakom 28S. ("S" znači "Svedbergova jedinica", mjera koju biolozi koriste za neizravnu procjenu mase makromolekula.) Dio 18S ugrađen je u ono što je naziva se malom ribosomskom podjedinicom (koja je po završetku zapravo 30S), a 28S dijelom pridonosi velikoj podjedinici (koja ukupno ima veličinu od 50S); svi ribosomi sadrže po jednu od svake podjedinice, zajedno s brojnim proteinima (ne nukleinskim kiselinama, koje same omogućuju bjelančevine) kako bi pružili ribosomima strukturni integritet.
DNA i RNA lanci imaju takozvane 3 'i 5' ("tri premije" i "pet premijera") krajeve na temelju položaja molekula vezanih za šećerni dio lanca. U svakom nukleotidu, fosfatna skupina vezana je za atom ugljika označen s 5 'u svom prstenu, dok 3' ugljik sadrži hidroksilnu (-OH) skupinu. Kad se nukleotid doda rastućem lancu nukleinske kiseline, to se uvijek događa na 3 'kraju postojećeg lanca. To jest, fosfatna skupina na 5 'kraju novog nukleotida pridružena je 3' ugljiku koji sadrži hidroksilnu skupinu prije nego što dođe do ovog povezivanja. -OH je zamijenjen nukleotidom koji gubi proton (H) iz svoje fosfatne skupine; dakle molekula H2O, ili voda, u ovom se procesu gubi u okolišu, što sintezu RNA čini primjerom sinteze dehidracije.
Transkripcija: kodiranje poruke u mRNA
Transkripcija je postupak u kojem se mRNA sintetizira iz DNA uzorka. U principu, s obzirom na ono što sada znate, lako možete zamisliti kako se to događa. DNA je dvolančana, pa svaki lanac može poslužiti kao predložak za jednolančanu RNA; ova dva nova RNA lanca, zbog hirovitosti specifičnog sparivanja baza, međusobno će se nadopunjavati, a ne da će se povezati. Transkripcija RNA vrlo je slična replikaciji DNA jer vrijede ista pravila o uparivanju baza, s tim da U zauzima mjesto T u RNA. Imajte na umu da je ova zamjena jednosmjerni fenomen: T u DNA još uvijek kodira A u RNA, ali A u DNA kodu U u RNA.
Da bi došlo do transkripcije, dvostruka spirala DNA mora se razmotati, što čini pod vodstvom specifičnih enzima. (Kasnije ponovno preuzima ispravnu spiralnu konformaciju.) Nakon što se to dogodi, određena sekvenca koja se prikladno naziva signali promotorske sekvence gdje započinje transkripcija duž molekule. Ovo na molekularnu scenu poziva enzim zvan RNA polimeraza, koji je do tada dio kompleksa promotora. Sve se to događa kao neka vrsta biokemijskog mehanizma koji osigurava neuspjeh da sinteza RNK ne krene od početka na pogrešnom mjestu na DNA i tako stvara RNA lanac koji sadrži nelegitimni kod. RNA polimeraza "očitava" DNA lanac počevši od promotorske sekvence i kreće se duž lanca DNA, dodajući nukleotide na 3 'kraj RNA. Imajte na umu da su lanci RNA i DNA, zahvaljujući komplementarnosti, također antiparalelni. To znači da se, dok RNA raste u smjeru 3 ', kreće se duž lanca DNA na kraju 5' DNA. Ovo je manja, ali često zbunjujuća točka za studente, pa ćete možda poželjeti potražiti dijagram kako biste se uvjerili da razumijete mehaniku sinteze mRNA.
Veze stvorene između fosfatnih skupina jednog nukleotida i šećerne skupine na sljedećem nazivaju se fosfodiesterske veze (izgovara se "phos-pho-die-es-ter", a ne "phos-pho-dee-ster", jer može biti primamljivo pretpostaviti).
Enzim RNA polimeraza dolazi u mnogim oblicima, iako bakterije uključuju samo jedan tip. To je veliki enzim, koji se sastoji od četiri proteinske podjedinice: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) i sigma (σ). U kombinaciji, oni imaju molekularnu težinu od oko 420 000 daltona. (Za referencu, pojedinačni atomi ugljika imaju molekulsku težinu 12; jedna molekula vode, 18; i cijela molekula glukoze, 180.) Enzim, koji se naziva holoenzim kad su sve četiri podjedinice prisutan, odgovoran je za prepoznavanje promotorskih sekvenci na DNA i razdvajanje dviju DNA niti. RNA polimeraza se kreće duž gena koji se transkribira jer dodaje nukleotide rastućem segmentu RNA, proces koji se naziva produljenje. Ovaj proces, kao i mnogi unutar stanica, zahtijeva adenozin trifosfat (ATP) kao izvor energije. ATP zapravo nije ništa drugo nego nukleotid koji sadrži adenin i koji ima tri fosfata umjesto jednog.
Transkripcija prestaje kad pokretna RNA polimeraza naiđe na završni niz u DNA. Baš kao što se promotivni slijed može promatrati kao ekvivalent zelenom svjetlu na semaforu, slijed prekida analogan je crvenom svjetlu ili znaku zaustavljanja.
Prijevod: Dekodiranje poruke iz mRNA
Kada je molekula mRNA koja nosi informacije za određeni protein - tj. Dio mRNA koji odgovara genu - dovršena, još treba obraditi prije nego što bude spreman obaviti svoj posao isporuke kemijskog nacrta do ribosoma, gdje sinteza proteina traje mjesto. U eukariotskim organizmima također migrira iz jezgre (prokarioti nemaju jezgru).
Kritično je da dušične baze nose genetske informacije u skupinama od po troje, koje se nazivaju tripletni kodoni. Svaki kodon sadrži upute za dodavanje određene aminokiseline u rastući protein. Kao što su nukleotidi monomerne jedinice nukleinskih kiselina, aminokiseline su monomeri proteina. Budući da RNA sadrži četiri različita nukleotida (zbog četiri dostupne različite baze), a kodon se sastoji od tri uzastopna nukleotida, na raspolaganju su ukupno 64 tripletna kodona (43 = 64). Odnosno, počevši od AAA, AAC, AAG, AAU i radeći sve do UUU, postoje 64 kombinacije. Međutim, ljudi koriste samo 20 aminokiselina. Kao rezultat, kaže se da je trostruki kod suvišan: u većini slučajeva višestruki trostruki kod za istu aminokiselinu. Obrnuto nije istina - to jest, isti triplet ne može kodirati više od jedne aminokiseline. Vjerojatno možete zamisliti biokemijski kaos koji bi nastao u suprotnom. U stvari, aminokiseline leucin, arginin i serin imaju po šest trojki koje im odgovaraju. Tri različita kodona su STOP kodoni, slični sljedovima završetka transkripcije u DNA.
Prevođenje samo po sebi predstavlja proces suradnje koji okuplja sve članove šire obitelji RNA. Budući da se javlja na ribosomima, očito uključuje upotrebu rRNA. Molekule tRNA, ranije opisane kao sićušni križanci, odgovorne su za prijenos pojedinih aminokiselina mjesto prevođenja na ribosomu, pri čemu je svaka aminokiselina određena vlastitom markom tRNA pratnja. Poput transkripcije, translacija ima faze inicijacije, produljenja i završetka, a na kraju sinteze proteinske molekule, protein se oslobađa iz ribosoma i pakira u Golgijeva tijela za upotrebu drugdje, a sam ribosom se disocira na svoju komponentu podjedinice.
