MRNS: Definíció, funkció és szerkezet

Az RNS vagy ribonukleinsav a természetben található két nukleinsav egyike. A másik, a dezoxiribonukleinsav (DNS) minden bizonnyal jobban rögzül a képzeletben. Még a tudomány iránt kevéssé érdeklődő emberek is sejtik, hogy a DNS létfontosságú a tulajdonságok továbbadásában generációról a másikra, és hogy minden ember DNS-e egyedi (és ezért rossz ötlet elhagyni egy bűncselekményt színhely). De a DNS minden ismertsége szempontjából az RNS sokoldalúbb molekula, amely három fő formában jelenik meg: messenger RNS (mRNS), riboszomális RNS (rRNS) és transzfer RNS (tRNS).

Az mRNS feladata nagymértékben támaszkodik a másik két típusra, és az mRNS egyenesen az úgynevezett molekuláris biológia központi dogmájának középpontjában áll (a DNS nemesíti az RNS-t, amely viszont fehérjéket szül).

A DNS és az RNS nukleinsavak, ami azt jelenti, hogy ezek polimer makromolekulák, amelyek monomer alkotóelemeit nukleotidoknak nevezzük. A nukleotidok három különböző részből állnak: egy pentózcukorból, egy foszfátcsoportból és egy nitrogén bázisból, amelyeket négy választási lehetőség közül választhatunk. A pentózcukor egy olyan ötcikros gyűrűs szerkezetű cukor.

Három fő különbség különbözteti meg a DNS-t az RNS-től. Először is, az RNS-ben a nukleotid cukor része ribóz, míg a DNS-ben dezoxiribóz, ami egyszerűen ribóz egy hidroxil (-OH) csoporttal, amelyet az ötatomos gyűrű egyik szénatomjából eltávolítottak, és egy hidrogénatom helyettesítette (-H). Így a DNS cukorrésze csak egy oxigénatom kevésbé masszív, mint az RNS, de az RNS egy extra -OH csoportja miatt sokkal kémiailag reaktívabb molekula, mint a DNS. Másodszor, a DNS meglehetősen híresen kettős szálú, és a legstabilabb spirális alakúra van tekerve. Az RNS viszont egyszálú. Harmadszor, míg a DNS és az RNS mind a nitrogén alapú adenint (A), a citozint (C) és a guanint (G) tartalmazza, a DNS-ben a negyedik ilyen bázis a timin (T), míg az RNS-ben az uracil (U).

Mivel a DNS kettős szálú, a tudósok az 1900-as évek közepe óta tudják, hogy ezek a nitrogénbázisok csak egy másik bázissal párosulnak; Egy pár T-vel, és C pár G-vel. Továbbá, A és G kémiailag purineként van besorolva, míg C és T pirimidineknek. Mivel a purinok lényegesen nagyobbak, mint a pirimidinek, az A-G párosítás túl terjedelmes lenne, míg a C-T párosítás szokatlanul alulméretezett lenne; mindkét helyzet megzavarhatja a kétszálú DNS két szálát, amelyek a két szál minden pontján azonos távolságra vannak egymástól.

E párosítási séma miatt a DNS két szálát "komplementernek" nevezik, és az egyik szekvenciája megjósolható, ha a másik ismert. Például, ha egy DNS-szálban lévő tíz nukleotidból álló húr alapja az AAGCGTATTG, akkor a komplementer DNS-szál TTCGCATAAC bázisszekvenciával rendelkezik. Mivel az RNS-t DNS-templátból szintetizálják, ez kihat a transzkripcióra is.

Az mRNS a ribonukleinsav leginkább "DNS-szerű" formája, mert feladata nagyrészt ugyanaz: az információ továbbítása génekbe kódolva, gondosan elrendezett nitrogén-bázisok formájában, az összeálló sejtmechanizmushoz fehérjék. De léteznek különféle létfontosságú RNS-típusok is.

A DNS háromdimenziós szerkezetét 1953-ban tisztázták, ezzel James Watson és Francis Crick Nobel-díjat kapott. De utána évekig az RNS szerkezete megfoghatatlan maradt annak ellenére, hogy ugyanazok a DNS-szakértők igyekeztek leírni. Az 1960-as években világossá vált, hogy bár az RNS egyszálú, másodlagos szerkezete - vagyis a szekvencia kapcsolata nukleotidok egymással, miközben az RNS átjut az űrben - azt jelenti, hogy az RNS hossza visszahajlik önmagába, ugyanabban a szálban lévő alapok, így ugyanúgy kapcsolódnak egymáshoz, a ragasztószalag hossza ragaszkodhat önmagához, ha megengedi csomó. Ez az alapja a tRNS kereszt-szerű szerkezetének, amely három 180 fokos kanyart tartalmaz, amelyek létrehozzák a molekula zsákjainak molekuláris egyenértékét.

Az rRNS némileg eltér. Az összes rRNS egy körülbelül 13 000 nukleotid hosszú rRNS-szál egyik szörnyéből származik. Számos kémiai módosítás után ezt a szálat két egyenlőtlen alegységre hasítjuk, az egyiket 18S-nek, a másikat 28S-nek nevezzük. (Az "S" jelentése "Svedberg egység", a biológusok által a makromolekulák tömegének közvetett becsléséhez használt mérőszám.) A 18S rész beépül abba, ami kicsi riboszomális alegységnek hívják (ami teljes állapotban valójában 30S), és a 28S rész hozzájárul a nagy alegységhez (amelynek teljes mérete 50S); minden riboszóma az egyes alegységek egyikét tartalmazza számos fehérjével együtt (nem nukleinsavakkal, amelyek maguk a fehérjék is lehetővé teszik), hogy a riboszómák szerkezeti integritással rendelkezzenek.

A DNS és az RNS szálak mindegyike úgynevezett 3 'és 5' ("három-prím" és "öt-prím") végű, a szál cukorrészéhez kapcsolódó molekulák helyzete alapján. Mindegyik nukleotidban a foszfátcsoport a gyűrűjében 5 'jelzésű szénatomhoz kapcsolódik, míg a 3' szénatom hidroxil (-OH) csoportot tartalmaz. Ha egy növekvő nukleinsavlánchoz nukleotidot adunk, ez mindig a meglévő lánc 3'-végén történik. Azaz az új nukleotid 5'-végén lévő foszfátcsoport az összekapcsolódás előtt a hidroxilcsoportot tartalmazó 3 'szénhez kapcsolódik. Az -OH helyébe a nukleotid lép, amely elveszíti a protont (H) foszfátcsoportjából; így H molekula₂Az O vagy a víz elveszik a környezetben ebben a folyamatban, így az RNS-szintézis a dehidrációs szintézis példája.

A transzkripció az a folyamat, amelyben az mRNS szintetizálódik egy DNS templátból. Elvileg, tekintettel arra, amit most tud, könnyen elképzelheti, hogyan történik ez. A DNS kettős szálú, így mindegyik szál templátként szolgálhat az egyszálú RNS-hez; ez a két új RNS-szál, a specifikus bázispárosodás hajlandóságai miatt, kiegészítik egymást, nem pedig, hogy összekapcsolódnának. Az RNS transzkripciója nagyon hasonlít a DNS replikációjához, mivel ugyanazok a bázispárosítási szabályok érvényesek, amikor az U az RNS-ben a T helyét tölti be. Megjegyezzük, hogy ez a helyettesítés egyirányú jelenség: a DNS-ben szereplő T a RNS-ben továbbra is A-t kódolja, de az A DNS-ben az U az RNS-ben kódolja.

A transzkripció bekövetkezéséhez a DNS kettős spirálnak tekercselnie kell, amit specifikus enzimek irányításával végez. (Később újra felveszi a megfelelő spirális konformációját.) Ezután egy speciális szekvencia, amelyet alkalmasan promóter szekvenciának hívnak, jelez, ahol a transzkripciónak meg kell kezdődnie a molekula mentén. Ez a molekuláris színtérbe idézi az RNS-polimeráz nevű enzimet, amely ekkor már egy promóter komplex része. Mindez egyfajta biokémiai hibamentes mechanizmusként fordul elő, hogy az RNS-szintézis ne a rossz helyen kezdődjön a DNS-en, és ezáltal olyan illegitim kódot tartalmazó RNS-szálat állítson elő. Az RNS-polimeráz "leolvassa" a DNS-szálat a promoterszekvenciától kezdve, és a DNS-szál mentén mozog, nukleotidokat adva az RNS 3'-végéhez. Ne feledje, hogy az RNS és a DNS szálak, mivel komplementerek, szintén párhuzamosak. Ez azt jelenti, hogy ahogy az RNS 3'-irányban növekszik, a DNS-szál mentén mozog a DNS 5'-végén. Ez egy kisebb jelentőségű, de gyakran zavaró pont a hallgatók számára, ezért érdemes megnézni egy diagramot, hogy megbizonyosodhasson arról, hogy megértette az mRNS szintézis mechanikáját.

Az egyik nukleotid foszfátcsoportja és a következő cukorcsoportja között létrejövő kötéseket nevezzük foszfodiészter kötések (ejtsd: "phos-pho-die-es-ter", nem "phos-pho-dee-ster", mivel csábító lehet feltételezni).

Az RNS-polimeráz enzim sokféle formában fordul elő, bár a baktériumok csak egyetlen típust tartalmaznak. Ez egy nagy enzim, amely négy fehérje alegységből áll: alfa (α), béta (β), béta-prím (β ′) és sigma (σ). Ezek együttes molekulatömege körülbelül 420 000 dalton. (Összehasonlításképpen: egyetlen szénatom molekulatömege 12; egyetlen vízmolekula, 18; és egy teljes glükózmolekula, 180.) Az enzim, úgynevezett holoenzim, ha mind a négy alegység van jelen van, felelős a promóter szekvenciák felismeréséért a DNS-en és a két DNS szétválasztásáért szálak. Az RNS-polimeráz az átírandó gén mentén mozog, miközben nukleotidokat ad hozzá a növekvő RNS-szegmenshez, ezt a folyamatot megnyúlásnak nevezzük. Ehhez a folyamathoz, mint a sejtekben oly sokan, energiaforrásként az adenozintrifoszfátra (ATP) van szükség. Az ATP valójában nem más, mint egy adenintartalmú nukleotid, amelyben egy helyett három foszfát van.

A transzkripció megszűnik, amikor a mozgó RNS-polimeráz terminációs szekvenciával találkozik a DNS-ben. Ahogyan a promóter-szekvenciát a közlekedési lámpánál lévő zöld lámpa egyenértékének tekinthetjük, a befejező szekvencia a piros lámpa vagy a megállító jel analógja.

Amikor egy mRNS molekula, amely egy adott fehérjét - azaz egy génnek megfelelő mRNS-darabot - tartalmaz, teljes, akkor még fel kell dolgozni, mielőtt készen áll arra, hogy kémiai tervet juttasson el a riboszómákba, ahol a fehérjeszintézis hely. Az eukarióta organizmusokban a magból is kivándorol (a prokariótáknak nincs magja).

Kritikusan a nitrogénbázisok három csoportban hordozzák a genetikai információkat, az úgynevezett triplett kodonokat. Mindegyik kodon utasításokat tartalmaz egy adott aminosav hozzáadásához egy növekvő fehérjéhez. Ahogy a nukleotidok a nukleinsavak monomer egységei, az aminosavak a fehérjék monomerjei. Mivel az RNS négy különböző nukleotidot tartalmaz (a rendelkezésre álló négy különböző bázis miatt), és egy kodon három egymást követő nukleotidból áll, 64 teljes triplett kodon áll rendelkezésre (4³ = 64). Vagyis az AAA-tól, AAC-tól, AAG-tól, AAU-tól kezdve és egészen az UUU-ig dolgozva 64 kombináció létezik. Az emberek azonban csak 20 aminosavat használnak. Ennek eredményeként a hármas kódról azt mondják, hogy felesleges: A legtöbb esetben több hármas kódolja ugyanazt az aminosavat. Az inverz nem igaz - vagyis ugyanaz a hármas nem kódolhat egynél több aminosavat. Valószínűleg elképzelheti az egyébként bekövetkező biokémiai káoszt. Valójában a leucin, az arginin és a szerin mindegyikének hat hármasa van. Három különböző kodon STOP kodon, hasonló a DNS-ben lévő transzkripciós terminációs szekvenciákhoz.

Maga a fordítás rendkívül kooperatív folyamat, amely a kibővített RNS család minden tagját összehozza. Mivel riboszómákon fordul elő, nyilvánvalóan magában foglalja az rRNS alkalmazását. A korábban apró keresztként leírt tRNS-molekulák felelősek az egyes aminosavak hordozásáért a transzlációs helyet a riboszómán, és mindegyik aminosavat a saját specifikus tRNS márkája szekerezi kíséret. A transzkripcióhoz hasonlóan a transzlációnak is van iniciációs, megnyúlási és terminációs fázisa, és egy fehérjemolekula szintézisének végén a fehérje felszabadul a riboszómából és a Golgi testekbe csomagolva máshol történő felhasználásra, és maga a riboszóma disszociál komponensévé alegységek.