MRNA: Definisi, Fungsi & Struktur

RNA, atau asam ribonukleat, adalah salah satu dari dua asam nukleat yang ditemukan di alam. Yang lainnya, asam deoksiribonukleat (DNA), tentu lebih terpaku pada imajinasi. Bahkan orang-orang dengan sedikit minat pada sains memiliki firasat bahwa DNA sangat penting dalam mewariskan sifat-sifat dari seseorang generasi ke generasi berikutnya, dan bahwa DNA setiap manusia adalah unik (dan karena itu adalah ide yang buruk untuk meninggalkan kejahatan tempat kejadian). Tapi untuk semua ketenaran DNA, RNA adalah molekul yang lebih serbaguna, datang dalam tiga bentuk utama: messenger RNA (mRNA), RNA ribosom (rRNA) dan transfer RNA (tRNA).

Pekerjaan mRNA sangat bergantung pada dua jenis lainnya, dan mRNA terletak tepat di tengah apa yang disebut dogma sentral biologi molekuler (DNA melahirkan RNA, yang pada gilirannya menghasilkan protein).

DNA dan RNA adalah asam nukleat, yang berarti bahwa mereka adalah makromolekul polimer, konstituen monomer yang disebut nukleotida. Nukleotida terdiri dari tiga bagian berbeda: gula pentosa, gugus fosfat, dan basa nitrogen, dipilih dari empat pilihan. Gula pentosa adalah gula yang memiliki struktur cincin lima atom.

Tiga perbedaan utama membedakan DNA dari RNA. Pertama, pada RNA, bagian gula dari nukleotida adalah ribosa, sedangkan pada DNA adalah deoksiribosa, yang hanya ribosa. dengan gugus hidroksil (-OH) dihapus dari salah satu karbon di cincin lima atom dan digantikan oleh atom hidrogen (-H). Jadi bagian gula DNA hanyalah satu atom oksigen yang lebih kecil dari RNA, tetapi RNA adalah molekul yang jauh lebih reaktif secara kimiawi daripada DNA karena satu gugus ekstra -OH-nya. Kedua, DNA, agak terkenal, beruntai ganda dan dililit menjadi bentuk heliks yang paling stabil. RNA, di sisi lain, adalah untai tunggal. Dan ketiga, sementara DNA dan RNA keduanya memiliki basa nitrogen adenin (A), sitosin (C) dan guanin (G), basa keempat dalam DNA adalah timin (T) sedangkan pada RNA adalah urasil (U).

Karena DNA beruntai ganda, para ilmuwan telah mengetahui sejak pertengahan 1900-an bahwa basa nitrogen ini berpasangan dengan dan hanya dengan satu jenis basa lainnya; A berpasangan dengan T, dan C berpasangan dengan G. Selanjutnya, A dan G secara kimia diklasifikasikan sebagai purin, sedangkan C dan T disebut pirimidin. Karena purin secara substansial lebih besar dari pirimidin, pasangan A-G akan terlalu besar, sedangkan pasangan C-T akan berukuran sangat kecil; kedua situasi ini akan mengganggu dua untai dalam DNA untai ganda dengan jarak yang sama terpisah di semua titik di sepanjang dua untai.

Karena skema pasangan ini, dua untai DNA disebut "komplementer", dan urutan salah satunya dapat diprediksi jika yang lain diketahui. Misalnya, jika string sepuluh nukleotida dalam untai DNA memiliki urutan basa AAGCGTATTG, untai DNA komplementer akan memiliki urutan basa TTCGCATAAC. Karena RNA disintesis dari cetakan DNA, ini juga berimplikasi pada transkripsi.

mRNA adalah bentuk asam ribonukleat yang paling mirip DNA karena tugasnya sebagian besar sama: untuk mengirimkan informasi dikodekan dalam gen, dalam bentuk basa nitrogen yang dipesan dengan hati-hati, ke mesin seluler yang merakit protein. Tetapi berbagai jenis RNA vital juga ada.

Struktur tiga dimensi DNA dijelaskan pada tahun 1953, menghasilkan James Watson dan Francis Crick Hadiah Nobel. Tetapi selama bertahun-tahun kemudian, struktur RNA tetap sulit dipahami meskipun ada upaya oleh beberapa ahli DNA yang sama untuk menggambarkannya. Pada 1960-an, menjadi jelas bahwa meskipun RNA beruntai tunggal, struktur sekundernya - yaitu, hubungan urutan nukleotida satu sama lain saat RNA berkelok-kelok melalui ruang – menyiratkan bahwa panjang RNA dapat melipat kembali pada diri mereka sendiri, dengan basis di untai yang sama sehingga menghubungkan satu sama lain dengan cara yang sama panjang pita mungkin menempel pada dirinya sendiri jika Anda mengizinkannya berbelit. Ini adalah dasar untuk struktur tRNA yang mirip silang, yang mencakup tiga tikungan 180 derajat yang menciptakan ekuivalen molekul cul-de-sacs dalam molekul.

rRNA agak berbeda. Semua rRNA berasal dari satu monster untai rRNA dengan panjang sekitar 13.000 nukleotida. Setelah sejumlah modifikasi kimia, untai ini dibelah menjadi dua subunit yang tidak sama, satu disebut 18S dan yang lain berlabel 28S. ("S" singkatan dari "satuan Svedberg," ukuran yang digunakan ahli biologi untuk memperkirakan secara tidak langsung massa makromolekul.) Bagian 18S digabungkan dengan apa yang disebut subunit ribosom kecil (yang bila lengkap sebenarnya 30S) dan bagian 28S berkontribusi pada subunit besar (yang totalnya berukuran 50S); semua ribosom mengandung satu dari setiap subunit bersama dengan sejumlah protein (bukan asam nukleat, yang memungkinkan protein itu sendiri) untuk menyediakan ribosom dengan integritas struktural.

Untaian DNA dan RNA keduanya memiliki apa yang disebut ujung 3' dan 5' ("tiga prima" dan "lima prima") berdasarkan posisi molekul yang melekat pada bagian gula dari untai. Dalam setiap nukleotida, gugus fosfat terikat pada atom karbon berlabel 5' pada cincinnya, sedangkan karbon 3' memiliki gugus hidroksil (-OH). Ketika nukleotida ditambahkan ke rantai asam nukleat yang sedang tumbuh, ini selalu terjadi pada ujung 3' dari rantai yang ada. Artinya, gugus fosfat pada ujung 5' nukleotida baru bergabung dengan karbon 3' yang menampilkan gugus hidroksil sebelum ikatan ini terjadi. The -OH digantikan oleh nukleotida, yang kehilangan proton (H) dari gugus fosfatnya; jadi molekul H₂O, atau air, hilang ke lingkungan dalam proses ini, menjadikan sintesis RNA sebagai contoh sintesis dehidrasi.

Transkripsi adalah proses di mana mRNA disintesis dari template DNA. Pada prinsipnya, dengan apa yang Anda ketahui sekarang, Anda dapat dengan mudah membayangkan bagaimana ini terjadi. DNA beruntai ganda, sehingga setiap untai dapat berfungsi sebagai cetakan untuk RNA beruntai tunggal; dua untai RNA baru ini, karena keanehan pasangan basa tertentu, akan saling melengkapi satu sama lain, bukan karena mereka akan terikat bersama. Transkripsi RNA sangat mirip dengan replikasi DNA di mana aturan pasangan basa yang sama berlaku, dengan U menggantikan T pada RNA. Perhatikan bahwa penggantian ini adalah fenomena satu arah: T dalam DNA masih mengkode A dalam RNA, tetapi A dalam DNA mengkode U dalam RNA.

Agar transkripsi terjadi, heliks ganda DNA harus menjadi tidak tergulung, yang dilakukan di bawah arahan enzim tertentu. (Ini kemudian mengasumsikan kembali konformasi heliks yang tepat.) Setelah ini terjadi, urutan tertentu tepat disebut sinyal urutan promotor di mana transkripsi akan dimulai di sepanjang molekul. Ini memanggil ke adegan molekuler enzim yang disebut RNA polimerase, yang saat ini merupakan bagian dari kompleks promotor. Semua ini terjadi sebagai semacam mekanisme biokimia yang gagal-aman untuk menjaga sintesis RNA dari awal di tempat yang salah pada DNA dan dengan demikian menghasilkan untai RNA yang berisi kode tidak sah. RNA polimerase "membaca" untai DNA mulai dari urutan promotor dan bergerak sepanjang untai DNA, menambahkan nukleotida ke ujung 3' RNA. Ketahuilah bahwa untai RNA dan DNA, karena saling melengkapi, juga antiparalel. Ini berarti bahwa ketika RNA tumbuh ke arah 3', ia bergerak di sepanjang untai DNA di ujung 5' DNA. Ini adalah poin kecil tetapi sering membingungkan bagi siswa, jadi Anda mungkin ingin berkonsultasi dengan diagram untuk meyakinkan diri sendiri bahwa Anda memahami mekanisme sintesis mRNA.

Ikatan yang terbentuk antara gugus fosfat dari satu nukleotida dan gugus gula pada nukleotida berikutnya disebut hubungan fosfodiester (diucapkan "phos-pho-die-es-ter," bukan "phos-pho-dee-ster" karena mungkin tergoda untuk menganggap).

Enzim RNA polimerase datang dalam berbagai bentuk, meskipun bakteri hanya mencakup satu jenis. Ini adalah enzim besar, terdiri dari empat subunit protein: alpha (α), beta (β), beta-prime (β′) dan sigma (σ). Gabungan, ini memiliki berat molekul sekitar 420.000 Dalton. (Untuk referensi, satu atom karbon memiliki berat molekul 12; satu molekul air, 18; dan molekul glukosa utuh, 180.) Enzim, disebut holoenzim ketika keempat subunit hadir, bertanggung jawab untuk mengenali urutan promotor pada DNA dan memisahkan kedua DNA untaian. RNA polimerase bergerak di sepanjang gen yang akan ditranskripsi saat menambahkan nukleotida ke segmen RNA yang sedang tumbuh, sebuah proses yang disebut elongasi. Proses ini, seperti banyak di dalam sel, membutuhkan adenosin trifosfat (ATP) sebagai sumber energi. ATP benar-benar tidak lebih dari nukleotida yang mengandung adenin yang memiliki tiga fosfat, bukan satu.

Transkripsi berhenti ketika RNA polimerase yang bergerak bertemu dengan urutan terminasi dalam DNA. Sama seperti urutan promotor dapat dilihat sebagai setara dengan lampu hijau pada lampu lalu lintas, urutan penghentian adalah analog dari lampu merah atau tanda berhenti.

Ketika molekul mRNA yang membawa informasi untuk protein tertentu - yaitu, sepotong mRNA yang sesuai dengan gen - selesai, itu masih perlu diproses sebelum siap melakukan tugasnya mengirimkan cetak biru kimia ke ribosom, di mana sintesis protein berlangsung tempat. Pada organisme eukariotik, ia juga bermigrasi keluar dari nukleus (prokariota tidak memiliki nukleus).

Secara kritis, basa nitrogen membawa informasi genetik dalam kelompok tiga, yang disebut kodon triplet. Setiap kodon membawa instruksi untuk menambahkan asam amino tertentu ke protein yang sedang tumbuh. Sama seperti nukleotida adalah unit monomer asam nukleat, asam amino adalah monomer protein. Karena RNA mengandung empat nukleotida yang berbeda (berdasarkan empat basa berbeda yang tersedia) dan sebuah kodon terdiri dari tiga nukleotida berurutan, ada 64 total kodon triplet yang tersedia (4³ = 64). Artinya, dimulai dengan AAA, AAC, AAG, AAU dan bekerja sampai ke UUU, ada 64 kombinasi. Namun, manusia hanya menggunakan 20 asam amino. Akibatnya, kode triplet dikatakan berlebihan: Dalam kebanyakan kasus, kode triplet ganda untuk asam amino yang sama. Kebalikannya tidak benar – yaitu, triplet yang sama tidak dapat mengkode lebih dari satu asam amino. Anda mungkin bisa membayangkan kekacauan biokimia yang akan terjadi sebaliknya. Faktanya, asam amino leusin, arginin, dan serin masing-masing memiliki enam kembar tiga yang sesuai dengannya. Tiga kodon yang berbeda adalah kodon STOP, mirip dengan urutan terminasi transkripsi dalam DNA.

Penerjemahan itu sendiri adalah proses yang sangat kooperatif, menyatukan semua anggota keluarga besar RNA. Karena itu terjadi pada ribosom, itu jelas melibatkan penggunaan rRNA. Molekul tRNA, yang dijelaskan sebelumnya sebagai persilangan kecil, bertanggung jawab untuk membawa asam amino individu ke situs terjemahan pada ribosom, dengan masing-masing asam amino diangkut oleh merek tRNA-nya sendiri yang spesifik pengawal. Seperti transkripsi, translasi memiliki fase inisiasi, elongasi dan terminasi, dan pada akhir sintesis molekul protein, protein dilepaskan dari ribosom dan dikemas ke dalam badan Golgi untuk digunakan di tempat lain, dan ribosom itu sendiri berdisosiasi menjadi komponennya subunit.