MRNA: הגדרה, פונקציה ומבנה

RNA, או חומצה ריבונוקלאית, היא אחת משתי חומצות גרעין המצויות בטבע. האחרת, חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA), בהחלט מקובעת יותר בדמיון. אפילו לאנשים עם מעט עניין במדע יש דמיון ש- DNA חיוני להעברת תכונות מאחד דור לדור הבא, וכי ה- DNA של כל אדם הוא ייחודי (ולכן זה רעיון רע להשאיר פשע סְצֵינָה). אך עבור כל המוכרות של ה- DNA, RNA הוא מולקולה רב-תכליתית יותר, המגיע בשלוש צורות עיקריות: RNA שליח (mRNA), RNA ריבוזומלי (rRNA) והעברת RNA (tRNA).

תפקיד ה- mRNA נשען בכבדות על שני הסוגים האחרים, ו- mRNA שוכן במרכז הדוגמה המרכזית כביכול של הביולוגיה המולקולרית (DNA מוליד רנ"א, אשר בתורו מוליד חלבונים).

DNA ו- RNA הם חומצות גרעין, מה שאומר שהן מקרומולקולות פולימריות, שמרכיביהן המונומריים נקראים נוקלאוטידים. נוקליאוטידים מורכבים משלוש חלקים מובחנים: סוכר פנטוז, קבוצת פוספט ובסיס חנקני, שנבחר מתוך ארבע אפשרויות. סוכר פנטוז הוא סוכר הכולל מבנה טבעת של חמישה אטומים.

שלושה הבדלים עיקריים מבחינים בין DNA לבין RNA. ראשית, ב- RNA, חלק הסוכר של הנוקלאוטיד הוא ריבוז, ואילו בדנ"א הוא דאוקסיריבוז, שהוא פשוט ריבוז עם קבוצת הידרוקסיל (-OH) שהוסרה מאחד הפחמנים בטבעת חמשת האטומים והוחלפה באטום מימן (-H). לפיכך חלק הסוכר ב- DNA הוא רק אטום חמצן אחד פחות מסיבית מ- RNA, אך RNA הוא מולקולה מגיבה כימית הרבה יותר מאשר DNA בגלל קבוצת ה- OH היחידה שלה. שנית, ה- DNA הוא, למפורסם למדי, כפול גדילי ונפצע לצורת סליל היציבה ביותר שלו. לעומת זאת, RNA הוא חד-גדילי. ושלישית, בעוד ש- DNA ו- RNA שניהם מכילים את הבסיסים החנקניים אדנין (A), ציטוזין (C) וגואנין (G), הבסיס הרביעי כזה ב- DNA הוא תימין (T) ואילו ב- RNA זה אוראסיל (U).

מכיוון ש- DNA הוא דו-גדילי, מדענים ידעו מאז אמצע שנות העשרים של המאה העשרים כי בסיסים חנקניים אלה משתלבים עם סוג אחד בלבד של בסיס; זוגות עם T ו- C זוגות עם G. יתר על כן, A ו- G מסווגים כימית כפורינים, ואילו C ו- T נקראים פירימידינים. מכיוון שפורינים גדולים משמעותית מפירמידינים, זיווג A-G יהיה מגושם יתר על המידה, ואילו זיווג C-T יהיה קטן במיוחד. שני המצבים הללו יפריעו לשני הגדילים ב- DNA כפול-גדילי להיות זהים זה מזה בכל הנקודות לאורך שני הגדילים.

בגלל תוכנית זיווג זו, שני גדילי ה- DNA נקראים "משלימים", וניתן לחזות את הרצף של אחד אם השני ידוע. לדוגמא, אם למחרוזת של עשרה נוקלאוטידים בגדיל של DNA יש את רצף הבסיס AAGCGTATTG, לגדיל ה- DNA המשלים יהיה רצף הבסיס TTCGCATAAC. מכיוון ש- RNA מסונתז מתבנית DNA, יש לכך השלכות גם על התעתיק.

mRNA הוא הצורה ה"דומה ל- DNA "ביותר של חומצה ריבונוקלאית מכיוון שתפקידה זהה במידה רבה: להעביר את המידע מקודדים בגנים, בצורת בסיסים חנקניים מסודרים בקפידה, למכונות הסלולריות שמתאספות חלבונים. אך קיימים גם סוגים חיוניים שונים של RNA.

המבנה התלת מימדי של ה- DNA הובהר בשנת 1953, מה שזיכה את ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק בפרס נובל. אך במשך שנים לאחר מכן, מבנה ה- RNA נותר חמקמק למרות מאמציהם של כמה מאותם מומחי DNA לתאר אותו. בשנות השישים התברר שלמרות ש- RNA הוא חד-גדילי, המבנה המשני שלו - כלומר יחסי הרצף של נוקליאוטידים זה לזה כאשר ה- RNA מתפתל בחלל - מרמז שאורכי ה- RNA יכולים להתקפל חזרה על עצמם, עם בסיסים באותו קווצה ובכך מקשרים זה לזה באותו אופן שאורך סרט דביק עשוי להידבק לעצמו אם תאפשר לו קינק. זהו הבסיס למבנה הדומה לחוצה של tRNA, הכולל שלוש כיפופי 180 מעלות היוצרים את המקבילה המולקולרית למבלי סתום במולקולה.

rRNA שונה במקצת. כל ה- rRNA נגזר ממפלצת אחת של גדיל rRNA באורך של כ- 13,000 נוקלאוטידים. לאחר מספר שינויים כימיים, גדיל זה נחתך לשתי יחידות משנה לא שוות, האחת נקראת 18S והשנייה שכותרתה 28S. ("S" מייצג "יחידת סוודברג", מדד שביולוגים משתמשים בו כדי לאמוד בעקיפין את מסת המיקרו-מולקולות.) החלק 18S משולב במה שהוא המכונה יחידת המשנה הריבוזומלית הקטנה (שכאשר היא שלמה היא למעשה 30S) וחלק ה- 28S תורם ליחידת המשנה הגדולה (אשר בסך הכל יש גודל של 50S); כל הריבוזומים מכילים אחת מכל יחידת משנה יחד עם מספר חלבונים (לא חומצות גרעין, המאפשרות חלבונים עצמם) כדי לספק לריבוזומים שלמות מבנית.

לגדילי ה- DNA וה- RNA שניהם נקראים 3 'ו- 5' ("שלוש-פריים" ו- "חמש-פריים") בהתבסס על מיקומי המולקולות המחוברות לחלק הסוכר של הגדיל. בכל נוקלאוטיד, קבוצת הפוספט מחוברת לאטום הפחמן שכותרתו 5 'בטבעת שלו, ואילו הפחמן 3' כולל קבוצת הידרוקסיל (-OH). כאשר מוסיפים נוקלאוטיד לשרשרת חומצת גרעין צומחת, זה קורה תמיד בקצה 3 'של השרשרת הקיימת. כלומר, קבוצת הפוספט בקצה 5 'של הנוקלאוטיד החדש מחוברת לפחמן 3' שמציע את קבוצת ההידרוקסיל לפני שמתרחשת קישור זה. ה- OH מוחלף על ידי הנוקלאוטיד, המאבד פרוטון (H) מקבוצת הפוספט שלו; לפיכך מולקולה של H₂O, או מים, הולכים לאיבוד לסביבה בתהליך זה, מה שהופך את סינתזת ה- RNA לדוגמא לסינתזת התייבשות.

תעתיק הוא התהליך שבו מסונתזים mRNA מתבנית DNA. באופן עקרוני, בהתחשב במה שאתה יודע כעת, אתה יכול לחזות בקלות כיצד זה קורה. ה- DNA הוא כפול גדילי, כך שכל גדיל יכול לשמש תבנית ל- RNA חד-גדילי; שני גדילי ה- RNA החדשים הללו, בשל השטויות של זיווג בסיס ספציפי, יהיו משלימים זה את זה, ולא שהם יתחברו. תעתיק ה- RNA דומה מאוד לשכפול ה- DNA בכך שאותם כללי זיווג בסיסים חלים, כאשר U תופס את מקומו של T ב- RNA. שים לב שהחלפה זו היא תופעה חד כיוונית: T ב- DNA עדיין מקודד A ב- RNA, אך A בקודי DNA ל- U ב- RNA.

כדי שתעתיק יתרחש, הסליל הכפול של ה- DNA חייב להיות מסולסל, מה שהוא עושה בהנחיית אנזימים ספציפיים. (מאוחר יותר הוא מניח מחדש את הקונפורמציה הסלילית הנכונה שלו.) אחרי שזה קורה, רצף ספציפי המכונה כראוי את רצף המקדם מאותת לאן תעתיק להתחיל לאורך המולקולה. זה מזמן לזירה המולקולרית אנזים בשם RNA פולימראז, אשר בשלב זה הוא חלק מקומפלקס מקדם. כל זה מתרחש כמעין מנגנון ביוכימי שאינו בטוח להיכשל כדי למנוע את סינתזת ה- RNA מנקודה לא נכונה ב- DNA ובכך לייצר גדיל RNA המכיל קוד לא לגיטימי. פולימראז ה- RNA "קורא" את גדיל ה- DNA המתחיל ברצף האמרגן ונע לאורך קווצת ה- DNA, ומוסיף נוקלאוטידים לקצה ה -3 של ה- RNA. שים לב כי גדילי ה- RNA וה- DNA, מעצם היותם משלימים, הם גם אנטי-מקבילים. משמעות הדבר היא שככל שה- RNA גדל לכיוון 3 ', הוא נע לאורך גדיל ה- DNA בקצה ה- 5' של ה- DNA. זוהי נקודה מינורית אך לעתים קרובות מבלבלת עבור תלמידים, לכן כדאי לכם להתייעץ בתרשים כדי להבטיח לעצמכם שאתם מבינים את המכניקה של סינתזת ה- mRNA.

הקשרים שנוצרו בין קבוצות הפוספט של נוקלאוטיד אחד לקבוצת הסוכר על זו הבאה נקראים קישורי פוספודיסטר (מבוטא "phos-pho-die-es-ter", ולא "phos-pho-dee-ster" כפי שהוא עשוי לפתות לְהַנִיחַ).

האנזים RNA פולימראז מגיע בצורות רבות, אם כי חיידקים כוללים רק סוג יחיד. זהו אנזים גדול, המורכב מארבע יחידות משנה של חלבון: אלפא (α), בטא (β), בטא-פריים (β ′) וסיגמה (σ). בשילוב, אלה משקל מולקולרי של כ -420,000 דלתונים. (לשם התייחסות, אטומי פחמן בודדים הם בעלי משקל מולקולרי של 12; מולקולת מים אחת, 18; ומולקולת גלוקוז שלמה, 180.) האנזים, המכונה הולואנזים כאשר כל ארבע יחידות המשנה הן הנוכחי, אחראי על זיהוי רצפי האמרגן על ה- DNA ומניעת שני הדנ"א קווצות. RNA פולימראז נע לאורך הגן לתעתיק כשהוא מוסיף נוקלאוטידים למקטע ה- RNA הגדל, תהליך הנקרא התארכות. תהליך זה, כמו כל כך הרבה בתוך התאים, דורש אדנוזין טריפוספט (ATP) כמקור אנרגיה. ATP הוא באמת לא יותר מאשר נוקלאוטיד המכיל אדנין שיש בו שלושה פוספטים במקום אחד.

התעתיק מפסיק כאשר פולימראז ה- RNA הנע נתקל ברצף סיום ב- DNA. כשם שניתן לראות את רצף המקדם כמקביל לאור ירוק ברמזור, רצף הסיום הוא אנלוגי של אור אדום או שלט עצירה.

כאשר מולקולת mRNA הנושאת את המידע עבור חלבון מסוים - כלומר חתיכת mRNA המתאימה לגן - הושלמה, היא עדיין צריך לעבד אותו לפני שהוא מוכן לבצע את עבודתו להעביר תכנית כימית לריבוזומים, שם נמשכת סינתזת החלבון מקום. באורגניזמים אוקריוטיים הוא גם נודד החוצה מהגרעין (אין לפרוקריוטים גרעין).

באופן קריטי, בסיסים חנקניים נושאים מידע גנטי בקבוצות של שלוש, הנקראות קודונים שלישייה. כל קודון נושא הוראות להוסיף חומצת אמינו מסוימת לחלבון הגדל. כשם שהנוקלאוטידים הם היחידות המונומריות של חומצות גרעין, חומצות אמינו הן מונומרים של חלבונים. מכיוון ש- RNA מכיל ארבעה נוקלאוטידים שונים (בגלל ארבעת הבסיסים השונים הקיימים) וקודון מורכב משלושה נוקלאוטידים עוקבים, ישנם 64 קודונים שלישיית סה"כ זמינים (4³ = 64). כלומר, החל מ- AAA, AAC, AAG, AAU ועובדים עד ל- UUU, יש 64 שילובים. בני אדם, לעומת זאת, משתמשים ב -20 חומצות אמינו בלבד. כתוצאה מכך, אומרים שקוד השלישיות מיותר: ברוב המקרים, שלישיות מרובות קודנות לאותה חומצת אמינו. ההפך אינו נכון - כלומר, אותה שלישייה אינה יכולה לקודד יותר מחומצת אמינו אחת. אתה יכול כנראה לדמיין את הכאוס הביוכימי שיחולל אחרת. למעשה, לחומצות האמינו לאוצין, ארגינין וסרין יש שלוש שלישיות המתאימות להן. שלושה קודונים שונים הם קודונים של STOP, בדומה לרצפי סיום התעתיק ב- DNA.

התרגום עצמו הוא תהליך שיתופי ביותר המאגד את כל בני משפחת ה- RNA המורחבת. מכיוון שזה קורה בריבוזומים, ברור שהוא כרוך בשימוש ב- rRNA. מולקולות ה- tRNA, שתוארו קודם לכן כצלבים זעירים, אחראיות על נשיאת חומצות אמינו בודדות אל אתר התרגום על הריבוזום, כאשר כל חומצת אמינו נגרמת על ידי המותג הספציפי שלה של tRNA לְלַווֹת. כמו תעתיק, לתרגום יש שלבי התחלה, התארכות וסיום, ובסוף הסינתזה של מולקולת חלבון, חלבון משתחרר מהריבוזום ונארז בגופי גולגי לשימוש במקומות אחרים, והריבוזום עצמו מתנתק למרכיבו יחידות משנה.