מהי חומצה ריבונוקלאית?

חומצה ריבונוקלאית, או RNA, היא אחד משני סוגי חומצות הגרעין המצויות בחיים על כדור הארץ. השנייה, חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA), הניחה זמן רב פרופיל גבוה יותר מאשר RNA בתרבות הפופולרית, במוחם של משקיפים מזדמנים ובמקומות אחרים. אולם RNA הוא חומצת הגרעין המגוונת יותר; הוא לוקח את ההוראות שהוא מקבל מה- DNA והופך אותן למגוון פעילויות מתואמות המעורבות בסינתזת חלבונים. במבט כזה, ניתן לראות בדנ"א הנשיא או הקנצלר שתשואתו קובעת בסופו של דבר מה קורה ברמת האירועים היומיומיים. ואילו רנ"א הוא צבא חיילי כף הרגל הנאמנים ועובדי הגרנה שמבצעים את העבודות בפועל ומציגים מגוון רחב של כישורים מרשימים בתחום תהליך.

RNA, כמו DNA, הוא מקרומולקולה (במילים אחרות, מולקולה עם מספר גדול יחסית של אטומים בודדים, בניגוד, למשל, CO₂ או H₂O) המורכב מפולימר, או משרשרת של אלמנטים כימיים החוזרים על עצמם. ה"קישורים "בשרשרת זו, או יותר רשמית המונומרים המרכיבים את הפולימר, נקראים נוקליאוטידים. נוקלאוטיד יחיד מורכב בתורו משלושה אזורים כימיים נפרדים, או חלקים: סוכר פנטוז, קבוצת פוספט ובסיס חנקני. הבסיסים החנקניים עשויים להיות אחד מארבעה בסיסים שונים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ואורציל (U).

אדנין וגואנין מסווגים כימית כ פוריניםואילו ציטוזין ואורציל שייכים לקטגוריית החומרים הנקראים פירימידינים. הפורינים מורכבים בעיקר מטבעת של חמישה חברים המחוברת לטבעות עם שישה חברים, ואילו פירימידינים קטנים בהרבה ויש להם טבעת של שש פחמן בלבד. אדנין וגואנין דומים מאוד במבנה זה לזה, כמו גם ציטוזין ואורציל.

סוכר הפנטוז ב- RNA הוא ריבוז, הכוללת טבעת עם חמישה אטומי פחמן ואטום חמצן אחד. קבוצת הפוספט נקשרת לאטום פחמן בטבעת בצד אחד של אטום החמצן, והבסיס החנקני נקשר לאטום הפחמן בצד השני של החמצן. קבוצת הפוספט נקשרת גם לריבוז על הנוקלאוטיד הסמוך, כך שחלק הריבוז והפוספט של נוקלאוטיד מהווים יחד את "עמוד השדרה" של ה- RNA.

הבסיסים החנקניים עשויים להיחשב כחלק הקריטי ביותר ב- RNA, מכיוון שאלה, בקבוצות של שלוש בנוקליאוטידים סמוכים, הם בעלי חשיבות תפקודית מירבית. קבוצות של שלושה בסיסים סמוכים יוצרות יחידות הנקראות קודי שלישייה, או קודונים, המובילים אותות מיוחדים למכונות המרכיבות חלבונים באמצעות המידע המחובר לראשונה ל- DNA ואז ל- RNA. מבלי שקוד זה יתפרש כפי שהוא, סדר הנוקלאוטידים לא יהיה רלוונטי, כפי שיתואר בקרוב.

כשאנשים עם מעט רקע בביולוגיה שומעים את המונח "DNA", סביר להניח שאחד הדברים הראשונים שעולים בראשם הוא "הסליל הכפול". הייחודי מבנה מולקולת הדנ"א הובהר על ידי ווטסון, קריק, פרנקלין ואחרים בשנת 1953, ובין ממצאי הצוות היה כי הדנ"א הוא דו-גדילי וסליל, במצבו צורה רגילה. לעומת זאת, RNA כמעט חד-גדילי.

כמו כן, כפי שמשתמע משמותיהם של מקרומולקולות בהתאמה, DNA מכיל סוכר ריבוזי שונה. במקום ריבוז, הוא מכיל דאוקסיריבוז, תרכובת זהה לריבוז למעט שיש אטום מימן במקום אחת מקבוצות ההידרוקסיל שלו (-OH).

לבסוף, בעוד הפירימידינים ב- RNA הם ציטוזין ואורציל, בדנ"א הם ציטוזין ותימין. ב"שלבים "של" סולם הדנ"א הדו-גדילי "אדנין נקשר עם תימין ורק, ואילו ציטוזין נקשר עם גואנין ורק. (האם אתה יכול לחשוב על סיבה אדריכלית שבסיסי פורין נקשרים רק לבסיסי פירימידין במרכז ה- DNA? רמז: "צידי" הסולם חייבים להישאר במרחק קבוע זה מזה.) כאשר מתעתקים דנ"א וא נוצר קווצה משלימה של RNA, הנוקלאוטיד שנוצר מול האדינין ב- DNA הוא uracil, לא תימין. הבחנה זו מסייעת לטבע להימנע מבלבול דנ"א ו- RNA בסביבות סלולריות בהן לא נעים הדברים עשויים לנבוע מהתנהגות לא רצויה אם האנזימים הפועלים בהתאמה מולקולות.

בעוד שרק ה- DNA הוא כפול-גדילי, ה- RNA מיומן בהרבה ביצירת מבנים תלת-ממדיים מורכבים. זה אפשר שלוש צורות חיוניות של RNA להתפתח בתאים.

ה- RNA מגיע בשלושה סוגים בסיסיים, אם כי קיימים גם זנים נוספים וסתומים מאוד.

שליח RNA (mRNA): מולקולות mRNA מכילות את רצף הקידוד של חלבונים. מולקולות ה- mRNA משתנות מאוד לאורך, עם האוקריוטים (בעיקר, רוב היצורים החיים שאינם חיידקים) כולל ה- RNA הגדול ביותר שהתגלה עד כה. תמלילים רבים עולים על 100,000 בסיסים (100 קילו-בסיסים, או kb).

העברת RNA (tRNA): tRNA היא מולקולה קצרה (כ -75 בסיסים) המעבירה חומצות אמינו ומעבירה אותן לחלבון הגדל במהלך התרגום. מאמינים כי ל- tRNA יש סידור תלת מימדי משותף שנראה כמו עלה תלתן בניתוח רנטגן. זה נגרם על ידי קשירת בסיסים משלימים כאשר גדיל tRNA מתקפל לאחור על עצמו, ממש כמו סרט שנדבק לעצמו כשמביאים בטעות את דפנות הרצועה שלו.

RNA ריבוזומלי (rRNA): מולקולות rRNA מהוות 65 עד 70 אחוז ממסת האברון הנקראת ריבוזום, המבנה שמארח ישירות תרגום, או סינתזת חלבונים. הריבוזומים גדולים מאוד בסטנדרטים של תאים. לריבוזומים חיידקיים משקל מולקולרי של כ -2.5 מיליון ואילו לריבוזומים האיקריוטים יש משקל מולקולרי בערך פי וחצי מזה. (לשם התייחסות, המשקל המולקולרי של הפחמן הוא 12; אין אלמנט יחיד בחלק העליון של 300.)

ריבוזום איקריוטי אחד, הנקרא 40S, מכיל rRNA אחד וכן כ- 35 חלבונים שונים. הריבוזום 60S מכיל שלושה rRNA וכ- 50 חלבונים. ריבוזומים הם אפוא תקלות של חומצות גרעין (rRNA) ותוצרי החלבון שחומצות גרעין אחרות (mRNA) נושאות את הקוד ליצירה.

עד לאחרונה הביולוגים המולקולריים הניחו כי ה- rRNA מילא תפקיד מבני בעיקרו. עם זאת, מידע עדכני יותר מצביע על כך שה- rRNA בריבוזומים משמש כאנזים, ואילו החלבונים המקיפים אותו משמשים לפיגומים.

תעתיק הוא תהליך הסינתזה של RNA מתבנית DNA. מכיוון ש- DNA הוא דו-גדילי ו- RNA הוא חד-גדילי, יש להפריד בין גדילי ה- DNA לפני שיוכל להתרחש.

טרמינולוגיה מסוימת שימושית בשלב זה. גן, שכולם שמעו עליו אך מעטים מומחים שאינם ביולוגיה יכולים להגדיר רשמית, הוא רק קטע של DNA המכיל שניהם תבנית לסינתזת RNA ורצפים של נוקלאוטידים המאפשרים ויסות ובקרה של ייצור RNA מהתבנית אזור. כאשר מנגנוני סינתזת החלבון תוארו לראשונה בדיוק, מדענים שיערו כי כל גן מתאים למוצר חלבון יחיד. עד כמה שזה יהיה נוח (וככל שזה הגיוני על פני השטח), הרעיון הוכח כלא נכון. ישנם גנים שאינם מקודדים חלבונים כלל, ובחיות מסוימות "שחבור חלופי" בו ה אותו גורם יכול להיות מופעל לייצור חלבונים שונים בתנאים שונים, נראה שהוא מְשׁוּתָף.

תעתיק RNA מייצר מוצר שהוא מַשׁלִים לתבנית ה- DNA. פירוש הדבר שמדובר בתמונת מראה למיניהן, ובאופן טבעי יתאים לכל רצף זהה לתבנית בזכות כללי ההתאמה הספציפיים לבסיס בסיס שצוינו קודם. לדוגמא, רצף ה- DNA TACTGGT משלים לרצף ה- RNA AUGACCA, מכיוון שכל בסיס ברצף הראשון ניתן לזווג זוג לבסיס המתאים ברצף השני (שימו לב ש- U מופיע ב- RNA בו T יופיע DNA).

ייזום תמלול הוא תהליך מורכב אך מסודר. השלבים כוללים:

1. חלבוני גורם שעתוק נקשרים למקדם "במעלה הזרם" של הרצף שיש לתעתק.
2. RNA פולימראז (האנזים המרכיב רנ"א חדש) נקשר למתחם האמרגן-חלבון של הדנ"א, שדומה למתג ההתנעה ברכב.
3. קומפלקס ה- RNA פולימראז / מקדם-חלבון שנוצר לאחרונה מפריד בין שני גדילי ה- DNA המשלימים.
4. RNA פולימראז מתחיל לסנתז RNA, נוקלאוטיד אחד בכל פעם.

שלא כמו פולימראז DNA, RNA פולימראז לא צריך להיות "דרוך" על ידי אנזים שני. תמלול מחייב רק קישור של פולימראז RNA לאזור היזם.

הגנים ב- DNA מקודדים למולקולות חלבון. אלה הם "חיילי הרגליים" של התא, שמבצעים את החובות הדרושות לקיום החיים. אתה עשוי לחשוב על בשר או שריר או שייק בריא כשאתה חושב על חלבון, אך רוב החלבונים עפים מתחת לרדאר של חיי היומיום שלך. אנזימים הם חלבונים - מולקולות המסייעות בפירוק חומרים מזינים, בבניית רכיבי תאים חדשים, בהרכבת חומצות גרעין (למשל, פולימראז DNA) וביצוע העתקות של DNA במהלך חלוקת התאים.

"ביטוי גנים" פירושו ייצור החלבון המתאים לגן, אם בכלל, ולתהליך מסובך זה יש שני שלבים עיקריים. הראשון הוא תמלול, שתואר קודם לכן. בתרגום, מולקולות mRNA שזה עתה נוצרו יוצאות מהגרעין ונודדות לציטופלזמה, שם ממוקמות הריבוזומים. (באורגניזמים פרוקריוטיים, ריבוזומים יכולים להיצמד ל- mRNA בזמן שעתוק עדיין נמצא בעיצומו.)

הריבוזומים מורכב משני חלקים נפרדים: יחידת המשנה הגדולה ותת היחידה הקטנה. בדרך כלל כל יחידת משנה מופרדת בציטופלזמה, אך הן מתאחדות על mRNA מולקולה. יחידות המשנה מכילות מעט מכל מה שכבר הוזכר: חלבונים, rRNA ו- tRNA. מולקולות ה- tRNA הן מולקולות מתאם: קצה אחד יכול לקרוא את קוד השלשות ב- mRNA (למשל, UAG או CGC) באמצעות זיווג בסיס משלים, והקצה השני מתחבר לחומצת אמינו ספציפית. כל קוד שלישייה אחראי לאחת מכ -20 חומצות האמינו המרכיבות את כל החלבונים; כמה חומצות אמינו מקודדות על ידי שלישיות מרובות (וזה לא מפתיע, שכן 64 שלישיות אפשריות - ארבעה בסיסים מורמים לכוח השלישי מכיוון שלכל שלישייה יש שלושה בסיסים - ורק 20 חומצות אמינו הן נָחוּץ). בריבוזום, מתחמי mRNA ו- aminoacyl-tRNA (חתיכות tRNA המעבירות חומצת אמינו) מוחזקים קרוב מאוד זה לזה, מה שמקל על התאמת בסיס. rRNA מזרז את ההצמדה של כל חומצת אמינו נוספת לשרשרת הגדלה, שהופכת לפוליפפטיד ולבסוף לחלבון.

כתוצאה מיכולתו לסדר את עצמו לצורות מורכבות, RNA יכול לפעול חלש כאנזים. מכיוון שרנ"א יכול גם לאחסן מידע גנטי וגם לזרז תגובות, יש מדענים שהציעו תפקיד מרכזי עבור רנ"א מקור החיים, המכונה "עולם ה- RNA". השערה זו טוענת כי, בהיסטוריה של כדור הארץ, מולקולות RNA שיחקו את כל אלה אותם תפקידים של מולקולות חלבון וחומצות גרעין משחקות כיום, מה שהיה בלתי אפשרי כעת אך יתכן שהיה אפשרי ב עולם טרום ביוטי. אם RNA שימש גם כמבנה אחסון מידע וגם כמקור הפעילות הקטליטית הדרושה לתגובות מטבוליות בסיסיות, ייתכן שיש קדמה ל- DNA בצורותיו המוקדמות ביותר (למרות שהוא מיוצר כיום על ידי DNA) ושימש פלטפורמה לשיגור "אורגניזמים" שהם באמת שכפול עצמי.