Kas ir ribonukleīnskābe?

Ribonukleīnskābe jeb RNS ir viens no diviem nukleīnskābju veidiem, kas sastopami dzīvē uz Zemes. Otra, dezoksiribonukleīnskābe (DNS), jau sen ir kļuvusi par augstāku profilu nekā RNS populārajā kultūrā, ikdienas novērotāju prātos un citur. RNS tomēr ir daudzpusīgāka nukleīnskābe; tas ņem no DNS saņemtās instrukcijas un pārveido tos par dažādām koordinētām darbībām, kas saistītas ar olbaltumvielu sintēzi. Šādi skatoties, DNS varētu uzskatīt par prezidentu vai kancleru, kura ieguldījums galu galā nosaka to, kas notiek ikdienas notikumu līmenī, tā kā RNA ir lojālu kāju karavīru un rupju darbinieku armija, kuri veic faktiskos darbus un demonstrē plašu iespaidīgu prasmju klāstu process.

RNS, tāpat kā DNS, ir makromolekula (citiem vārdiem sakot, molekula ar salīdzinoši lielu atsevišķu atomu skaitu, atšķirībā no, piemēram, CO₂ vai H₂O) sastāv no polimēra vai atkārtotu ķīmisko elementu ķēdes. Šīs ķēdes "saites" vai formālāk monomērus, kas veido polimēru, sauc par nukleotīdiem. Atsevišķu nukleotīdu veido trīs atšķirīgi ķīmiski reģioni vai daļas: pentozes cukurs, fosfātu grupa un slāpekļa bāze. Slāpekļa bāzes var būt viena no četrām dažādām bāzēm: adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un uracils (U).

Adenīns un guanīns ir ķīmiski klasificēti kā purīni, turpretim citozīns un uracils pieder pie tā saukto vielu kategorijas pirimidīni. Purīni galvenokārt sastāv no piecu locekļu gredzena, kas savienots ar sešu locekļu gredzeniem, savukārt pirimidīni ir ievērojami mazāki un tiem ir tikai sešu oglekļa gredzens. Adenīns un guanīns pēc struktūras ir ļoti līdzīgi, tāpat kā citozīns un uracils.

RNS esošais pentozes cukurs ir riboze, kurā ietilpst gredzens ar pieciem oglekļa atomiem un vienu skābekļa atomu. Fosfāta grupa ir saistīta ar oglekļa atomu gredzenā vienā skābekļa atoma pusē, un slāpekļa bāze ir saistīta ar oglekļa atomu skābekļa otrā pusē. Fosfātu grupa saistās arī ar blakus esošā nukleotīda ribozi, tāpēc nukleotīda riboze un fosfāta daļa kopā veido RNS "mugurkaulu".

Slāpekļa bāzes var uzskatīt par viskritiskāko RNS daļu, jo tieši tām, trīs grupās blakus esošajos nukleotīdos, ir vislielākā funkcionālā nozīme. Trīs blakus esošo pamatu grupas veido saucamās vienības tripletu kodivai kodoni, kas pārnes īpašus signālus mašīnai, kas saliek olbaltumvielas, izmantojot vispirms DNS un pēc tam RNS ievadīto informāciju. Ja šis kods netiktu interpretēts tāds, kāds tas ir, nukleotīdu secībai nebūtu nozīmes, kā tas drīz tiks aprakstīts.

Kad cilvēki, kuriem ir neliela pieredze bioloģijā, dzird terminu "DNS", visticamāk, ka viena no pirmajām lietām, kas nāk prātā, ir "dubultā spirāle". Atšķirīgais DNS molekulas struktūru 1953. gadā noskaidroja Votsons, Kriks, Franklins un citi, un starp komandas secinājumiem bija tas, ka DNS ir divvirzienu un spirālveida parastā forma. Turpretī RNS praktiski vienmēr ir vienpavediena.

Kā norāda šo attiecīgo makromolekulu nosaukumi, DNS satur atšķirīgu ribozes cukuru. Ribozes vietā tas satur dezoksiribozi, savienojumu, kas ir identisks ribozei, izņemot to, ka vienas no tās hidroksilgrupām (-OH) ir ūdeņraža atoms.

Visbeidzot, kamēr RIM pirimidīni ir citozīns un uracils, DNS tie ir citozīns un timīns. Divvirzienu DNS "kāpņu" pakāpēs "adenīns saistās ar un tikai ar timīnu, bet citozīns ar un tikai ar guanīnu. (Vai jūs varat iedomāties arhitektūras iemeslu, ka purīna bāzes saistās tikai ar pirimidīna bāzēm pāri DNS centram? Padoms: kāpņu "sāniem" jāpaliek noteiktā attālumā viens no otra.) Kad DNS tiek pārrakstīta un a tiek izveidota RNS komplementārā virkne, DNS adenīnam pāri ģenerētais nukleotīds ir uracils, ne timīns. Šī atšķirība palīdz dabai izvairīties no DNS un RNS sajaukšanas šūnu vidē, kurā tas ir nevēlams lietas var rasties no nevēlamas uzvedības, ja fermenti, kas darbojas attiecīgajā molekulas.

Kaut arī tikai DNS ir divējāda, RNS ir daudz lietpratīgāka sarežģītu trīsdimensiju struktūru veidošanā. Tas ļāva šūnās attīstīties trim būtiskām RNS formām.

RNS ir trīs pamata veidi, lai gan pastāv arī citas, ļoti neskaidras šķirnes.

Messenger RNS (mRNS): mRNS molekulas satur olbaltumvielu kodēšanas secību. MRNS molekulu garums ir ļoti atšķirīgs, un eikarioti (būtībā lielākā daļa dzīvo būtņu, kas nav baktērijas) ietver lielāko līdz šim atklāto RNS. Daudzi atšifrējumi pārsniedz 100 000 bāzes (100 kilobāzes vai kb) garumu.

Pārnes RNS (tRNS): tRNS ir īsa (apmēram 75 bāzes) molekula, kas translē aminoskābes un tulkošanas laikā pārvieto tās uz augošo olbaltumvielu. Tiek uzskatīts, ka tRNS ir kopīgs trīsdimensiju izvietojums, kas rentgenstaru analīzē izskatās kā āboliņš. To rada komplementāru bāzu sasaistīšana, kad tRNS virkne atkal noliekas pati uz sevi, līdzīgi kā lente, kas pielīp pie sevis, ja nejauši saliecat tās sloksnes malas.

Ribosomālā RNS (rRNS): rRNS molekulas veido 65 līdz 70 procentus no organelle, ko sauc par ribosoma, struktūra, kas tieši nodrošina tulkošanu vai olbaltumvielu sintēzi. Ribosomas pēc šūnu standartiem ir ļoti lielas. Baktēriju ribosomu molekulmasa ir aptuveni 2,5 miljoni, bet eikariotu ribosomu molekulmasa ir aptuveni pusotru reizi lielāka. (Zināšanai oglekļa molekulmasa ir 12; neviens elements nepārsniedz 300.)

Viena eikariotu ribosoma, ko sauc par 40S, satur vienu rRNS, kā arī apmēram 35 dažādus proteīnus. 60S ribosoma satur trīs rRNS un apmēram 50 olbaltumvielas. Tādējādi ribosomas ir nukleīnskābju (rRNS) un olbaltumvielu produktu sajaukums, kuru radīšanai kods ir citām nukleīnskābēm (mRNS).

Vēl nesen molekulārie biologi pieņēma, ka rRNS veic galvenokārt strukturālu lomu. Jaunāka informācija tomēr norāda, ka ribosomās esošā rRNS darbojas kā ferments, bet apkārtējie proteīni darbojas kā sastatnes.

Transkripcija ir RNS sintezēšanas process no DNS veidnes. Tā kā DNS ir divvirzienu un RNS ir viena virkne, pirms transkripcijas var notikt DNS virknes.

Šajā brīdī noder dažas terminoloģijas. Gēns, par kuru visi ir dzirdējuši, bet formāli var definēt tikai daži, kas nav bioloģijas eksperti, ir tikai DNS posms, kas satur gan veidne RNS sintēzei un nukleotīdu secības, kas ļauj regulēt un kontrolēt RNS ražošanu no šablona novads. Kad olbaltumvielu sintēzes mehānismi vispirms tika aprakstīti precīzi, zinātnieki izvirzīja hipotēzi, ka katrs gēns atbilst vienam olbaltumvielu produktam. Lai arī cik ērti tas būtu (un cik jēgas tam būtu virspusē), ideja ir izrādījusies nepareiza. Daži gēni vispār nekodē olbaltumvielas, un dažiem dzīvniekiem "aizstājējs savienojums", kurā to pašu gēnu var izraisīt dažādu olbaltumvielu ražošana dažādos apstākļos, šķiet bieži.

RNS transkripcija rada produktu, kas ir papildinošs DNS veidnei. Tas nozīmē, ka tas ir sava veida spoguļattēls, un tas, protams, tiktu savienots pārī ar jebkuru secību, kas ir identiska veidnei, pateicoties iepriekš norādītajiem īpašajiem bāzes-bāzes savienošanas noteikumiem. Piemēram, DNS sekvence TACTGGT ir komplementāra RNS sekvencei AUGACCA, jo katra bāze pirmajā secībā var savienot pārī ar atbilstošo bāzi otrajā secībā (ņemiet vērā, ka U parādās RNS, kur T parādīsies DNS).

Transkripcijas uzsākšana ir sarežģīts, bet sakārtots process. Darbības ietver:

1. Transkripcijas faktora olbaltumvielas saistās ar promotoru, kas atrodas transkribējamās secības augšpusē.
2. RNS polimerāze (ferments, kas saliek jaunu RNS) saistās ar DNS promotera-olbaltumvielu kompleksu, kas drīzāk ir līdzīgs automašīnas aizdedzes slēdzim.
3. Jaunizveidotais RNS polimerāzes / promotera-olbaltumvielu komplekss atdala divas komplementārās DNS virknes.
4. RNS polimerāze sāk sintezēt RNS, pa vienam nukleotīdam.

Atšķirībā no DNS polimerāzes RNS polimerāzi nav nepieciešams "gruntēt" ar otru fermentu. Transkripcijai ir nepieciešama tikai RNS polimerāzes saistīšana ar promotera zonu.

DNS gēni kodē olbaltumvielu molekulas. Tie ir kameras "kāju karavīri", kas veic dzīves uzturēšanai nepieciešamos pienākumus. Jūs domājat par gaļu vai muskuļiem vai veselīgu kokteili, domājot par olbaltumvielām, taču lielākā daļa olbaltumvielu lido zem jūsu ikdienas radara. Fermenti ir olbaltumvielas - molekulas, kas palīdz sadalīt barības vielas, veidot jaunus šūnu komponentus, savākt nukleīnskābes (piemēram, DNS polimerāzi) un šūnu dalīšanās laikā veidot DNS kopijas.

"Gēna ekspresija" nozīmē atbilstoša gēna proteīna ražošanu, ja tāds ir, un šim sarežģītajam procesam ir divi galvenie posmi. Pirmais ir transkripcija, detalizēta iepriekš. Tulkojumā jaunizveidotās mRNS molekulas iziet no kodola un migrē uz citoplazmu, kur atrodas ribosomas. (Prokariotu organismos ribosomas var pievienoties mRNS, kamēr transkripcija joprojām notiek.)

Ribosomas sastāv no divām atšķirīgām daļām: lielās apakšvienības un mazās apakšvienības. Katra apakšvienība parasti tiek atdalīta citoplazmā, bet tās apvienojas molekulas mRNS. Apakšvienībās ir nedaudz gandrīz visa jau minētā: olbaltumvielas, rRNS un tRNS. TRNS molekulas ir adaptera molekulas: viens gals var izlasīt tripleta kodu mRNS (piemēram, UAG vai CGC), izmantojot komplementāru bāzes savienošanu pārī, un otrs gals pievienojas noteiktai aminoskābei. Katrs tripleta kods ir atbildīgs par vienu no aptuveni 20 aminoskābēm, kas veido visus proteīnus; dažas aminoskābes kodē vairāki tripleti (kas nav pārsteidzoši, jo ir iespējami 64 trīskārši - četras bāzes paaugstinātas līdz trešajai jaudai, jo katram tripletam ir trīs bāzes - un tikai 20 aminoskābes ir nepieciešams). Ribosomā mRNS un aminoacil-tRNS kompleksi (tRNS gabali, kas pavada aminoskābi) tiek turēti ļoti tuvu viens otram, veicinot bāzes savienošanu pārī. rRNS katalizē katras papildu aminoskābes piesaisti augšanas ķēdei, kas kļūst par polipeptīdu un visbeidzot par olbaltumvielu.

Rezultātā, ka RNS var sevi sakārtot sarežģītās formās, tā var vāji darboties kā ferments. Tā kā RNS var gan uzglabāt ģenētisko informāciju, gan katalizēt reakcijas, daži zinātnieki ir ierosinājuši RNS galveno lomu dzīves izcelsme, saukta par "RNS pasauli". Šī hipotēze apgalvo, ka tālu Zemes vēsturē RNS molekulas spēlēja visu tādas pašas olbaltumvielu un nukleīnskābju molekulu lomas šodien spēlē, kas tagad būtu neiespējami, bet varētu būt iespējams pirmsbiotiskā pasaule. Ja RNS darbojās gan kā informācijas uzglabāšanas struktūra, gan kā katalītiskās aktivitātes avots, kas nepieciešams pamata metabolisma reakcijām, tai var būt iepriekšējās DNS formās (kaut arī tagad to ražo DNS) un kalpoja par platformu tādu “organismu” palaišanai, kuri ir patiesi sevi atkārtojošs.