MRNA: definitie, functie en structuur

RNA, of ribonucleïnezuur, is een van de twee nucleïnezuren die in de natuur worden aangetroffen. De andere, desoxyribonucleïnezuur (DNA), ligt zeker meer vast in de verbeelding. Zelfs mensen met weinig interesse in wetenschap hebben het idee dat DNA van vitaal belang is bij het doorgeven van eigenschappen van iemand generatie op de volgende, en dat het DNA van elk mens uniek is (en daarom een ​​slecht idee is om bij een misdaad achter te laten) tafereel). Maar ondanks de bekendheid van DNA is RNA een veelzijdiger molecuul, dat in drie hoofdvormen voorkomt: boodschapper-RNA (mRNA), ribosomaal RNA (rRNA) en transfer-RNA (tRNA).

De taak van mRNA is sterk afhankelijk van de andere twee typen, en mRNA staat vierkant in het middelpunt van het zogenaamde centrale dogma van de moleculaire biologie (DNA brengt RNA voort, dat op zijn beurt eiwitten voortbrengt).

DNA en RNA zijn nucleïnezuren, wat betekent dat het polymere macromoleculen zijn, waarvan de monomere bestanddelen nucleotiden worden genoemd. Nucleotiden bestaan ​​uit drie verschillende delen: een pentosesuiker, een fosfaatgroep en een stikstofbase, gekozen uit vier keuzes. Een pentosesuiker is een suiker met een ringstructuur met vijf atomen.

Drie belangrijke verschillen onderscheiden DNA van RNA. Ten eerste is in RNA het suikergedeelte van het nucleotide ribose, terwijl het in DNA deoxyribose is, wat eenvoudigweg ribose is met een hydroxyl (-OH) groep verwijderd uit een van de koolstofatomen in de vijf-atoomring en vervangen door een waterstofatoom (-H). Het suikergedeelte van DNA is dus slechts één zuurstofatoom minder massief dan RNA, maar RNA is een veel chemisch reactiever molecuul dan DNA vanwege zijn ene extra -OH-groep. Ten tweede is DNA, vrij beroemd, dubbelstrengs en in een spiraalvorm gewonden in de meest stabiele vorm. RNA daarentegen is enkelstrengs. En ten derde, terwijl DNA en RNA beide de stikstofbasen adenine (A), cytosine (C) en guanine (G) bevatten, is de vierde dergelijke base in DNA thymine (T), terwijl het in RNA uracil (U) is.

Omdat DNA dubbelstrengs is, weten wetenschappers sinds het midden van de twintigste eeuw dat deze stikstofbasen paren met en slechts met één ander soort base; A paren met T en C paren met G. Verder zijn A en G chemisch geclassificeerd als purines, terwijl C en T pyrimidinen worden genoemd. Omdat purines aanzienlijk groter zijn dan pyrimidinen, zou een A-G-koppeling te omvangrijk zijn, terwijl een C-T-koppeling ongewoon ondermaats zou zijn; beide situaties zouden storend zijn voor de twee strengen in dubbelstrengs DNA die op alle punten langs de twee strengen op dezelfde afstand van elkaar liggen.

Vanwege dit koppelingsschema worden de twee DNA-strengen "complementair" genoemd en kan de volgorde van de ene worden voorspeld als de andere bekend is. Als een reeks van tien nucleotiden in een DNA-streng bijvoorbeeld de basensequentie AAGCGTATTG heeft, zal de complementaire DNA-streng de basensequentie TTCGCATAAC hebben. Omdat RNA wordt gesynthetiseerd uit een DNA-sjabloon, heeft dit ook implicaties voor transcriptie.

mRNA is de meest "DNA-achtige" vorm van ribonucleïnezuur omdat zijn taak grotendeels hetzelfde is: de informatie doorgeven gecodeerd in genen, in de vorm van zorgvuldig geordende stikstofbasen, naar de cellulaire machinerie die assembleert eiwitten. Maar er bestaan ​​ook verschillende vitale soorten RNA.

De driedimensionale structuur van DNA werd in 1953 opgehelderd en leverde James Watson en Francis Crick een Nobelprijs op. Maar jarenlang bleef de structuur van RNA ongrijpbaar ondanks pogingen van dezelfde DNA-experts om het te beschrijven. In de jaren zestig werd duidelijk dat hoewel RNA enkelstrengs is, de secundaire structuur ervan, dat wil zeggen de relatie van de sequentie van nucleotiden aan elkaar terwijl het RNA zich een weg baant door de ruimte – impliceert dat stukken RNA zichzelf kunnen terugvouwen, met basen in dezelfde streng, dus op dezelfde manier met elkaar verbonden als een stuk ducttape aan zichzelf kan kleven als je het toestaat knik. Dit is de basis voor de kruisachtige structuur van tRNA, die drie bochten van 180 graden omvat die het moleculaire equivalent van doodlopende wegen in het molecuul creëren.

rRNA is iets anders. Al het rRNA is afgeleid van één monster van een rRNA-streng van ongeveer 13.000 nucleotiden lang. Na een aantal chemische modificaties wordt deze streng gesplitst in twee ongelijke subeenheden, de ene genaamd 18S en de andere met het label 28S. ("S" staat voor "Svedberg-eenheid", een maat die biologen gebruiken om indirect de massa van macromoleculen te schatten.) Het 18S-gedeelte is opgenomen in wat de kleine ribosomale subeenheid genoemd (die, wanneer voltooid, in feite 30S is) en het 28S-deel draagt ​​bij aan de grote subeenheid (die in totaal een grootte heeft van 50S); alle ribosomen bevatten een van elke subeenheid samen met een aantal eiwitten (geen nucleïnezuren, die eiwitten zelf mogelijk maken) om ribosomen te voorzien van structurele integriteit.

DNA- en RNA-strengen hebben beide zogenaamde 3'- en 5'-uiteinden ("drie-priemgetallen" en "vijf-priemgetallen"), gebaseerd op de posities van moleculen die aan het suikergedeelte van de streng zijn bevestigd. In elk nucleotide is de fosfaatgroep gehecht aan het koolstofatoom dat 5' in zijn ring is gelabeld, terwijl de 3'-koolstof een hydroxylgroep (-OH) heeft. Wanneer een nucleotide wordt toegevoegd aan een groeiende nucleïnezuurketen, gebeurt dit altijd aan het 3'-uiteinde van de bestaande keten. Dat wil zeggen, de fosfaatgroep aan het 5'-uiteinde van het nieuwe nucleotide wordt verbonden met het 3'-koolstofatoom met de hydroxylgroep voordat deze koppeling plaatsvindt. De -OH wordt vervangen door de nucleotide, die een proton (H) verliest van zijn fosfaatgroep; dus een molecuul H₂O, of water, gaat in dit proces verloren aan het milieu, waardoor RNA-synthese een voorbeeld is van een dehydratatiesynthese.

Transcriptie is het proces waarbij mRNA wordt gesynthetiseerd uit een DNA-sjabloon. Met wat je nu weet, kun je je in principe gemakkelijk voorstellen hoe dit gebeurt. DNA is dubbelstrengs, dus elke streng kan dienen als een sjabloon voor enkelstrengs RNA; deze twee nieuwe RNA-strengen zullen, vanwege de grillen van specifieke basenparing, complementair zijn aan elkaar, niet dat ze aan elkaar zullen binden. De transcriptie van RNA lijkt erg op de replicatie van DNA doordat dezelfde regels voor basenparen van toepassing zijn, waarbij U de plaats inneemt van T in RNA. Merk op dat deze vervanging een eenrichtingsverschijnsel is: T in DNA codeert nog steeds voor A in RNA, maar A in DNA codeert voor U in RNA.

Om transcriptie te laten plaatsvinden, moet de dubbele DNA-helix worden afgewikkeld, wat het doet onder leiding van specifieke enzymen. (Later neemt het zijn juiste spiraalvormige conformatie weer aan.) Nadat dit is gebeurd, signaleert een specifieke sequentie die toepasselijk de promotorsequentie wordt genoemd, waar de transcriptie langs het molecuul moet beginnen. Dit roept een enzym op dat RNA-polymerase wordt genoemd en dat tegen die tijd deel uitmaakt van een promotorcomplex. Dit alles gebeurt als een soort biochemisch faalveilig mechanisme om te voorkomen dat de RNA-synthese op de verkeerde plek op het DNA begint en daardoor een RNA-streng produceert die een onwettige code bevat. De RNA-polymerase "leest" de DNA-streng beginnend bij de promotorsequentie en beweegt langs de DNA-streng, waarbij nucleotiden aan het 3'-uiteinde van het RNA worden toegevoegd. Houd er rekening mee dat de RNA- en DNA-strengen, omdat ze complementair zijn, ook antiparallel zijn. Dit betekent dat als het RNA in de 3'-richting groeit, het langs de DNA-streng aan het 5'-uiteinde van het DNA beweegt. Dit is een klein maar vaak verwarrend punt voor studenten, dus misschien wil je een diagram raadplegen om er zeker van te zijn dat je de mechanica van mRNA-synthese begrijpt.

De bindingen die worden gecreëerd tussen de fosfaatgroepen van de ene nucleotide en de suikergroep van de volgende worden genoemd fosfodiesterbindingen (uitgesproken als "phos-pho-die-es-ter", niet "phos-pho-dee-ster", omdat het verleidelijk kan zijn om uitgaan van).

Het enzym RNA-polymerase komt in vele vormen voor, hoewel bacteriën slechts één type bevatten. Het is een groot enzym, bestaande uit vier eiwitsubeenheden: alfa (α), bèta (β), bèta-prime (β′) en sigma (σ). Samen hebben deze een molecuulgewicht van ongeveer 420.000 Dalton. (Ter referentie, een enkel koolstofatoom heeft een molecuulgewicht van 12; een enkel watermolecuul, 18; en een heel glucosemolecuul, 180.) Het enzym, een holo-enzym genoemd wanneer alle vier de subeenheden zijn aanwezig is, is verantwoordelijk voor het herkennen van de promotorsequenties op DNA en het uit elkaar trekken van de twee DNA's strengen. RNA-polymerase beweegt langs het gen dat moet worden getranscribeerd terwijl het nucleotiden toevoegt aan het groeiende RNA-segment, een proces dat elongatie wordt genoemd. Dit proces vereist, zoals zoveel processen in cellen, adenosinetrifosfaat (ATP) als energiebron. ATP is eigenlijk niets meer dan een adeninebevattend nucleotide dat drie fosfaten heeft in plaats van één.

Transcriptie stopt wanneer het bewegende RNA-polymerase een terminatiesequentie in DNA tegenkomt. Net zoals de promotorsequentie kan worden gezien als het equivalent van een groen licht op een verkeerslicht, is de beëindigingssequentie het analoog van een rood licht of een stopbord.

Wanneer een mRNA-molecuul dat de informatie voor een bepaald eiwit draagt ​​- dat wil zeggen een stuk mRNA dat overeenkomt met een gen - compleet is, moet nog worden verwerkt voordat het klaar is om zijn werk te doen: het leveren van een chemische blauwdruk aan de ribosomen, waar eiwitsynthese plaatsvindt plaats. In eukaryote organismen migreert het ook uit de kern (prokaryoten hebben geen kern).

Van cruciaal belang is dat stikstofhoudende basen genetische informatie dragen in groepen van drie, tripletcodons genaamd. Elk codon bevat instructies om een ​​bepaald aminozuur toe te voegen aan een groeiend eiwit. Net zoals nucleotiden de monomeereenheden van nucleïnezuren zijn, zijn aminozuren de monomeren van eiwitten. Omdat RNA vier verschillende nucleotiden bevat (vanwege de vier verschillende beschikbare basen) en een codon uit drie opeenvolgende nucleotiden bestaat, zijn er in totaal 64 tripletcodons beschikbaar (4³ = 64). Dat wil zeggen, beginnend met AAA, AAC, AAG, AAU en doorlopend tot aan UUU, zijn er 64 combinaties. De mens maakt echter gebruik van slechts 20 aminozuren. Als gevolg hiervan wordt gezegd dat de tripletcode overbodig is: in de meeste gevallen coderen meerdere triplets voor hetzelfde aminozuur. Het omgekeerde is niet waar - dat wil zeggen dat hetzelfde triplet niet voor meer dan één aminozuur kan coderen. Je kunt je waarschijnlijk de biochemische chaos voorstellen die anders zou ontstaan. In feite hebben de aminozuren leucine, arginine en serine elk zes tripletten die daarmee overeenkomen. Drie verschillende codons zijn STOP-codons, vergelijkbaar met de transcriptieterminatiesequenties in DNA.

Vertaling zelf is een zeer coöperatief proces, waarbij alle leden van de uitgebreide RNA-familie worden samengebracht. Omdat het op ribosomen voorkomt, gaat het uiteraard om het gebruik van rRNA. De tRNA-moleculen, eerder beschreven als kleine kruisjes, zijn verantwoordelijk voor het transport van individuele aminozuren naar de translatieplaats op het ribosoom, waarbij elk aminozuur wordt vervoerd door zijn eigen specifieke merk tRNA escorte. Net als transcriptie heeft translatie initiatie-, verlengings- en terminatiefasen, en aan het einde van de synthese van een eiwitmolecuul, de eiwit komt vrij uit het ribosoom en verpakt in Golgi-lichamen voor gebruik elders, en het ribosoom zelf dissocieert in zijn component subeenheden.