MRNA: Definisjon, funksjon og struktur

RNA, eller ribonukleinsyre, er en av to nukleinsyrer som finnes i naturen. Den andre, deoksyribonukleinsyre (DNA), er absolutt mer fast i fantasien. Selv mennesker med liten interesse for vitenskap har inntrykk av at DNA er viktig for videreføring av egenskaper fra en generasjon til neste, og at ethvert menneskes DNA er unikt (og derfor er en dårlig idé å la være å ha en forbrytelse scene). Men for all kjent DNA er RNA et mer allsidig molekyl som kommer i tre hovedformer: messenger RNA (mRNA), ribosomalt RNA (rRNA) og transfer RNA (tRNA).

Jobben med mRNA er sterkt avhengig av de to andre typene, og mRNA ligger rett i sentrum av det såkalte sentrale dogmet av molekylærbiologi (DNA avler RNA, som igjen får proteiner).

DNA og RNA er nukleinsyrer, noe som betyr at de er polymere makromolekyler, hvis monomere bestanddeler kalles nukleotider. Nukleotider består av tre forskjellige porsjoner: et pentosesukker, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base, valgt blant fire valg. Et pentosesukker er et sukker som inkluderer en fem-atom ringstruktur.

Tre store forskjeller skiller DNA fra RNA. For det første, i RNA, er sukkerdelen av nukleotidet ribose, mens det i DNA er deoksyribose, som ganske enkelt er ribose med en hydroksyl (-OH) gruppe fjernet fra et av karbonene i fem-atomringen og erstattet av et hydrogenatom (-H). Dermed er sukkerdelen av DNA bare ett oksygenatom mindre massivt enn RNA, men RNA er et langt mer kjemisk reaktivt molekyl enn DNA på grunn av den ene ekstra -OH-gruppen. For det andre er DNA, ganske kjent, dobbeltstrenget og såret i en spiralform i sin mest stabile fra. RNA er derimot enkeltstrenget. Og for det tredje, mens både DNA og RNA har de nitrogenholdige basene adenin (A), cytosin (C) og guanin (G), er den fjerde slike basen i DNA tymin (T), mens det i RNA er uracil (U).

Fordi DNA er dobbeltstrenget, har forskere siden midten av 1900-tallet visst at disse nitrogenholdige basene kobles sammen med og bare med en annen type base; Et par med T, og C par med G. Videre er A og G kjemisk klassifisert som puriner, mens C og T kalles pyrimidiner. Fordi puriner er vesentlig større enn pyrimidiner, vil en A-G-sammenkobling være altfor klumpete, mens en CT-sammenkobling vil være uvanlig underdimensjonert; begge disse situasjonene ville være forstyrrende for de to strengene i dobbeltstrenget DNA som hadde samme avstand fra hverandre på alle punkter langs de to trådene.

På grunn av denne sammenkoblingsplanen kalles de to DNA-strengene "komplementære", og sekvensen til den ene kan forutsies hvis den andre er kjent. For eksempel, hvis en streng på ti nukleotider i en streng av DNA har basesekvensen AAGCGTATTG, vil den komplementære DNA-strengen ha basesekvensen TTCGCATAAC. Fordi RNA er syntetisert fra en DNA-mal, har dette også implikasjoner for transkripsjon.

mRNA er den mest "DNA-lignende" formen for ribonukleinsyre fordi dens jobb stort sett er den samme: å overføre informasjonen kodet i gener, i form av nøye ordnede nitrogenholdige baser, til mobilmaskineriet som monteres proteiner. Men det finnes også forskjellige viktige typer RNA.

Den tredimensjonale strukturen til DNA ble belyst i 1953, og fikk James Watson og Francis Crick en Nobelpris. Men i årevis etterpå forble strukturen til RNA unnvikende til tross for noen av de samme DNA-eksperternes innsats for å beskrive den. På 1960-tallet ble det klart at selv om RNA er enkeltstrenget, er dets sekundære struktur - det vil si forholdet til sekvensen av nukleotider til hverandre når RNA slynger seg gjennom rommet - innebærer at lengder av RNA kan brettes inn på seg selv, med baser i samme streng og dermed knytter seg til hverandre på samme måte som en lengde på tape kan klebe seg selv hvis du lar det knekk. Dette er grunnlaget for den tverrlignende strukturen til tRNA, som inkluderer tre 180-graders bøyninger som skaper den molekylære ekvivalenten av blindveier i molekylet.

rRNA er noe annerledes. Alt rRNA er avledet fra ett monster av en rRNA-streng som er 13.000 nukleotider langt. Etter en rekke kjemiske modifikasjoner blir denne strengen spaltet i to ulike underenheter, den ene kalt 18S og den andre merket 28S. ("S" står for "Svedberg-enhet", et mål biologer bruker til indirekte å estimere massen av makromolekyler.) 18S-delen er innlemmet i det som er kalt den lille ribosomale underenheten (som når den er fullført faktisk er 30S) og 28S-delen bidrar til den store underenheten (som totalt har en størrelse på 50S); alle ribosomer inneholder en av hver underenhet sammen med et antall proteiner (ikke nukleinsyrer, som gjør proteiner selv mulige) for å gi ribosomer strukturell integritet.

DNA- og RNA-strenger har begge det som kalles 3 'og 5' ("tre-prime" og "fem-prime") ender basert på posisjonene til molekyler festet til sukkerdelen av strengen. I hvert nukleotid er fosfatgruppen festet til karbonatomet merket 5 'i ringen, mens 3'-karbonet har en hydroksyl (-OH) -gruppe. Når et nukleotid tilsettes en voksende nukleinsyrekjede, skjer dette alltid i 3'-enden av den eksisterende kjeden. Det vil si at fosfatgruppen i 5'-enden av det nye nukleotidet er bundet til 3'-karbonet med hydroksylgruppen før denne bindingen skjer. -OH erstattes av nukleotidet, som mister en proton (H) fra sin fosfatgruppe; dermed et molekyl av H₂O, eller vann, går tapt for miljøet i denne prosessen, noe som gjør RNA-syntese til et eksempel på en dehydratiseringssyntese.

Transkripsjon er prosessen der mRNA syntetiseres fra en DNA-mal. I prinsippet, gitt det du nå vet, kan du enkelt se for deg hvordan dette skjer. DNA er dobbeltstrenget, slik at hver streng kan tjene som en mal for enkeltstrenget RNA; disse to nye RNA-strengene, på grunn av uklarhetene til spesifikk baseparring, vil være komplementære til hverandre, ikke at de vil binde seg sammen. Transkripsjonen av RNA er veldig lik replikasjonen av DNA ved at de samme baseparringsreglene gjelder, hvor U tar plassen til T i RNA. Merk at denne erstatningen er et ensidig fenomen: T i DNA koder fortsatt for A i RNA, men A i DNA koder for U i RNA.

For at transkripsjon skal skje, må DNA-dobbeltspiralen løsnes, noe den gjør under ledelse av spesifikke enzymer. (Det forutsetter senere sin rette spiralforming.) Etter dette skjer, kalt en spesifikk sekvens passende promotorsekvenssignaler der transkripsjon skal begynne langs molekylet. Dette innkaller til molekylscenen et enzym kalt RNA-polymerase, som på dette tidspunktet er en del av et promotorkompleks. Alt dette skjer som en slags biokjemisk feilsikker mekanisme for å holde RNA-syntese fra å begynne på feil sted på DNA og derved produsere en RNA-streng som inneholder en uekte kode. RNA-polymerasen "leser" DNA-strengen som starter ved promotorsekvensen og beveger seg langs DNA-strengen, og tilfører nukleotider til 3'-enden av RNA. Vær oppmerksom på at RNA- og DNA-strengene, i kraft av å være komplementære, også er antiparallelle. Dette betyr at når RNA vokser i 3'-retningen, beveger den seg langs DNA-strengen ved DNA'ets 5'-ende. Dette er et lite, men ofte forvirrende poeng for studenter, så det kan være lurt å konsultere et diagram for å forsikre deg om at du forstår mekanikken til mRNA-syntese.

Bindingene som er opprettet mellom fosfatgruppene i ett nukleotid og sukkergruppen i det neste kalles fosfodiesterbindinger (uttalt "phos-pho-die-es-ter", ikke "phos-pho-dee-ster" som det kan være fristende å anta).

Enzymet RNA-polymerase kommer i mange former, selv om bakterier bare inkluderer en enkelt type. Det er et stort enzym, som består av fire proteinunderenheter: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) og sigma (σ). Kombinert har disse en molekylvekt på rundt 420 000 Dalton. (Som referanse har et enkelt karbonatom en molekylvekt på 12; et enkelt vannmolekyl, 18; og et helt glukosemolekyl, 180.) Enzymet, kalt et holoenzym når alle fire underenhetene er til stede, er ansvarlig for å gjenkjenne promotorsekvensene på DNA og trekke fra hverandre de to DNAene tråder. RNA-polymerase beveger seg langs genet som skal transkriberes ettersom det tilfører nukleotider til det voksende RNA-segmentet, en prosess som kalles forlengelse. Denne prosessen, som så mange i cellene, krever adenosintrifosfat (ATP) som energikilde. ATP er egentlig ikke noe annet enn et adeninholdig nukleotid som har tre fosfater i stedet for en.

Transkripsjon opphører når den bevegelige RNA-polymerase møter en avslutningssekvens i DNA. Akkurat som promotersekvensen kan sees på som ekvivalent med et grønt lys på et trafikklys, er avslutningssekvensen analog med et rødt lys eller stoppskilt.

Når et mRNA-molekyl som bærer informasjonen for et bestemt protein - det vil si et stykke mRNA som tilsvarer et gen - er komplett, er det fortsatt må behandles før den er klar til å gjøre jobben sin med å levere en kjemisk tegning til ribosomene, der proteinsyntese tar plass. I eukaryote organismer vandrer den også ut av kjernen (prokaryoter har ikke en kjerne).

Kritisk har nitrogenholdige baser genetisk informasjon i grupper på tre, kalt triplettkodoner. Hver kodon inneholder instruksjoner for å tilsette en bestemt aminosyre til et voksende protein. Akkurat som nukleotider er monomerenhetene til nukleinsyrer, er aminosyrer monomerer av proteiner. Fordi RNA inneholder fire forskjellige nukleotider (på grunn av de fire forskjellige basene som er tilgjengelige) og et kodon består av tre påfølgende nukleotider, er det 64 totale triplettkodoner tilgjengelig (4³ = 64). Det vil si at fra og med AAA, AAC, AAG, AAU og som jobber helt til UUU, er det 64 kombinasjoner. Mennesker bruker imidlertid bare 20 aminosyrer. Som et resultat sies triplettkoden å være overflødig: I de fleste tilfeller koder flere tripletter for den samme aminosyren. Det omvendte er ikke sant - det vil si at den samme tripletten ikke kan kode for mer enn en aminosyre. Du kan sannsynligvis se for deg det biokjemiske kaoset som ellers ville oppstå. Faktisk har aminosyrene leucin, arginin og serin hver seks trillinger som tilsvarer dem. Tre forskjellige kodoner er STOP-kodoner, som ligner transkripsjonsavslutningssekvensene i DNA.

Oversettelsen i seg selv er en svært samarbeidsprosess som samler alle medlemmene i den utvidede RNA-familien. Fordi det forekommer på ribosomer, innebærer det åpenbart bruk av rRNA. TRNA-molekylene, beskrevet tidligere som små kryss, er ansvarlige for å føre individuelle aminosyrer til oversettelsesstedet på ribosomet, med hver aminosyre kartet av sitt eget spesifikke merke av tRNA eskorte. I likhet med transkripsjon har oversettelse initierings-, forlengelses- og avslutningsfaser, og på slutten av syntesen av et proteinmolekyl er protein frigjøres fra ribosomet og pakkes inn i Golgi-legemer for bruk andre steder, og selve ribosomet dissosierer seg i komponenten underenheter.