Hva er ribonukleinsyre?

Ribonukleinsyre, eller RNA, er en av de to typene nukleinsyrer som finnes i livet på jorden. Den andre, deoksyribonukleinsyre (DNA), har lenge antatt en høyere profil enn RNA i populærkulturen, i hodet til tilfeldige observatører og andre steder. RNA er imidlertid den mer allsidige nukleinsyren; den tar instruksjonene den mottar fra DNA og forvandler dem til en rekke koordinerte aktiviteter involvert i proteinsyntese. Sett på denne måten kan DNA bli sett på som president eller kansler hvis innspill til slutt bestemmer hva som skjer på nivået med hverdagshendelser, mens RNA er hæren av lojale fotsoldater og gryntearbeidere som får de faktiske jobbene gjort og viser et bredt spekter av imponerende ferdigheter i prosess.

RNA, som DNA, er et makromolekyl (med andre ord et molekyl med et relativt stort antall individuelle atomer, i motsetning til for eksempel CO₂ eller H₂O) bestående av en polymer eller en kjede av gjentatte kjemiske elementer. "Koblingene" i denne kjeden, eller mer formelt monomerene som utgjør polymeren, kalles nukleotider. Et enkelt nukleotid består i sin tur av tre forskjellige kjemiske regioner, eller deler: et pentosesukker, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base. De nitrogenholdige basene kan være en av fire forskjellige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og uracil (U).

Adenin og guanin er kjemisk klassifisert som purinermens cytosin og uracil tilhører kategorien stoffer som kalles pyrimidiner. Puriner består hovedsakelig av en ring med fem ledd sammenføyd med en seksleddet ring, mens pyrimidiner er betydelig mindre og bare har en seks-karbon ring. Adenin og guanin er veldig like i struktur til hverandre, som er cytosin og uracil.

Pentosesukkeret i RNA er ribose, som inkluderer en ring med fem karbonatomer og ett oksygenatom. Fosfatgruppen er bundet til et karbonatom i ringen på den ene siden av oksygenatomet, og den nitrogenholdige basen er bundet til karbonatomet på den andre siden av oksygenet. Fosfatgruppen binder seg også til ribosen på det tilstøtende nukleotidet, slik at ribosen og fosfatdelen av et nukleotid sammen utgjør "ryggraden" i RNA.

De nitrogenholdige basene kan betraktes som den mest kritiske delen av RNA, fordi det er disse, i grupper på tre i tilstøtende nukleotider, som er av største funksjonelle betydning. Grupper på tre tilstøtende baser danner enheter kalt triplettkoder, eller kodoner, som bærer spesielle signaler til maskineriet som setter proteiner sammen ved hjelp av informasjonen som er koblet til først DNA og deretter RNA. Uten at denne koden tolkes som den er, vil rekkefølgen av nukleotider være irrelevant, som det vil bli beskrevet snart.

Når mennesker med litt bakgrunn i biologi hører begrepet "DNA", er det sannsynlig at en av de første tingene som kommer til hjernen er "dobbel helix". Det særegne DNA-molekylets struktur ble belyst av Watson, Crick, Franklin og andre i 1953, og blant teamets funn var at DNA er dobbeltstrenget og spiralformet i sin vanlig form. RNA er derimot praktisk talt alltid enkeltstrenget.

Som navnene på disse respektive makromolekylene antyder, inneholder DNA også et annet ribosesukker. I stedet for ribose inneholder den deoksyribose, en forbindelse identisk med ribose, bortsett fra å ha et hydrogenatom i stedet for en av hydroksylgruppene (-OH).

Til slutt, mens pyrimidinene i RNA er cytosin og uracil, i DNA er de cytosin og tymin. I "trinnene" til den dobbeltstrengede DNA-stigen "binder adenin seg med og bare med tymin, mens cytosin binder med og bare med guanin. (Kan du tenke deg en arkitektonisk grunn til at purinbaser bare binder seg til pyrimidinbaser over DNA-sentrum? Tips: "sidene" på stigen må være i en fast avstand fra hverandre.) Når DNA transkriberes og a komplementær RNA-streng blir opprettet, nukleotidet generert overfor adeninet i DNA er uracil, ikke tymin. Dette skillet hjelper naturen med å unngå å forvirre DNA og RNA i mobilmiljøer der det ikke er vanskelig ting kan skyldes uønsket oppførsel hvis enzymene som fungerer på de respektive molekyler.

Mens bare DNA er dobbeltstrenget, er RNA langt mer dyktig til å danne forseggjorte tredimensjonale strukturer. Dette har gjort det mulig for tre viktige former for RNA å utvikle seg i celler.

RNA kommer i tre grunnleggende typer, selv om det også finnes flere, veldig uklare varianter.

Messenger RNA (mRNA): mRNA-molekyler inneholder den kodende sekvensen for proteiner. MRNA-molekylene varierer veldig i lengde, med eukaryoter (i hovedsak de fleste levende ting som ikke er bakterier), inkludert det største RNA som hittil er oppdaget. Mange transkripsjoner overstiger 100.000 baser (100 kilobaser, eller kb) i lengde.

Overfør RNA (tRNA): tRNA er et kort (ca. 75 baser) molekyl som transporterer aminosyrer og flytter dem til det voksende proteinet under translasjon. Det antas at tRNA har et vanlig tredimensjonalt arrangement som ser ut som et kløverblad på røntgenanalyse. Dette er forårsaket av binding av komplementære baser når en tRNA-streng brettes tilbake på seg selv, omtrent som tape som festes til seg selv når du ved et uhell fører sidene til en stripe av den sammen.

Ribosomalt RNA (rRNA): rRNA-molekyler utgjør 65 til 70 prosent av massen av organellen kalt ribosom, strukturen som er direkte vert for oversettelse, eller proteinsyntese. Ribosomer er veldig store etter cellestandarder. Bakterielle ribosomer har molekylvekter på omtrent 2,5 millioner, mens eukaryote ribosomer har molekylvekt omtrent halvannen gang. (For referanse er molekylvekten til karbon 12; ingen enkelt element topper 300.)

Ett eukaryot ribosom, kalt 40S, inneholder ett rRNA, i tillegg til omtrent 35 forskjellige proteiner. 60S ribosomet inneholder tre rRNA og ca. 50 proteiner. Ribosomer er således en misforståelse av nukleinsyrer (rRNA) og proteinproduktene som andre nukleinsyrer (mRNA) bærer koden for å lage.

Inntil nylig antok molekylærbiologer at rRNA utførte en stort sett strukturell rolle. Nyere informasjon indikerer imidlertid at rRNA i ribosomer fungerer som et enzym, mens proteinene som omgir det fungerer som stillas.

Transkripsjon er prosessen med å syntetisere RNA fra en DNA-mal. Siden DNA er dobbeltstrenget og RNA er enkeltstrenget, må DNA-strengene skilles fra før transkripsjon kan forekomme.

Noe terminologi er nyttig på dette punktet. Et gen, som alle har hørt om, men få ikke-biologiske eksperter formelt kan definere, er bare en strekning av DNA som inneholder både en mal for RNA-syntese og sekvenser av nukleotider som gjør det mulig å regulere og kontrollere RNA-produksjon fra malen region. Da mekanismene for proteinsyntese først ble beskrevet med presisjon, antok forskere at hvert gen tilsvarte et enkelt proteinprodukt. Så praktisk som dette ville være (og så fornuftig som det gir på overflaten), har ideen vist seg å være feil. Noen gener koder ikke for proteiner i det hele tatt, og hos noen dyr "alternativ spleising" der samme gen kan utløses for å lage forskjellige proteiner under forskjellige forhold, ser ut til å være felles.

RNA-transkripsjon produserer et produkt som er utfyllende til DNA-malen. Dette betyr at det er et speilbilde av forskjellige slag, og naturlig vil parre seg til en hvilken som helst sekvens som er identisk med malen takket være de spesifikke basebaserte paringsreglene som er nevnt tidligere. For eksempel er DNA-sekvensen TACTGGT komplementær til RNA-sekvensen AUGACCA, siden hver base i den første sekvensen kan pares sammen med tilsvarende base i andre sekvens (merk at U vises i RNA der T vil vises i DNA).

Initiering av transkripsjon er en kompleks, men ryddig prosess. Trinnene inkluderer:

1. Transkripsjonsfaktorproteiner binder til en promotor "oppstrøms" av sekvensen som skal transkriberes.
2. RNA-polymerase (enzymet som monterer nytt RNA) binder seg til promoter-proteinkomplekset i DNA, som er som tenningsbryteren i en bil.
3. Det nydannede RNA-polymerase / promoter-proteinkomplekset skiller de to komplementære DNA-strengene.
4. RNA-polymerase begynner å syntetisere RNA, ett nukleotid om gangen.

I motsetning til DNA-polymerase trenger ikke RNA-polymerase å bli "primet" av et andre enzym. Transkripsjon krever bare binding av RNA-polymerase til promoterområdet.

Genene i DNA koder for proteinmolekyler. Dette er cellens "fotsoldater" som utfører pliktene som trengs for å opprettholde livet. Du kan tenke på kjøtt eller muskler eller en sunn risting når du tenker på et protein, men de fleste proteiner flyr under radaren i hverdagen din. Enzymer er proteiner - molekyler som hjelper til med å bryte ned næringsstoffer, bygge nye cellekomponenter, montere nukleinsyrer (for eksempel DNA-polymerase) og lage kopier av DNA under celledeling.

"Genuttrykk" betyr å produsere genets tilsvarende protein, hvis noen, og denne kompliserte prosessen har to primære trinn. Den første er transkripsjon, detaljert tidligere. I oversettelse går nylagede mRNA-molekyler ut av kjernen og migrerer til cytoplasma, der ribosomer er lokalisert. (I prokaryote organismer kan ribosomer feste seg til mRNA mens transkripsjon fortsatt er i gang.)

Ribosomer består av to forskjellige deler: den store underenheten og den lille underenheten. Hver underenhet skilles vanligvis i cytoplasmaet, men de kommer sammen på et molekyl-mRNA. Underenhetene inneholder litt av nesten alt som allerede er nevnt: proteiner, rRNA og tRNA. TRNA-molekylene er adaptermolekyler: Den ene enden kan lese triplettkoden i mRNA (for eksempel UAG eller CGC) via komplementær baseparring, og den andre enden fester seg til en spesifikk aminosyre. Hver triplettkode er ansvarlig for en av de omtrent 20 aminosyrene som utgjør alle proteiner; noen aminosyrer er kodet for av flere trillinger (noe som ikke er overraskende, siden 64 trillinger er mulig - fire baser hevet til tredje kraft fordi hver triplett har tre baser - og bare 20 aminosyrer er behov for). I ribosomet holdes mRNA og aminoacyl-tRNA-komplekser (biter av tRNA som skyter en aminosyre) veldig tett sammen, noe som letter baseparring. rRNA katalyserer bindingen av hver ekstra aminosyre til den voksende kjeden, som blir et polypeptid og til slutt et protein.

Som et resultat av dets evne til å ordne seg i komplekse former, kan RNA fungere svakt som et enzym. Fordi RNA både kan lagre genetisk informasjon og katalysere reaksjoner, har noen forskere foreslått en viktig rolle for RNA i livets opprinnelse, kalt "RNA-verdenen." Denne hypotesen hevder at RNA-molekyler, langt tilbake i jordens historie, spilte alt samme roller som protein og nukleinsyremolekyler spiller i dag, noe som ville være umulig nå, men som kanskje hadde vært mulig i en pre-biotisk verden. Hvis RNA fungerte både som en informasjonslagringsstruktur og som kilden til den katalytiske aktiviteten som er nødvendig for grunnleggende metabolske reaksjoner, kan det ha gikk foran DNA i sine tidligste former (selv om det nå er laget av DNA) og fungerte som en plattform for lansering av "organismer" som virkelig er selvrepliserende.