MRNA: definicja, funkcja i struktura

RNA, czyli kwas rybonukleinowy, jest jednym z dwóch kwasów nukleinowych występujących w przyrodzie. Drugi, kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), jest z pewnością bardziej utrwalony w wyobraźni. Nawet ludzie mało zainteresowani nauką mają podejrzenie, że DNA jest niezbędne w przekazywaniu cech jednej osoby z pokolenia na pokolenie, i że DNA każdego człowieka jest unikalne (i dlatego jest to zły pomysł, aby zostawić go na zbrodnię) scena). Ale mimo całej sławy DNA, RNA jest bardziej wszechstronną cząsteczką, występującą w trzech głównych formach: informacyjnego RNA (mRNA), rybosomalnego RNA (rRNA) i transferowego RNA (tRNA).

Zadanie mRNA w dużej mierze zależy od pozostałych dwóch typów, a mRNA leży bezpośrednio w centrum tak zwanego centralnego dogmatu biologii molekularnej (DNA rodzi RNA, który z kolei rodzi białka).

DNA i RNA są kwasami nukleinowymi, co oznacza, że ​​są polimerowymi makrocząsteczkami, których monomeryczne składniki nazywane są nukleotydami. Nukleotydy składają się z trzech odrębnych części: cukru pentozowego, grupy fosforanowej i zasady azotowej, wybranych spośród czterech opcji. Cukier pentozowy to cukier, który zawiera pięcioatomową strukturę pierścieniową.

Trzy główne różnice odróżniają DNA od RNA. Po pierwsze, w RNA częścią cukrową nukleotydu jest ryboza, podczas gdy w DNA jest to dezoksyryboza, czyli po prostu ryboza z grupą hydroksylową (-OH) usuniętą z jednego z atomów węgla w pierścieniu pięcioatomowym i zastąpioną atomem wodoru (-H). Tak więc cukrowa część DNA jest tylko o jeden atom tlenu mniej masywna niż RNA, ale RNA jest znacznie bardziej reaktywną chemicznie cząsteczką niż DNA z powodu swojej dodatkowej grupy -OH. Po drugie, DNA jest, jak wiadomo, dwuniciowe i zwinięte w spiralny kształt w swojej najbardziej stabilnej formie. Z drugiej strony RNA jest jednoniciowy. I po trzecie, podczas gdy zarówno DNA, jak i RNA zawierają zasady azotowe adeninę (A), cytozynę (C) i guaninę (G), czwartą taką zasadą w DNA jest tymina (T), podczas gdy w RNA jest to uracyl (U).

Ponieważ DNA jest dwuniciowe, naukowcy wiedzieli od połowy XX wieku, że te zasady azotowe łączą się tylko z jednym rodzajem zasad; Pary A z T i pary C z G. Co więcej, A i G są chemicznie klasyfikowane jako puryny, podczas gdy C i T są nazywane pirymidynami. Ponieważ puryny są znacznie większe niż pirymidyny, para A-G byłaby zbyt obszerna, podczas gdy para C-T byłaby niezwykle mała; obie te sytuacje byłyby destrukcyjne dla dwóch nici w dwuniciowym DNA, które znajdują się w tej samej odległości od siebie we wszystkich punktach wzdłuż dwóch nici.

Ze względu na ten schemat parowania, dwie nici DNA nazywane są „komplementarnymi”, a sekwencja jednej może być przewidziana, jeśli znana jest druga. Na przykład, jeśli ciąg dziesięciu nukleotydów w nici DNA ma sekwencję zasad AAGCGTATTG, komplementarna nić DNA będzie miała sekwencję zasad TTCGCATAAC. Ponieważ RNA jest syntetyzowany z matrycy DNA, ma to również wpływ na transkrypcję.

mRNA jest najbardziej „podobną do DNA” formą kwasu rybonukleinowego, ponieważ jego zadanie jest w dużej mierze takie samo: przekazywanie informacji zakodowane w genach, w postaci starannie uporządkowanych zasad azotowych, do maszynerii komórkowej, która się składa białka. Ale istnieją również różne ważne typy RNA.

Trójwymiarowa struktura DNA została wyjaśniona w 1953 roku, co przyniosło Jamesowi Watsonowi i Francisowi Crickowi Nagrodę Nobla. Ale przez wiele lat struktura RNA pozostawała nieuchwytna pomimo wysiłków podejmowanych przez niektórych z tych samych ekspertów DNA, aby ją opisać. W latach 60. stało się jasne, że chociaż RNA jest jednoniciowy, jego struktura drugorzędowa – czyli związek sekwencji nukleotydów do siebie, gdy RNA wije się w przestrzeni – oznacza, że ​​długości RNA mogą się zwijać z powrotem na siebie, z podstawy z tego samego pasma, łącząc się ze sobą w ten sam sposób, w jaki odcinek taśmy klejącej może przykleić się do siebie, jeśli pozwolisz na to skręt. Jest to podstawa krzyżowej struktury tRNA, która obejmuje trzy 180-stopniowe zagięcia, które tworzą molekularny odpowiednik ślepych zaułków w cząsteczce.

rRNA jest nieco inny. Całe rRNA pochodzi z jednego potwora z nici rRNA o długości około 13 000 nukleotydów. Po wielu modyfikacjach chemicznych nić ta zostaje rozszczepiona na dwie nierówne podjednostki, jedną zwaną 18S, a drugą 28S. („S” oznacza „jednostkę Svedberga”, miarę używaną przez biologów do pośredniego oszacowania masy makrocząsteczek.) Część 18S jest włączona do tego, co jest nazywana małą podjednostką rybosomalną (która po ukończeniu jest w rzeczywistości 30S), a część 28S przyczynia się do dużej podjednostki (która w sumie ma rozmiar 50S); wszystkie rybosomy zawierają jedną z każdej podjednostki wraz z pewną liczbą białek (nie kwasów nukleinowych, które same w sobie umożliwiają tworzenie białek), aby zapewnić rybosomom integralność strukturalną.

Nici DNA i RNA mają tak zwane końce 3' i 5' („trzy-prim” i „pięć-prim”) w oparciu o pozycje cząsteczek przyłączonych do części cukrowej nici. W każdym nukleotydzie grupa fosforanowa jest przyłączona do atomu węgla oznaczonego 5' w jego pierścieniu, podczas gdy węgiel 3' zawiera grupę hydroksylową (-OH). Kiedy nukleotyd jest dodawany do rosnącego łańcucha kwasu nukleinowego, następuje to zawsze na końcu 3' istniejącego łańcucha. Oznacza to, że grupa fosforanowa na końcu 5' nowego nukleotydu jest połączona z węglem 3' zawierającym grupę hydroksylową, zanim nastąpi to połączenie. -OH jest zastąpiony przez nukleotyd, który traci proton (H) ze swojej grupy fosforanowej; zatem cząsteczka H₂O, czyli woda, jest w tym procesie tracona do środowiska, co czyni syntezę RNA przykładem syntezy odwodnienia.

Transkrypcja to proces, w którym mRNA jest syntetyzowane z matrycy DNA. W zasadzie, biorąc pod uwagę to, co teraz wiesz, możesz łatwo wyobrazić sobie, jak to się dzieje. DNA jest dwuniciowy, więc każda nić może służyć jako matryca dla jednoniciowego RNA; te dwie nowe nici RNA, ze względu na kaprysy specyficznego parowania zasad, będą do siebie komplementarne, a nie połączą się ze sobą. Transkrypcja RNA jest bardzo podobna do replikacji DNA, ponieważ obowiązują te same zasady parowania zasad, gdzie U zastępuje T w RNA. Zauważ, że ta zamiana jest zjawiskiem jednokierunkowym: T w DNA nadal koduje A w RNA, ale A w DNA koduje U w RNA.

Aby nastąpiła transkrypcja, podwójna helisa DNA musi się rozwinąć, co dzieje się pod kierunkiem określonych enzymów. (Później ponownie przyjmuje swoją właściwą konformację spiralną.) Po tym, specyficzna sekwencja trafnie nazywana sekwencją promotorową sygnalizuje, gdzie ma rozpocząć się transkrypcja wzdłuż cząsteczki. To przywołuje na scenę molekularną enzym zwany polimerazą RNA, który do tego czasu jest częścią kompleksu promotorowego. Wszystko to jest rodzajem biochemicznego mechanizmu zabezpieczającego przed niepowodzeniem, który zatrzymuje syntezę RNA w złym miejscu na DNA, a tym samym wytwarza nić RNA, która zawiera nieprawidłowy kod. Polimeraza RNA „odczytuje” nić DNA zaczynając od sekwencji promotora i porusza się wzdłuż nici DNA, dodając nukleotydy do końca 3' RNA. Należy pamiętać, że nici RNA i DNA, ze względu na to, że są komplementarne, są również antyrównoległe. Oznacza to, że gdy RNA rośnie w kierunku 3', porusza się wzdłuż nici DNA na końcu 5' DNA. Jest to drobny, ale często mylący punkt dla uczniów, więc możesz chcieć zapoznać się z diagramem, aby upewnić się, że rozumiesz mechanikę syntezy mRNA.

Wiązania utworzone między grupami fosforanowymi jednego nukleotydu a grupą cukrową następnego są nazywane wiązania fosfodiestrowe (wymawiane „phos-pho-die-es-ter”, a nie „phos-pho-dee-ster”, ponieważ może to być kuszące założyć).

Enzym polimeraza RNA występuje w wielu formach, chociaż bakterie obejmują tylko jeden typ. Jest to duży enzym, składający się z czterech podjednostek białkowych: alfa (α), beta (β), beta-prim (β′ ) i sigma (σ). Łącznie mają one masę cząsteczkową około 420 000 Daltonów. (Dla odniesienia, pojedynczy atom węgla ma masę cząsteczkową 12; pojedyncza cząsteczka wody, 18; i cała cząsteczka glukozy, 180.) Enzym zwany holoenzymem, gdy wszystkie cztery podjednostki są obecny, jest odpowiedzialny za rozpoznanie sekwencji promotorowych na DNA i rozerwanie dwóch DNA nici. Polimeraza RNA przemieszcza się wzdłuż genu, który ma być transkrybowany, ponieważ dodaje nukleotydy do rosnącego segmentu RNA, w procesie zwanym wydłużaniem. Ten proces, podobnie jak wiele w komórkach, wymaga adenozynotrifosforanu (ATP) jako źródła energii. ATP to tak naprawdę nic innego jak nukleotyd zawierający adeninę, który ma trzy fosforany zamiast jednego.

Transkrypcja ustaje, gdy poruszająca się polimeraza RNA napotka sekwencję terminacji w DNA. Tak jak sekwencja promotora może być postrzegana jako odpowiednik zielonego światła na sygnalizacji świetlnej, sekwencja zakończenia jest analogiem czerwonego światła lub znaku stopu.

Kiedy cząsteczka mRNA niosąca informacje o określonym białku – to jest fragment mRNA odpowiadający genowi – jest kompletna, nadal musi zostać przetworzony, zanim będzie gotowy do wykonania swojej pracy polegającej na dostarczeniu chemicznego schematu do rybosomów, gdzie zachodzi synteza białek miejsce. W organizmach eukariotycznych migruje również z jądra (prokariota nie mają jądra).

Zasadniczo, zasady azotowe niosą informację genetyczną w grupach po trzy, zwanych kodonami trypletowymi. Każdy kodon zawiera instrukcje dodania określonego aminokwasu do rosnącego białka. Tak jak nukleotydy są jednostkami monomerowymi kwasów nukleinowych, tak aminokwasy są monomerami białek. Ponieważ RNA zawiera cztery różne nukleotydy (dzięki czterem różnym dostępnym zasadom), a kodon składa się z trzech kolejnych nukleotydów, dostępne są 64 kodony trypletowe (4³ = 64). Oznacza to, że zaczynając od AAA, AAC, AAG, AAU i pracując aż do UUU, mamy 64 kombinacje. Jednak ludzie wykorzystują tylko 20 aminokwasów. W rezultacie mówi się, że kod trypletowy jest zbędny: w większości przypadków wielokrotne tryplety kodują ten sam aminokwas. Odwrotność nie jest prawdą – to znaczy, że ta sama trójka nie może kodować więcej niż jednego aminokwasu. Prawdopodobnie możesz sobie wyobrazić biochemiczny chaos, który powstałby inaczej. W rzeczywistości aminokwasy leucyna, arginina i seryna mają po sześć odpowiadających im trypletów. Trzy różne kodony to kodony STOP, podobne do sekwencji terminacji transkrypcji w DNA.

Sama translacja jest procesem wysoce kooperacyjnym, łączącym wszystkich członków rozszerzonej rodziny RNA. Ponieważ występuje na rybosomach, oczywiście wiąże się z użyciem rRNA. Cząsteczki tRNA, opisane wcześniej jako małe krzyżówki, są odpowiedzialne za przenoszenie poszczególnych aminokwasów do miejsce translacji na rybosomie, z każdym aminokwasem związanym z jego własną, specyficzną marką tRNA eskorta. Podobnie jak transkrypcja, translacja ma fazy inicjacji, elongacji i terminacji, a pod koniec syntezy cząsteczki białka, białko jest uwalniane z rybosomu i pakowane do ciał Golgiego do wykorzystania w innym miejscu, a sam rybosom dysocjuje na swój składnik podjednostki.