Co to jest kwas rybonukleinowy?

Kwas rybonukleinowy lub RNA jest jednym z dwóch rodzajów kwasów nukleinowych występujących w życiu na Ziemi. Drugi kwas, kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), od dawna ma wyższy profil niż RNA w kulturze popularnej, w umysłach przypadkowych obserwatorów i nie tylko. RNA jest jednak bardziej wszechstronnym kwasem nukleinowym; pobiera instrukcje, które otrzymuje z DNA i przekształca je w różne skoordynowane działania zaangażowane w syntezę białek. Patrząc w ten sposób, DNA może być postrzegane jako prezydent lub kanclerz, którego wkład ostatecznie determinuje to, co dzieje się na poziomie codziennych wydarzeń, podczas gdy RNA to armia lojalnych żołnierzy piechoty i robotników gruntowych, którzy wykonują rzeczywistą pracę i wykazują szeroki zakres imponujących umiejętności w proces.

RNA, podobnie jak DNA, jest makrocząsteczką (innymi słowy, cząsteczką o stosunkowo dużej liczbie pojedynczych atomów, w przeciwieństwie do, powiedzmy, CO₂ lub H₂O) składający się z polimeru lub łańcucha powtarzających się pierwiastków chemicznych. „Ogniwa” w tym łańcuchu lub bardziej formalnie monomery, które tworzą polimer, nazywane są nukleotydami. Pojedynczy nukleotyd składa się z kolei z trzech różnych regionów chemicznych lub ugrupowań: cukru pentozowego, grupy fosforanowej i zasady azotowej. Zasady azotowe mogą być jedną z czterech różnych zasad: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i uracyl (U).

Adenina i guanina są chemicznie sklasyfikowane jako puryn, natomiast cytozyna i uracyl należą do kategorii substancji zwanych pirymidyny. Puryny składają się głównie z pięcioczłonowego pierścienia połączonego z sześcioczłonowym pierścieniem, podczas gdy pirymidyny są znacznie mniejsze i mają tylko sześciowęglowy pierścień. Adenina i guanina mają bardzo podobną budowę, podobnie jak cytozyna i uracyl.

Cukier pentozowy w RNA to ryboza, który zawiera pierścień z pięcioma atomami węgla i jednym atomem tlenu. Grupa fosforanowa jest połączona z atomem węgla w pierścieniu po jednej stronie atomu tlenu, a zasada azotowa jest połączona z atomem węgla po drugiej stronie tlenu. Grupa fosforanowa wiąże się również z rybozą na sąsiednim nukleotydzie, więc część rybozy i fosforanu nukleotydu tworzą razem „szkielet” RNA.

Zasady azotowe można uznać za najbardziej krytyczną część RNA, ponieważ to właśnie one, w grupach po trzy w sąsiednich nukleotydach, mają największe znaczenie funkcjonalne. Grupy trzech sąsiadujących ze sobą podstaw tworzą jednostki zwane kody trójkowe, lub kodony, które przenoszą specjalne sygnały do ​​maszynerii, która składa białka razem, wykorzystując informacje podłączone najpierw do DNA, a następnie do RNA. Bez interpretacji tego kodu w takiej postaci, w jakiej jest, kolejność nukleotydów byłaby nieistotna, co zostanie wkrótce opisane.

Kiedy ludzie z niewielkim wykształceniem biologicznym słyszą termin „DNA”, prawdopodobnie jedną z pierwszych rzeczy, które przychodzą na myśl, jest „podwójna helisa”. Charakterystyczny struktura cząsteczki DNA została wyjaśniona przez Watsona, Cricka, Franklina i innych w 1953 roku, a wśród ustaleń zespołu było to, że DNA jest dwuniciowy i helikalny w swoim zwykła forma. Natomiast RNA jest praktycznie zawsze jednoniciowy.

Ponadto, jak sugerują nazwy tych odpowiednich makrocząsteczek, DNA zawiera inny cukier rybozy. Zamiast rybozy zawiera dezoksyrybozę, związek identyczny z rybozą, z wyjątkiem posiadania atomu wodoru w miejscu jednej z jej grup hydroksylowych (-OH).

Wreszcie, podczas gdy pirymidyny w RNA to cytozyna i uracyl, w DNA są to cytozyna i tymina. W „szczeblach” dwuniciowej „drabinki” DNA adenina wiąże się z i tylko z tyminą, podczas gdy cytozyna wiąże się z i tylko z guaniną. (Czy możesz sobie wyobrazić architektoniczny powód, dla którego zasady purynowe wiążą się tylko z zasadami pirymidynowymi w centrum DNA? Wskazówka: „boki” drabiny muszą pozostać w stałej odległości od siebie.) Gdy DNA jest transkrybowane i a powstaje nić komplementarna RNA, nukleotyd generowany naprzeciwko adeniny w DNA to uracyl, nie tymina. To rozróżnienie pomaga naturze uniknąć pomylenia DNA i RNA w środowiskach komórkowych, w których rzeczy mogą wynikać z niepożądanego zachowania, jeśli enzymy działające na odpowiednie molekuły.

Podczas gdy tylko DNA jest dwuniciowe, RNA jest znacznie sprawniejsze w tworzeniu skomplikowanych struktur trójwymiarowych. Pozwoliło to na rozwój trzech podstawowych form RNA w komórkach.

RNA występuje w trzech podstawowych typach, chociaż istnieją również dodatkowe, bardzo niejasne odmiany.

Komunikator RNA (mRNA): Cząsteczki mRNA zawierają sekwencję kodującą białka. Cząsteczki mRNA różnią się znacznie długością, przy czym eukarionty (zasadniczo większość żywych organizmów, które nie są bakteriami), obejmują największe dotychczas odkryte RNA. Długość wielu transkryptów przekracza 100 000 zasad (100 kilozasad lub kb).

Transferowy RNA (tRNA): tRNA to krótka (około 75 zasad) cząsteczka, która transportuje aminokwasy i przenosi je do rosnącego białka podczas translacji. Uważa się, że tRNA mają wspólny trójwymiarowy układ, który wygląda jak koniczyna w analizie rentgenowskiej. Jest to spowodowane wiązaniem komplementarnych zasad, gdy nić tRNA zwija się z powrotem, podobnie jak taśma przyklejająca się do siebie, gdy przypadkowo połączysz boki jej paska.

Rybosomalny RNA (rRNA): Cząsteczki rRNA stanowią 65 do 70 procent masy organelli zwanej rybosom, struktura, która bezpośrednio obsługuje translację lub syntezę białek. Rybosomy są bardzo duże według standardów komórkowych. Rybosomy bakteryjne mają masę cząsteczkową około 2,5 miliona, podczas gdy rybosomy eukariotyczne mają masę cząsteczkową około półtora raza większą. (Dla odniesienia masa cząsteczkowa węgla wynosi 12; bez jednego elementu blaty 300.)

Jeden rybosom eukariotyczny, zwany 40S, zawiera jeden rRNA oraz około 35 różnych białek. Rybosom 60S zawiera trzy rRNA i około 50 białek. Rybosomy są zatem mieszanką kwasów nukleinowych (rRNA) i produktów białkowych, których kod niosą inne kwasy nukleinowe (mRNA).

Do niedawna biolodzy molekularni zakładali, że rRNA pełni głównie rolę strukturalną. Nowsze informacje wskazują jednak, że rRNA w rybosomach działa jak enzym, podczas gdy otaczające go białka działają jak rusztowanie.

Transkrypcja to proces syntezy RNA z matrycy DNA. Ponieważ DNA jest dwuniciowy, a RNA jednoniciowy, nici DNA muszą zostać rozdzielone, zanim będzie mogła nastąpić transkrypcja.

W tym momencie przydatna jest pewna terminologia. Gen, o którym wszyscy słyszeli, ale niewielu ekspertów spoza biologii może formalnie zdefiniować, to tylko odcinek DNA, który zawiera zarówno matryca do syntezy RNA i sekwencje nukleotydów, które umożliwiają regulację i kontrolę produkcji RNA z matrycy region. Kiedy po raz pierwszy precyzyjnie opisano mechanizmy syntezy białek, naukowcy postawili hipotezę, że każdy gen odpowiada jednemu produktowi białkowemu. Choć byłoby to wygodne (i tyle sensu, ile na pierwszy rzut oka), pomysł okazał się niepoprawny. Niektóre geny w ogóle nie kodują białek, a u niektórych zwierząt „alternatywny splicing”, w którym Wydaje się, że ten sam gen może być wyzwalany do wytwarzania różnych białek w różnych warunkach wspólny.

Transkrypcja RNA wytwarza produkt, który jest uzupełniający do szablonu DNA. Oznacza to, że jest to swego rodzaju lustrzane odbicie i naturalnie sparowałby się z dowolną sekwencją identyczną z szablonem dzięki specyficznym zasadom parowania zasad opisanych wcześniej. Na przykład sekwencja DNA TACTGGT jest komplementarna do sekwencji RNA AUGACCA, ponieważ każda zasada w pierwszej sekwencji można sparować z odpowiednią zasadą w drugiej sekwencji (zauważ, że U pojawia się w RNA, gdzie T pojawiłoby się w DNA).

Rozpoczęcie transkrypcji to złożony, ale uporządkowany proces. Kroki obejmują:

1. Białka czynnika transkrypcji wiążą się z promotorem „powyżej” sekwencji, która ma być transkrybowana.
2. polimeraza RNA (enzym, który składa nowe RNA) wiąże się z kompleksem promotor-białko DNA, co przypomina włącznik zapłonu w samochodzie.
3. Nowo utworzony kompleks polimeraza RNA/promotor-białko oddziela dwie komplementarne nici DNA.
4. Polimeraza RNA rozpoczyna syntezę RNA, po jednym nukleotydzie na raz.

W przeciwieństwie do polimerazy DNA, polimeraza RNA nie musi być „uruchamiana” przez drugi enzym. Transkrypcja wymaga jedynie wiązania polimerazy RNA do obszaru promotora.

Geny w DNA kodują cząsteczki białek. Są to „piechotnicy” celi, pełniący obowiązki potrzebne do podtrzymywania życia. Kiedy myślisz o białku, możesz pomyśleć o mięsie, mięśniach lub zdrowym shake'u, ale większość białek ulatnia się z radarem twojego codziennego życia. Enzymy to białka – cząsteczki, które pomagają rozkładać składniki odżywcze, budować nowe składniki komórki, łączyć kwasy nukleinowe (np. polimerazę DNA) i tworzyć kopie DNA podczas podziału komórki.

„Ekspresja genu” oznacza wytwarzanie odpowiedniego białka genu, jeśli w ogóle, a ten skomplikowany proces składa się z dwóch podstawowych etapów. Pierwsza to transkrypcja, opisana wcześniej. Podczas translacji nowo utworzone cząsteczki mRNA opuszczają jądro i migrują do cytoplazmy, gdzie znajdują się rybosomy. (W organizmach prokariotycznych rybosomy mogą przyłączać się do mRNA, gdy transkrypcja jest nadal w toku.)

Rybosomy składają się z dwóch odrębnych części: dużej podjednostki i małej podjednostki. Każda podjednostka jest zwykle oddzielona w cytoplazmie, ale łączą się na cząsteczkowym mRNA. Podjednostki zawierają prawie wszystko, co już wspomniano: białka, rRNA i tRNA. Cząsteczki tRNA są cząsteczkami adaptorowymi: jeden koniec może odczytać kod tripletowy w mRNA (na przykład UAG lub CGC) poprzez komplementarne parowanie zasad, a drugi koniec przyłącza się do określonego aminokwasu. Każdy kod tripletowy jest odpowiedzialny za jeden z około 20 aminokwasów, które składają się na wszystkie białka; niektóre aminokwasy są kodowane przez wiele trypletów (co nie jest zaskakujące, ponieważ możliwe są 64 tryplety – cztery zasady podniesione do trzeciej potęgi, ponieważ każdy triplet ma trzy zasady – a tylko 20 aminokwasów to potrzebne). W rybosomie kompleksy mRNA i aminoacylo-tRNA (kawałki tRNA przemieszczające aminokwas) są utrzymywane bardzo blisko siebie, co ułatwia parowanie zasad. rRNA katalizuje przyłączenie każdego dodatkowego aminokwasu do rosnącego łańcucha, który staje się polipeptydem i ostatecznie białkiem.

W wyniku swojej zdolności do układania się w skomplikowane kształty, RNA może słabo działać jako enzym. Ponieważ RNA może zarówno przechowywać informacje genetyczne, jak i katalizować reakcje, niektórzy naukowcy sugerują, że RNA odgrywa ważną rolę w pochodzenie życia, zwane „Światem RNA”. Zgodnie z tą hipotezą, od dawna w historii Ziemi, cząsteczki RNA odgrywały wszystkie te same role pełnią dziś cząsteczki białek i kwasów nukleinowych, co byłoby niemożliwe teraz, ale mogłoby być możliwe za świat prebiotyczny. Jeśli RNA działa zarówno jako struktura magazynująca informacje, jak i jako źródło aktywności katalitycznej potrzebnej do podstawowych reakcji metabolicznych, może mieć poprzedzał DNA w jego najwcześniejszych formach (chociaż jest teraz wytwarzany przez DNA) i służył jako platforma do wystrzeliwania „organizmów”, które są naprawdę samoreplikujący się.