Ce este acidul ribonucleic?

Acidul ribonucleic sau ARN este unul dintre cele două tipuri de acizi nucleici care se găsesc în viața de pe Pământ. Celălalt, acidul dezoxiribonucleic (ADN), și-a asumat de mult un profil mai înalt decât ARN în cultura populară, în mintea observatorilor ocazionali și în alte părți. ARN-ul este totuși acidul nucleic mai versatil; ia instrucțiunile pe care le primește de la ADN și le transformă într-o varietate de activități coordonate implicate în sinteza proteinelor. Privit în acest fel, DNA ar putea fi privit ca președinte sau cancelar a cărui contribuție determină în cele din urmă ce se întâmplă la nivelul evenimentelor cotidiene, întrucât ARN este armata de soldați pedestri loiali și muncitori mormăiți care își îndeplinesc treaba efectivă și prezintă o gamă largă de abilități impresionante în proces.

ARN-ul, ca și ADN-ul, este o macromoleculă (cu alte cuvinte, o moleculă cu un număr relativ mare de atomi individuali, spre deosebire de, să zicem, CO₂ sau H₂

Adenina și guanina sunt clasificate chimic ca purine, în timp ce citozina și uracilul aparțin categoriei de substanțe numite pirimidine. Purinele constau în principal dintr-un inel cu cinci membri alăturat unui inel cu șase membri, în timp ce pirimidinele sunt considerabil mai mici și au doar un inel cu șase carbon. Adenina și guanina sunt foarte asemănătoare ca structură între ele, la fel ca și citozina și uracilul.

Zahărul pentozic din ARN este riboză, care include un inel cu cinci atomi de carbon și un atom de oxigen. Grupul fosfat este legat de un atom de carbon din inel pe o parte a atomului de oxigen, iar baza azotată este legată de atomul de carbon de pe cealaltă parte a oxigenului. Gruparea fosfat se leagă și de riboză pe nucleotida adiacentă, astfel încât porțiunea riboză și fosfat a unei nucleotide alcătuiesc împreună „coloana vertebrală” a ARN-ului.

Bazele azotate pot fi considerate ca fiind cea mai critică parte a ARN-ului, deoarece acestea sunt, în grupuri de trei în nucleotide alăturate, care au cea mai mare importanță funcțională. Grupuri de trei baze adiacente formează unități numite coduri de triplete, sau codoni, care poartă semnale speciale către mașinile care unesc proteinele folosind informațiile conectate mai întâi la ADN și apoi la ARN. Fără ca acest cod să fie interpretat așa cum este, ordinea nucleotidelor ar fi irelevantă, așa cum va fi descris în scurt timp.

Când oamenii cu un mic background în biologie aud termenul „ADN”, este probabil ca unul dintre primele lucruri care îmi vin în minte să fie „dubla helix”. Distinctivul structura moleculei de ADN a fost elucidată de Watson, Crick, Franklin și alții în 1953 și printre descoperirile echipei a fost că ADN-ul este dublu catenar și elicoidal, în forma obișnuită. În schimb, ARN-ul este practic întotdeauna monocatenar.

De asemenea, după cum sugerează și numele acestor macromolecule respective, ADN-ul conține un zahăr riboză diferit. În loc de riboză, conține dezoxiriboză, un compus identic cu riboză, cu excepția faptului că are un atom de hidrogen în locul uneia dintre grupările sale hidroxil (-OH).

În cele din urmă, în timp ce pirimidinele din ARN sunt citozină și uracil, în ADN sunt citozină și timină. În „treptele” „scării” ADN bicatenar, adenina se leagă cu și numai cu timină, în timp ce citozina se leagă cu și numai cu guanină. (Vă puteți gândi la un motiv arhitectural potrivit căruia bazele purinice se leagă doar de bazele pirimidinei din centrul ADN-ului? Sugestie: „laturile” scării trebuie să rămână la o distanță fixă.) Când ADN-ul este transcris și a se creează catenă complementară de ARN, nucleotida generată de adenină în ADN este uracil, nu timina. Această distincție ajută natura să evite confuzia ADN-ului și a ARN-ului în medii celulare în care nu sunt direcționate lucrurile ar putea rezulta din comportamentul nedorit dacă enzimele care operează pe respectivul molecule.

În timp ce numai ADN-ul este dublu catenar, ARN-ul este mult mai abil în formarea unor structuri tridimensionale elaborate. Acest lucru a permis dezvoltarea a trei forme esențiale de ARN în celule.

ARN vine în trei tipuri de bază, deși există și soiuri suplimentare, foarte obscure.

ARN Messenger (ARNm): Moleculele de ARNm conțin secvența de codificare a proteinelor. Moleculele de ARNm variază foarte mult în lungime, cu eucariote (în esență, majoritatea ființelor vii care nu sunt bacterii), inclusiv cel mai mare ARN descoperit până acum. Multe transcrieri depășesc 100.000 de baze (100 kilobaze sau kb) în lungime.

ARN de transfer (ARNt): ARNt este o moleculă scurtă (aproximativ 75 de baze) care transportă aminoacizii și îi mută pe proteina în creștere în timpul traducerii. Se crede că ARNt-urile au un aranjament tridimensional comun care arată ca o trifoi pe analiza cu raze X. Acest lucru este cauzat de legarea bazelor complementare atunci când un fir de ARNt se pliază înapoi pe el însuși, la fel ca banda care se lipeste de el însuși când aduceți accidental părțile laterale ale unei benzi.

ARN ribozomal (ARNr): Moleculele de ARNr cuprind 65 până la 70 la sută din masa organitei numită ribozom, structura care găzduiește direct traducerea sau sinteza proteinelor. Ribozomii sunt foarte mari conform standardelor celulare. Ribozomii bacterieni au greutăți moleculare de aproximativ 2,5 milioane, în timp ce ribozomii eucarioti au greutăți moleculare de aproximativ o dată și jumătate. (Pentru referință, greutatea moleculară a carbonului este 12; niciun singur element nu depășește 300.)

Un ribozom eucariot, numit 40S, conține un ARNr, precum și aproximativ 35 de proteine ​​diferite. Ribozomul 60S conține trei ARNr și aproximativ 50 de proteine. Ribozomii sunt astfel un amestec de acizi nucleici (ARNr) și produsele proteice pe care alți acizi nucleici (ARNm) le poartă codul pentru a le crea.

Până de curând, biologii moleculari au presupus că ARNr a îndeplinit un rol preponderent structural. Informații mai recente, totuși, indică faptul că ARNr-ul din ribozomi acționează ca o enzimă, în timp ce proteinele care o înconjoară acționează ca schele.

Transcrierea este procesul de sintetizare a ARN-ului dintr-un șablon de ADN. Deoarece ADN-ul este dublu catenar și ARN-ul este unilat, catenele ADN trebuie separate înainte ca transcrierea să poată avea loc.

Unele terminologii sunt utile în acest moment. O genă, despre care toată lumea a auzit, dar puțini experți în non-biologie o pot defini formal, este doar o porțiune de ADN care conține atât o șablon pentru sinteza ARN și secvențe de nucleotide care permit reglarea și controlul producției de ARN din șablon regiune. Când mecanismele pentru sinteza proteinelor au fost descrise pentru prima dată cu precizie, oamenii de știință au emis ipoteza că fiecare genă corespunde unui singur produs proteic. Oricât de convenabil ar fi acest lucru (și pe cât de logic are la suprafață), ideea s-a dovedit incorectă. Unele gene nu codifică deloc proteinele, iar la unele animale, "splicing alternativ" în care aceeași genă poate fi declanșată pentru a produce proteine ​​diferite în condiții diferite, pare să fie uzual.

Transcrierea ARN produce un produs care este complementar la șablonul ADN. Acest lucru înseamnă că este o imagine în oglindă de un fel și s-ar împerechea în mod natural cu orice secvență identică șablonului datorită regulilor specifice de asociere bază-bază menționate anterior. De exemplu, secvența ADN TACTGGT este complementară secvenței ARN AUGACCA, deoarece fiecare bază din prima secvență poate fi asociat pereche la baza corespunzătoare din a doua secvență (rețineți că U apare în ARN unde ar apărea T ADN).

Inițierea transcrierii este un proces complex, dar ordonat. Pașii includ:

1. Proteinele factorului de transcripție se leagă de un promotor „în amonte” de secvența care trebuie transcrisă.
2. ARN polimeraza (enzima care asamblează ARN nou) se leagă de complexul promotor-proteină al ADN-ului, care este mai degrabă ca întrerupătorul de aprindere dintr-o mașină.
3. Complexul ARN polimerază / promotor-proteină nou format separă cele două catene de ADN complementare.
4. ARN polimeraza începe să sintetizeze ARN, câte o nucleotidă la un moment dat.

Spre deosebire de ADN polimeraza, ARN polimeraza nu trebuie să fie „amorsată” de o a doua enzimă. Transcrierea necesită doar legarea ARN polimerazei la zona promotorului.

Genele din ADN codifică moleculele de proteine. Aceștia sunt „soldații pedepsi” ai celulei, care îndeplinesc îndatoririle necesare pentru a susține viața. S-ar putea să vă gândiți la carne sau mușchi sau la un shake sănătos atunci când vă gândiți la o proteină, dar majoritatea proteinelor zboară sub radarul vieții de zi cu zi. Enzimele sunt proteine ​​- molecule care ajută la descompunerea substanțelor nutritive, la construirea de noi componente celulare, la asamblarea acizilor nucleici (de exemplu, ADN polimeraza) și la realizarea de copii ale ADN-ului în timpul diviziunii celulare.

"Expresia genei" înseamnă fabricarea proteinei corespunzătoare a genei, dacă există, și acest proces complicat are două etape primare. Primul este transcrierea, detaliată anterior. În traducere, moleculele de ARNm produse recent ies din nucleu și migrează către citoplasmă, unde se află ribozomii. (La organismele procariote, ribozomii se pot atașa la ARNm în timp ce transcrierea este încă în curs.)

Ribozomii constau din două porțiuni distincte: subunitatea mare și subunitatea mică. Fiecare subunitate este de obicei separată în citoplasmă, dar se reunesc pe o moleculă de ARNm. Subunitățile conțin puțin din aproape tot ceea ce am menționat deja: proteine, ARNr și ARNt. Moleculele de ARNt sunt molecule adaptoare: un capăt poate citi codul triplet în ARNm (de exemplu, UAG sau CGC) prin împerechere complementară de baze, iar celălalt capăt se atașează la un aminoacid specific. Fiecare cod triplet este responsabil pentru unul dintre cei aproximativ 20 de aminoacizi care alcătuiesc toate proteinele; unii aminoacizi sunt codificați de mai multe triplete (ceea ce nu este surprinzător, deoarece 64 de triplete sunt posibile - patru baze ridicate la a treia putere deoarece fiecare triplet are trei baze - și doar 20 de aminoacizi sunt Necesar). În ribozom, complexele de ARNm și aminoacil-ARNt (bucăți de ARNt care transportă un aminoacid) sunt ținute foarte aproape, facilitând împerecherea bazelor. ARNr catalizează atașarea fiecărui aminoacid suplimentar la lanțul de creștere, care devine o polipeptidă și în cele din urmă o proteină.

Ca urmare a capacității sale de a se aranja în forme complexe, ARN-ul poate acționa slab ca o enzimă. Deoarece ARN poate stoca atât informații genetice, cât și cataliza reacții, unii oameni de știință au sugerat un rol major pentru ARN în originea vieții, numită „Lumea ARN”. Această ipoteză susține că, mult înapoi în istoria Pământului, moleculele de ARN au jucat toate aceleași roluri ale proteinelor și ale moleculelor de acid nucleic joacă astăzi, ceea ce ar fi imposibil acum, dar ar fi putut fi posibil într-un lume pre-biotică. Dacă ARN-ul a acționat atât ca o structură de stocare a informațiilor, cât și ca sursă a activității catalitice necesare reacțiilor metabolice de bază, ar putea avea a precedat ADN-ul în primele sale forme (chiar dacă acum este fabricat de ADN) și a servit drept platformă pentru lansarea „organismelor” care sunt cu adevărat auto-replicând.