МРНК: определение, функция и структура

РНК или рибонуклеиновая кислота - одна из двух нуклеиновых кислот, встречающихся в природе. Другая, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), определенно более фиксирована в воображении. Даже люди, мало интересующиеся наукой, подозревают, что ДНК жизненно важна для передачи черт от человека. поколения к следующему, и что ДНК каждого человека уникальна (и поэтому оставлять преступление - плохая идея) сцена). Но, несмотря на всю известность ДНК, РНК - более универсальная молекула, которая бывает трех основных форм: информационная РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК).

Работа мРНК в значительной степени зависит от двух других типов, и мРНК находится в центре так называемой центральной догмы молекулярной биологии (ДНК порождает РНК, которая, в свою очередь, порождает белки).

ДНК и РНК представляют собой нуклеиновые кислоты, что означает, что они представляют собой полимерные макромолекулы, мономерные составляющие которых называются нуклеотидами. Нуклеотиды состоят из трех отдельных частей: пентозного сахара, фосфатной группы и азотистого основания, выбранных из четырех вариантов. Пентозный сахар - это сахар, который имеет пятиатомную кольцевую структуру.

Три основных отличия отличают ДНК от РНК. Во-первых, в РНК сахарная часть нуклеотида представляет собой рибозу, а в ДНК - дезоксирибозу, которая представляет собой просто рибозу. с гидроксильной (-ОН) группой, удаленной из одного из атомов углерода в пятиатомном кольце и замененной атомом водорода (-ЧАС). Таким образом, сахарная часть ДНК всего на один атом кислорода менее массивна, чем РНК, но РНК является гораздо более химически реактивной молекулой, чем ДНК, из-за ее одной дополнительной -ОН-группы. Во-вторых, ДНК, как известно, является двухцепочечной и закручена в спиральную форму в наиболее стабильной форме. РНК, с другой стороны, одноцепочечная. И в-третьих, хотя ДНК и РНК содержат азотистые основания аденин (A), цитозин (C) и гуанин (G), четвертым таким основанием в ДНК является тимин (T), а в РНК - урацил (U).

Поскольку ДНК двухцепочечная, ученые с середины 1900-х годов знали, что эти азотистые основания спариваются только с одним другим типом оснований; Пары с T, а C пары с G. Кроме того, A и G химически классифицируются как пурины, а C и T называются пиримидинами. Поскольку пурины значительно крупнее пиримидинов, пара A-G будет слишком громоздкой, тогда как пара C-T будет необычно маленькими; обе эти ситуации будут нарушать работу двух цепей в двухцепочечной ДНК, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга во всех точках вдоль двух цепей.

Из-за этой схемы спаривания две цепи ДНК называются «комплементарными», и последовательность одной можно предсказать, если известна другая. Например, если цепочка из десяти нуклеотидов в цепи ДНК имеет последовательность оснований AAGCGTATTG, комплементарная цепь ДНК будет иметь последовательность оснований TTCGCATAAC. Поскольку РНК синтезируется из матрицы ДНК, это также имеет значение для транскрипции.

мРНК является наиболее «ДНК-подобной» формой рибонуклеиновой кислоты, потому что ее задача во многом такая же: передавать информацию закодированы в генах в форме тщательно упорядоченных азотистых оснований в клеточный аппарат, который собирает белки. Но существуют и различные жизненно важные типы РНК.

Трехмерная структура ДНК была выяснена в 1953 году, что принесло Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику Нобелевскую премию. Но в течение многих лет структура РНК оставалась неуловимой, несмотря на попытки некоторых из тех же экспертов по ДНК описать ее. В 1960-х годах стало ясно, что хотя РНК одноцепочечная, ее вторичная структура, то есть связь последовательности нуклеотидов друг к другу по мере того, как РНК извивается в пространстве - это означает, что длины РНК могут складываться сами по себе, с основания в одной нити, таким образом соединяясь друг с другом таким же образом, кусок изоленты может прилипнуть к самому себе, если вы позволите ему перегиб. Это основа крестообразной структуры тРНК, которая включает три 180-градусных изгиба, которые создают молекулярный эквивалент тупиков в молекуле.

рРНК несколько иная. Вся рРНК происходит от одного монстра цепи рРНК длиной около 13 000 нуклеотидов. После ряда химических модификаций эта цепь расщепляется на две неравные субъединицы, одну из которых называют 18S, а другую - 28S. («S» означает «единица Сведберга», мера, которую биологи используют для косвенной оценки массы макромолекул.) Часть 18S входит в состав того, что есть называется малой рибосомной субъединицей (которая, когда она завершена, фактически составляет 30S), а часть 28S вносит вклад в большую субъединицу (которая в целом имеет размер 50S); все рибосомы содержат по одной субъединице вместе с рядом белков (не нуклеиновых кислот, которые делают сами белки возможными), чтобы обеспечить рибосомам структурную целостность.

Обе цепи ДНК и РНК имеют так называемые 3 'и 5' («три простых» и «пяти основных») концы в зависимости от положений молекул, прикрепленных к сахарной части цепи. В каждом нуклеотиде фосфатная группа присоединена к атому углерода, обозначенному 5 'в его кольце, тогда как 3' углерод имеет гидроксильную (-ОН) группу. Когда нуклеотид добавляется к растущей цепи нуклеиновой кислоты, это всегда происходит на 3'-конце существующей цепи. То есть фосфатная группа на 5'-конце нового нуклеотида присоединяется к 3'-углеродному атому, содержащему гидроксильную группу, до того, как происходит это связывание. -ОН заменяется нуклеотидом, который теряет протон (H) из своей фосфатной группы; таким образом, молекула H₂О, или вода, теряется в окружающей среде в этом процессе, что делает синтез РНК примером синтеза дегидратации.

Транскрипция - это процесс, в котором мРНК синтезируется из матрицы ДНК. В принципе, учитывая то, что вы теперь знаете, вы можете легко представить, как это происходит. ДНК двухцепочечная, поэтому каждая цепь может служить матрицей для одноцепочечной РНК; эти две новые цепи РНК из-за капризов специфического спаривания оснований будут комплементарными друг другу, а не то, что они будут связываться друг с другом. Транскрипция РНК очень похожа на репликацию ДНК в том, что применяются те же правила спаривания оснований, где U занимает место T в РНК. Обратите внимание, что эта замена является односторонним явлением: T в ДНК по-прежнему кодирует A в РНК, но A в ДНК кодирует U в РНК.

Для того, чтобы произошла транскрипция, двойная спираль ДНК должна раскручиваться, что происходит под действием определенных ферментов. (Позже он снова принимает свою правильную спиральную конформацию.) После этого появляется определенная последовательность, которая метко называется сигналами промоторной последовательности, где транскрипция должна начинаться вдоль молекулы. Это вызывает на молекулярную сцену фермент, называемый РНК-полимеразой, который к этому времени является частью комплекса промоторов. Все это происходит как своего рода биохимический безотказный механизм, не позволяющий синтезу РНК начинаться в неправильном месте ДНК и тем самым производить цепь РНК, содержащую незаконный код. РНК-полимераза «считывает» цепь ДНК, начиная с промоторной последовательности, и перемещается по цепи ДНК, добавляя нуклеотиды к 3'-концу РНК. Имейте в виду, что цепи РНК и ДНК в силу того, что они комплементарны, также антипараллельны. Это означает, что по мере того, как РНК растет в 3-м направлении, она движется вдоль цепи ДНК на 5-м конце ДНК. Это второстепенный, но часто сбивающий с толку вопрос для студентов, поэтому вы можете свериться с диаграммой, чтобы убедиться, что вы понимаете механику синтеза мРНК.

Связи, образованные между фосфатными группами одного нуклеотида и сахарной группой следующего, называются фосфодиэфирные связи (произносится как «фос-фо-диэфир», а не «фос-фо-ди-стер», как может показаться соблазнительным предполагать).

Ферментная РНК-полимераза существует во многих формах, хотя бактерии относятся только к одному типу. Это большой фермент, состоящий из четырех белковых субъединиц: альфа (α), бета (β), бета-прайм (β ') и сигма (σ). В совокупности они имеют молекулярную массу около 420 000 дальтон. (Для справки, один атом углерода имеет молекулярную массу 12; одна молекула воды, 18; и целая молекула глюкозы, 180.) Фермент, называемый холоферментом, когда все четыре субъединицы присутствует, отвечает за распознавание промоторных последовательностей на ДНК и разделение двух ДНК пряди. РНК-полимераза движется вдоль транскрибируемого гена, добавляя нуклеотиды к растущему сегменту РНК, этот процесс называется элонгацией. Этот процесс, как и многие другие процессы внутри клеток, требует аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве источника энергии. На самом деле АТФ - не что иное, как аденинсодержащий нуклеотид, который имеет три фосфата вместо одного.

Транскрипция прекращается, когда движущаяся РНК-полимераза встречает терминирующую последовательность в ДНК. Подобно тому, как последовательность промотора может рассматриваться как эквивалент зеленого светофора, последовательность завершения является аналогом красного светофора или знака остановки.

Когда молекула мРНК, несущая информацию о конкретном белке, то есть фрагмент мРНК, соответствующий гену, является завершенной, она все еще нуждается в переработке, прежде чем он будет готов выполнять свою работу по доставке химического образца рибосомам, где для синтеза белка требуется место. У эукариотических организмов он также мигрирует из ядра (прокариоты не имеют ядра).

Важно отметить, что азотистые основания несут генетическую информацию в группах по три, называемых триплетными кодонами. Каждый кодон содержит инструкции по добавлению определенной аминокислоты к растущему белку. Так же, как нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот, аминокислоты являются мономерами белков. Поскольку РНК содержит четыре разных нуклеотида (из-за наличия четырех различных оснований), а кодон состоит из трех последовательных нуклеотидов, всего доступно 64 триплетных кодона (4³ = 64). То есть, начиная с AAA, AAC, AAG, AAU и заканчивая UUU, существует 64 комбинации. Однако люди используют только 20 аминокислот. В результате триплетный код считается избыточным: в большинстве случаев несколько триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Обратное неверно - то есть один и тот же триплет не может кодировать более одной аминокислоты. Вы, вероятно, можете представить себе биохимический хаос, который мог бы возникнуть в противном случае. Фактически, каждая из аминокислот лейцин, аргинин и серин имеет шесть триплетов, соответствующих им. Три разных кодона являются кодонами STOP, подобными последовательностям терминации транскрипции в ДНК.

Сама по себе трансляция - это очень кооперативный процесс, объединяющий всех членов расширенного семейства РНК. Поскольку это происходит на рибосомах, очевидно, что это связано с использованием рРНК. Молекулы тРНК, описанные ранее как крошечные кресты, ответственны за перенос отдельных аминокислот к сайт трансляции на рибосоме, где каждая аминокислота переносится своим собственным брендом тРНК эскорт. Как и у транскрипции, у трансляции есть фазы инициации, элонгации и терминации, а в конце синтеза белковой молекулы белок высвобождается из рибосомы и упаковывается в тельца Гольджи для использования в другом месте, а сама рибосома диссоциирует на свой компонент субъединицы.