Что такое рибонуклеиновая кислота?

Рибонуклеиновая кислота или РНК - это один из двух типов нуклеиновых кислот, встречающихся в жизни на Земле. Другая, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), давно приобрела более высокий профиль, чем РНК, в популярной культуре, в умах случайных наблюдателей и в других местах. РНК, однако, является более универсальной нуклеиновой кислотой; он принимает инструкции, которые получает от ДНК, и преобразует их во множество скоординированных действий, участвующих в синтезе белка. С этой точки зрения ДНК можно рассматривать как президента или канцлера, чей вклад в конечном итоге определяет, что происходит на уровне повседневных событий, в то время как RNA - это армия преданных пехотинцев и рабочих, которые выполняют фактическую работу и демонстрируют широкий спектр впечатляющих навыков в процесс.

РНК, как и ДНК, представляет собой макромолекулу (другими словами, молекулу с относительно большим количеством отдельных атомов, в отличие, скажем, от CO₂ или H₂О) состоящий из полимера или цепочки повторяющихся химических элементов. «Звенья» в этой цепи или, более формально, мономеры, составляющие полимер, называются нуклеотидами. Один нуклеотид состоит, в свою очередь, из трех различных химических областей или частей: пентозного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Азотистые основания могут быть одним из четырех различных оснований: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и урацил (U).

Аденин и гуанин химически классифицируются как пурины, тогда как цитозин и урацил относятся к категории веществ, называемых пиримидины. Пурины состоят в основном из пятичленного кольца, соединенного с шестичленным кольцом, в то время как пиримидины значительно меньше по размеру и имеют только шестиуглеродное кольцо. Аденин и гуанин очень похожи по структуре друг на друга, как и цитозин и урацил.

Пентозный сахар в РНК - это рибоза, который включает кольцо с пятью атомами углерода и одним атомом кислорода. Фосфатная группа связана с атомом углерода в кольце на одной стороне атома кислорода, а азотистое основание связано с атомом углерода на другой стороне кислорода. Фосфатная группа также связывается с рибозой на соседнем нуклеотиде, поэтому рибоза и фосфатная часть нуклеотида вместе составляют «основу» РНК.

Азотистые основания можно рассматривать как наиболее важную часть РНК, потому что именно они, в группах по три в соседних нуклеотидах, имеют первостепенное функциональное значение. Группы из трех смежных баз образуют единицы, называемые тройные коды, или кодоны, передающие особые сигналы механизму, который собирает белки вместе, используя информацию, встроенную сначала в ДНК, а затем в РНК. Без интерпретации этого кода как таковой порядок нуклеотидов не имеет значения, как будет описано вкратце.

Когда люди с небольшим опытом в области биологии слышат термин «ДНК», вероятно, первое, что приходит на ум, - это «двойная спираль». Отличительный Структура молекулы ДНК была выяснена Уотсоном, Криком, Франклином и другими в 1953 году, и среди результатов группы было то, что ДНК является двухцепочечной и спиральной по своей структуре. обычная форма. РНК, напротив, практически всегда одноцепочечная.

Кроме того, как следует из названия этих соответствующих макромолекул, ДНК содержит другой сахар рибозы. Вместо рибозы он содержит дезоксирибозу, соединение, идентичное рибозе, за исключением наличия атома водорода вместо одной из гидроксильных (-ОН) групп.

Наконец, в то время как пиримидины в РНК представляют собой цитозин и урацил, в ДНК они представляют собой цитозин и тимин. На «ступенях» «лестницы» двухцепочечной ДНК аденин связывается только с тимином, а цитозин связывается только с гуанином. (Можете ли вы вспомнить архитектурную причину, по которой пуриновые основания связываются только с пиримидиновыми основаниями в центре ДНК? Подсказка: «стороны» лестницы должны оставаться на фиксированном расстоянии друг от друга.) При расшифровке ДНК и создается комплементарная цепь РНК, нуклеотид, образующийся напротив аденина в ДНК, представляет собой урацил, не тимин. Это различие помогает природе избежать путаницы ДНК и РНК в клеточной среде, в которой нежелательные вещи могут возникнуть в результате нежелательного поведения, если ферменты, которые действуют на соответствующие молекулы.

В то время как только ДНК является двухцепочечной, РНК гораздо более искусна в формировании сложных трехмерных структур. Это позволило трем основным формам РНК развиться в клетках.

РНК бывает трех основных типов, хотя существуют и дополнительные, очень малоизвестные разновидности.

Информационная РНК (мРНК): Молекулы мРНК содержат кодирующую последовательность для белков. Молекулы мРНК сильно различаются по длине, причем эукариоты (по сути, большинство живых существ, не являющихся бактериями) включают в себя самую крупную из обнаруженных РНК. Многие транскрипты превышают в длину 100 000 оснований (100 килобайт).

Трансферная РНК (тРНК): тРНК - это короткая (около 75 оснований) молекула, которая транспортирует аминокислоты и перемещает их к растущему белку во время трансляции. Считается, что тРНК имеют обычное трехмерное расположение, которое при рентгеновском анализе выглядит как клеверный лист. Это происходит за счет связывания комплементарных оснований, когда нить тРНК загибается сама по себе, подобно тому, как лента прилипает к самой себе, когда вы случайно сводите стороны ее полоски вместе.

Рибосомная РНК (рРНК): Молекулы рРНК составляют от 65 до 70 процентов массы органеллы, называемой рибосома, структура, которая непосредственно принимает трансляцию или синтез белка. Рибосомы очень большие по клеточным стандартам. Бактериальные рибосомы имеют молекулярную массу около 2,5 миллионов, в то время как эукариотические рибосомы имеют молекулярную массу примерно в полтора раза больше. (Для справки, молекулярная масса углерода составляет 12; ни один элемент не превышает 300.)

Одна эукариотическая рибосома, называемая 40S, содержит одну рРНК, а также около 35 различных белков. Рибосома 60S содержит три рРНК и около 50 белков. Таким образом, рибосомы представляют собой мешанину нуклеиновых кислот (рРНК) и белковых продуктов, которые другие нуклеиновые кислоты (мРНК) несут в себе код для создания.

До недавнего времени молекулярные биологи предполагали, что рРНК выполняет в основном структурную роль. Однако более свежая информация указывает на то, что рРНК в рибосомах действует как фермент, а окружающие ее белки действуют как каркас.

Транскрипция - это процесс синтеза РНК из матрицы ДНК. Поскольку ДНК двухцепочечная, а РНК одноцепочечная, цепи ДНК должны быть разделены, прежде чем может произойти транскрипция.

Здесь пригодится некоторая терминология. Ген, о котором все слышали, но мало кто из небиологов может дать формальное определение, - это просто участок ДНК, содержащий как матрица для синтеза РНК и последовательности нуклеотидов, которые позволяют регулировать и контролировать продукцию РНК с помощью матрицы область, край. Когда механизмы синтеза белка были впервые описаны с точностью, ученые выдвинули гипотезу, что каждый ген соответствует одному белковому продукту. Каким бы удобным это ни было (и сколь бы разумным оно ни казалось на первый взгляд), идея оказалась неверной. Некоторые гены вообще не кодируют белки, а у некоторых животных происходит «альтернативный сплайсинг», при котором один и тот же ген может быть запущен, чтобы производить разные белки в разных условиях, по-видимому, общий.

Транскрипция РНК производит продукт, который дополнительный к матрице ДНК. Это означает, что это своего рода зеркальное отображение, и оно, естественно, будет сочетаться с любой последовательностью, идентичной шаблону, благодаря определенным правилам спаривания оснований, отмеченным ранее. Например, последовательность ДНК TACTGGT комплементарна последовательности РНК AUGACCA, поскольку каждое основание в первой последовательности может быть спаренной парой с соответствующим основанием во второй последовательности (обратите внимание, что U появляется в РНК, где T появляется в ДНК).

Инициирование транскрипции - сложный, но упорядоченный процесс. Шаги включают:

1. Белки факторов транскрипции связываются с промотором «выше» транскрибируемой последовательности.
2. РНК-полимераза (фермент, который собирает новую РНК) связывается с комплексом промотор-белок ДНК, который очень похож на выключатель зажигания в автомобиле.
3. Вновь образованный комплекс РНК-полимераза / промотор-белок разделяет две комплементарные цепи ДНК.
4. РНК-полимераза начинает синтезировать РНК, по одному нуклеотиду за раз.

В отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимеразу не нужно «праймировать» вторым ферментом. Транскрипция требует только связывания РНК-полимеразы с промоторной областью.

Гены в ДНК кодируют белковые молекулы. Это «пехотинцы» камеры, выполняющие обязанности, необходимые для поддержания жизни. Когда вы думаете о белке, вы можете думать о мясе или мышцах или о здоровом коктейле, но большинство белков остаются незамеченными в вашей повседневной жизни. Ферменты - это белки - молекулы, которые помогают расщеплять питательные вещества, создавать новые компоненты клеток, собирать нуклеиновые кислоты (например, ДНК-полимеразу) и создавать копии ДНК во время деления клеток.

«Экспрессия гена» означает производство белка, соответствующего гену, если таковой имеется, и этот сложный процесс состоит из двух основных этапов. Первый - это транскрипция, подробно описанная ранее. При трансляции вновь образованные молекулы мРНК покидают ядро ​​и мигрируют в цитоплазму, где расположены рибосомы. (У прокариотических организмов рибосомы могут прикрепляться к мРНК, пока транскрипция все еще продолжается.)

Рибосомы состоят из двух отдельных частей: большой субъединицы и малой субъединицы. Каждая субъединица обычно разделена в цитоплазме, но они объединяются в молекулу мРНК. Субъединицы содержат немного почти всего уже упомянутого: белки, рРНК и тРНК. Молекулы тРНК являются адапторными молекулами: один конец может считывать триплетный код в мРНК (например, UAG или CGC) посредством комплементарного спаривания оснований, а другой конец присоединяется к определенной аминокислоте. Каждый триплетный код отвечает за одну из примерно 20 аминокислот, из которых состоят все белки; некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами (что неудивительно, поскольку возможны 64 триплета - четыре основания в третьей степени, потому что каждый триплет имеет три основания - и только 20 аминокислот нужный). В рибосоме мРНК и комплексы аминоацил-тРНК (части тРНК, перемещающие аминокислоту) держатся очень близко друг к другу, облегчая спаривание оснований. рРНК катализирует присоединение каждой дополнительной аминокислоты к растущей цепи, которая становится полипептидом и, наконец, белком.

Благодаря своей способности принимать сложные формы, РНК может слабо действовать как фермент. Поскольку РНК может как хранить генетическую информацию, так и катализировать реакции, некоторые ученые предположили, что РНК играет важную роль в происхождение жизни, названное «миром РНК». Эта гипотеза утверждает, что еще в истории Земли молекулы РНК играли все те же роли белков и молекул нуклеиновых кислот играют сегодня, что было бы невозможно сейчас, но могло бы быть возможно в пребиотический мир. Если РНК действовала как структура хранения информации и как источник каталитической активности, необходимой для основных метаболических реакций, она могла иметь предшествовала ДНК в ее самых ранних формах (хотя теперь она сделана ДНК) и служила платформой для запуска "организмов", которые действительно самовоспроизводящийся.