MRNA: definícia, funkcia a štruktúra

RNA alebo ribonukleová kyselina je jednou z dvoch nukleových kyselín vyskytujúcich sa v prírode. Druhá, kyselina deoxyribonukleová (DNA), je určite viac zafixovaná vo fantázii. Aj ľudia, ktorí sa málo zaujímajú o vedu, majú tušenie, že DNA je nevyhnutná pri odovzdávaní znakov z jedného generácie na ďalšiu a že DNA každej ľudskej bytosti je jedinečná (a preto je zlý nápad nechať ju pri trestnom čine scéna). Ale pre všetky známe DNA je RNA všestrannejšia molekula, ktorá prichádza v troch hlavných formách: messenger RNA (mRNA), ribozomálna RNA (rRNA) a transferová RNA (tRNA).

Úloha mRNA závisí do veľkej miery na ďalších dvoch typoch a mRNA leží priamo v strede takzvanej centrálnej dogmy molekulárnej biológie (DNA plodí RNA, ktorá zase plodí proteíny).

DNA a RNA sú nukleové kyseliny, čo znamená, že sú to polymérne makromolekuly, ktorých monomérne zložky sa nazývajú nukleotidy. Nukleotidy pozostávajú z troch odlišných častí: pentózový cukor, fosfátová skupina a dusíkatá zásada, vybrané zo štyroch možností. Pentózový cukor je cukor, ktorý obsahuje päťatómovú kruhovú štruktúru.

Tri hlavné rozdiely rozlišujú DNA od RNA. Po prvé, v RNA je cukrovou časťou nukleotidu ribóza, zatiaľ čo v DNA je to deoxyribóza, čo je jednoducho ribóza s hydroxylovou skupinou (-OH) odstránenou z jedného z uhlíkov v päťatómovom kruhu a nahradenou atómom vodíka (-H). Cukorová časť DNA je teda len o jeden atóm kyslíka menej masívna ako RNA, ale RNA je vďaka svojej jednej extra -OH skupine omnoho chemicky reaktívnejšou molekulou ako DNA. Po druhé, DNA je, pomerne slávne, dvojvláknová a navinutá do špirálového tvaru v najstabilnejšej podobe z. RNA je na druhej strane jednoreťazcová. A po tretie, zatiaľ čo DNA aj RNA obsahujú dusíkaté bázy adenín (A), cytozín (C) a guanín (G), štvrtou takouto bázou v DNA je tymín (T), zatiaľ čo v RNA je to uracil (U).

Pretože DNA je dvojvláknová, vedci od polovice 20. storočia vedeli, že tieto dusíkaté bázy sa párujú iba s jedným iným druhom; Páry s T a páry C s G. Ďalej sú A a G chemicky klasifikované ako puríny, zatiaľ čo C a T sa nazývajú pyrimidíny. Pretože puríny sú podstatne väčšie ako pyrimidíny, párovanie A-G by bolo príliš objemné, zatiaľ čo párovanie C-T by bolo neobvykle poddimenzované; obidve tieto situácie by rušili dva reťazce dvojvláknovej DNA, ktoré by mali rovnakú vzdialenosť od seba vo všetkých bodoch týchto dvoch reťazcov.

Kvôli tejto schéme párovania sa dva reťazce DNA nazývajú „komplementárne“ a sekvencia jedného sa dá predpokladať, ak je známe druhé. Napríklad, ak má reťazec desiatich nukleotidov vo vlákne DNA bázovú sekvenciu AAGCGTATTG, komplementárne vlákno DNA bude mať bázovú sekvenciu TTCGCATAAC. Pretože RNA je syntetizovaná z templátu DNA, má to tiež dôsledky na transkripciu.

mRNA je najviac „DNA podobná“ forma ribonukleovej kyseliny, pretože jej úloha je do značnej miery rovnaká: prenášať informácie kódované v génoch vo forme starostlivo usporiadaných dusíkatých báz do bunkového aparátu, ktorý sa zhromažďuje bielkoviny. Ale existujú aj rôzne dôležité typy RNA.

Trojrozmerná štruktúra DNA bola objasnená v roku 1953 a získal James Watson a Francis Crick Nobelovu cenu. Ale po rokoch zostala štruktúra RNA nepolapiteľná aj napriek úsiliu tých istých odborníkov na DNA popísať ju. V 60. rokoch sa ukázalo, že hoci je RNA jednovláknová, jej sekundárna štruktúra - teda vzťah sekvencie keď sa RNA vinie do vesmíru - znamená to, že dĺžky RNA sa môžu sklopiť späť na seba, s základne v rovnakom vlákne, ktoré sa tak navzájom spájajú rovnakým spôsobom, by sa mohla lepiaca páska lepiť na seba, ak to zalomenie. Toto je základ pre krížovú štruktúru tRNA, ktorá obsahuje tri ohyby 180 stupňov, ktoré vytvárajú molekulárny ekvivalent slepých uličiek v molekule.

rRNA je trochu iná. Celá rRNA je odvodená z jedného monštra vlákna rRNA dlhého asi 13 000 nukleotidov. Po niekoľkých chemických modifikáciách sa tento reťazec štiepi na dve nerovné podjednotky, jedna sa volá 18S a druhá sa označuje 28S. („S“ znamená „Svedbergova jednotka“, čo je miera, ktorú biológovia používajú na nepriamy odhad hmotnosti makromolekúl.) Časť 18S je začlenená do toho, čo je nazývaná malá ribozomálna podjednotka (ktorá je po dokončení v skutočnosti 30 s) a 28S časť prispieva k veľkej podjednotke (ktorá má celkovo veľkosť 50S); všetky ribozómy obsahujú jednu z každej podjednotky spolu s množstvom proteínov (nie nukleových kyselín, ktoré umožňujú samotné proteíny), aby poskytli ribozómom štruktúrnu integritu.

Vlákna DNA a RNA majú obidva konce, ktoré sa nazývajú 3 'a 5' („tri prime“ a „päť prime“) na základe pozícií molekúl pripojených k cukrovej časti vlákna. V každom nukleotide je fosfátová skupina pripojená k atómu uhlíka označenému 5 'na svojom kruhu, zatiaľ čo 3' uhlík predstavuje hydroxylovú (-OH) skupinu. Keď je nukleotid pridaný k rastúcemu reťazcu nukleovej kyseliny, vždy k tomu dôjde na 3 'konci existujúceho reťazca. To znamená, že fosfátová skupina na 5 'konci nového nukleotidu je pripojená k 3' uhlíku s hydroxylovou skupinou skôr, ako dôjde k tomuto spojeniu. -OH je nahradený nukleotidom, ktorý stráca protón (H) zo svojej fosfátovej skupiny; teda molekula H₂Pri tomto procese sa do životného prostredia stráca kyslík alebo voda, čo robí syntézu RNA príkladom dehydratačnej syntézy.

Transkripcia je proces, pri ktorom sa mRNA syntetizuje z templátu DNA. Vzhľadom na to, čo už viete, si v zásade môžete ľahko predstaviť, ako sa to stane. DNA je dvojvláknová, takže každé vlákno môže slúžiť ako templát pre jednovláknovú RNA; tieto dva nové reťazce RNA budú kvôli vrtochom špecifického párovania báz navzájom komplementárne, nie to, že sa budú navzájom spájať. Transkripcia RNA je veľmi podobná replikácii DNA v tom, že platia rovnaké pravidlá párovania báz, pričom U v RNA nahradzuje T. Všimnite si, že táto náhrada je jednosmerný jav: T v DNA stále kóduje A v RNA, ale A v DNA kóduje U v RNA.

Aby došlo k transkripcii, musí sa dvojitá špirála DNA rozvinúť, čo robí pod vedením špecifických enzýmov. (Neskôr znovu predpokladá svoju správnu skrutkovitú konformáciu.) Potom, čo sa tak stane, špecifická sekvencia vhodne nazývaná promótorová sekvencia signalizuje, kde má transkripcia začať pozdĺž molekuly. Toto privoláva na molekulárnu scénu enzým nazývaný RNA polymeráza, ktorý je v súčasnosti súčasťou promótorového komplexu. To všetko sa vyskytuje ako druh biochemického mechanizmu bezpečného proti zlyhaniu, ktorý zabráni syntéze RNA na začiatku na nesprávnom mieste DNA a tým vytvorí reťazec RNA, ktorý obsahuje nelegitímny kód. RNA polymeráza „číta“ reťazec DNA počínajúc od promótorovej sekvencie a pohybuje sa pozdĺž reťazca DNA, pričom na 3 'koniec RNA pridáva nukleotidy. Uvedomte si, že reťazce RNA a DNA sú komplementárne aj preto, že sú antiparalelné. To znamená, že keď RNA rastie v 3 'smere, pohybuje sa pozdĺž reťazca DNA na 5' konci DNA. Toto je pre študentov malý, ale často mätúci bod, preto si môžete pozrieť diagram, aby ste sa ubezpečili, že rozumiete mechanike syntézy mRNA.

Väzby vytvorené medzi fosfátovými skupinami jedného nukleotidu a cukrovou skupinou na nasledujúcom sa nazývajú fosfodiesterové väzby (vyslovuje sa „phos-pho-die-es-ter“, nie „phos-pho-dee-ster“, ako to môže byť lákavé predpokladať).

Enzým RNA polymeráza má veľa foriem, hoci baktérie zahŕňajú iba jeden typ. Je to veľký enzým, ktorý sa skladá zo štyroch proteínových podjednotiek: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) a sigma (σ). Spolu majú molekulovú hmotnosť okolo 420 000 daltonov. (Pre porovnanie, jediný atóm uhlíka má molekulovú hmotnosť 12; jediná molekula vody, 18; a celá molekula glukózy, 180.) Enzým, ktorý sa nazýva holoenzým, keď sú všetky štyri podjednotky prítomný, je zodpovedný za rozpoznávanie promótorových sekvencií na DNA a oddeľovanie týchto dvoch DNA pramene. RNA polymeráza sa pohybuje pozdĺž génu, ktorý sa má transkribovať, pretože pridáva nukleotidy do rastúceho segmentu RNA, čo je proces nazývaný predĺženie. Tento proces, rovnako ako toľko v bunkách, vyžaduje ako zdroj energie adenozíntrifosfát (ATP). ATP nie je v skutočnosti nič iné ako nukleotid obsahujúci adenín, ktorý má namiesto jedného tri fosfáty.

Transkripcia sa zastaví, keď sa pohybujúca sa RNA polymeráza stretne s terminačnou sekvenciou v DNA. Tak, ako sa dá promótorová sekvencia považovať za ekvivalent zeleného svetla na semafore, aj koncová sekvencia je analógom červeného svetla alebo stopky.

Keď je molekula mRNA nesúca informácie o konkrétnom proteíne - tj. Časti mRNA zodpovedajúcej génu - úplná, je ešte musí byť spracovaný, kým nebude pripravený na dodanie chemického plánu do ribozómov, kde syntéza bielkovín trvá miesto. V eukaryotických organizmoch migruje aj von z jadra (prokaryoty jadro nemajú).

Kriticky, dusíkaté bázy nesú genetickú informáciu v skupinách po troch, nazývaných tripletové kodóny. Každý kodón nesie pokyny na pridanie konkrétnej aminokyseliny k rastúcemu proteínu. Rovnako ako nukleotidy sú monomérne jednotky nukleových kyselín, aminokyseliny sú monoméry proteínov. Pretože RNA obsahuje štyri rôzne nukleotidy (kvôli štyrom dostupným bázam) a kodón sa skladá z troch po sebe idúcich nukleotidov, je k dispozícii celkovo 64 tripletových kodónov (4³ = 64). To znamená, že počnúc AAA, AAC, AAG, AAU a až po UUU, existuje 64 kombinácií. Ľudia však využívajú iba 20 aminokyselín. Vo výsledku sa hovorí, že kód tripletov je nadbytočný: Vo väčšine prípadov kóduje viac tripletov tú istú aminokyselinu. Inverzia nie je pravdivá - to znamená, že ten istý triplet nemôže kódovať viac ako jednu aminokyselinu. Pravdepodobne si viete predstaviť biochemický chaos, ktorý by nastal inak. V skutočnosti majú aminokyseliny leucín, arginín a serín zodpovedajúcich šesť tripletov. Tri rôzne kodóny sú STOP kodóny, podobné transkripčným terminačným sekvenciám v DNA.

Samotný preklad je vysoko kooperatívny proces, ktorý spája všetkých členov rozšírenej rodiny RNA. Pretože sa vyskytuje na ribozómoch, zjavne zahŕňa použitie rRNA. Molekuly tRNA, opísané skôr ako drobné kríženia, sú zodpovedné za prenos jednotlivých aminokyselín do translačné miesto na ribozóme, pričom každá aminokyselina je obohatená o svoju vlastnú špecifickú značku tRNA sprievod. Rovnako ako transkripcia, aj translácia má fázy iniciácie, predĺženia a ukončenia a na konci syntézy molekuly proteínu proteín sa uvoľňuje z ribozómu a balí sa do Golgiho teliesok na použitie inde a samotný ribozóm sa disociuje na svoju zložku podjednotky.