Čo je kyselina ribonukleová?

Ribonukleová kyselina alebo RNA je jedným z dvoch typov nukleových kyselín nachádzajúcich sa v živote na Zemi. Druhá, kyselina deoxyribonukleová (DNA), má v povedomí príležitostných pozorovateľov a inde dlho v populárnej kultúre vyšší profil ako RNA. RNA je však všestrannejšia nukleová kyselina; Berie pokyny, ktoré prijíma od DNA, a transformuje ich do rôznych koordinovaných aktivít zapojených do syntézy bielkovín. Z tohto pohľadu sa na DNA dá pozerať ako na prezidenta alebo kancelára, ktorého vstup nakoniec určí, čo sa stane na úrovni každodenných udalostí, keďže RNA je armáda lojálnych peších vojakov a robotníkov, ktorí uskutočňujú skutočné práce a majú širokú škálu pôsobivých schopností v procesu.

RNA je podobne ako DNA makromolekula (inými slovami molekula s relatívne veľkým počtom jednotlivých atómov, na rozdiel od CO₂ alebo H₂O) pozostávajúci z polyméru alebo reťazca opakujúcich sa chemických prvkov. „Články“ v tomto reťazci alebo formálnejšie monoméry, ktoré tvoria polymér, sa nazývajú nukleotidy. Jeden nukleotid pozostáva z troch odlišných chemických oblastí alebo častí: pentózový cukor, fosfátová skupina a dusíkatá zásada. Dusíkatými bázami môžu byť jedna zo štyroch rôznych báz: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a uracil (U).

Adenín a guanín sú chemicky klasifikované ako puríny, zatiaľ čo cytozín a uracil patria do kategórie látok nazývaných pyrimidíny. Puríny pozostávajú predovšetkým z päťčlenného kruhu spojeného so šesťčlennými kruhmi, zatiaľ čo pyrimidíny sú podstatne menšie a majú iba šesťuhlíkový kruh. Adenín a guanín sú navzájom veľmi podobné, rovnako ako cytozín a uracil.

Pentózový cukor v RNA je ribóza, ktorý obsahuje kruh s piatimi atómami uhlíka a jedným atómom kyslíka. Fosfátová skupina je naviazaná na atóm uhlíka v kruhu na jednej strane atómu kyslíka a dusíkatá báza je naviazaná na atóm uhlíka na druhej strane kyslíka. Fosfátová skupina sa tiež viaže na ribózu na susednom nukleotide, takže ribóza a fosfátová časť nukleotidu tvoria spolu „hlavný reťazec“ RNA.

Dusíkaté bázy možno považovať za najkritickejšiu časť RNA, pretože práve tieto majú v skupinách po troch v susedných nukleotidoch mimoriadny funkčný význam. Skupiny troch susedných základní tvoria jednotky zvané tripletové kódyalebo kodóny, ktoré prenášajú špeciálne signály do mechanizmov, ktoré spájajú proteíny pomocou informácií zapojených do prvej DNA a potom RNA. Bez toho, aby bol tento kód interpretovaný v takom stave, v akom je, by bolo poradie nukleotidov irelevantné, ako bude čoskoro opísané.

Keď ľudia s malým základom v biológii počujú výraz „DNA“, je pravdepodobné, že jednou z prvých vecí, ktorá mi napadne, je „dvojitá špirála“. Výrazná Štruktúra molekuly DNA bola objasnená Watsonom, Crickom, Franklinom a ďalšími v roku 1953 a medzi zisteniami tímu bolo, že DNA je dvojreťazcová a skrutkovitá obvyklá forma. Naproti tomu RNA je prakticky vždy jednovláknová.

Ako vyplýva z mien týchto príslušných makromolekúl, DNA obsahuje iný ribózový cukor. Namiesto ribózy obsahuje deoxyribózu, zlúčeninu identickú s ribózou, okrem toho, že má atóm vodíka namiesto jednej z jej hydroxylových (-OH) skupín.

Nakoniec, zatiaľ čo pyrimidíny v RNA sú cytozín a uracil, v DNA sú to cytozín a tymín. Na „priečkach“ dvojvláknového „rebríčka DNA“ sa adenín viaže iba s tymínom, zatiaľ čo cytozín sa viaže iba s guanínom. (Napadá vás architektonický dôvod, že purínové bázy sa viažu iba na pyrimidínové bázy cez stred DNA? Rada: „boky“ rebríka musia zostať v pevnej vzdialenosti od seba.) Keď sa prepisuje DNA a a vytvára sa komplementárne vlákno RNA, nukleotidom generovaným naprieč adenínom v DNA je uracil, nie tymín. Toto rozlíšenie pomáha prírode vyhnúť sa zámene DNA a RNA v bunkových prostrediach, v ktorých je to nepríjemné veci môžu vyplynúť z nežiaduceho správania, ak enzýmy, ktoré pôsobia na príslušné molekuly.

Aj keď je dvojvláknová iba DNA, RNA je oveľa zručnejšia vo vytváraní komplikovaných trojrozmerných štruktúr. To umožnilo vývoj troch základných foriem RNA v bunkách.

RNA sa dodáva v troch základných typoch, aj keď existujú aj ďalšie, veľmi nejasné odrody.

Messenger RNA (mRNA): Molekuly mRNA obsahujú kódujúcu sekvenciu pre proteíny. Molekuly mRNA sa veľmi líšia v dĺžke, pričom eukaryoty (v podstate väčšina živých vecí, ktoré nie sú baktériami) vrátane najväčšej doteraz objavenej RNA. Mnoho prepisov presahuje dĺžku 100 000 báz (100 kilobáz alebo kb).

Transfer RNA (tRNA): tRNA je krátka (asi 75 báz) molekula, ktorá transportuje aminokyseliny a presúva ich do rastúceho proteínu počas translácie. Predpokladá sa, že tRNA majú spoločné trojrozmerné usporiadanie, ktoré pri röntgenovej analýze vyzerá ako štvorlístok. Toto je dosiahnuté väzbou komplementárnych báz, keď sa prameň tRNA sklopí späť na seba, podobne ako lepiaca páska, keď náhodne spojíte bočné časti pásu.

Ribozomálna RNA (rRNA): Molekuly rRNA tvoria 65 až 70 percent hmotnosti organely nazývanej ribozóm, štruktúra, ktorá priamo hostí transláciu alebo syntézu proteínov. Podľa bunkových štandardov sú ribozómy veľmi veľké. Bakteriálne ribozómy majú molekulové hmotnosti asi 2,5 milióna, zatiaľ čo eukaryotické ribozómy majú molekulové hmotnosti asi jeden a pol násobok. (Pre porovnanie, molekulová hmotnosť uhlíka je 12; žiadny jediný vrchol 300.)

Jeden eukaryotický ribozóm, nazývaný 40S, obsahuje jednu rRNA a asi 35 rôznych proteínov. Ribozóm 60S obsahuje tri rRNA a asi 50 proteínov. Ribozómy sú teda zmesou nukleových kyselín (rRNA) a bielkovinových produktov, ktoré kód vytvárajú ďalšie nukleové kyseliny (mRNA).

Až donedávna molekulárni biológovia predpokladali, že rRNA plní väčšinou štrukturálnu úlohu. Novšie informácie však naznačujú, že rRNA v ribozómoch pôsobí ako enzým, zatiaľ čo okolité proteíny pôsobia ako lešenie.

Transkripcia je proces syntézy RNA z templátu DNA. Pretože DNA je dvojvláknová a RNA je jednovláknová, musia sa reťazce DNA pred transkripciou oddeliť.

V tejto chvíli je užitočná určitá terminológia. Gén, o ktorom už každý počul, ale len málo odborníkov z oblasti nebiológie ho môže formálne definovať, je iba úsek DNA, ktorý obsahuje templát pre syntézu RNA a sekvencie nukleotidov, ktoré umožňujú reguláciu a kontrolu produkcie RNA z templátu regiónu. Keď boli mechanizmy syntézy proteínov prvýkrát opísané s presnosťou, vedci predpokladali, že každý gén zodpovedá jedinému proteínovému produktu. Aj keď by to bolo pohodlné (a rovnako by to malo zmysel aj na povrchu), ukázalo sa, že myšlienka je nesprávna. Niektoré gény vôbec nekódujú bielkoviny a u niektorých zvierat sa „striedavo spája“, pri ktorom rovnaký gén môže byť spustený, aby vytvoril rôzne proteíny za rôznych podmienok bežné.

Transkripcia RNA produkuje produkt, ktorý je doplnkové do šablóny DNA. To znamená, že ide o zrkadlový obraz, ktorý by sa prirodzene pároval s akoukoľvek sekvenciou zhodnou so šablónou vďaka špecifickým pravidlám párovania báza-báza, ktoré už boli spomenuté. Napríklad sekvencia DNA TACTGGT je komplementárna so sekvenciou RNA AUGACCA, pretože každá báza v prvej sekvencii môže byť spárovaný pár so zodpovedajúcou bázou v druhej sekvencii (všimnite si, že U sa objavuje v RNA, kde T by sa objavovalo v DNA).

Iniciácia transkripcie je zložitý, ale usporiadaný proces. Tieto kroky zahŕňajú:

1. Proteíny transkripčného faktora sa viažu na promótor „proti smeru“ sekvencie, ktorá sa má transkribovať.
2. RNA polymeráza (enzým, ktorý zhromažďuje novú RNA) sa viaže na promótor-proteínový komplex DNA, ktorý je skôr ako spínač zapaľovania v automobile.
3. Novo vytvorený komplex RNA polymeráza / promótor-proteín oddeľuje dva komplementárne reťazce DNA.
4. RNA polymeráza začína syntetizovať RNA, jeden nukleotid po druhom.

Na rozdiel od DNA polymerázy nemusí byť RNA polymeráza „pripravovaná“ druhým enzýmom. Prepis vyžaduje iba väzbu RNA polymerázy na promótorovú oblasť.

Gény v DNA kódujú molekuly proteínu. Jedná sa o „peších vojakov“ bunky, ktorí plnia povinnosti potrebné na udržanie života. Keď si spomeniete na bielkoviny, môžete myslieť na mäso alebo svaly alebo na zdravý chvenie, ale väčšina bielkovín letí pod radarom vášho každodenného života. Enzýmy sú bielkoviny - molekuly, ktoré pomáhajú rozkladať živiny, budovať nové komponenty buniek, zhromažďovať nukleové kyseliny (napr. DNA polymeráza) a vytvárať kópie DNA počas bunkového delenia.

„Génová expresia“ znamená výrobu zodpovedajúceho proteínu génu, ak existuje, a tento komplikovaný proces má dva primárne kroky. Prvým je prepis, ktorý je podrobne opísaný vyššie. V preklade novo vyrobené molekuly mRNA opúšťajú jadro a migrujú do cytoplazmy, kde sa nachádzajú ribozómy. (V prokaryotických organizmoch sa ribozómy môžu pripojiť k mRNA, zatiaľ čo transkripcia stále prebieha.)

Ribozómy sa skladajú z dvoch odlišných častí: veľkej podjednotky a malej podjednotky. Každá podjednotka je zvyčajne separovaná v cytoplazme, ale spája sa spolu v molekule mRNA. Podjednotky obsahujú trochu takmer všetkého, čo už bolo spomenuté: proteíny, rRNA a tRNA. Molekuly tRNA sú adaptorové molekuly: Jeden koniec môže čítať tripletový kód v mRNA (napríklad UAG alebo CGC) prostredníctvom komplementárneho párovania báz a druhý koniec sa pripája k špecifickej aminokyseline. Každý tripletový kód je zodpovedný za jednu z približne 20 aminokyselín, ktoré tvoria všetky proteíny; niektoré aminokyseliny sú kódované viacerými trojicami (čo nie je prekvapujúce, pretože je možných 64 trojíc - štyri bázy povýšené na tretiu mocninu, pretože každý triplet má tri bázy - a je to iba 20 aminokyselín potrebné). V ribozóme sú komplexy mRNA a aminoacyl-tRNA (kúsky tRNA prepínajúce aminokyselinu) držané veľmi blízko pri sebe, čo uľahčuje párovanie báz. rRNA katalyzuje pripojenie každej ďalšej aminokyseliny k rastúcemu reťazcu, ktorý sa stáva polypeptidom a nakoniec proteínom.

Vďaka svojej schopnosti usporiadať sa do zložitých tvarov môže RNA pôsobiť slabo ako enzým. Pretože RNA môže uchovávať genetické informácie aj katalyzovať reakcie, niektorí vedci navrhli, aby RNA mala v DNA dôležitú úlohu pôvodu života, ktorý sa nazýva „svet RNA“. Táto hypotéza tvrdí, že už v histórii Zeme molekuly RNA hrali všetky dnes zohrávajú rovnaké úlohy molekúl proteínov a nukleových kyselín, čo by teraz nebolo možné, ale mohlo by to byť možné v a predbiotický svet. Ak RNA fungovala ako štruktúra na ukladanie informácií, aj ako zdroj katalytickej aktivity potrebnej na základné metabolické reakcie, môže mať predchádzala DNA v jej najskorších formách (aj keď ju teraz vyrába DNA) a slúžila ako platforma na vypúšťanie „organizmov“, ktoré sú skutočne samoreplikácia.