MRNA: opredelitev, funkcija in struktura

RNA ali ribonukleinska kislina je ena od dveh nukleinskih kislin, ki jih najdemo v naravi. Druga, deoksiribonukleinska kislina (DNA), je gotovo bolj domišljijska. Tudi ljudje, ki se malo zanimajo za znanost, se zavedajo, da je DNK ključnega pomena za prenašanje lastnosti z njega generacija v naslednjo in da je DNK vsakega človeka edinstvena (in zato je slaba ideja, da se prepustimo zločinu prizor). Toda za vse razvpite DNA je RNA bolj vsestranska molekula, ki je v treh glavnih oblikah: messenger RNA (mRNA), ribosomska RNA (rRNA) in prenosna RNA (tRNA).

Naloga mRNA je močno odvisna od drugih dveh vrst, mRNA pa leži v središču tako imenovane osrednje dogme molekularne biologije (DNK rodi RNA, ta pa rodi beljakovine).

DNA in RNA sta nukleinski kislini, kar pomeni, da gre za polimerne makromolekule, katerih monomerne sestavine imenujemo nukleotidi. Nukleotidi so sestavljeni iz treh različnih delov: pentoznega sladkorja, fosfatne skupine in dušikove baze, izbrane med štirimi možnostmi. Pentozni sladkor je sladkor, ki vključuje petatomsko obročasto strukturo.

Tri glavne razlike razlikujejo DNA od RNA. Najprej je v RNA sladkorni del nukleotida riboza, v DNA pa deoksiriboza, ki je preprosto riboza s hidroksilno (-OH) skupino, odstranjeno iz enega od ogljikov v petatomskem obroču in nadomeščeno z vodikovim atomom (-H). Tako je sladkorni del DNK le en kisikov atom manj masiven od RNK, vendar je RNA zaradi svoje ene ekstra-OH skupine veliko bolj kemično reaktivna molekula kot DNA. Drugič, DNA je precej znana, dvoverižna in v najbolj stabilni obliki navita v vijačno obliko. RNA pa je enoverižna. In tretjič, medtem ko DNA in RNA v obeh vsebujejo dušikove baze adenin (A), citozin (C) in gvanin (G), četrta taka baza v DNK je timin (T), medtem ko je v RNA uracil (U).

Ker je DNK dvoverižna, znanstveniki že od sredine 19. stoletja vedo, da se te dušikove baze združujejo in samo z drugo vrsto baze; Par z T in C z G. Poleg tega sta A in G kemično razvrščena kot purina, medtem ko se C in T imenujeta pirimidini. Ker so purini bistveno večji od pirimidinov, bi bilo parjenje A-G preveč zajetno, medtem ko bi bilo parjenje C-T nenavadno premajhno; obe situaciji bi motili obe verigi dvoverižne DNA, ki bi bili na vseh točkah vzdolž obeh verig na enaki razdalji.

Zaradi te sheme seznanjanja se obe verigi DNA imenujeta "komplementarno" in zaporedje enega je mogoče predvideti, če je drugo znano. Na primer, če ima niz desetih nukleotidov v verigi DNA osnovno zaporedje AAGCGTATTG, bo komplementarni DNA pramen imel osnovno zaporedje TTCGCATAAC. Ker se RNA sintetizira iz predloge DNA, to vpliva tudi na transkripcijo.

mRNA je najbolj "DNK podobna" oblika ribonukleinske kisline, ker je njena naloga večinoma enaka: prenos informacij kodirano v genih v obliki skrbno urejenih dušikovih baz v celični stroj, ki se sestavlja beljakovin. Obstajajo pa tudi različne vitalne vrste RNA.

Tridimenzionalna struktura DNA je bila pojasnjena leta 1953, Jamesu Watsonu in Francisu Cricku pa je prinesla Nobelovo nagrado. Toda še vrsto let kasneje je struktura RNK kljub prizadevanjem nekaterih istih strokovnjakov za DNK ostala nedosegljiva. V šestdesetih letih je postalo jasno, da čeprav je RNA enoverižna, je njena sekundarna struktura - torej razmerje zaporedja nukleotidov med seboj, ko se RNA vije skozi vesolje - pomeni, da se lahko dolžine RNA zložijo nazaj baze na istem pramenu, s čimer se med seboj povezujejo na enak način, se lahko dolžina lepilnega traku prilepi nase, če mu dovolite kink. To je osnova za navzkrižno strukturo tRNA, ki vključuje tri 180-stopinjske ovinke, ki v molekuli ustvarjajo molekularni ekvivalent slepe vrečke.

rRNA je nekoliko drugačna. Vsa rRNA izvira iz ene pošasti verige rRNA, dolge približno 13.000 nukleotidov. Po številnih kemičnih modifikacijah se ta veriga razcepi na dve neenaki podenoti, eno imenovano 18S in drugo z oznako 28S. ("S" pomeni "Svedbergova enota", ukrep, ki ga biologi uporabljajo za posredno oceno mase makromolekul.) Del 18S je vključen v tisto, kar je imenuje se majhna ribosomska podenota (ki je po končani dejansko 30S) in 28S del prispeva k veliki podenoti (ta v celoti ima velikost 50S); vsi ribosomi vsebujejo po eno podenoto skupaj s številnimi beljakovinami (ne nukleinskimi kislinami, ki beljakovine omogočajo same), da ribosomom zagotovi strukturno celovitost.

Verige DNA in RNA imajo tako imenovane 3 'in 5' ("tri glavne" in "pet glavne") konce na podlagi položajev molekul, pritrjenih na sladkorni del verige. V vsakem nukleotidu je fosfatna skupina vezana na atom ogljika, označen s 5 'v njegovem obroču, medtem ko ima 3' ogljik hidroksilno (-OH) skupino. Ko nukleotid dodamo rastoči verigi nukleinske kisline, se to vedno zgodi na 3 'koncu obstoječe verige. To pomeni, da je fosfatna skupina na 5 'koncu novega nukleotida povezana s 3' ogljikom, ki vsebuje hidroksilno skupino, preden pride do te povezave. -OH nadomesti nukleotid, ki iz fosfatne skupine izgubi proton (H); torej molekula H₂V tem procesu se O ali voda izgubi v okolju, zaradi česar je sinteza RNA primer sinteze dehidracije.

Transkripcija je postopek, pri katerem se iz vzorca DNA sintetizira mRNA. Načeloma lahko glede na to, kar zdaj veste, enostavno zamislite, kako se to zgodi. DNA je dvoverižna, zato lahko vsaka veriga služi kot predloga za enoverižno RNA; ti dve novi verigi RNA se bosta zaradi nenavadnosti določenega parjenja baz medsebojno dopolnjevali, ne pa da se bosta povezali. Transkripcija RNA je zelo podobna replikaciji DNA, saj veljajo enaka pravila za seznanjanje baz, pri čemer U v RNA zavzame mesto T. Upoštevajte, da je ta zamenjava enosmerni pojav: T v DNA še vedno kodira A v RNA, A v DNA pa kodo U v RNA.

Da pride do transkripcije, se mora dvojna vijačnica DNA razviti, kar stori pod vodstvom določenih encimov. (Pozneje ponovno prevzame svojo pravilno spiralno konformacijo.) Po tem se določeno zaporedje, ki se pravilno imenuje signali zaporedja promotorja, kjer se začne transkripcija vzdolž molekule. Ta na molekularno prizorišče prikliče encim, imenovan RNA polimeraza, ki je v tem času del promocijskega kompleksa. Vse to se zgodi kot nekakšen biokemični mehanizem, ki preprečuje odpovedi, da sinteza RNK ne bo začela na napačnem mestu na DNK in s tem ustvarila verigo RNA, ki vsebuje nezakonito kodo. RNA polimeraza "bere" verigo DNA, ki se začne pri promotorskem zaporedju in se premika vzdolž verige DNA, dodaja nukleotide na 3 'konec RNA. Zavedajte se, da so verige RNA in DNA zaradi komplementarnosti tudi antiparalelne. To pomeni, da se RNA, ko raste v smeri 3 ', premika vzdolž verige DNA na koncu 5' DNA. To je za učence manjše, a pogosto zmedeno, zato boste morda želeli, da si ogledate diagram, da se prepričate, da razumete mehaniko sinteze mRNA.

Imenujejo se vezi, ki nastanejo med fosfatnimi skupinami enega nukleotida in sladkorno skupino naslednjega fosfodiesterske povezave (izgovarja se "fos-fo-die-es-ter", ne "fos-fo-de-ster", saj je morda skušnjava predpostavimo).

Encim RNA polimeraza je v mnogih oblikah, čeprav bakterije vključujejo samo en tip. Je velik encim, ki ga sestavljajo štiri beljakovinske podenote: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) in sigma (σ). V kombinaciji imajo molekulsko maso približno 420.000 daltonov. (Za referenco ima en sam atom ogljika molekulsko maso 12; ena molekula vode, 18; in celotna molekula glukoze, 180.) Encim, imenovan holoencim, ko so vse štiri podenote prisoten, je odgovoren za prepoznavanje promotorskih zaporedij na DNA in ločevanje obeh DNA pramenov. RNK polimeraza se premika vzdolž gena, ki ga je treba prepisati, saj dodaja nukleotide rastočemu segmentu RNA, postopek, imenovan raztezanje. Ta postopek, tako kot mnogi znotraj celic, zahteva adenozin trifosfat (ATP) kot vir energije. ATP v resnici ni nič drugega kot nukleotid, ki vsebuje adenin in ima tri fosfate namesto enega.

Transkripcija preneha, ko premikajoča se RNA polimeraza naleti na zaključno zaporedje v DNA. Tako kot je promocijsko zaporedje mogoče obravnavati kot enakovredno zeleni luči na semaforju, je zaporedno zaporedje analog rdeče luči ali znaka za zaustavitev.

Ko je molekula mRNA, ki vsebuje informacije za določeno beljakovino - to je delček mRNA, ki ustreza genu - popolna, je še vedno treba obdelati, preden je pripravljen opraviti svoje delo, tako da dostavi kemijski načrt ribosomom, kjer sinteza beljakovin traja kraj. Pri evkariontskih organizmih se seli tudi iz jedra (prokarionti nimajo jedra).

Ključne besede dušikove baze so genetske informacije v skupinah po tri, imenovane tripletni kodoni. Vsak kodon vsebuje navodila za dodajanje določene aminokisline rastočim beljakovinam. Tako kot so nukleotidi monomerne enote nukleinskih kislin, so aminokisline monomeri beljakovin. Ker RNA vsebuje štiri različne nukleotide (zaradi štirih različnih baz, ki so na voljo) in je kodon sestavljen iz treh zaporednih nukleotidov, je na voljo 64 tripletnih kodonov (4³ = 64). Se pravi, od AAA, AAC, AAG, AAU in vse do UUU obstaja 64 kombinacij. Ljudje pa uporabimo le 20 aminokislin. Posledično naj bi bila trojna koda odveč: v večini primerov več trojk kodira isto aminokislino. Inverzno ne drži - torej isti triplet ne more kodirati več kot eno aminokislino. Verjetno si lahko predstavljate biokemični kaos, ki bi se zgodil drugače. Dejansko imajo aminokisline levcin, arginin in serin po šest trojčkov. Trije različni kodoni so STOP kodoni, podobno kot zaporedja zaključitve transkripcije v DNA.

Prevajanje samo po sebi je postopek sodelovanja, ki združuje vse člane razširjene družine RNA. Ker se pojavlja na ribosomih, očitno vključuje uporabo rRNA. Molekule tRNA, prej opisane kot drobni križanci, so odgovorne za prenašanje posameznih aminokislin prevajalsko mesto na ribosomu, pri čemer je vsaka aminokislina imela lastno blagovno znamko tRNA spremstvo. Tako kot transkripcija ima tudi translacija faze iniciacije, raztezanja in zaključka, na koncu sinteze beljakovinske molekule pa beljakovine se sprostijo iz ribosoma in pakirajo v Golgijeva telesa za uporabo drugje, sam ribosom pa se loči na svojo komponento podenote.