Kaj je ribonukleinska kislina?

Ribonukleinska kislina ali RNA je ena od dveh vrst nukleinskih kislin, ki jih najdemo v življenju na Zemlji. Druga, deoksiribonukleinska kislina (DNA), je v popularnih kulturah, v mislih naključnih opazovalcev in drugod, že dolgo prevzela višji profil kot RNA. RNA pa je bolj vsestranska nukleinska kislina; upošteva navodila, ki jih prejme od DNA, in jih spremeni v različne usklajene dejavnosti, ki sodelujejo pri sintezi beljakovin. Če gledamo na ta način, lahko na DNA gledamo kot na predsednika ali kanclerja, katerega prispevek na koncu določa, kaj se bo dogajalo na ravni vsakdanjih dogodkov, ker je RNA vojska zvestih peš vojakov in grunt delavcev, ki dejansko opravijo svoja dela in pokažejo široko paleto impresivnih spretnosti v proces.

RNA je, tako kot DNA, makromolekula (z drugimi besedami, molekula z razmeroma velikim številom posameznih atomov, za razliko od recimo CO₂ ali H₂O) sestavljen iz polimera ali verige ponavljajočih se kemičnih elementov. "Povezave" v tej verigi ali bolj formalno monomeri, ki tvorijo polimer, se imenujejo nukleotidi. En sam nukleotid sestavljajo tri različne kemijske regije ali deli: pentozni sladkor, fosfatna skupina in dušikova baza. Dušikove baze so lahko ena od štirih različnih baz: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in uracil (U).

Adenin in gvanin sta kemično razvrščena kot puriniker citozin in uracil spadata v kategorijo imenovanih snovi pirimidini. Purini so sestavljeni predvsem iz petčlenskega obroča, ki je povezan s šestčlanskimi obroči, medtem ko so pirimidini precej manjši in imajo le šest-ogljikov obroč. Adenin in gvanin sta si po zgradbi zelo podobna, prav tako citozin in uracil.

Pentozni sladkor v RNA je riboza, ki vključuje obroč s petimi atomi ogljika in enim atomom kisika. Fosfatna skupina je vezana na atom ogljika v obroču na eni strani kisikovega atoma, dušikova baza pa na atom ogljika na drugi strani kisika. Fosfatna skupina se veže tudi na ribozo na sosednjem nukleotidu, zato riboza in fosfatni del nukleotida skupaj tvorita "hrbtenico" RNA.

Dušikove baze lahko štejemo za najbolj kritični del RNA, ker so prav te v skupinah po tri v sosednjih nukleotidih izredno funkcionalnega pomena. Skupine treh sosednjih osnov tvorijo enote, imenovane trojne kodeali kodoni, ki prenašajo posebne signale v stroje, ki beljakovine sestavlja skupaj z informacijami, najprej povezanimi v DNA in nato v RNA. Brez razlage te kode takšne, kot bi bila, bi bil vrstni red nukleotidov nepomemben, kot bo opisano v kratkem.

Ko ljudje z malo predznanja iz biologije zaslišijo izraz "DNK", je verjetno, da ena prvih stvari, ki jim pride na misel, "dvojna vijačnica". Prepoznavno strukturo molekule DNA so leta 1953 razjasnili Watson, Crick, Franklin in drugi, med ugotovitvami ekipe pa je tudi, da je DNK dvoverižna in spiralna. običajna oblika. V nasprotju s tem je RNA skoraj vedno enoverižna.

Kot navajajo tudi imena teh makromolekul, DNA vsebuje drugačen ribozni sladkor. Namesto riboze vsebuje deoksiribozo, spojino, ki je identična ribozi, razen če ima atom vodika namesto ene od svojih hidroksilnih (-OH) skupin.

Nazadnje, medtem ko sta pirimidina v RNA citozin in uracil, sta v DNK citozin in timin. V "stopnicah" dvoverižne DNA "lestve" se adenin veže s timinom in samo z njim, medtem ko se citozin veže z gvaninom in samo z njim. (Si lahko omislite arhitekturni razlog, da se purinske baze vežejo samo na pirimidinske baze v središču DNA? Namig: "stranice" lestve morajo ostati na določeni razdalji.) Ko se DNK prepiše in a ustvari se komplementarna veriga RNA, nukleotid, ki nastane čez adenin v DNA, je uracil, ne timin. To razlikovanje pomaga naravi, da se izogne ​​zamenjavi DNK in RNK v celičnih okoljih, v katerih ni stvari bi lahko nastale zaradi neželenega vedenja, če encimi, ki delujejo na posameznega molekul.

Medtem ko je samo DNA dvoverižna, je RNA veliko bolj spretna pri oblikovanju dodelanih tridimenzionalnih struktur. To je omogočilo razvoj treh bistvenih oblik RNK v celicah.

RNA je na voljo v treh osnovnih vrstah, čeprav obstajajo tudi dodatne, zelo nejasne sorte.

Messenger RNA (mRNA): Molekule mRNA vsebujejo kodirno zaporedje proteinov. Dolžine molekul mRNA se zelo razlikujejo, pri evkariontih (v bistvu večini živih bitij, ki niso bakterije), vključno z največjo RNA, ki so jo odkrili. Številni prepisi presegajo 100.000 osnov (100 kilobaz ali kb).

Prenos RNA (tRNA): tRNA je kratka (približno 75 baz) molekula, ki transportira aminokisline in jih med prevajanjem premakne v rastoče beljakovine. Verjamejo, da imajo tRNA skupno tridimenzionalno razporeditev, ki je na rentgenski analizi videti kot deteljica. To nastane z vezavo komplementarnih baz, ko se tRNA veriga zloži nazaj na sebe, podobno kot trak, ki se prilepi nase, ko nenamerno združite stranice traku.

Ribosomska RNA (rRNA): Molekule rRNA obsegajo 65 do 70 odstotkov mase organele, imenovane ribosom, struktura, ki neposredno gosti prevajanje ali sintezo beljakovin. Po celičnih standardih so ribosomi zelo veliki. Bakterijski ribosomi imajo molekulsko maso približno 2,5 milijona, evkariontski ribosomi pa približno eno in pol krat. (Za referenco je molekulska masa ogljika 12; noben element ni na vrhu 300.)

En evkariontski ribosom, imenovan 40S, vsebuje eno rRNA in približno 35 različnih beljakovin. Ribozom 60S vsebuje tri rRNA in približno 50 beljakovin. Ribosomi so tako mešanica nukleinskih kislin (rRNA) in beljakovinskih produktov, ki jih druge nukleinske kisline (mRNA) nosijo v kodo.

Do nedavnega so molekularni biologi domnevali, da ima rRNA večinoma strukturno vlogo. Novejše informacije pa kažejo, da rRNA v ribosomih deluje kot encim, medtem ko beljakovine, ki jo obdajajo, delujejo kot odri.

Transkripcija je postopek sinteze RNA iz predloge DNA. Ker je DNA dvoverižna in RNA enoverižna, je treba verige DNA ločiti, preden lahko pride do transkripcije.

V tem trenutku je uporabno nekaj terminologije. Gen, za katerega so vsi že slišali, vendar ga le nekaj nebioloških strokovnjakov lahko formalno opredeli, je le odsek DNA, ki vsebuje tako predloga za sintezo RNA in zaporedja nukleotidov, ki omogočajo regulacijo in nadzor proizvodnje RNA iz predloge regiji. Ko so bili mehanizmi za sintezo beljakovin prvič natančno opisani, so znanstveniki domnevali, da vsak gen ustreza enemu proteinskemu izdelku. Kolikor bi to bilo priročno (in kolikor smiselno je na videz), se je ideja izkazala za napačno. Nekateri geni sploh ne kodirajo beljakovin, pri nekaterih živalih pa "izmenjujejo spajanje", pri katerem Zdi se, da isti gen lahko sproži tvorjenje različnih beljakovin v različnih pogojih običajni.

Transkripcija RNA proizvaja produkt, ki je komplementarne na predlogo DNA. To pomeni, da gre za nekakšno zrcalno sliko, ki bi se seveda sparila s katerim koli zaporedjem, ki je enako predlogi, zahvaljujoč prej omenjenim določenim pravilom seznanjanja osnovna osnova. Na primer, zaporedje DNA TACTGGT je komplementarno zaporedju RNA AUGACCA, saj je vsaka baza v prvem zaporedju se lahko seznani z ustrezno bazo v drugem zaporedju (upoštevajte, da se U pojavlja v RNA, kjer bi se pojavil T v DNK).

Začetek prepisa je zapleten, a urejen postopek. Koraki vključujejo:

1. Proteini transkripcijskega faktorja se vežejo na promotor "gorvodno" od zaporedja, ki se prepisuje.
2. RNK polimeraza (encim, ki sestavlja novo RNA), se veže na promotorsko-beljakovinski kompleks DNA, ki je precej podoben stikalu za vžig v avtomobilu.
3. Novo nastali kompleks RNA polimeraza / promotor-protein ločuje dve komplementarni verigi DNA.
4. RNK polimeraza začne sintetizirati RNA, po en nukleotid.

Za razliko od DNA polimeraze RNA polimeraze ni treba "napolniti" z drugim encimom. Za transkripcijo je potrebna vezava le RNA polimeraze na promotorsko območje.

Geni v DNA kodirajo beljakovinske molekule. To so "peš vojaki" celice, ki opravljajo naloge, potrebne za vzdrževanje življenja. Ko pomislite na beljakovine, boste morda pomislili na meso ali mišice ali na zdrav stres, toda večina beljakovin leti pod radarjem vašega vsakdana. Encimi so beljakovine - molekule, ki pomagajo razgraditi hranila, zgraditi nove celične komponente, sestaviti nukleinske kisline (npr. DNA polimerazo) in narediti kopije DNA med celično delitvijo.

"Genska ekspresija" pomeni izdelavo ustreznega genskega proteina, če sploh, in ta zapleten postopek ima dva glavna koraka. Prva je prepis, ki je bil predhodno podrobno opisan. V prevodu na novo izdelane molekule mRNA izstopijo iz jedra in migrirajo v citoplazmo, kjer se nahajajo ribosomi. (V prokariontskih organizmih se lahko ribosomi pritrdijo na mRNA, medtem ko še vedno poteka transkripcija.)

Ribosomi so sestavljeni iz dveh ločenih delov: velike in majhne podenote. Vsaka podenota je običajno ločena v citoplazmi, vendar se združita na molekuli mRNA. Podenote vsebujejo malo skoraj vsega že omenjenega: beljakovine, rRNA in tRNA. Molekule tRNA so prilagodljive molekule: en konec lahko bere tripletno kodo v mRNA (na primer UAG ali CGC) prek komplementarnega spajanja baz, drugi konec pa se veže na določeno aminokislino. Vsaka tripletna koda je odgovorna za eno od približno 20 aminokislin, ki tvorijo vse beljakovine; nekatere aminokisline kodirajo večkratni trojčki (kar ni presenetljivo, saj je možnih 64 trojčkov - štiri baze dvignjene na tretjo stopnjo, ker ima vsak triplet tri baze - in le 20 aminokislin je potrebno). V ribosomu so kompleksi mRNA in aminoacil-tRNA (koščki tRNA, ki premeščajo aminokislino) zelo tesno skupaj, kar olajša seznanjanje baz. rRNA katalizira vezavo vsake dodatne aminokisline na rastočo verigo, ki postane polipeptid in nazadnje protein.

Zaradi sposobnosti, da se razporedi v zapletene oblike, lahko RNA deluje šibko kot encim. Ker lahko RNA hrani genetske informacije in katalizira reakcije, so nekateri znanstveniki predlagali pomembno vlogo RNA v izvor življenja, imenovan "svet RNA". Ta hipoteza trdi, da so molekule RNA daleč v zgodovini Zemlje igrale vse danes igrajo enake vloge molekul beljakovin in nukleinskih kislin, kar bi bilo zdaj nemogoče, vendar bi bilo mogoče v predbiotični svet. Če je RNA delovala hkrati kot struktura za shranjevanje informacij in kot vir katalitične aktivnosti, potrebne za osnovne presnovne reakcije, ima lahko pred DNK v njegovih najzgodnejših oblikah (čeprav jo zdaj tvori DNK) in je služil kot platforma za izstrelitev "organizmov", ki so resnično samopodvajanje.