МРНК: Дефиниција, функција и структура

РНК, или рибонуклеинска киселина, једна је од две нуклеинске киселине које се налазе у природи. Друга, деоксирибонуклеинска киселина (ДНК), сигурно је више фиксирана у машти. Чак и људи које мало занима наука наслућују да је ДНК од виталног значаја за преношење особина са једне генерације до следеће, и да је ДНК сваког људског бића јединствена (и стога је лоша идеја преступити за злочин сцена). Али за сву злу ДНК, РНК је свестранији молекул, долази у три главна облика: мессенгер РНА (мРНА), рибосомал РНА (рРНА) и трансфер РНА (тРНА).

Посао мРНК се у великој мери ослања на друга два типа, а мРНК лежи у средишту такозване централне догме молекуларне биологије (ДНК рађа РНК, која заузврат рађа протеине).

ДНК и РНК су нуклеинске киселине, што значи да су полимерне макромолекуле, чији се мономерни састојци називају нуклеотиди. Нуклеотиди се састоје од три различита дела: пентозни шећер, фосфатна група и азотна база, изабрани између четири избора. Пентозни шећер је шећер који укључује петоатомску прстенасту структуру.

Три главне разлике разликују ДНК од РНК. Прво, у РНК, шећерни део нуклеотида је рибоза, док је у ДНК деоксирибоза, што је једноставно рибоза са хидроксилном (-ОХ) групом уклоњеном из једног од угљеника у петоматном прстену и замењеном атомом водоника (-Х). Тако је шећерни део ДНК само један атом кисеоника мање масиван од РНК, али РНК је далеко хемијски реактивнији молекул од ДНК због своје једне екстра -ОХ групе. Друго, ДНК је, прилично позната, дволанчана и увијена у спирални облик у свом најстабилнијем облику. РНА је, с друге стране, једноланчана. И треће, док ДНК и РНК садрже азотне базе аденин (А), цитозин (Ц) и гванин (Г), четврта таква база у ДНК је тимин (Т), док је у РНК урацил (У).

Будући да је ДНК дволанчана, научници још од средине 1900-их знају да се те азотне базе спајају и само са једном другом врстом базе; Парови са Т, а Ц парови са Г. Даље, А и Г су хемијски класификовани као пурини, док се Ц и Т називају пиримидини. Будући да су пурини знатно већи од пиримидина, А-Г упаривање би било превише гломазно, док би Ц-Т упаривање било необично премало; обе ове ситуације реметиле би две ланце дволанчане ДНК на истој удаљености у свим тачкама дуж те две ланце.

Због ове шеме упаривања, два ланца ДНК називају се „комплементарним“, а след једног се може предвидети ако је познат други. На пример, ако низ од десет нуклеотида у ланцу ДНК има базну секвенцу ААГЦГТАТТГ, комплементарни ДНК ланац ће имати базну секвенцу ТТЦГЦАТААЦ. Будући да се РНК синтетише из ДНК шаблона, то има импликације и на транскрипцију.

мРНК је најсличнији ДНК облик рибонуклеинске киселине, јер је њен посао углавном исти: да преноси информације кодирани у генима, у облику пажљиво уређених азотних база, у ћелијске машине које се окупљају протеини. Али постоје и различити витални типови РНК.

Тродимензионална структура ДНК разјашњена је 1953. године, доносећи Џејмсу Вотсону и Френсису Крику Нобелову награду. Али годинама после тога, структура РНК је остала неухватљива упркос напорима неких истих стручњака за ДНК да је опишу. Шездесетих година постало је јасно да, иако је РНК једноланчана, њена секундарна структура - односно однос секвенце нуклеотида једни другима док се РНК вијуга кроз свемир - подразумева да се дужине РНК могу савити назад на себе, са базе у истој нити тако се међусобно повезујући на исти начин дужина селотејпа може лепити за себе ако му дозволите кинк. Ово је основа за унакрсну структуру тРНК, која укључује три завоја од 180 степени који стварају молекуларни еквивалент слепих врећа у молекулу.

рРНА је нешто другачија. Сва рРНК је изведена од једног чудовишта из ланца рРНА дуга око 13 000 нуклеотида. После низа хемијских модификација, овај прамен се цепа на две неједнаке подјединице, једна названа 18С, а друга означена као 28С. („С“ означава „Сведбергову јединицу“, мера коју биолози користе за индиректну процену масе макромолекула.) Део 18С је уграђен у оно што је који се назива мала рибосомска подјединица (која када је завршена заправо је 30С), а 28С део доприноси великој подјединици (која укупно има величину од 50С); сви рибосоми садрже по једну од сваке подјединице, заједно са низом протеина (не нуклеинских киселина, које саме омогућавају протеине) да би рибосомима обезбедили структурни интегритет.

И ланци ДНК и РНК имају такозване 3 'и 5' ("три основне" и "пет основне") крајеве на основу положаја молекула везаних за шећерни део ланца. У сваком нуклеотиду, фосфатна група је везана за атом угљеника обележен 5 'у свом прстену, док 3' угљеник садржи хидроксилну (-ОХ) групу. Када се нуклеотид дода растућем ланцу нуклеинске киселине, то се увек дешава на 3 'крају постојећег ланца. То јест, фосфатна група на 5 'крају новог нуклеотида придружена је 3' угљенику који садржи хидроксилну групу пре него што дође до овог повезивања. -ОХ је замењен нуклеотидом који губи протон (Х) из своје фосфатне групе; дакле молекул Х.₂О, или вода, у овом процесу се губи из околине, што синтезу РНК чини примером синтезе дехидратације.

Транскрипција је процес у којем се мРНК синтетише из ДНК шаблона. У принципу, с обзиром на оно што сада знате, лако можете замислити како се то догађа. ДНК је дволанчана, тако да свака ланца може послужити као образац за једноланчану РНК; ове две нове РНК ланце, захваљујући несталностима специфичног упаривања база, међусобно ће се допуњавати, а не да ће се повезати. Транскрипција РНК је врло слична репликацији ДНК по томе што се примењују иста правила о упаривању базе, при чему У место заузима место Т у РНК. Имајте на уму да је ова замена једносмерни феномен: Т у ДНК и даље кодира А у РНК, али А у ДНК кодовима У у РНК.

Да би дошло до транскрипције, двострука спирала ДНК мора се размотати, што чини под управом одређених ензима. (Касније поново преузима своју правилну спиралну конформацију.) Након што се то догоди, одређена секвенца која се тачно назива сигнали промоторске секвенце где транскрипција треба да почне дуж молекула. Ово на молекуларну сцену позива ензим зван РНК полимераза, који је до тада део комплекса промотора. Све се ово јавља као нека врста биохемијског механизма који спречава отказивање да синтеза РНК не крене од почетка на погрешном месту на ДНК и тако производи РНА ланац који садржи нелегитиман код. РНК полимераза „чита“ ДНК ланац почевши од промоторске секвенце и креће се дуж ланца ДНК, додајући нуклеотиде на 3 'крај РНК. Имајте на уму да су ланци РНК и ДНК, захваљујући комплементарности, такође антипаралелни. То значи да се, како РНК расте у правцу 3 ', креће се дуж ланца ДНК на крају 5' ДНК. Ово је мало, али често збуњујуће питање за студенте, па ћете можда желети да погледате дијаграм како бисте се уверили да разумете механику синтезе мРНК.

Везе створене између фосфатних група једног нуклеотида и групе шећера на следећем називају се фосфодиестерске везе (изговара се „фос-фо-дие-ес-тер“, а не „фос-фо-дее-стер“, јер може бити примамљиво претпоставити).

Ензим РНК полимераза долази у многим облицима, мада бактерије укључују само један тип. То је велики ензим, који се састоји од четири протеинске подјединице: алфа (α), бета (β), бета-приме (β ′) и сигма (σ). У комбинацији, они имају молекулску тежину око 420.000 далтона. (За референцу, појединачни атоми угљеника имају молекулску тежину 12; један молекул воде, 18; и цео молекул глукозе, 180.) Ензим, зван холоензим када су све четири подјединице присутан, одговоран је за препознавање промоторских секвенци на ДНК и раздвајање две ДНК праменови. РНК полимераза се креће дуж гена који ће се транскрибовати док додаје нуклеотиде растућем сегменту РНК, процес који се назива издужење. Овај процес, као и многи унутар ћелија, захтева аденозин трифосфат (АТП) као извор енергије. АТП заправо није ништа друго до нуклеотид који садржи аденин и који има три фосфата уместо једног.

Транскрипција престаје када покретна РНК полимераза наиђе на завршну секвенцу у ДНК. Баш као што се промотерска секвенца може сматрати еквивалентом зеленог светла на семафору, закључна секвенца је аналог црвеног светла или знака за заустављање.

Када је молекул мРНК који носи информације за одређени протеин - односно део мРНК који одговара гену - завршен, он још увек треба да се обради пре него што буде спреман да обави свој посао испоруке хемијског нацрта до рибосома, где синтеза протеина траје место. У еукариотским организмима такође мигрира из језгра (прокариоти немају језгро).

Азотне базе пресудно носе генетске информације у групама од три, које се називају триплетни кодони. Сваки кодон садржи упутства за додавање одређене аминокиселине у растући протеин. Баш као што су нуклеотиди мономерне јединице нуклеинских киселина, аминокиселине су мономери протеина. Будући да РНК садржи четири различита нуклеотида (захваљујући четири различите базе), а кодон се састоји од три узастопна нуклеотида, на располагању је укупно 64 триплетна кодона (4³ = 64). Односно, почев од ААА, ААЦ, ААГ, ААУ и радећи све до УУУ, постоје 64 комбинације. Људи, међутим, користе само 20 аминокиселина. Као резултат, за триплет код се каже да је сувишан: у већини случајева, вишеструки троструки код за исту аминокиселину. Обрнуто није тачно - то јест, исти триплет не може да кодира више од једне аминокиселине. Вероватно можете да замислите биохемијски хаос који би настао у супротном. У ствари, аминокиселине леуцин, аргинин и серин имају по шест тројки које им одговарају. Три различита кодона су СТОП кодони, слично као секвенце завршетка транскрипције у ДНК.

Само превођење је веома кооперативни процес, који окупља све чланове проширене породице РНК. Пошто се јавља на рибосомима, очигледно укључује употребу рРНК. Молекули тРНК, раније описани као сићушни укрштаји, одговорни су за пренос појединачних аминокиселина место превођења на рибозому, при чему је свака аминокиселина одређена сопственом марком тРНК пратња. Попут транскрипције, транслација има фазе иницијације, издужења и завршетка, а на крају синтезе протеинског молекула, протеин се ослобађа из рибозома и пакује у Голгијева тела за употребу негде другде, а сам рибозом дисоцира на своју компоненту подјединице.