Шта је рибонуклеинска киселина?

Рибонуклеинска киселина, или РНК, једна је од две врсте нуклеинских киселина које се налазе у животу на Земљи. Друга, деоксирибонуклеинска киселина (ДНК), одавно има виши профил од РНК у популарној култури, у умовима случајних посматрача и другде. РНК је, међутим, свестранија нуклеинска киселина; узима упутства која добија од ДНК и трансформише их у низ координисаних активности укључених у синтезу протеина. Тако посматрано, на ДНК се може гледати као на председника или канцелара чији допринос на крају одређује шта ће се догађати на нивоу свакодневних догађаја, док је РНА војска оданих пешака и гунђавих радника који раде стварне послове и показују широк спектар импресивних вештина у процес.

РНК је, попут ДНК, макромолекула (другим речима, молекул са релативно великим бројем појединачних атома, за разлику од, рецимо, ЦО₂ или Х.₂О) који се састоји од полимера или ланца хемијских елемената који се понављају. „Везе“ у овом ланцу, или формалније мономери који чине полимер, називају се нуклеотиди. Појединачни нуклеотид се састоји од три различита хемијска региона или дела: пентозни шећер, фосфатна група и азотна база. Азотне базе могу бити једна од четири различите базе: аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и урацил (У).

Аденин и гванин су хемијски класификовани као пурини, док цитозин и урацил спадају у категорију супстанци тзв пиримидини. Пурини се углавном састоје од петочланог прстена спојеног са шесточланим прстеновима, док су пиримидини знатно мањи и имају само шестокарбонски прстен. Аденин и гванин су међусобно врло слични у структури, као и цитозин и урацил.

Пентозни шећер у РНК је рибоза, који укључује прстен са пет атома угљеника и једним атомом кисеоника. Фосфатна група је везана за атом угљеника у прстену на једној страни атома кисеоника, а азотна база везана је за атом угљеника на другој страни кисеоника. Фосфатна група се такође везује за рибозу на суседном нуклеотиду, па рибоза и фосфатни део нуклеотида заједно чине „окосницу“ РНК.

Азотне базе се могу сматрати најкритичнијим делом РНК, јер су управо оне, у групе од по три у суседним нуклеотидима, од највеће функционалне важности. Групе од три суседне базе чине јединице тзв триплет кодови, или кодони, који преносе посебне сигнале до машине која спаја протеине користећи информације повезане прво у ДНК, а затим у РНК. Без да се овај код тумачи онако како јесте, редослед нуклеотида био би небитан, као што ће бити описано укратко.

Када људи са мало искуства у биологији чују термин „ДНК“, вероватно је да је једна од првих ствари која им падне на памет „двострука завојница“. Препознатљиво структуру молекула ДНК разјаснили су Ватсон, Црицк, Франклин и други 1953. године, а међу налазима тима било је да је ДНК дволанчана и спирална у својој структури. уобичајени облик. За разлику од њих, РНК је практично увек једноланчана.

Такође, као што називи ових макромолекула подразумевају, ДНК садржи другачији шећер рибозе. Уместо рибозе, садржи деоксирибозу, једињење идентично рибози, осим што има атом водоника уместо једне од својих хидроксилних (-ОХ) група.

Коначно, док су пиримидини у РНК цитозин и урацил, у ДНК су то цитозин и тимин. У „степеницама“ дволанчане ДНК „лествице“ аденин се везује са тимином и само са њим, док се цитозин везује за и само са гванином. (Можете ли да се сетите архитектонског разлога да се пуринске базе везују само за пиримидинске базе у центру ДНК? Савет: „странице“ лествице морају да буду раздвојене на одређеној удаљености.) Када се ДНК транскрибује и а ствара се комплементарни ланац РНК, нуклеотид генерисан преко пута аденина у ДНК је урацил, не тимин. Ова разлика помаже природи да избегне збуњивање ДНК и РНК у ћелијским срединама у којима је неповољно ствари могу произаћи из нежељеног понашања ако ензими који делују на њих одговарају молекула.

Иако је само ДНК дволанчана, РНК је далеко вештија у формирању сложених тродимензионалних структура. Ово је омогућило да се у ћелијама развију три основна облика РНК.

РНК долази у три основна типа, мада постоје и додатне, врло нејасне сорте.

Мессенгер РНА (мРНА): Молекули мРНК садрже кодирајућу секвенцу за протеине. Молекули мРНК се веома разликују у дужини, међу којима су еукариоти (у суштини већина живих бића која нису бактерије), укључујући и највећу РНК која је до сада откривена. Многи транскрипти прелазе 100.000 основа (100 килобаза или кб).

Трансфер РНА (тРНА): тРНА је кратки (око 75 база) молекул који транспортује аминокиселине и премешта их у растући протеин током транслације. Верује се да тРНК имају заједнички тродимензионални аранжман који на рендгенским анализама изгледа као лист детелине. До овога долази везивањем комплементарних база када се тРНК ланац пресавије на себи, слично попут траке која се лепи за себе када случајно спојите бочне стране траке.

Рибосомска РНК (рРНК): Молекули рРНА чине 65 до 70 процената масе органеле зване рибозом, структура која директно хостује превод или синтезу протеина. Рибосоми су врло велики према ћелијским стандардима. Бактеријски рибосоми имају молекуларну тежину око 2,5 милиона, док еукариотски рибосоми имају молекуларну тежину око један и по пута већи од те. (За референцу, молекулска тежина угљеника је 12; ниједан елемент не прелази 300.)

Један еукариотски рибосом, назван 40С, садржи једну рРНК, као и око 35 различитих протеина. Рибозом 60С садржи три рРНК и око 50 протеина. Рибосоми су тако мешавина нуклеинских киселина (рРНК) и протеинских производа за које друге нуклеинске киселине (мРНК) носе шифру.

До недавно су молекуларни биолози претпостављали да је рРНА имала углавном структурну улогу. Међутим, новије информације указују да рРНК у рибосомима делује као ензим, док протеини који је окружују делују као скела.

Транскрипција је процес синтезе РНК из ДНК шаблона. Будући да је ДНК дволанчана, а РНК једноланчана, ланци ДНК морају се раздвојити пре него што дође до транскрипције.

У овом тренутку је корисна нека терминологија. Ген за који су сви чули, али мало који небиолошки стручњак може формално да дефинише, само је део ДНК који садржи и образац за синтезу РНК и секвенце нуклеотида који омогућавају регулисање и контролу производње РНК из шаблона регион. Када су механизми за синтезу протеина први пут прецизно описани, научници су претпоставили да сваки ген одговара једном протеинском производу. Колико год ово било згодно (и колико год има смисла на површини), идеја се показала нетачном. Неки гени уопште не кодирају протеине, а код неких животиња се „наизменично спајају“ у којима чини се да исти ген може бити подстакнут да ствара различите протеине под различитим условима заједнички.

Транскрипција РНК производи производ који је комплементарни на ДНК образац. То значи да је то врста зрцалне слике и да би се природно упарило са било којом секвенцом идентичном шаблону захваљујући претходно поменутим специфичним правилима упаривања база-база. На пример, ДНК секвенца ТАЦТГГТ је комплементарна са РНК секвенцом АУГАЦЦА, јер је свака база у првој секвенци може да се упари са одговарајућом базом у другом низу (имајте на уму да се У појављује у РНК тамо где би се појавио Т ДНК).

Покретање транскрипције је сложен, али уредан процес. Кораци укључују:

1. Протеини фактора транскрипције везују се за промотор „узводно“ од секвенце која ће се транскрибовати.
2. РНК полимераза (ензим који окупља нову РНК) везује се за промотерско-протеински комплекс ДНК, који је пре попут прекидача за паљење у аутомобилу.
3. Новонастали комплекс РНК полимераза / промотор-протеин раздваја две комплементарне ДНК ланце.
4. РНК полимераза почиње да синтетише РНК, један по један нуклеотид.

За разлику од ДНК полимеразе, РНК полимеразу не треба да „приме“ други ензим. За транскрипцију је потребно само везивање РНК полимеразе за подручје промотора.

Гени у ДНК кодирају молекуле протеина. То су "пешаци" ћелије, који извршавају дужности потребне за одржавање живота. Кад помислите на протеин, можда ћете помислити на месо или мишиће или на здрав шејк, али већина протеина лети испод радара вашег свакодневног живота. Ензими су протеини - молекули који помажу у разградњи хранљивих састојака, изградњи нових ћелијских компоненти, састављању нуклеинских киселина (нпр. ДНК полимеразе) и стварању копија ДНК током деобе ћелија.

„Експресија гена“ значи производњу одговарајућег протеина гена, ако постоји, и овај компликовани процес има два основна корака. Прва је транскрипција, претходно детаљно описана. У преводу, новонастали молекули мРНК излазе из језгра и мигрирају у цитоплазму, где се налазе рибосоми. (У прокариотским организмима рибосоми се могу везати за мРНК док је транскрипција још увек у току.)

Рибосоми се састоје од два различита дела: велике и мање јединице. Свака подјединица је обично одвојена у цитоплазми, али се окупљају на молекули мРНК. Подјединице садрже мало готово свега већ поменутог: протеине, рРНК и тРНК. Молекули тРНА су адаптивни молекули: Један крај може читати триплет код у мРНА (на пример, УАГ или ЦГЦ) путем комплементарног упаривања база, а други крај се везује за одређену аминокиселину. Сваки триплет код одговоран је за једну од приближно 20 аминокиселина које чине све протеине; неке аминокиселине кодирају вишеструке тројке (што није изненађујуће, јер су могуће 64 тројке - четири базе подигнуте на трећи степен јер сваки триплет има три базе - а то је само 20 аминокиселина потребно). У рибосому се комплекси мРНК и аминоацил-тРНК (комади тРНК који премештају аминокиселине) држе врло близу, олакшавајући упаривање базе. рРНА катализује везивање сваке додатне аминокиселине за растући ланац, који постаје полипептид и на крају протеин.

Као резултат своје способности да се распореди у сложене облике, РНК може слабо деловати као ензим. Будући да РНК може и да чува генетске информације и да катализује реакције, неки научници су предложили главну улогу РНК у порекло живота, названо „РНК свет“. Ова хипотеза тврди да су, још у историји Земље, молекули РНК играли све данас играју исте улоге молекула протеина и нуклеинске киселине, што би сада било немогуће, али би можда било могуће у предбиотички свет. Ако је РНК деловала и као структура за складиштење информација и као извор каталитичке активности потребне за основне метаболичке реакције, можда ће имати претходила ДНК у најранијим облицима (иако је сада ствара ДНК) и послужила као платформа за лансирање „организама“ који су заиста самокопирање.