MRNA: Definition, funktion och struktur

RNA, eller ribonukleinsyra, är en av två nukleinsyror som finns i naturen. Den andra, deoxiribonukleinsyra (DNA), är verkligen mer fast i fantasin. Även människor med lite intresse för vetenskap har en uppfattning om att DNA är viktigt för att förmedla egenskaper från en generation till nästa, och att varje människas DNA är unikt (och därför är en dålig idé att lämna vid ett brott scen). Men för all DNA-berömdhet är RNA en mer mångsidig molekyl som kommer i tre huvudformer: budbärar-RNA (mRNA), ribosomalt RNA (rRNA) och överförings-RNA (tRNA).

Jobbet med mRNA är starkt beroende av de andra två typerna, och mRNA ligger helt i mitten av den så kallade molekylära biologins dogma (DNA föder RNA, som i sin tur föder proteiner).

DNA och RNA är nukleinsyror, vilket innebär att de är polymera makromolekyler, vars monomera beståndsdelar kallas nukleotider. Nukleotider består av tre distinkta delar: ett pentosocker, en fosfatgrupp och en kvävebas, vald bland fyra val. Ett pentossocker är ett socker som innehåller en ringstruktur med fem atomer.

Tre stora skillnader skiljer DNA från RNA. För det första, i RNA, är sockerdelen av nukleotiden ribos, medan i DNA är deoxiribos, som helt enkelt är ribos med en hydroxyl (-OH) -grupp avlägsnad från ett av kolerna i fem-atomringen och ersatt av en väteatom (-H). Således är sockerdelen av DNA bara en syreatom mindre massiv än RNA, men RNA är en mycket mer kemiskt reaktiv molekyl än DNA på grund av dess en extra -OH-grupp. För det andra är DNA, ganska känt, dubbelsträngat och lindat i en spiralform i sitt mest stabila från. RNA är å andra sidan enkelsträngat. Och för det tredje, medan både DNA och RNA har kvävebaserna adenin (A), cytosin (C) och guanin (G), är den fjärde basen i DNA tymin (T) medan det i RNA är uracil (U).

Eftersom DNA är dubbelsträngat har forskare vetat sedan mitten av 1900-talet att dessa kvävebaser parar ihop med och endast med en annan typ av bas; Ett par med T och C par med G. Vidare klassificeras A och G kemiskt som puriner, medan C och T kallas pyrimidiner. Eftersom puriner är väsentligt större än pyrimidiner, skulle en A-G-parning vara alltför skrymmande, medan en C-T-parning skulle vara ovanligt undermåttad; båda dessa situationer skulle vara störande för de två strängarna i dubbelsträngat DNA med samma avstånd från varandra vid alla punkter längs de två strängarna.

På grund av detta parningsschema kallas de två DNA-strängarna "komplementära" och sekvensen för en kan förutsägas om den andra är känd. Till exempel, om en sträng av tio nukleotider i en DNA-sträng har bassekvensen AAGCGTATTG, kommer den komplementära DNA-strängen att ha bassekvensen TTCGCATAAC. Eftersom RNA syntetiseras från en DNA-mall har detta också konsekvenser för transkription.

mRNA är den mest "DNA-liknande" formen av ribonukleinsyra eftersom dess uppgift i stort sett är densamma: att överföra informationen kodade i gener, i form av noggrant ordnade kvävebaser, till det cellulära maskineriet som monteras proteiner. Men det finns också olika viktiga typer av RNA.

Den tredimensionella strukturen av DNA klargjordes 1953, vilket gav James Watson och Francis Crick ett Nobelpris. Men i flera år därefter förblev RNA-strukturen svårfångad trots att några av samma DNA-experter försökte beskriva den. På 1960-talet blev det klart att även om RNA är enkelsträngat, är dess sekundära struktur - det vill säga förhållandet mellan sekvensen av nukleotider till varandra när RNA slingrar sig genom rymden - innebär att RNA-längder kan vikas in på sig själva, med baser i samma tråd och därmed länkar till varandra på samma sätt som en längd av tejp kan hålla fast vid sig själv om du tillåter det kink. Detta är grunden för den korsliknande strukturen av tRNA, som inkluderar tre 180-graders böjningar som skapar den molekylära ekvivalenten av återvändsgrändar i molekylen.

rRNA är något annorlunda. Allt rRNA härrör från ett monster av en rRNA-sträng cirka 13 000 nukleotider långt. Efter ett antal kemiska modifieringar klyvs denna tråd i två ojämna underenheter, en som heter 18S och den andra märkt 28S. ("S" står för "Svedberg-enhet", ett mått som biologer använder för att indirekt uppskatta massan av makromolekyler.) 18S-delen ingår i det som är kallas den lilla ribosomala subenheten (som när den är fullständig är faktiskt 30S) och 28S-delen bidrar till den stora subenheten (som totalt har en storlek på 50S); alla ribosomer innehåller en av varje underenhet tillsammans med ett antal proteiner (inte nukleinsyror, som gör proteinerna själva möjliga) för att ge ribosomer strukturell integritet.

DNA- och RNA-strängar har båda vad som kallas 3 'och 5' ("tre-prime" och "fem-prime") ändar baserat på positionerna för molekyler bundna till sockerdelen av strängen. I varje nukleotid är fosfatgruppen bunden till kolatomen märkt 5 'i sin ring, medan 3'-kolet har en hydroxyl (-OH) -grupp. När en nukleotid tillsätts till en växande nukleinsyrakedja inträffar detta alltid i 3'-änden av den befintliga kedjan. Det vill säga fosfatgruppen vid 5'-änden av den nya nukleotiden är förenad med 3'-kolet med hydroxylgruppen innan denna koppling sker. -OH ersätts av nukleotiden, som förlorar en proton (H) från sin fosfatgrupp; sålunda en molekyl av H₂O, eller vatten, går förlorat för miljön i denna process, vilket gör RNA-syntes till ett exempel på en uttorkningssyntes.

Transkription är processen där mRNA syntetiseras från en DNA-mall. I princip, med tanke på vad du nu vet, kan du enkelt föreställa dig hur detta händer. DNA är dubbelsträngat, så varje sträng kan fungera som en mall för enkelsträngat RNA; dessa två nya RNA-strängar kommer, på grund av svagheterna i specifik basparning, att komplettera varandra, inte att de kommer att binda ihop. Transkriptionen av RNA är mycket lik replikationen av DNA genom att samma basparningsregler gäller, där U tar platsen för T i RNA. Observera att denna ersättning är ett enriktat fenomen: T i DNA kodar fortfarande för A i RNA, men A i DNA-kod för U i RNA.

För att transkription ska ske måste DNA-dubbelhelixen bli ospolad, vilket den gör under ledning av specifika enzymer. (Det antar senare sin korrekta spiralformning.) Efter detta händer kallas en specifik sekvens lämpligen promotorsekvenssignaler där transkription ska börja längs molekylen. Denna kallar till molekylscenen ett enzym som kallas RNA-polymeras, som vid denna tidpunkt är en del av ett promotorkomplex. Allt detta sker som en slags biokemisk felsäker mekanism för att hålla RNA-syntes från att börja på fel plats på DNA och därigenom producera en RNA-sträng som innehåller en olaglig kod. RNA-polymeraset "läser" DNA-strängen med början vid promotorsekvensen och rör sig längs DNA-strängen och tillsätter nukleotider till 3'-änden av RNA. Var medveten om att RNA- och DNA-strängarna, i kraft av att de är komplementära, också är antiparallella. Detta betyder att när RNA växer i 3'-riktningen rör sig det längs DNA-strängen i DNA: s 5'-ände. Detta är en mindre men ofta förvirrande punkt för studenter, så du kanske vill konsultera ett diagram för att försäkra dig själv om att du förstår mekaniken i mRNA-syntes.

Bindningarna som skapas mellan fosfatgrupperna i en nukleotid och sockergruppen i nästa kallas fosfodiesterbindningar (uttalas "phos-pho-die-es-ter", inte "phos-pho-dee-ster" eftersom det kan vara frestande att antar).

Enzymet RNA-polymeras finns i många former, även om bakterier endast innehåller en enda typ. Det är ett stort enzym som består av fyra proteinunderenheter: alfa (α), beta (β), beta-prime (β ′) och sigma (σ). Kombinerat har dessa en molekylvikt på cirka 420 000 dalton. (Som referens har en enda kolatomer en molekylvikt på 12; en enda vattenmolekyl, 18; och en hel glukosmolekyl, 180.) Enzymet, kallat holoenzym när alla fyra underenheterna är närvarande, ansvarar för att känna igen promotorsekvenserna på DNA och dra ifrån varandra de två DNA: t trådar. RNA-polymeras rör sig längs genen som ska transkriberas eftersom det adderar nukleotider till det växande RNA-segmentet, en process som kallas förlängning. Denna process, som så många inom celler, kräver adenosintrifosfat (ATP) som en energikälla. ATP är egentligen inget annat än en adenininnehållande nukleotid som har tre fosfater istället för en.

Transkriptionen upphör när det rörliga RNA-polymeras stöter på en avslutningssekvens i DNA. Precis som promotorsekvensen kan ses som ekvivalent med ett grönt ljus på ett trafikljus, är avslutningssekvensen analog med ett rött ljus eller stoppskylt.

När en mRNA-molekyl som bär informationen för ett visst protein - det vill säga en bit mRNA som motsvarar en gen - är komplett, behöver fortfarande bearbetas innan den är redo att göra sitt jobb med att leverera en kemisk ritning till ribosomerna, där proteinsyntes tar plats. I eukaryota organismer migrerar den också ut ur kärnan (prokaryoter har ingen kärna).

Kritiskt bär kvävebaser genetisk information i grupper om tre, kallade triplettkodoner. Varje kodon innehåller instruktioner för att tillsätta en viss aminosyra till ett växande protein. Precis som nukleotider är monomerenheterna i nukleinsyror, är aminosyror monomerer av proteiner. Eftersom RNA innehåller fyra olika nukleotider (på grund av de fyra olika baserna som finns tillgängliga) och ett kodon består av tre på varandra följande nukleotider, finns det totalt 64 triplettkodon tillgängliga (4³ = 64). Det vill säga, från och med AAA, AAC, AAG, AAU och arbetar hela vägen till UUU, det finns 64 kombinationer. Människor använder dock endast 20 aminosyror. Som ett resultat sägs triplettkoden vara överflödig: I de flesta fall kodar flera tripletter för samma aminosyra. Det omvända är inte sant - det vill säga samma triplett kan inte koda för mer än en aminosyra. Du kan förmodligen föreställa dig det biokemiska kaoset som annars skulle uppstå. I själva verket har aminosyrorna leucin, arginin och serin var och en sex tripletter som motsvarar dem. Tre olika kodoner är STOP-kodoner, som liknar transkriptionsavslutningssekvenser i DNA.

Översättningen i sig är en mycket samarbetsprocess som samlar alla medlemmar i den utvidgade RNA-familjen. Eftersom det förekommer på ribosomer innebär det uppenbarligen användning av rRNA. TRNA-molekylerna, som tidigare beskrivits som små kors, är ansvariga för att bära enskilda aminosyror till översättningsstället på ribosomen, med varje aminosyra som kartas av sitt eget specifika märke av tRNA eskort. Liksom transkription har translation initierings-, förlängnings- och avslutningsfaser, och i slutet av syntesen av en proteinmolekyl är protein frigörs från ribosomen och förpackas i Golgi-kroppar för användning någon annanstans, och ribosomen själv dissocieras i dess komponent underenheter.