Vad är ribonukleinsyra?

Ribonukleinsyra, eller RNA, är en av de två typerna av nukleinsyror som finns i livet på jorden. Den andra, deoxiribonukleinsyran (DNA), har länge antagit en högre profil än RNA i populärkulturen, hos tillfälliga observatörer och på andra håll. RNA är emellertid den mer mångsidiga nukleinsyran; den tar instruktionerna den får från DNA och förvandlar dem till en mängd samordnade aktiviteter som är involverade i proteinsyntes. Ser man på detta sätt kan DNA ses som presidenten eller kansler vars input i slutändan avgör vad som händer på nivån för vardagliga händelser, RNA är en armé av lojala fotsoldater och gruntarbetare som får de verkliga jobben gjort och visar ett brett spektrum av imponerande färdigheter i bearbeta.

RNA, som DNA, är en makromolekyl (med andra ord en molekyl med ett relativt stort antal enskilda atomer, till skillnad från, säg CO₂ eller H₂O) bestående av en polymer eller en kedja av upprepande kemiska element. "Länkarna" i denna kedja, eller mer formellt monomererna som utgör polymeren, kallas nukleotider. En enda nukleotid består i sin tur av tre distinkta kemiska regioner, eller delar: ett pentosocker, en fosfatgrupp och en kvävebas. De kvävehaltiga baserna kan vara en av fyra olika baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och uracil (U).

Adenin och guanin klassificeras kemiskt som purinermedan cytosin och uracil tillhör den kategori av ämnen som kallas pyrimidiner. Puriner består huvudsakligen av en ring med fem medlemmar som är sammanfogade med en sexledarsring, medan pyrimidiner är betydligt mindre och endast har en sexkolring. Adenin och guanin är mycket lika i struktur till varandra, liksom cytosin och uracil.

Pentos socker i RNA är ribos, som inkluderar en ring med fem kolatomer och en syreatom. Fosfatgruppen är bunden till en kolatom i ringen på ena sidan av syreatomen, och den kvävehaltiga basen är bunden till kolatomen på den andra sidan av syret. Fosfatgruppen binder också till ribosen på den intilliggande nukleotiden, så ribos- och fosfatdelen av en nukleotid utgör tillsammans "ryggraden" i RNA.

De kvävebaser kan betraktas som den mest kritiska delen av RNA, eftersom det är dessa, i grupper om tre i angränsande nukleotider, som är av yttersta funktionell betydelse. Grupper med tre intilliggande baser bildar enheter triplettkoder, eller kodoner, som bär speciella signaler till maskinerna som sätter ihop proteiner med hjälp av den information som är kopplad till först DNA och sedan RNA. Utan att denna kod tolkas som den är, skulle nukleotidernas ordning vara irrelevant, vilket kommer att beskrivas inom kort.

När människor med lite bakgrund inom biologin hör ordet "DNA" är det troligt att en av de första sakerna som kommer att tänka på är "dubbel helix". Det distinkta strukturen för DNA-molekylen belystes av Watson, Crick, Franklin och andra 1953, och bland gruppens resultat var att DNA är dubbelsträngat och spiralformat vanlig form. RNA är däremot praktiskt taget alltid enkelsträngat.

Som namnen på dessa respektive makromolekyler antyder innehåller DNA också ett annat ribossocker. Istället för ribos innehåller den deoxiribos, en förening identisk med ribos förutom att ha en väteatom istället för en av dess hydroxylgrupper (-OH).

Slutligen, medan pyrimidinerna i RNA är cytosin och uracil, i DNA är de cytosin och tymin. I "steg" i den dubbelsträngade DNA-stegen "binder adenin med och endast med tymin, medan cytosin binder med och endast med guanin. (Kan du tänka på ett arkitektoniskt skäl att purinbaser endast binder till pyrimidinbaser över DNA-centrum? Tips: "sidorna" på stegen måste förbli ett fast avstånd från varandra.) När DNA transkriberas och en kompletterande RNA-sträng skapas, nukleotiden som genereras mittemot adeninet i DNA är uracil, inte tymin. Denna skillnad hjälper naturen att undvika förvirring av DNA och RNA i cellulära miljöer där det inte går bra saker kan bero på det oönskade beteendet om de enzymer som fungerar på respektive molekyler.

Medan endast DNA är dubbelsträngat, är RNA mycket mer skickligt att bilda detaljerade tredimensionella strukturer. Detta har gjort det möjligt för tre väsentliga former av RNA att utvecklas i celler.

RNA finns i tre bastyper, även om det finns ytterligare, mycket dunkla sorter.

Messenger-RNA (mRNA): mRNA-molekyler innehåller den kodande sekvensen för proteiner. MRNA-molekylerna varierar mycket i längd, med eukaryoter (i huvudsak de flesta levande saker som inte är bakterier) inklusive det största RNA som hittills upptäckts. Många avskrifter överstiger 100 000 baser (100 kilobaser eller kb) i längd.

Överför RNA (tRNA): tRNA är en kort molekyl (cirka 75 baser) som transporterar aminosyror och flyttar dem till det växande proteinet under translation. tRNA antas ha ett vanligt tredimensionellt arrangemang som ser ut som ett klöverblad vid röntgenanalys. Detta åstadkommes genom bindning av komplementära baser när en tRNA-sträng viks tillbaka på sig själv, ungefär som tejp som fastnar vid sig själv när du av misstag tar ihop sidorna på en remsa.

Ribosomalt RNA (rRNA): rRNA-molekyler utgör 65 till 70 procent av den organellmassa som kallas ribosom, strukturen som är direkt värd för översättning eller proteinsyntes. Ribosomer är mycket stora enligt cellstandarder. Bakteriella ribosomer har molekylvikter på cirka 2,5 miljoner, medan eukaryota ribosomer har molekylvikter ungefär en och en halv gånger så. (Som referens är kolets molekylvikt 12; inget enda element toppar 300.)

En eukaryot ribosom, kallad 40S, innehåller en rRNA samt cirka 35 olika proteiner. 60S-ribosomen innehåller tre rRNA och cirka 50 proteiner. Ribosomer är alltså en mishmash av nukleinsyror (rRNA) och de proteinprodukter som andra nukleinsyror (mRNA) bär koden för att skapa.

Fram till nyligen antog molekylärbiologer att rRNA spelade en mestadels strukturell roll. Nyare information tyder dock på att rRNA i ribosomer fungerar som ett enzym, medan proteinerna som omger det fungerar som byggnadsställning.

Transkription är processen att syntetisera RNA från en DNA-mall. Eftersom DNA är dubbelsträngat och RNA är enkelsträngat måste DNA-strängarna separeras innan transkription kan ske.

Viss terminologi är användbar vid denna tidpunkt. En gen, som alla har hört talas om, men få icke-biologiska experter formellt kan definiera, är bara en sträcka av DNA som innehåller både en mall för RNA-syntes och sekvenser av nukleotider som gör att RNA-produktion kan regleras och styras från mallen område. När mekanismerna för proteinsyntes först beskrevs med precision, antog forskare att varje gen motsvarade en enda proteinprodukt. Så bekvämt som detta skulle vara (och så mycket vettigt som det gör på ytan), har idén visat sig vara felaktig. Vissa gener kodar inte alls för proteiner, och hos vissa djur "alternativ skarvning" där samma gen kan utlösas för att göra olika proteiner under olika förhållanden, verkar vara allmänning.

RNA-transkription producerar en produkt som är komplementär till DNA-mallen. Detta betyder att det är en spegelbild av olika slag och naturligtvis skulle para ihop med vilken sekvens som helst som är identisk med mallen tack vare de specifika bas-basparringsregler som noterats tidigare. Exempelvis är DNA-sekvensen TACTGGT komplementär till RNA-sekvensen AUGACCA, eftersom varje bas i den första sekvensen kan paras ihop med motsvarande bas i den andra sekvensen (notera att U visas i RNA där T skulle visas i DNA).

Initiering av transkription är en komplex men ordnad process. Stegen inkluderar:

1. Transkriptionsfaktorproteiner binder till en promotor "uppströms" av sekvensen som ska transkriberas.
2. RNA-polymeras (enzymet som monterar nytt RNA) binder till promotor-proteinkomplexet i DNA, vilket är snarare som tändningsomkopplaren i en bil.
3. Det nybildade RNA-polymeras / promotor-proteinkomplexet separerar de två komplementära DNA-strängarna.
4. RNA-polymeras börjar syntetisera RNA, en nukleotid i taget.

Till skillnad från DNA-polymeras behöver RNA-polymeras inte "grundas" av ett andra enzym. Transkription kräver endast bindning av RNA-polymeras till promotorområdet.

Generna i DNA kodar proteinmolekyler. Dessa är cellens "fotsoldater" som utför de uppgifter som behövs för att upprätthålla livet. Du kanske tänker på kött eller muskler eller en hälsosam skakning när du tänker på ett protein, men de flesta proteiner flyger under radaren i din vardag. Enzymer är proteiner - molekyler som hjälper till att bryta ner näringsämnen, bygga nya cellkomponenter, montera nukleinsyror (t.ex. DNA-polymeras) och göra kopior av DNA under celldelning.

"Genuttryck" betyder tillverkning av genens motsvarande protein, om något, och denna komplicerade process har två primära steg. Den första är transkription, detaljerad tidigare. I översättning lämnar nyligen gjorda mRNA-molekyler kärnan och migrerar till cytoplasman, där ribosomer finns. (I prokaryota organismer kan ribosomer fästas vid mRNA medan transkription fortfarande pågår.)

Ribosomer består av två distinkta delar: den stora underenheten och den lilla underenheten. Varje underenhet separeras vanligtvis i cytoplasman, men de kommer tillsammans på ett molekyl-mRNA. Underenheterna innehåller lite av nästan allt som redan nämnts: proteiner, rRNA och tRNA. TRNA-molekylerna är adaptermolekyler: Den ena änden kan läsa triplettkoden i mRNA (till exempel UAG eller CGC) via komplementär basparning och den andra änden fäster vid en specifik aminosyra. Varje triplettkod är ansvarig för en av de cirka 20 aminosyrorna som utgör alla proteiner; vissa aminosyror kodas för av flera tripletter (vilket inte är förvånande, eftersom 64 tripletter är möjliga - fyra baser höjdes till tredje kraft eftersom varje triplett har tre baser - och endast 20 aminosyror är behövs). I ribosomen hålls mRNA och aminoacyl-tRNA-komplex (bitar av tRNA som skottar en aminosyra) mycket nära varandra, vilket underlättar basparning. rRNA katalyserar bindningen av varje ytterligare aminosyra till den växande kedjan, som blir en polypeptid och slutligen ett protein.

Som ett resultat av dess förmåga att ordna sig i komplexa former kan RNA fungera svagt som ett enzym. Eftersom RNA både kan lagra genetisk information och katalysera reaktioner har vissa forskare föreslagit en viktig roll för RNA i livets ursprung, kallat "RNA-världen." Denna hypotes hävdar att, långt tillbaka i jordens historia, spelade RNA-molekyler alla samma roller som protein och nukleinsyramolekyler spelar idag, vilket skulle vara omöjligt nu men kan ha varit möjligt i en pre-biotisk värld. Om RNA fungerade både som en informationslagringsstruktur och som källa till den katalytiska aktivitet som behövs för grundläggande metaboliska reaktioner, kan det ha före DNA i sina tidigaste former (även om det nu tillverkas av DNA) och fungerade som en plattform för lanseringen av "organismer" som verkligen är självreplikerande.