Hur lämnar mRNA kärnan?

Den ofta citerade "centrala dogmen av molekylärbiologi"fångas i det enkla schemat DNA till RNA till protein. Något utökat, detta innebär att deoxiribonukleinsyra, som är det genetiska materialet i kärnan i dina celler, används för att göra en liknande molekyl som kallas RNA (ribonukleinsyra) i en process som kallas transkription. När detta är gjort används RNA för att styra syntesen av proteiner någon annanstans i cellen i en process som kallas översättning.

Varje organism är summan av de proteiner den producerar, och i allt som lever idag och någonsin känt för har levt, lagras informationen för att tillverka dessa proteiner i och endast i den organismen DNA. Ditt DNA är det som gör dig till vad du är, och det du förmedlar till alla barn du kan ha.

I eukaryot organismer, efter att det första transkriptionssteget är klart, måste det nyligen syntetiserade budbärar-RNA (mRNA) hitta sig utanför kärnan till cytoplasman där översättning sker. (I prokaryoter, som saknar kärnor, är detta inte fallet.) Eftersom plasmamembranet som omger innehållet i kärnan kan vara valt, kräver denna process aktiv inmatning från själva cellen.

Två nukleinsyror finns i naturen, DNA och RNA. Nukleinsyror är makromolekyler eftersom de består av mycket långa kedjor av upprepande underenheter, eller monomerer, kallade nukleotider. Nukleotider själva består av tre distinkta kemiska komponenter: ett fem-kolsocker, en till tre fosfatgrupper och en av fyra kväverika (kvävehaltiga) baser.

I DNA är sockerkomponenten deoxiribosmedan det i RNA är det ribos. Dessa sockerarter skiljer sig endast genom att ribos bär en hydroxyl (-OH) grupp bunden till ett kol utanför den femledade ringen där deoxiribos bara bär en väteatom (-H).

De fyra möjliga kvävehaltiga baser i DNA är endenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). RNA har de tre första, men inkluderar uracil (U) i stället för tymin. DNA är dubbelsträngat, med de två strängarna kopplade vid sina kvävebaser. A parar alltid med T och C parar alltid med G. Socker- och fosfatgrupperna skapar ryggraden "i varje så kallad kompletterande tråd. Den resulterande formationen är en dubbel spiral vars form upptäcktes på 1950-talet.

• I DNA och RNA innehåller varje nukleotid en enda fosfatgrupp, men fria nukleotider har ofta två (t.ex. ADP eller adenosindifosfat) eller tre (t.ex. ATP, eller adenosintrifosfat).

Transkription är syntesen av en RNA-molekyl som kallas budbärar-RNA (mRNA)från en av de komplementära strängarna i en DNA-molekyl. Det finns också andra typer av RNA, den vanligaste varelsen tRNA (överför RNA) och ribosomalt RNA (rRNA), som båda spelar kritiska roller i översättning vid ribosomen.

Syftet med mRNA är att skapa en mobil, kodad uppsättning riktningar för syntes av proteiner. En längd av DNA som innehåller "ritningen" för en enda proteinprodukt kallas en gen. Varje tre-nukleotidsekvens bär instruktionerna för framställning av en viss aminosyra, med amino syror som är byggstenarna i proteiner på samma sätt som nukleotider är nukleins byggstenar syror.

Det finns 20 aminosyror totalt sett möjliggör ett väsentligen obegränsat antal kombinationer och därmed proteinprodukter.

Transkription sker i kärnalängs en enda DNA-tråd som har kopplats bort från dess komplementära tråd för transkriptionsändamål. Enzymer fästs vid DNA-molekylen i början av genen, särskilt RNA-polymeras. MRNA som syntetiseras är komplementärt till DNA-strängen som används som mall och liknar således mallsträngens egen komplementär DNA-sträng förutom att U förekommer i mRNA varhelst T skulle ha dykt upp var det växande molekyl-DNA: t istället.

Efter att mRNA-molekyler har syntetiserats på transkriptionsstället måste de resa till översättningsställena, ribosomerna. Ribosomer verkar både fria i cellcytoplasman och fäst vid en membranorganell som kallas endoplasmatisk retikulum, som båda ligger utanför kärnan.

Innan mRNA kan passera genom det dubbla plasmamembranet som utgör kärnhöljet (eller kärnmembranet) måste det nå membranet på något sätt. Detta sker genom bindning av de nya mRNA-molekylerna till transport av proteiner.

Innan de resulterande mRNA-proteinkomplexen (mRNP) kan röra sig till kanten blandas de noggrant in i substansen i kärnan, så att dessa mRNP-komplex som råkar bildas nära kärnkanten har ingen bättre chans att lämna kärnan vid en given tidpunkt efter bildandet än mRNP-processer nära interiör.

När mRNP-komplex stöter på regioner i kärnan som är tunga i DNA, som i denna miljö existerar som kromatin (dvs DNA bunden till strukturella proteiner), kan det fastna, precis som en pickupbil som är fast i tunga lera. Denna stallning kan övervinnas genom tillförsel av energi i form av ATP, vilket ger den nedfällda mRNP i riktning mot kärnans kant.

Kärnan behöver skydda det viktigaste genetiska materialet i cellen, men det måste också ha ett sätt att utbyta proteiner och nukleinsyror med cellcytoplasman. Detta åstadkommes via "grindar" som består av proteiner och kallas komplex av kärnporer (NPC). Dessa komplex har en por som löper genom det dubbla membranet i kärnhöljet och ett antal olika strukturer på vardera sidan om denna "grind".

NPC är enormt av molekylära standarder. Hos människor har den en molekylvikt på 125 miljoner dalton. Däremot har en glukosmolekyl en molekylvikt på 180 dalton, vilket gör den cirka 700 000 gånger mindre än NPC-komplexet. Både nukleinsyra- och proteintransport in i kärnan och förflyttningen av dessa molekyler ut ur kärnan sker via NPC.

På den cytoplasmiska sidan har NPC det som kallas en cytoplasmatisk ring såväl som cytoplasmatiska filament, vilka båda hjälper till att förankra NPC på plats i kärnmembranet. På kärnkraftssidan av NPC finns en kärnring, analog med den cytoplasmiska ringen på motsatt sida, liksom en kärnkorg.

En mängd olika individuella proteiner deltar i rörelsen av mRNA och en mångfald av andra molekylära laster ur kärnan, och samma gäller för förflyttning av ämnen in i kärna.

mRNA börjar inte sitt verkliga jobb förrän det når en ribosom. Varje ribosom i cytoplasman eller fäst vid endoplasmatiska retiklet består av en stor och en liten underenhet; dessa kommer bara ihop när ribosomen är aktiv i transkription.

När en mRNA-molekyl fästs vid en översättning längs ribosomen är den förenad av en viss typ av tRNA som bär en specifik aminosyra (det finns därför 20 olika smaker av tRNA, en för varje aminosyra). Detta inträffar på grund av att tRNA kan "läsa" tre-nukleotidsekvensen på det exponerade mRNA som motsvarar en given aminosyra.

När tRNA och mRNA "matchar" släpper tRNA ut sin aminosyra, som tillsätts till slutet av den växande aminosyrakedjan som är avsedd att bli ett protein. Detta polypeptid når sin specificerade längd när mRNA-molekylen avläses i sin helhet och polypeptiden frigörs och bearbetas till ett bona fide-protein.