MRNA: ความหมาย ฟังก์ชัน และโครงสร้าง

RNA หรือกรดไรโบนิวคลีอิกเป็นหนึ่งในสองกรดนิวคลีอิกที่พบในธรรมชาติ อีกประการหนึ่งคือกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) ได้รับการแก้ไขในจินตนาการมากกว่า แม้แต่คนที่มีความสนใจในวิทยาศาสตร์เพียงเล็กน้อยก็ยังมีความรู้สึกว่า DNA มีความสำคัญในการถ่ายทอดลักษณะนิสัยจากคนๆ หนึ่ง รุ่นต่อๆ ไป และ DNA ของมนุษย์ทุกคนนั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว (และดังนั้นจึงเป็นความคิดที่ไม่ดีที่จะปล่อยทิ้งไว้ในอาชญากรรม ที่เกิดเหตุ) แต่สำหรับความอื้อฉาวของ DNA ทั้งหมด RNA เป็นโมเลกุลที่หลากหลายกว่า โดยมาในสามรูปแบบหลัก: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA) และ transfer RNA (tRNA)

งานของ mRNA ขึ้นอยู่กับอีกสองประเภทที่เหลืออย่างมาก และ mRNA นั้นอยู่ตรงจุดศูนย์กลางของความเชื่อที่เรียกว่าศูนย์กลางของอณูชีววิทยา (DNA ให้กำเนิด RNA ซึ่งจะให้กำเนิดโปรตีน)

DNA และ RNA เป็นกรดนิวคลีอิกซึ่งหมายความว่าพวกมันเป็นโมเลกุลของพอลิเมอร์ซึ่งเป็นองค์ประกอบโมโนเมอร์ที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยสามส่วนที่แตกต่างกัน: น้ำตาลเพนโทส กลุ่มฟอสเฟต และเบสไนโตรเจน เลือกจากสี่ตัวเลือก น้ำตาลเพนโทสเป็นน้ำตาลที่มีโครงสร้างวงแหวนห้าอะตอม

ความแตกต่างที่สำคัญสามประการทำให้ DNA แตกต่างจาก RNA อย่างแรก ใน RNA ส่วนน้ำตาลของนิวคลีโอไทด์คือไรโบส ในขณะที่ใน DNA มันคือดีออกซีไรโบส ซึ่งก็คือไรโบส ด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ที่ถูกกำจัดออกจากคาร์บอนตัวใดตัวหนึ่งในวงแหวนห้าอะตอมและแทนที่ด้วยอะตอมไฮโดรเจน (-H). ดังนั้น ส่วนน้ำตาลของ DNA จึงเป็นออกซิเจนเพียงอะตอมเดียวที่มีมวลน้อยกว่า RNA แต่ RNA เป็นโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีได้มากกว่า DNA มาก เนื่องจากมีหมู่ -OH พิเศษเพียงกลุ่มเดียว ประการที่สอง DNA ค่อนข้างมีชื่อเสียง มีเกลียวคู่และพันกันเป็นเกลียวในความเสถียรที่สุด ในทางกลับกัน RNA นั้นเป็นสายเดี่ยว และประการที่สาม ในขณะที่ DNA และ RNA มีลักษณะเป็นเบสไนโตรเจน adenine (A), cytosine (C) และ guanine (G) เบสที่สี่ใน DNA คือ thymine (T) ในขณะที่ RNA คือ uracil (U)

เนื่องจากดีเอ็นเอมีลักษณะเป็นเกลียวคู่ นักวิทยาศาสตร์จึงทราบตั้งแต่กลางทศวรรษ 1900 ว่าเบสไนโตรเจนเหล่านี้จับคู่กับเบสชนิดอื่นเท่านั้น คู่กับ T และ C คู่กับ G นอกจากนี้ A และ G ยังจัดอยู่ในประเภททางเคมีเป็นพิวรีนในขณะที่ C และ T เรียกว่าไพริมิดีน เนื่องจากพิวรีนมีขนาดใหญ่กว่าไพริมิดีนอย่างมาก การจับคู่ A-G จะมีขนาดใหญ่เกินไป ในขณะที่การจับคู่ซี-ทีจะมีขนาดที่เล็กกว่าปกติ สถานการณ์ทั้งสองนี้จะก่อกวนให้กับสายทั้งสองใน DNA ที่มีเกลียวคู่ซึ่งมีระยะห่างเท่ากันในทุกจุดตลอดสายทั้งสอง

เนื่องจากรูปแบบการจับคู่นี้ DNA สองสายจึงถูกเรียกว่า "เสริม" และสามารถทำนายลำดับของ DNA ได้หากทราบอีกสายหนึ่ง ตัวอย่างเช่น ถ้าสายของนิวคลีโอไทด์สิบสายในสายดีเอ็นเอมีลำดับเบส AACGGTATTG สายดีเอ็นเอคู่สมจะมีลำดับเบส TTCGCATAAC เนื่องจาก RNA ถูกสังเคราะห์จากเทมเพลต DNA สิ่งนี้จึงมีนัยสำหรับการถอดรหัสเช่นกัน

mRNA เป็นกรดไรโบนิวคลีอิกในรูปแบบ "DNA-like" มากที่สุด เพราะหน้าที่ของมันคือส่วนใหญ่เหมือนกัน: ในการส่งข้อมูล เข้ารหัสในยีน ในรูปแบบของเบสไนโตรเจนที่สั่งอย่างระมัดระวัง จนถึงกลไกเซลลูลาร์ที่ประกอบขึ้น โปรตีน แต่ RNA ที่สำคัญหลายชนิดก็มีอยู่เช่นกัน

โครงสร้างสามมิติของ DNA ได้รับการอธิบายในปี 1953 ทำให้ James Watson และ Francis Crick ได้รับรางวัลโนเบล แต่หลายปีหลังจากนั้น โครงสร้างของ RNA ยังคงเข้าใจยาก แม้ว่าผู้เชี่ยวชาญ DNA คนเดียวกันบางคนจะพยายามอธิบายมัน ในทศวรรษที่ 1960 เป็นที่ชัดเจนว่าแม้ว่า RNA จะเป็นสายเดี่ยว แต่มีโครงสร้างรอง นั่นคือ ความสัมพันธ์ของลำดับ ของนิวคลีโอไทด์ซึ่งกันและกันในขณะที่ RNA เคลื่อนตัวผ่านอวกาศ - หมายความว่าความยาวของ RNA สามารถพับกลับเข้าหาตัวเองด้วย ฐานในเกลียวเดียวกันจึงเชื่อมโยงกันในลักษณะเดียวกันเทปพันสายไฟอาจเกาะติดตัวเองได้หากคุณอนุญาตให้ หงิกงอ นี่เป็นพื้นฐานสำหรับโครงสร้างแบบไขว้ของ tRNA ซึ่งรวมถึงส่วนโค้ง 180 องศาสามโค้งที่สร้างโมเลกุลที่เทียบเท่ากับ cul-de-sacs ในโมเลกุล

rRNA ค่อนข้างแตกต่างกัน rRNA ทั้งหมดได้มาจากสัตว์ประหลาดตัวหนึ่งที่มีสาย rRNA ยาวประมาณ 13,000 นิวคลีโอไทด์ หลังจากการดัดแปลงทางเคมีหลายครั้ง เกลียวนี้จะถูกแยกออกเป็นสองหน่วยย่อยที่ไม่เท่ากัน อันหนึ่งเรียกว่า 18S และอีกอันหนึ่งมีป้ายกำกับว่า 28S ("S" ย่อมาจาก "Svedberg unit" ซึ่งเป็นหน่วยวัดที่นักชีววิทยาใช้ในการประมาณมวลของโมเลกุลขนาดใหญ่ทางอ้อม) ส่วน 18S ถูกรวมเข้ากับสิ่งที่เป็น เรียกว่าหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็ก (ซึ่งเมื่อครบแล้วจริง ๆ แล้วคือ 30S) และส่วน 28S มีส่วนทำให้หน่วยย่อยขนาดใหญ่ (ซึ่งทั้งหมดมีขนาดเท่ากับ 50S); ไรโบโซมทั้งหมดมีหน่วยย่อยหนึ่งหน่วยพร้อมกับโปรตีนจำนวนหนึ่ง (ไม่ใช่กรดนิวคลีอิก ซึ่งทำให้โปรตีนเป็นไปได้) เพื่อให้ไรโบโซมมีความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

สาย DNA และ RNA ต่างก็มีสิ่งที่เรียกว่า 3' และ 5' ("ทรีไพรม์" และ "ไฟว์ไพรม์") สิ้นสุดลงตามตำแหน่งของโมเลกุลที่ติดอยู่กับส่วนน้ำตาลของเส้นใย ในแต่ละนิวคลีโอไทด์ กลุ่มฟอสเฟตจะติดกับอะตอมของคาร์บอนที่มีป้ายกำกับ 5' ในวงแหวน ในขณะที่คาร์บอน 3' มีลักษณะเป็นกลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) เมื่อเติมนิวคลีโอไทด์ลงในสายกรดนิวคลีอิกที่กำลังเติบโต สิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่ปลาย 3' ของสายที่มีอยู่เสมอ กล่าวคือ หมู่ฟอสเฟตที่ส่วนปลาย 5' ของนิวคลีโอไทด์ใหม่ถูกรวมเข้ากับคาร์บอน 3' ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลก่อนที่จะเกิดการเชื่อมโยงนี้ -OH ถูกแทนที่ด้วยนิวคลีโอไทด์ซึ่งสูญเสียโปรตอน (H) จากกลุ่มฟอสเฟต จึงเป็นโมเลกุลของ H₂O หรือน้ำสูญเสียสิ่งแวดล้อมในกระบวนการนี้ ทำให้การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอเป็นตัวอย่างของการสังเคราะห์การคายน้ำ

การถอดเสียงเป็นกระบวนการที่ mRNA ถูกสังเคราะห์จากแม่แบบ DNA โดยหลักการ จากสิ่งที่คุณรู้ตอนนี้ คุณสามารถจินตนาการได้อย่างง่ายดายว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ดีเอ็นเอเป็นสายคู่ ดังนั้นแต่ละสายจึงสามารถใช้เป็นแม่แบบสำหรับ RNA สายเดี่ยวได้ สาย RNA ใหม่สองเส้นนี้ เนื่องจากความแตกต่างของการจับคู่เบสจำเพาะ จะเป็นส่วนเสริมซึ่งกันและกัน ไม่ใช่ว่ามันจะเชื่อมเข้าด้วยกัน การถอดรหัส RNA นั้นคล้ายกับการจำลองของ DNA มากซึ่งใช้กฎการจับคู่เบสเดียวกัน โดยที่ U เข้ามาแทนที่ T ใน RNA โปรดทราบว่าการแทนที่นี้เป็นปรากฏการณ์ทางเดียว: T ใน DNA ยังคงเป็นรหัสสำหรับ A ใน RNA แต่ A ในรหัส DNA สำหรับ U ใน RNA

เพื่อให้เกิดการถอดรหัส DNA เกลียวคู่จะต้องคลายออกซึ่งทำภายใต้การดูแลของเอนไซม์เฉพาะ (ในภายหลังจะถือว่ามีโครงสร้างเป็นเกลียวที่เหมาะสม) หลังจากเกิดเหตุการณ์นี้ ลำดับเฉพาะที่เรียกว่าลำดับโปรโมเตอร์จะส่งสัญญาณว่าการถอดรหัสจะเริ่มตามโมเลกุล สิ่งนี้เรียกเอนไซม์ที่เรียกว่า RNA polymerase ไปยังฉากโมเลกุลซึ่งตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของโปรโมเตอร์คอมเพล็กซ์ ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในรูปแบบของกลไกป้องกันความล้มเหลวทางชีวเคมีเพื่อป้องกันไม่ให้การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอตั้งแต่เริ่มต้นในจุดที่ผิดบน DNA และด้วยเหตุนี้จึงผลิตสายอาร์เอ็นเอที่มีรหัสผิดกฎหมาย RNA polymerase "อ่าน" สาย DNA โดยเริ่มต้นที่ลำดับโปรโมเตอร์และเคลื่อนที่ไปตามสาย DNA โดยเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่ส่วนท้าย 3' ของ RNA พึงตระหนักว่า RNA และ DNA strands โดยอาศัยการเป็นส่วนเติมเต็ม เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกัน ซึ่งหมายความว่าเมื่อ RNA เติบโตในทิศทาง 3' มันจะเคลื่อนที่ไปตามสาย DNA ที่ปลาย 5' ของ DNA นี่เป็นจุดเล็ก ๆ แต่มักทำให้สับสนสำหรับนักเรียน ดังนั้นคุณอาจต้องการปรึกษาไดอะแกรมเพื่อให้แน่ใจว่าคุณเข้าใจกลไกของการสังเคราะห์ mRNA

พันธะที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับหมู่น้ำตาลในลำดับถัดไปเรียกว่า การเชื่อมโยง phosphodiester (ออกเสียงว่า "phos-pho-die-es-ter" ไม่ใช่ "phos-pho-dee-ster" เนื่องจากอาจดึงดูด สมมติ).

เอ็นไซม์ RNA polymerase มีหลายรูปแบบ แม้ว่าแบคทีเรียจะมีเพียงชนิดเดียวเท่านั้น เป็นเอนไซม์ขนาดใหญ่ ประกอบด้วยหน่วยย่อยโปรตีนสี่หน่วย: อัลฟา (α), เบต้า (β), เบต้าไพรม์ (β′ ) และซิกมา (σ) เมื่อรวมกันแล้วสิ่งเหล่านี้มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 420,000 ดาลตัน (สำหรับการอ้างอิง อะตอมของคาร์บอนเดี่ยวมีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากับ 12; โมเลกุลน้ำเดี่ยว 18; และกลูโคสทั้งโมเลกุล 180.) เอ็นไซม์ที่เรียกว่าโฮโลเอ็นไซม์เมื่อหน่วยย่อยทั้งสี่คือ ปัจจุบันมีหน้าที่รับรู้ลำดับโปรโมเตอร์บน DNA และแยก DNA ทั้งสองออกจากกัน เส้น RNA polymerase จะเคลื่อนที่ไปตามยีนเพื่อถ่ายทอดในขณะที่มันเพิ่มนิวคลีโอไทด์ไปยังส่วน RNA ที่กำลังเติบโต ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการยืดตัว กระบวนการนี้ เช่นเดียวกับหลายๆ เซลล์ภายในเซลล์ ต้องใช้อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) เป็นแหล่งพลังงาน เอทีพีไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่านิวคลีโอไทด์ที่ประกอบด้วยอะดีนีนซึ่งมีฟอสเฟตสามตัวแทนที่จะเป็นหนึ่งเดียว

การถอดเสียงจะสิ้นสุดลงเมื่อ RNA polymerase เคลื่อนที่พบลำดับการสิ้นสุดใน DNA เช่นเดียวกับลำดับโปรโมเตอร์อาจถูกมองว่าเทียบเท่ากับไฟเขียวบนสัญญาณไฟจราจร ลำดับการสิ้นสุดจะเป็นแบบแอนะล็อกของไฟแดงหรือป้ายหยุด

เมื่อโมเลกุล mRNA ที่มีข้อมูลสำหรับโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่ง นั่นคือ ชิ้นส่วนของ mRNA ที่สัมพันธ์กับยีน สมบูรณ์แล้ว ยังต้องผ่านกระบวนการก่อนจึงจะพร้อมทำหน้าที่ส่งพิมพ์เขียวเคมีไปยังไรโบโซม ซึ่งต้องใช้การสังเคราะห์โปรตีน สถานที่. ในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอต มันยังอพยพออกจากนิวเคลียสด้วย (โปรคาริโอตไม่มีนิวเคลียส)

ที่สำคัญ ฐานไนโตรเจนมีข้อมูลทางพันธุกรรมในกลุ่มละ 3 ตัว เรียกว่า triplet codon โคดอนแต่ละตัวมีคำแนะนำในการเพิ่มกรดอะมิโนเฉพาะให้กับโปรตีนที่กำลังเติบโต เช่นเดียวกับที่นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยโมโนเมอร์ของกรดนิวคลีอิก กรดอะมิโนก็เป็นโมโนเมอร์ของโปรตีน เนื่องจากอาร์เอ็นเอประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ที่แตกต่างกันสี่ชนิด (เนื่องจากมีเบสที่แตกต่างกันสี่ชนิด) และโคดอนประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สามชนิดติดต่อกัน มีโคดอนทริปเล็ตทั้งหมด 64 ชนิด (4³ = 64). นั่นคือเริ่มต้นด้วย AAA, AAC, AAG, AAU และทำงานไปจนถึง UUU มีชุดค่าผสม 64 ชุด อย่างไรก็ตาม มนุษย์ใช้กรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ รหัสแฝดสามจึงซ้ำซ้อน: ในกรณีส่วนใหญ่ รหัสแฝดหลายตัวสำหรับกรดอะมิโนตัวเดียวกัน การผกผันไม่เป็นความจริง นั่นคือ แฝดสามตัวเดียวกันไม่สามารถเข้ารหัสกรดอะมิโนได้มากกว่าหนึ่งตัว คุณอาจนึกภาพความโกลาหลทางชีวเคมีที่จะเกิดขึ้นได้ อันที่จริง กรดอะมิโนลิวซีน อาร์จินีน และซีรีน แต่ละตัวมีแฝดสามหกตัวที่สัมพันธ์กัน สาม codons ที่แตกต่างกันคือ STOP codon ซึ่งคล้ายกับลำดับการสิ้นสุดการถอดรหัสใน DNA

การแปลเองเป็นกระบวนการที่ให้ความร่วมมืออย่างสูง โดยนำสมาชิกทั้งหมดของตระกูล RNA ที่ขยายมารวมกัน เพราะมันเกิดขึ้นบนไรโบโซม เห็นได้ชัดว่ามันเกี่ยวข้องกับการใช้ rRNA โมเลกุล tRNA ซึ่งอธิบายไว้ก่อนหน้านี้ว่าเป็นไม้กางเขนเล็กๆ มีหน้าที่ในการนำกรดอะมิโนแต่ละตัวไปยัง ไซต์การแปลบนไรโบโซม โดยกรดอะมิโนแต่ละชนิดถูกจัดเรียงโดยแบรนด์เฉพาะของ tRNA คุ้มกัน เช่นเดียวกับการถอดรหัส การแปลมีระยะเริ่มต้น การยืดตัวและการสิ้นสุด และที่ส่วนท้ายของการสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีน โปรตีนถูกปล่อยออกมาจากไรโบโซมและบรรจุลงในร่างกายของกอลจิเพื่อใช้ในที่อื่น และไรโบโซมเองก็แยกตัวออกเป็นส่วนประกอบ หน่วยย่อย