กรดไรโบนิวคลีอิกคืออะไร?

กรดไรโบนิวคลีอิกหรืออาร์เอ็นเอเป็นหนึ่งในสองประเภทของกรดนิวคลีอิกที่พบในสิ่งมีชีวิตบนโลก อีกประการหนึ่งคือกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) ถือว่ามีรายละเอียดที่สูงกว่าอาร์เอ็นเอในวัฒนธรรมสมัยนิยมมานานแล้ว ในใจของผู้สังเกตการณ์ทั่วไปและที่อื่นๆ อย่างไรก็ตาม RNA เป็นกรดนิวคลีอิกที่หลากหลายกว่า มันใช้คำแนะนำที่ได้รับจาก DNA และเปลี่ยนมันเป็นกิจกรรมที่ประสานกันหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีน เมื่อมองในลักษณะนี้ DNA อาจถูกมองว่าเป็นประธานาธิบดีหรือนายกรัฐมนตรี ซึ่งคำตอบสุดท้ายจะเป็นตัวกำหนดว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับของเหตุการณ์ในชีวิตประจำวัน ในขณะที่อาร์เอ็นเอเป็นกองทัพของทหารราบที่จงรักภักดีและคนงานที่ทำงานหนักและแสดงทักษะที่น่าประทับใจมากมายใน กระบวนการ.

RNA เช่น DNA เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือโมเลกุลที่มีอะตอมแต่ละตัวค่อนข้างมากซึ่งแตกต่างจาก CO₂ หรือ H₂O) ประกอบด้วยพอลิเมอร์หรือสายโซ่ขององค์ประกอบทางเคมีที่ทำซ้ำ "ตัวเชื่อม" ในสายโซ่นี้ หรือที่เป็นทางการมากกว่านั้นคือโมโนเมอร์ที่ประกอบเป็นพอลิเมอร์ เรียกว่านิวคลีโอไทด์ นิวคลีโอไทด์เดี่ยวประกอบด้วยบริเวณทางเคมีที่แตกต่างกันสามส่วนหรือมอยอิตี: น้ำตาลเพนโทส หมู่ฟอสเฟต และฐานไนโตรเจน เบสไนโตรเจนอาจเป็นหนึ่งในสี่เบสที่แตกต่างกัน: อะดีนีน (A), ไซโตซีน (C), กัวนีน (G) และยูราซิล (U)

Adenine และ guanine จัดอยู่ในประเภททางเคมีเป็น พิวรีนในขณะที่ cytosine และ uracil อยู่ในหมวดหมู่ของสารที่เรียกว่า ไพริมิดีน. พิวรีนประกอบด้วยวงแหวนห้าส่วนเป็นส่วนใหญ่เชื่อมต่อกับวงแหวนหกส่วน ในขณะที่พิริมิดีนมีขนาดเล็กกว่ามากและมีวงแหวนคาร์บอนเพียงหกตัวเท่านั้น Adenine และ guanine มีโครงสร้างคล้ายกันมาก เช่นเดียวกับ cytosine และ uracil

น้ำตาลเพนโทสในอาร์เอ็นเอคือ ไรโบสซึ่งรวมถึงวงแหวนที่มีคาร์บอนห้าอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอม หมู่ฟอสเฟตถูกผูกมัดกับอะตอมของคาร์บอนในวงแหวนที่ด้านหนึ่งของอะตอมออกซิเจน และฐานไนโตรเจนถูกผูกมัดกับอะตอมของคาร์บอนในอีกด้านหนึ่งของออกซิเจน กลุ่มฟอสเฟตยังจับกับไรโบสบนนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกัน ดังนั้นส่วนไรโบสและฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์รวมกันเป็น "กระดูกสันหลัง" ของอาร์เอ็นเอ

เบสไนโตรเจนอาจถือได้ว่าเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของอาร์เอ็นเอ เพราะเป็นเบสเหล่านี้ ในกลุ่มที่มีนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกัน 3 กลุ่ม ซึ่งมีความสำคัญในการทำงานสูงสุด หมู่ของฐานที่อยู่ติดกัน 3 อันประกอบกันเป็นหน่วยเรียกว่า รหัสแฝดหรือ codons ที่ส่งสัญญาณพิเศษไปยังเครื่องจักรที่รวมโปรตีนเข้าด้วยกันโดยใช้ข้อมูลที่เชื่อมต่อเข้ากับ DNA ตัวแรกแล้วต่อด้วย RNA หากไม่มีการตีความรหัสนี้ ลำดับของนิวคลีโอไทด์จะไม่เกี่ยวข้อง ดังจะอธิบายในเร็วๆ นี้

เมื่อผู้ที่มีพื้นฐานทางชีววิทยาเพียงเล็กน้อยได้ยินคำว่า "DNA" มีแนวโน้มว่าสิ่งแรกที่นึกถึงคือ "เกลียวคู่" ความโดดเด่น โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอได้รับการอธิบายโดยวัตสัน, คริก, แฟรงคลินและอื่น ๆ ในปี 1953 และจากการค้นพบของทีมก็คือ DNA นั้นมีเกลียวคู่และเป็นเกลียวใน แบบฟอร์มปกติ ในทางตรงกันข้าม RNA มักจะเป็นสายเดี่ยวเสมอ

นอกจากนี้ ตามชื่อของโมเลกุลขนาดใหญ่ตามลำดับเหล่านี้ DNA มีน้ำตาลไรโบสที่แตกต่างกัน แทนที่จะเป็นไรโบส มันมีดีออกซีไรโบส ซึ่งเป็นสารประกอบที่เหมือนกันกับไรโบส เว้นแต่จะมีอะตอมไฮโดรเจนแทนที่หมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ตัวใดตัวหนึ่ง

ในที่สุด ในขณะที่ไพริมิดีนในอาร์เอ็นเอคือไซโตซีนและยูราซิล ใน DNA พวกมันคือไซโตซีนและไทมีน ใน "ขั้น" ของ "บันได" ของ DNA ที่มีเกลียวคู่ อะดีนีนจับกับไทมีนเท่านั้น ขณะที่ไซโตซีนจับกับกวานีนเท่านั้น (คุณนึกถึงเหตุผลทางสถาปัตยกรรมที่ฐาน purine ผูกกับฐาน pyrimidine ผ่านศูนย์กลางของ DNA เท่านั้น? คำแนะนำ: "ด้าน" ของบันไดจะต้องอยู่ห่างจากกัน) เมื่อถอดรหัส DNA และ a trans สายเสริมของ RNA ถูกสร้างขึ้น นิวคลีโอไทด์ที่สร้างขึ้นตรงข้ามกับอะดีนีนใน DNA คือ ยูราซิล ไม่ใช่ไทมีน ความแตกต่างนี้ช่วยให้ธรรมชาติหลีกเลี่ยงความสับสนของ DNA และ RNA ในสภาพแวดล้อมของเซลล์ซึ่งไม่ดี สิ่งต่าง ๆ อาจเป็นผลมาจากพฤติกรรมที่ไม่ต้องการหากเอ็นไซม์ที่ทำงานบนตามลำดับ โมเลกุล

แม้ว่าจะมีเพียง DNA ที่มีเกลียวคู่ แต่ RNA นั้นเชี่ยวชาญกว่ามากในการสร้างโครงสร้างสามมิติที่วิจิตรบรรจง สิ่งนี้ทำให้ RNA รูปแบบที่จำเป็นสามรูปแบบสามารถพัฒนาในเซลล์ได้

RNA มาในสามประเภทพื้นฐาน แม้ว่าจะมีเพิ่มเติม พันธุ์ที่คลุมเครือมากเช่นกัน

ผู้ส่งสาร RNA (mRNA): โมเลกุล mRNA มีลำดับการเข้ารหัสสำหรับโปรตีน โมเลกุล mRNA มีความยาวต่างกันมาก โดยมียูคาริโอต (โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ที่ไม่ใช่แบคทีเรีย) รวมถึง RNA ที่ใหญ่ที่สุดที่ยังค้นพบ การถอดเสียงจำนวนมากเกิน 100,000 เบส (100 กิโลเบสหรือ kb) ในความยาว

โอน RNA (tRNA): tRNA เป็นโมเลกุลสั้น (ประมาณ 75 เบส) ที่ขนส่งกรดอะมิโนและย้ายไปยังโปรตีนที่กำลังเติบโตระหว่างการแปล เชื่อกันว่า tRNAs มีการจัดเรียงสามมิติทั่วไปที่ดูเหมือนโคลเวอร์ลีฟในการวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากการผูกมัดของเบสเสริมเมื่อเกลียว tRNA พับกลับเข้าหาตัวมันเอง เหมือนกับเทปที่ติดอยู่ที่ตัวมันเองเมื่อคุณนำด้านข้างของแถบมารวมกันโดยไม่ได้ตั้งใจ

ไรโบโซม RNA (rRNA): โมเลกุล rRNA ประกอบด้วย 65 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ของมวลของออร์แกเนลล์ที่เรียกว่า ไรโบโซมโครงสร้างที่โฮสต์การแปลโดยตรง หรือการสังเคราะห์โปรตีน ไรโบโซมมีขนาดใหญ่มากตามมาตรฐานเซลล์ ไรโบโซมของแบคทีเรียมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 2.5 ล้านในขณะที่ไรโบโซมยูคาริโอตมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง (สำหรับการอ้างอิง น้ำหนักโมเลกุลของคาร์บอนเท่ากับ 12; ไม่มีองค์ประกอบเดียวท็อปส์ 300.)

ยูคาริโอตไรโบโซมหนึ่งตัวที่เรียกว่า 40S ประกอบด้วย rRNA หนึ่งตัวและโปรตีนประมาณ 35 ชนิด ไรโบโซม 60S ประกอบด้วย rRNA สามตัวและโปรตีนประมาณ 50 ชนิด ไรโบโซมจึงเป็นส่วนผสมของกรดนิวคลีอิก (rRNA) และผลิตภัณฑ์โปรตีนที่กรดนิวคลีอิก (mRNA) อื่น ๆ มีรหัสเพื่อสร้าง

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ นักชีววิทยาระดับโมเลกุลสันนิษฐานว่า rRNA มีบทบาทเชิงโครงสร้างเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลล่าสุดระบุว่า rRNA ในไรโบโซมทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ ในขณะที่โปรตีนที่อยู่รอบๆ ทำหน้าที่เป็นโครงนั่งร้าน

การถอดเสียงเป็นกระบวนการสังเคราะห์ RNA จากเทมเพลต DNA เนื่องจาก DNA มีสายคู่และ RNA เป็นสายเดี่ยว ดังนั้นจึงต้องแยกสาย DNA ออกก่อนจึงจะสามารถถอดรหัสได้

คำศัพท์บางคำมีประโยชน์ ณ จุดนี้ ยีนที่ทุกคนเคยได้ยิน แต่มีผู้เชี่ยวชาญที่ไม่ใช่ชีววิทยาเพียงไม่กี่คนที่สามารถกำหนดได้อย่างเป็นทางการ เป็นเพียงส่วนหนึ่งของ DNA ที่มีทั้ง แม่แบบสำหรับการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอและลำดับของนิวคลีโอไทด์ที่อนุญาตให้มีการควบคุมและควบคุมการผลิตอาร์เอ็นเอจากเทมเพลต ภูมิภาค. เมื่อมีการอธิบายกลไกการสังเคราะห์โปรตีนอย่างแม่นยำในครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมติฐานว่ายีนแต่ละตัวสอดคล้องกับผลิตภัณฑ์โปรตีนชนิดเดียว สะดวกอย่างที่ควรจะเป็น (และสมเหตุสมผลเท่าที่ควรบนพื้นผิว) แนวคิดนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่ถูกต้อง ยีนบางตัวไม่ได้เข้ารหัสโปรตีนเลย และในสัตว์บางชนิด "การประกบสลับกัน" ซึ่ง ยีนเดียวกันสามารถถูกกระตุ้นเพื่อสร้างโปรตีนที่แตกต่างกันภายใต้สภาวะที่ต่างกันได้ ทั่วไป

การถอดรหัสอาร์เอ็นเอทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็น เสริม สู่แม่แบบดีเอ็นเอ ซึ่งหมายความว่ามันเป็นภาพสะท้อนที่แปลก ๆ และจะจับคู่กับลำดับใด ๆ ที่เหมือนกันกับแม่แบบโดยธรรมชาติด้วยกฎการจับคู่ฐานฐานเฉพาะที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่น ลำดับดีเอ็นเอ TACTGGT ประกอบกับลำดับอาร์เอ็นเอ AUGACCA เนื่องจากแต่ละเบสในลำดับแรก สามารถจับคู่กับเบสที่สอดคล้องกันในลำดับที่สอง (โปรดทราบว่า U ปรากฏใน RNA โดยที่ T จะปรากฏใน ดีเอ็นเอ).

การเริ่มต้นการถอดความเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนแต่มีระเบียบ ขั้นตอนรวมถึง:

1. โปรตีนปัจจัยการถอดความจับกับโปรโมเตอร์ "ต้นน้ำ" ของลำดับที่จะถอดความ
2. RNA โพลีเมอเรส (เอ็นไซม์ที่ประกอบ RNA ใหม่) จับกับโปรโมเตอร์-โปรตีนเชิงซ้อนของ DNA ซึ่งค่อนข้างเหมือนกับสวิตช์จุดระเบิดในรถยนต์
3. RNA polymerase/promoter-protein complex ที่สร้างขึ้นใหม่จะแยก DNA เสริมสองเส้น
4. RNA polymerase เริ่มสังเคราะห์ RNA ครั้งละหนึ่งนิวคลีโอไทด์

ไม่เหมือน DNA polymerase RNA polymerase ไม่จำเป็นต้อง "primed" โดยเอนไซม์ตัวที่สอง การถอดความต้องใช้การผูก RNA polymerase กับพื้นที่โปรโมเตอร์เท่านั้น

ยีนใน DNA เข้ารหัสโมเลกุลโปรตีน เหล่านี้เป็น "ทหารราบ" ของห้องขัง ทำหน้าที่ที่จำเป็นในการดำรงชีวิต คุณอาจนึกถึงเนื้อสัตว์หรือกล้ามเนื้อ หรือการสั่นที่ดีต่อสุขภาพเมื่อคุณนึกถึงโปรตีน แต่โปรตีนส่วนใหญ่จะอยู่ภายใต้เรดาร์ในชีวิตประจำวันของคุณ เอ็นไซม์คือโปรตีน ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ช่วยสลายสารอาหาร สร้างส่วนประกอบของเซลล์ใหม่ ประกอบกรดนิวคลีอิก (เช่น DNA polymerase) และทำสำเนา DNA ระหว่างการแบ่งเซลล์

"การแสดงออกของยีน" หมายถึงการผลิตโปรตีนที่สอดคล้องกันของยีน หากมี และกระบวนการที่ซับซ้อนนี้มีสองขั้นตอนหลัก อย่างแรกคือการถอดความซึ่งมีรายละเอียดก่อนหน้านี้ ในการแปล โมเลกุล mRNA ที่สร้างขึ้นใหม่จะออกจากนิวเคลียสและย้ายไปที่ไซโตพลาสซึมซึ่งมีไรโบโซมอยู่ (ในสิ่งมีชีวิตที่เป็นโปรคาริโอต ไรโบโซมสามารถยึดติดกับ mRNA ได้ในขณะที่การถอดรหัสยังคงอยู่)

ไรโบโซมประกอบด้วยสองส่วนที่แตกต่างกัน: หน่วยย่อยขนาดใหญ่และหน่วยย่อยขนาดเล็ก แต่ละหน่วยย่อยมักจะแยกจากกันในไซโตพลาสซึม แต่พวกมันมารวมกันในโมเลกุล mRNA ยูนิตย่อยประกอบด้วยเกือบทุกอย่างที่กล่าวถึงแล้วเพียงเล็กน้อย: โปรตีน rRNA และ tRNA โมเลกุล tRNA เป็นโมเลกุลของตัวปรับต่อ: ปลายด้านหนึ่งสามารถอ่านรหัสแฝดใน mRNA (เช่น UAG หรือ CGC) ผ่านการจับคู่เบสที่เสริมกัน และปลายอีกข้างหนึ่งยึดติดกับกรดอะมิโนจำเพาะ รหัสแฝดแต่ละตัวมีหน้าที่รับผิดชอบหนึ่งในกรดอะมิโนประมาณ 20 ตัวที่ประกอบเป็นโปรตีนทั้งหมด กรดอะมิโนบางตัวถูกเข้ารหัสโดยแฝดสามหลายตัว (ซึ่งไม่น่าแปลกใจเพราะเป็นไปได้ 64 ทริปเล็ต – เบสสี่ตัวยกกำลังสามเพราะแฝดสามแต่ละตัวมีสามเบส – และมีกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้น จำเป็น) ในไรโบโซม คอมเพล็กซ์ mRNA และ aminoacyl-tRNA (ชิ้นส่วนของ tRNA ที่ส่งกรดอะมิโน) จะถูกจับชิดกันมาก ซึ่งช่วยให้จับคู่เบสได้ง่ายขึ้น rRNA กระตุ้นการยึดติดของกรดอะมิโนแต่ละชนิดเพิ่มเติมเข้ากับสายโซ่ที่กำลังเติบโต ซึ่งจะกลายเป็นพอลิเปปไทด์และในที่สุดก็กลายเป็นโปรตีน

จากความสามารถในการจัดเรียงตัวเองให้มีรูปร่างที่ซับซ้อน RNA สามารถทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ได้เล็กน้อย เนื่องจากอาร์เอ็นเอสามารถเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมและเร่งปฏิกิริยาได้ นักวิทยาศาสตร์บางคนได้เสนอแนะบทบาทสำคัญสำหรับอาร์เอ็นเอใน กำเนิดชีวิตที่เรียกว่า "โลกอาร์เอ็นเอ" สมมติฐานนี้สรุปว่า ย้อนกลับไปในประวัติศาสตร์ของโลก โมเลกุลอาร์เอ็นเอเล่นทั้งหมด บทบาทเดียวกันของโมเลกุลโปรตีนและกรดนิวคลีอิกในปัจจุบันนี้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในตอนนี้ แต่อาจเป็นไปได้ใน in โลกพรีไบโอติก ถ้าอาร์เอ็นเอทำหน้าที่เป็นทั้งโครงสร้างการจัดเก็บข้อมูลและเป็นแหล่งของตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมขั้นพื้นฐาน นำหน้า DNA ในรูปแบบแรกสุด (แม้ว่าตอนนี้ DNA ถูกสร้างขึ้นมา) และทำหน้าที่เป็นเวทีสำหรับการเปิดตัวของ "สิ่งมีชีวิต" ที่แท้จริง การจำลองตัวเอง