МРНК: визначення, функція та структура

РНК, або рибонуклеїнова кислота, є однією з двох нуклеїнових кислот, що зустрічаються в природі. Інша, дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), безумовно, більш зафіксована в уяві. Навіть люди, які мало цікавляться наукою, здогадуються, що ДНК життєво необхідна для передачі рис покоління до наступного, і що ДНК кожної людини є унікальною (і тому поганою ідеєю залишати злочин сцени). Але при всій популярності ДНК РНК є більш універсальною молекулою, яка має три основні форми: РНК-передавач (мРНК), РНК-рибосома (РРНК) і РНК-передавач (тРНК).

Робота мРНК в значній мірі залежить від двох інших типів, і мРНК лежить прямо в центрі так званої центральної догми молекулярної біології (ДНК породжує РНК, яка в свою чергу породжує білки).

ДНК і РНК є нуклеїновими кислотами, що означає, що вони є полімерними макромолекулами, мономерні складові яких називаються нуклеотидами. Нуклеотиди складаються з трьох різних порцій: пентозного цукру, фосфатної групи та азотистої основи, вибраних з чотирьох варіантів. Пентозний цукор - це цукор, що включає п’ятиатомну кільцеву структуру.

Три основні відмінності відрізняють ДНК від РНК. По-перше, у РНК цукрова частина нуклеотиду - це рибоза, тоді як у ДНК - це дезоксирибоза, яка просто є рибозою з гідроксильною (-ОН) групою, видаленою з одного з вуглеводів у п'ятиатомному кільці і заміненою атомом водню (-H). Таким чином, цукрова частина ДНК - це лише один атом кисню, менш масивний, ніж РНК, але РНК є набагато більш хімічно реактивною молекулою, ніж ДНК, завдяки своїй одній додатковій -ОН групі. По-друге, ДНК, досить відома, є дволанцюжковою і звита у гвинтоподібну форму у своїй найбільш стійкій. РНК, навпаки, є одноланцюговою. І по-третє, хоча в обох ДНК і РНК є азотисті основи аденін (А), цитозин (С) і гуанін (Г), четвертою такою основою в ДНК є тимін (Т), тоді як в РНК це урацил (У).

Оскільки ДНК є дволанцюжковою, з середини 1900-х років вчені знають, що ці азотисті основи поєднуються і лише з одним іншим видом основи; Пара з T, а C з G. Крім того, A і G хімічно класифікуються як пурини, тоді як C і T називаються піримідинами. Оскільки пуринів значно більше, ніж піримідинів, поєднання A-G було б надмірно громіздким, тоді як спарення C-T було б надзвичайно низьким; обидві ці ситуації будуть руйнувати два ланцюги в дволанцюжковій ДНК на однаковій відстані у всіх точках уздовж двох ланцюгів.

Через цю схему спарювання дві нитки ДНК називаються "взаємодоповнюючими", і послідовність одного можна передбачити, якщо відомий інший. Наприклад, якщо рядок з десяти нуклеотидів у ланцюзі ДНК має базову послідовність AAGCGTATTG, комплементарна ланцюг ДНК буде мати базову послідовність TTCGCATAAC. Оскільки РНК синтезується з матриці ДНК, це має значення і для транскрипції.

мРНК є найбільш "ДНК-подібною" формою рибонуклеїнової кислоти, оскільки її робота здебільшого однакова: передавати інформацію закодовані у генах у вигляді ретельно упорядкованих азотистих основ для клітинного механізму, який збирається білки. Але існують також різні життєво важливі типи РНК.

Тривимірна структура ДНК була з’ясована в 1953 році, і Джеймс Уотсон та Френсіс Крик отримали Нобелівську премію. Але роками пізніше структура РНК залишалася невловимою, незважаючи на зусилля деяких тих же експертів з ДНК, щоб описати її. У 1960-х роках стало ясно, що хоча РНК одноланцюгова, її вторинна структура - тобто взаємозв'язок послідовності нуклеотидів один до одного, коли РНК прокладається через космос - мається на увазі, що довжини РНК можуть складатися назад, основи в одній нитці, таким чином, зв’язуючи одна з одною однаково, довжина клейкої стрічки може прилипати до себе, якщо ви дозволите перелом Це основа для перехресноподібної структури тРНК, яка включає три вигини на 180 градусів, що створюють молекулярний еквівалент куль-мішків у молекулі.

рРНК дещо інша. Вся рРНК походить від одного чудовиська ланцюга рРНК довжиною близько 13000 нуклеотидів. Після ряду хімічних модифікацій ця нитка розщеплюється на дві нерівні субодиниці, одну з яких називають 18S, а іншу - 28S. ("S" означає "одиниця Сведберга", міра, яку біологи використовують для опосередкованої оцінки маси макромолекул.) Частина 18S включена в те, що називається малою рибосомальною субодиницею (яка, коли закінчується, насправді становить 30S), а частина 28S вносить вклад у велику субодиницю (яка загалом має розмір 50S); всі рибосоми містять по одній з кожної субодиниці разом з низкою білків (а не нуклеїнових кислот, які роблять самі білки можливими), щоб забезпечити рибосомам структурну цілісність.

Нитки ДНК і РНК мають так звані 3 'і 5' ("три прості" та "п’ять прості") кінці на основі положень молекул, прикріплених до цукрової частини нитки. У кожному нуклеотиді фосфатна група приєднана до атома вуглецю, позначеного 5 'у своєму кільці, тоді як 3' вуглець має гідроксильну (-ОН) групу. Коли нуклеотид додають до зростаючого ланцюга нуклеїнових кислот, це завжди відбувається на 3 'кінці існуючого ланцюга. Тобто, фосфатна група на 5 'кінці нового нуклеотиду приєднується до 3' вуглецю, що містить гідроксильну групу, до того, як відбувається це зв'язування. -OH замінюється нуклеотидом, який втрачає протон (Н) зі своєї фосфатної групи; таким чином молекула Н₂У цьому процесі O, або вода, втрачається в навколишнє середовище, що робить синтез РНК прикладом синтезу дегідратації.

Транскрипція - це процес, при якому мРНК синтезується з матриці ДНК. В принципі, враховуючи те, що ви зараз знаєте, ви легко можете уявити, як це відбувається. ДНК є дволанцюжковою, тому кожна ланцюг може служити матрицею для одноланцюгової РНК; ці два нові ланцюги РНК, завдяки примхам конкретного сполучення основ, будуть доповнювати один одного, не те, що вони будуть зв’язуватися разом. Транскрипція РНК дуже схожа на реплікацію ДНК, оскільки застосовуються ті самі правила сполучення основ, причому U займає місце Т в РНК. Зверніть увагу, що ця заміна є односпрямованим явищем: Т у ДНК все ще кодує А в РНК, але А в ДНК кодує для У в РНК.

Щоб відбулася транскрипція, подвійна спіраль ДНК повинна розмотуватися, що і робиться під керівництвом конкретних ферментів. (Пізніше він знову припускає належну спіральну конформацію.) Після цього конкретна послідовність, яка влучно називається сигналами промоторної послідовності, де транскрипція повинна розпочатися вздовж молекули. Це викликає на молекулярну сцену фермент, який називається РНК-полімераза, який на цей час є частиною промоторного комплексу. Все це відбувається як своєрідний біохімічний безпечний механізм, який утримує синтез РНК від початку в неправильному місці на ДНК і тим самим виробляє ланцюг РНК, що містить незаконний код. РНК-полімераза "зчитує" ланцюг ДНК, починаючи з промоторної послідовності, і рухається вздовж ланцюга ДНК, додаючи нуклеотиди до 3 'кінця РНК. Майте на увазі, що нитки РНК і ДНК, оскільки є комплементарними, також є антипаралельними. Це означає, що по мірі зростання РНК у напрямку 3 'вона рухається вздовж ланцюга ДНК на 5' кінці ДНК. Це незначний, але часто незрозумілий момент для студентів, тому, можливо, ви захочете ознайомитися зі схемою, щоб переконатись, що ви розумієте механіку синтезу мРНК.

Зв’язки, створені між фосфатними групами одного нуклеотиду та цукровою групою наступного, називаються фосфодіефірні зв’язки (вимовляється «фос-фо-ди-естер», а не «фос-фо-діестер», оскільки це може бути спокусливим для припустимо).

Фермент РНК-полімераза існує у багатьох формах, хоча бактерії включають лише один тип. Це великий фермент, що складається з чотирьох білкових субодиниць: альфа (α), бета (β), бета-прем’єр (β ′) та сигма (σ). У сукупності вони мають молекулярну масу близько 420 000 Дальтон. (Для довідки, одиничні атоми вуглецю мають молекулярну масу 12; одна молекула води, 18; і ціла молекула глюкози, 180.) Фермент, який називається голоферментом, коли всі чотири субодиниці є присутній, відповідає за розпізнавання промоторних послідовностей на ДНК і відрив двох ДНК пасма. РНК-полімераза рухається вздовж гена, що підлягає транскрипції, оскільки вона додає нуклеотиди до зростаючого сегмента РНК - процес, який називається елонгацією. Цей процес, як і багато інших у клітинах, вимагає аденозинтрифосфату (АТФ) як джерела енергії. АТФ - насправді не що інше, як аденинвмісний нуклеотид, який має три фосфати замість одного.

Транскрипція припиняється, коли рухома РНК-полімераза зустрічає послідовність термінації в ДНК. Подібно до того, як промоутерну послідовність можна розглядати як еквівалент зеленого світла на світлофорі, послідовність припинення є аналогом червоного світла або знака зупинки.

Коли молекула мРНК, що несе інформацію для певного білка - тобто шматочка мРНК, що відповідає гену - є повною, це ще потрібно обробити, перш ніж він готовий виконати свою роботу з доставки хімічного плану до рибосом, де синтез білка займає місце. В еукаріотичних організмів він також мігрує з ядра (прокаріоти не мають ядра).

Критично важливо, що азотисті основи несуть генетичну інформацію групами по три, які називаються триплетними кодонами. Кожен кодон містить інструкції щодо додавання певної амінокислоти до зростаючого білка. Подібно до того, як нуклеотиди є мономерними одиницями нуклеїнових кислот, амінокислоти є мономерами білків. Оскільки РНК містить чотири різних нуклеотиди (завдяки чотирьом різним доступним підставам), а кодон складається з трьох послідовних нуклеотидів, існує 64 загальних триплетних кодони (4³ = 64). Тобто, починаючи з AAA, AAC, AAG, AAU і працюючи аж до UUU, існує 64 комбінації. Однак люди використовують лише 20 амінокислот. В результаті триплетний код називається зайвим: у більшості випадків множинні триплети кодують одну і ту ж амінокислоту. Зворотне не відповідає дійсності - тобто той самий триплет не може кодувати більше однієї амінокислоти. Ви, мабуть, можете уявити собі біохімічний хаос, який би настав інакше. Насправді амінокислоти лейцин, аргінін та серин мають шість відповідних їм триплетів. Три різні кодони є STOP кодонами, подібними до послідовностей термінації транскрипції в ДНК.

Сам переклад - це процес співпраці, який об'єднує всіх членів розширеної сім'ї РНК. Оскільки це відбувається на рибосомах, воно, очевидно, передбачає використання рРНК. Молекули тРНК, описані раніше як крихітні схрещування, відповідають за перенесення окремих амінокислот сайт трансляції на рибосомі, причому кожна амінокислота визначається своєю власною маркою тРНК супровід. Як і транскрипція, трансляція має фази ініціації, елонгації та термінації, і в кінці синтезу молекули білка білок виділяється з рибосоми і упаковується в тіла Гольджі для використання в інших місцях, а сама рибосома дисоціює на свій компонент субодиниці.