Що таке рибонуклеїнова кислота?

Рибонуклеїнова кислота, або РНК, є одним із двох типів нуклеїнових кислот, що зустрічаються в житті на Землі. Інша, дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), давно здобула вищий профіль, ніж РНК, у популярній культурі, у свідомості випадкових спостерігачів та в інших місцях. Однак РНК є більш універсальною нуклеїновою кислотою; він приймає інструкції, які отримує від ДНК, і перетворює їх на різноманітну скоординовану діяльність, пов’язану з синтезом білка. Якщо дивитись на це, ДНК можна розглядати як президента чи канцлера, внесок якого в кінцевому рахунку визначає, що відбувається на рівні повсякденних подій, тоді як РНК - це армія відданих піхотинців та рохкаючих робітників, які виконують фактичну роботу та демонструють широкий спектр вражаючих навичок у процес.

РНК, як і ДНК, є макромолекулою (іншими словами, молекулою з відносно великою кількістю окремих атомів, на відміну, скажімо, від CO₂ або H₂O), що складається з полімеру або ланцюга хімічних елементів, що повторюються. "Зв'язки" цього ланцюга, або більш формально мономери, що складають полімер, називаються нуклеотидами. Поодинокий нуклеотид складається, в свою чергу, з трьох різних хімічних областей, або частин: пентозного цукру, фосфатної групи та азотистої основи. Азотисті основи можуть бути однією з чотирьох різних основ: аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) та урацил (U).

Аденин та гуанін хімічно класифікуються як пуринитоді як цитозин та урацил належать до категорії речовин, що називаються піримідини. Пурини складаються головним чином з п'ятичленного кільця, приєднаного до шестичленного кільця, тоді як піримідини значно менші і мають лише шестивуглецеве кільце. Аденин і гуанін дуже схожі за будовою між собою, як і цитозин та урацил.

Пентозний цукор в РНК є рибоза, що включає кільце з п’ятьма атомами вуглецю та одним атомом кисню. Фосфатна група пов'язана з атомом вуглецю в кільці з одного боку атома кисню, а азотиста основа - з атомом вуглецю з іншого боку кисню. Фосфатна група також зв’язується з рибозою на сусідньому нуклеотиді, тому рибоза і фосфатна частина нуклеотиду разом складають «хребет» РНК.

Азотисті основи можна розглядати як найбільш критичну частину РНК, оскільки саме вони, у групах по три в сусідніх нуклеотидах, мають надзвичайно важливе функціональне значення. Групи з трьох суміжних основ утворюють одиниці, що називаються триплетні коди, або кодони, які передають спеціальні сигнали до механізму, який об’єднує білки, використовуючи інформацію, сполучену спочатку ДНК, а потім РНК. Без тлумачення цього коду таким, як він є, порядок нуклеотидів був би неактуальним, як це буде описано коротко.

Коли люди з невеликим досвідом у біології чують термін "ДНК", цілком ймовірно, що одне з перших, що спадає на думку, це "подвійна спіраль". Відмітний Структура молекули ДНК з'ясована Уотсоном, Криком, Франкліном та іншими у 1953 р., і серед висновків групи було те, що ДНК є дволанцюжковою і спіральною звична форма. РНК, навпаки, практично завжди є одноланцюговою.

Крім того, як випливають з назв цих відповідних макромолекул, ДНК містить інший цукор рибози. Замість рибози він містить дезоксирибозу, сполуку, ідентичну рибозі, за винятком наявності атома водню замість однієї з її гідроксильних (-ОН) груп.

Нарешті, хоча піримідини в РНК є цитозином та урацилом, у ДНК це цитозин та тимін. У "ступенях" дволанцюжкової ДНК "сходи" аденін зв'язується з тиміном і тільки з ним, тоді як цитозин зв'язується з гуаніном і лише з ним. (Чи можете ви придумати архітектурну причину того, що пуринові основи зв’язуються лише з піримідиновими основами в центрі ДНК? Підказка: "бортики" сходів повинні залишатися на фіксованій відстані.) Коли транскрибується ДНК, а створюється комплементарна ланцюг РНК, нуклеотид, що генерується навпроти аденіну в ДНК, - урацил, не тимін. Ця відмінність допомагає природі уникнути плутанини ДНК і РНК у клітинних середовищах, в яких це несприятливо речі можуть бути результатом небажаної поведінки, якщо ферменти, що діють на відповідну молекули.

Хоча лише ДНК є дволанцюжковою, РНК набагато вправніше формує складні тривимірні структури. Це дозволило розвиватися в клітинах трьом основним формам РНК.

РНК буває трьох основних типів, хоча існують і додаткові, дуже незрозумілі різновиди.

РНК-повідомлення (мРНК): Молекули мРНК містять кодуючу послідовність білків. Молекули мРНК сильно варіюються за довжиною, причому еукаріоти (по суті, більшість живих істот, які не є бактеріями), включаючи найбільшу РНК, яку ще було виявлено. Багато стенограм перевищують 100000 баз (100 кілобаз, або kb).

Передача РНК (тРНК): тРНК - це коротка (близько 75 основ) молекула, яка транспортує амінокислоти і переміщує їх до зростаючого білка під час трансляції. Вважається, що тРНК мають спільне тривимірне розташування, яке виглядає як конюшина при рентгенівському аналізі. Це відбувається завдяки зв'язуванню додаткових основ, коли ланцюг тРНК згинається назад, приблизно як стрічка, що прилипає до себе, коли ви випадково зближуєте сторони її смужки.

Рибосомна РНК (рРНК): Молекули рРНК складають від 65 до 70 відсотків маси органели, яка називається рибосома, структура, яка безпосередньо приймає трансляцію, або синтез білка. Рибосоми дуже великі за клітинними мірками. Бактеріальні рибосоми мають молекулярну масу близько 2,5 мільйонів, тоді як еукаріотичні рибосоми мають молекулярну масу приблизно в півтора рази. (Для довідки молекулярна маса вуглецю становить 12; жодного елемента не перевищує 300).

Одна еукаріотична рибосома, яка називається 40S, містить одну рРНК, а також близько 35 різних білків. Рибосома 60S містить три рРНК і близько 50 білків. Таким чином, рибосоми є мішами нуклеїнових кислот (рРНК) і білкових продуктів, коди яких створюють інші нуклеїнові кислоти (мРНК).

Донедавна молекулярні біологи припускали, що рРНК виконує переважно структурну роль. Однак пізніші відомості вказують на те, що рРНК у рибосомах діє як фермент, тоді як оточуючі її білки виконують роль будівельних лісів.

Транскрипція - це процес синтезу РНК із матриці ДНК. Оскільки ДНК є дволанцюжковою, а РНК - одноланцюговою, нитки ДНК повинні бути розділені перед тим, як може відбутися транскрипція.

На даний момент деяка термінологія корисна. Ген, про який всі чули, але формально визначити його можуть лише деякі небіологічні експерти, - це лише ділянка ДНК, що містить як шаблон для синтезу РНК та послідовності нуклеотидів, які дозволяють регулювати і контролювати вироблення РНК з шаблону регіону. Коли механізми синтезу білка вперше були описані з точністю, вчені припустили, що кожен ген відповідає одному білковому продукту. Наскільки б це було зручно (і наскільки б це не було зрозуміло на поверхні), ідея виявилася неправильною. Деякі гени взагалі не кодують білки, а у деяких тварин "чергують сплайсинг", в якому Схоже, один і той же ген може бути ініційований для утворення різних білків за різних умов загальний.

Транскрипція РНК дає продукт, який є доповнює до шаблону ДНК. Це означає, що він є своєрідним дзеркальним відображенням і, природно, поєднується з будь-якою послідовністю, ідентичною шаблону, завдяки конкретним правилам сполучення базової бази з базою, зазначеним раніше. Наприклад, послідовність ДНК TACTGGT є комплементарною послідовності РНК AUGACCA, оскільки кожна основа в першій послідовності може бути спареною парою з відповідною базою у другій послідовності (зауважте, що U з'являється в РНК там, де T відображатиметься в ДНК).

Початок транскрипції - складний, але впорядкований процес. Ці кроки включають:

1. Білки фактора транскрипції зв'язуються з промотором "вище за течією" послідовності, що підлягає транскрипції.
2. РНК-полімераза (фермент, який збирає нову РНК), зв’язується з промоторно-білковим комплексом ДНК, що швидше нагадує вимикач запалювання в машині.
3. Новоутворений РНК-полімеразний / промоторно-білковий комплекс відокремлює дві комплементарні ланцюги ДНК.
4. РНК-полімераза починає синтезувати РНК, по одному нуклеотиду.

На відміну від ДНК-полімерази, РНК-полімеразу не потрібно «грунтувати» другим ферментом. Транскрипція вимагає лише прив’язки РНК-полімерази до області промотору.

Гени в ДНК кодують білкові молекули. Це "піхотинці" камери, які виконують обов'язки, необхідні для підтримки життя. Коли ви думаєте про білок, ви можете подумати про м’ясо чи м’язи чи здоровий коктейль, але більшість білків летить під радаром вашого повсякденного життя. Ферменти - це білки - молекули, які допомагають розщеплювати поживні речовини, будувати нові клітинні компоненти, збирати нуклеїнові кислоти (наприклад, ДНК-полімеразу) та робити копії ДНК під час поділу клітини.

"Експресія гена" означає виробництво відповідного білку гена, якщо такий є, і цей складний процес має два основних етапи. Перший - це транскрипція, деталізована раніше. У перекладі, щойно створені молекули мРНК виходять з ядра і мігрують до цитоплазми, де розташовані рибосоми. (У прокаріотичних організмів рибосоми можуть приєднуватися до мРНК, поки транскрипція ще триває.)

Рибосоми складаються з двох різних частин: великої субодиниці та малої субодиниці. Кожна субодиниця зазвичай відокремлена в цитоплазмі, але вони об’єднуються в молекулі мРНК. Субодиниці містять трохи майже всього згаданого: білки, рРНК та тРНК. Молекули тРНК є адаптивними молекулами: один кінець може зчитувати код триплету в мРНК (наприклад, UAG або CGC) за допомогою додаткового спарювання основ, а інший кінець приєднується до певної амінокислоти. Кожен триплетний код відповідає за одну з приблизно 20 амінокислот, з яких складаються всі білки; деякі амінокислоти кодуються множинними триплетами (що не дивно, оскільки можливі 64 триплети - чотири основи, підняті на третю ступінь, оскільки кожен триплет має три основи - і лише 20 амінокислот потрібні). У рибосомі комплекси мРНК та аміноацил-тРНК (шматочки тРНК, що відбивають амінокислоту) утримуються дуже близько один до одного, полегшуючи сполучення основ. рРНК каталізує приєднання кожної додаткової амінокислоти до зростаючого ланцюга, який стає поліпептидом і, нарешті, білком.

В результаті своєї здатності влаштовувати себе у складні форми РНК може слабо діяти як фермент. Оскільки РНК може як зберігати генетичну інформацію, так і каталізувати реакції, деякі вчені припускають важливу роль РНК у походження життя, зване "Світом РНК". Ця гіпотеза стверджує, що ще в історії Землі молекули РНК грали все сьогодні відіграють однакову роль молекул білків і нуклеїнових кислот, що було б неможливо зараз, але могло б бути можливим у добіотичний світ. Якщо РНК виступала як структурою зберігання інформації, так і як джерело каталітичної активності, необхідної для основних метаболічних реакцій, вона може мати передувала ДНК у її найдавніших формах (хоча зараз вона утворена ДНК) і слугувала платформою для запуску "організмів", які справді є самовідтворюється.