РНК, или рибонуклеиновая кислота, является одной из двух нуклеиновых кислот, встречающихся в природе. Другая, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), безусловно, более крепка в воображении. Даже люди с небольшим интересом к науке полагают, что ДНК жизненно важна для передачи черт от одного поколения к другому, и что ДНК каждого человека уникальна (и, следовательно, это плохая идея оставлять на месте преступления). Но, несмотря на всю известность ДНК, РНК является более универсальной молекулой, имеющей три основные формы: мессенджер РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и трансферная РНК (тРНК).

Работа мРНК в значительной степени зависит от двух других типов, и мРНК лежит прямо в центре так называемой центральной догмы молекулярной биологии (ДНК порождает РНК, которая, в свою очередь, порождает белки).

Нуклеиновые Кислоты: Обзор

ДНК и РНК являются нуклеиновыми кислотами, что означает, что они представляют собой полимерные макромолекулы, мономерные составляющие которых называются нуклеотидами. Нуклеотиды состоят из трех отдельных частей: пентозного сахара, фосфатной группы и азотистого основания, выбранных из четырех вариантов. Пентозный сахар - это сахар с пятиатомной кольцевой структурой.

Три основных различия отличают ДНК от РНК. Во-первых, в РНК сахарная часть нуклеотида представляет собой рибозу, а в ДНК - дезоксирибозу, которая представляет собой просто рибозу с гидроксильной (-ОН) группой, удаленной из одного из атомов углерода в пятиатомном кольце и замещенной водородом. атом (-Н). Таким образом, сахарная часть ДНК на один атом кислорода менее массивна, чем РНК, но РНК является гораздо более химически реактивной молекулой, чем ДНК, из-за одной дополнительной группы -ОН. Во-вторых, ДНК, довольно классно, двухцепочечная и намотана в спиральную форму в своем наиболее стабильном положении. РНК, с другой стороны, одноцепочечная. И, в-третьих, хотя ДНК и РНК содержат азотистые основания аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G), четвертое такое основание в ДНК - тимин (Т), а в РНК - урацил (U).

Поскольку ДНК является двухцепочечной, ученые с середины 1900-х годов знали, что эти азотистые основания сочетаются с одним другим типом основания и только с ним; Пары с T и C пары с G. Кроме того, A и G химически классифицируются как пурины, а C и T называются пиримидинами. Поскольку пурины существенно больше пиримидинов, спаривание A-G будет слишком громоздким, тогда как спаривание C-T будет необычно меньше; обе эти ситуации будут разрушительными для двух нитей в двухцепочечной ДНК, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга во всех точках вдоль двух нитей.

Из-за этой схемы спаривания две цепи ДНК называются «комплементарными», и последовательность одной из них может быть предсказана, если известна другая. Например, если цепочка из десяти нуклеотидов в цепи ДНК имеет последовательность оснований AAGCGTATTG, комплементарная цепь ДНК будет иметь последовательность оснований TTCGCATAAC. Поскольку РНК синтезируется из ДНК-матрицы, это имеет значение и для транскрипции.

Основная структура РНК

мРНК является наиболее «ДНК-подобной» формой рибонуклеиновой кислоты, потому что ее работа в основном одинакова: передавать информацию, закодированную в генах, в форме тщательно упорядоченных азотистых оснований, клеточному механизму, который собирает белки. Но существуют различные жизненно важные типы РНК.

Трехмерная структура ДНК была выяснена в 1953 году, и Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию. Но в течение многих лет структура РНК оставалась неуловимой, несмотря на попытки некоторых из тех же экспертов ДНК описать ее. В 1960-х годах стало ясно, что, хотя РНК является одноцепочечной, ее вторичная структура, то есть связь последовательности нуклеотидов друг с другом, когда РНК проходит через пространство, подразумевает, что длины РНК могут сворачиваться обратно в сами по себе, с основаниями в одной и той же цепи, таким образом, соединяясь друг с другом таким же образом, длина клейкой ленты может прилипнуть к себе, если вы позволите ей изгибаться. Это основа для крестообразной структуры тРНК, которая включает в себя три изгиба на 180 градусов, которые создают молекулярный эквивалент тупиков в молекуле.

рРНК несколько отличается. Вся рРНК происходит от одного монстра нити рРНК длиной около 13 000 нуклеотидов. После ряда химических модификаций эта нить расщепляется на две неравные субъединицы, одна из которых называется 18S, а другая - 28S. («S» означает «единицу Сведберга», которую используют биологи для косвенной оценки массы макромолекул.) Часть 18S включена в так называемую небольшую рибосомную субъединицу (которая в действительности равна 30S), а часть 28S вносит вклад на большую субъединицу (которая в целом имеет размер 50S); все рибосомы содержат одну из каждой субъединицы вместе с рядом белков (не нуклеиновых кислот, которые делают сами белки возможными) для обеспечения рибосом структурной целостности.

Обе цепи ДНК и РНК имеют так называемые 3 'и 5' («три простые» и «пять простых») концы, основанные на положениях молекул, прикрепленных к сахарной части цепи. В каждом нуклеотиде фосфатная группа присоединена к атому углерода, обозначенному 5 'в его кольце, тогда как 3' атом углерода имеет гидроксильную (-ОН) группу. Когда нуклеотид добавляется к растущей цепи нуклеиновой кислоты, это всегда происходит на 3'-конце существующей цепи. То есть фосфатная группа на 5'-конце нового нуклеотида соединяется с 3'-углеродом, содержащим гидроксильную группу, до того, как произойдет это связывание. -ОН заменен нуклеотидом, который теряет протон (Н) из своей фосфатной группы; таким образом, молекула H2O или вода теряется в окружающей среде в этом процессе, что делает синтез РНК примером синтеза дегидратации.

Транскрипция: кодирование сообщения в мРНК

Транскрипция - это процесс, в котором мРНК синтезируется из ДНК-матрицы. В принципе, учитывая то, что вы теперь знаете, вы можете легко представить, как это происходит. ДНК является двухцепочечной, поэтому каждая цепь может служить матрицей для одноцепочечной РНК; эти две новые цепи РНК, благодаря капризам специфического спаривания оснований, будут дополняющими друг друга, а не то, что они будут связываться вместе. Транскрипция РНК очень похожа на репликацию ДНК тем, что применяются те же правила спаривания оснований, когда U заменяет Т в РНК. Обратите внимание, что эта замена является однонаправленным явлением: T в ДНК все еще кодирует A в РНК, но A в ДНК кодирует U в РНК.

Для того, чтобы произошла транскрипция, двойная спираль ДНК должна стать незакрученной, что она делает под руководством специфических ферментов. (Позже он вновь принимает свою правильную спиральную конформацию.) После этого конкретная последовательность метко называется последовательностью промоторной последовательности, где транскрипция должна начинаться вдоль молекулы. Это вызывает на молекулярном уровне фермент, называемый РНК-полимеразой, которая к этому времени является частью промоторного комплекса. Все это происходит как своего рода биохимический отказоустойчивый механизм, предотвращающий начало синтеза РНК в неправильном месте на ДНК и, тем самым, образование цепи РНК, содержащей незаконный код. РНК-полимераза «считывает» цепь ДНК, начиная с последовательности промотора, и движется вдоль цепи ДНК, добавляя нуклеотиды к 3 'концу РНК. Помните, что цепи РНК и ДНК, будучи комплементарными, также являются антипараллельными. Это означает, что по мере роста РНК в 3'-направлении она движется вдоль цепи ДНК на 5'-конце ДНК. Это незначительный, но часто сбивающий с толку вопрос для студентов, поэтому вы можете обратиться к диаграмме, чтобы убедиться, что вы понимаете механизм синтеза мРНК.

Связи, созданные между фосфатными группами одного нуклеотида и сахарной группой на следующей, называются фосфодиэфирными связями (произносится как «фосфо-ди-эстер», а не «фосфо-ди-стери», как это может быть заманчиво). предполагать).

Фермент РНК-полимераза встречается во многих формах, хотя бактерии включают только один тип. Это большой фермент, состоящий из четырех белковых субъединиц: альфа (α), бета (β), бета-прайм (β ′) и сигма (σ). В совокупности они имеют молекулярный вес около 420 000 дальтон. (Для справки, один атом углерода имеет молекулярную массу 12; одна молекула воды 18, а целая молекула глюкозы 180). Фермент, называемый голоферментом, когда присутствуют все четыре субъединицы, отвечает за распознавание промотора. Последовательности на ДНК и разделение двух нитей ДНК. РНК-полимераза движется вдоль транскрибируемого гена, поскольку она добавляет нуклеотиды в растущий сегмент РНК, процесс, называемый удлинением. Этот процесс, как и многие другие в клетках, требует аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве источника энергии. АТФ - это не более чем аденинсодержащий нуклеотид, в котором три фосфата вместо одного.

Транскрипция прекращается, когда движущаяся РНК-полимераза встречает терминационную последовательность в ДНК. Так же, как последовательность промотора может рассматриваться как эквивалент зеленого света на светофоре, последовательность завершения является аналогом красного света или знака остановки.

Перевод: Расшифровка сообщения от мРНК

Когда молекула мРНК, несущая информацию для определенного белка, то есть части мРНК, соответствующей гену, завершена, ее все еще необходимо обработать, прежде чем она будет готова выполнить свою работу по доставке химического чертежа на рибосомы, где происходит синтез белка. У эукариотических организмов он также мигрирует из ядра (у прокариот нет ядра).

Важно, что азотистые основания несут генетическую информацию в группах по три, называемых триплетными кодонами. Каждый кодон содержит инструкции по добавлению определенной аминокислоты в растущий белок. Так же, как нуклеотиды являются мономерными единицами нуклеиновых кислот, аминокислоты являются мономерами белков. Поскольку РНК содержит четыре разных нуклеотида (благодаря четырем доступным основаниям), а кодон состоит из трех последовательных нуклеотидов, всего доступно 64 триплетных кодона (43 = 64). То есть начиная с AAA, AAC, AAG, AAU и вплоть до UUU, существует 64 комбинации. Люди, однако, используют только 20 аминокислот. В результате триплетный код называется избыточным: в большинстве случаев несколько триплетных кодов кодируют одну и ту же аминокислоту. Обратное неверно, то есть один и тот же триплет не может кодировать более одной аминокислоты. Вы, вероятно, можете представить себе биохимический хаос, который мог бы возникнуть в противном случае. Фактически, аминокислоты лейцин, аргинин и серин имеют по шесть триплетов, соответствующих им. Три разных кодона являются STOP-кодонами, сходными с последовательностями терминации транскрипции в ДНК.

Сам перевод - это очень совместный процесс, объединяющий всех членов расширенного семейства РНК. Поскольку это происходит на рибосомах, оно, очевидно, включает использование рРНК. Молекулы тРНК, ранее описанные как крошечные кресты, несут ответственность за перенос отдельных аминокислот в сайт трансляции на рибосоме, причем каждая аминокислота определяется собственным специфическим брендом сопровождения тРНК. Как и транскрипция, трансляция имеет фазы инициации, удлинения и завершения, и в конце синтеза белковой молекулы белок высвобождается из рибосомы и упаковывается в тела Гольджи для использования в других местах, а сама рибосома диссоциирует на свои составляющие субъединицы.