Рибонуклеиновая кислота, или РНК, является одним из двух типов нуклеиновых кислот, найденных в жизни на Земле. Другая, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), давно приобрела более высокий профиль, чем РНК, в популярной культуре, в сознании случайных наблюдателей и в других местах. РНК, однако, является более универсальной нуклеиновой кислотой; он берет инструкции, которые он получает от ДНК, и преобразует их во множество согласованных действий, связанных с синтезом белка. С этой точки зрения ДНК можно рассматривать как президента или канцлера, чей вклад в конечном итоге определяет то, что происходит на уровне повседневных событий, тогда как РНК - это армия лояльных пехотинцев и трудолюбивых рабочих, которые выполняют фактическую работу и демонстрируют широкий кругозор. спектр впечатляющих навыков в процессе.

Основная структура РНК

РНК, как и ДНК, представляет собой макромолекулу (иными словами, молекула с относительно большим числом отдельных атомов, в отличие, скажем, от CO2 или H2O), состоящая из полимера или цепочки повторяющихся химических элементов. «Связи» в этой цепи, или, более формально, мономеры, из которых состоит полимер, называются нуклеотидами. Один нуклеотид состоит из трех различных химических областей или частей: пентозного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Азотистые основания могут представлять собой одно из четырех различных оснований: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и урацил (U).

Аденин и гуанин химически классифицируются как пурины, тогда как цитозин и урацил относятся к категории веществ, называемых пиримидинами. Пурины состоят в основном из кольца из пяти членов, соединенного с кольцами из шести членов, в то время как пиримидины значительно меньше и имеют только кольцо из шести атомов углерода. Аденин и гуанин очень похожи друг на друга по структуре, как и цитозин и урацил.

Пентозный сахар в РНК представляет собой рибозу, которая включает кольцо с пятью атомами углерода и одним атомом кислорода. Фосфатная группа связана с атомом углерода в кольце на одной стороне от атома кислорода, а азотистое основание связано с атомом углерода на другой стороне от кислорода. Фосфатная группа также связывается с рибозой на соседнем нуклеотиде, поэтому рибозная и фосфатная части нуклеотида вместе составляют «главную цепь» РНК.

Азотистые основания могут рассматриваться как наиболее важная часть РНК, потому что именно они в группах по три в соседних нуклеотидах имеют первостепенное функциональное значение. Группы из трех смежных оснований образуют единицы, называемые триплетными кодами или кодонами, которые передают специальные сигналы механизму, который объединяет белки, используя информацию, передаваемую сначала в ДНК, а затем в РНК. Если бы этот код не интерпретировался как есть, порядок нуклеотидов был бы неуместен, как будет описано ниже.

Различия между ДНК и РНК

Когда люди с небольшим опытом в области биологии слышат термин «ДНК», вполне вероятно, что одна из первых вещей, которая приходит на ум, - это «двойная спираль». Отличительная структура молекулы ДНК была выяснена Уотсоном, Криком, Франклином и другими в 1953 году, и среди выводов команды было то, что ДНК является двухцепочечной и спиральной в своей обычной форме. РНК, напротив, практически всегда одноцепочечная.

Кроме того, как следует из названий этих соответствующих макромолекул, ДНК содержит другой рибозный сахар. Вместо рибозы он содержит дезоксирибозу, соединение, идентичное рибозе, за исключением того, что он имеет атом водорода вместо одной из его гидроксильных (-ОН) групп.

Наконец, в то время как пиримидины в РНК представляют собой цитозин и урацил, в ДНК они представляют собой цитозин и тимин. В «ступеньках» двунитевой ДНК «лестницы» аденин связывается только с тимином и только с ним, а цитозин связывается только с гуанином и только с ним. (Вы можете вспомнить архитектурную причину, по которой пуриновые основания связываются только с пиримидиновыми основаниями через центр ДНК? Подсказка: «стороны» лестницы должны оставаться на фиксированном расстоянии друг от друга.) Когда ДНК транскрибируется и комплементарная цепь РНК является созданный, нуклеотид, генерируемый через аденин в ДНК, является урацилом, а не тимином. Это различие помогает природе избежать путаницы ДНК и РНК в клеточных средах, в которых неблагоприятные вещи могут возникнуть в результате нежелательного поведения, если ферменты действуют на соответствующие молекулы.

В то время как только ДНК является двухцепочечной, РНК гораздо более искусна в формировании сложных трехмерных структур. Это позволило развиваться трем основным формам РНК в клетках.

Три типа РНК

РНК бывает трех основных типов, хотя существуют и дополнительные, очень неясные разновидности.

Messenger RNA (мРНК): молекулы мРНК содержат кодирующую последовательность для белков. Молекулы мРНК сильно различаются по длине, с эукариотами (по существу, большинство живых существ, которые не являются бактериями), включая самую большую из обнаруженных РНК. Длина многих транскриптов превышает 100 000 баз (100 килобаз, или кб).

Трансферная РНК (тРНК): тРНК представляет собой короткую (около 75 оснований) молекулу, которая транспортирует аминокислоты и перемещает их в растущий белок во время трансляции. Считается, что тРНК имеют общее трехмерное расположение, которое при рентгеновском анализе выглядит как трилистник. Это вызвано связыванием комплементарных оснований, когда нить тРНК складывается обратно на себя, как прилипание ленты к себе, когда вы случайно соединяете ее боковые полосы.

Рибосомная РНК (рРНК): молекулы рРНК составляют от 65 до 70 процентов массы органеллы, называемой рибосомой, структуры, которая непосредственно принимает трансляцию или синтез белка. Рибосомы очень большие по клеточным стандартам. Бактериальные рибосомы имеют молекулярную массу около 2,5 миллионов, в то время как эукариотические рибосомы имеют молекулярную массу примерно в полтора раза больше. (Для справки, молекулярная масса углерода составляет 12; ни одного элемента не превышает 300.)

Одна эукариотическая рибосома, называемая 40S, содержит одну рРНК, а также около 35 различных белков. Рибосома 60S содержит три рРНК и около 50 белков. Таким образом, рибосомы представляют собой мешанину нуклеиновых кислот (рРНК) и белковых продуктов, которые другие нуклеиновые кислоты (мРНК) несут код для создания.

До недавнего времени молекулярные биологи предполагали, что рРНК выполняет в основном структурную роль. Однако более свежая информация указывает на то, что рРНК в рибосомах действует как фермент, в то время как окружающие его белки действуют как строительные леса.

Транскрипция: как образуется РНК

Транскрипция - это процесс синтеза РНК из матрицы ДНК. Поскольку ДНК является двухцепочечной, а РНК одноцепочечной, нити ДНК должны быть отделены, прежде чем может произойти транскрипция.

Некоторая терминология полезна на этом этапе. Ген, о котором все слышали, но формально его могут определить лишь немногие специалисты по биологии, - это просто фрагмент ДНК, который содержит как матрицу для синтеза РНК, так и последовательности нуклеотидов, которые позволяют регулировать и контролировать производство РНК из области матрицы. Когда механизмы синтеза белка были впервые описаны с точностью, ученые предположили, что каждый ген соответствует одному белковому продукту. Как бы удобно это ни было (и настолько же разумно, как и на первый взгляд), идея оказалась неверной. Некоторые гены вообще не кодируют белки, а у некоторых животных «альтернативное сплайсинг», при котором один и тот же ген может запускаться для получения разных белков в разных условиях, является распространенным явлением.

РНК-транскрипция продуцирует продукт, комплементарный матрице ДНК. Это означает, что это своего рода зеркальное отображение, и оно, естественно, будет сопряжено с любой последовательностью, идентичной шаблону, благодаря определенным правилам сопряжения основание-основа, отмеченным ранее. Например, последовательность ДНК TACTGGT является комплементарной последовательности РНК AUGACCA, поскольку каждое основание в первой последовательности может быть спаренной парой с соответствующим основанием во второй последовательности (обратите внимание, что U появляется в РНК, где T появляется в ДНК).

Инициирование транскрипции является сложным, но упорядоченным процессом. Шаги включают в себя:

    Белки фактора транскрипции связываются с промотором «выше» последовательности, которая должна быть транскрибирована.
    РНК-полимераза (фермент, который собирает новую РНК) связывается с белково-промоторным комплексом ДНК, который похож на выключатель зажигания в автомобиле.
    Вновь образованный комплекс РНК-полимераза / промотор-белок разделяет две комплементарные цепи ДНК.
    РНК-полимераза начинает синтезировать РНК по одному нуклеотиду за раз.

В отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в "праймировании" вторым ферментом. Транскрипция требует только связывания РНК-полимеразы с областью промотора.

Перевод: РНК на полном дисплее

Гены в ДНК кодируют белковые молекулы. Это «пехотинцы» камеры, выполняющие обязанности, необходимые для поддержания жизни. Когда вы думаете о белке, вы можете думать о мясе, мышцах или о здоровом коктейле, но большинство белков попадают под радар вашей повседневной жизни. Ферменты - это белки - молекулы, которые помогают расщеплять питательные вещества, создавать новые клеточные компоненты, собирать нуклеиновые кислоты (например, ДНК-полимеразу) и делать копии ДНК во время деления клетки.

«Экспрессия гена» означает производство соответствующего белка гена, если таковой имеется, и этот сложный процесс состоит из двух основных этапов. Первый - транскрипция, подробно описанная ранее. При трансляции вновь созданные молекулы мРНК покидают ядро ​​и мигрируют в цитоплазму, где расположены рибосомы. (У прокариотических организмов рибосомы могут прикрепляться к мРНК, пока транскрипция еще продолжается.)

Рибосомы состоят из двух отдельных частей: большой субъединицы и маленькой субъединицы. Каждая субъединица обычно разделяется в цитоплазме, но они собираются вместе на молекуле мРНК. Субъединицы содержат почти все, что уже упоминалось: белки, рРНК и тРНК. Молекулы тРНК являются адапторными молекулами: один конец может считывать триплетный код в мРНК (например, UAG или CGC) посредством комплементарного спаривания оснований, а другой конец присоединяется к определенной аминокислоте. Каждый триплетный код отвечает за одну из приблизительно 20 аминокислот, которые составляют все белки; некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами (что неудивительно, поскольку возможны 64 триплета - четыре основания возводятся в третью степень, потому что каждый триплет имеет три основания - и нужны только 20 аминокислот). В рибосоме комплексы мРНК и аминоацил-тРНК (фрагменты тРНК, укрывающие аминокислоту) находятся очень близко друг к другу, облегчая спаривание оснований. рРНК катализирует присоединение каждой дополнительной аминокислоты к растущей цепи, которая становится полипептидом и, наконец, белком.

Мир РНК

В результате своей способности организовывать себя в сложные формы, РНК может слабо действовать как фермент. Поскольку РНК может как хранить генетическую информацию, так и катализировать реакции, некоторые ученые предположили, что РНК играет важную роль в происхождении жизни, называемой «Мир РНК». Эта гипотеза утверждает, что еще в далекой истории Земли молекулы РНК играли все те же роли, которые играют сегодня молекулы белков и нуклеиновых кислот, что было бы невозможно сейчас, но могло бы быть возможным в пребиотическом мире. Если РНК действовала как структура для хранения информации и как источник каталитической активности, необходимой для основных метаболических реакций, она могла предшествовать ДНК в ее самых ранних формах (даже если она теперь сделана ДНК) и служила платформой для запуск "организмов", которые действительно самовоспроизводятся.