Ogólność
RNA lub kwas rybonukleinowy to kwas nukleinowy zaangażowany w procesy kodowania, dekodowania, regulacji i ekspresji genów. Geny to mniej lub bardziej długie segmenty DNA, które zawierają podstawowe informacje dla syntezy białek.
Rysunek: Zasady azotowe w cząsteczce RNA. Z wikipedia.org
Mówiąc bardzo prosto, RNA pochodzi z DNA i reprezentuje cząsteczkę przejściową między DNA a białkami. Niektórzy badacze nazywają to „słownikiem tłumaczenia języka DNA na język białek”.
Cząsteczki RNA wywodzą się ze zjednoczenia w łańcuchach różnej liczby rybonukleotydów Grupa fosforanowa, zasada azotowa i 5-węglowy cukier, zwany rybozą, uczestniczą w tworzeniu każdego pojedynczego rybonukleotydu.
Czym jest RNA?
RNA, czyli kwas rybonukleinowy, to biologiczna makrocząsteczka należąca do kategorii kwasów nukleinowych, która odgrywa kluczową rolę w tworzeniu białek z DNA.
Generowanie białek (także biologicznych makrocząsteczek) obejmuje szereg procesów komórkowych, które razem nazywane są syntezą białek.
DNA, RNA i białka są niezbędne do zapewnienia przetrwania, rozwoju i prawidłowego funkcjonowania komórek organizmów żywych.
Czym jest DNA?
DNA lub kwas dezoksyrybonukleinowy to drugi naturalnie występujący kwas nukleinowy, obok RNA.
Strukturalnie podobny do kwasu rybonukleinowego, kwas dezoksyrybonukleinowy jest dziedzictwem genetycznym, czyli „magazynem genów”, zawartym w komórkach organizmów żywych. Tworzenie RNA i pośrednio białek zależy od DNA.
HISTORIA RNA
Rysunek: ryboza i dezoksyryboza
Badania nad RNA rozpoczęły się po 1868 roku, w którym Friedrich Miescher odkrył kwasy nukleinowe.
Pierwsze importowane odkrycia w tym zakresie datowane są na okres od drugiej połowy lat 50. XX wieku do pierwszej połowy lat 60. XX wieku. Wśród naukowców, którzy brali udział w tych odkryciach, na szczególną uwagę zasługują: Severo Ochoa, Alex Rich, David Davies i Robert Holley.
W 1977 roku grupa badaczy, kierowana przez Philipa Sharpa i Richarda Robertsa, rozszyfrowała proces… splatanie intronów.
W 1980 Thomas Cech i Sidney Altman zidentyfikowali rybozymy.
* Uwaga: aby wiedzieć, czym one są splatanie intronów i rybozymów, patrz rozdziały poświęcone syntezie SSN i funkcjom.
Struktura
Z chemiczno-biologicznego punktu widzenia RNA jest biopolimerem.Biopolimery to duże naturalne cząsteczki, będące wynikiem połączenia w łańcuchy lub włókna wielu mniejszych jednostek molekularnych, zwanych monomerami.
Monomery tworzące RNA to nukleotydy.
ANN JEST ZWYKLE POJEDYNCZYM ŁAŃCUCHEM
Cząsteczki RNA są zwykle zbudowane z pojedynczych łańcuchów nukleotydów (nici polinukleotydowych).
Długość komórkowych RNA waha się od mniej niż stu do nawet kilku tysięcy nukleotydów.
Liczba nukleotydów składowych zależy od roli odgrywanej przez daną cząsteczkę.
Porównanie z DNA
W przeciwieństwie do RNA, DNA jest biopolimerem składającym się zazwyczaj z dwóch nici nukleotydów.
Połączone razem, te dwa filamenty polinukleotydowe mają przeciwne orientacje i owijając się w siebie, tworzą podwójną spiralę znaną jako „podwójna helisa”.
Ogólna cząsteczka ludzkiego DNA może zawierać około 3,3 miliarda nukleotydów na nić.
OGÓLNA STRUKTURA NUKLEOTYDU
Z definicji nukleotydy są jednostkami molekularnymi, które tworzą kwasy nukleinowe RNA i DNA.
Ze strukturalnego punktu widzenia nukleotyd generyczny wynika z połączenia trzech elementów, którymi są:
- Grupa fosforanowa, która jest pochodną kwasu fosforowego;
- Pentoza, czyli cukier o 5 atomach węgla;
- Zasada azotowa, która jest aromatyczną cząsteczką heterocykliczną.
Pentoza stanowi centralny element nukleotydów, ponieważ wiążą się z nią grupa fosforanowa i zasada azotowa.
Rysunek: Elementy tworzące ogólny nukleotyd kwasu nukleinowego. Jak widać, grupa fosforanowa i zasada azotowa wiążą się z cukrem.
Wiązanie chemiczne, które utrzymuje razem pentozę i grupę fosforanową, jest wiązaniem fosfodiestrowym, podczas gdy wiązanie chemiczne, które wiąże pentozę i zasadę azotową, jest wiązaniem N-glikozydowym.
CO TO JEST PENTOZA RNA?
Przesłanka: chemicy pomyśleli o numerowaniu węgli, które tworzą cząsteczki organiczne, w taki sposób, aby uprościć ich badanie i opis. Zatem tutaj 5 węgli pentozy staje się: węgiel 1, węgiel 2, węgiel 3, węgiel 4 i węgiel 5. Kryterium przypisywania liczb jest dość złożone, dlatego uważamy za stosowne pominąć wyjaśnienie.
Cukier 5-węglowy, który wyróżnia strukturę nukleotydową RNA, to ryboza.
Spośród 5 atomów węgla rybozy na szczególną uwagę zasługują:
- ten węgiel 1, ponieważ to właśnie wiąże się z zasadą azotową poprzez wiązanie N-glikozydowe.
- ten węgiel 2, ponieważ to właśnie odróżnia pentozę nukleotydów RNA od pentozy nukleotydów DNA.Połączone z węglem 2 RNA są atom tlenu i atom wodoru, które razem tworzą grupę hydroksylową OH.
- ten węgiel 3, ponieważ to on uczestniczy w wiązaniu między dwoma kolejnymi nukleotydami.
- ten węgiel 5, ponieważ to właśnie łączy się z grupą fosforanową poprzez wiązanie fosfodiestrowe.
Ze względu na obecność rybozy cukrowej nukleotydy RNA przyjmują specyficzną nazwę rybonukleotydów.
Porównanie z DNA
Pentoza, która tworzy nukleotydy DNA, to dezoksyryboza.
Deoksyryboza różni się od rybozy brakiem atomów tlenu na węglu 2.
W związku z tym brakuje w nim grupy hydroksylowej OH, która charakteryzuje 5-węglowy cukier RNA.
Ze względu na obecność cukru dezoksyrybozy, nukleotydy DNA są również znane jako dezoksyrybonukleotydy.
RODZAJE NUKLEOTYDÓW I BAZ AZOTU
RNA ma 4 różne typy nukleotydów.
Aby odróżnić te 4 różne typy nukleotydów, wystarczy zasada azotowa.
Z oczywistych powodów, zasady azotowe RNA to 4, a konkretnie: adenina (w skrócie A), guanina (G), cytozyna (C) i uracyl (U).
Adenina i guanina należą do klasy puryn, dwupierścieniowych aromatycznych związków heterocyklicznych.
Z drugiej strony, cytozyna i uracyl należą do kategorii pirymidyn, jednopierścieniowych aromatycznych związków heterocyklicznych.
Porównanie z DNA
Zasady azotowe, które odróżniają nukleotydy DNA, są takie same jak w RNA, z wyjątkiem uracylu. W miejsce tego ostatniego „c” jest zasada azotowa zwana tyminą (T), która należy do kategorii pirymidyn.
POŁĄCZENIE MIĘDZY NUKLEOTYDAMI
Każdy nukleotyd tworzący dowolną nić RNA wiąże się z następnym nukleotydem za pomocą wiązania fosfodiestrowego między węglem 3 jego pentozy i grupą fosforanową następnego nukleotydu.
KOŃCE CZĄSTECZKI RNA
Każda nić polinukleotydowa RNA ma dwa końce, znane jako 5 „koniec (odczytaj „koniec pięć prim”) i koniec 3” (odczytaj „koniec trzy prim”).
Zgodnie z konwencją biolodzy i genetycy ustalili, że „koniec 5” reprezentuje głowę nici RNA, podczas gdy „koniec 3” reprezentuje jej ogon.
Z chemicznego punktu widzenia „koniec 5” pokrywa się z grupą fosforanową pierwszego nukleotydu łańcucha polinukleotydowego, natomiast „koniec 3” pokrywa się z grupą hydroksylową umieszczoną na węglu 3 ostatniego nukleotydu tego samego łańcucha.
To właśnie na podstawie tej organizacji w księgach genetyki i biologii molekularnej włókna polinukleotydowe dowolnego kwasu nukleinowego są opisane w następujący sposób: P-5 „→ 3” -OH (* Uwaga: litera P oznacza „ atom fosforu grupy fosforanowej).
Stosując koncepcje końca 5 „koniec i 3” do pojedynczego nukleotydu, „koniec 5” tego ostatniego to grupa fosforanowa związana z węglem 5, podczas gdy jego koniec 3 to grupa hydroksylowa połączona z węglem 3.
W obu przypadkach s” zachęca czytelnika do zwrócenia uwagi na powtarzalność liczbową: koniec 5” – grupa fosforanowa na węglu 5 i koniec 3” – grupa hydroksylowa na węglu 3.
Lokalizacja
W jądrzastych (tj. jądrach) komórkach żywej istoty cząsteczki RNA można znaleźć zarówno w jądrze, jak iw cytoplazmie.
Ta szeroka lokalizacja zależy od tego, że niektóre procesy komórkowe, których głównym bohaterem jest RNA, znajdują się w jądrze, podczas gdy inne zachodzą w cytoplazmie.
Porównanie z DNA
DNA organizmów eukariotycznych (a więc także DNA człowieka) znajduje się tylko w jądrze komórkowym.
- RNA jest mniejszą cząsteczką biologiczną niż DNA, zwykle składa się z pojedynczej nici nukleotydów.
- Pentoza stanowiąca nukleotydy kwasu rybonukleinowego to ryboza.
- Nukleotydy RNA są również znane jako rybonukleotydy.
- RNA kwasu nukleinowego ma tylko 3 z 4 zasad azotowych z DNA.W rzeczywistości, zamiast tyminy ma zasadę azotową uracyl.
- RNA może znajdować się w różnych przedziałach komórki, od jądra komórkowego po cytoplazmę.
Synteza
Głównym bohaterem procesu syntezy RNA jest enzym wewnątrzkomórkowy (tj. znajdujący się wewnątrz komórki), zwany polimerazą RNA (NB: enzym to białko).
Polimeraza RNA komórki wykorzystuje DNA obecne w jądrze tej samej komórki, jak gdyby był matrycą, do tworzenia RNA.
Innymi słowy, jest to rodzaj kopiarki, która przepisuje to, co raportuje DNA, w innym języku, którym jest „RNA”.
Co więcej, ten proces syntezy RNA, dzięki pracy polimerazy RNA, przyjmuje naukową nazwę transkrypcji.
Organizmy eukariotyczne, takie jak ludzie, posiadają 3 różne klasy polimerazy RNA: polimeraza RNA I, polimeraza RNA II i polimeraza RNA III.
Każda klasa polimerazy RNA tworzy określone typy RNA, które, jak Czytelnik będzie mógł stwierdzić w kolejnych rozdziałach, pełnią różne role biologiczne w kontekście życia komórkowego.
JAK DZIAŁA POLIMERAZA RNA
„Polimeraza RNA jest zdolna do:
- Rozpoznaj w DNA miejsce, z którego rozpocznie się transkrypcja,
- Wiążą się z DNA,
- Oddziel dwie nici polinukleotydowe DNA (które są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe między zasadami azotowymi), tak aby działały tylko na jednej nici, i
- Rozpocznij syntezę transkryptu RNA.
Każdy z tych etapów ma miejsce za każdym razem, gdy „polimeraza RNA ma przeprowadzić proces transkrypcji. Dlatego wszystkie są etapami obowiązkowymi”.
Polimeraza RNA syntetyzuje cząsteczki RNA w kierunku 5 „→ 3". Gdy dodaje rybonukleotydy do powstającej cząsteczki RNA, porusza się ona na matrycowej nici DNA w kierunku 3 „→ 5".
MODYFIKACJE TRANSKRYPCJI RNA
Po transkrypcji RNA ulega pewnym modyfikacjom, w tym: dodaniu pewnych sekwencji nukleotydów na obu końcach, utracie tzw. intronów (proces znany jako splatanie) itp.
Dlatego w porównaniu z oryginalnym segmentem DNA, powstały RNA ma pewne różnice w długości łańcucha polinukleotydowego (jest on na ogół krótszy).
Rodzaje
Istnieją różne rodzaje RNA.
Najbardziej znane i zbadane są: „transportowy RNA (lub transferowy RNA lub tRNA),” informacyjny RNA (lub informacyjny RNA lub mRNA), „rybosomalny RNA (lub rybosomalny RNA lub rRNA) i mały jądrowy RNA (lub małe jądrowe RNA lub snRNA).
Chociaż pełnią różne specyficzne role, tRNA, mRNA, rRNA i snRNA przyczyniają się do realizacji wspólnego celu: syntezy białek, począwszy od sekwencji nukleotydowych obecnych w DNA.
JESZCZE INNE RODZAJE RNA
W komórkach organizmów eukariotycznych badacze znaleźli inne typy RNA, oprócz 4 wspomnianych powyżej. Na przykład:
- MikroRNA (lub miRNA), które są niciami o długości nieco ponad 20 nukleotydów, np.
- RNA tworzące rybozymy Rybozymy to cząsteczki RNA o aktywności katalitycznej, podobnie jak enzymy.
MiRNA i rybozymy również uczestniczą w procesie syntezy białek, podobnie jak tRNA, mRNA itp.
Funkcjonować
RNA reprezentuje biologiczną makrocząsteczkę przejścia między DNA a białkami, czyli długie biopolimery, których jednostkami molekularnymi są aminokwasy.
RNA jest porównywalne ze słownikiem informacji genetycznej, ponieważ pozwala na przełożenie nukleotydowych segmentów DNA (które są wówczas tak zwanymi genami) na aminokwasy białek.
Jednym z najczęstszych opisów roli funkcjonalnej, jaką odgrywa „RNA”, jest: „RNA jest „kwasem nukleinowym zaangażowanym w kodowanie, dekodowanie, regulację i ekspresję genów”.
„RNA jest jednym z trzech kluczowych elementów tak zwanego centralnego dogmatu biologii molekularnej, który stwierdza: „Z DNA pochodzi „RNA, z którego z kolei pochodzą białka” (DNA → RNA → białka).
TRANSKRYPCJA I TŁUMACZENIE
Krótko mówiąc, transkrypcja to seria reakcji komórkowych, które prowadzą do powstania cząsteczek RNA, zaczynając od DNA.
Z drugiej strony translacja to zestaw procesów komórkowych, które kończą się produkcją białek, zaczynając od cząsteczek RNA wytwarzanych w procesie transkrypcji.
Biolodzy i genetycy ukuli termin „tłumaczenie”, ponieważ z języka nukleotydów przechodzimy do języka aminokwasów.
TYPY I FUNKCJE
Procesy transkrypcji i translacji postrzegają jako protagonistów wszystkie wyżej wymienione typy RNA (tRNA, mRNA itp.):
- mRNA to cząsteczka RNA kodująca białko. Innymi słowy, mRNA to białka przed procesem translacji nukleotydów na aminokwasy białek.
Po transkrypcji mRNA ulegają kilku modyfikacjom. - TRNA są niekodującymi cząsteczkami RNA, niemniej jednak niezbędnymi do tworzenia białek. W rzeczywistości odgrywają kluczową rolę w rozszyfrowaniu, co raportują cząsteczki mRNA.
Nazwa „transportowy RNA” wywodzi się z faktu, że te RNA mają na sobie aminokwas. Mówiąc dokładniej, każdy aminokwas odpowiada określonemu tRNA.
TRNA oddziałują z mRNA poprzez trzy konkretne nukleotydy w swojej sekwencji. - RRNA to cząsteczki RNA, które tworzą rybosomy. Rybosomy to złożone struktury komórkowe, które poruszając się wzdłuż mRNA łączą aminokwasy białka.
Rodzajowy rybosom zawiera w sobie pewne miejsca, w których jest w stanie pomieścić tRNA i sprawić, że spotkają się z mRNA.To tutaj trzy konkretne nukleotydy wymienione powyżej oddziałują z informacyjnym RNA. - SnRNA to cząsteczki RNA, które uczestniczą w procesie splatanie intronów obecnych na mRNA Introny to krótkie odcinki niekodującego mRNA, bezużyteczne dla celów syntezy białek.
- Rybozymy to cząsteczki RNA, które w razie potrzeby katalizują cięcie nici rybonukleotydowych.
Rysunek: translacja mRNA.
