ARN: FUNKCIJE, ZGRADBA IN VRSTE - BIOLOGIJA

RNA ali RNA (ribonukleinska kislina) je vrsta nukleinski kislini prisotni v evkariontih, prokariontih in virusi. Gre za nukleotidni polimer, ki v svoji strukturi vsebuje štiri vrste dušikovih baz: adenin, gvanin, citozin in uracil.

RNK običajno najdemo kot en sam pas (razen pri nekaterih virusih), linearno ali v nizu zapletenih struktur. V resnici ima RNA strukturno dinamiko, ki je ni opaziti v dvojni vijačnici DNA. Različne vrste RNA imajo zelo različne funkcije.

Ribosomske RNK so del ribosomov, struktur, odgovornih za sintezo beljakovin v celicah. Messenger RNA delujejo kot posredniki in prenašajo genetske informacije na ribosom, ki sporočilo prevede iz nukleotidnega zaporedja v zaporedje aminokislin.

Prenosne RNK so odgovorne za aktiviranje in prenos različnih vrst aminokislin -20 skupaj- na ribosome. Za vsako aminokislino obstaja molekula za prenos RNA, ki prepozna zaporedje v messenger RNA.

Poleg tega obstajajo tudi druge vrste RNA, ki niso neposredno vključene v sintezo beljakovin in sodelujejo pri uravnavanju genov.

Struktura

Temeljne enote RNA so nukleotidi. Vsak nukleotid je sestavljen iz dušikove baze (adenin, gvanin, citozin in uracil), pentoze in fosfatne skupine.

Nukleotidi

Dušikove baze so pridobljene iz dveh temeljnih spojin: pirimidinov in purinov.

Osnove iz purinov so adenin in gvanin, baze iz pirimidinov pa citozin in uracil. Čeprav so to najpogostejše baze, imajo nukleinske kisline lahko tudi druge vrste baz, ki so manj pogoste.

Kar zadeva pentozo, so enote d-riboze. Zato nukleotide, ki sestavljajo RNA, imenujemo "ribonukleotidi".

Veriga RNA

Nukleotidi so povezani s kemičnimi vezmi, ki vključujejo fosfatno skupino. Da bi jih oblikovali, se fosfatna skupina na 5 'koncu nukleotida pritrdi na hidroksilno skupino (-OH) na 3' koncu naslednjega nukleotida in tako ustvari fosfodiester podobno vez.

Po verigi nukleinske kisline imajo fosfodiesterske vezi enako usmeritev. Zato obstaja polarnost pramena, ki razlikuje med 3 'in 5' koncem.

Po dogovoru je struktura nukleinskih kislin predstavljena s 5 'koncem na levi in 3' koncem na desni.

Produkt RNK transkripcije DNA je enojni pramen, ki se z zlaganjem baz obrne v desno v spiralni obliki. Interakcija med purini je zaradi njihove velikosti veliko večja kot interakcija med dvema pirimidinoma.

V RNA ni mogoče govoriti o tradicionalni sekundarni strukturi in referencah, kot je dvojna vijačnica DNK. Tridimenzionalna struktura vsake molekule RNA je edinstvena in zapletena, primerljiva z beljakovinami (logično je, da strukture beljakovin ne moremo globalizirati).

Sile, ki stabilizirajo RNA

Obstajajo šibke interakcije, ki prispevajo k stabilizaciji RNA, zlasti zlaganje osnov, kjer so obroči nameščeni drug na drugem. Ta pojav prispeva tudi k stabilnosti vijačnice DNA.

Če molekula RNA najde komplementarno zaporedje, se lahko pari in tvori dvoverično strukturo, ki se obrne v desno. Prevladujoča oblika je tip A; Kar zadeva Z obrazce, so jih dokazali le v laboratoriju, medtem ko obrazca B niso opazili.

Na splošno obstajajo kratke sekvence (na primer UUGG), ki se nahajajo na koncu RNK in imajo posebnost, da tvorijo stabilne zanke. To zaporedje sodeluje pri zgibanju tridimenzionalne strukture RNA.

Poleg tega se vodikove vezi lahko tvorijo na drugih mestih, razen v običajnih parih baz (AU in CG). Ena od teh interakcij se zgodi med 2'-OH riboze z drugimi skupinami.

Razjasnitev različnih struktur, ki jih najdemo v RNK, je pokazala več funkcij te nukleinske kisline.

Vrste in funkcije RNA

Obstajata dva razreda RNA: informacijska in funkcionalna. V prvo skupino spadajo RNK, ki sodelujejo pri sintezi beljakovin in delujejo kot posredniki v procesu; informacijske RNA so mesna RNA.

Nasprotno pa RNA, ki spadajo v drugi razred, funkcionalne, ne povzročajo novih beljakovinskih molekul, sama RNA pa je končni produkt. To so transferne RNK in ribosomske RNK.

V celicah sesalcev je 80% RNA ribosomska RNA, 15% je RNA za prenos, le majhen del pa ustreza mesnarski RNA. Te tri vrste sodelujejo pri doseganju biosinteze beljakovin.

Med drugim so tudi majhne jedrske RNK, majhne citoplazemske RNA in mikroRNA. Vsaka najpomembnejša vrsta bo podrobno opisana spodaj:

Messenger RNA

Pri evkariotih je DNK omejena na jedro, medtem ko se sinteza beljakovin dogaja v citoplazmi celice, kjer najdemo ribosome. Zaradi te prostorske ločitve mora obstajati mediator, ki prenaša sporočilo iz jedra do citoplazme in ta molekula je messenger RNA.

Messenger RNA, skrajšana mRNA, je vmesna molekula, ki vsebuje podatke, kodirane v DNK in določa aminokislinsko zaporedje, ki bo povzročilo funkcionalni protein.

Izraz messenger RNA sta leta 1961 predlagala François Jacob in Jacques Monod za opis dela RNA, ki je sporočilo prenašal iz DNK v ribosome.

Proces sinteze mRNA iz verige DNA je znan kot transkripcija in poteka različno med prokarioti in evkarioti.

Gensko izražanje ureja več dejavnikov in je odvisno od potreb vsake celice. Transkripcija je razdeljena na tri stopnje: iniciacija, raztezanje in prenehanje.

Prepisovanje

Proces podvajanja DNK, ki se zgodi v vsaki delitvi celic, kopira celoten kromosom. Vendar je postopek prepisovanja veliko bolj selektiven, ukvarja se le z obdelavo določenih segmentov verige DNA in ne potrebuje temeljnega premaza.

V Escherichia coli - najbolje raziskani bakteriji v življenjskih vedah - se prepisovanje začne z odvijanjem dvojne vijačnice DNA in tvori se zanka transkripcije. Encimska polimeraza RNA je odgovorna za sintezo RNA, in s nadaljevanjem transkripcije se veriga DNA vrne v prvotno obliko.

Začetek, podaljšanje in prenehanje

Prepisovanje se ne sproži naključno na molekuli DNK; za ta pojav obstajajo specializirana mesta, imenovana promotorji. V E. coli je polimerna RNA povezana nekaj baznih parov nad ciljnim območjem.

Zaporedja, kjer so transkripcijski faktorji povezani, so med različnimi vrstami precej ohranjeni. Ena najbolj znanih promocijskih serij je polje TATA.

Z raztezkom encim RNA polimeraza dodaja nove nukleotide na koncu 3'-OH po smeri 5 'do 3'. Hidroksilna skupina deluje kot nukleofil in napada alfa fosfat nukleotida, ki ga je treba dodati. Ta reakcija sprosti pirofosfat.

Za sintezo selitvene RNK se uporablja samo eden od pramenov DNK, ki je kopiran v smeri 3 'do 5' (protiparalna oblika novega sklopa RNA). Nukleotid, ki ga moramo dodati, mora ustrezati združevanju baz: U pari z A in G s C.

Polmeraza RNA ustavi postopek, ko najde regije, ki so bogate s citozinom in gvaninom. Sčasoma se nova molekula RNA molekule loči od kompleksne.

Prepisovanje v prokariote

V prokariotih lahko molekularna RNA molekula kodira več kot en protein.

Kadar mRNA izključno kodira protein ali polipeptid, se imenuje monokistronska mRNA, če pa kodira več kot en protein, je mRNA polikistronska (upoštevajte, da se v tem kontekstu izraz cistron nanaša na gen).

Prepisovanje v evkariote

V evkariontskih organizmih je velika večina mRNA monokistronskih, transkripcijski stroji pa so v tej liniji organizmov veliko bolj zapleteni. Zanje je značilno, da imajo tri RNA polimeraze, označene z I, II in III, vsaka s specifičnimi funkcijami.

I je zadolžen za sintezo pre-rRNA, II sintetizira messenger RNAs in nekatere posebne RNA. Končno III skrbi za prenos RNA, ribosomal 5S in druge majhne RNA.

Messenger RNA v evkariotih

Messenger RNA je pri evkariotih doživela vrsto specifičnih sprememb. Prva vključuje dodajanje "kapice" na 5 'konec. Kemično je pokrov 7-metilguanozinski ostanek, vezan na konec s 5 ', 5'-trifosfatno vezjo.

Vloga tega območja je zaščititi RNK pred možno razgradnjo z ribonukleazami (encimi, ki razgrajujejo RNA na manjše sestavine).

Poleg tega pride do izločanja 3 'konca in dodamo 80 do 250 adeninskih ostankov. Ta struktura je znana kot "rep" polyA in služi kot vezno mesto za različne beljakovine. Ko prokariot pridobi rep poliA, ponavadi spodbudi njegovo razgradnjo.

Po drugi strani je ta glasnik prepisan z introni. Introni so zaporedja DNK, ki niso del gena, vendar to zaporedje "prekinejo". Introni se ne prevajajo in jih je zato treba odstraniti iz sporočila.

Večina vretenčarskih genov ima introne, razen genov, ki kodirajo histone. Podobno se lahko število intronov v genu giblje od nekaj do desetine.

Spajanje

Postopek stiskanja ali spajanja RNA vključuje odstranitev intronov v messenger RNA.

Nekateri introni, ki jih najdemo v jedrskih ali mitohondrijskih genih, lahko izvedejo postopek spajanja brez pomoči encimov ali ATP. Namesto tega se postopek izvaja z reakcijami transaterifikacije. Ta mehanizem so odkrili v ciliated protozoan Tetrahymena thermophila.

Nasprotno pa obstaja še ena skupina glasnikov, ki niso sposobni posredovati lastnega spajanja, zato potrebujejo dodatno opremo. V to skupino sodi dokaj veliko število jedrskih genov.

Postopek spajanja posreduje beljakovinski kompleks, imenovan spliceosom ali kompleks za spajanje. Sistem sestavljajo specializirani kompleksi RNA, imenovani majhni jedrski ribonukleoproteini (RNP).

Obstaja pet vrst RNP: U1, U2, U4, U5 in U6, ki se nahajajo v jedru in posredujejo v postopku spajanja.

Z združevanjem lahko nastane več kot ena vrsta beljakovin - to je znano kot alternativno spajanje - ker so eksoni razporejeni različno, kar ustvarja sorte messenger RNA.

Ribosomalna RNA

Ribosomalna RNA, okrajšano rRNA, najdemo v ribosomih in sodeluje v biosintezi beljakovin. Zato je bistvena sestavina vseh celic.

Ribosomska RNA se povezuje z beljakovinskimi molekulami (približno 100), da nastanejo ribosomske predpostavke. Razvrščamo jih glede na njihov koeficient sedimentacije, ki ga za enote Svedberg označuje črka S.

Ribosom je sestavljen iz dveh delov: glavne podenote in manjše podenote. Obe podenoti se razlikujeta med prokarioti in evkarioti glede na koeficient usedanja.

Prokarioti imajo veliko podenoto 50S in majhno podenoto 30S, medtem ko je pri evkariotih velika podenota 60S in majhna 40S.

Geni, ki kodirajo ribosomske RNK, so v jedru, določenem območju jedra, ki ga meja ne omejuje. Ribosomske RNK se v tej regiji prepisujejo z RNA polimerazo I.

V celicah, ki sintetizirajo velike količine beljakovin; nukleolus je izrazite strukture. Kadar zadevna celica ne potrebuje velikega števila beljakovinskih produktov, je nukleolus skoraj neopazna struktura.

MikroRNA

MikroRNA ali miRNA so vrsta kratkih enojnih RNK med 21 in 23 nukleotidi, katerih funkcija je uravnavanje ekspresije genov. Ker ni preveden v beljakovine, ga pogosto imenujemo nekodirajoča RNA.

Tako kot druge vrste RNA je tudi obdelava mikroRNA zapletena in vključuje številne beljakovine.

MikroRNA nastanejo iz daljših prekurzorjev, imenovanih mi-priRNA, ki izhajajo iz prvega prepisa gena. V jedru celice se ti prekurzorji spremenijo v mikroprocesorskem kompleksu in rezultat je pre-miRNA.

Pre-miRNA so 70 nukleotidnih lasnic, ki se v citoplazmi še naprej obdelujejo z encimom, imenovanim Dicer, ki sestavi RNA-induciran utišalni kompleks (RISC) in na koncu se miRNA sintetizira.

Te RNK lahko uravnavajo ekspresijo genov, saj se dopolnjujejo s specifičnimi messenger RNA. Če se parimo s svojim ciljem, lahko miRNA zatirajo glasnik ali ga celo poslabšajo. Posledično ribosom ne more prevesti omenjenega prepisa.

Utišanje RNA

Ena posebna vrsta mikroRNA so majhne moteče RNA (siRNA), imenovane tudi utišajo RNA. Gre za kratke RNA, med 20 do 25 nukleotidi, ki ovirajo ekspresijo določenih genov.

So zelo obetavni instrumenti za raziskovanje, saj omogočajo utišanje zanimivega gena in s tem preučevanje njegove možne funkcije.

Razlike med DNK in RNK

Čeprav sta DNK in RNA nukleinske kisline in sta na prvi pogled lahko zelo podobni, se razlikujeta v več svojih kemijskih in strukturnih lastnostih. DNK je dvopasovna molekula, RNA pa enopojasna.

Kot taka je RNA bolj vsestranska molekula in lahko prevzame najrazličnejše tridimenzionalne oblike. Vendar imajo nekateri virusi v svojem genskem materialu dvopasovno RNA.

V nukleotidih RNA je molekula sladkorja riboza, v DNK pa deoksiriboza, ki se razlikuje le v prisotnosti kisikovega atoma.

Fosfodiesterska vez v hrbtenici DNA in RNA je nagnjena k počasnemu hidrolizu brez prisotnosti encimov. V alkalnih pogojih RNA hitro hidrolizira - zahvaljujoč ekstra hidroksilni skupini -, medtem ko DNK ne.

Podobno so dušikove baze, ki sestavljajo nukleotide v DNK, gvanin, adenin, timin in citozin; nasprotno pa v RNA timin nadomešča uracil. Uracil se lahko pari z adenom, enako kot timin v DNK.

Poreklo in evolucija

RNA je edina znana molekula, ki lahko hkrati hrani informacije in katalizira kemične reakcije; Zaradi tega več avtorjev predlaga, da je bila molekula RNA ključna pri nastanku življenja. Presenetljivo so substrati ribosomov druge molekule RNA.

Odkritje ribocimov je privedlo do biokemične ponovne opredelitve "encima" - ker se je prej izraz uporabljal izključno za beljakovine s katalitično aktivnostjo - in je pomagalo podpreti scenarij, kjer so prve oblike življenja uporabljale samo RNA kot genetski material.

Reference

Alberts B, Johnson A, Lewis J in sod. (2002). Molekularna biologija celice. 4. izdaja. New York: Garland Science. Od DNK do RNK. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Biokemija. Sem obrnil.
Campbell, NA, & Reece, JB (2007). Biologija. Panamerican Medical Ed.
Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH in sod. (1999). Sodobna genetska analiza. New York: WH Freeman. Geni in RNA. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Guyton, AC, Hall, JE, & Guyton, AC (2006). Pogodba o medicinski fiziologiji. Elsevier.
Hall, JE (2015). Guyton in Hall učbenik e-knjige medicinske fiziologije. Elsevier Health Sciences.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000) Molekularna celična biologija. 4. izdaja. New York: WH Freeman. Oddelek 11.6, Obdelava rRNA in tRNA. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.

ARN: FUNKCIJE, ZGRADBA IN VRSTE - BIOLOGIJA - 2026