RNA jest niezbędnym składnikiem molekularnych mechanizmów genetycznych komórki. Zawartość kwasów rybonukleinowych to kilka procent jego suchej masy, a około 3-5% tej ilości przypada na informacyjne RNA (mRNA), które jest bezpośrednio zaangażowane w syntezę białek, przyczyniając się do wdrożenia genomu.
Cząsteczka mRNA koduje sekwencję aminokwasową białka odczytaną z genu. Dlatego kwas rybonukleinowy macierzy jest inaczej nazywany informacyjnym (mRNA).
Charakterystyka ogólna
Jak wszystkie kwasy rybonukleinowe, informacyjny RNA to łańcuch rybonukleotydów (adeniny, guaniny, cytozyny i uracylu) połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi. Najczęściej mRNA ma tylko strukturę pierwszorzędową, ale w niektórych przypadkach ma strukturę drugorzędową.
W komórce znajdują się dziesiątki tysięcy rodzajów mRNA, z których każdy jest reprezentowany przez 10-15 cząsteczek odpowiadających określonemu miejscu w DNA. mRNA zawiera informacje o strukturze jednego lub więcejbakterie) białka. Sekwencja aminokwasów jest prezentowana jako tryplety regionu kodującego cząsteczki mRNA.
Rola biologiczna
Główną funkcją informacyjnego RNA jest implementacja informacji genetycznej poprzez przeniesienie jej z DNA do miejsca syntezy białek. W tym przypadku mRNA wykonuje dwa zadania:
- przepisuje informacje o pierwotnej strukturze białka z genomu, która jest przeprowadzana w procesie transkrypcji;
- współdziała z aparatem do syntezy białek (rybosomami) jako macierz semantyczna, która określa sekwencję aminokwasów.
W rzeczywistości transkrypcja to synteza RNA, w której DNA działa jako matryca. Jednak tylko w przypadku informacyjnego RNA proces ten ma wartość przepisywania informacji o białku z genu.
To mRNA jest głównym mediatorem, przez który przebiega droga od genotypu do fenotypu (białko DNA-RNA).
Czas życia mRNA w komórce
Messenger RNA żyje w komórce przez bardzo krótki czas. Okres istnienia jednej cząsteczki charakteryzuje się dwoma parametrami:
- Funkcjonalny okres półtrwania jest określany przez zdolność mRNA do służenia jako matryca i jest mierzony przez zmniejszenie ilości białka syntetyzowanego na cząsteczkę. U prokariontów liczba ta wynosi około 2 minuty. W tym okresie ilość syntetyzowanego białka zmniejsza się o połowę.
- Chemiczny okres półtrwania zależy od redukcji cząsteczek informacyjnego RNA zdolnych do hybrydyzacji(komplementarny związek) z DNA, który charakteryzuje integralność struktury pierwotnej.
Chemiczny okres półtrwania jest zwykle dłuższy niż funkcjonalny okres półtrwania, ponieważ niewielka początkowa degradacja cząsteczki (na przykład pojedyncze przerwanie w łańcuchu rybonukleotydowym) nie zapobiega jeszcze hybrydyzacji z DNA, ale już zapobiega białku synteza.
Okres półtrwania jest pojęciem statystycznym, więc istnienie określonej cząsteczki RNA może być znacznie wyższe lub niższe od tej wartości. W rezultacie niektóre mRNA mają czas na kilkukrotną translację, podczas gdy inne ulegają degradacji przed zakończeniem syntezy jednej cząsteczki białka.
Pod względem degradacji eukariotyczne mRNA są znacznie bardziej stabilne niż prokariotyczne (okres półtrwania wynosi około 6 godzin). Z tego powodu znacznie łatwiej je wyizolować z komórki w stanie nienaruszonym.
struktura mRNA
Sekwencja nukleotydowa informacyjnego RNA obejmuje regiony poddane translacji, w których zakodowana jest pierwotna struktura białka, oraz regiony nieinformacyjne, których skład różni się u prokariontów i eukariontów.
Region kodujący zaczyna się od kodonu inicjacji (AUG) i kończy się jednym z kodonów terminacji (UAG, UGA, UAA). W zależności od typu komórki (jądrowa lub prokariotyczna), informacyjne RNA może zawierać jeden lub więcej regionów translacji. W pierwszym przypadku nazywa się to monocistronem, aw drugim - policistronem. Ta ostatnia jest charakterystyczna tylko dla bakterii i archeonów.
Cechy struktury i funkcjonowania mRNA u prokariontów
Procesy transkrypcji u prokariontówa translacje zachodzą jednocześnie, więc informacyjne RNA ma tylko strukturę pierwszorzędową. Podobnie jak u eukariontów jest reprezentowana przez liniową sekwencję rybonukleotydów, która zawiera regiony informacyjne i niekodujące.
Większość mRNA bakterii i archeonów jest policistronowa (zawiera kilka regionów kodujących), co wynika ze specyfiki organizacji genomu prokariotycznego, który ma strukturę operonu. Oznacza to, że informacja o kilku białkach jest zakodowana w jednym transkrypcie DNA, który jest następnie przenoszony na RNA. Niewielka część informacyjnego RNA jest monocistronowa.
Nieulegające translacji regiony bakteryjnego mRNA są reprezentowane przez:
- sekwencja wiodąca (znajdująca się na końcu 5`);
- sekwencja przyczepy (lub końca) (znajdująca się na końcu 3`);
- nieprzetłumaczone regiony międzycistronowe (przerywniki) - zlokalizowane między regionami kodującymi policistronowego RNA.
Długość sekwencji międzycistronowych może wynosić od 1-2 do 30 nukleotydów.
Eukariotyczne mRNA
Eukariotyczne mRNA jest zawsze monocistronowe i zawiera bardziej złożony zestaw niekodujących regionów, które obejmują:
- czapka;
- 5`-obszar nieprzetłumaczony (5`NTR);
- 3`-obszar nieprzetłumaczony (3`NTR);
- ogon poliadenylowy.
Uogólnioną strukturę informacyjnego RNA u eukariontów można przedstawić jakoschematy z następującą sekwencją elementów: czapka, 5`-UTR, AUG, region translacji, kodon stop, 3`UTR, poli-A-tail.
U eukariontów procesy transkrypcji i translacji są rozdzielone w czasie i przestrzeni. Informacyjny RNA nabywa czapeczkę i ogon poliadenylowy podczas dojrzewania, co nazywa się przetwarzaniem, a następnie jest transportowany z jądra do cytoplazmy, gdzie gromadzą się rybosomy. Przetwarzanie wycina również introny, które są przenoszone do RNA z genomu eukariotycznego.
Gdzie syntetyzowane są kwasy rybonukleinowe
Wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane przez specjalne enzymy (polimerazy RNA) oparte na DNA. W związku z tym lokalizacja tego procesu w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych jest inna.
U eukariontów transkrypcja odbywa się wewnątrz jądra, w którym DNA jest skoncentrowane w postaci chromatyny. Jednocześnie najpierw syntetyzuje się pre-mRNA, które przechodzi szereg modyfikacji, a dopiero potem jest transportowane do cytoplazmy.
U prokariontów miejscem syntezy kwasów rybonukleinowych jest region cytoplazmy graniczący z nukleoidem. Enzymy syntetyzujące RNA oddziałują z despiralizowanymi pętlami chromatyny bakteryjnej.
Mechanizm transkrypcji
Synteza informacyjnego RNA opiera się na zasadzie komplementarności kwasów nukleinowych i jest przeprowadzana przez polimerazy RNA, które katalizują zamknięcie wiązania fosfodiestrowego między trifosforanami rybonukleozydów.
U prokariontów mRNA jest syntetyzowany przez ten sam enzym co inne gatunkirybonukleotydy, a u eukariontów przez polimerazę RNA II.
Transkrypcja obejmuje 3 etapy: inicjację, elongację i zakończenie. W pierwszym etapie polimeraza przyłącza się do promotora, wyspecjalizowanego miejsca poprzedzającego sekwencję kodującą. Na etapie wydłużania enzym buduje łańcuch RNA poprzez dodanie do niego nukleotydów, które oddziałują komplementarnie z matrycowym łańcuchem DNA.
