Το RNA είναι βασικό συστατικό των μοριακών γενετικών μηχανισμών του κυττάρου. Η περιεκτικότητα σε ριβονουκλεϊκά οξέα είναι μερικά τοις εκατό του ξηρού βάρους του και περίπου το 3-5% αυτής της ποσότητας πέφτει στο αγγελιοφόρο RNA (mRNA), το οποίο εμπλέκεται άμεσα στη σύνθεση πρωτεϊνών, συμβάλλοντας στην υλοποίηση του γονιδιώματος.
Το μόριο mRNA κωδικοποιεί την αλληλουχία αμινοξέων της πρωτεΐνης που διαβάζεται από το γονίδιο. Επομένως, το ριβονουκλεϊκό οξύ μήτρας ονομάζεται αλλιώς πληροφοριακό (mRNA).
Γενικά χαρακτηριστικά
Όπως όλα τα ριβονουκλεϊκά οξέα, το αγγελιοφόρο RNA είναι μια αλυσίδα ριβονουκλεοτιδίων (αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη) που συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Τις περισσότερες φορές, το mRNA έχει μόνο μια πρωτογενή δομή, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις έχει μια δευτερεύουσα δομή.
Υπάρχουν δεκάδες χιλιάδες είδη mRNA σε ένα κύτταρο, καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύεται από 10-15 μόρια που αντιστοιχούν σε μια συγκεκριμένη θέση στο DNA. Το mRNA περιέχει πληροφορίες για τη δομή ενός ή περισσότερωνβακτήρια) πρωτεΐνες. Η αλληλουχία αμινοξέων παρουσιάζεται ως τριπλέτες της κωδικεύουσας περιοχής του μορίου mRNA.
Βιολογικός ρόλος
Η κύρια λειτουργία του αγγελιοφόρου RNA είναι να υλοποιεί γενετικές πληροφορίες μεταφέροντάς τις από το DNA στο σημείο της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Σε αυτήν την περίπτωση, το mRNA εκτελεί δύο εργασίες:
- ξαναγράφει πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή δομή της πρωτεΐνης από το γονιδίωμα, η οποία πραγματοποιείται κατά τη διαδικασία της μεταγραφής.
- Το αλληλεπιδρά με τη συσκευή πρωτεϊνοσύνθεσης (ριβοσώματα) ως σημασιολογική μήτρα που καθορίζει την αλληλουχία αμινοξέων.
Στην πραγματικότητα, η μεταγραφή είναι η σύνθεση του RNA, στο οποίο το DNA λειτουργεί ως πρότυπο. Ωστόσο, μόνο στην περίπτωση του αγγελιοφόρου RNA αυτή η διαδικασία έχει την αξία της επανεγγραφής πληροφοριών σχετικά με την πρωτεΐνη από το γονίδιο.
Είναι το mRNA που είναι ο κύριος μεσολαβητής μέσω του οποίου πραγματοποιείται η διαδρομή από τον γονότυπο στον φαινότυπο (DNA-RNA-πρωτεΐνη).
Η διάρκεια ζωής του mRNA σε ένα κύτταρο
Το αγγελιοφόρο RNA ζει στο κύτταρο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Η περίοδος ύπαρξης ενός μορίου χαρακτηρίζεται από δύο παραμέτρους:
- Ο λειτουργικός χρόνος ημιζωής καθορίζεται από την ικανότητα του mRNA να χρησιμεύει ως πρότυπο και μετράται από τη μείωση της ποσότητας πρωτεΐνης που συντίθεται ανά μόριο. Στους προκαρυώτες, αυτός ο αριθμός είναι περίπου 2 λεπτά. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ποσότητα της συντιθέμενης πρωτεΐνης μειώνεται στο μισό.
- Η χημική ημιζωή καθορίζεται από τη μείωση των μορίων αγγελιαφόρου RNA ικανών για υβριδισμό(συμπληρωματική ένωση) με DNA, που χαρακτηρίζει την ακεραιότητα της πρωτογενούς δομής.
Ο χημικός χρόνος ημιζωής είναι συνήθως μεγαλύτερος από τον λειτουργικό χρόνο ημιζωής, καθώς μια ελαφρά αρχική αποικοδόμηση του μορίου (για παράδειγμα, ένα μόνο σπάσιμο της ριβονουκλεοτιδικής αλυσίδας) δεν εμποδίζει ακόμη τον υβριδισμό με το DNA, αλλά ήδη αποτρέπει την πρωτεΐνη σύνθεση.
Ο χρόνος ημιζωής είναι μια στατιστική έννοια, επομένως η ύπαρξη ενός συγκεκριμένου μορίου RNA μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερη ή χαμηλότερη από αυτήν την τιμή. Ως αποτέλεσμα, ορισμένα mRNA έχουν χρόνο να μεταφραστούν πολλές φορές, ενώ άλλα αποικοδομούνται πριν ολοκληρωθεί η σύνθεση ενός μορίου πρωτεΐνης.
Όσον αφορά την αποικοδόμηση, τα ευκαρυωτικά mRNA είναι πολύ πιο σταθερά από τα προκαρυωτικά (ο χρόνος ημιζωής είναι περίπου 6 ώρες). Για αυτόν τον λόγο, είναι πολύ πιο εύκολο να απομονωθούν από το κύτταρο ανέπαφο.
δομή mRNA
Η αλληλουχία νουκλεοτιδίων του αγγελιοφόρου RNA περιλαμβάνει μεταφρασμένες περιοχές, στις οποίες κωδικοποιείται η πρωτογενής δομή της πρωτεΐνης, και μη ενημερωτικές περιοχές, η σύνθεση των οποίων διαφέρει σε προκαρυώτες και ευκαρυώτες.
Η περιοχή κωδικοποίησης ξεκινά με ένα κωδικόνιο έναρξης (AUG) και τελειώνει με ένα από τα κωδικόνια τερματισμού (UAG, UGA, UAA). Ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου (πυρηνικό ή προκαρυωτικό), το αγγελιαφόρο RNA μπορεί να περιέχει μία ή περισσότερες περιοχές μετάφρασης. Στην πρώτη περίπτωση, ονομάζεται μονοκιστρονικό, και στη δεύτερη - πολυκιστρονικό. Το τελευταίο είναι χαρακτηριστικό μόνο για βακτήρια και αρχαία.
Χαρακτηριστικά της δομής και της λειτουργίας του mRNA σε προκαρυώτες
Διαδικασίες μεταγραφής σε προκαρυώτεςκαι οι μεταφράσεις γίνονται ταυτόχρονα, έτσι το αγγελιαφόρο RNA έχει μόνο μια πρωτογενή δομή. Ακριβώς όπως στους ευκαρυώτες, αντιπροσωπεύεται από μια γραμμική ακολουθία ριβονουκλεοτιδίων, η οποία περιέχει πληροφοριακές και μη κωδικοποιητικές περιοχές.
Τα περισσότερα mRNA βακτηρίων και αρχαίων είναι πολυκιστρονικά (περιέχουν αρκετές κωδικοποιητικές περιοχές), γεγονός που οφείλεται στην ιδιαιτερότητα της οργάνωσης του προκαρυωτικού γονιδιώματος, το οποίο έχει δομή οπερονίου. Αυτό σημαίνει ότι πληροφορίες για πολλές πρωτεΐνες κωδικοποιούνται σε ένα μεταγραφόνιο DNA, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρεται στο RNA. Ένα μικρό μέρος του αγγελιοφόρου RNA είναι μονοκιστρονικό.
Μη μεταφρασμένες περιοχές βακτηριακού mRNA αντιπροσωπεύονται από:
- ακολουθία αρχηγού (βρίσκεται στο 5`-άκρο);
- σεκάνς τρέιλερ (ή τέλος) (βρίσκεται στο τέλος 3');
- μη μεταφρασμένες διασιστρονικές περιοχές (διαχωριστές) - βρίσκονται μεταξύ των κωδικοποιητικών περιοχών του πολυκιστρονικού RNA.
Το μήκος των διασιστρονικών αλληλουχιών μπορεί να είναι από 1-2 έως 30 νουκλεοτίδια.
Ευκαρυωτικό mRNA
Ευκαρυωτικό mRNA είναι πάντα μονοκιστρονικό και περιέχει ένα πιο περίπλοκο σύνολο μη κωδικοποιητικών περιοχών που περιλαμβάνουν:
- cap;
- 5`-αμετάφραστη περιοχή (5`NTR);
- 3`-αμετάφραστη περιοχή (3`NTR);
- ουρά πολυαδενυλίου.
Η γενικευμένη δομή του αγγελιοφόρου RNA στους ευκαρυώτες μπορεί να αναπαρασταθεί ωςσχήματα με την ακόλουθη ακολουθία στοιχείων: cap, 5`-UTR, AUG, μεταφρασμένη περιοχή, κωδικόνιο λήξης, 3`UTR, poly-A-tail.
Στους ευκαρυώτες, οι διαδικασίες της μεταγραφής και της μετάφρασης διαχωρίζονται τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Το αγγελιοφόρο RNA αποκτά ένα κάλυμμα και μια ουρά πολυαδενυλίου κατά την ωρίμανση, η οποία ονομάζεται επεξεργασία, και στη συνέχεια μεταφέρεται από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα, όπου συγκεντρώνονται τα ριβοσώματα. Η επεξεργασία αποκόπτει επίσης τα ιντρόνια που μεταφέρονται στο RNA από το ευκαρυωτικό γονιδίωμα.
Όπου συντίθενται τα ριβονουκλεϊκά οξέα
Όλοι οι τύποι RNA συντίθενται από ειδικά ένζυμα (RNA πολυμεράσες) με βάση το DNA. Συνεπώς, ο εντοπισμός αυτής της διαδικασίας σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα είναι διαφορετικός.
Στους ευκαρυώτες, η μεταγραφή πραγματοποιείται μέσα στον πυρήνα, στον οποίο το DNA συγκεντρώνεται με τη μορφή χρωματίνης. Ταυτόχρονα, πρώτα συντίθεται το pre-mRNA, το οποίο υφίσταται διάφορες τροποποιήσεις και μόνο μετά από αυτό μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα.
Στα προκαρυωτικά, το μέρος όπου συντίθενται τα ριβονουκλεϊκά οξέα είναι η περιοχή του κυτταροπλάσματος που συνορεύει με το νουκλεοειδές. Τα ένζυμα που συνθέτουν RNA αλληλεπιδρούν με απελευθερωμένους βρόχους βακτηριακής χρωματίνης.
Μηχανισμός μεταγραφής
Η σύνθεση του αγγελιοφόρου RNA βασίζεται στην αρχή της συμπληρωματικότητας των νουκλεϊκών οξέων και πραγματοποιείται από πολυμεράσες RNA που καταλύουν το κλείσιμο του φωσφοδιεστερικού δεσμού μεταξύ τριφωσφορικών ριβονουκλεοζιτών.
Στα προκαρυωτικά, το mRNA συντίθεται από το ίδιο ένζυμο με άλλα είδηριβονουκλεοτίδια και σε ευκαρυώτες από RNA πολυμεράση II.
Η μεταγραφή περιλαμβάνει 3 στάδια: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός. Στο πρώτο στάδιο, η πολυμεράση προσκολλάται στον προαγωγέα, μια εξειδικευμένη θέση που προηγείται της κωδικεύουσας αλληλουχίας. Στο στάδιο της επιμήκυνσης, το ένζυμο δημιουργεί την αλυσίδα RNA προσθέτοντας νουκλεοτίδια στην αλυσίδα που αλληλεπιδρούν συμπληρωματικά με την αλυσίδα DNA του προτύπου.
