Ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA)

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τα πάντα για το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Ξεκινάμε με μια εισαγωγή στα νουκλεϊκά οξέα, η οποία περιλαμβάνει μια σύγκριση μεταξύ των δύο κύριων τύπων τους:DNA και RNA. Στη συνέχεια, συζητάμε τη σύνθεση του RNA μέσω της διαδικασίας μεταγραφής, εξετάζουμε τους διαφορετικούς τύπους RNA (και τις λειτουργίες τους) και αναλύουμε την επεξεργασία του RNA τόσο στους ευκαρυώτες όσο και στους προκαρυώτες. Τέλος, κοινοποιούνται μερικά άλλα ενδιαφέροντα στοιχεία για το RNA!

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

Το ταυτομερές DNA:B-DNA, A-DNA και Z-DNA
Δίπλωμα πρωτεΐνης
Καταλύτες και ενέργεια ενεργοποίησης
GPCR – Υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνη G

Εισαγωγή στα νουκλεϊκά οξέα

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολύπλοκες, οργανικές ουσίες που βρίσκονται σε όλα τα ζωντανά όντα και τους ιούς. Είναι μία από τις τέσσερις κύριες κατηγορίες βιολογικών μακρομορίων (μαζί με τα λιπίδια, τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες). Τα νουκλεϊκά οξέα έχουν πολλές λειτουργίες μέσα στα κύτταρα. Αυτά περιλαμβάνουν την αποθήκευση και τη μετάδοση γενετικών πληροφοριών καθώς και έναν ουσιαστικό ρόλο στη σύνθεση πρωτεϊνών. Τα νουκλεϊκά οξέα έχουν επίσης σημασία σε ερευνητικά πλαίσια, όταν εφαρμόζονται με τεχνικές όπως η μοριακή κλωνοποίηση και η PCR.

Ένα νουκλεϊκό οξύ αποτελείται από χημικά δομικά στοιχεία γνωστά ως νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από μια φωσφορική ομάδα, ένα μόριο σακχάρου με πέντε άνθρακα και μια αζωτούχα βάση. Τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς, σχηματίζοντας μια ραχοκοκαλιά σακχάρου-φωσφορικού. Επιπλέον, ένας κλώνος νουκλεϊκού οξέος έχει κατευθυντικότητα. Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων αρχίζει στο 5' άκρο (όπου μια ελεύθερη ομάδα φωσφορικών είναι συνδεδεμένη με τον άνθρακα 5' του μορίου σακχάρου) και τελειώνει στο 3' άκρο (όπου μια ελεύθερη ομάδα υδροξυλίου συνδέεται με τον άνθρακα 3' του μόριο ζάχαρης).

Οι δύο κύριοι τύποι νουκλεϊκών οξέων είναι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Το DNA και το RNA διαφέρουν μεταξύ τους με μερικούς βασικούς τρόπους. Πρώτον, το DNA περιέχει το σάκχαρο δεοξυριβόζη, ενώ το RNA περιέχει το σάκχαρο ριβόζη. Δεύτερον, το DNA και το RNA διαφέρουν ως προς τη σύνθεση βάσης. Το καθένα περιέχει τις αζωτούχες βάσεις αδενίνη, κυτοσίνη και γουανίνη. Ωστόσο, το DNA χρησιμοποιεί τη βάση θυμίνη, ενώ το RNA χρησιμοποιεί τη βάση ουρακίλη. Τέλος, στις περισσότερες περιπτώσεις, το DNA είναι ένα δίκλωνο μόριο, ενώ το RNA είναι ένα μονόκλωνο μόριο.

Σύνθεση RNA

Το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) συντίθεται από τη γενετική πληροφορία που κωδικοποιείται από το DNA μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως μεταγραφής. Η μεταγραφή πραγματοποιείται σε τρία βήματα:έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.

Έναρξη: Η μεταγραφή ξεκινά καθώς το ένζυμο RNA πολυμεράση συνδέεται με μια συγκεκριμένη αλληλουχία DNA που ονομάζεται προαγωγέας. Αυτό προκαλεί το ξετύλιγμα της διπλής έλικας του DNA και έχει ως αποτέλεσμα τον διαχωρισμό των κλώνων του DNA (με το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών ζευγών βάσεων).
Εκτέλεση: Ένας κλώνος DNA χρησιμεύει ως πρότυπο για τη σύνθεση RNA. Η RNA πολυμεράση διαβάζει το εκμαγείο και προσθέτει νουκλεοτίδια (ένα προς ένα) χρησιμοποιώντας συμπληρωματικό ζεύγος βάσεων για την κατασκευή του νέου κλώνου RNA. Το πρότυπο DNA διαβάζεται από RNA πολυμεράση στην κατεύθυνση 3' προς 5'. Ωστόσο, το μεταγράφημα RNA συντίθεται στην κατεύθυνση 5' προς 3'.
Τερματισμός: Η επιμήκυνση τελειώνει όταν η RNA πολυμεράση συναντά μια αλληλουχία DNA που είναι γνωστή ως τερματιστής, σηματοδοτώντας ότι η μεταγραφή RNA έχει ολοκληρωθεί. Η RNA πολυμεράση αποσπάται από το πρότυπο DNA και απελευθερώνει το νεοσυντιθέμενο μόριο του RNA.

Τύποι RNA

Οι τρεις πιο γνωστοί τύποι RNA είναι το αγγελιοφόρο RNA (mRNA), το μεταφορικό RNA (tRNA) και το ριβοσωμικό RNA (rRNA). Καθένα από αυτά τα μόρια παίζει βασικό ρόλο στη σύνθεση πρωτεϊνών και στο κεντρικό δόγμα της βιολογίας.

Αγγελιοφόρος RNA

Το αγγελιοφόρο RNA (mRNA) παρέχει γενετικές πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Τα ριβοσώματα χρησιμοποιούν mRNA για να παράγουν πρωτεΐνες μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως μετάφρασης. Ένα μόριο mRNA διαιρείται σε μια σειρά από μονάδες τριών νουκλεοτιδίων γνωστών ως κωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, εκτός από τα κωδικόνια λήξης που σηματοδοτούν το τέλος της πρωτεϊνικής σύνθεσης.

Μεταφορά RNA

Το RNA μεταφοράς (tRNA) είναι ο μικρότερος από τους τρεις κύριους τύπους RNA, που τυπικά διαθέτει μόνο 70-90 νουκλεοτίδια ανά μόριο. Χρησιμεύει ως σύνδεσμος (ή γέφυρα) μεταξύ του μορίου του mRNA και της αναπτυσσόμενης αλυσίδας των αμινοξέων. Το ένα άκρο του tRNA περιέχει μια αλληλουχία τριών γειτονικών νουκλεοτιδίων που ονομάζονται αντικωδικόνιο, ενώ το άλλο άκρο περιέχει το στέλεχος δέκτη στο οποίο είναι συνδεδεμένο ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Τα μόρια του tRNA μεταφέρουν αμινοξέα στα ριβοσώματα, όπου τα αντικωδικόνια τους συνδέονται με συμπληρωματικά κωδικόνια mRNA. Ως αποτέλεσμα, τα αμινοξέα προστίθενται στην αλληλουχία ένα κάθε φορά με τη σειρά που υπαγορεύεται από τη μεταγραφή του mRNA.

Ριβοσωμικό RNA

Το ριβοσωμικό RNA (rRNA) είναι ο πιο άφθονος τύπος RNA, που αποτελεί περίπου το 80% του RNA στα κύτταρά μας. Όπως το RNA μεταφοράς, το rRNA είναι μη κωδικοποιητικό (που σημαίνει ότι δεν μεταφράζεται σε πρωτεΐνη). Επιπλέον, το rRNA είναι το κύριο συστατικό των ριβοσωμάτων, καθώς συνδυάζεται με πρωτεΐνες για να σχηματίσει τις μικρές και μεγάλες υπομονάδες ενός ριβοσώματος. Το ριβοσωμικό RNA διασφαλίζει τη σωστή ευθυγράμμιση του mRNA, του tRNA και του ριβοσώματος κατά τη μετάφραση. Βοηθά επίσης στον καταλύτη του σχηματισμού πεπτιδικών δεσμών μεταξύ των αμινοξέων.

Επεξεργασία RNA

Η επεξεργασία RNA αναφέρεται στην αλληλουχία των γεγονότων μέσω των οποίων ένα νεοσυντιθέμενο μόριο RNA αναπτύσσεται στην ώριμη, πλήρως λειτουργική μορφή του. Οι μετα-μεταγραφικές τροποποιήσεις του RNA μεταφοράς και του ριβοσωμικού RNA είναι αρκετά παρόμοιες στα ευκαρυωτικά και προκαρυωτικά κύτταρα. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των ευκαρυωτών και των προκαρυωτικών όσον αφορά την επεξεργασία του αγγελιοφόρου RNA.

Στα προκαρυωτικά κύτταρα, η μεταγραφή και η μετάφραση συμβαίνουν και οι δύο στο κυτταρόπλασμα. Ως αποτέλεσμα, αυτές οι διεργασίες μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα, που σημαίνει ότι υπάρχει ελάχιστη έως καθόλου επεξεργασία του mRNA στους προκαρυώτες. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στον πυρήνα, ενώ η μετάφραση γίνεται στο κυτταρόπλασμα. Υπάρχουν τρία βασικά βήματα επεξεργασίας που απαιτούνται για να βοηθήσουν στη μετατροπή του ευκαρυωτικού πρόδρομου mRNA (προ-mRNA) σε ένα ώριμο mRNA που μπορεί να μεταφερθεί έξω από τον πυρήνα και να μεταφραστεί σε πρωτεΐνη. Αυτά τα βήματα (που παρατίθενται και περιγράφονται με περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω) περιλαμβάνουν την προσθήκη ενός καλύμματος 5′, την προσθήκη μιας ουράς πολυ-Α 3′ και το μάτισμα RNA.

5′ Κάλυψη: Ένα τροποποιημένο νουκλεοτίδιο γουανίνης (αναφέρεται ως το 5' καπάκι) προστίθεται στο 5' άκρο του pre-mRNA. Το κάλυμμα 5′ βοηθά το ριβόσωμα να προσκολληθεί στο mRNA κατά τη μετάφραση και ρυθμίζει την εξαγωγή του mRNA από τον πυρήνα. Προστατεύει επίσης το 5' άκρο του mRNA από την αποικοδόμηση από τις εξωνουκλεάσες.
3′ Πολυαδενυλίωση: Το 3' άκρο του pre-mRNA κόβεται και προστίθεται ένα τμήμα νουκλεοτιδίων αδενίνης για να σχηματιστεί η πολυαδενυλιωμένη (πολυ-Α) ουρά. Η ουρά πολυ-Α 3' σταθεροποιεί το mRNA, αποτρέπει την ενζυματική αποικοδόμηση και διευκολύνει την εξαγωγή πυρηνικών.
Σύνδεσμος RNA: Το προ-mRNA περιέχει ιντρόνια (μη κωδικοποιητικές περιοχές) και εξόνια (περιοχές κωδικοποίησης). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένα μεγάλο σύμπλεγμα RNA-πρωτεΐνης γνωστό ως spliceosome αφαιρεί τα εσώνια και ενώνει τα εξόνια μεταξύ τους.

Ενδιαφέροντα στοιχεία για το RNA

Το RNA είναι πιο αντιδραστικό (και λιγότερο σταθερό) από το DNA. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην παρουσία μιας επιπλέον υδροξυλικής ομάδας στον άνθρακα 2′ του σακχάρου ριβόζης στο RNA, καθιστώντας το πιο ευαίσθητο στην υδρόλυση.
Αν και η συντριπτική πλειονότητα των ενζύμων είναι πρωτεΐνες, είναι επίσης δυνατό τα μόρια RNA να καταλύουν βιοχημικές αντιδράσεις. Αυτοί οι καταλύτες RNA είναι γνωστοί ως ριβοένζυμα και παίζουν βασικό ρόλο στο μάτισμα RNA, στη βιοσύνθεση RNA μεταφοράς και σε πολλές άλλες σημαντικές διεργασίες.
Η υπόθεση του κόσμου του RNA προτείνει ότι το RNA προηγήθηκε του DNA και των πρωτεϊνών στην εξέλιξη. Αυτή η θεωρία προτείνει ότι οι πρώτες μορφές ζωής στη Γη χρησιμοποιούσαν το RNA μόνο, δεδομένης της ικανότητας του μορίου να μεταφέρει γενετικές πληροφορίες (όπως το DNA) και να οδηγεί χημικές αντιδράσεις (όπως οι πρωτεΐνες).
Ορισμένα εμβόλια (όπως τα εμβόλια Pfizer-BioNTech και Moderna COVID-19) χρησιμοποιούν αγγελιοφόρο RNA για να ενεργοποιήσουν μια ανοσολογική απόκριση που θα βοηθήσει στην προστασία από μελλοντικές λοιμώξεις.
Οι ρετροϊοί, όπως ο HIV και ο HTLV-1, χρησιμοποιούν RNA (και όχι DNA) ως γενετικό τους υλικό. Αυτοί οι ιοί μπορούν να παράγουν ένα αντίγραφο DNA από ένα πρότυπο RNA μέσω της διαδικασίας της αντίστροφης μεταγραφής. Χρησιμοποιούν το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση για να συνθέσουν το DNA, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να εισαχθεί στο γονιδίωμα του κυττάρου ξενιστή στο οποίο εισβάλλει.
Οι θηλιές στελέχους (ή οι βρόχοι φουρκέτας) είναι ένα ουσιαστικό στοιχείο της δομής του RNA. σχηματίζονται όταν ένας κλώνος RNA διπλώνει πίσω στον εαυτό του ως αποτέλεσμα του ενδομοριακού ζευγαρώματος βάσεων. Για παράδειγμα, το tRNA περιέχει αρκετούς βρόχους στελέχους, οι οποίοι βοηθούν στο να σχηματιστεί η μοναδική του δομή που μοιάζει με τριφύλλι τριών φύλλων.

Περαιτέρω ανάγνωση

Γλυκόλυση:Let’s Break It Down!
Τι είναι ένας νευροδιαβιβαστής; Τύποι και Λειτουργίες
Τι είναι η σηματοδότηση κυψέλης;
Τι είναι το ATP στη Βιολογία;