ארן: פונקציות, מבנה וסוגים - ביולוגיה - 2025

ה- RNA או RNA (חומצה ריבונוקלאית) הם סוג של חומצה גרעינית הקיימת באיקריוטים, פרוקריוטות ווירוסים. זהו פולימר נוקלאוטיד המכיל במבנה ארבעה סוגים של בסיסים חנקניים: אדנין, גואנין, ציטוזין ואורציל.

RNA נמצא בדרך כלל כלהקה יחידה (למעט נגיפים), באופן ליניארי או בסדרת מבנים מורכבים. למעשה, ל- RNA יש דינמיות מבנית שלא נצפתה בסליל הכפול של ה- DNA. לסוגים השונים של RNA פונקציות מגוונות מאוד.

RNA Ribosomal הם חלק ריבוזומים, המבנים האחראים על סינתזה של חלבונים בתאים. RNA של מסנג'רים מתפקדים כמתווכים ונושאים מידע גנטי לריבוזום, אשר מתרגם את ההודעה מרצף נוקלאוטידים לרצף חומצות אמיניות.

RNA העברות אחראים להפעלה והעברת הסוגים השונים של חומצות אמינו -20 בסך הכל- לריבוזומים. יש מולקולת RNA העברה לכל חומצת אמינו שמזהה את הרצף ב- RNA המסנג'ר.

בנוסף, ישנם סוגים אחרים של RNA שאינם מעורבים ישירות בסינתזת חלבון ומשתתפים בוויסות גנים.

מִבְנֶה

היחידות הבסיסיות של RNA הן נוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מבסיס חנקני (אדנין, גאנין, ציטוזין ואורציל), מחומש וקבוצת פוספטים.

נוקלאוטידים

בסיסי החנקן נגזרים משני תרכובות יסודיות: פירמידינים ופורינים.

הבסיסים הנגזרים מפורינים הם אדנין וגואנין והבסיסים הנגזרים מפירימידינים הם ציטוזין ואורציל. למרות שמדובר בבסיסים הנפוצים ביותר, לחומצות גרעין יכולות להיות סוגים אחרים של בסיסים שהם פחות נפוצים.

באשר לפנטוזה, הם יחידות של די-ריבוז. לכן, נוקלאוטידים המרכיבים RNA נקראים "ריבונוקליאוטידים".

שרשרת RNA

נוקלאוטידים קשורים זה לזה על ידי קשרים כימיים המערבים את קבוצת הפוספטים. כדי ליצור אותם, קבוצת הפוספטים בקצה 5 of של נוקליאוטיד מחוברת לקבוצת ההידרוקסיל (–OH) בקצה 3 of של הנוקלאוטיד הבא, וכך נוצרת קשר דמוי פוספודיאסטר.

לאורך שרשרת חומצות הגרעין, לקשרי הפוספודיאסטר יש אוריינטציה זהה. לכן יש קוטביות של גדיל ההבחנה בין הקצה 3 between לקצה 5 ′.

על פי המוסכמה, מבנה חומצות הגרעין מיוצג על ידי קצה 5 on בצד שמאל וקצה 3 on מימין.

תוצר התמלול של ה- RNA הוא רצועה חד-גדמית הפונה ימינה, במבנה סלילי על ידי ערמת בסיסים. האינטראקציה בין פורינים גדולה בהרבה מהאינטראקציה בין שני פירימידינים, בגלל גודלם.

ב- RNA לא ניתן לדבר על מבנה משני מסורתי ועל התייחסות, כמו הסליל הכפול של ה- DNA. המבנה התלת-ממדי של כל מולקולת RNA הוא ייחודי ומורכב, הדומה לזה של חלבונים (באופן הגיוני, איננו יכולים גלובליזציה של מבנה חלבונים).

כוחות המייצבים את ה- RNA

יש אינטראקציות חלשות התורמות לייצוב ה- RNA, בעיקר ערמת בסיס, שם הטבעות ממוקמות זו על גבי זו. תופעה זו תורמת גם ליציבות סליל ה- DNA.

אם מולקולת ה- RNA מוצאת רצף משלים, הם יכולים להזדווג וליצור מבנה דו-חוטיים הפונה ימינה. הצורה השולטת היא סוג A; באשר לצורות ה- Z, הם הוכחו רק במעבדה, ואילו צורת B לא נצפתה.

באופן כללי, ישנם רצפים קצרים (כגון UUGG) שנמצאים בסוף ה- RNA ובעלי ייחודם של יצירת לולאות יציבות. רצף זה משתתף בקיפול המבנה התלת ממדי של RNA.

בנוסף, קשרי מימן יכולים להיווצר באתרים אחרים פרט לזיווגי הבסיס האופייניים (AU ו- CG). אחת מהאינטראקציות הללו מתרחשת בין ה- 2'-OH של ריבוז עם קבוצות אחרות.

הסרת המבנים השונים שנמצאו ב- RNA שימשה להפגנת התפקודים המרובים של חומצה גרעינית זו.

סוגי RNA ופונקציות

ישנן שתי קבוצות של RNA: מידע ופונקציונאלי. הקבוצה הראשונה כוללת RNA שמשתתפים בסינתזת חלבון ומתפקדים כמתווכים בתהליך; RNAs המידע הם RNAs המסרים.

לעומת זאת, RNA השייכים למחלקה השנייה, התפקודים, אינם מולידים מולקולת חלבון חדשה וה- RNA עצמו הוא התוצר הסופי. אלה הם ה- RNA העברה וה- RNA ה- ribosomal.

בתאים של יונקים, 80% מ- RNA הם RNA ריבוזומלי, 15% הם RNA העברה ורק חלק קטן תואם ל- RNA שליח. שלושת הסוגים הללו פועלים בשיתוף פעולה כדי להשיג ביוסינתזה של חלבון.

ישנם גם RNAs גרעיניים קטנים, RNAs ציטופלסמיים קטנים, ו- MicroRNA, בין היתר. להלן כל אחד מהסוגים החשובים ביותר:

Messenger RNA

באיקריוטות ה- DNA מוגבל לגרעין, בעוד סינתזת חלבון מתרחשת בציטופלסמה של התא, שם נמצאים ריבוזומים. עקב הפרדה מרחבית זו חייב להיות מתווך שמעביר את המסר מהגרעין לציטופלסמה והמולקולה היא ה- RNA המסנג'ר.

Messenger RNA, מקוצר mRNA, הוא מולקולת ביניים המכילה את המידע המקודד ב- DNA ומציין רצף של חומצות אמינו שיוליד חלבון פונקציונלי.

המונח RNA הוצע בשנת 1961 על ידי פרנסואה ג'ייקוב וז'אק מונוד כדי לתאר את החלק של ה- RNA שהעביר את ההודעה מ- DNA לריבוזומים.

תהליך הסינתזה של mRNA מגדיל ה- DNA מכונה תעתוק והוא מתרחש באופן דיפרנציאלי בין פרוקריוטות ואוקריוטות.

ביטוי הגנים נשלט על ידי מספר גורמים ותלוי בצרכים של כל תא. התמלול מחולק לשלושה שלבים: התחלה, התארכות והפסקה.

תַעֲתוּק

תהליך שכפול ה- DNA, המתרחש בכל חלוקת תאים, מעתיק את הכרומוזום כולו. עם זאת, תהליך התמלול הוא הרבה יותר סלקטיבי, הוא עוסק רק בעיבוד מקטעים ספציפיים של גדיל ה- DNA ואינו דורש פריימר.

ב- Escherichia coli - החיידק הנחקר ביותר במדעי החיים - השעתוק מתחיל עם התפתלות של סליל ה- DNA הכפול ונוצר לולאת התמלול. האנזים RNA פולימראז אחראי על סינתזת ה- RNA וככל שנמשך התעתיק, גדיל ה- DNA חוזר לצורתו המקורית.

התחלה, התארכות והפסקה

תעתוק אינו מתחיל באתרים אקראיים במולקולת ה- DNA; ישנם אתרים מיוחדים לתופעה זו, המכונים מקדמים. באי קולי פולימראז ה- RNA משלב כמה זוגות בסיס מעל אזור המטרה.

הרצפים שבהם משולבים גורמי התמלול שמורים למדי בין מינים שונים. אחד מרצפי המקדם הידועים הוא תיבת TATA.

בהארכה, האנזים RNA פולימראז מוסיף נוקלאוטידים חדשים לקצה 3'-OH, בעקבות הכיוון 5 ′ עד 3 ′. קבוצת ההידרוקסיל פועלת כנוקלאופיל ותוקפת את הפוספט האלפא של הנוקלאוטיד שיש להוסיף. תגובה זו משחררת פירופוספט.

רק אחד מגדילי ה- DNA משמש לסינתזה של ה- RNA המסנג'ר, המועתק בכיוון 3 ′ עד 5 ′ (הצורה האנטי-פאראלית של גדיל ה- RNA החדש). נוקלאוטיד שיש להוסיף חייב להתאים לזיווג בסיס: זוגות U עם A ו- G עם C.

פולימראז RNA עוצר את התהליך כאשר הוא מוצא אזורים עשירים בציטוזין וגואנין. בסופו של דבר, מולקולת RNA המסנג'ר החדשה מופרדת מהמתחם.

שעתוק בפרוקריוטות

בפרוקריוטות, מולקולת RNA של שליח יכולה לקוד יותר מחלבון אחד.

כאשר mRNA מקודד באופן בלעדי לחלבון או לפוליפפטיד, זה נקרא mRNA monocistronic, אך אם הוא מקודד ליותר ממוצר חלבון אחד, mRNA הוא פוליסיסטרי (שימו לב כי בהקשר זה המונח cistron מתייחס לגן).

תעתיק באוקריוטות

באורגניזמים אוקריוטים, הרוב המכריע של ה- mRNA הם מונוציסטוניים והמכונות התמלוליות מורכבות הרבה יותר בשושלת אורגניזמים זו. הם מאופיינים בכך שיש להם שלושה פולימראזות RNA, המסומנות I, II ו- III, לכל אחת מהן פונקציות ספציפיות.

ה- I אחראי על סינתזה של ה- RNA מראש, ה- II מסנתז את ה- RNA של המסנג'ר וכמה RNA מיוחדים. לבסוף, III דואג RNAs העברה, 5S ריבוזומלי, RNAs קטנים אחרים.

RNA מסנג'ר באוקריוטות

Messenger RNA עובר סדרת שינויים ספציפיים באוקריוטים. הראשון כולל הוספת "כובע" לקצה 5 5. מבחינה כימית, הכומתה היא שארית של 7-מתילגואנוזין המחוברת לקצה באמצעות קשר 5 ′, 5'-טריפוספט.

תפקידו של אזור זה הוא להגן על RNA מפני השפלה אפשרית על ידי ריבונוקליזות (אנזימים המפרקים RNA לרכיבים קטנים יותר).

בנוסף, חיסול הקצה 3 'מתרחש ונוספים שאריות של 80 עד 250. מבנה זה ידוע כ"זנב "ה- polyA ומשמש כאתר מחייב לחלבונים שונים. כאשר פרוקריוט רוכש זנב פולי א הוא נוטה לעורר את השפלה.

מצד שני, המסר הזה מתועתק באינטרונים. האינטרונים הם רצפי DNA שאינם חלק מהגן אך "מפריעים" לרצף זה. האינטרונים אינם מתורגמים ולכן יש להסירם מהמסנג'ר.

לרוב הגנים בעלי החוליות יש אינטרונים, למעט גנים המקודדים להיסטונים. באופן דומה, מספר האינטרונים בגן יכול להשתנות מכמה לעשרות כאלה.

שחבור

תהליך השיבוץ או השחבור של ה- RNA כרוך בהסרת האינטרונים ב- RNA המסנג'ר.

חלק מהאינטרונים הנמצאים בגנים גרעיניים או מיטוכונדריים יכולים לבצע את תהליך השחבור ללא עזרה של אנזימים או ATP. במקום זאת, התהליך מתבצע על ידי תגובות טרנס-אסטרציה. מנגנון זה התגלה בתרמופילה הפרוטוזואית המוצלחת.

לעומת זאת, יש קבוצה אחרת של שליחים שאינם מסוגלים לתווך את השחבור שלהם, ולכן הם זקוקים למכונות נוספות. מספר גדול למדי של גנים גרעיניים שייכים לקבוצה זו.

תהליך השחבור מתווך על ידי קומפלקס חלבון הנקרא סד או שחבור. המערכת מורכבת ממתחמי RNA מיוחדים הנקראים ריבונוקלאופרוטאינים גרעיניים קטנים (RNPs).

ישנם חמישה סוגים של RNP: U1, U2, U4, U5 ו- U6, שנמצאים בגרעין ומתווכים את תהליך השחבור.

שחבור יכול לייצר יותר מסוג אחד של חלבון - זה מכונה שחבור אלטרנטיבי - מכיוון שהאקסונים מסודרים באופן דיפרנציאלי, ויוצרים זנים של RNA Messenger.

RNA ריבוזומלי

RNA ריבוזומלי, מקוצר rRNA, נמצא בריבוזומים ומשתתף בביוסינתזה של חלבונים. לכן זהו מרכיב חיוני מכל התאים.

RNA ריבוזומלי מקושר למולקולות חלבון (בערך 100) על מנת להביא ליחידות טרום-ריבוזומליות. הם מסווגים בהתאם למקדם המשקעים שלהם, המצוין באות S עבור יחידות Svedberg.

ריבוזום מורכב משני חלקים: היחידה המשנה העיקרית והיחידה המשנית. שתי יחידות המשנה נבדלות זו מזו בין פרוקריוטות ואוקריוטות מבחינת מקדם המשקעים.

לפרוקריוטות יש יחידת משנה גדולה של 50S ויחידת משנה קטנה של 30S, ואילו באוקריוטות יחידת המשנה הגדולה היא 60S וה 40S הקטנה.

הגנים המקודדים ל- RNA ריבוזומלי נמצאים בגרעין, אזור מסוים בגרעין שאינו מוגבל על ידי קרום. RNA של ריבוזומלים מועתקים באזור זה על ידי פולימראז RNA.

בתאים המסנתרים כמויות גדולות של חלבונים; הגרעין הוא מבנה בולט. עם זאת, כאשר התא המדובר אינו זקוק למספר רב של מוצרי חלבון, הגרעין הוא מבנה כמעט בלתי מורגש.

MicroRNA

מיקרו-ארנה או מיקרנה-ארנה הם סוג של RNA קצרים חד-גדילים, בין 21 ל -23 נוקלאוטידים, שתפקידם לווסת את ביטוי הגנים. מכיוון שהוא אינו מתורגם לחלבון, הוא נקרא לרוב RNA שאינו מקודד.

כמו סוגים אחרים של RNA, עיבוד ה- MicroRNA מורכב וכרוך במספר חלבונים.

מיקרו-רנ"א נובע ממבשרים ארוכים יותר הנקראים mi-priRNA, שמקורם בתמליל הראשון של הגן. בגרעין התא, קודמים אלה משתנים במתחם המיקרו-מעבד והתוצאה היא קדם-מירנה.

קדם-מירנה הם 70 סיכות שיער נוקליאוטידיות שממשיכות להיות מעובדות בציטופלסמה על ידי אנזים הנקרא Dicer, המרכיב את מתחם ההשתקה המושרה על ידי RNA (RISC) ולבסוף מסונתז ה- MRINA.

RNAs אלה מסוגלים לווסת את הביטוי של גנים, מכיוון שהם משלימים ל- RNA מסנג'ר ספציפי. על ידי הזדווגות עם היעד שלהם, miRNA מסוגלים לדכא את המסנג'ר, או אפילו לבזות אותו. כתוצאה מכך, הריבוזום אינו יכול לתרגם את התמליל האמור.

השתקת RNA

סוג מסוים של microRNA הוא RNAs המפריעים קטנים (siRNA), המכונים גם RNAs משתיקים. מדובר ב- RNA קצרים, בין 20 ל -25 נוקליאוטידים, המעכבים את הביטוי של גנים מסוימים.

הם מכשירים מאוד מבטיחים למחקר, מכיוון שהם מאפשרים להשתיק גן מעניין ובכך ללמוד את תפקידו האפשרי.

הבדלים בין DNA ל- RNA

למרות ש- DNA ו- RNA הם חומצות גרעין ויכולים להיראות דומים מאוד במבט ראשון, הם נבדלים זה מזה בכמה מתכונותיהם הכימיות והמבניות. DNA הוא מולקולה בעלת רצועה כפולה ואילו RNA היא רצועה יחידה.

ככזה, RNA הוא מולקולה רב-תכליתית ויכולה ללבוש מגוון רחב של צורות תלת מימדיות. עם זאת, לוירוסים מסוימים יש RNA-פס כפול בחומר הגנטי שלהם.

ב נוקליאוטידים של RNA, מולקולת הסוכר היא ריבוז, ואילו ב- DNA היא דוקסיריאבוזה, השונה רק בנוכחות אטום חמצן.

הקשר הפוספודיאסטר בעמוד השדרה של DNA ו- RNA נוטה לעבור תהליך הידרוליזה איטי ללא נוכחות של אנזימים. בתנאים אלקליין, RNA מתייבש במהירות - הודות לקבוצה ההידרוקסיל הנוספת - בעוד ש- DNA אינו עושה זאת.

באופן דומה, הבסיסים החנקניים המרכיבים נוקלאוטידים ב- DNA הם גוונין, אדנין, תימין וציטוזין; לעומת זאת, ב- RNA, תימין מוחלף על ידי אורציל. אורוציל יכול להזדווג עם אדנין, באותו אופן כמו תימין ב- DNA.

מקור ואבולוציה

RNA היא המולקולה הידועה היחידה המסוגלת לאחסן מידע ולזרז תגובות כימיות בו זמנית; מסיבה זו, מספר מחברים מציעים כי מולקולת ה- RNA הייתה מכריעה במקור החיים. באופן מפתיע, המצעים לריבוזומים הם מולקולות RNA אחרות.

גילוי ריבוזימים הביא להגדרה מחדש של הביוכימיה של "אנזים" - כפי שכבר שימש המונח באופן בלעדי לחלבונים בעלי פעילות קטליטית - ועזר לתמוך בתרחיש בו צורות החיים הראשונות השתמשו רק ב- RNA כחומר גנטי.

הפניות

1. אלברטס ב, ג'ונסון א ', לואיס ג'יי, ואח'. (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית. ניו יורק: גרלנד מדע. מ- DNA ל- RNA. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
2. ברג, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). בִּיוֹכִימִיָה. התהפכתי.
3. קמפבל, NA, ו- Reece, JB (2007). ביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.
4. גריפית'ס, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH, et al. (1999). ניתוח גנטי מודרני. ניו יורק: WH פרימן. גנים ו- RNA. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
5. גייטון, AC, הול, ג'יי, וגיאטון, AC (2006). הסכם הפיזיולוגיה הרפואית. אלזביאר.
6. הול, JE (2015). ספר לימוד של גייטון והול לפיזיולוגיה רפואית. מדעי הבריאות Elsevier.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000) ביולוגיה מולקולרית של תאים. מהדורה רביעית. ניו יורק: WH פרימן. פרק 11.6, עיבוד של rRNA ו- tRNA. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
8. נלסון, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). עקרונות הלינגר של הביוכימיה. מקמילן.