آران‌ای

ساختار آران‌ای پیش‌ساز
اسید ریبونوکلئیک یا آر ان ای (رنا) همراه با دی‌ان‌ای و پروتئین، سه مولکول درشت اصلی می‌باشد که برای همه گونه‌های شناخته شده زیستی، ضروری است. آر ان آ هم مانند دی ان آ دارای زنجیره درازی می‌باشد که شامل اجزای سازنده‌ای به نام نوکلئوتیدها می‌باشد. هر نوکلئوتید دارای یک نوکلئوباز است که گاهی به آن باز نیتروژنی هم می‌گویند، چیدمان نوکلئوتیدهای یک ژن در دی‌ان‌ای در فرایند رونویسی به آران‌ای پیام‌رسان داده می‌شود، آران‌ای پیام‌رسان به رناتنها (ریبوزوم) می‌رود و در آنجا در فرایند ترجمه به پیدایش فراورده‌های ژنی می‌انجامد. برخی ویروس‌ها، از آران‌آ به جای دی‌ان‌آ به عنوان ماده ژنتیکی‌شان استفاده می‌کنند. همه اندامگانها از آران‌ا پیام‌رسان برای جابجایی داده‌های ژنتیکی استفاده می‌کنند که به ساخت پروتئین‌ها می‌انجامد.
آران‌ا اطلاعات را از دی‌ان‌ا به سیتوپلاسم حمل می‌کند. به این نوع آران‌ای که اطلاعات را از دی‌ان‌ای به ریبوزوم‌ها حمل می‌کند، آران‌ای پیک یا پیامبر(mRNA) می‌گویند. نوعی دیگر آران‌ای ناقل (tRNA) است که اسیدهای آمینه را به ریبوزوم منتقل می‌کند، تا ریبوزوم، اسیدهای آمینه را بر اساس اطلاعات موجود در mRNA کنار یکدیگر ردیف کند. نوع دیگر، آران‌ای ریبوزومی(rRNA) است که در ساختار ریبوزوم‌ها شرکت دارد.
ساختمان
ساختار شیمیایی RNA به ساختار شیمیایی DNA بسیار شبیه است، با دو تفاوت؛ یکی این که RNA دارای قند ریبوز است در حالی که DNA دارای قند کمی متفاوت‌تر به نام دئوکسی‌ریبوز است (گونه‌ای از ریبوز که یک اتم اکسیژن در آن کم است)، و دوم این که RNA دارای نوکلئوباز اوراسیل است در حالی که به جای آن DNA دارای تیمین است (یوراسیل و تیمین، خواص جفت شدن بازی مشابهی دارند).
برخلاف DNA بیشتر مولکول‌های RNA تک‌رشته‌ای هستند. مولکول‌های تک‌رشته‌ای RNA ساختارهای سه بعدی بسیار پیچیده‌ای را دارند، زیرا آن‌ها مانند DNA دارای زنجیره دو رشته‌ای نیستند.(البته RNA دو رشته‌ای هم داریم که زیاد تو بعضی منابع ذکر نشده و فقط در درس‌های تخصصی ژنتیک گفته می‌شود.) RNA درون یاخته‌های زنده توسط آران‌ای-پلی‌مرازها ساخته می‌شوند، این آنزیم‌ها در رونویسی از روی یک الگوی RNA یا DNA به یک رشته آران‌ای تازه کارایی دارند.
مقایسه RNA با DNA
RNA و DNA هر دو اسید نوکلئیک هستند، اما در سه چیز تفاوت دارند؛
نخست این که برخلاف DNA که دو رشته‌ای است، RNA یک مولکول تک‌رشته‌ای است و زنجیره بسیار کوتاه‌تری از نوکلئوتیدها را دارد.
دوم این که در حالی که DNA دارای قند دئوکسی‌ریبوز می‌باشد، RNA دارای ریبوز است (در دئوکسی‌ریبوز هیچ گروه هیدروکسیلی به حلقه پنتوزی در جایگاه ۲ پیوند ندارد). این گروه‌های هیدروکسیلی، پایداری RNA را کمتر از پایداری DNA می‌سازند زیرا داشتن گروه هیدروکسیل ریبوز را برای واکنش آبکافت آماده‌تر می‌سازد.
سوم این که برخلاف DNA در RNA، باز تکمیل‌کننده آدنین، تیمین نیست بلکه اوراسیل می‌باشد که شکل متیلی‌نشده‌ای از تیمین می‌باشد.
بیشتر RNAهای کارا از دیدگاه زیستی که شامل RNA کوچک هسته‌ای، RNA رناتنی، RNA جابجایی، RNA پیام‌رسان و دیگر RNAهای بی‌رمز، گه گاه دارای چیدمان‌های خود تکمیل‌کننده‌ای هستند که به بخش‌هایی از RNA این اجازه را می‌دهند که با خودش جفت شده و تا بخورد و مارپیچ‌های دوتایی را پدیدآورند (همانند DNA). برخلاف DNA، ساختار آن‌ها دارای مارپیچ‌های دوتایی دراز نیستند اما در جای جای آن‌ها گروه‌هایی از مارپیچ‌های کوتاه دیده می‌شود.
ساخته‌شدن آران‌ای
آران‌ای از روی یکی از رشته‌های دی‌ان‌ای در هسته یاخته‌های هوهستهای یا بخش نوکلئوتیدی پیش‌هسته‌ها با کمک زیمایه‌های آران‌ای-پلی‌مراز ۱ (ژن‌های آران‌ای رناتنی) و آران‌ای-پلی‌مراز ۲ (ژن‌های آران‌ای پیام‌رسان) و آران‌ای-پلی‌مراز ۳ (ژن‌های آران‌ای جابجایی) در هوهسته‌ها و گونه‌ای زیمایه آران‌ای-پلی‌مراز در یاخته‌های هوهسته رونویسی می‌شود.
واکنشهای فرآوری آن‌ها را زیمایه‌ای بنام آران‌ای-پلی‌مراز، که از دی‌ان‌آ به عنوان الگوی خود بهره می‌برد، آسان می‌شود، فرایند فرآوری آن‌ها به رونویسی مشهور است. آغاز رونویسی با پیوند یک زیمایه به چیدمان برانگیزنده، که به‌طور معمول در بالادست ژن جای دارد، آغاز می‌شود. زنجیره مارپیچ دوتایی دی‌ان‌آ، به کمک زیمایه هلیکاز باز می‌شود. این زیمایه در درازای رشته الگو از سمت ۳ آن به ۵ آن پیش می‌رود و یک مولکول آران‌ای مکمل را می‌سازد که این آران‌ای از آنجایی که وارونه رشته الگو می‌باشد از سمت ۵ آن به ۳ آن ساخته می‌شود. در ساخت آران‌ای، چیدمان دی‌ان‌آ پایان ساخت آران‌ای را هم نشان خواهد داد. آران‌ای‌ها پس از رونویسی، به کمک زیمایه‌های دیگری فرآوری می‌شوند و سرانجام آران‌ایی را پدیدمی‌آورند که در ساخت پروتئین در فرایند رمزخوانی بکار برده می‌شوند. برای نمونه، در هوهسته‌ها یک دم چندآدنینی در فرایند چندآدنینی‌شدن و در فرایندی دیگر یک کلاهک ۵ به آن‌ها افزوده می‌شوند. در یکی دیگر از بخش‌های این فرآوری، میانه‌ها به کمک زیمایه پیرایشگر در فرایند پیرایش برداشته می‌شوند.
شماری آران‌ای-پلی‌مراز نیز هستند که کارکردشان وابسته به آران‌ای می‌باشد و از یک آران‌ای به عنوان الگویشان برای ساخت یک رشته آران‌ای تازه بهره می‌برند. برای نمونه، برخی آران‌ای‌های ویروسی، مانند ویروس فلج اطفال، این گونه زیمایه را برای رونویسی ژن‌هایشان بکار می‌برند.
ساختار
هر نوکلئوتید در آران‌ای دارای یک قند ریبوز با کربن‌های شماره‌گذاری‌شده از ۱ تا ۵ است. یکی از بازهای آدنین، گوانین، سیتوزین، یا اوراسیل به کربن شماره ۱ پیوند می‌خورد. به آدنین و گوانین، خانواده پورین‌ها (دوحلقه‌ای‌ها) گفته می‌شود و به سیتوزین و اوراسیل، خانواده پیریمیدین‌ها (تک‌حلقه‌ای‌ها) گفته می‌شود. گروه‌های فسفات دارای یک بار منفی هستند که با پیوند به آران‌ای، آن را یک مولکول باردار می‌سازند.
بازها ممکن است پیوندهای هیدروژنی میان سیتوزین با گوانین، آدنین با اوراسیل، و گوانین با اوراسیل را تشکیل دهند. به هر حال برهمکنش‌های دیگری هم امکان‌پذیر می‌باشد، برای نمونه، پیوند یک گروه از بازهای آدنینی به همدیگر در یک برآمدگی یا تترالوپ GNRA که یک جفت باز گوانین–آدنینی دارد.
ویژگی ساختاری مهم آران‌ای که آن را از دی‌ان‌آ جدا می‌سازد، داشتن یک گروه هیدروکسیل در کربن شماره ۲ قند ریبوز است.
بودن این گروه به این می‌انجامد که در شکل هندسی زنجیره مارپیچی آن با دی‌ان‌آ تفاوت پیدا کند. دومین نتیجه پیامد داشتن این گروه هیدروکسیل در کربن ۲، در نواحی انعطاف‌پذیری شکلی (تطبیقی) از یک مولکول آران‌ای است (که در تشکیل یک مارپیچ دوتایی درگیر نیست)، آران‌ای تنها با چهار باز توصیف می‌شود که عبارتند از آدنین، سیتوزین، گوانین، و اوراسیل،
در آران‌ای ریبوزومی، بسیاری از اصلاحات پس از رونویسی، در نواحی بسیار عملکردی اتفاق می‌افتد، از جمله مرکز پپتیدیل ترانسفراز و زیرواحد رابط، که نشان‌دهنده این است که آن‌ها برای عملکرد عادی، مهم هستند.
شکل عملکردی مولکول‌های تک‌رشته‌ای آران‌ای، کاملا مانند پروتئین‌ها، به یک ساختار سوم ویژه‌ای نیاز دارد. چارچوب (داربست) این ساختار توسط عناصر ساختاری دوم تولید می‌شود که همان پیوندهای هیدروژنی درون‌مولکولی هستند. این ساختار دوم به پدید آمدن چندین نمایه قابل شناسایی مانند حلقه‌های سنجاق سری، شکم‌خوردگی‌ها، و حلقه‌های درونی می‌انجامد. از آنجایی که آران‌ای باردار است، یون‌های فلزی از جمله Mg2+ برای پایاسازی بسیاری از ساختارهای دوم و سوم مورد نیاز هستند.
گونه‌های آران‌ای
آران‌ای پیام‌رسان، آران‌ایی است که داده‌ها را از DNA به رناتن، جایگاه ساخت پروتئین و رمزخوانی در یاخته، می‌برد. چیدمان آران‌ای پیام‌رسان، چیدمان اسید آمینه پروتئینی که ساخته می‌شود را تعیین می‌کند.
بسیاری از آران‌ای‌ها به پروتئین فرآوری نمی‌شوند. بسیاری از آران‌ای‌ها در رمزگردانی به پروتئین فراورده نمی‌شوند. به این آران‌ای‌ها، آران‌ای‌های بی‌رمز می‌گویند که می‌توانند، برجسته‌ترین نمونه آران‌ای بی‌رمز آران‌ای‌های جابجایی و آران‌ای رناتنی هستند که هر دوی آن‌ها در فرایند رمزخوانی دارای کارکرد می‌باشند.
آران‌ای‌های ویژه‌ای می‌توانند واکنش‌های شیمیایی، مانند بریدن و بستن دیگر مولکول‌های آران‌ای، را انجام دهند و تشکیل پیوند پپتیدی را در رناتنها آسان کنند، این آران‌ای‌ها به آران‌ای‌های رناتنی مشهورند.
در فرایند رمزخوانی آران‌ای پیام‌رسان داده‌های مورد نیاز در چیدمان اسیدهای آمینه یک پروتئین را به رناتنها؛ کارخانه‌های ساخت پروتئین در یاخته، می‌برند. این به گونه‌ای کد می‌شود که هر سه نوکلئوتید (یک کدون) مطابق با یک اسید آمینه است. در سلول‌های یوکاریوتی، همینکه mRNA پیش ساز(pre mRNA) از DNA رونویسی شد، به mRNA بالغ پردازش (اصلاح) می‌شود. این فرایند، اینترون‌های (بخش‌های کد نشونده pre mRNA) آن را جدا می‌کند. mRNAهای سپس از هسته به سیتوپلاسم صادر می‌شود، جائیکه آن به ریبوزوم متصل می‌شود و به شکل پروتئین متناظرش به کمک tRNA، ترجمه می‌شود.
در سلول‌های پروکاریوتی که هسته و اجزای سیتوپلاسمی ندارند، mRNA می‌تواند به ریبوزوم‌ها متصل شود در حالیکه آن از DNA رونوشت برداری (رونویسی) می‌شود. بعد از مقدار خاصی از زمان، پیام به نوکلئوتیدهای مولفه خودش با یاری ریبونوکلئازها تجزیه می‌شود. RNA ناقل(tRNA)، یک زنجیره آران‌ای کوچک با حدود ۸۰ نوکلئوتید است که یک اسید آمینه خاص را به زنجیره پلی پپتیدی در حال رشد در محل ریبوزومی سنتز پروتئین در طی ترجمه، منتقل می‌کند. این‌ها محل‌هایی برای اتصال اسید آمینه و یک ناحیه آنتی کدون برای تشخیص کدون دارد که به یک توالی خاص بر روی زنجیره آران‌ای پیام‌رسان از طریق پیوند هیدروژنی متصل می‌شود.
آران‌ای رناتنی: جزء کاتالتیک ریبوزوم‌ها می‌باشند. ریبوزوم‌های یوکاریوتی حاوی ۴ مولکول rRNA مختلف می‌باشند: rRNAهای 18S, 5.8S, 28S و 5S. سه عدد از مولکول هایrRNA در هسته سنتز می‌شوند و دیگری در جای دیگر سنتز می‌شود. در سیتوپلاسم، RNA ریبوزومی و پروتئین برای تشکیل یک نوکلئوپروتئین که ریبوزوم نامیده می‌شود، ترکیب می‌شوند. ریبوزوم به mRNA متصل می‌شود و سنتز پروتئین را عملی (اجرا) می‌کند. چندین ریبوزوم ممکن است به یک mRNA منفرد در هر زمانی متصل شوند. rRNA بی‌نهایت فراوان است و ۸۰٪ از 10 mg/ml RNA یافت شده در یک سیتوپلاسم یوکاریوت نمونه‌ای را تشکیل می‌دهد.
RNA پیامبر-ناقل (tmRNA) در بسیاری از باکتری‌ها و پلاستیدها یافت می‌شود. این، پروتئین‌های کد شده توسط RNA پیامبر (m RNA) را نشان دار می‌کند که فاقد کدونهای توقف برای تجزیه هستند و ریبوزوم را از ماندن (قصور)، بازمی‌دارد (جلوگیری می‌کند).
RNAهای تنظیمی: چندین نوع از RNA می‌تواند بیان ژن را توسط مکمل یکدیگر بودن (متمم بودن) برای یک بخش mRNAیا یک DNی ژن، فروتنظیم کند. (فروتنظیمی یا DN فرایندی است که بوسیله آن، یک سلول؛ کمیت یک جزء سلولی مانند پروتئین یا RNA را در پاسخ به یک متغیر خارجی کاهش می‌دهد. افزایش یک جزء سلولی، فراتنظیمی نامیده می‌شود).
RNAهای کوچک (miRNA): با ۲۱تا ۲۲ نوکلئوتید در یوکاریوت‌ها یافت می‌شود و از طریق مداخله RNA(RNAi) عمل می‌کنند، جاییکه یک کمپلکس موثر از miRNA و آنزیم‌ها می‌توانند mRNA را به miRNA که متمم است بشکند، mRNA را از ترجمه شدن ممانعت کند، یا تجزیه آن را تسریع کند. در حالیکه RNAهای مداخله‌ای کوچک (siRNA; 20-25 nt)، غالبا توسط تجزیه (شکستن) RNA ویروسی تولید می‌شوند، همچنین منابع درون زادی نیز از siRNAها وجود دارد. siRNAها از طریق مداخله RNA در یک روش مشابه با miRNA عمل می‌کنند. بعضی از siRNAها و miRNAها می‌توانند ژن‌هایی را که آن‌ها نشان دار می‌کنند، متیله شوند که بدان وسیله، رونویسی این ژن‌ها را کاهش یا افزایش می‌دهد. جانوران، RNAهای برهمکنش دهنده Piwi(piRNA; 29-30 nt) دارند که درسلول‌های جنینی فعال هستند و تصور می‌شوند که یک دفاعی در برابر ترانسپوزون‌ها باشند و یک نقش در گامتوژنز ایفا کنند. بسیاری از پروکاریوت‌ها، RNAهای CRISPR، یک سیستم تنظیمی مشابه باRNAi، دارند. RNAهای آنتی سنس بسیار گسترده و وسیع هستند، اکثرا یک ژن را فروتنظیم می‌کنند، اما تعدادی نیز فعال‌کننده رونویسی هستند. یک روشی که RNA آنتی سنس می‌تواند عمل کند، از طریق اتصال به یک mRNA، تشکیل یک RNA دورشته‌ای می‌باشد که بطور آنزیمی تجزیه می‌شود. RNAهای غیر کدکننده طویل بسیاری وجود دارد که ژن‌ها را در یوکاریوت‌ها تنظیم می‌کند، یکی ازاین RNAها،xist است که یک کروموزوم x را در پستانداران ماده می‌پوشاند و آن را غیرفعال می‌کند. یک mRNA ممکن است حاوی اجزای تنظیمی به خودی خودش باشد، از جمله riboswitcheها، در ناحیه ترجمه نشونده ۵ یا ناحیه ترجمه نشونده ۳. این عناصر تنظیمی سیس، فعالیت آن mRNA را تنظیم می‌کنند. ناحیه‌های ترجمه نشونده همچنین ممکن است حاوی عناصری باشند که دیگر ژن را تنظیم می‌کنند.
پردازش آران‌ای
RNAهای بسیاری در اصلاح RNAهای دیگر درگیر هستند. اینترون‌ها از pre-mRNA بوسیله spliceosomeها پردازش می‌شوند که حاوی چندین RNA کوچک هسته‌ای (snRNA) هستند. یا اینترون‌ها می‌توانند ریبوزیم‌هایی شوند که توسط خودشان پردازش می‌شوند. RNA می‌تواند همچنین توسط نگه داشتن نوکلئوتیدهای اصلاح شده‌اش برای نوکلئوتیدهای به غیر از A, C, G و U، تغییر یابد. دریوکاریوت‌ها، اصلاحات نوکلئوتیدهای RNAعموما توسط RNA هستکی کوچک(snoRNA; 60-300 nt) هدایت می‌شود، که در هستک و اجسام cajal یافت می‌شوند. snoRNAها با آنزیم‌ها همکاری می‌کنند و آن‌ها را به یک موضع (نقطه) بر روی RNA توسط جفت شدن بازی به آن RNA، هدایت می‌کنند. این آنزیم‌ها سپس اصلاح نوکلئوتیدی را انجام می‌دهند. rRNA هاو tRNAها بطور وسیعی اصلاح شده هستند، اما snRNA هاو mRNAها می‌توانند همچنین هدف اصلاح شدن بازی قرار بگیرند.
ژنوم‌های آران‌ایی
مانندDNA، RNA می‌تواند اطلاعات ژنتیکی را حمل کند. ویروسی‌های RNAیی، ژنوم‌هایی مرکب از RNA و انواعی از پروتئین‌های کد شده توسط آن ژنوم را دارند. ژنوم ویروسی توسط بعضی از آن پروتئین‌ها رونوشت برداری می‌شوند، درحالیکه دیگر پروتئین‌ها ژنوم را محافظت می‌کنند به محض اینکه ذره ویروسی به یک سلول میزبان وارد می‌شود. ویروئیدها گروه دیگری از پاتوژن‌ها هستند، اما آن‌ها فقط حاویRNA هستند، نه هیچ پروتئینی را کد می‌کنند و توسط یک پلیمراز سلول گیاهی میزبان رونوشت برداری می‌شود
رونویسی وارونه
ویروس‌های رونوشت بردار معکوس، ژنومشان را بوسیله نسخه‌های DNA رونوشت معکوس از RNA‌هایشان، رونوشت برداری می‌کنند. این نسخه‌های DNA سپس به یک RNA جدید رونویسی می‌شوند. رتروترانسپوزونها(Retrotransposon) همچنین توسط کپی شدن DNA و RNAاز یکدیگر پخش (گسترش) می‌یابند و تلومراز حاوی یک RNA می‌باشد که بنوان الگو برای ساختن پایانه‌های کروموزوم‌های یوکاریوتی استفاده می‌شوند.
آران‌ای دورشته‌ای
آران‌ای دورشته‌ای (dsRNA) آران‌ایی است با دو رشته مکمل یکدیگر که همانند دی‌ان‌آ در همه یاخته‌ها یافت می‌شود. آران‌ای دورشته‌ای، ماده ژنتیکی برخی ویروس‌ها را می‌سازد. آران‌ای دورشته‌ای شامل آران‌ای ویروسی و آران‌ای خاموشگر می‌توانند در رمزخوانی ژن دگرگونی پدیدآورند. این دگرگونی بیشتر از راه جفت شدن با آران‌ای پیام‌رسان و سرکوب کارایی آن که به کم شدن فراورده‌های ژنی می‌انجامد، پدید می‌آید،
کشفهای کلیدی در زیست‌شناسی آران‌ای
تحقیق بر روی RNA منجربه کشف‌های زیست شناختی مهم و جوایز نوبل متعددی شده‌است. اسید نوکلئیک‌ها در سال ۱۸۶۸ توسط Friedrich Miescher کشف شد؛ کسی که ماده نوکلئین را به دلیل این که در هسته پیدا شد را نامگذاری کرد. این بعدا کشف شد که سلول‌های پروکاریوتی که هسته‌ای ندارند، نیز همچنین حاوی اسیدهای نوکلئیک هستند. نقش RNA در سنتز پروتئین همواره در سال ۱۹۳۹ مورد توجه بود. Severo Ochoaجایزه نوبل را در سال ۱۹۵۹(مشترکا با Arthur Kornberg) برنده شد، بعد از این که او یک آنزیمی را کشف کرد که RNA را در آزمایشگاه سنتز می‌کرد. به‌طور طعنه آمیزی، آنزیم کشف شده توسط Severo Ochoa(polynucleotide phosphorylase) بعدها نشان داده شد که برای تجزیه RNA مسئول باشد نه این که RNA را سنتز کند.
توالی ۷۷ نوکلئوتید ازیک Trna مخمر توسط Robert W. Holley در سال۱۹۶۵ پی برده شد. برنده جایزه نوبل ۱۹۶۸در داروسازی (مشترکا با Har Gobind Khorana و Marshall Nirenberg). در سال1967 Carl Woese، فرضیه داد که RNA ممکن است کاتالتیک باشد و پیشنهاد کرد که ابتدایی‌ترین اشکال حیات (مولکول‌های خودرونوشت بردار) توانستند هم برای حمل اطلاعات ژنتیکی شان و هم برای کاتالیز واکنش‌های بیوشیمیایی شان به RNA تکیه کنند.
دی‌ان‌ای
ریبوزوم
پروتئین
باز نوکلئوتیدی
نوکلئوتید
رونویسی (ژنتیک)
ترجمه (زیست‌شناسی)
همتاسازی
ژن‌شناسی
کروموزوم
تولید مثل