RNA-Funktionen, Struktur und Typen

Die RNA oder RNA (Ribonukleinsäure) ist eine Art von Nukleinsäure, die in eukaryotischen Organismen, Prokaryoten und Viren vorhanden ist. Es ist ein Nukleotidpolymer, das in seiner Struktur vier Arten von Stickstoffbasen enthält: Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil.

RNA wird im Allgemeinen als eine einzelne Bande (mit Ausnahme einiger Viren) gefunden, linear oder bildet eine Reihe von komplexen Strukturen. In der Tat hat RNA eine strukturelle Dynamik, die in der DNA-Doppelhelix nicht beobachtet wird. Die verschiedenen Arten von RNA haben sehr unterschiedliche Funktionen.

Ribosomale RNAs sind Teil von Ribosomen, den Strukturen, die für die Synthese von Proteinen in Zellen verantwortlich sind. Die Messenger-RNAs fungieren als Vermittler und transportieren die genetische Information zum Ribosom, das die Nachricht von einer Sequenz von Nukleotiden zu einer von Aminosäuren übersetzt.

Die Transfer-RNAs sind verantwortlich für die Aktivierung und den Transfer der verschiedenen Arten von Aminosäuren -20 insgesamt- zu den Ribosomen. Es gibt ein Transfer-RNA-Molekül für jede Aminosäure, das die Sequenz in der Messenger-RNA erkennt.

Darüber hinaus gibt es andere Arten von RNA, die nicht direkt an der Proteinsynthese beteiligt sind und an der Genregulation beteiligt sind.

Index

• 1 Struktur
  • 1.1 Nukleotide
  • 1.2 RNA-Kette
  • 1.3 Kräfte, die RNA stabilisieren
• 2 Arten von RNA und Funktionen
  • 2.1 Messenger-RNA
  • 2.2 ribosomale RNA
  • 2.3 Transfer RNA
  • 2,4 MicroRNA
  • 2.5 RNA-Silencing
• 3 Unterschiede zwischen DNA und RNA
• 4 Ursprung und Entwicklung
• 5 Referenzen

Struktur

Die grundlegenden Einheiten von RNA sind Nukleotide. Jedes Nukleotid wird durch eine stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), eine Pentose- und eine Phosphatgruppe gebildet.

Nucleotide

Die stickstoffhaltigen Basen sind von zwei grundlegenden Verbindungen abgeleitet: den Pyrimidinen und den Purinen.

Die von Purinen abgeleiteten Basen sind Adenin und Guanin, und die von Pyrimidinen abgeleiteten Basen sind Cytosin und Uracil. Obwohl dies die häufigsten Basen sind, können Nukleinsäuren auch andere Arten von Basen, die weniger häufig sind, präsentieren.

Bei der Pentose handelt es sich um d-Ribose-Einheiten. Daher werden die Nukleotide, aus denen die RNA besteht, "Ribonukleotide" genannt.

RNA-Kette

Die Nukleotide sind durch chemische Bindungen miteinander verbunden, an denen die Phosphatgruppe beteiligt ist. Um sie zu bilden, ist die Phosphatgruppe am 5'-Ende eines Nukleotids an die Hydroxylgruppe (-OH) am 3'-Ende des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine Bindung vom Phosphodiester-Typ erzeugt wird.

Entlang der Nukleinsäurekette haben die Phosphodiesterbindungen die gleiche Orientierung. Daher gibt es eine Polarität des Strangs, die zwischen dem 3'- und dem 5'-Ende unterscheidet.

Konventionell ist die Struktur der Nukleinsäuren mit dem 5'-Ende links und dem 3'-Ende rechts dargestellt.

Das RNA-Produkt der Transkription der DNA ist eine einfache Kette, die sich durch Stapeln der Basen in einer helikalen Konformation nach rechts dreht. Die Wechselwirkung zwischen Purinen ist viel größer als die Wechselwirkung zwischen zwei Pyrimidinen, und zwar nach ihrer Größe.

In der RNA können wir nicht von einer traditionellen und sekundären Referenzstruktur sprechen, wie es die Doppelhelix der DNA ist. Die dreidimensionale Struktur jedes RNA-Moleküls ist einzigartig und komplex, vergleichbar mit der von Proteinen (logischerweise können wir die Struktur von Proteinen nicht globalisieren).

Kräfte, die RNA stabilisieren

Es gibt schwache Wechselwirkungen, die zur Stabilisierung von RNA beitragen, insbesondere die Stapelung von Basen, bei denen die Ringe übereinander liegen. Dieses Phänomen trägt auch zur Stabilität der DNA-Helix bei.

Findet das RNA-Molekül eine komplementäre Sequenz, können diese gekoppelt werden und eine Doppelkettenstruktur bilden, die sich nach rechts dreht. Die vorherrschende Form ist Typ A; wie für die Z-Formen wurden sie nur im Labor nachgewiesen, während die B-Form nicht beobachtet wurde.

Im Allgemeinen gibt es kurze Sequenzen (wie UUGG), die sich am Ende der RNA befinden und die Besonderheit haben, sich zu bilden Schleifen stabil Diese Sequenz ist an der Faltung der dreidimensionalen Struktur der RNA beteiligt.

Zusätzlich können Wasserstoffbrücken an anderen Stellen gebildet werden, die nicht die typischen Basenpaarungen (AU und CG) sind. Eine dieser Wechselwirkungen tritt zwischen dem 2'-OH der Ribose mit anderen Gruppen auf.

Die Verdünnung der verschiedenen Strukturen, die in der RNA gefunden wurden, diente dazu, die multiplen Funktionen dieser Nukleinsäure zu demonstrieren.

Arten von RNA und Funktionen

Es gibt zwei Arten von RNA: die informative und die funktionelle. Die erste Gruppe umfasst die RNAs, die an der Synthese von Proteinen beteiligt sind und als Prozessintermediäre fungieren; Die informationellen RNAs sind die Boten-RNAs.

Im Gegensatz dazu ergeben die RNAs der zweiten Klasse, die funktionellen, kein neues Proteinmolekül und die RNA selbst ist das Endprodukt. Dies sind die Transfer-RNAs und die ribosomalen RNAs.

In Säugetierzellen sind 80% der RNA ribosomale RNA, 15% Transfer-RNA und nur ein kleiner Teil entspricht der Messenger-RNA.Diese drei Typen arbeiten kooperativ, um eine Proteinbiosynthese zu erreichen.

Es gibt auch kleine Kern-RNAs, kleine zytoplasmatische RNAs und microRNAs, unter anderem. Als nächstes wird jeder der wichtigsten Typen im Detail beschrieben:

Messenger-RNA

In Eukaryoten ist die DNA auf den Kern beschränkt, während die Proteinsynthese im Zytoplasma der Zelle stattfindet, wo sich die Ribosomen befinden. Für diese räumliche Trennung muss es einen Mediator geben, der die Nachricht vom Zellkern zum Zytoplasma trägt und dieses Molekül die Boten-RNA ist.

Die Messenger-RNA, abgekürzt als mRNA, ist ein intermediäres Molekül, das die in der DNA kodierte Information enthält und eine Aminosäuresequenz angibt, die zu einem funktionellen Protein führt.

Der Begriff Boten-RNA wurde 1961 von François Jacob und Jacques Monod vorgeschlagen, um den Teil der RNA zu beschreiben, der die Botschaft von der DNA an Ribosomen übertrug.

Der Prozess der Synthese einer mRNA aus dem DNA-Strang ist als Transkription bekannt und tritt differentiell zwischen Prokaryoten und Eukaryoten auf.

Die Genexpression wird von verschiedenen Faktoren bestimmt und hängt von den Bedürfnissen jeder Zelle ab. Die Transkription gliedert sich in drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination.

Transkription

Der Prozess der DNA-Replikation, der in jeder Zellteilung vorkommt, kopiert das gesamte Chromosom. Der Transkriptionsprozess ist jedoch viel selektiver, er befasst sich nur mit der Verarbeitung spezifischer Segmente des DNA-Strangs und benötigt keinen Primer.

in Escherichia coli -Die am besten untersuchten Bakterien in den biologischen Wissenschaften - die Transkription beginnt mit dem Abwickeln der DNA-Doppelhelix und die Transkriptionsschleife wird gebildet. Das RNA-Polymerase-Enzym ist für die Synthese der RNA verantwortlich, und während die Transkription fortschreitet, kehrt der DNA-Strang in seine ursprüngliche Form zurück.

Initiierung, Verlängerung und Beendigung

Die Transkription wird nicht an zufälligen Stellen im DNA-Molekül initiiert; Für dieses Phänomen gibt es spezialisierte Websites, sogenannte Promotoren. in E. coli die RNA-Polymerase ist einige Basenpaare oberhalb der Zielregion gekoppelt.

Die Sequenzen, an denen die Transkriptionsfaktoren gekoppelt sind, sind zwischen verschiedenen Spezies ziemlich konserviert. Eine der bekanntesten Promotorsequenzen ist die TATA-Box.

Bei der Verlängerung fügt das RNA-Polymerase-Enzym dem 3'-OH-Ende neue Nukleotide hinzu, wobei es der Richtung von 5 'nach 3' folgt. Die Hydroxylgruppe wirkt als Nucleophil und greift das Alpha-Phosphat des hinzuzufügenden Nucleotids an. Diese Reaktion setzt Pyrophosphat frei.

Mit nur einem DNA-Strang wird die Messenger-RNA synthetisiert, die in 3 'nach 5' -Richtung kopiert wird (die antiparallele Form des neuen RNA-Strangs). Das hinzuzufügende Nukleotid muss der Basenpaarung entsprechen: U-Paarung mit A und G mit C.

Die RNA-Polymerase stoppt den Prozess, wenn sie Regionen findet, die reich an Cytosin und Guanin sind. Schließlich wird das neue Messenger-RNA-Molekül von dem Komplex getrennt.

Transkription in Prokaryoten

In Prokaryoten kann ein Boten-RNA-Molekül für mehr als ein Protein kodieren.

Wenn eine mRNA ausschließlich für ein Protein oder Polypeptid codiert, wird sie als monocistronische mRNA bezeichnet, wenn sie jedoch für mehr als ein Proteinprodukt kodifiziert, ist die mRNA polycistronisch (man beachte, dass in diesem Zusammenhang der Ausdruck cistron sich auf das Gen bezieht).

Transkription in Eukaryoten

In eukaryotischen Organismen sind die meisten mRNAs monocistronisch und die Transkriptionsmaschinerie ist in dieser Abstammungslinie von Organismen viel komplexer. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie drei RNA-Polymerasen mit den Bezeichnungen I, II und III mit jeweils spezifischen Funktionen aufweisen.

Das I ist verantwortlich für die Synthese der Prä-rRNA, II synthetisiert die Boten-RNAs und einige spezielle RNAs. Schließlich ist III verantwortlich für Transfer-RNAs, ribosomales 5S und andere kleine RNAs.

Messenger-RNA in Eukaryoten

Messenger-RNA unterliegt einer Reihe von spezifischen Modifikationen in Eukaryoten. Die erste beinhaltet das Hinzufügen einer "Kappe" zu dem 5'-Ende. Chemisch gesehen ist die Kappe ein Rest von 7-Methylguanosin, der am Ende durch eine Bindung vom 5 ', 5'-Triphosphat-Typ verankert ist.

Die Funktion dieser Zone besteht darin, die RNA vor einem möglichen Abbau durch Ribonukleasen (Enzyme, die RNA in kleinere Komponenten zerlegen) zu schützen.

Zusätzlich tritt die Entfernung des 3'-Endes auf und 80 bis 250 Adeninreste werden hinzugefügt. Diese Struktur ist als PolyA- "Schwanz" bekannt und dient als Bindungszone für mehrere Proteine. Wenn ein Prokaryot einen PolyA-Schwanz erhält, tendiert er dazu, dessen Abbau zu stimulieren.

Auf der anderen Seite wird dieser Bote mit den Introns transkribiert. Introns sind DNA-Sequenzen, die nicht Teil des Gens sind, aber die Sequenz "unterbrechen". Introns werden nicht übersetzt und müssen daher aus dem Messenger entfernt werden.

Die meisten Wirbeltiergene haben Introns, mit Ausnahme von Genen, die für Histone kodieren. In ähnlicher Weise kann die Anzahl der Introns in einem Gen von einigen wenigen bis zu Dutzenden variieren.

Spleißen von RNA

Die splicing RNA- oder Splicing-Prozess beinhaltet die Entfernung von Introns in der Messenger-RNA.

Einige Introns, die in nuklearen oder mitochondrialen Genen gefunden werden, können den Prozess von Spleißen ohne die Hilfe von Enzymen oder ATP. Stattdessen wird das Verfahren durch Umesterungsreaktionen durchgeführt. Dieser Mechanismus wurde im bewimperten Protozoon entdeckt Tetrahymena thermophila.

Im Gegensatz dazu gibt es eine andere Gruppe von Boten, die nicht in der Lage sind, ihre eigenen zu vermitteln Spleißendeshalb brauchen sie zusätzliche Maschinen. Zu dieser Gruppe gehören sehr viele nukleäre Gene.

Der Prozess von Spleißen Es wird durch einen Proteinkomplex vermittelt, der als Spiceosom oder Spleißkomplex bezeichnet wird. Das System besteht aus spezialisierten RNA-Komplexen, die als kleine nukleäre Ribonukleoproteine ​​(RNPs) bezeichnet werden.

Es gibt fünf Arten von RNP: U1, U2, U4, U5 und U6, die im Kern gefunden werden und vermitteln den Prozess der Spleißen

Die Spleißen kann mehr als eine Art von Protein produzieren - das ist bekannt als Spleißen alternativ-, da die Exons differentiell angeordnet sind, wodurch Varianten von Boten-RNA erzeugt werden.

Ribosomale RNA

Ribosomale RNA, abgekürzt rRNA, kommt in Ribosomen vor und ist an der Biosynthese von Proteinen beteiligt. Daher ist es ein wesentlicher Bestandteil aller Zellen.

Ribosomale RNA ist mit Proteinmolekülen (etwa 100) assoziiert, um ribosomale Vorstufen zu erzeugen. Sie werden in Abhängigkeit von ihrem Sedimentationskoeffizienten klassifiziert, der mit dem Buchstaben S der Svedberg-Einheiten bezeichnet wird.

Ein Ribosom besteht aus zwei Teilen: der Hauptuntereinheit und der Nebenuntereinheit. Beide Untereinheiten unterscheiden sich in Bezug auf den Sedimentationskoeffizienten zwischen Prokaryoten und Eukaryoten.

Prokaryoten besitzen eine große 50S-Untereinheit und eine kleine 30S-Untereinheit, während in Eukaryoten die große Untereinheit 60S und die kleine 40S-Untereinheit ist.

Die Gene, die für ribosomale RNA kodieren, befinden sich im Nucleolus, einem bestimmten Bereich des Nucleus, der nicht durch eine Membran begrenzt ist. Ribosomale RNAs werden in dieser Region durch RNA-Polymerase I transkribiert.

In Zellen, die große Mengen an Proteinen synthetisieren; der Nucleolus ist eine prominente Struktur. Wenn die fragliche Zelle jedoch keine große Anzahl von Proteinprodukten benötigt, ist der Nukleolus eine fast nicht wahrnehmbare Struktur.

Verarbeitung von ribosomaler RNA

Die große 60S ribosomale Untereinheit ist mit den Fragmenten 28S und 5.8S assoziiert. In Bezug auf die kleine Untereinheit (40S) ist sie mit 18S assoziiert.

In höheren Eukaryoten ist die Prä-rRNA in einer Transkriptionseinheit von 45S kodiert, an der die RNA-Polymerase I beteiligt ist. Dieses Transkript wird in den reifen ribosomalen RNAs 28S, 18S und 5.8S prozessiert.

Während die Synthese fortschreitet, ist die Prä-rRNA mit verschiedenen Proteinen assoziiert und bildet Ribonukleoproteinpartikel. Dies unterliegt einer Reihe von nachfolgenden Modifikationen, die Methylierung der 2'-OH-Gruppe von Ribose und die Umwandlung von Resten von Uridin zu Pseudouridin einschließen.

Die Region, in der diese Veränderungen auftreten werden, wird von mehr als 150 kleinen nukleolären RNA-Molekülen gesteuert, die sich an die prä-rRNA binden können.

Im Gegensatz zum Rest der Prä-rRNA wird 5S von der RNA-Polymerase III im Nukleoplasma und nicht im Nukleolus transkribiert. Nachdem es synthetisiert worden ist, wird es zum Nukleolus gebracht, um sich mit 28S und 5.8S zu verbinden, wobei die ribosomalen Einheiten gebildet werden.

Am Ende des Montageprozesses werden die Untereinheiten durch die Kernporen in das Zytoplasma übertragen.

Polyribosomen

Es kann vorkommen, dass ein Molekül der Boten-RNA mehreren Proteinen gleichzeitig den Zugang zu mehr als einem Ribosom ermöglicht. Während der Übersetzungsprozess fortschreitet, ist das Ende des Botenstoffs frei und kann von einem anderen Ribosom aufgenommen werden, wodurch eine neue Synthese beginnt.

Daher ist es üblich, Ribosomen (zwischen 3 und 10) in einem einzigen Boten-RNA-Molekül zu finden, und diese Gruppe wird Polyribosom genannt.

Transfer RNA

Die Transfer-RNA ist für die Übertragung der Aminosäuren verantwortlich, wenn der Prozess der Proteinsynthese fortschreitet. Sie bestehen aus etwa 80 Nukleotiden (verglichen mit Messenger-RNA ist es ein "kleines" Molekül).

Die Struktur hat Falten und Kreuze, die einem Dreiblatt mit drei Armen ähneln. An einem Ende befindet sich ein adenylischer Ring, wobei die Hydroxylgruppe der Ribose die Verbindung mit der zu transportierenden Aminosäure vermittelt.

Die verschiedenen Transfer-RNAs werden ausschließlich mit einer der zwanzig Aminosäuren, die die Proteine ​​bilden, kombiniert; Mit anderen Worten, es transportiert die grundlegenden Bausteine ​​von Proteinen. Der Transfer-RNA-Komplex zusammen mit der Aminosäure wird Aminoacyl-tRNA genannt.

Darüber hinaus erkennt jede Transfer-RNA im Translationsprozess, der durch Ribosomen entsteht, ein spezifisches Codon in der Messenger-RNA. Wenn es erkannt wird, wird die entsprechende Aminosäure freigesetzt und wird Teil des synthetisierten Peptids.

Um die Art der zu verabreichenden Aminosäure zu erkennen, hat die RNA ein "Anticodon", das sich in der mittleren Region des Moleküls befindet.Dieses Anticodon kann Wasserstoffbrücken mit den komplementären Basen bilden, die in der Messenger-DNA vorhanden sind.

MicroRNA

MicroRNAs oder mRNAs sind eine kurze Art einzelsträngiger RNA zwischen 21 und 23 Nukleotiden, deren Funktion es ist, die Expression von Genen zu regulieren. Da es nicht zu Protein übersetzt, wird es normalerweise nicht-kodierende RNA genannt.

Wie die anderen RNA-Typen ist die Verarbeitung von microRNAs komplex und umfasst eine Reihe von Proteinen.

MicroRNAs entstehen aus längeren Vorläufern, genannt mRNA-pri, die aus dem ersten Transkript des Gens stammen. Im Zellkern sind diese Vorläufer im Mikroprozessorkomplex modifiziert und das Ergebnis ist eine pre-miRNA.

Die Prä-mRNAs sind Gabeln von 70 Nukleotiden, die ihre Weiterverarbeitung im Zytoplasma durch ein Enzym namens Dicer fortsetzen, das den RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC) zusammensetzt und schließlich die mRNA synthetisiert.

Diese RNAs sind in der Lage, die Expression von Genen zu regulieren, da sie komplementär zu spezifischen Boten-RNAs sind. Wenn sie mit ihrem Ziel gekoppelt sind, können die miRNAs den Messenger unterdrücken oder sogar abbauen. Folglich kann das Ribosom das Transkript nicht übersetzen.

RNA zum Schweigen bringen

Eine spezielle Art von microRNA ist die small interfering RNA (siRNA), auch Silencing-RNA genannt. Sie sind kurze RNAs zwischen 20 und 25 Nukleotiden, die die Expression bestimmter Gene behindern.

Sie sind sehr vielversprechende Instrumente für die Forschung, da sie ein interessierendes Gen zum Schweigen bringen und so seine mögliche Funktion untersuchen können.

Unterschiede zwischen DNA und RNA

Obwohl DNA und RNA Nukleinsäuren sind und auf den ersten Blick sehr ähnlich aussehen können, unterscheiden sie sich in einigen ihrer chemischen und strukturellen Eigenschaften. DNA ist ein Doppelband-Molekül, während RNA eine einfache Bande ist.

Daher ist RNA ein vielseitigeres Molekül und kann eine große Vielfalt an dreidimensionalen Formen annehmen. Bestimmte Viren haben jedoch doppelsträngige RNA in ihrem genetischen Material.

In RNA-Nukleotiden ist das Zuckermolekül eine Ribose, während es in der DNA eine Desoxyribose ist, die sich nur in Gegenwart eines Sauerstoffatoms unterscheidet.

Die Phosphodiesterbindung in dem DNA- und RNA-Skelett ist anfällig für einen Prozess langsamer Hydrolyse und ohne die Anwesenheit von Enzymen. Unter Alkalinitätsbedingungen hydrolysiert die RNA schnell - dank der zusätzlichen Hydroxylgruppe - während die DNA dies nicht tut.

In ähnlicher Weise sind die stickstoffhaltigen Basen, die die Nukleotide in der DNA bilden, Guanin, Adenin, Thymin und Cytosin; Auf der anderen Seite wird Thymin in RNA durch Uracil ersetzt. Uracil kann ebenso wie Thymin in DNA mit Adenin gepaart werden.

Ursprung und Entwicklung

RNA ist das einzige bekannte Molekül, das in der Lage ist, Informationen zu speichern und gleichzeitig chemische Reaktionen zu katalysieren. Daher schlagen mehrere Autoren vor, dass das RNA-Molekül am Ursprung des Lebens entscheidend war. Überraschenderweise sind die Substrate der Ribosomen andere RNA-Moleküle.

Die Entdeckung von Ribozymen führte zur biochemischen Neudefinition von "Enzym" - weil der Begriff ausschließlich für Proteine ​​mit katalytischer Aktivität verwendet wurde - und trug dazu bei, ein Szenario aufrecht zu erhalten, in dem die ersten Lebensformen nur RNA als genetisches Material verwendeten.

Referenzen

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