Das RNA oder RNA (Ribonukleinsäure) ist eine Art von Nukleinsäure, die in eukaryotischen und prokaryotischen Organismen sowie in Viren vorhanden ist. Es ist ein Nukleotidpolymer, das in seiner Struktur vier Arten stickstoffhaltiger Basen enthält: Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil.
RNA wird im Allgemeinen als einzelne Bande (außer bei einigen Viren), linear oder in einer Reihe komplexer Strukturen gefunden. Tatsächlich 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 Proteinsynthese in Zellen verantwortlich sind. Messenger-RNAs fungieren als Vermittler und transportieren genetische Informationen zum Ribosom, das die Nachricht von einer Nukleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt..
Transfer-RNAs sind für die Aktivierung und Übertragung der verschiedenen Arten von Aminosäuren - insgesamt 20 - auf die Ribosomen verantwortlich. Für jede Aminosäure gibt es ein Transfer-RNA-Molekül, das die Sequenz in 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..
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Die Grundeinheiten der RNA sind Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), einer Pentose und einer Phosphatgruppe..
Stickstoffbasen leiten sich von zwei grundlegenden Verbindungen ab: Pyrimidinen und 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 aufweisen, die weniger häufig sind..
Pentose sind Einheiten von D-Ribose. Aus diesem Grund werden die Nukleotide, aus denen die RNA besteht, "Ribonukleotide" genannt..
Nukleotide sind durch chemische Bindungen unter Beteiligung der Phosphatgruppe miteinander verbunden. Um sie zu bilden, wird die Phosphatgruppe am 5'-Ende eines Nukleotids an die Hydroxylgruppe (-OH) am 3'-Ende des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine phosphodiesterartige Bindung entsteht..
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 wird die Struktur von Nukleinsäuren durch das 5'-Ende links und das 3'-Ende rechts dargestellt.
Das RNA-Produkt der DNA-Transkription ist eine einzelsträngige Bande, die sich durch Stapeln von Basen in einer helikalen Konformation nach rechts dreht. Die Wechselwirkung zwischen Purinen ist aufgrund ihrer Größe viel größer als die Wechselwirkung zwischen zwei Pyrimidinen.
In der RNA ist es nicht möglich, von einer traditionellen Sekundärstruktur und einer Referenzsekundärstruktur wie der Doppelhelix der DNA zu sprechen. Die dreidimensionale Struktur jedes RNA-Moleküls ist einzigartig und komplex, vergleichbar mit der von Proteinen (logischerweise können wir die Struktur von Proteinen nicht globalisieren)..
Es gibt schwache Wechselwirkungen, die zur Stabilisierung der RNA beitragen, insbesondere zur Basenstapelung, bei der sich die Ringe übereinander befinden. Dieses Phänomen trägt auch zur Stabilität der DNA-Helix bei..
Wenn das RNA-Molekül eine komplementäre Sequenz findet, können sie sich koppeln und eine doppelsträngige Struktur bilden, die sich nach rechts dreht. Die vorherrschende Form ist Typ A; Die Z-Formen wurden 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 der Bildung aufweisen Schleifen stabil. Diese Sequenz ist an der Faltung der dreidimensionalen Struktur der RNA beteiligt.
Darüber hinaus können sich an anderen Stellen als den typischen Basenpaarungen (AU und CG) Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Eine dieser Wechselwirkungen tritt zwischen dem 2'-OH von Ribose und anderen Gruppen auf.
Die Aufklärung der verschiedenen Strukturen in der RNA hat dazu beigetragen, die vielfältigen Funktionen dieser Nukleinsäure zu demonstrieren..
Es gibt zwei Klassen von RNA: informative und funktionelle. Die erste Gruppe umfasst RNAs, die an der Proteinsynthese beteiligt sind und als Vermittler im Prozess fungieren. Informations-RNAs sind Messenger-RNAs.
Im Gegensatz dazu führen RNAs der zweiten Klasse, der funktionellen, nicht zu einem neuen Proteinmolekül, und die RNA selbst ist das Endprodukt. Dies sind Transfer-RNAs und ribosomale 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 zusammen, um eine Proteinbiosynthese zu erreichen..
Es gibt unter anderem auch kleine Kern-RNAs, kleine cytoplasmatische RNAs und microRNAs. Jeder der wichtigsten Typen wird nachstehend ausführlich beschrieben:
Bei Eukaryoten ist die DNA auf den Zellkern beschränkt, während die Proteinsynthese im Zytoplasma der Zelle stattfindet, wo sich Ribosomen befinden. Aufgrund dieser räumlichen Trennung muss es einen Mediator geben, der die Botschaft vom Kern zum Zytoplasma überträgt, und dieses Molekül ist die Messenger-RNA..
Messenger-RNA, abgekürzt mRNA, ist ein Zwischenmolekül, das die in DNA kodierte Information enthält und eine Aminosäuresequenz spezifiziert, aus der ein funktionelles Protein entsteht..
Der Begriff Messenger-RNA wurde 1961 von François Jacob und Jacques Monod vorgeschlagen, um den Teil der RNA zu beschreiben, der die Nachricht von der DNA auf die Ribosomen übertrug..
Der Prozess der Synthese einer mRNA aus dem DNA-Strang ist als Transkription bekannt und erfolgt unterschiedlich zwischen Prokaryoten und Eukaryoten..
Die Genexpression wird von mehreren Faktoren bestimmt und hängt von den Bedürfnissen jeder Zelle ab. Die Transkription ist in drei Stufen unterteilt: Initiierung, Verlängerung und Beendigung..
Der DNA-Replikationsprozess, der bei jeder Zellteilung stattfindet, kopiert das gesamte Chromosom. Der Transkriptionsprozess ist jedoch viel selektiver, er befasst sich nur mit der Verarbeitung spezifischer Segmente des DNA-Strangs und erfordert keinen Primer..
Auf Escherichia coli -Das am besten untersuchte Bakterium in den Biowissenschaften - die Transkription beginnt mit dem Abwickeln der DNA-Doppelhelix und die Bildung der Transkriptionsschleife. Das Enzym RNA-Polymerase ist für die Synthese von RNA verantwortlich und während die Transkription fortgesetzt wird, kehrt der DNA-Strang in seine ursprüngliche Form zurück.
Die Transkription wird nicht an zufälligen Stellen auf dem DNA-Molekül initiiert; Es gibt spezialisierte Standorte für dieses Phänomen, sogenannte Promotoren. Auf E coli Die RNA-Polymerase ist einige Basenpaare oberhalb der Zielregion gekoppelt.
Die Sequenzen, in denen Transkriptionsfaktoren gekoppelt sind, sind zwischen verschiedenen Spezies ziemlich konserviert. Eine der bekanntesten Promotorsequenzen ist die TATA-Box.
Bei der Verlängerung fügt das RNA-Polymeraseenzym dem 3'-OH-Ende neue Nukleotide hinzu, wobei es der 5'- bis 3'-Richtung folgt. Die Hydroxylgruppe wirkt als Nucleophil und greift das Alpha-Phosphat des hinzuzufügenden Nucleotids an. Diese Reaktion setzt ein Pyrophosphat frei.
Nur einer der DNA-Stränge wird zur Synthese der Messenger-RNA verwendet, die in 3'- bis 5'-Richtung kopiert wird (die antiparallele Form des neuen RNA-Strangs). Das hinzuzufügende Nukleotid muss der Basenpaarung entsprechen: U-Paare 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 vom Komplex getrennt.
In Prokaryoten kann ein Messenger-RNA-Molekül für mehr als ein Protein kodieren.
Wenn eine mRNA ausschließlich für ein Protein oder Polypeptid kodiert, wird sie als monocistronische mRNA bezeichnet. Wenn sie jedoch für mehr als ein Proteinprodukt kodiert, ist die mRNA polycistronisch (beachten Sie, dass sich der Begriff Cistron in diesem Zusammenhang auf das Gen bezieht)..
In eukaryotischen Organismen ist die überwiegende Mehrheit der mRNAs monocistronisch und die Transkriptionsmaschinerie ist in dieser Linie von Organismen viel komplexer. Sie zeichnen sich durch drei RNA-Polymerasen mit den Bezeichnungen I, II und III mit jeweils spezifischen Funktionen aus.
Das I ist verantwortlich für die Synthese der Prä-rRNAs, das II synthetisiert die Messenger-RNAs und einige spezielle RNAs. Schließlich ist III für Transfer-RNAs, ribosomales 5S und andere kleine RNAs verantwortlich..
Messenger-RNA unterliegt einer Reihe spezifischer Modifikationen in Eukaryoten. Das erste beinhaltet das Hinzufügen einer "Kappe" am 5'-Ende. Chemisch gesehen ist die Kappe ein 7-Methylguanosinrest, der durch eine 5 ', 5'-Triphosphatbindung an das Ende gebunden ist..
Die Funktion dieser Zone besteht darin, die RNA vor einem möglichen Abbau durch Ribonukleasen (Enzyme, die die RNA in kleinere Komponenten zerlegen) zu schützen..
Zusätzlich erfolgt die Entfernung des 3'-Endes und es werden 80 bis 250 Adeninreste zugegeben. Diese Struktur ist als PolyA- "Schwanz" bekannt und dient als Bindungsstelle für verschiedene Proteine. Wenn ein Prokaryot einen PolyA-Schwanz erwirbt, neigt er dazu, seinen Abbau zu stimulieren..
Andererseits wird dieser Bote mit Introns transkribiert. Introns sind DNA-Sequenzen, die nicht Teil des Gens sind, aber diese 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 wenigen bis zu zehn variieren..
Die splicing RNA- oder Spleißprozess beinhaltet die Entfernung von Introns in Messenger-RNA.
Einige Introns, die in nuklearen oder mitochondrialen Genen gefunden werden, können den Prozess von ausführen Spleißen ohne die Hilfe von Enzymen oder ATP. Stattdessen wird der Prozess durch Umesterungsreaktionen durchgeführt. Dieser Mechanismus wurde im Flimmertier entdeckt Tetrahymena thermophila.
Im Gegensatz dazu gibt es eine andere Gruppe von Boten, die nicht in der Lage sind, ihre eigenen zu vermitteln Spleißen, Sie brauchen also zusätzliche Maschinen. Eine ziemlich große Anzahl von Kerngenen gehört zu dieser Gruppe..
Der Prozess von Spleißen Es wird durch einen Proteinkomplex vermittelt, der als Spleißosom oder Spleißkomplex bezeichnet wird. Das System besteht aus spezialisierten RNA-Komplexen, die als kleine nukleare Ribonukleoproteine (RNP) bezeichnet werden..
Es gibt fünf Arten von RNP: U1, U2, U4, U5 und U6, die sich im Kern befinden und den Prozess von RNP vermitteln Spleißen.
Das Spleißen kann mehr als eine Art von Protein produzieren - dies ist bekannt als Spleißen Alternative: Da die Exons unterschiedlich angeordnet sind, entstehen verschiedene Messenger-RNAs.
Ribosomale RNA, abgekürzt rRNA, kommt in Ribosomen vor und ist an der Proteinbiosynthese beteiligt. Daher ist es ein wesentlicher Bestandteil aller Zellen.
Ribosomale RNA assoziiert mit Proteinmolekülen (ungefähr 100), um ribosomale Voreinheiten zu erzeugen. Sie werden in Abhängigkeit von ihrem Sedimentationskoeffizienten klassifiziert, der mit dem Buchstaben S für Svedberg-Einheiten bezeichnet wird..
Ein Ribosom besteht aus zwei Teilen: der Hauptuntereinheit und der Nebenuntereinheit. Beide Untereinheiten unterscheiden sich zwischen Prokaryoten und Eukaryoten hinsichtlich des Sedimentationskoeffizienten..
Prokaryoten haben eine große 50S-Untereinheit und eine kleine 30S-Untereinheit, während bei Eukaryoten die große Untereinheit 60S und die kleine 40S beträgt.
Die Gene, die für ribosomale RNAs 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 herausragende Struktur. Wenn die betreffende Zelle jedoch keine große Anzahl von Proteinprodukten benötigt, ist der Nucleolus eine fast nicht wahrnehmbare Struktur.
Die 60S große ribosomale Untereinheit ist mit den 28S- und 5.8S-Fragmenten assoziiert. In Bezug auf die kleine Untereinheit (40S) ist sie mit 18S assoziiert.
In höheren Eukaryoten wird Prä-rRNA in einer 45S-Transkriptionseinheit codiert, an der RNA-Polymerase I beteiligt ist. Dieses Transkript wird zu reifen ribosomalen 28S-, 18S- und 5.8S-RNAs verarbeitet..
Während die Synthese fortgesetzt wird, assoziiert die Prä-rRNA mit verschiedenen Proteinen und bildet Ribonukleoproteinpartikel. Es wird einer Reihe nachfolgender Modifikationen unterzogen, darunter die Methylierung der 2'-OH-Gruppe der Ribose und die Umwandlung von Uridinresten in Pseudouridin..
Die Region, in der diese Veränderungen auftreten werden, wird von mehr als 150 kleinen nukleolaren RNA-Molekülen gesteuert, die die Fähigkeit haben, sich an prä-rRNA zu koppeln..
Im Gegensatz zu den übrigen Prä-rRNAs wird 5S von der RNA-Polymerase III im Nucleoplasma und nicht im Nucleolus transkribiert. Nach der Synthese wird es zum Nucleolus gebracht, um sich mit dem 28S und 5.8S zusammenzusetzen, wodurch die ribosomalen Einheiten gebildet werden.
Am Ende des Assemblierungsprozesses werden die Untereinheiten durch die Kernporen auf das Zytoplasma übertragen..
Es kann vorkommen, dass aus einem Messenger-RNA-Molekül gleichzeitig mehrere Proteine entstehen, die an mehr als ein Ribosom binden. Mit fortschreitendem Translationsprozess wird das Ende des Botenstoffs frei und kann von einem anderen Ribosom aufgenommen werden, wodurch eine neue Synthese gestartet wird..
Aus diesem Grund ist es üblich, Ribosomen zu finden, die (zwischen 3 und 10) in einem einzelnen Molekül Messenger-RNA gruppiert sind, und diese Gruppe wird Polyribosom genannt.
Transfer-RNA ist für den Transfer von Aminosäuren im Verlauf des Proteinsyntheseprozesses verantwortlich. Sie bestehen aus ungefähr 80 Nukleotiden (im Vergleich zu Messenger-RNA ist es ein "kleines" Molekül).
Die Struktur hat Falten und Kreuze, die an ein dreiarmiges Kleeblatt erinnern. Ein Adenylring befindet sich an einem der Enden, wo die Hydroxylgruppe der Ribose die Vereinigung mit der zu transportierenden Aminosäure vermittelt.
Die verschiedenen Transfer-RNAs verbinden sich ausschließlich mit einer der zwanzig Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen. Mit anderen Worten, es ist das Vehikel, das die Bausteine von Proteinen trägt. Der Transfer-RNA-Komplex zusammen mit der Aminosäure wird Aminoacyl-tRNA genannt.
Darüber hinaus erkennt jede Transfer-RNA im Translationsprozess - der dank Ribosomen erfolgt - ein spezifisches Codon in der Messenger-RNA. Bei Erkennung wird die entsprechende Aminosäure freigesetzt und wird Teil des synthetisierten Peptids.
Um die Art der Aminosäure zu erkennen, die abgegeben werden muss, hat die RNA ein "Anticodon" im mittleren Bereich des Moleküls. Dieses Anticodon ist in der Lage, Wasserstoffbrücken mit den in der Messenger-DNA vorhandenen komplementären Basen zu bilden..
MicroRNAs oder miRNAs sind eine Art kurze, einzelsträngige RNA zwischen 21 und 23 Nukleotiden, deren Funktion darin besteht, die Expression von Genen zu regulieren. Da es nicht in Protein übersetzt wird, wird es oft als nicht-kodierende RNA bezeichnet..
Wie andere Arten von RNA ist auch die Verarbeitung von microRNA komplex und umfasst eine Reihe von Proteinen.
MicroRNAs entstehen aus längeren Vorläufern, sogenannten mi-pri-RNAs, die aus dem ersten Transkript des Gens stammen. Im Zellkern werden diese Vorläufer im Mikroprozessorkomplex modifiziert und das Ergebnis ist eine Prä-miRNA..
Prä-miRNAs sind 70 Nucleotid-Haarnadeln, die ihre Verarbeitung im Zytoplasma durch ein Enzym namens Dicer fortsetzen, das den RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC) zusammensetzt und schließlich die miRNA synthetisiert..
Diese RNAs können die Expression von Genen regulieren, da sie zu spezifischen Messenger-RNAs komplementär sind. Durch die Paarung mit ihrem Ziel können die miRNAs den Botenstoff unterdrücken oder sogar abbauen. Folglich kann das Ribosom das Transkript nicht übersetzen..
Eine besondere Art von microRNA sind kleine interferierende RNAs (siRNAs), auch Silencing-RNAs genannt. Es handelt sich um kurze RNAs mit 20 bis 25 Nukleotiden, die die Expression bestimmter Gene behindern.
Sie sind vielversprechende Instrumente für die Forschung, da sie es ermöglichen, ein interessierendes Gen zum Schweigen zu bringen und so seine mögliche Funktion zu untersuchen..
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 Doppelbandmolekül, während RNA einbandig ist.
Infolgedessen ist RNA ein vielseitigeres Molekül und kann eine Vielzahl dreidimensionaler Formen annehmen. Bestimmte Viren haben jedoch Doppelband-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 im Rückgrat von DNA und RNA neigt dazu, einen langsamen Hydrolyseprozess ohne die Anwesenheit von Enzymen zu durchlaufen. Unter alkalischen Bedingungen hydrolysiert RNA dank der zusätzlichen Hydroxylgruppe schnell, DNA dagegen nicht.
In ähnlicher Weise sind die stickstoffhaltigen Basen, aus denen Nukleotide in der DNA bestehen, Guanin, Adenin, Thymin und Cytosin; Im Gegensatz dazu wird in RNA Thymin durch Uracil ersetzt. Uracil kann sich mit Adenin genauso paaren wie Thymin in der DNA.
RNA ist das einzige bekannte Molekül, das Informationen speichern und gleichzeitig chemische Reaktionen katalysieren kann. Aus diesem Grund schlagen mehrere Autoren vor, dass das RNA-Molekül für den Ursprung des Lebens entscheidend war. Überraschenderweise sind Ribosomensubstrate andere RNA-Moleküle.
Die Entdeckung von Ribozymen führte zur biochemischen Neudefinition von "Enzym" - da der Begriff zuvor ausschließlich für Proteine mit katalytischer Aktivität verwendet wurde - und unterstützte ein Szenario, in dem die ersten Lebensformen nur RNA als genetisches Material verwendeten.
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