Arten und Funktionen von RNA-Molekülen. Welche Arten von RNA gibt es in der Zelle, wo werden sie synthetisiert?

Im RNA-Molekül anstelle von Thymin vorhanden. RNA-Nukleotide enthalten Ribose anstelle von Desoxyribose. In einer RNA-Kette sind Nukleotide durch kovalente Bindungen zwischen der Ribose eines Nukleotids und dem Phosphorsäurerest eines anderen verbunden.

Im Körper kommt RNA in Form von Komplexen mit Proteinen - Ribonukleoproteinen - vor.

Es gibt 2 Arten von RNA-Molekülen:

1) Doppelsträngige RNAs sind charakteristisch für einige Viren - sie dienen der Speicherung und Reproduktion von Erbinformationen (führen die Funktionen von Chromosomen aus).

2) In den meisten Zellen übernehmen einzelsträngige RNAs die Übertragung von Informationen über die Aminosäuresequenz in Proteinen vom Chromosom zum Ribosom.

Einzelsträngige RNAs haben räumliche Organisation: Durch die Wechselwirkung stickstoffhaltiger Basen untereinander sowie mit Phosphaten und Hydroxylen des Zucker-Phosphat-Rückgrats wird die Kette zu einer kompakten Struktur wie einem Kügelchen gefaltet. Funktion: Transfer von Chromosom zu Ribosom Information über die Sequenz von AA in zu synthetisierenden Proteinen.

Je nach Funktion oder Ort in der Zelle gibt es verschiedene Arten von einzelsträngiger RNA:

1. Ribosomale RNA (rRNA) macht den Großteil der zytoplasmatischen RNA aus (80-90%). Abmessungen 3000-5000 Basenpaare. Sekundärstruktur in Form von Doppelhelix-Haarnadeln. rRNA ist ein struktureller Bestandteil von Ribosomen – Zellorganellen, in denen die Proteinsynthese stattfindet. Ribosomen sind im Zytoplasma, Nukleolus, Mitochondrien und Chloroplasten lokalisiert. Bestehen aus zwei Untereinheiten - groß und klein. Die kleine Untereinheit besteht aus einem rRNA-Molekül und 33 Proteinmolekülen, die große Untereinheit besteht aus 3 rRNA-Molekülen und 50 Proteinen. Ribosomenproteine ​​erfüllen enzymatische und strukturelle Funktionen.

rRNA-Funktionen:

1) Strukturkomponente Ribosom- ihre Integrität ist für die Proteinbiosynthese notwendig;

2) Gewährleistung der korrekten Bindung des Ribosoms an mRNA;

3) Gewährleistung der korrekten Bindung des Ribosoms an t-RNA;

2. Matrix (mRNA) - 2-6 % der Gesamtmenge an RNA.

Besteht aus Bereichen:

1) Cistrons - bestimmen die Sequenz von AK in den Proteinen, die sie codieren, haben eine einzigartige Nukleotidsequenz;

2) nicht translatierte Regionen befinden sich an den Enden des Moleküls und weisen gemeinsame Muster der Nukleotidzusammensetzung auf.

Cap - eine spezielle Struktur am 5'-Ende der mRNA - ist 7-Methylguanosintriphosphat, das enzymatisch während der Transkription gebildet wird.

Cap-Funktionen:

1) schützt das 5'-Ende vor Spaltung durch Exonukleasen,

2) dient der spezifischen Erkennung von mRNA während der Translation.

Präzistronische untranslatierte Region – 3–15 Nukleotide. Funktion: Gewährleistung der korrekten Interaktion des 5'-Endes der mRNA mit dem Ribosom.

Cistron: enthält initiierende und terminierende Codons - spezielle Nukleotidsequenzen, die für den Beginn und das Ende der Informationsübertragung von einem bestimmten Cistron verantwortlich sind.

Postcistronische untranslatierte Region – am 3'-Ende gelegen, enthält ein Hexanukleotid (häufig AAAAAA) und eine Kette von 20–250 Adenylnukleotiden. Die Funktion besteht darin, die intrazelluläre Stabilität von mRNA aufrechtzuerhalten.

3. Transfer-RNAs (tRNAs) - 15 % der gesamten RNA, bestehen aus 70-93 Basenpaaren. Funktion: Übertragung einer Aminosäure an den Ort der Proteinsynthese, „Erkennen“ (nach dem Prinzip der Komplementarität) der mRNA-Region, die der übertragenen Aminosäure entspricht. Für jede der 20 AAs gibt es spezifische tRNAs (normalerweise mehr als eine). Alle tRNAs haben eine komplexe Kleeblattstruktur.

Das Kleeblatt enthält 5 Abschnitte:

1) 3'-Ende - Akzeptorzweig (der AA-Rest ist hier durch eine Etherbindung gebunden),

2) Antikydon-Zweig – befindet sich gegenüber der Akzeptorstelle, besteht aus drei ungepaarten (mit freien Bindungen) Nukleotiden (Anticodon) und paart sich spezifisch (antiparallel, komplementär) mit dem mRNA-Codon.

Kodon- ein Satz von 3 Nukleotiden (Triplett) in mRNA, der die Position einer bestimmten Aminosäure in der synthetisierten Polypeptidkette bestimmt. Dies ist eine Einheit des genetischen Codes, mit deren Hilfe alle genetischen Informationen in DNA- und RNA-Molekülen „aufgezeichnet“ werden.

3) T-Zweig (Pseudouredin-Schleife – enthält Pseudouredin) – eine Stelle, die an das Ribosom bindet.

4) D-Zweig (Dehydrouredin-Schleife – enthält Dehydrouredin) – eine Stelle, die eine Wechselwirkung mit dem der Aminosäure entsprechenden Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase bereitstellt.

5) Zusätzlicher kleiner Ast. Die Funktionen wurden noch nicht erforscht.

6) Kern-RNA (nRNA) – ein Bestandteil des Zellkerns. Niederpolymer, stabil, dessen Rolle noch unklar ist.

Alle Arten von RNA werden im Zellkern auf der DNA-Matrix unter Einwirkung von Enzymen synthetisiert. Polymerasen. In diesem Fall wird eine Sequenz von Ribonukleotiden gebildet, die komplementär zur Sequenz von Desoxyribonukleotiden in der DNA ist - dies ist der Prozess der Transkription.

Verschiedene Arten von DNA und RNA - Nukleinsäuren - ist eines der Untersuchungsobjekte der Molekularbiologie. Einer der vielversprechendsten und sich am schnellsten entwickelnden Bereiche dieser Wissenschaft in den letzten Jahren war die Untersuchung von RNA.

Kurz über die Struktur der RNA

RNA, Ribonukleinsäure, ist also ein Biopolymer, dessen Molekül eine Kette ist, die aus vier Arten von Nukleotiden besteht. Jedes Nukleotid wiederum besteht aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin A, Guanin G, Uracil U oder Cytosin C) in Kombination mit einem Ribosezucker und einem Phosphorsäurerest. Phosphatreste, die sich mit den Ribosen benachbarter Nukleotide verbinden, "nähen" die Bausteine ​​der RNA zu einem Makromolekül - einem Polynukleotid - zusammen. So entsteht die Primärstruktur der RNA.

Die Sekundärstruktur - die Bildung einer Doppelkette - wird in einigen Teilen des Moleküls nach dem Prinzip der Komplementarität stickstoffhaltiger Basen gebildet: Adenin paart sich mit Uracil über eine doppelte und Guanin mit Cytosin - eine dreifache Wasserstoffbrücke.

In der Arbeitsform bildet das RNA-Molekül auch eine Tertiärstruktur - eine spezielle räumliche Struktur, Konformation.

RNA-Synthese

Alle Arten von RNA werden mit dem Enzym RNA-Polymerase synthetisiert. Es kann DNA- und RNA-abhängig sein, d. h. es kann die Synthese sowohl auf DNA- als auch auf RNA-Matrizen katalysieren.

Die Synthese basiert auf der Komplementarität der Basen und der Antiparallelität der Leserichtung des genetischen Codes und verläuft in mehreren Stufen.

Zuerst wird die RNA-Polymerase erkannt und an eine spezielle Nukleotidsequenz auf der DNA gebunden - den Promotor, wonach sich die DNA-Doppelhelix in einem kleinen Bereich aufwickelt und der Zusammenbau des RNA-Moleküls über einer der Ketten beginnt, die als Matrize bezeichnet wird (die andere Die DNA-Kette wird als Codierung bezeichnet - es ist ihre Kopie, die synthetisierte RNA ist). Die Asymmetrie des Promotors bestimmt, welcher der DNA-Stränge als Matrize dient, und erlaubt somit der RNA-Polymerase, die Synthese in der richtigen Richtung einzuleiten.

Der nächste Schritt wird Elongation genannt. Der Transkriptionskomplex, der RNA-Polymerase und eine unverdrillte Region mit einem DNA-RNA-Hybrid umfasst, beginnt sich zu bewegen. Während diese Bewegung fortschreitet, trennt sich der wachsende RNA-Strang allmählich, und die DNA-Doppelhelix wickelt sich vor dem Komplex ab und setzt sich dahinter wieder zusammen.

Das letzte Stadium der Synthese findet statt, wenn die RNA-Polymerase eine bestimmte Region der Matrix erreicht, die als Terminator bezeichnet wird. Der Abbruch (Ende) des Prozesses kann auf verschiedene Weise erreicht werden.

Die wichtigsten RNA-Typen und ihre Funktionen in der Zelle

Sie sind die folgenden:

• Matrix oder Information (mRNA). Dadurch wird die Transkription durchgeführt - die Übertragung genetischer Informationen von der DNA.
• Ribosomal (rRNA), das den Prozess der Translation bereitstellt - Proteinsynthese auf der mRNA-Vorlage.
• Transport (tRNA). Erzeugt die Erkennung und den Transport von Aminosäuren zum Ribosom, wo die Proteinsynthese stattfindet, und ist auch an der Translation beteiligt.
• Kleine RNAs sind eine umfangreiche Klasse kleiner Moleküle, die während der Prozesse der Transkription, RNA-Reifung und Translation verschiedene Funktionen erfüllen.
• RNA-Genome sind codierende Sequenzen, die die genetische Information einiger Viren und Viroide enthalten.

In den 1980er Jahren wurde die katalytische Aktivität von RNA entdeckt. Moleküle mit dieser Eigenschaft werden Ribozyme genannt. Es sind noch nicht so viele natürliche Ribozyme bekannt, ihre katalytische Fähigkeit ist geringer als die von Proteinen, aber in der Zelle erfüllen sie äußerst wichtige Funktionen. Derzeit wird erfolgreich an der Synthese von Ribozymen gearbeitet, die unter anderem auch angewandte Bedeutung haben.

Lassen Sie uns näher auf die verschiedenen Arten von RNA-Molekülen eingehen.

Matrix (Information) RNA

Dieses Molekül wird über den unverdrillten DNA-Abschnitt synthetisiert und kopiert so das Gen, das für ein bestimmtes Protein kodiert.

Die RNA eukaryotischer Zellen muss, bevor sie wiederum zu einer Matrix für die Proteinsynthese wird, reifen, dh einen Komplex verschiedener Modifikationen durchlaufen - die Verarbeitung.

Zunächst wird das Molekül bereits bei der Transkription einer Verkappung unterzogen: An seinem Ende wird eine spezielle Struktur aus einem oder mehreren modifizierten Nukleotiden, der Kappe, befestigt. Es spielt eine wichtige Rolle in vielen nachgeschalteten Prozessen und verbessert die mRNA-Stabilität. An das andere Ende des Primärtranskripts wird der sogenannte Poly(A)-Schwanz angehängt, eine Abfolge von Adenin-Nukleotiden.

Die Prä-mRNA wird dann gespleißt. Dies ist die Entfernung von nicht codierenden Regionen aus dem Molekül – Introns, die in eukaryotischer DNA reichlich vorhanden sind. Als nächstes erfolgt das Editieren der mRNA, bei dem ihre Zusammensetzung chemisch verändert wird, sowie die Methylierung, nach der die reife mRNA den Zellkern verlässt.

Ribosomale RNA

Die Basis des Ribosoms, eines Komplexes, der für die Proteinsynthese sorgt, besteht aus zwei langen rRNAs, die Unterpartikel des Ribosoms bilden. Sie werden zusammen als einzelne Prä-rRNA synthetisiert, die dann während der Verarbeitung getrennt wird. Die große Untereinheit umfasst auch rRNA mit niedrigem Molekulargewicht, die aus einem separaten Gen synthetisiert wurde. Ribosomale RNAs haben eine dicht gepackte Tertiärstruktur, die als Gerüst für Proteine ​​dient, die im Ribosom vorhanden sind und Hilfsfunktionen erfüllen.

In der Nicht-Arbeitsphase werden die Ribosomen-Untereinheiten getrennt; Zu Beginn des Translationsprozesses verbindet sich die rRNA der kleinen Untereinheit mit Boten-RNA, wonach die Elemente des Ribosoms vollständig kombiniert sind. Wenn die RNA der kleinen Untereinheit mit der mRNA interagiert, zieht sich diese sozusagen durch das Ribosom (was der Bewegung des Ribosoms entlang der mRNA entspricht). Die ribosomale RNA der großen Untereinheit ist ein Ribozym, dh sie hat enzymatische Eigenschaften. Es katalysiert die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren während der Proteinsynthese.

Es sollte beachtet werden, dass der größte Teil aller RNA in der Zelle ribosomal ist - 70-80%. DNA hat eine große Anzahl von Genen, die für rRNA kodieren, was ihre sehr intensive Transkription gewährleistet.

RNA übertragen

Dieses Molekül wird mit Hilfe eines speziellen Enzyms von einer bestimmten Aminosäure erkannt und transportiert die Aminosäure in Verbindung damit zum Ribosom, wo es als Vermittler im Prozess der Übersetzung - der Proteinsynthese - dient. Die Übertragung erfolgt durch Diffusion im Zytoplasma der Zelle.

Die neu synthetisierten tRNA-Moleküle werden wie andere Arten von RNA verarbeitet. Reife tRNA in ihrer aktiven Form hat eine Konformation, die einem Kleeblatt ähnelt. Auf dem Blattstiel – der Akzeptorstelle – befindet sich eine CCA-Sequenz mit einer Hydroxylgruppe, die an die Aminosäure bindet. Am gegenüberliegenden Ende des "Blatts" befindet sich eine Anticodon-Schleife, die sich mit einem komplementären Codon auf der mRNA verbindet. Die D-Schleife dient dazu, die Transfer-RNA an das Enzym zu binden, wenn sie mit der Aminosäure interagiert, und die T-Schleife – um an die große Untereinheit des Ribosoms zu binden.

Kleine RNA

Diese Arten von RNA spielen eine wichtige Rolle in zellulären Prozessen und werden derzeit aktiv untersucht.

Beispielsweise sind kleine Kern-RNAs in eukaryotischen Zellen am mRNA-Spleißen beteiligt und haben möglicherweise zusammen mit Spleißosomenproteinen katalytische Eigenschaften. Kleine nukleoläre RNAs sind an der Prozessierung von ribosomaler und Transfer-RNA beteiligt.

Kleine interferierende und microRNAs sind die wichtigsten Elemente des Regulationssystems der Genexpression, das für die Zelle notwendig ist, um ihre eigene Struktur und Vitalaktivität zu kontrollieren. Dieses System ist ein wichtiger Teil der antiviralen Immunantwort der Zelle.

Es gibt auch eine Klasse kleiner RNAs, die im Komplex mit Piwi-Proteinen funktionieren. Diese Komplexe spielen eine große Rolle bei der Entwicklung von Keimbahnzellen, bei der Spermatogenese und bei der Unterdrückung transponierbarer genetischer Elemente.

RNA-Genom

Das RNA-Molekül kann von den meisten Viren als Genom verwendet werden. Virale Genome sind unterschiedlich – einzel- und doppelsträngig, kreisförmig oder linear. Außerdem sind RNA-Genome von Viren häufig segmentiert und im Allgemeinen kürzer als DNA-enthaltende Genome.

Es gibt eine Familie von Viren, deren in RNA codierte genetische Information nach Infektion der Zelle durch reverse Transkription in DNA umgeschrieben wird, die dann in das Genom der Opferzelle eingeführt wird. Das sind die sogenannten Retroviren. Dazu gehört insbesondere das Human Immunodeficiency Virus.

Bedeutung der RNA-Forschung in der modernen Wissenschaft

Wenn früher die Meinung über die sekundäre Rolle der RNA vorherrschte, ist jetzt klar, dass sie ein notwendiges und wichtigstes Element der intrazellulären Lebenstätigkeit ist. Viele Prozesse von überragender Bedeutung kommen ohne die aktive Beteiligung von RNA nicht aus. Die Mechanismen solcher Prozesse blieben lange Zeit unbekannt, aber dank der Untersuchung verschiedener RNA-Typen und ihrer Funktionen werden viele Details allmählich klar.

Möglicherweise spielte RNA zu Beginn der Erdgeschichte eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Lebens. Die Ergebnisse neuerer Studien sprechen für diese Hypothese und bezeugen das außergewöhnliche Alter vieler Mechanismen der Zellfunktion unter Beteiligung bestimmter RNA-Typen. Zum Beispiel sind die kürzlich entdeckten Riboschalter als Teil der mRNA (ein System zur proteinfreien Regulation der Genaktivität im Transkriptionsstadium) nach Ansicht vieler Forscher Echos einer Ära, als primitives Leben auf der Grundlage von RNA aufgebaut wurde, ohne die Beteiligung von DNA und Proteinen. MicroRNAs gelten auch als sehr alter Bestandteil des Regulationssystems. Die Strukturmerkmale der katalytisch aktiven rRNA weisen auf ihre allmähliche Evolution hin, indem sie dem alten Protoribosom neue Fragmente hinzufügen.

Eine gründliche Untersuchung, welche Arten von RNA wie an bestimmten Prozessen beteiligt sind, ist auch für die theoretischen und angewandten Bereiche der Medizin von großer Bedeutung.

Und Uracil (im Gegensatz zu DNA, die Thymin anstelle von Uracil enthält). Diese Moleküle kommen in den Zellen aller lebenden Organismen sowie in einigen Viren vor.

Die Hauptfunktionen der RNA in zellulären Organismen sind eine Vorlage, um genetische Informationen in Proteine ​​zu übersetzen und die Ribosomen mit den entsprechenden Aminosäuren zu versorgen. Bei Viren ist es Träger der Erbinformation (kodiert Hüllproteine ​​und Enzyme von Viren). Viroide bestehen aus einem ringförmigen RNA-Molekül und enthalten keine anderen Moleküle. Existiert RNA-Welt-Hypothese, wonach RNA vor Proteinen entstand und die ersten Lebensformen waren.

Zelluläre RNAs werden in einem Prozess namens gebildet Transkription, das heißt, die Synthese von RNA auf einer DNA-Matrix, die von speziellen Enzymen durchgeführt wird - RNA-Polymerase. Boten-RNAs (mRNAs) nehmen dann an einem Prozess namens Translation teil. Übertragung ist die Synthese eines Proteins auf einer mRNA-Matrize unter Beteiligung von Ribosomen. Andere RNAs unterliegen nach der Transkription chemischen Modifikationen und erfüllen nach der Bildung von Sekundär- und Tertiärstrukturen Funktionen, die von der Art der RNA abhängen.

Einzelsträngige RNA ist durch eine Vielzahl von räumlichen Strukturen gekennzeichnet, in denen einige der Nukleotide derselben Kette miteinander gepaart sind. Einige hochstrukturierte RNAs sind an der Zellproteinsynthese beteiligt, zum Beispiel dienen Transfer-RNAs dazu, Codons zu erkennen und die entsprechenden Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese zu liefern, und Boten-RNAs dienen als strukturelle und katalytische Basis von Ribosomen.

Die Funktionen der RNA in modernen Zellen sind jedoch nicht auf ihre Rolle bei der Translation beschränkt. Somit sind mRNAs an eukaryotischen Boten-RNAs und anderen Prozessen beteiligt.

Zusätzlich zu der Tatsache, dass RNA-Moleküle Teil einiger Enzyme (z. B. Telomerase) sind, haben einzelne RNAs ihre eigene enzymatische Aktivität, die Fähigkeit, andere RNA-Moleküle zu brechen oder umgekehrt zwei RNA-Fragmente zu „kleben“. Solche RNAs werden genannt Ribozyme.

Eine Reihe von Viren bestehen aus RNA, das heißt, sie spielt bei ihnen die Rolle, die die DNA in höheren Organismen spielt. Basierend auf der Vielfalt der RNA-Funktionen in der Zelle wurde eine Hypothese aufgestellt, wonach RNA das erste Molekül ist, das in präbiologischen Systemen zur Selbstreproduktion fähig ist.

Geschichte der RNA-Studien

Nukleinsäuren wurden in entdeckt 1868 Der Schweizer Wissenschaftler Johann Friedrich Miescher, der diese Substanzen „Nuclein“ nannte, weil sie im Zellkern (lat. Nucleus) gefunden wurden. Später wurde entdeckt, dass Bakterienzellen, denen ein Zellkern fehlt, auch Nukleinsäuren enthalten.

Die Bedeutung von RNA in der Proteinsynthese wurde in vorgeschlagen 1939 in der Arbeit von Thorburn von Oscar Kaspersson, Jean Brachet und Jack Schultz. Gerard Mairbucks isolierte die erste Boten-RNA, die Kaninchen-Hämoglobin kodiert, und zeigte, dass bei Injektion in Eizellen dasselbe Protein gebildet wird.

In der Sowjetunion in 1956-57 Es wurden Arbeiten durchgeführt (A. Belozersky, A. Spirin, E. Volkin, F. Astrakhan), um die Zusammensetzung von RNA-Zellen zu bestimmen, was zu dem Schluss führte, dass der Großteil der RNA in der Zelle ribosomale RNA ist.

BEI 1959 Severo Ochoa erhielt den Nobelpreis für Medizin für die Entdeckung des Mechanismus der RNA-Synthese. Die 77 Nukleotide lange Sequenz einer der Hefe-S.-cerevisiae-tRNAs wurde in bestimmt 1965 im Labor von Robert Hall, für die 1968 er erhielt den Nobelpreis für Medizin.

BEI 1967 Carl Wese schlug vor, dass RNAs katalytische Eigenschaften haben. Er stellte die sogenannte RNA-Welt-Hypothese auf, in der die RNAs von Protoorganismen sowohl als Informationsspeichermoleküle (heute übernimmt diese Rolle die DNA) als auch als Moleküle, die Stoffwechselreaktionen katalysieren (heute tun dies Enzyme), dienten.

BEI 1976 Walter Fires und seine Gruppe von der Universität Gent (Holland) bestimmten erstmals die Sequenz des RNA-Genoms – das im Virus, dem Bakteriophagen MS2, enthalten ist.

Am Anfang 1990er Es wurde festgestellt, dass die Einführung fremder Gene in das Pflanzengenom zu einer Unterdrückung der Expression ähnlicher Pflanzengene führt. Etwa zur gleichen Zeit wurde gezeigt, dass RNAs mit einer Länge von etwa 22 Basen, die jetzt als miRNAs bezeichnet werden, eine regulatorische Rolle in der Ontogenese von Spulwürmern spielen.

Die Hypothese über die Bedeutung von RNA in der Proteinsynthese wurde von Torbjörn Caspersson auf der Grundlage von Forschungsergebnissen aufgestellt 1937-1939., wodurch gezeigt wurde, dass Zellen, die aktiv Protein synthetisieren, eine große Menge an RNA enthalten. Die Bestätigung der Hypothese wurde von Hubert Chantrenne erhalten.

Strukturmerkmale von RNA

RNA-Nukleotide bestehen aus einem Zucker - Ribose, an den eine der Basen in Position 1 "gebunden ist: Adenin, Guanin, Cytosin oder Uracil. Die Phosphatgruppe verbindet Ribosen zu einer Kette und bildet Bindungen mit dem 3"-Kohlenstoffatom einer Ribose und in 5"-Position zueinander. Phosphatgruppen sind bei physiologischem pH negativ geladen, sodass RNA aufgerufen werden kann Polyanion.

RNA wird als Polymer aus vier Basen (Adenin (A), Guanin (G), Uracil (U) und Cytosin (C)) transkribiert, aber "reife" RNA hat viele modifizierte Basen und Zucker. Insgesamt gibt es etwa 100 verschiedene Arten von modifizierten Nukleosiden in RNA, von denen:
-2"-O-Methylribose die häufigste Modifikation von Zucker;
- Pseudouridin- die am häufigsten modifizierte Base, die am häufigsten vorkommt. In Pseudouridin (Ψ) ist die Bindung zwischen Uracil und Ribose nicht C - N, sondern C - C, dieses Nukleotid kommt an verschiedenen Positionen in RNA-Molekülen vor. Insbesondere Pseudouridin ist wichtig für die tRNA-Funktion.

Eine weitere erwähnenswerte modifizierte Base ist Hypoxanthin, desaminiertes Guanin, dessen Nukleosid als Nukleosid bezeichnet wird Inosin. Inosin spielt eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Degeneration des genetischen Codes.

Die Rolle vieler anderer Modifikationen ist nicht vollständig verstanden, aber in ribosomaler RNA befinden sich viele posttranskriptionelle Modifikationen in Regionen, die für die Funktion des Ribosoms wichtig sind. Zum Beispiel an einem der Ribonukleotide, die an der Bildung einer Peptidbindung beteiligt sind. Stickstoffbasen in RNA können Wasserstoffbrücken zwischen Cytosin und Guanin, Adenin und Uracil sowie zwischen Guanin und Uracil bilden. Es sind aber auch andere Wechselwirkungen möglich, beispielsweise können mehrere Adenine eine Schleife bilden, oder eine aus vier Nukleotiden bestehende Schleife, in der sich ein Adenin-Guanin-Basenpaar befindet.

Ein wichtiges strukturelles Merkmal von RNA, das sie von DNA unterscheidet, ist das Vorhandensein einer Hydroxylgruppe an der 2"-Position der Ribose, die es dem RNA-Molekül ermöglicht, in der A- und nicht in der B-Konformation zu existieren, die am häufigsten in DNA zu sehen ist. Die A-Form hat eine tiefe und schmale Hauptfurche und eine flache und breite Nebenfurche. Eine zweite Folge des Vorhandenseins einer 2"-Hydroxylgruppe ist, dass konformativ plastische, d. h. nicht an der Bildung einer Doppelhelix beteiligte, Abschnitte aus das RNA-Molekül kann andere Phosphatbindungen chemisch angreifen und spalten.

Die "funktionierende" Form eines einzelsträngigen RNA-Moleküls, wie in Proteinen, hat es oft Tertiärstruktur. Die Tertiärstruktur wird auf der Grundlage der Elemente der Sekundärstruktur gebildet, die durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb eines Moleküls gebildet werden. Es gibt verschiedene Arten von Elementen der Sekundärstruktur - Stammschleifen, Schleifen und Pseudoknoten. Aufgrund der großen Anzahl möglicher Basenpaarungen ist die Vorhersage der Sekundärstruktur von RNA eine viel schwierigere Aufgabe als die von Proteinen, aber es gibt derzeit effektive Programme wie mfold.

Ein Beispiel für die Abhängigkeit der Funktionen von RNA-Molekülen von ihrer Sekundärstruktur sind die Internal Ribosome Entry Sites (IRES). IRES - eine Struktur am 5"-Ende der Boten-RNA, die die Anheftung des Ribosoms unter Umgehung des üblichen Mechanismus zur Initiierung der Proteinsynthese sicherstellt, erfordert das Vorhandensein einer speziell modifizierten Base (Cap) am 5"-Ende und Proteininitiationsfaktoren . Ursprünglich wurden IRES in viralen RNAs gefunden, aber jetzt häufen sich immer mehr Hinweise darauf, dass auch zelluläre mRNAs einen IRES-abhängigen Mechanismus der Initiation unter Stressbedingungen verwenden. Viele Arten von RNA, wie rRNA und snRNA (snRNA), wirken in der Zelle als Komplexe mit Proteinen, die sich mit RNA-Molekülen verbinden, nachdem sie synthetisiert oder (y) aus dem Zellkern in das Zytoplasma exportiert wurden. Solche RNA-Protein-Komplexe werden als Ribonukleoprotein-Komplexe oder bezeichnet Ribonukleoproteine.

Matrix Ribonukleinsäure (mRNA, Synonym - Boten-RNA, mRNA)- RNA, die für die Übertragung von Informationen über die Primärstruktur von Proteinen von der DNA zu den Stellen der Proteinsynthese verantwortlich ist. mRNA wird während der Transkription aus DNA synthetisiert, die dann wiederum während der Translation als Matrize für die Proteinsynthese verwendet wird. Somit spielt mRNA eine wichtige Rolle bei der "Manifestation" (Expression).
Die Länge einer typischen reifen mRNA beträgt mehrere hundert bis mehrere tausend Nukleotide. Die längsten mRNAs wurden in (+) ssRNA-Viren wie Picornaviren gefunden, aber es sollte daran erinnert werden, dass mRNA in diesen Viren ihr gesamtes Genom bildet.

Die überwiegende Mehrheit der RNAs kodiert nicht für Protein. Diese nicht-codierenden RNAs können von einzelnen Genen (z. B. ribosomalen RNAs) transkribiert oder von Introns abgeleitet werden. Die klassischen, gut untersuchten Arten von nicht-kodierenden RNAs sind Transfer-RNAs (tRNAs) und rRNAs, die am Translationsprozess beteiligt sind. Es gibt auch RNA-Klassen, die für die Genregulation, die mRNA-Verarbeitung und andere Rollen verantwortlich sind. Darüber hinaus gibt es nichtkodierende RNA-Moleküle, die chemische Reaktionen wie das Schneiden und Ligieren von RNA-Molekülen katalysieren können. In Analogie zu Proteinen, die chemische Reaktionen katalysieren können - Enzyme (Enzyme), werden katalytische RNA-Moleküle Ribozyme genannt.

Transport (tRNA)- kleine, aus etwa 80 Nukleotiden bestehende Moleküle mit einer konservativen Tertiärstruktur. Sie transportieren spezifische Aminosäuren zum Ort der Peptidbindungssynthese im Ribosom. Jede tRNA enthält eine Aminosäure-Anheftungsstelle und ein Anticodon zur Erkennung und Anheftung an ein mRNA-Codon. Das Anticodon bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Codon, wodurch die tRNA in eine Position gebracht wird, die die Bildung einer Peptidbindung zwischen der letzten Aminosäure des gebildeten Peptids und der an die tRNA gebundenen Aminosäure ermöglicht.

Ribosomale RNA (rRNA)- katalytische Komponente von Ribosomen. Eukaryotische Ribosomen enthalten vier Arten von rRNA-Molekülen: 18S, 5.8S, 28S und 5S. Drei der vier Arten von rRNA werden auf Polysomen synthetisiert. Im Zytoplasma verbinden sich ribosomale RNAs mit ribosomalen Proteinen, um Nukleoproteine ​​zu bilden, die Ribosomen genannt werden. Das Ribosom heftet sich an die mRNA und synthetisiert das Protein. rRNA macht bis zu 80 % der RNA aus, die im Zytoplasma eukaryotischer Zellen vorkommt.

Eine ungewöhnliche Art von RNA, die sowohl als tRNA als auch als mRNA (tmRNA) fungiert, findet sich in vielen Bakterien und Plastiden. Wenn das Ribosom auf defekten mRNAs ohne Stoppcodons stoppt, heftet die tmRNA ein kleines Peptid an, das das Protein zum Abbau lenkt.

Micro-RNA (21-22 Nukleotide lang) in Eukaryoten gefunden und durch den Mechanismus der RNA-Interferenz beeinflusst. Gleichzeitig kann der Komplex aus microRNA und Enzymen zu einer Methylierung von Nukleotiden in der DNA des Genpromotors führen, was als Signal dient, die Aktivität des Gens zu reduzieren. Wenn eine andere Art der mRNA-Regulation verwendet wird, wird die komplementäre miRNA abgebaut. Es gibt jedoch miRNAs, die die Genexpression eher erhöhen als verringern.

Small interfering RNA (siRNA, 20-25 Nukleotide) werden häufig durch virale RNA-Spaltung gebildet, aber es gibt auch endogene zelluläre miRNAs. Kleine interferierende RNAs wirken auch durch RNA-Interferenz in Mechanismen, die denen von miRNAs ähneln.

Vergleich mit DNA

Es gibt drei Hauptunterschiede zwischen DNA und RNA:

1 . DNA enthält den Zucker Desoxyribose, RNA enthält Ribose, die im Vergleich zu Desoxyribose eine zusätzliche Hydroxylgruppe besitzt. Diese Gruppe erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Hydrolyse des Moleküls, dh sie verringert die Stabilität des RNA-Moleküls.

2. Das zu Adenin in RNA komplementäre Nukleotid ist nicht Thymin, wie in DNA, sondern Uracil ist die unmethylierte Form von Thymin.

3. DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor, die aus zwei getrennten Molekülen besteht. RNA-Moleküle sind im Durchschnitt viel kürzer und überwiegend einzelsträngig. Strukturanalysen von biologisch aktiven RNA-Molekülen, darunter tRNA, rRNA, snRNA und andere Moleküle, die nicht für Proteine ​​kodieren, zeigten, dass sie nicht aus einer langen Helix bestehen, sondern aus zahlreichen kurzen Helices, die eng beieinander liegen und etwas Ähnliches bilden Tertiäre Proteinstruktur. Infolgedessen kann RNA chemische Reaktionen katalysieren, beispielsweise besteht das Peptidtransferasezentrum des Ribosoms, das an der Bildung der Peptidbindung von Proteinen beteiligt ist, vollständig aus RNA.

Funktionsmerkmale:

1. Verarbeitung

Viele RNAs sind an der Modifikation anderer RNAs beteiligt. Introns werden aus Spleißosomen-pro-mRNAs herausgeschnitten, die zusätzlich zu Proteinen mehrere kleine Kern-RNAs (snRNAs) enthalten. Außerdem können Introns ihre eigene Exzision katalysieren. Die als Ergebnis der Transkription synthetisierte RNA kann auch chemisch modifiziert werden. In Eukaryoten werden chemische Modifikationen von RNA-Nukleotiden, wie beispielsweise ihre Methylierung, von kleinen Kern-RNAs (snRNAs, 60–300 Nukleotide) durchgeführt. Diese Art von RNA ist in den Nucleolus- und Cajal-Körperchen lokalisiert. Nach der Assoziation der snRNA mit Enzymen bindet die snRNA an die Ziel-RNA durch Basenpaarung zwischen den beiden Molekülen, und die Enzyme modifizieren die Nukleotide der Ziel-RNA. Ribosomale und Transfer-RNAs enthalten viele solcher Modifikationen, deren spezifische Position im Laufe der Evolution oft erhalten bleibt. snRNAs und snRNAs selbst können ebenfalls modifiziert werden.

2. Sendung

tRNAs heften bestimmte Aminosäuren im Zytoplasma an und werden zum Ort der Proteinsynthese an mRNA geschickt, wo sie an ein Codon binden und eine Aminosäure spenden, die für die Proteinsynthese verwendet wird.

3. Informationsfunktion

In manchen Viren erfüllt RNA die Funktionen, die DNA in Eukaryoten erfüllt. Auch die Informationsfunktion wird von mRNA übernommen, die Informationen über Proteine ​​trägt und der Ort ihrer Synthese ist.

4. Genregulation

Einige Arten von RNA sind an der Regulation von Genen beteiligt, indem sie ihre Aktivität erhöhen oder verringern. Dies sind die sogenannten miRNAs (kleine interferierende RNAs) und microRNAs.

5. katalytischFunktion

Es gibt sogenannte Enzyme, die zur RNA gehören, sie werden Ribozyme genannt. Diese Enzyme erfüllen unterschiedliche Funktionen und haben eine besondere Struktur.

Im Gegensatz zu DNA-Molekülen werden Ribonukleinsäuren durch eine Polynukleotidkette dargestellt, die aus vier Arten von Nukleotiden besteht, die Zucker, Ribose, Phosphat und eine der vier stickstoffhaltigen Basen - Adenin, Guanin, Uracil oder Cytosin - enthalten. RNA wird auf DNA-Molekülen unter Verwendung von RNA-Polymerase-Enzymen in Übereinstimmung mit dem Prinzip der Komplementarität und Antiparallelität synthetisiert, und Uracil ist komplementär zu DNA-Adenin in RNA. Die ganze Vielfalt der in der Zelle wirkenden RNAs kann in drei Haupttypen unterteilt werden: mRNA, tRNA, rRNA.

Matrix oder Information, RNA (mRNA oder mRNA).

Transkription. Um Proteine ​​mit gewünschten Eigenschaften zu synthetisieren, wird an die Stelle ihrer Konstruktion eine „Anweisung“ gesendet, in der Reihenfolge, in der Aminosäuren in die Peptidkette eingebaut werden. Diese Anweisung ist in der Nukleotidsequenz der Matrix- oder Informations-RNA (mRNA, mRNA) enthalten, die an den entsprechenden DNA-Regionen synthetisiert wird. Der Prozess der mRNA-Synthese heißt Transkription. Die Synthese von mRNA beginnt mit der Entdeckung einer speziellen Stelle im DNA-Molekül durch die RNA-Polymerase, die den Ort des Beginns der Transkription anzeigt - den Promotor.

Nach der Bindung an den Promotor wickelt die RNA-Polymerase die benachbarte Windung der DNA-Helix ab. An dieser Stelle laufen zwei DNA-Stränge auseinander, und an einem davon synthetisiert das Enzym mRNA. Der Zusammenbau von Ribonukleotiden zu einer Kette erfolgt in Übereinstimmung mit ihrer Komplementarität mit DNA-Nukleotiden und auch antiparallel zur Matrizen-DNA-Kette. Da die RNA-Polymerase ein Polynukleotid nur vom 5'-Ende zum 3'-Ende zusammenbauen kann, kann nur einer der beiden DNA-Stränge als Matrize für die Transkription dienen, nämlich derjenige, der mit seiner 3 dem Enzym zugewandt ist '-Ende ( 3 "→ 5"). Eine solche Kette wird als kodogen bezeichnet. Die Antiparallelität der Verbindung zweier Polynukleotidketten in einem DNA-Molekül ermöglicht es der RNA-Polymerase, eine Vorlage für die mRNA-Synthese korrekt auszuwählen. Die Bewegung entlang der kodogenen DNA-Kette, RNA Polymerase führt ein allmähliches, genaues Umschreiben von Informationen durch, bis sie nicht auf eine bestimmte Nukleotidsequenz – den Transkriptionsterminator – treffen. In dieser Region wird die RNA-Polymerase sowohl von der DNA-Matrize als auch von der neu synthetisierten mRNA getrennt. Ein Fragment des DNA-Moleküls, bildet zusammen mit dem Promotor, der transkribierten Sequenz und dem Terminator eine Transkriptionseinheit, das Transkript. Während sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Moleküls bewegt, werden im Syntheseprozess die von ihr passierten einzelsträngigen DNA-Abschnitte wieder zu d Kriegsspirale. Die bei der Transkription gebildete mRNA enthält eine exakte Kopie der im entsprechenden DNA-Abschnitt aufgezeichneten Informationen. Drei benachbarte mRNA-Nukleotide, die für Aminosäuren kodieren, werden Codons genannt. Die mRNA-Codonsequenz kodiert für die Sequenz von Aminosäuren in der Peptidkette. mRNA-Codons entsprechen spezifischen Aminosäuren. Die Matrize für die mRNA-Transkription ist der kodogene DNA-Strang, der mit seinem 3'-Ende dem Enzym zugewandt ist.

Transfer-RNA (tRNA). Übertragung. Transfer-RNA (tRNA) spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Erbinformationen durch die Zelle. Die tRNA liefert die notwendigen Aminosäuren an die Montagestelle der Peptidketten und fungiert als Translationsmediator. tRNA-Moleküle sind Polynukleotidketten, die auf spezifischen DNA-Sequenzen synthetisiert werden. Sie bestehen aus einer relativ kleinen Anzahl von Nukleotiden -75-95. Durch die komplementäre Verbindung von Basen, die sich in verschiedenen Teilen der tRNA-Polynukleotidkette befinden, erhält sie eine kleeblattähnliche Struktur. Es besteht aus vier Hauptteilen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Der Akzeptor-"Stiel" wird durch zwei komplementär verbundene Endteile der tRNA gebildet. Es besteht aus sieben Basenpaaren. Das 3"-Ende dieses Stammes ist etwas länger und bildet eine einzelsträngige Region, die in einer CCA-Sequenz mit einer freien OH-Gruppe endet. An dieses Ende ist eine transportierbare Aminosäure angehängt. Die verbleibenden drei Äste sind komplementär gepaarte Nukleotidsequenzen, die enden in ungepaarten schleifenbildenden Regionen.Der mittlere dieser Zweige – Anticodon – besteht aus fünf Nukleotidpaaren und enthält ein Anticodon in der Mitte seiner Schleife von dieser tRNA zum Ort der Peptidsynthese transportiert.Es gibt zwei Seitenzweige zwischen dem Akzeptor- und dem Anticodon-Zweig.In ihren Schleifen enthalten sie modifizierte Basen – Dihydrouridin (D-Schleife)und das TψC-Triplett, wobei \y Pseudouriin (T ^C-Schleife). Zwischen dem Aiticodon- und dem T^C-Zweig befindet sich eine zusätzliche Schleife, die 3-5 bis 13-21 Nukleotide umfasst. Im Allgemeinen sind verschiedene Arten von tRNA durch eine bestimmte gekennzeichnet die Konsistenz der Nukleotidsequenz, die meistens aus 76 Nukleotiden besteht. Die Variation ihrer Anzahl ist hauptsächlich auf die Änderung der Anzahl zurückzuführen

Nukleotide in der Extraschleife. Komplementäre Regionen, die die tRNA-Struktur unterstützen, sind normalerweise konserviert. Die durch die Nukleotidsequenz bestimmte Primärstruktur der tRNA bildet die Sekundärstruktur der tRNA, die die Form eines Kleeblatts hat. Die Sekundärstruktur wiederum bewirkt eine dreidimensionale Tertiärstruktur, die durch die Ausbildung zweier senkrecht stehender Doppelhelices gekennzeichnet ist. Einer von ihnen wird durch die Akzeptor- und TψC-Zweige gebildet, der andere durch das Anticodon und die D-Zweige. Am Ende der einen Doppelhelix befindet sich die transportierte Aminosäure, am Ende der anderen das Anticodon. Diese Bereiche sind am weitesten voneinander entfernt. Die Stabilität der Tertiärstruktur der tRNA wird aufgrund des Auftretens zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der Polynukleotidkette aufrechterhalten, die sich in verschiedenen Teilen davon befinden, aber in der Tertiärstruktur räumlich nahe beieinander liegen. Verschiedene Arten von tRNAs haben eine ähnliche Tertiärstruktur, wenn auch mit einigen Variationen. Eines der Merkmale von tRNA ist das Vorhandensein ungewöhnlicher Basen, die als Ergebnis einer chemischen Modifikation nach dem Einschluss einer normalen Base in die Polynukleotidkette entstehen. Diese veränderten Basen bestimmen die große strukturelle Vielfalt von tRNAs im allgemeinen Plan ihrer Struktur. Von größtem Interesse sind Modifikationen der Basen, die das Anticodon bilden, die die Spezifität seiner Wechselwirkung mit dem Codon beeinflussen. Zum Beispiel ist die atypische Base Inosin, manchmal an der ersten Position des tRNA-Anticodons, in der Lage, sich komplementär mit drei verschiedenen dritten Basen des mRNA-Codons zu kombinieren – U, C und A. Die Existenz mehrerer Arten von tRNA, die sich kombinieren können mit dem gleichen Codon wurde ebenfalls etabliert. Infolgedessen werden im Zytoplasma von Zellen nicht 61 (nach der Anzahl der Codons), sondern etwa 40 verschiedene tRNA-Moleküle gefunden. Diese Menge reicht aus, um 20 verschiedene Aminosäuren zum Ort des Proteinaufbaus zu transportieren. Neben der Funktion der genauen Erkennung eines bestimmten Codons in der mRNA liefert das tRNA-Molekül eine mit diesem Codon verschlüsselte genau definierte Aminosäure an den Syntheseort der Peptidkette. Die spezifische Verknüpfung der tRNA mit "seiner" Aminosäure verläuft in zwei Stufen und führt zur Bildung einer Verbindung namens Aminoacyl-tRNA.

Anheftung einer Aminosäure an die entsprechende tRNA:

I-1. Stufe, die Wechselwirkung von Aminosäuren und ATP mit der Freisetzung von Pyrophosphat;

II-2. Stufe, Addition einer adenylierenden Aminosäure an das 3'-Ende der RNA

In der ersten Stufe wird die Aminosäure durch Wechselwirkung ihrer Carboxylgruppe mit ATP aktiviert. Als Ergebnis wird eine adipylierte Aminosäure gebildet. In der zweiten Stufe interagiert diese Verbindung mit der OH-Gruppe, die sich am 3 "-Ende der entsprechenden tRNA befindet, und die Aminosäure bindet ihre Carboxylgruppe daran, wodurch AMP freigesetzt wird. Somit schreitet dieser Prozess mit dem während der erhaltenen Energieaufwand fort Hydrolyse von ATP zu AMP Die Spezifität der Verbindung einer Aminosäure und einer das entsprechende Anticodon tragenden tRNA wird durch die Eigenschaften des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase erreicht. Im Zytoplasma gibt es eine ganze Reihe solcher Enzyme, die dazu in der Lage sind der räumlichen Erkennung einerseits ihrer Aminosäure und andererseits des entsprechenden tRNA-Anticodons. Die in DNA-Molekülen „aufgenommene“ und auf mRNA „umgeschriebene“ Erbinformation wird während der Translation aufgrund zweier spezifischer Prozesse entschlüsselt Erkennung molekularer Oberflächen mRNA durch gegenseitige Interaktion eines Anticodons mit einem Codon. Mit Hilfe des tRNA-Systems, der Sprache der mRNA-Nukleotidkette. in die Sprache der Aminosäuresequenz des Peptids übersetzt. Ribosomale RNA (rRNA). Ribosomaler Zyklus der Proteinsynthese. Der Interaktionsprozess zwischen mRNA und tRNA, der für die Übersetzung von Informationen aus der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren sorgt, findet an Ribosomen statt. Letztere sind komplexe Komplexe aus rRNA und verschiedenen Proteinen, in denen erstere ein Gerüst bilden. Ribosomale RNAs sind nicht nur ein struktureller Bestandteil von Ribosomen, sondern sorgen auch für deren Bindung an eine spezifische mRNA-Nukleotidsequenz. Dadurch wird der Start- und Leserahmen für die Bildung der Peptidkette festgelegt. Darüber hinaus sorgen sie für eine Wechselwirkung zwischen Ribosom und tRNA. Zahlreiche Proteine, aus denen Ribosomen bestehen, spielen zusammen mit rRNA sowohl strukturelle als auch enzymatische Rollen.

1. Boten-RNA überträgt den genetischen Code aus dem Zellkern in das Zytoplasma und bestimmt so die Synthese verschiedener Proteine.

2. Transfer-RNA trägt aktivierte Aminosäuren zu Ribosomen für die Synthese von Polypeptidmolekülen.

3. Ribosomale RNA in einem Komplex mit etwa 75 verschiedenen Proteinen bildet Ribosomen – Zellorganellen, auf denen Polypeptidmoleküle zusammengesetzt sind.

4. Kleine Kern-RNA (Introns) Beteiligt sich am Spleißen.

5. Kleine zytoplasmatische RNAs

6. snoRNA. Sie ist auch eine kleine Nukleolare. in den Nukleolen eukaryotischer Zellen.

7. RNA-Viren

8. Viroide RNA

Nach der Polyadenylierung wird die mRNA gespleißt, wobei Introns (Bereiche, die nicht für Proteine ​​kodieren) entfernt und Exons (Bereiche, die für Proteine ​​kodieren) fusioniert werden und ein einzelnes Molekül bilden. Das Spleißen wird durch einen großen Nukleoproteinkomplex katalysiert, das Spleißosom, das aus Proteinen und kleinen Kern-RNAs besteht. Viele Prä-mRNAs können auf unterschiedliche Weise gespleißt werden, wodurch verschiedene reife mRNAs entstehen, die für verschiedene Aminosäuresequenzen kodieren (alternatives Spleißen).

Kurz gesagt: Spleißen ist, wenn Introns, die für nichts kodieren, gehen und aus Exons ein reifes Molekül entsteht, das ein Protein kodieren kann.

Alternatives Spleißen – verschiedene Proteine ​​können aus einem einzigen Prä-mRNA-Molekül erhalten werden. Das heißt, wir haben es mit Variationen im Intron-Ausfall und unterschiedlicher Exon-Vernetzung zu tun.

Ribozyme

RNA-Moleküle mit enzymatischer Aktivität (meist die Eigenschaft der Autokatalyse)

Die Regulation der Genexpression durch Antisense-RNA zeichnet sich durch eine hohe Spezifität aus. Dies liegt an der hohen Genauigkeit des RNA-RNA-Hybridisierungsprozesses, basierend auf der komplementären Wechselwirkung verlängerter Nukleotidsequenzen untereinander.

Jedoch inaktivieren Antisense-RNAs selbst Ziel-mRNAs nicht irreversibel, und hohe (zumindest äquimolar in Bezug auf mRNA) intrazelluläre Konzentrationen von Antisense-RNAs sind erforderlich, um die Expression der entsprechenden Gene zu unterdrücken. Die Wirksamkeit der Antisense-RNA-Wirkung nahm nach der Einführung von Ribozym-Molekülen – kurzen RNA-Sequenzen mit Endonuklease-Aktivität – in ihre Zusammensetzung stark zu. Viele andere enzymatische Aktivitäten, die mit RNA assoziiert sind, sind bekannt. Daher werden Ribozyme im weiteren Sinne als RNA-Moleküle bezeichnet, die keinerlei enzymatische Aktivität aufweisen.

An Modellsystemen wurde eine RNA-Variante zur Unterdrückung der HIV-Infektion getestet. Zu diesem Zweck wird eine ungewöhnliche Eigenschaft einiger RNA-Moleküle genutzt – ihre Fähigkeit, andere Arten von RNA zu zerstören. Für diese Entdeckung erhielten die Amerikaner T. Cech und S. Altman 1989 den Nobelpreis. Es wurde angenommen, dass alle biochemischen Reaktionen im Körper auf hocheffiziente spezifische Katalysatoren zurückzuführen sind, bei denen es sich um Proteine ​​​​- Enzyme handelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass einige RNA-Typen wie Proteine ​​eine hochspezifische katalytische Aktivität aufweisen. Diese RNAs werden Ribozyme genannt.

Ribozyme enthalten in sich Antisense-Stellen und Stellen, die eine enzymatische Reaktion ausführen. Diese. sie heften sich nicht nur an mRNA, sondern schneiden sie auch. Das Wesen der Unterdrückung der HIV-Infektion mit Ribozymen ist in Abb. 32 . Durch Bindung an eine komplementäre Ziel-RNA spaltet das Ribozym diese RNA, was zur Beendigung der Synthese des von der Ziel-RNA codierten Proteins führt. Wenn virale RNA ein solches Ziel für ein Ribozym ist, dann wird das Ribozym es "verderben", und das entsprechende virale Protein wird nicht gebildet. Infolgedessen hört das Virus auf, sich in der Zelle zu replizieren. Dieser Ansatz ist auf einige andere menschliche Pathologien anwendbar, zum Beispiel für die Behandlung von Krebs.

Ähnliche Informationen.

Ribonukleinsäure ist ein Copolymer aus Purin- und Pyrimidin-Ribonukleotiden, die wie in der DNA durch Phosphodiesterbrücken miteinander verbunden sind (Abb. 37.6). Obwohl diese beiden Arten von Nukleinsäuren viel gemeinsam haben, unterscheiden sie sich in vielerlei Hinsicht voneinander.

1. In RNA ist der Kohlenhydratrest, an den Purin- oder Pyrimidinbasen und Phosphatgruppen gebunden sind, Ribose und nicht 2-Desoxyribose (wie in DNA).

2. Die Pyrimidinkomponenten der RNA unterscheiden sich von denen der DNA. Die Zusammensetzung von RNA sowie die Zusammensetzung von DNA umfasst die Nukleotide von Adenin, Guanin und Cytosin. Gleichzeitig enthält RNA (mit Ausnahme einiger Sonderfälle, auf die wir weiter unten eingehen werden) kein Thymin, dessen Platz im RNA-Molekül von Uracil eingenommen wird.

3. RNA ist ein einzelsträngiges Molekül (im Gegensatz zu DNA, die eine doppelsträngige Struktur hat), aber wenn es Abschnitte mit einer komplementären Sequenz (entgegengesetzter Polarität) in der RNA-Kette gibt, kann sich eine einzelne RNA-Kette so falten -„Haarnadeln“ genannte Strukturen, die doppelsträngige Eigenschaften haben ( Abb. 37.7).

Reis. 37.6. Ein Fragment eines Ribonukleinsäure (RNA)-Moleküls, in dem die Purin- und Pyrimidinbasen – Adenin (A), Uracil (U), Cytosin (C) und Guanin – durch ein Phosphodiester-Rückgrat zurückgehalten werden, das Ribosylreste verbindet, die durch ein N- glykosidische Bindung an die entsprechenden Nukleinbasen Beachten Sie, dass der RNA-Strang eine spezifische Richtung aufweist, die durch die 5- und 3-terminalen Phosphatreste angezeigt wird.

4. Da das RNA-Molekül ein Einzelstrang ist, der nur zu einem der DNA-Stränge komplementär ist, ist der Gehalt an Guanin darin nicht notwendigerweise gleich dem Gehalt an Cytosin, und der Gehalt an Adenin ist nicht notwendigerweise gleich dem Gehalt an Uracil.

5. RNA kann mit Alkali zu 2,3-cyclischen Diestern von Mononukleotiden hydrolysiert werden; 2, Y, 5-Triester fungiert als Zwischenprodukt der Hydrolyse, das bei der alkalischen Hydrolyse von DNA aufgrund des Fehlens von 2-Hydroxylgruppen in letzterer nicht gebildet wird; Die alkalische Labilität von RNA (im Vergleich zu DNA) ist eine nützliche Eigenschaft sowohl für diagnostische als auch für analytische Zwecke.

Die in einer einzelsträngigen RNA enthaltene Information wird in Form einer spezifischen Abfolge von Purin- und Pyrimidinbasen (also in der Primärstruktur) der Polymerkette realisiert. Diese Sequenz ist komplementär zum kodierenden Strang des Gens, von dem die RNA "abgelesen" wird. Aufgrund der Komplementarität kann ein RNA-Molekül spezifisch mit einem codierenden Strang binden (hybridisieren), aber nicht mit einem nicht codierenden DNA-Strang hybridisieren. Die RNA-Sequenz ist (bis auf den Austausch von T durch U) identisch mit der Sequenz des nicht kodierenden Genstrangs (Abb. 37.8).

Biologische Funktionen von RNA

Es sind mehrere Arten von RNA bekannt. Fast alle sind direkt am Prozess der Proteinbiosynthese beteiligt. Zytoplasmatische RNA-Moleküle, die als Vorlagen für die Proteinsynthese dienen, werden Boten-RNA (mRNA) genannt. Eine andere Art von zytoplasmatischer RNA, ribosomale RNA (rRNA), spielt die Rolle von Strukturkomponenten von Ribosomen (Organellen, die eine wichtige Rolle bei der Proteinsynthese spielen). Transfer-RNA (tRNA)-Adaptermoleküle sind an der Übersetzung (Translation) von mRNA-Informationen in die Aminosäuresequenz von Proteinen beteiligt.

Ein erheblicher Teil der in eukaryotischen Zellen, einschließlich Säugerzellen, produzierten RNA-Primärtranskripte wird im Zellkern abgebaut und spielt keine strukturelle oder informative Rolle im Zytoplasma. In kultiviert

Reis. 37.7. Die Sekundärstruktur eines RNA-Moleküls vom Typ „Schleife mit Stiel“ („Haarnadel“), die aus der intramolekularen Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Paaren von Nukleinbasen resultiert.

In menschlichen Zellen wurde eine Klasse kleiner Kern-RNAs entdeckt, die nicht direkt an der Proteinsynthese beteiligt sind, aber die RNA-Verarbeitung und die gesamte „Architektur“ der Zelle beeinflussen können. Die Größe dieser relativ kleinen Moleküle variiert, letztere enthalten 90 bis 300 Nukleotide (Tab. 37.3).

RNA ist das wichtigste genetische Material in einigen Tier- und Pflanzenviren. Einige RNA-Viren durchlaufen niemals die reverse Transkription von RNA in DNA. Die meisten bekannten Tierviren, wie Retroviren, sind jedoch durch reverse Transkription ihres RNA-Genoms gekennzeichnet, die durch RNA-abhängige DNA-Polymerase (reverse Transkriptase) gesteuert wird, um eine doppelsträngige DNA-Kopie zu bilden. In vielen Fällen wird das resultierende doppelsträngige DNA-Transkript in das Genom integriert und sorgt weiter für die Expression von Virusgenen sowie die Produktion neuer Kopien viraler RNA-Genome.

Strukturelle Organisation der RNA

In allen eukaryotischen und prokaryotischen Organismen gibt es drei Hauptklassen von RNA-Molekülen: Informations- (Matrix- oder Messenger-) RNA (mRNA), Transport- (tRNA) und ribosomale (rRNA). Vertreter dieser Klassen unterscheiden sich in Größe, Funktion und Stabilität voneinander.

Informativ (mRNA) ist die heterogenste Klasse in Bezug auf Größe und Stabilität. Alle Vertreter dieser Klasse dienen als Informationsträger vom Gen zum proteinsynthetisierenden System der Zelle. Sie dienen als Matrize für das synthetisierte Polypeptid, dh sie bestimmen die Aminosäuresequenz des Proteins (Abb. 37.9).

Boten-RNAs, insbesondere eukaryotische, haben einige einzigartige Strukturmerkmale. Das 5-Ende der mRNA wird durch 7-Methylguanosintriphosphat „gedeckelt“, das über einen Triphosphatrest an das 5-Hydroxyl des benachbarten 2-0-Methylribonukleosids gebunden ist (Abb. 37.10). mRNA-Moleküle enthalten oft interne 6-Methyladenin-Reste und 2-0-methylierte Ribonukleotide. Obwohl die Bedeutung von "Capping" noch nicht vollständig aufgeklärt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die resultierende Struktur des mRNA-5-Terminus zur spezifischen Erkennung im Translationssystem genutzt wird. Die Proteinsynthese beginnt am 5"-(verkappten) Ende der mRNA. Das andere Ende der meisten mRNA-Moleküle (3-Ende) enthält eine Polyadenylatkette von 20–250 Nukleotiden. Die spezifischen Funktionen davon wurden noch nicht endgültig festgestellt Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Struktur für die Aufrechterhaltung der intrazellulären Stabilität der mRNA verantwortlich ist. Einige mRNAs, einschließlich Histone, enthalten kein Poly(A). Das Vorhandensein von Poly(A) in der mRNA-Struktur wird verwendet, um die Gesamt-RNA von anderen RNA-Typen zu trennen, indem die Gesamt-RNA weiter fraktioniert wird Säulen mit Oligo(T), das auf einem festen Träger wie Zellulose immobilisiert ist, mit der Säule tritt aufgrund komplementärer Wechselwirkungen von Poly(A)-"Schwanz" mit immobilisiertem Oligo(T) auf.

Reis. 37.8. Die Sequenz eines Gens und sein RNA-Transkript. Die codierenden und nicht codierenden Stränge sind gezeigt und ihre Polaritäten sind notiert. Ein RNA-Transkript mit Polarität ist komplementär zum kodierenden Strang (mit Polarität 3–5) und identisch in Sequenz (mit Ausnahme von T-zu-U-Substitutionen) und Polarität des nichtkodierenden DNA-Strangs.

Reis. 37.9. Expression der DNA-Erbinformation in Form eines mRNA-Transkripts und anschließende Translation unter Beteiligung von Ribosomen zu einem spezifischen Proteinmolekül.

(siehe Scannen)

Reis. 37.10. Die am 5-Terminus der meisten eukaryotischen Boten-RNAs zu findende "Cap"-Struktur 7-Methylguanosintriphosphat ist an den 5-Terminus der mRNA gebunden. das normalerweise ein 2-O-Methylpurin-Nukleotid enthält.

In Säugerzellen, einschließlich menschlicher Zellen, sind reife mRNA-Moleküle, die sich im Zytoplasma befinden, keine vollständige Kopie der transkribierten Region des Gens. Das durch die Transkription gebildete Polyribonukleotid ist eine Vorstufe der zytoplasmatischen mRNA und wird vor Verlassen des Zellkerns einer spezifischen Prozessierung unterzogen. Die in den Zellkernen von Säugetierzellen gefundenen unverarbeiteten Transkriptionsprodukte bilden die vierte Klasse von RNA-Molekülen. Solche Kern-RNAs sind sehr heterogen und erreichen beachtliche Größen. Moleküle heterogener Kern-RNA können ein Molekulargewicht von mehr als haben, während das Molekulargewicht von mRNA normalerweise 2106 nicht überschreitet. Sie werden im Zellkern verarbeitet, und die resultierenden reifen mRNAs gelangen in das Zytoplasma, wo sie als Matrix für Protein dienen Biosynthese.

Transfer-RNA (tRNA)-Moleküle enthalten normalerweise etwa 75 Nukleotide. Das Molekulargewicht solcher Moleküle beträgt . tRNAs entstehen auch durch die spezifische Prozessierung der entsprechenden Vorläufermoleküle (siehe Kapitel 39). Transport-tRNAs wirken als Mediatoren im Verlauf der mRNA-Translation. In jeder Zelle gibt es mindestens 20 Arten von tRNA-Molekülen. Jede Art (manchmal mehrere Arten) von tRNA entspricht einer der 20 Aminosäuren, die für die Proteinsynthese benötigt werden. Obwohl sich jede spezifische tRNA in ihrer Nukleotidsequenz von anderen unterscheidet, haben sie alle gemeinsame Merkmale. Aufgrund mehrerer komplementärer Regionen innerhalb des Strangs haben alle tRNAs eine Sekundärstruktur, die als „Kleeblatt“ bezeichnet wird (Abb. 37.11).

Moleküle aller Arten von tRNA haben vier Hauptarme. Der Akzeptorarm besteht aus einem „Stamm" von gepaarten Nukleotiden und endet mit der CCA-Sequenz. Über die Y-Hydroxylgruppe des Adenosylrests erfolgt die Bindung an die Carboxylgruppe der Aminosäure. Die übrigen Arme bestehen ebenfalls aus "Stielen", die aus komplementären Basenpaaren und Schleifen aus ungepaarten Basen bestehen (Abb. 37.7). Der Anticodon-Arm erkennt ein Nukleotidtriplett oder Codon (siehe Kapitel 40) in mRNA. Der D-Arm ist so benannt wegen des darin enthaltenen Dihydrouridins, der -Arm ist nach der Sequenz von T-Pseudouridin-C benannt. Der zusätzliche Arm ist die variabelste Struktur und dient als Grundlage für die Klassifizierung von tRNAs. tRNAs der Klasse 1 (75 % ihrer Gesamtzahl) haben einen zusätzlichen Arm mit einer Länge von 3–5 Basenpaaren. Der zusätzliche Arm von tRNA-Molekülen der Klasse 2 ist 13–21 Basenpaare lang und enthält oft eine ungepaarte Schleife.

Reis. 37.11. Die Struktur des Aminoacyl-tRNA-Moleküls, an dessen 3-CCA-Terminus eine Aminosäure angehängt ist. Die intramolekularen Wasserstoffbindungen und die Position des Anticodons, TTC und Dihydrouracil-Arme sind angegeben. (Aus J. D. Watson. Molecular biology of the Gene 3rd, ed.. Copyright 1976, 1970, 1965 by W. A. ​​​​Benjamin, Inc., Menlo Park Calif.)

Die Sekundärstruktur, bestimmt durch das System komplementärer Wechselwirkungen von Nukleotidbasen der entsprechenden Arme, ist charakteristisch für alle Arten.Der Akzeptorarm enthält sieben Basenpaare, der -Arm - fünf Basenpaare, der D-Arm - drei (oder vier) Basenpaare.

tRNA-Moleküle sind in Prokaryoten sehr stabil, in Eukaryoten etwas weniger stabil. Die umgekehrte Situation ist typisch für mRNA, die in Prokaryoten eher instabil ist, während sie in eukaryotischen Organismen eine beträchtliche Stabilität aufweist.

Ribosomale RNA. Das Ribosom ist eine zytoplasmatische Nukleoproteinstruktur, die für die Proteinsynthese aus einer mRNA-Matrize entwickelt wurde. Das Ribosom stellt einen spezifischen Kontakt her, wodurch die Übersetzung der von einem bestimmten Gen abgelesenen Nukleotidsequenz in die Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins erfolgt.

Im Tisch. 37.2 zeigt die Bestandteile von Säugerribosomen mit einem Molekulargewicht von 4,210 6 und einer Sedimentationsgeschwindigkeit (Swedberg-Einheiten). Säugetier-Ribosomen bestehen aus zwei Nukleoprotein-Untereinheiten, dem großen c

Tabelle 37.2. Ribosomenkomponenten von Säugetieren

Molekulargewicht (60S) und klein, mit einem Molekulargewicht (40S). Die 608-Untereinheit enthält 58-ribosomale RNA (rRNA), 5,8S-pRNA und 28S-pRNA sowie mehr als 50 verschiedene Polypeptide. Die kleine 408-Untereinheit umfasst eine einzelne 18S-pRNA und etwa 30 Polypeptidketten. Alle ribosomalen RNAs, mit Ausnahme der 5S-RNA, haben einen gemeinsamen Vorläufer, die 45S-RNA, die sich im Nukleolus befindet (siehe Kapitel 40). Das 5S-RNA-Molekül hat einen eigenen Vorläufer. Im Nukleolus werden hochmethylierte ribosomale RNAs mit ribosomalen Proteinen verpackt. Im Zytoplasma sind Ribosomen ziemlich stabil und in der Lage, eine große Anzahl von Translationszyklen durchzuführen.

Kleine stabile RNA. In eukaryotischen Zellen wurde eine große Anzahl diskreter, hochkonservierter, kleiner und stabiler RNA-Moleküle gefunden. Die meisten RNAs dieses Typs werden in Ribonukleoproteinen gefunden und sind im Zellkern, Zytoplasma oder gleichzeitig in beiden Kompartimenten lokalisiert. Die Größe dieser Moleküle variiert zwischen 90 und 300 Nukleotiden, ihr Inhalt beträgt 100.000 bis 1.000.000 Kopien pro Zelle.

Small Nuclear Ribonucleic Particles (oft auch als Snurps bezeichnet – von den englischen Small Nuclear Ribonucleic Particles) spielen wahrscheinlich eine wesentliche Rolle bei der Regulation der Genexpression. Nukleoproteinpartikel des U7-Typs scheinen an der Bildung der 3-Enden von Histon-mRNAs beteiligt zu sein. Partikel werden wahrscheinlich für die Polyadenylierung, die Entfernung von Introns und die mRNA-Prozessierung benötigt (siehe Kapitel 39). Tab. 37.3. fasst einige Eigenschaften kleiner stabiler RNAs zusammen.

Tabelle 37.3. Einige Arten kleiner stabiler RNA, die in Säugetierzellen vorkommen

LITERATUR

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