Irk-Entschlüsselung. RNA – Beschreibung, Funktionen und Entdeckungsgeschichte

Um das Leben in einem lebenden Organismus aufrechtzuerhalten, laufen viele Prozesse ab. Einige davon können wir beobachten – Atmen, Essen, Abfallprodukte loswerden, Informationen über die Sinne aufnehmen und diese Informationen vergessen. Die meisten chemischen Prozesse bleiben jedoch verborgen.

Referenz. Einstufung

Wissenschaftlich gesehen ist Stoffwechsel Stoffwechsel.

Der Stoffwechsel wird normalerweise in zwei Phasen unterteilt:
Während des Katabolismus zerfallen komplexe organische Moleküle in einfachere, um Energie zu erzeugen. (Energie wird verschwendet)
Bei den Prozessen des Anabolismus wird Energie für die Synthese komplexer Biomoleküle aus einfachen Molekülen aufgewendet. (Energie wird gespeichert)

Biomoleküle werden, wie oben gezeigt, in kleine und große Moleküle unterteilt.

Klein:
Lipide (Fette), Phospholipide, Glykolipide, Sterole, Glycerolipide,
Vitamine
Hormone, Neurotransmitter
Metaboliten
Groß:
Monomere, Oligomere und Polymere.

Monomere Oligomere Biopolymere

Aminosäuren Oligopeptide Polypeptide, Proteine
Monosaccharide Oligosaccharide Polysaccharide (Stärke, Cellulose)
Nukleotide Oligonukleotide Polynukleotide, (DNA, RNA)

Die Spalte „Biopolymere“ enthält Polynukleotide. Hier befindet sich die Ribonukleinsäure – Gegenstand des Artikels.

Ribonukleinsäuren. Struktur, Zweck.

Die Abbildung zeigt ein RNA-Molekül.
Die Nukleinsäuren DNA und RNA kommen in den Zellen aller lebenden Organismen vor und übernehmen die Funktion der Speicherung, Übertragung und Umsetzung von Erbinformationen.

Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen RNA und DNA

Wie Sie sehen, besteht eine äußerliche Ähnlichkeit mit der bekannten Struktur des DNA-Moleküls (Desoxyribonukleinsäure).
Allerdings kann RNA sowohl eine doppelsträngige als auch eine einzelsträngige Struktur haben.
Nukleotide (Fünfecke und Sechsecke in der Abbildung)
Darüber hinaus besteht der RNA-Strang aus vier Nukleotiden (oder stickstoffhaltigen Basen, die dasselbe sind): Adenin, Uracil, Guanin und Cytosin.
Der DNA-Strang besteht aus einem weiteren Satz von Nukleotiden: Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin.
Chemische Struktur des RNA-Polynukleotids:

Wie Sie sehen, gibt es die charakteristischen Nukleotide Uracil (für RNA) und Thymin (für DNA).
Alle 5 Nukleotide im Bild:


Die Sechsecke auf den Bildern sind Benzolringe, in die statt Kohlenstoff andere Elemente eingelagert sind, in diesem Fall Stickstoff.

Benzol. Als Referenz.

Die chemische Formel von Benzol lautet C6H6. Diese. Jede Ecke eines Sechsecks enthält ein Kohlenstoffatom. Die drei zusätzlichen inneren Linien im Sechseck weisen auf das Vorhandensein doppelter kovalenter Bindungen zwischen diesen Kohlenstoffatomen hin. Kohlenstoff ist ein Element der vierten Gruppe des Periodensystems und verfügt daher über vier Elektronen, die eine kovalente Bindung eingehen können. In der Abbildung gibt es eine Bindung mit einem Wasserstoffelektron, links eine zweite mit einem Kohlenstoffelektron und rechts zwei weitere mit 2 Kohlenstoffelektronen. Physikalisch gibt es jedoch eine einzige Elektronenwolke, die alle 6 Kohlenstoffatome von Benzol bedeckt.

Compoundierung stickstoffhaltiger Basen

Komplementäre Nukleotide verbinden sich über Wasserstoffbrücken miteinander (hybridisieren). Adenin ist komplementär zu Uracil und Guanin ist komplementär zu Cytosin. Je länger die komplementären Regionen auf einer bestimmten RNA sind, desto stärker ist die Struktur, die sie bilden. im Gegenteil, kurze Abschnitte werden instabil sein. Dadurch wird die Funktion einer bestimmten RNA bestimmt.
Die Abbildung zeigt ein Fragment der komplementären Region der RNA. Stickstoffhaltige Basen sind blau gefärbt

RNA-Struktur

Die Verknüpfung vieler Nukleotidgruppen erfolgt durch RNA-Haarnadeln (Primärstruktur):


Viele Stifte im Band greifen ineinander und bilden eine Doppelhelix. Im erweiterten Zustand ähnelt diese Struktur einem Baum (Sekundärstruktur):


Die Spiralen interagieren auch untereinander (Tertiärstruktur). Sie können sehen, wie verschiedene Spiralen miteinander verbunden sind:


Andere RNAs falten sich ähnlich. Ähnelt einer Reihe von Bändern (Quartärstruktur).

Abschluss

Um die Konformationen zu berechnen, die RNA basierend auf ihrer Primärsequenz annehmen wird, gibt es:

RNA-Moleküle sind Polymere, deren Monomere Ribonukleotide sind, die aus Resten von drei Substanzen gebildet werden: einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen – Ribose; eine der stickstoffhaltigen Basen – von den Purinbasen – Adenin oder Guanin, aus Pyrimidin - Uracil oder Cytosin; Rückstände von Phosphorsäure.

Ein RNA-Molekül ist ein unverzweigtes Polynukleotid mit Tertiärstruktur. Die Verbindung von Nukleotiden zu einer Kette erfolgt durch eine Kondensationsreaktion zwischen dem Phosphorsäurerest eines Nukleotids und dem 3"-Ribosekohlenstoff des zweiten Nukleotids.

Im Gegensatz zur DNA besteht die RNA nicht aus zwei, sondern aus zwei eins Polynukleotidkette. Seine Nukleotide (Adenyl, Uridyl, Guanyl und Cytidyl) sind jedoch auch in der Lage, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, allerdings handelt es sich hierbei eher um intra- als um interkettenförmige Verbindungen komplementärer Nukleotide. Zwischen A- und U-Nukleotiden werden zwei Wasserstoffbrückenbindungen gebildet, und zwischen G- und C-Nukleotiden werden drei Wasserstoffbrückenbindungen gebildet. RNA-Ketten sind viel kürzer als DNA-Ketten.

Informationen über die Struktur eines RNA-Moleküls sind in DNA-Molekülen enthalten. Die Nukleotidsequenz in der RNA ist komplementär zum kodogenen DNA-Strang, aber das Adenylnukleotid der DNA ist komplementär zum Uridylnukleotid der RNA. Während der DNA-Gehalt in einer Zelle relativ konstant ist, schwankt der RNA-Gehalt stark. Die größte Menge an RNA in Zellen wird während der Proteinsynthese beobachtet.

Es gibt drei Hauptklassen von Nukleinsäuren: Messenger-RNA – mRNA (mRNA), Transfer-RNA – tRNA, ribosomale RNA – rRNA.

Messenger-RNAs. Die vielfältigste Klasse hinsichtlich Größe und Stabilität. Sie alle sind Träger genetischer Informationen vom Zellkern bis zum Zytoplasma. Messenger-RNAs dienen als Vorlage für die Synthese von Proteinmolekülen, weil Bestimmen Sie die Aminosäuresequenz der Primärstruktur des Proteinmoleküls. mRNA macht bis zu 5 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus.

RNAs übertragen. Transfer-RNA-Moleküle enthalten normalerweise 75–86 Nukleotide. Das Molekulargewicht von tRNA-Molekülen beträgt 25.000. tRNA-Moleküle spielen die Rolle von Vermittlern in der Proteinbiosynthese – sie liefern Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese, an Ribosomen. Die Zelle enthält mehr als 30 Arten von tRNA. Jeder tRNA-Typ hat eine einzigartige Nukleotidsequenz. Alle Moleküle verfügen jedoch über mehrere intramolekulare komplementäre Regionen, aufgrund derer alle tRNAs eine Tertiärstruktur aufweisen, die in ihrer Form einem Kleeblatt ähnelt.

Ribosomale RNAs. Ribosomale RNA (rRNA) macht 80–85 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. Ribosomale RNA besteht aus 3-5.000 Nukleotiden. Im Komplex mit ribosomalen Proteinen bildet rRNA Ribosomen – Organellen, auf denen die Proteinsynthese stattfindet. Die Hauptbedeutung von rRNA besteht darin, dass sie die anfängliche Bindung von mRNA und dem Ribosom gewährleistet und das aktive Zentrum des Ribosoms bildet, in dem während der Synthese der Polypeptidkette die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren erfolgt.

Die Funktionen der RNA variieren je nach Art der Ribonukleinsäure.

1) Messenger-RNA (i-RNA).

2) Ribosomale RNA (r-RNA).

3) Transfer-RNA (tRNA).

4) Minor (kleine) RNAs. Hierbei handelt es sich um RNA-Moleküle, meist mit geringem Molekulargewicht, die sich in verschiedenen Teilen der Zelle (Membran, Zytoplasma, Organellen, Zellkern usw.) befinden. Ihre Rolle ist nicht vollständig geklärt. Es ist erwiesen, dass sie die Reifung ribosomaler RNA unterstützen, an der Übertragung von Proteinen durch die Zellmembran beteiligt sein, die Verdoppelung von DNA-Molekülen fördern usw.

5) Ribozyme. Ein kürzlich identifizierter RNA-Typ, der als Enzym (Katalysator) aktiv an zellulären enzymatischen Prozessen beteiligt ist.

6) Virale RNA. Jedes Virus kann nur eine Art von Nukleinsäure enthalten: entweder DNA oder RNA. Dementsprechend werden Viren, die ein RNA-Molekül enthalten, als RNA-haltige Viren bezeichnet. Wenn ein Virus dieses Typs in eine Zelle eindringt, kann der Prozess der reversen Transkription (die Bildung neuer DNA auf Basis von RNA) stattfinden, wobei die neu gebildete DNA des Virus in das Genom der Zelle integriert wird und die Existenz und Reproduktion sicherstellt des Erregers. Das zweite Szenario ist die Bildung komplementärer RNA auf der Matrix der ankommenden viralen RNA. In diesem Fall erfolgt die Bildung neuer viraler Proteine, die lebenswichtige Aktivität und die Vermehrung des Virus ohne Beteiligung von Desoxyribonukleinsäure nur auf der Grundlage der auf der viralen RNA aufgezeichneten genetischen Informationen. Ribonukleinsäuren. RNA, Struktur, Strukturen, Typen, Rolle. Genetischer Code. Mechanismen der Übertragung genetischer Informationen. Reproduzieren. Transkription

Ribosomale RNA.

rRNA macht 90 % der gesamten RNA in einer Zelle aus und zeichnet sich durch metabolische Stabilität aus. In Prokaryoten gibt es drei verschiedene Arten von rRNA mit Sedimentationskoeffizienten von 23S, 16S und 5S; Eukaryoten gibt es in vier Typen: -28S, 18S, 5S und 5,8S.

RNAs dieser Art sind in Ribosomen lokalisiert und nehmen an spezifischen Wechselwirkungen mit ribosomalen Proteinen teil.

Ribosomale RNAs haben die Form einer Sekundärstruktur in Form doppelsträngiger Bereiche, die durch einen gebogenen Einzelstrang verbunden sind. Ribosomale Proteine ​​sind überwiegend mit einzelsträngigen Regionen des Moleküls assoziiert.

rRNA zeichnet sich durch das Vorhandensein modifizierter Basen aus, jedoch in deutlich geringeren Mengen als in tRNA. rRNA enthält hauptsächlich methylierte Nukleotide, wobei Methylgruppen entweder an die Base oder an die 2/-OH-Gruppe der Ribose gebunden sind.

RNA übertragen.

tRNA-Moleküle sind eine einzelne Kette bestehend aus 70–90 Nukleotiden, mit einem Molekulargewicht von 23.000–28.000 und einer Sedimentationskonstante von 4S. Bei der zellulären RNA macht die Transfer-RNA 10–20 % aus. tRNA-Moleküle haben die Fähigkeit, sich kovalent an eine bestimmte Aminosäure zu binden und sich über ein System von Wasserstoffbrückenbindungen mit einem der Nukleotidtripletts des mRNA-Moleküls zu verbinden. Somit implementieren tRNAs eine Codekorrespondenz zwischen einer Aminosäure und dem entsprechenden mRNA-Codon. Um die Adapterfunktion erfüllen zu können, müssen tRNAs eine genau definierte Sekundär- und Tertiärstruktur aufweisen.

Jedes tRNA-Molekül hat eine konstante Sekundärstruktur, hat die Form eines zweidimensionalen Kleeblatts und besteht aus helikalen Regionen, die durch Nukleotide derselben Kette gebildet werden, und dazwischen liegenden einzelsträngigen Schleifen. Die Anzahl der helikalen Bereiche erreicht die Hälfte des Moleküls. Ungepaarte Sequenzen bilden charakteristische Strukturelemente (Verzweigungen), die typische Verzweigungen aufweisen:

A) Akzeptorstamm, an dessen 3/-OH-Ende sich in den meisten Fällen ein CCA-Triplett befindet. Die entsprechende Aminosäure wird mithilfe eines spezifischen Enzyms an die Carboxylgruppe des terminalen Adenosins angehängt;

B) Pseudouridin oder T C-Loop, besteht aus sieben Nukleotiden mit der obligatorischen Sequenz 5 / -T CG-3 /, die Pseudouridin enthält; Es wird angenommen, dass die T-C-Schleife dazu dient, tRNA an das Ribosom zu binden;

B) eine zusätzliche Schleife – unterschiedlich in Größe und Zusammensetzung in verschiedenen tRNAs;

D) die Anticodon-Schleife besteht aus sieben Nukleotiden und enthält eine Gruppe von drei Basen (Anticodon), die zum Triplett (Codon) im mRNA-Molekül komplementär ist;

D) Dihydrouridyl-Schleife (D-Schleife), bestehend aus 8–12 Nukleotiden und mit einem bis vier Dihydrouridyl-Resten; es wird angenommen, dass die D-Schleife dazu verwendet wird, tRNA an ein spezifisches Enzym (Aminoacyl-tRNA-Synthetase) zu binden.

Die Tertiärpackung der tRNA-Moleküle ist sehr kompakt und L-förmig. Die Ecke einer solchen Struktur wird durch einen Dihydrouridinrest und eine T-C-Schleife gebildet, das lange Bein bildet einen Akzeptorstamm und eine T-C-Schleife und das kurze Bein bildet eine D-Schleife und eine Anticodon-Schleife.

Polyvalente Kationen (Mg 2+ , Polyamine) sowie Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen und dem Phosphodiester-Rückgrat sind an der Stabilisierung der Tertiärstruktur der tRNA beteiligt.

Die komplexe räumliche Anordnung des tRNA-Moleküls ist auf zahlreiche hochspezifische Wechselwirkungen sowohl mit Proteinen als auch mit anderen Nukleinsäuren (rRNA) zurückzuführen.

Transfer-RNA unterscheidet sich von anderen RNA-Typen durch ihren hohen Gehalt an Nebenbasen – durchschnittlich 10-12 Basen pro Molekül, aber die Gesamtzahl dieser Basen und der tRNA steigt, wenn Organismen die Evolutionsleiter hinaufsteigen. In der tRNA wurden verschiedene methylierte Purin- (Adenin, Guanin) und Pyrimidin- (5-Methylcytosin und Ribosylthymin) Basen sowie schwefelhaltige Basen (6-Thiouracil) identifiziert, am häufigsten jedoch (6-Thiouracil), aber die häufigste Nebenkomponente Pseudouridin. Die Rolle ungewöhnlicher Nukleotide in tRNA-Molekülen ist noch nicht klar, es wird jedoch angenommen, dass sie umso weniger aktiv und spezifisch ist, je niedriger der Grad der tRNA-Abschwächung ist.

Die Lokalisierung modifizierter Nukleotide ist streng festgelegt. Das Vorhandensein kleinerer Basen in der tRNA macht die Moleküle resistent gegen die Wirkung von Nukleasen und ist darüber hinaus an der Aufrechterhaltung einer bestimmten Struktur beteiligt, da solche Basen nicht zur normalen Paarung fähig sind und die Bildung einer Doppelhelix verhindern. Somit bestimmt das Vorhandensein modifizierter Basen in der tRNA nicht nur deren Struktur, sondern auch viele spezielle Funktionen des tRNA-Moleküls.

Die meisten eukaryotischen Zellen enthalten eine Reihe verschiedener tRNAs. Für jede Aminosäure gibt es mindestens eine spezifische tRNA. tRNAs, die dieselbe Aminosäure binden, werden Isoakzeptor genannt. Jeder Zelltyp im Körper unterscheidet sich in seinem Verhältnis von Isoakzeptor-tRNAs.

Matrix (Informationen)

Messenger-RNA enthält genetische Informationen über die Aminosäuresequenz für essentielle Enzyme und andere Proteine, d. h. dient als Vorlage für die Biosynthese von Polypeptidketten. Der Anteil der mRNA in der Zelle beträgt 5 % der gesamten RNA-Menge. Im Gegensatz zu rRNA und tRNA ist mRNA heterogen in der Größe, ihr Molekulargewicht liegt zwischen 25 · 10 3 und 1 · 10 6; mRNA zeichnet sich durch ein breites Spektrum an Sedimentationskonstanten (6–25S) aus. Das Vorhandensein von mRNA-Ketten variabler Länge in einer Zelle spiegelt die Vielfalt der Molekulargewichte der Proteine ​​wider, deren Synthese sie ermöglichen.

In ihrer Nukleotidzusammensetzung entspricht mRNA der DNA aus derselben Zelle, d. h. ist komplementär zu einem der DNA-Stränge. Die Nukleotidsequenz (Primärstruktur) der mRNA enthält nicht nur Informationen über die Struktur des Proteins, sondern auch über die Sekundärstruktur der mRNA-Moleküle selbst. Die Sekundärstruktur der mRNA entsteht durch zueinander komplementäre Sequenzen, deren Gehalt bei RNA unterschiedlicher Herkunft ähnlich ist und zwischen 40 und 50 % liegt. In den 3/- und 5/-Regionen der mRNA kann eine erhebliche Anzahl gepaarter Regionen gebildet werden.

Die Analyse der 5/-Enden der 18s-rRNA-Regionen zeigte, dass sie zueinander komplementäre Sequenzen enthalten.

Die Tertiärstruktur der mRNA wird hauptsächlich durch Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen, geometrische und sterische Einschränkungen sowie elektrische Kräfte gebildet.

Messenger-RNA ist eine metabolisch aktive und relativ instabile, kurzlebige Form. So zeichnet sich die mRNA von Mikroorganismen durch eine schnelle Erneuerung aus und ihre Lebensdauer beträgt mehrere Minuten. Bei Organismen, deren Zellen echte membrangebundene Kerne enthalten, kann die Lebensdauer der mRNA jedoch viele Stunden und sogar mehrere Tage betragen.

Die Stabilität der mRNA kann durch verschiedene Modifikationen ihres Moleküls bestimmt werden. So wurde festgestellt, dass die 5/-terminale Sequenz der mRNA von Viren und Eukaryoten methyliert bzw. „blockiert“ ist. Das erste Nukleotid in der 5/-terminalen Kappenstruktur ist 7-Methylguanin, das über eine 5/-5/-Pyrophosphatbindung mit dem nächsten Nukleotid verbunden ist. Das zweite Nukleotid ist am C-2/-Riboserest methyliert und das dritte Nukleotid darf keine Methylgruppe haben.

Eine weitere Fähigkeit der mRNA besteht darin, dass sich an den 3/-Enden vieler mRNA-Moleküle eukaryotischer Zellen relativ lange Sequenzen von Adenylnukleotiden befinden, die nach Abschluss der Synthese mit Hilfe spezieller Enzyme an die mRNA-Moleküle gebunden werden. Die Reaktion findet im Zellkern und Zytoplasma statt.

Am 3/- und 5/- Ende der mRNA machen die veränderten Sequenzen etwa 25 % der Gesamtlänge des Moleküls aus. Es wird angenommen, dass 5/-caps- und 3/-poly-A-Sequenzen notwendig sind, um entweder die mRNA zu stabilisieren, sie vor der Wirkung von Nukleasen zu schützen oder den Translationsprozess zu regulieren.

RNA-Interferenz

In lebenden Zellen wurden mehrere Arten von RNA gefunden, die den Grad der Genexpression reduzieren können, wenn sie zur mRNA oder zum Gen selbst komplementär sind. MicroRNAs (21–22 Nukleotide lang) kommen in Eukaryoten vor und entfalten ihre Wirkung über den Mechanismus der RNA-Interferenz. In diesem Fall kann ein Komplex aus microRNA und Enzymen zur Methylierung von Nukleotiden in der DNA des Genpromotors führen, was als Signal zur Reduzierung der Genaktivität dient. Bei einer anderen Art der Regulation wird die zur microRNA komplementäre mRNA abgebaut. Es gibt jedoch auch miRNAs, die die Genexpression eher erhöhen als verringern. Kleine interferierende RNAs (siRNAs, 20–25 Nukleotide) entstehen häufig durch die Spaltung viraler RNAs, es gibt jedoch auch endogene zelluläre siRNAs. Kleine interferierende RNAs wirken auch durch RNA-Interferenz durch ähnliche Mechanismen wie microRNAs. Bei Tieren wurde sogenannte Piwi-interagierende RNA (piRNA, 29-30 Nukleotide) gefunden, die in Keimzellen gegen die Transposition wirkt und eine Rolle bei der Bildung von Gameten spielt. Darüber hinaus können piRNAs epigenetisch auf der mütterlichen Linie vererbt werden und ihre Fähigkeit, die Transposon-Expression zu hemmen, an die Nachkommen weitergeben.

Antisense-RNAs sind in Bakterien weit verbreitet, viele von ihnen unterdrücken die Genexpression, einige aktivieren jedoch die Expression. Antisense-RNAs wirken durch Bindung an mRNA, was zur Bildung doppelsträngiger RNA-Moleküle führt, die durch Enzyme abgebaut werden. In Eukaryoten wurden mRNA-ähnliche RNA-Moleküle mit hohem Molekulargewicht gefunden. Diese Moleküle regulieren auch die Genexpression.

Zusätzlich zur Rolle einzelner Moleküle bei der Genregulation können regulatorische Elemente in den 5"- und 3"-untranslatierten Regionen der mRNA gebildet werden. Diese Elemente können unabhängig voneinander wirken, um die Translationsinitiierung zu verhindern, oder sie können Proteine ​​wie Ferritin oder kleine Moleküle wie Biotin binden.

Viele RNAs sind an der Modifikation anderer RNAs beteiligt. Introns werden durch Spleißosomen aus der Prä-mRNA herausgeschnitten, die neben Proteinen mehrere kleine Kern-RNAs (snRNAs) enthalten. Darüber hinaus können Introns ihre eigene Exzision katalysieren. Die durch Transkription synthetisierte RNA kann auch chemisch verändert werden. Bei Eukaryoten werden chemische Modifikationen von RNA-Nukleotiden, beispielsweise deren Methylierung, durch kleine Kern-RNAs (snRNAs, 60–300 Nukleotide) durchgeführt. Diese Art von RNA ist im Nukleolus und im Cajal-Körper lokalisiert. Nach der Assoziation von snRNAs mit Enzymen binden snRNAs an die Ziel-RNA, indem sie Basenpaare zwischen den beiden Molekülen bilden, und die Enzyme modifizieren die Nukleotide der Ziel-RNA. Ribosomale und Transfer-RNAs enthalten viele solcher Modifikationen, deren spezifische Position oft während der Evolution konserviert wird. Auch SnRNAs und snRNAs selbst können verändert werden. Leit-RNAs führen den Prozess der RNA-Bearbeitung im Kinetoplasten durch, einer speziellen Region der Mitochondrien von Kinetoplastiden-Protisten (z. B. Trypanosomen).

Genome aus RNA

RNA kann wie DNA Informationen über biologische Prozesse speichern. RNA kann als Genom von Viren und virusähnlichen Partikeln verwendet werden. RNA-Genome können in solche unterteilt werden, die keinen DNA-Zwischenschritt haben, und solche, die zur Reproduktion in eine DNA-Kopie und zurück in RNA kopiert werden (Retroviren).

Viele Viren, wie zum Beispiel das Influenzavirus, enthalten in allen Stadien ein Genom, das vollständig aus RNA besteht. RNA ist in einer typischen Proteinhülle enthalten und wird mithilfe der darin kodierten RNA-abhängigen RNA-Polymerasen repliziert. Virale Genome, die aus RNA bestehen, werden unterteilt in:

„Minusstrang-RNA“, die nur als Genom dient, und ein dazu komplementäres Molekül wird als mRNA verwendet;

doppelsträngige Viren.

Viroide sind eine weitere Gruppe von Krankheitserregern, die ein RNA-Genom und kein Protein enthalten. Sie werden durch RNA-Polymerasen des Wirtsorganismus repliziert.

Retroviren und Retrotransposons

Andere Viren besitzen nur während einer Phase ihres Lebenszyklus ein RNA-Genom. Die Virionen sogenannter Retroviren enthalten RNA-Moleküle, die beim Eindringen in die Wirtszellen als Vorlage für die Synthese einer DNA-Kopie dienen. Die DNA-Matrize wiederum wird vom RNA-Gen gelesen. Neben Viren wird die reverse Transkription auch in einer Klasse mobiler Genomelemente – Retrotransposons – verwendet.

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 viele Gemeinsamkeiten haben, unterscheiden sie sich in vielerlei Hinsicht voneinander.

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

2. Die Pyrimidin-Komponenten der RNA unterscheiden sich von denen der DNA. RNA enthält wie DNA die Nukleotide Adenin, Guanin und Cytosin. Gleichzeitig enthält RNA (mit Ausnahme einiger Sonderfälle, auf die wir weiter unten eingehen) kein Thymin; seinen Platz im RNA-Molekül nimmt Uracil ein.

3. RNA ist ein einzelsträngiges Molekül (im Gegensatz zu DNA, die eine doppelsträngige Struktur aufweist). Wenn es jedoch Abschnitte in der RNA-Kette mit einer komplementären Sequenz (entgegengesetzte Polarität) gibt, kann sich eine einzelne RNA-Kette falten bilden sogenannte „Haarnadeln“, Strukturen mit doppelsträngigem Charakter (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 ( – von einem Phosphodiester-Rückgrat gehalten werden, das Ribosylreste verbindet, die durch ein N- glykosidische Bindung an die entsprechenden Nukleinbasen. Bitte beachten Sie: Die RNA-Kette hat eine bestimmte Richtung, die durch die 5- und 3-terminalen Phosphatreste angezeigt wird.

4. Da ein RNA-Molekül ein Einzelstrang ist, der nur zu einem der DNA-Stränge komplementär ist, ist sein Guaningehalt nicht unbedingt gleich seinem Cytosingehalt und sein Adeningehalt ist nicht unbedingt gleich seinem Uracilgehalt.

5. RNA kann mit Alkali zu 2,3-zyklischen Diestern von Mononukleotiden hydrolysiert werden; das Zwischenprodukt der Hydrolyse ist 2,U,5-Triester, der bei der alkalischen Hydrolyse von DNA aufgrund des Fehlens von 2-Hydroxylgruppen in dieser 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 einzelsträngiger RNA enthaltene Information wird in Form einer spezifischen Sequenz von Purin- und Pyrimidinbasen (also in der Primärstruktur) der Polymerkette umgesetzt. Diese Sequenz ist komplementär zum kodierenden Strang des Gens, von dem die RNA „abgelesen“ wird. Aufgrund der Komplementarität kann das RNA-Molekül spezifisch an den kodierenden Strang binden (hybridisieren), hybridisiert jedoch nicht an den nicht-kodierenden DNA-Strang. Die RNA-Sequenz (mit Ausnahme des Ersatzes von T durch U) ist identisch mit der Sequenz des nichtkodierenden Strangs des Gens (Abb. 37.8).

Biologische Funktionen von RNA

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

Ein erheblicher Teil der primären RNA-Transkripte, die in eukaryotischen Zellen, einschließlich Säugetierzellen, produziert werden, wird im Zellkern abgebaut und spielt im Zytoplasma keine strukturelle oder informationelle Rolle. In kultiviert

Reis. 37.7. Die Sekundärstruktur eines RNA-Moleküls ist vom Typ „Stammschleife“ („Haarnadel“) und resultiert aus der intramolekularen Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Nukleinbasenpaaren.

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, wobei letztere zwischen 90 und 300 Nukleotide enthalten (Tabelle 37.3).

RNA ist das wichtigste genetische Material einiger tierischer und pflanzlicher Viren. Einige RNA-Viren durchlaufen nie eine umgekehrte Transkription von RNA in DNA. Die meisten bekannten Tierviren, wie zum Beispiel Retroviren, zeichnen sich jedoch durch eine umgekehrte Transkription ihres RNA-Genoms aus, die durch die 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 anschließend für die Expression viraler Gene 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: Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Vertreter dieser Klassen unterscheiden sich voneinander in Größe, Funktion und Stabilität.

Messenger-RNA (mRNA) ist hinsichtlich Größe und Stabilität die heterogenste Klasse. Alle Vertreter dieser Klasse dienen als Informationsträger vom Gen zum Proteinsynthesesystem der Zelle. Sie fungieren als Matrizen für das synthetisierte Polypeptid, d. h. sie bestimmen die Aminosäuresequenz des Proteins (Abb. 37.9).

Messenger-RNAs, insbesondere eukaryotische, weisen einige einzigartige Strukturmerkmale auf. Das 5-Ende der mRNA ist mit einem 7-Methylguanosintriphosphat abgedeckt, das über einen Triphosphatrest an die 5-Hydroxylgruppe des benachbarten 2-O-Methylribonukleosids gebunden ist (Abbildung 37.10). mRNA-Moleküle enthalten häufig interne 6-Methyladeninreste und 2-0-methylierte Ribonukleotide. Obwohl die Bedeutung von „Capping“ noch nicht vollständig geklärt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die resultierende Struktur des 5-Endes der mRNA 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 aus 20-250 Nukleotiden. Die spezifischen Funktionen davon sind noch nicht vollständig geklärt. Das ist möglich Man geht davon aus, 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 Struktur der mRNA wird genutzt, um sie von anderen RNA-Typen zu trennen Die Fraktionierung der Gesamt-RNA auf Säulen mit Oligo (T), das auf einem festen Träger wie Zellulose immobilisiert ist, mit der Säule erfolgt aufgrund komplementärer Wechselwirkungen des Poly (A)-„Schwanzes“ mit dem immobilisierten Oligo (T).

Reis. 37.8. Sequenz des Gens und seines RNA-Transkripts. Die kodierenden und nichtkodierenden Stränge werden angezeigt und ihre Polarität angegeben. Ein RNA-Transkript mit Polarität ist komplementär zum kodierenden Strang (mit einer Polarität von 3–5) und ist in der Sequenz (mit Ausnahme von T-zu-U-Substitutionen) und der Polarität mit dem nichtkodierenden DNA-Strang identisch.

Reis. 37.9. Expression genetischer DNA-Informationen in Form eines mRNA-Transkripts und anschließende Translation unter Beteiligung von Ribosomen unter Bildung eines spezifischen Proteinmoleküls.

(siehe Scan)

Reis. 37.10. Die Struktur der „Kappe“, die sich am 5-Ende der meisten eukaryontischen Messenger-RNAs befindet, ist 7-Methylguanosintriphosphat, das am 5-Ende der mRNA befestigt ist. das normalerweise ein 2-O-Methylpurinnukleotid enthält.

In Säugetierzellen, einschließlich menschlicher Zellen, sind reife mRNA-Moleküle im Zytoplasma keine vollständige Kopie der transkribierten Region des Gens. Das durch die Transkription gebildete Polyribonukleotid ist ein Vorläufer der zytoplasmatischen mRNA und durchläuft vor dem Verlassen des Zellkerns eine spezifische Verarbeitung. Transkriptionsprodukte voller Länge, die in den Zellkernen von Säugetierzellen vorkommen, bilden eine vierte Klasse von RNA-Molekülen. Solche nuklearen RNAs sind sehr heterogen und erreichen beträchtliche Größen. Heterogene nukleare RNA-Moleküle 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 Vorlage für die Proteinbiosynthese dienen .

Transfer-RNA-Moleküle (tRNA) enthalten typischerweise etwa 75 Nukleotide. Das Molekulargewicht solcher Moleküle beträgt . tRNAs entstehen auch durch spezifische Verarbeitung entsprechender Vorläufermoleküle (siehe Kapitel 39). Transfer-tRNAs fungieren als Vermittler bei der Translation von mRNA. 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 notwendig sind. Obwohl sich jede spezifische tRNA in ihrer Nukleotidsequenz von den anderen unterscheidet, weisen sie alle gemeinsame Merkmale auf. Aufgrund mehrerer komplementärer Regionen innerhalb des Strangs haben alle tRNAs eine Sekundärstruktur, die „Kleeblatt“ genannt wird (Abb. 37.11).

Alle Arten von tRNA-Molekülen haben vier Hauptarme. Der Akzeptorarm besteht aus einem „Stamm“ gepaarter Nukleotide 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 „Stämmen“, die aus komplementären Basenpaaren und Schleifen ungepaarter Basen bestehen (Abb. 37.7). Der Anticodon-Arm erkennt ein Nukleotidtriplett oder Codon (siehe Kapitel 40) in der mRNA. Der D-Arm wird aufgrund des darin enthaltenen Dihydrouridins so benannt, der -Arm ist nach der Sequenz T-Pseudouridin-C benannt. Der akzessorische Arm ist die variabelste Struktur und dient als Grundlage für die tRNA-Klassifizierung. 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 besteht aus 13–21 Basenpaaren und enthält häufig eine ungepaarte Schleife.

Reis. 37.11. Die Struktur eines Aminoacyl-tRNA-Moleküls mit einer Aminosäure am 3-CCA-Ende. Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen und die Lage der Anticodon-, TTC- und Dihydrouracil-Arme sind angegeben. (Aus J. D. Watson. Molecular biology of the Gene 3rd, ed.. Copyright 1976, 1970, 1965 von W. A. ​​​​Benjamin, Inc., Menlo Park, Kalifornien)

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

tRNA-Moleküle sind in Prokaryoten sehr stabil und in Eukaryoten etwas weniger stabil. Das Gegenteil ist typisch für mRNA, die in Prokaryoten recht instabil ist, in eukaryotischen Organismen jedoch eine erhebliche Stabilität aufweist.

Ribosomale RNA. Ein Ribosom ist eine zytoplasmatische Nukleoproteinstruktur, die für die Proteinsynthese unter Verwendung einer mRNA-Matrize entwickelt wurde. Das Ribosom stellt einen spezifischen Kontakt her, wodurch die von einem bestimmten Gen abgelesene Nukleotidsequenz in die Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins übersetzt wird.

In der Tabelle Abbildung 37.2 zeigt die Bestandteile von Säugetierribosomen mit einem Molekulargewicht von 4,210 6 und einer Sedimentationsrate (Svedberg-Einheiten). Säugetier-Ribosomen bestehen aus zwei Nukleoprotein-Untereinheiten – einer großen mit

Tabelle 37.2. Bestandteile von Säugetierribosomen

Molekulargewicht (60S) und niedriges Molekulargewicht (40S). Die 608-Untereinheit enthält 58-ribosomale RNA (rRNA), 5,8S-rRNA und 28S-rRNA 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 im Nukleolus lokalisiert ist (siehe Kapitel 40). Das 5S-RNA-Molekül hat seinen eigenen Vorläufer. Im Nukleolus werden hochmethylierte ribosomale RNAs mit ribosomalen Proteinen verpackt. Im Zytoplasma sind Ribosomen recht stabil und in der Lage, eine große Anzahl von Translationszyklen durchzuführen.

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

Kleine ribonukleäre Kernpartikel (oft als Snurps bezeichnet) scheinen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression zu spielen. Nukleoproteinpartikel vom Typ U7 scheinen an der Bildung der 3-Termini von Histon-mRNAs beteiligt zu sein. Partikel werden wahrscheinlich für die Polyadenylierung benötigt, a – für die Entfernung von Introns und die mRNA-Prozessierung (siehe Kapitel 39). Tisch 37.3. fasst einige Eigenschaften kleiner stabiler RNAs zusammen.

Tabelle 37.3. Einige Arten kleiner stabiler RNAs kommen in Säugetierzellen vor

LITERATUR

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RNA- ein Polymer, dessen Monomere sind Ribonukleotide. Im Gegensatz zu DNA besteht RNA nicht aus zwei, sondern aus einer Polynukleotidkette (mit der Ausnahme, dass einige RNA-haltige Viren doppelsträngige RNA aufweisen). RNA-Nukleotide sind in der Lage, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. RNA-Ketten sind viel kürzer als DNA-Ketten.

RNA-Monomer - Nukleotid (Ribonukleotid)- besteht aus Rückständen von drei Substanzen: 1) einer stickstoffhaltigen Base, 2) einem Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) und 3) Phosphorsäure. Die stickstoffhaltigen Basen der RNA gehören ebenfalls zu den Klassen der Pyrimidine und Purine.

Die Pyrimidinbasen der RNA sind Uracil, Cytosin und die Purinbasen sind Adenin und Guanin. Das RNA-Nukleotidmonosaccharid ist Ribose.

Markieren drei Arten von RNA: 1) informativ(Boten-)RNA - mRNA (mRNA), 2) Transport RNA - tRNA, 3) ribosomal RNA - rRNA.

Alle Arten von RNA sind unverzweigte Polynukleotide, haben eine spezifische räumliche Konformation und sind an Prozessen der Proteinsynthese beteiligt. Informationen über die Struktur aller RNA-Typen sind in der DNA gespeichert. Der Vorgang der Synthese von RNA auf einer DNA-Matrize wird Transkription genannt.

RNAs übertragen enthalten normalerweise 76 (von 75 bis 95) Nukleotide; Molekulargewicht - 25.000–30.000. tRNA macht etwa 10 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. Funktionen von tRNA: 1) Transport von Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese, zu Ribosomen, 2) Translationsvermittler. In einer Zelle gibt es etwa 40 Arten von tRNA, von denen jede eine einzigartige Nukleotidsequenz aufweist. Allerdings verfügen alle tRNAs über mehrere intramolekulare komplementäre Regionen, wodurch die tRNAs eine kleeblattähnliche Konformation annehmen. Jede tRNA verfügt über eine Schleife für den Kontakt mit dem Ribosom (1), eine Anticodon-Schleife (2), eine Schleife für den Kontakt mit dem Enzym (3), einen Akzeptorstamm (4) und ein Anticodon (5). Die Aminosäure wird am 3-Zoll-Ende des Akzeptorstamms hinzugefügt. Anticodon- drei Nukleotide, die das mRNA-Codon „identifizieren“. Es sollte betont werden, dass eine spezifische tRNA eine genau definierte Aminosäure transportieren kann, die ihrem Anticodon entspricht. Die Spezifität der Verbindung zwischen Aminosäure und tRNA wird durch die Eigenschaften des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase erreicht.

Ribosomale RNA enthalten 3000–5000 Nukleotide; Molekulargewicht - 1.000.000–1.500.000. rRNA macht 80–85 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. Im Komplex mit ribosomalen Proteinen bildet rRNA Ribosomen – Organellen, die die Proteinsynthese durchführen. In eukaryotischen Zellen findet die rRNA-Synthese in den Nukleolen statt. Funktionen von rRNA: 1) ein notwendiger Strukturbestandteil von Ribosomen und somit Gewährleistung der Funktion von Ribosomen; 2) Sicherstellung der Interaktion zwischen Ribosom und tRNA; 3) anfängliche Bindung des Ribosoms und des Initiatorcodons der mRNA und Bestimmung des Leserahmens, 4) Bildung des aktiven Zentrums des Ribosoms.