Funkcje, struktura i typy RNA



The RNA lub RNA (kwas rybonukleinowy) jest rodzajem kwasu nukleinowego obecnego w organizmach eukariotycznych, prokariotach i wirusach. Jest to polimer nukleotydów, który zawiera cztery rodzaje zasad azotowych w swojej strukturze: adenina, guanina, cytozyna i uracyl.

RNA zazwyczaj występuje jako pojedynczy pasmo (z wyjątkiem niektórych wirusów), liniowo lub tworząc szereg złożonych struktur. W rzeczywistości RNA ma dynamikę strukturalną, której nie obserwuje się w podwójnej helisy DNA. Różne typy RNA mają bardzo zróżnicowane funkcje.

Rybosomalne RNA są częścią rybosomów, struktur odpowiedzialnych za syntezę białek w komórkach. Informacyjne RNA pełnią rolę pośredników i przenoszą informację genetyczną do rybosomu, co przekłada komunikat z sekwencji nukleotydowej na sekwencję aminokwasową.

Przenoszone RNA są odpowiedzialne za aktywację i przenoszenie różnych typów aminokwasów -20 w całości - na rybosomy. Dla każdego aminokwasu, który rozpoznaje sekwencję w informacyjnym RNA, istnieje cząsteczka transferowego RNA.  

Ponadto istnieją inne typy RNA, które nie są bezpośrednio zaangażowane w syntezę białek i biorą udział w regulacji genów.

Indeks

  • 1 Struktura
    • 1.1 Nukleotydy
    • 1.2 Łańcuch RNA
    • 1.3 Siły stabilizujące RNA
  • 2 Rodzaje RNA i funkcje
    • 2.1 Komunikator RNA
    • 2,2 rybosomalny RNA
    • 2.3 Przenoszenie RNA
    • 2.4 MicroRNA
    • 2,5 mute RNA
  • 3 Różnice między DNA i RNA
  • 4 Pochodzenie i ewolucja
  • 5 referencji

Struktura

Podstawowymi jednostkami RNA są nukleotydy. Każdy nukleotyd jest utworzony przez zasadę azotową (adenina, guanina, cytozyna i uracyl), pentoza i grupa fosforanowa.

Nukleotydy

Zasady azotowe pochodzą z dwóch podstawowych związków: pirymidyn i puryn.

Podstawami pochodzącymi z puryn są adenina i guanina, a zasadami pochodzącymi z pirymidyn są cytozyna i uracyl. Chociaż są to najpowszechniejsze zasady, kwasy nukleinowe mogą również prezentować inne rodzaje zasad, które są rzadsze.

Jeśli chodzi o pentozę, są to jednostki d-rybozy. Dlatego nukleotydy tworzące RNA nazywane są „rybonukleotydami”.

Łańcuch RNA

Nukleotydy są połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi, które obejmują grupę fosforanową. Aby je utworzyć, grupa fosforanowa na końcu 5 'nukleotydu jest przyłączona do grupy hydroksylowej (-OH) na końcu 3' następnego nukleotydu, tworząc w ten sposób wiązanie typu fosfodiestrowego..

Wzdłuż łańcucha kwasu nukleinowego wiązania fosfodiestrowe mają tę samą orientację. Dlatego istnieje biegunowość pasma, rozróżniając koniec 3 'i koniec 5'.

Zgodnie z konwencją, struktura kwasów nukleinowych jest reprezentowana przez koniec 5 'po lewej stronie i koniec 3' po prawej stronie.

Produkt RNA transkrypcji DNA jest prostym łańcuchem, który obraca się w prawo, w konformacji helikalnej przez układanie zasad. Oddziaływanie między purynami jest znacznie większe niż oddziaływanie między dwoma pirymidynami, według ich wielkości.

W RNA nie możemy mówić o tradycyjnej strukturze drugorzędowej i referencji, podobnie jak podwójna helisa DNA. Trójwymiarowa struktura każdej cząsteczki RNA jest unikalna i złożona, porównywalna do struktury białek (logicznie, nie możemy globalizować struktury białek).

Siły stabilizujące RNA

Istnieją słabe interakcje, które przyczyniają się do stabilizacji RNA, w szczególności układanie podstaw, gdzie pierścienie znajdują się jeden nad drugim. Zjawisko to przyczynia się również do stabilności helisy DNA.

Jeśli cząsteczka RNA znajdzie sekwencję komplementarną, może połączyć się i utworzyć strukturę podwójnego łańcucha, która obraca się w prawo. Dominującą formą jest typ A; tak jak w przypadku form Z, zostały one udowodnione tylko w laboratorium, podczas gdy forma B nie została zaobserwowana.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją krótkie sekwencje (takie jak UUGG), które znajdują się na końcu RNA i mają osobliwość tworzenia pętle stabilny. Ta sekwencja bierze udział w fałdowaniu trójwymiarowej struktury RNA.

Ponadto wiązania wodorowe mogą powstawać w innych miejscach, które nie są typowymi parami zasad (AU i CG). Jedna z tych interakcji zachodzi pomiędzy 2'-OH rybozy z innymi grupami.

Rozcieńczenie różnych struktur znalezionych w RNA posłużyło do wykazania wielu funkcji tego kwasu nukleinowego.

Rodzaje RNA i funkcje

Istnieją dwa rodzaje RNA: informacyjny i funkcjonalny. Pierwsza grupa obejmuje RNA, które uczestniczą w syntezie białek i działają jako pośrednicy procesu; informacyjne RNA są informacyjnymi RNA.

Przeciwnie, RNA należące do drugiej klasy, funkcjonalne, nie dają początek nowej cząsteczce białka, a sam RNA jest produktem końcowym. Są to transferowane RNA i rybosomalne RNA.

W komórkach ssaków 80% RNA to rybosomalny RNA, 15% to transfer RNA, a tylko mała część odpowiada informacyjnemu RNA. Te trzy typy współpracują ze sobą w celu osiągnięcia biosyntezy białek.

Istnieją również małe jądrowe RNA, małe cytoplazmatyczne RNA i mikroRNA, między innymi. Następnie każdy z najważniejszych typów zostanie szczegółowo opisany:

Messenger RNA

W eukariotach DNA ogranicza się do jądra, podczas gdy synteza białek zachodzi w cytoplazmie komórki, w której znajdują się rybosomy. Do tego przestrzennego rozdzielenia musi być mediator, który przenosi komunikat z jądra do cytoplazmy i ta cząsteczka jest informacyjnym RNA.

Informacyjny RNA, w skrócie mRNA, jest cząsteczką pośrednią, która zawiera informacje zakodowane w DNA i która określa sekwencję aminokwasów, która doprowadzi do powstania funkcjonalnego białka.

Termin informacyjny RNA został zaproponowany w 1961 r. Przez François Jacoba i Jacquesa Monoda, aby opisać część RNA, która przekazała wiadomość z DNA do rybosomów..

Proces syntezy mRNA z nici DNA jest znany jako transkrypcja i występuje różnie między prokariotami i eukariotami. 

Ekspresja genów zależy od kilku czynników i zależy od potrzeb każdej komórki. Transkrypcja jest podzielona na trzy etapy: inicjacja, wydłużenie i zakończenie.

Transkrypcja

Proces replikacji DNA, który zachodzi w każdym podziale komórki, kopiuje cały chromosom. Jednak proces transkrypcji jest znacznie bardziej selektywny, dotyczy tylko przetwarzania określonych segmentów nici DNA i nie wymaga primera.

W Escherichia coli -bakteria najlepiej przebadana w naukach biologicznych - transkrypcja rozpoczyna się od rozwinięcia podwójnej helisy DNA i powstaje pętla transkrypcyjna. Enzym polimeraza RNA jest odpowiedzialny za syntezę RNA, a gdy transkrypcja jest kontynuowana, nić DNA powraca do swojej pierwotnej postaci.

Rozpoczęcie, wydłużenie i zakończenie

Transkrypcja nie jest inicjowana w przypadkowych miejscach w cząsteczce DNA; istnieją wyspecjalizowane strony tego zjawiska, zwane promotorami. W E. coli polimeraza RNA jest sprzężona z kilkoma parami zasad nad białym regionem.

Sekwencje, w których sprzężone są czynniki transkrypcyjne, są dość konserwatywne wśród różnych gatunków. Jedną z najbardziej znanych sekwencji promotorowych jest skrzynka TATA.

W wydłużeniu, polimeraza RNA dodaje nowe nukleotydy do końca 3'-OH, zgodnie z kierunkiem 5 'do 3'. Grupa hydroksylowa działa jako nukleofil, atakując fosforan alfa nukleotydu, który zostanie dodany. Ta reakcja uwalnia pirofosforan.

Tylko jedna nić DNA jest używana do syntezy informacyjnego RNA, który jest kopiowany w kierunku 3 'do 5' (antyrównoległa forma nowej nici RNA). Nukleotyd, który zostanie dodany, musi być zgodny z parowaniem podstawowym: parowanie U z A i G z C.

Polimeraza RNA zatrzymuje proces, gdy znajdzie regiony bogate w cytozynę i guaninę. Wreszcie nowa cząsteczka informacyjnego RNA jest oddzielona od kompleksu.

Transkrypcja u prokariotów

U prokariotów cząsteczka informacyjnego RNA może kodować więcej niż jedno białko.

Gdy mRNA koduje wyłącznie białko lub polipeptyd, nazywa się to monokistronowym mRNA, ale jeśli koduje więcej niż jeden produkt białkowy, mRNA jest policistronowy (należy zauważyć, że w tym kontekście termin cistron odnosi się do genu).

Transkrypcja u eukariontów

W organizmach eukariotycznych ogromna większość mRNA jest monocistronowa, a mechanizm transkrypcyjny jest znacznie bardziej złożony w tej linii organizmów. Charakteryzują się trzema polimerazami RNA, oznaczonymi jako I, II i III, z których każda ma specyficzne funkcje.

I jest odpowiedzialny za syntezę pre-rRNA, II syntetyzuje informacyjny RNA i niektóre specjalne RNA. Wreszcie III odpowiada za transfer RNA, rybosomalny 5S i inny mały RNA.

Messenger RNA u eukariotów

Komunikacyjny RNA podlega szeregowi specyficznych modyfikacji u eukariotów. Pierwszy polega na dodaniu „czapki” do końca 5 '. Chemicznie zakrętka jest resztą 7-metyloguanozyny zakotwiczonej do końca przez wiązanie trifosforanu typu 5 ', 5'.

Zadaniem tej strefy jest ochrona RNA przed możliwą degradacją przez rybonukleazy (enzymy rozkładające RNA na mniejsze składniki).

Ponadto następuje usunięcie końca 3 'i dodaje się 80 do 250 reszt adeniny. Ta struktura jest znana jako „ogon” poliA i służy jako strefa wiązania dla kilku białek. Gdy prokariot uzyskuje ogon poliA, ma tendencję do stymulowania jego degradacji.

Z drugiej strony ten posłaniec jest transkrybowany z intronami. Introny są sekwencjami DNA, które nie są częścią genu, ale „przerywają” sekwencję. Introny nie są tłumaczone i dlatego muszą zostać usunięte z komunikatora.

Większość genów kręgowców ma introny, z wyjątkiem genów kodujących histony. Podobnie liczba intronów w genie może się wahać od kilku do kilkudziesięciu.

Łączenie RNA

Splicing RNA lub proces splicingu polega na usunięciu intronów w informacyjnym RNA.

Niektóre introny znalezione w genach jądrowych lub mitochondrialnych mogą wykonywać proces łączenie bez pomocy enzymów lub ATP. Zamiast tego proces prowadzi się przez reakcje transestryfikacji. Mechanizm ten został odkryty w orzęsionym pierwotniaku Tetrahymena thermophila.

Natomiast istnieje inna grupa posłańców, którzy nie są w stanie pośredniczyć we własnym łączenie, więc potrzebują dodatkowych maszyn. Do tej grupy należy dość duża liczba genów jądrowych.

Proces łączenie pośredniczy w nim kompleks białkowy zwany spiceosomem lub kompleksem splicingowym. System składa się ze specjalistycznych kompleksów RNA zwanych jądrowymi małymi rybonukleoproteinami (RNP).

Istnieje pięć rodzajów RNP: U1, U2, U4, U5 i U6, które znajdują się w jądrze i pośredniczą w procesie łączenie.

The łączenie może produkować więcej niż jeden rodzaj białka - jest to znane jako łączenie alternatywnie, ponieważ egzony są rozmieszczone w różny sposób, tworząc odmiany informacyjnego RNA.

RNA rybosomalny

RNA rybosomalny, w skrócie rRNA, występuje w rybosomach i bierze udział w biosyntezie białek. Dlatego jest niezbędnym składnikiem wszystkich komórek.

RNA rybosomalny jest związany z cząsteczkami białka (około 100, około), aby wywołać presubunidady rybosomalne. Są one klasyfikowane w zależności od ich współczynnika sedymentacji, oznaczonego literą S jednostek Svedberga.

Rybosom składa się z dwóch części: głównej podjednostki i mniejszej podjednostki. Obie podjednostki różnią się między prokariotami a eukariotami pod względem współczynnika sedymentacji.

Prokarionty posiadają dużą podjednostkę 50S i małą podjednostkę 30S, podczas gdy u eukariontów duża podjednostka to 60S, a mała podjednostka 40S.

Geny kodujące rybosomalne RNA znajdują się w jąderku, szczególnym obszarze jądra, które nie jest ograniczone błoną. Rybosomalne RNA są transkrybowane w tym regionie przez polimerazę I RNA.

W komórkach, które syntetyzują duże ilości białek; Jądro ma wyraźną strukturę. Jednakże, gdy dana komórka nie wymaga dużej liczby produktów białkowych, jąderko jest strukturą prawie niezauważalną..

Przetwarzanie rybosomalnego RNA

Duża podjednostka rybosomalna 60S jest związana z fragmentami 28S i 5,8S. W odniesieniu do małej podjednostki (40S) jest ona powiązana z 18S.

W wyższych eukariontach pre-rRNA jest kodowany w jednostce transkrypcyjnej 45S, która obejmuje polimerazę RNA I. Ten transkrypt jest przetwarzany w dojrzałych rybosomalnych RNA 28S, 18S i 5,8S.

W miarę kontynuacji syntezy pre-rRNA jest związany z różnymi białkami i tworzy cząsteczki rybonukleoprotein. To przechodzi szereg kolejnych modyfikacji, które obejmują metylację grupy 2'-OH rybozy i konwersję reszt urydyny do pseudourydyny..

Region, w którym te zmiany wystąpią, jest kontrolowany przez ponad 150 małych cząsteczek jąderkowego RNA, które mają zdolność przyłączania się do pre-rRNA.

W przeciwieństwie do reszty pre-rRNA, 5S ulega transkrypcji przez polimerazę RNA III w nukleoplazmie, a nie wewnątrz jąderka. Po syntezie jest kierowany do jąderka, aby połączyć się z 28S i 5,8S, tworząc jednostki rybosomalne.

Pod koniec procesu składania podjednostki są przenoszone do cytoplazmy przez pory jądrowe.

Polyribosomy

Może się zdarzyć, że cząsteczka informacyjnego RNA daje początek kilku białkom jednocześnie, łącząc więcej niż jeden rybosom. W miarę postępu procesu tłumaczenia koniec komunikatora jest wolny i może być odebrany przez inny rybosom, rozpoczynając nową syntezę.

Dlatego powszechne jest znajdowanie rybosomów zgrupowanych (między 3 a 10) w pojedynczej cząsteczce informacyjnego RNA, a ta grupa nazywa się polirybosomem.

Przenieś RNA

Przenoszony RNA jest odpowiedzialny za przenoszenie aminokwasów w miarę postępu syntezy białek. Składają się z około 80 nukleotydów (w porównaniu z informacyjnym RNA, jest to „mała” cząsteczka).

Struktura ma fałdy i krzyże przypominające koniczynę z trzema ramionami. Na jednym końcu znajduje się pierścień adenylowy, w którym grupa hydroksylowa rybozy pośredniczy w wiązaniu z transportowanym aminokwasem.

Różne transfery RNA są łączone wyłącznie z jednym z dwudziestu aminokwasów, które tworzą białka; innymi słowy, jest to pojazd, który transportuje podstawowe budulce białek. Kompleks RNA przenoszącego wraz z aminokwasem nazywany jest aminoacylo-tRNA.

Ponadto w procesie translacji - który ma miejsce dzięki rybosomom - każde przenoszone RNA rozpoznaje specyficzny kodon w informacyjnym RNA. Gdy zostanie rozpoznany, odpowiedni aminokwas zostaje uwolniony i staje się częścią zsyntetyzowanego peptydu.

Aby rozpoznać rodzaj aminokwasu, który musi być dostarczony, RNA ma „antykodon” umieszczony w środkowym obszarze cząsteczki. Ten antykodon jest w stanie tworzyć wiązania wodorowe z komplementarnymi zasadami obecnymi w DNA informacyjnym.

MicroRNA

MikroRNA lub mRNA to krótki typ jednoniciowego RNA o długości od 21 do 23 nukleotydów, którego funkcją jest regulacja ekspresji genów. Ponieważ nie przekłada się to na białko, zazwyczaj nazywa się to niekodującym RNA.

Podobnie jak inne rodzaje RNA, przetwarzanie mikroRNA jest złożone i obejmuje szereg białek.

MikroRNA powstają z dłuższych prekursorów zwanych mRNA-pri, pochodzących z pierwszego transkryptu genu. W jądrze komórki te prekursory są modyfikowane w kompleksie mikroprocesora, w wyniku czego powstaje pre-miRNA..

Pre-mRNA to widelce o długości 70 nukleotydów, które kontynuują przetwarzanie w cytoplazmie przez enzym o nazwie Dicer, który składa się z kompleksu wyciszającego indukowanego RNA (RISC) i ostatecznie syntetyzuje się mRNA..

Te RNA są w stanie regulować ekspresję genów, ponieważ są one komplementarne do specyficznych matrycowych RNA. W połączeniu ze swoim celem, miRNA są w stanie tłumić posłańca, a nawet go degradować. W konsekwencji rybosom nie może tłumaczyć tego transkryptu.

Wyciszanie RNA

Szczególnym rodzajem mikroRNA jest mały interferujący RNA (siRNA), zwany także wyciszającym RNA. Są to krótkie RNA o długości od 20 do 25 nukleotydów, które utrudniają ekspresję niektórych genów.

Są bardzo obiecującymi instrumentami do badań, ponieważ pozwalają wyciszyć interesujący gen, a tym samym zbadać jego możliwą funkcję.

Różnice między DNA a RNA

Chociaż DNA i RNA są kwasami nukleinowymi i na pierwszy rzut oka mogą wyglądać bardzo podobnie, różnią się kilkoma swoimi właściwościami chemicznymi i strukturalnymi. DNA jest cząsteczką dwuzakresową, podczas gdy RNA jest prostym pasmem.

Dlatego RNA jest bardziej wszechstronną cząsteczką i może przyjąć dużą różnorodność trójwymiarowych kształtów. Jednak niektóre wirusy mają dwuniciowy RNA w materiale genetycznym.

W nukleotydach RNA cząsteczka cukru jest rybozą, podczas gdy w DNA jest dezoksyrybozą, różniącą się jedynie obecnością atomu tlenu.

Wiązanie fosfodiestrowe w szkielecie DNA i RNA jest podatne na powolny proces hydrolizy i bez obecności enzymów. W warunkach zasadowości RNA jest szybko hydrolizowany - dzięki dodatkowej grupie hydroksylowej - podczas gdy DNA nie.

Podobnie, azotowymi zasadami, które tworzą nukleotydy w DNA, są guanina, adenina, tymina i cytozyna; Z drugiej strony, w tyminie RNA zastępuje się uracylem. Uracyl można sparować z adeniną, podobnie jak tymina w DNA.

Pochodzenie i ewolucja

RNA jest jedyną znaną cząsteczką zdolną do przechowywania informacji i jednoczesnego katalizowania reakcji chemicznych; dlatego kilku autorów proponuje, aby cząsteczka RNA była kluczowa dla powstania życia. Co zaskakujące, substratami rybosomów są inne cząsteczki RNA.

Odkrycie rybozymów doprowadziło do biochemicznej redefinicji „enzymu”, ponieważ termin ten był używany wyłącznie dla białek o aktywności katalitycznej - i pomógł utrzymać scenariusz, w którym pierwsze formy życia wykorzystywały tylko RNA jako materiał genetyczny.

Referencje

  1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Molekularna biologia komórki. 4. edycja. Nowy Jork: Garland Science. Od DNA do RNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  2. Berg, J. M., Stryer, L. i Tymoczko, J. L. (2007). Biochemia. Odwróciłem się.
  3. Campbell, N. A., i Reece, J. B. (2007). Biologia. Ed. Panamericana Medical.
  4. Griffiths, A.J.F., Gelbart, W.M., Miller, J.H., et al. (1999). Nowoczesna analiza genetyczna. Nowy Jork: W. H. Freeman. Geny i RNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  5. Guyton, A.C., Hall, J. E., i Guyton, A.C. (2006). Traktat o fizjologii medycznej. Elsevier.
  6. Hall, J. E. (2015). Guyton and Hall podręcznik fizjologii medycznej e-Book. Elsevier Health Sciences.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., i in. (2000) Molekularna biologia komórkowa. 4. edycja. Nowy Jork: W. H. Freeman. Rozdział 11.6, Przetwarzanie rRNA i tRNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  8. Nelson, D.L., Lehninger, A.L. & Cox, M.M. (2008). Zasady Lehningera dotyczące biochemii. Macmillan.