RNA-functies, -structuur en -typen

de RNA of RNA (ribonucleïnezuur) is een type nucleïnezuur dat aanwezig is in eukaryote organismen, prokaryoten en virussen. Het is een polymeer van nucleotiden dat vier soorten stikstofhoudende basen in zijn structuur bevat: adenine, guanine, cytosine en uracil.

RNA wordt over het algemeen gevonden als een enkele band (behalve in sommige virussen), lineair of vormt een reeks complexe structuren. In feite heeft RNA een structurele dynamiek die niet wordt waargenomen in de DNA-dubbele helix. De verschillende soorten RNA hebben zeer uiteenlopende functies.

Ribosomale RNA's maken deel uit van ribosomen, de structuren die verantwoordelijk zijn voor de synthese van eiwitten in cellen. De boodschapper-RNA's werken als tussenpersonen en transporteren de genetische informatie naar het ribosoom, wat het bericht van een nucleotidesequentie naar een aminozuursequentie vertaalt.

Transfer RNA's zijn verantwoordelijk voor het activeren en overbrengen van de verschillende soorten aminozuren -20 in totaal- naar ribosomen. Er is een transfer-RNA-molecuul voor elk aminozuur dat de sequentie in messenger-RNA herkent.  

Bovendien zijn er andere soorten RNA die niet direct betrokken zijn bij eiwitsynthese en die betrokken zijn bij genregulatie.

index

• 1 structuur
  • 1.1 Nucleotiden
  • 1.2 RNA-keten
  • 1.3 Krachten die RNA stabiliseren
• 2 soorten RNA en functies
  • 2.1 Messenger RNA
  • 2.2 ribosomaal RNA
  • 2.3 RNA overbrengen
  • 2.4 MicroRNA
  • 2,5 mute RNA
• 3 Verschillen tussen DNA en RNA
• 4 Oorsprong en evolutie
• 5 Referenties

structuur

De fundamentele eenheden van RNA zijn nucleotiden. Elk nucleotide wordt gevormd door een stikstofhoudende base (adenine, guanine, cytosine en uracil), een pentose en een fosfaatgroep.

nucleotide

De stikstofhoudende basen zijn afgeleid van twee fundamentele verbindingen: pyrimidines en purines.

De basen afgeleid van purinen zijn adenine en guanine en basen afgeleid van pyrimidinen zijn cytosine en uracil. Hoewel dit de meest voorkomende basen zijn, kunnen nucleïnezuren ook andere typen basen presenteren die minder vaak voorkomen.

Wat pentose betreft, het zijn d-ribose-eenheden. Daarom worden de nucleotiden die het RNA vormen "ribonucleotiden" genoemd.

RNA-keten

De nucleotiden zijn aan elkaar verbonden door chemische bindingen waarbij de fosfaatgroep is betrokken. Om ze te vormen, is de fosfaatgroep aan het 5'-uiteinde van een nucleotide gehecht aan de hydroxylgroep (-OH) aan het 3'-uiteinde van het volgende nucleotide, waardoor een binding van het fosfodi-ester-type wordt gecreëerd..

Langs de nucleïnezuurketen hebben de fosfodiesterbindingen dezelfde oriëntatie. Daarom is er een polariteit van de streng, die onderscheid maakt tussen het 3'- en het 5'-uiteinde.

Volgens afspraak wordt de structuur van de nucleïnezuren weergegeven met het 5'-uiteinde aan de linkerkant en het 3'-uiteinde aan de rechterkant.

Het RNA-product van de transcriptie van het DNA is een eenvoudige keten die naar rechts draait, in een spiraalvormige conformatie door het stapelen van de basen. De interactie tussen purines is veel groter dan de interactie tussen twee pyrimidines, door de grootte ervan.

In RNA kunnen we niet spreken van een traditionele secundaire structuur en referentie, net als de dubbele helix van DNA. De driedimensionale structuur van elk RNA-molecuul is uniek en complex, vergelijkbaar met die van eiwitten (logisch gezien kunnen we de structuur van eiwitten niet globaliseren).

Krachten die RNA stabiliseren

Er zijn zwakke interacties die bijdragen aan de stabilisatie van RNA, met name het stapelen van basen, waarbij de ringen zich boven elkaar bevinden. Dit fenomeen draagt ​​ook bij aan de stabiliteit van de DNA-helix.

Als het RNA-molecuul een complementaire sequentie vindt, kunnen ze koppelen en een structuur met dubbele keten vormen die naar rechts draait. De overheersende vorm is type A; wat de Z-vormen betreft, ze zijn alleen in het laboratorium aangetoond, terwijl de B-vorm niet is waargenomen.

Over het algemeen zijn er korte sequenties (zoals UUGG) die zich aan het einde van het RNA bevinden en de eigenaardigheid van vormen hebben loops stabiel. Deze sequentie neemt deel aan het vouwen van de driedimensionale structuur van RNA.

Bovendien kunnen waterstofbruggen worden gevormd op andere plaatsen die niet de typische baseparen zijn (AU en CG). Een van deze interacties vindt plaats tussen de 2'-OH van de ribose met andere groepen.

Verdunning van de verschillende structuren gevonden in het RNA heeft gediend om de meervoudige functies van dit nucleïnezuur te demonstreren.

Typen RNA en functies

Er zijn twee soorten RNA: het informatieve en het functionele. De eerste groep omvat de RNA's die deelnemen aan de synthese van eiwitten en functioneren als proces-intermediairs; de informatie-RNA's zijn de boodschapper-RNA's.

In tegenstelling daarmee geven de RNA's die behoren tot de tweede klasse, de functionele, geen aanleiding tot een nieuw eiwitmolecuul en het RNA zelf is het eindproduct. Dit zijn de transfer-RNA's en de ribosomale RNA's.

In zoogdiercellen is 80% van het RNA ribosomaal RNA, 15% is transfer-RNA en slechts een klein deel komt overeen met het boodschapper-RNA. Deze drie typen werken samen om de biosynthese van eiwitten te bereiken.

Er zijn ook kleine nucleaire RNA's, kleine cytoplasmatische RNA's en microRNA's, onder andere. Vervolgens zal elk van de belangrijkste soorten in detail worden beschreven:

Messenger RNA

In eukaryoten is DNA beperkt tot de kern, terwijl eiwitsynthese plaatsvindt in het cytoplasma van de cel, waar de ribosomen zich bevinden. Voor deze ruimtelijke scheiding moet er een bemiddelaar zijn die de boodschap van de kern naar het cytoplasma draagt ​​en dat molecuul het boodschapper-RNA is.

Het boodschapper-RNA, afgekort mRNA, is een intermediair molecuul dat de informatie bevat die wordt gecodeerd in het DNA en die een sequentie van aminozuren specificeert die aanleiding geeft tot een functioneel eiwit.

De term messenger RNA werd in 1961 voorgesteld door François Jacob en Jacques Monod om het gedeelte van RNA te beschrijven dat het bericht van DNA naar ribosomen doorstuurde..

Het proces van synthese van een mRNA uit de DNA-streng is bekend als transcriptie en komt differentieel voor tussen prokaryoten en eukaryoten.. 

Genexpressie wordt bepaald door verschillende factoren en is afhankelijk van de behoeften van elke cel. De transcriptie is verdeeld in drie stadia: initiatie, verlenging en beëindiging.

transcriptie

Het DNA-replicatieproces, dat voorkomt in elke celdeling, kopieert het volledige chromosoom. Het transcriptieproces is echter veel selectiever, heeft alleen betrekking op het verwerken van specifieke segmenten van de DNA-streng en vereist geen primer.

in Escherichia coli -de bacterie best bestudeerd in de biologische wetenschappen - transcriptie begint met het afwikkelen van de dubbele helix van DNA en de transcriptielus wordt gevormd. Het RNA-polymerase-enzym is verantwoordelijk voor het synthetiseren van het RNA en naarmate de transcriptie voortgaat, keert de DNA-streng terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Initiatie, verlenging en beëindiging

Transcriptie wordt niet geïnitieerd op willekeurige plaatsen in het DNA-molecuul; er zijn gespecialiseerde sites voor dit fenomeen, promoters genaamd. in E. coli het RNA-polymerase is gekoppeld met enkele baseparen boven het witte gebied.

De sequenties waar de transcriptiefactoren aan gekoppeld zijn, zijn behoorlijk geconserveerd onder verschillende soorten. Een van de bekendste promotersequenties is de TATA-box.

Bij verlenging voegt het RNA-polymerase-enzym nieuwe nucleotiden aan het 3'-OH-uiteinde toe, waarbij de 5'-naar-3'-richting wordt gevolgd. De hydroxylgroep werkt als een nucleofiel en tast het alfafosfaat aan van het nucleotide dat zal worden toegevoegd. Deze reactie maakt een pyrofosfaat vrij.

Slechts één DNA-streng wordt gebruikt om het boodschapper-RNA te synthetiseren, dat wordt gekopieerd in de richting 3 'naar 5' (de antiparallelle vorm van de nieuwe RNA-streng). Het nucleotide dat wordt toegevoegd, moet voldoen aan de basenparing: U-koppeling met A en G met C.

RNA-polymerase stopt het proces wanneer het gebieden vindt die rijk zijn aan cytosine en guanine. Uiteindelijk wordt het nieuwe messenger-RNA-molecuul gescheiden van het complex.

Transcriptie in prokaryoten

In prokaryoten kan een boodschapper RNA-molecuul coderen voor meer dan één eiwit.

Wanneer een mRNA exclusief voor een eiwit of polypeptide codeert, wordt het een monocistronisch mRNA genoemd, maar als het codeert voor meer dan één eiwitproduct is het mRNA polycistronisch (merk op dat in deze context de term cistron naar het gen verwijst).

Transcriptie in eukaryoten

In eukaryote organismen is de overgrote meerderheid van mRNA's monocistronisch en is de transcriptionele machinerie veel complexer in deze lijn van organismen. Ze worden gekenmerkt door het hebben van drie RNA-polymerasen, aangeduid met I, II en III, elk met specifieke functies.

De I is verantwoordelijk voor het synthetiseren van het pre-rRNA, de II synthetiseert de boodschapper-RNA's en enkele speciale RNA's. Ten slotte is de III verantwoordelijk voor het transfer-RNA, het 5S-ribosomale en andere kleine RNA.

Messenger RNA in eukaryoten

Messenger RNA ondergaat een reeks specifieke modificaties in eukaryoten. De eerste omvat de toevoeging van een "cap" aan het 5'-uiteinde. Chemisch gezien is de dop een residu van 7-methylguanosine verankerd aan het einde door een binding van het type 5 ', 5'-trifosfaat.

De functie van deze zone is om RNA te beschermen tegen mogelijke afbraak door ribonucleasen (enzymen die RNA afbreken tot kleinere componenten).

Bovendien vindt verwijdering van het 3'-uiteinde plaats en worden 80 tot 250 adenineresiduen toegevoegd. Deze structuur staat bekend als polyA "staart" en dient als een bindende zone voor verschillende eiwitten. Wanneer een prokaryoot een staart verkrijgt, heeft polyA de neiging om de afbraak ervan te stimuleren.

Aan de andere kant wordt deze boodschapper getranscribeerd met de introns. Introns zijn DNA-sequenties die geen deel uitmaken van het gen, maar de sequentie "onderbreken". Introns worden niet vertaald en moeten daarom uit de messenger worden verwijderd.

De meeste gewervelde genen hebben introns, behalve genen die coderen voor histonen. Evenzo kan het aantal introns in een gen variëren van enkele tot tientallen hiervan.

splicing van RNA

De splicing RNA- of splitsingproces omvat de verwijdering van introns in het boodschapper-RNA.

Sommige introns die in nucleaire of mitochondriale genen worden aangetroffen, kunnen het proces uitvoeren splicing zonder de hulp van enzymen of ATP. In plaats daarvan wordt het proces uitgevoerd door transveresteringsreacties. Dit mechanisme werd ontdekt in het ciliated protozoon Tetrahymena thermophila.

Daarentegen is er een andere groep boodschappers die niet in staat zijn om hun eigen boodschappers te bemiddelen splicing, dus ze hebben extra machines nodig. Tot deze groep behoort een vrij groot aantal nucleaire genen.

Het proces van splicing het wordt gemedieerd door een eiwitcomplex dat een spiceosoom of splitsingscomplex wordt genoemd. Het systeem bestaat uit gespecialiseerde RNA-complexen die nucleaire kleine ribonucleoproteïnen (RNP) worden genoemd..

Er zijn vijf soorten RNP: U1, U2, U4, U5 en U6, die in de kern worden gevonden en het proces van splicing.

de splicing kan meer dan één type proteïne produceren - dit staat bekend als splicing alternatief, omdat exons verschillend zijn gerangschikt, waardoor variëteiten van boodschapper-RNA ontstaan.

Ribosomaal RNA

Ribosomaal RNA, afgekort rRNA, wordt aangetroffen in ribosomen en neemt deel aan de biosynthese van eiwitten. Daarom is het een essentieel onderdeel van alle cellen.

Ribosomaal RNA is geassocieerd met eiwitmoleculen (ongeveer 100, bij benadering) om aanleiding te geven tot ribosomale presubunidades. Ze worden geclassificeerd op basis van hun sedimentatiecoëfficiënt, aangeduid met de letter S van Svedberg-eenheden.

Een ribosoom bestaat uit twee delen: de hoofdsubeenheid en de secundaire subeenheid. Beide subeenheden verschillen tussen prokaryoten en eukaryoten in termen van de sedimentatiecoëfficiënt.

Prokaryoten bezitten een grote 50S-subeenheid en een kleine 30S-subeenheid, terwijl in eukaryoten de grote subeenheid 60S en de kleine 40S-subeenheid is.

De genen die coderen voor ribosomale RNA's bevinden zich in de nucleolus, een bepaald gebied van de kern dat niet wordt begrensd door een membraan. Ribosomale RNA's worden in dit gebied getranscribeerd door RNA-polymerase I.

In cellen die grote hoeveelheden eiwitten synthetiseren; De nucleolus is een prominente structuur. Wanneer de cel in kwestie echter geen hoog aantal eiwitproducten vereist, is de nucleolus een bijna onmerkbare structuur..

Verwerking van ribosomaal RNA

De grote 60S-ribosomale subeenheid is geassocieerd met fragmenten 28S en 5,8S. Met betrekking tot de kleine subeenheid (40S) wordt deze geassocieerd met 18S.

In hogere eukaryoten wordt het pre-rRNA gecodeerd in een transcriptionele eenheid van 45S, die RNA polymerase I omvat. Dit transcript wordt verwerkt in de rijpe ribosomale RNA's 28S, 18S en 5.8S.

Naarmate de synthese voortgaat, is het pre-rRNA geassocieerd met verschillende eiwitten en vormt het ribonucleoproteïnedeeltjes. Dit ondergaat een reeks van latere modificaties die methylatie van de 2'-OH-groep van ribose en de omzetting van residuen van uridine in pseudouridine omvatten..

Het gebied waar deze veranderingen zullen plaatsvinden, wordt gecontroleerd door meer dan 150 kleine nucleolaire RNA-moleculen, die het vermogen hebben zich te hechten aan pre-rRNA.

In tegenstelling tot de rest van het pre-rRNA, wordt 5S getranscribeerd door RNA-polymerase III in het nucleoplasma en niet binnen de nucleolus. Na te zijn gesynthetiseerd, wordt het naar de nucleolus gebracht om te assembleren met de 28S en 5,8S, waardoor de ribosomale eenheden worden gevormd.

Aan het einde van het assemblageproces worden de subeenheden door de nucleaire poriën overgebracht naar het cytoplasma.

polyribosomen

Het kan gebeuren dat een molecuul boodschapper-RNA op hetzelfde moment de oorsprong is van meerdere eiwitten, waarbij meer dan één ribosoom wordt samengevoegd. Naarmate het vertaalproces vordert, is het einde van de boodschapper gratis en kan het worden opgehaald door een ander ribosoom, waarmee een nieuwe synthese wordt gestart.

Daarom is het gebruikelijk om ribosomen gegroepeerd (tussen 3 en 10) in een enkele molecule van boodschapper-RNA te vinden, en deze groep wordt polyribosoom genoemd.

RNA overbrengen

Het transfer-RNA is verantwoordelijk voor het overbrengen van de aminozuren naarmate het proces van eiwitsynthese vordert. Ze bestaan ​​uit ongeveer 80 nucleotiden (in vergelijking met messenger RNA, het is een "klein" molecuul).

De structuur heeft vouwen en kruisen die lijkt op een klaverblad met drie armen. Aan het ene uiteinde bevindt zich een adenylring, waarbij de hydroxylgroep van de ribose de binding aan het te transporteren aminozuur medieert.

De verschillende transfer-RNA's worden uitsluitend gecombineerd met één van de twintig aminozuren die de eiwitten vormen; met andere woorden, het is het voertuig dat de fundamentele bouwstenen van eiwitten transporteert. Het transfer-RNA-complex samen met het aminozuur wordt aminoacyl-tRNA genoemd.

Bovendien herkent in het vertaalproces - dat plaatsvindt dankzij de ribosomen - elk transfer-RNA een specifiek codon in het boodschapper-RNA. Wanneer het wordt herkend, wordt het overeenkomstige aminozuur afgegeven en wordt het een deel van het gesynthetiseerde peptide.

Om het type aminozuur dat moet worden afgeleverd te herkennen, heeft het RNA een "anticodon" in het middelste gebied van het molecuul. Dit anticodon kan waterstofbruggen vormen met de complementaire basen die aanwezig zijn in het boodschapper-DNA.

MicroRNA

MicroRNA's of mRNA's zijn een kort type enkelstrengs RNA, tussen 21 en 23 nucleotiden, waarvan de functie is om de expressie van genen te reguleren. Omdat het zich niet vertaalt naar eiwitten, wordt het meestal niet-coderend RNA genoemd.

Net als de andere soorten RNA, is de verwerking van microRNA's complex en omvat het een reeks eiwitten.

MicroRNA's ontstaan ​​uit langere voorlopers, mRNA-pri genaamd, afgeleid van het eerste transcript van het gen. In de kern van de cel worden deze precursors gemodificeerd in het microprocessorcomplex en het resultaat is een pre-miRNA..

De pre-mRNA's zijn vorken van 70 nucleotiden die hun verwerking in het cytoplasma voortzetten door een enzym genaamd Dicer, dat het door RNA geïnduceerde silencingcomplex (RISC) samenstelt en tenslotte het mRNA wordt gesynthetiseerd..

Deze RNA's zijn in staat de expressie van genen te reguleren, omdat ze complementair zijn aan specifieke boodschapper-RNA's. In combinatie met hun doelwit kunnen de miRNA's de boodschapper onderdrukken of zelfs degraderen. Bijgevolg kan het ribosoom het transcript niet vertalen.

Silencing RNA

Een bepaald type microRNA is klein interfererend RNA (siRNA), ook wel silencing-RNA genoemd. Het zijn korte RNA's, tussen 20 tot 25 nucleotiden, die de expressie van bepaalde genen belemmeren.

Het zijn veelbelovende instrumenten voor onderzoek, omdat ze het uiten van een interessant gen mogelijk maken en zo de mogelijke functie bestuderen.

Verschillen tussen DNA en RNA

Hoewel DNA en RNA nucleïnezuren zijn en op het eerste gezicht erg op elkaar lijken, verschillen ze in verschillende van hun chemische en structurele eigenschappen. DNA is een dubbelbandmolecuul, terwijl RNA een eenvoudige band is.

Daarom is RNA een veelzijdiger molecuul en kan het een grote verscheidenheid aan driedimensionale vormen aannemen. Bepaalde virussen hebben echter dubbelstrengig RNA in hun genetisch materiaal.

In RNA-nucleotiden is het suikermolecuul een ribose, terwijl het in DNA een deoxyribose is, dat alleen verschilt in aanwezigheid van een zuurstofatoom.

De fosfodiesterbinding in het DNA- en RNA-skelet is vatbaar voor een langzaam hydrolyseproces en zonder de aanwezigheid van enzymen. Onder omstandigheden van alkaliteit wordt het RNA snel gehydrolyseerd - dankzij de extra hydroxylgroep -, terwijl het DNA dat niet doet.

Evenzo zijn de stikstofhoudende basen die de nucleotiden in DNA vormen guanine, adenine, thymine en cytosine; Aan de andere kant wordt in het thymine RNA vervangen door uracil. Uracil kan worden gecombineerd met adenine, net als thymine in DNA.

Oorsprong en evolutie

RNA is het enige bekende molecuul dat in staat is om informatie op te slaan en tegelijkertijd chemische reacties te katalyseren; daarom stellen verschillende auteurs voor dat het RNA-molecuul cruciaal was voor de oorsprong van het leven. Verrassenderwijs zijn de substraten van de ribosomen andere RNA-moleculen.

De ontdekking van ribozymen leidde tot de biochemische herdefinitie van "enzym" - omdat de term uitsluitend voor eiwitten met katalytische activiteit werd gebruikt - en hielp een scenario volhouden waarbij de eerste levensvormen alleen RNA als genetisch materiaal gebruikten.

referenties

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. Van DNA naar RNA. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, J. M., Stryer, L., & Tymoczko, J.L. (2007). biochemie. Ik draaide achteruit.
3. Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2007). biologie. Ed. Panamericana Medical.
4. Griffiths, A.J.F., Gelbart, W.M., Miller, J.H., et al. (1999). Moderne genetische analyse. New York: W.H. Freeman. Genen en RNA. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, A.C., Hall, J. E., & Guyton, A.C. (2006). Verdrag van medische fysiologie. Elsevier.
6. Hall, J. E. (2015). Guyton and Hall tekstboek van medische fysiologie e-Book. Elsevier Health Sciences.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000) Moleculaire celbiologie. 4e editie. New York: W.H. Freeman. Sectie 11.6, Verwerking van rRNA en tRNA. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, D.L., Lehninger, A.L., & Cox, M.M. (2008). Lehninger-principes van biochemie. Macmillan.