14.4: RNA Structure
14.4: RNA Structuur
Overview
The basic structure of RNA consists of a five-carbon sugar and one of four nitrogenous bases. Although most RNA is single-stranded, it can form complex secondary and tertiary structures. Such structures play essential roles in the regulation of transcription and translation.
Different Types of RNA Have the Same Basic Structure
There are three main types of ribonucleic acid (RNA): messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). All three RNA types consist of a single-stranded chain of nucleotides. Each nucleotide is composed of the five-carbon sugar ribose. The carbon molecules of ribose are numbered one through five. Carbon number five carries a phosphate group and carbon number one a nitrogenous base.
There are four nitrogenous bases in RNA—adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and uracil (U). Uracil is the only base in RNA that is not present in DNA, which uses thymine (T) instead. During transcription, RNA is synthesized from a DNA template based on complementary binding of the new RNA bases to the DNA bases; A binds to T, G binds to C, C binds to G, and U binds to A.
RNA Assembly Is Unidirectional
Like DNA, adjacent nucleotides in RNA are linked together through phosphodiester bonds. These bonds form between the phosphate group of one nucleotide and a hydroxyl (–OH) group on the ribose of the adjacent nucleotide.
This structure lends RNA its directionality—that is, the two ends of the chain of nucleotides are different. Carbon number five of ribose carries an unbound phosphate group which gives rise to the name 5’ end (read five prime). The last ribose at the other end of the nucleotide chain has a free hydroxyl (–OH) group at carbon number 3; hence, this end of the RNA molecule is called 3’ end. As nucleotides are added to the chain during transcription, the 5’ phosphate group of the new nucleotide reacts with the 3’ hydroxyl group of the growing chain. Therefore, RNA is always assembled in the 5’ to 3’ direction.
RNA Can Form Secondary Structures
Secondary structures are formed by complementary base pairing between distant nucleotides on the same single-stranded RNA. Hairpin loops are formed by complementary pairing of bases within 5-10 nucleotides of each other. Stem-loops are formed by pairing of bases that are separated by 50 to hundreds of nucleotides. In prokaryotes, these secondary structures function as transcriptional regulators. For instance, a hairpin loop can serve as a termination signal such that when transcription enzymes encounter this structure, they detach from the mRNA and transcription stops. Stem-loops or hairpin loops at the 3’ or 5’ ends also regulate mRNA stability in eukaryotes by preventing the binding of ribonucleases—enzymes that degrade RNA.
Secondary structures can form more complicated tertiary structures called pseudoknots. Pseudoknots are formed when bases in the loop regions of secondary structures interact with complementary bases outside the loop. These tertiary structures play essential roles in RNA structure and function.
The Secondary and Tertiary Structure of tRNA Enables Protein Synthesis
tRNAs serve as adaptor molecules during the translation of mRNA into proteins. At one end, tRNAs carry an amino acid. At the other end, they bind to an mRNA codon—a sequence of three nucleotides that encodes a specific amino acid. tRNA molecules are usually 70-80 nucleotides long and fold into a stem-loop structure that resembles a cloverleaf. Three of the four stems have loops containing 7-8 bases. The fourth stem is unlooped and includes the free 5’ and 3’ ends of the RNA strand. The 3’ end acts as the amino acid acceptor site.
The three-dimensional structure of tRNA is L-shaped, with the amino acid binding site at one end and an anticodon at the other end. Anticodons are sequences of three nucleotides that are complementary to the mRNA codon. This peculiar shape of the tRNA enables it to bind to ribosomes, where protein synthesis occurs.
Overzicht
De basisstructuur van RNA bestaat uit een suiker met vijf koolstofatomen en een van de vier stikstofbasen. Hoewel het meeste RNA enkelstrengs is, kan het complexe secundaire en tertiaire structuren vormen. Dergelijke structuren spelen een essentiële rol bij de regulering van transcriptie en vertaling.
Verschillende soorten RNA hebben dezelfde basisstructuur
Er zijn drie hoofdtypen ribonucleïnezuur (RNA): boodschapper-RNA (mRNA), transfer-RNA (tRNA) en ribosomaal-RNA (rRNA). Alle drie de RNA-typen bestaan uit een enkelstrengige keten van nucleotiden. Elke nucleotide is samengesteld uit de suikerribose met vijf koolstofatomen. De koolstofmoleculen van ribose zijn genummerd van één tot en met vijf. Koolstof nummer vijf draagt een fosfaatgroep en koolstof nummer één een stikstofhoudende basis.
Er zijn vier stikstofhoudende basen in RNA: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en uracil (U). Uracil is de enige base in RNA die niet aanwezig is in DNA, dat in plaats daarvan thymine (T) gebruikt. Tijdens transcriptie, RNAwordt gesynthetiseerd uit een DNA-sjabloon op basis van complementaire binding van de nieuwe RNA-basen aan de DNA-basen; A bindt aan T, G bindt aan C, C bindt aan G en U bindt aan A.
RNA-assemblage is unidirectioneel
Net als DNA zijn aangrenzende nucleotiden in RNA met elkaar verbonden door middel van fosfodiësterbindingen. Deze bindingen worden gevormd tussen de fosfaatgroep van één nucleotide en een hydroxylgroep (-OH) op de ribose van het aangrenzende nucleotide.
Deze structuur verleent RNA zijn directionaliteit - dat wil zeggen dat de twee uiteinden van de keten van nucleotiden verschillend zijn. Koolstof nummer vijf van ribose draagt een ongebonden fosfaatgroep die aanleiding geeft tot de naam 5'-uiteinde (lees vijf prime). De laatste ribose aan het andere uiteinde van de nucleotideketen heeft een vrije hydroxylgroep (–OH) op koolstofgetal 3; daarom wordt dit uiteinde van het RNA-molecuul het 3'-uiteinde genoemd. Omdat nucleotiden tijdens transcriptie aan de keten worden toegevoegd, reageert de 5'-fosfaatgroep van het nieuwe nucleotide met de 3'-hydroxylgroep van de groeiende keten. Daarom wordt RNA altijd geassembleerd in de richting van 5 'naar 3'.
RNA kan secundaire structuren vormen
Secundaire structuren worden gevormd door complementaire basenparing tussen verre nucleotiden op hetzelfde enkelstrengs RNA. Haarspeldlussen worden gevormd door complementair paren van basen binnen 5-10 nucleotiden van elkaar. Stamlussen worden gevormd door het paren van basen die gescheiden zijn door 50 tot honderden nucleotiden. In prokaryoten functioneren deze secundaire structuren als transcriptionele regulatoren. Een haarspeldlus kan bijvoorbeeld dienen als een terminatiesignaal, zodat wanneer transcriptie-enzymen deze structuur tegenkomen, ze loskomen van het mRNA en de transcriptie stopt. Stamlussen of haarspeldlussen aan de 3'- of 5'-uiteinden reguleren ook de mRNA-stabiliteit in eukaryoten door de binding van ribonucleasen - enzymen die RNA afbreken te voorkomen.
Secundaire structuren kunnen meer gecompliceerde tertiaire structuren vormen die p worden genoemdseudoknots. Pseudoknots worden gevormd wanneer basen in de lusgebieden van secundaire structuren interageren met complementaire basen buiten de lus. Deze tertiaire structuren spelen een essentiële rol bij de structuur en functie van RNA.
De secundaire en tertiaire structuur van tRNA maakt eiwitsynthese mogelijk
tRNA's dienen als adaptermoleculen tijdens de vertaling van mRNA in eiwitten. Aan het ene uiteinde dragen tRNA's een aminozuur. Aan de andere kant binden ze zich aan een mRNA-codon - een sequentie van drie nucleotiden die codeert voor een specifiek aminozuur. tRNA-moleculen zijn meestal 70-80 nucleotiden lang en vouwen tot een stamlusstructuur die lijkt op een klaverblad. Drie van de vier stelen hebben lussen met 7-8 basen. De vierde stam is niet-lusvormig en omvat de vrije 5'- en 3'-uiteinden van de RNA-streng. Het 3'-uiteinde fungeert als de aminozuuracceptorplaats.
De driedimensionale structuur van tRNA is L-vormig, met de aminozuurbindingsplaats aan het ene uiteinde en een anticodon aan de andere kant.haar einde. Anticodons zijn sequenties van drie nucleotiden die complementair zijn aan het mRNA-codon. Door deze eigenaardige vorm van het tRNA kan het zich binden aan ribosomen, waar eiwitsynthese plaatsvindt.
CH
DE