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14.4: RNA-Struktur
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RNA Structure
 
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14.4: RNA Structure

14.4: RNA-Struktur

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.

Überblick

Die Grundstruktur der RNA besteht aus einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker und einer von vier stickstoffhaltigen Basen. Obwohl die meisten RNAs einzelsträngig sind, können sie komplexe Sekundär -und Tertiärstrukturen bilden. Solche Strukturen spielen eine wesentliche Rolle bei der Regulation der Transkription und Translation.

Verschiedene RNA-Typen haben die gleiche Grundstruktur

Es gibt drei Haupttypen von RiboNucleinsäure (RNA): Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Alle drei RNA-Typen bestehen aus einer einsträngigen Kette von Nucleotiden. Jeder Nucleotid setzt sich aus dem Fünf-Kohlenstoff-Zucker Ribose zusammen. Die Kohlenstoffmoleküle der Ribose sind von eins bis fünf durchnummeriert. Kohlenstoff Nummer fünf trägt eine Phosphatgruppe und Kohlenstoff Nummer eins eine stickstoffhaltige Base.

Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in RNAAdenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U). Uracil ist die einzige Base in der RNA, die nicht in der DNA vorhanden ist. Dort wird stattdessen Thymin (T) verwendet. Während der Transkription wird RNA von einer DNA-Vorlage synthetisiert, die auf der komplementären Bindung der neuen RNA-Basen an die DNA-Basen basiert. A bindet an T, G bindet an C, C bindet an G und U bindet an A.

Die RNA-Zusammenstellung ist unidirektional

Wie in der DNA sind auch in der RNA benachbarte Nucleotide über Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft. Diese Bindungen bilden sich zwischen der Phosphatgruppe eines Nukleotids und einer Hydroxylgruppe (–OH) an der Ribose des benachbarten Nukleotids.

Diese Struktur verleiht der RNA ihre Richtungsabhängigkeit. Die beiden Enden der Nucleotidkette sind also unterschiedlich. Der Kohlenstoff Nummer fünf der Ribose trägt eine ungebundene Phosphatgruppe, die den Namen 5 end (lesen Sie fünf prime) ergibt. Die letzte Ribose am anderen Ende der Nucleotidkette hat eine freie Hydroxylgruppe (–OH) am Kohlenstoff Nr. 3; daher wird dieses Ende des RNA-Moleküls 3 end genannt. Da während der Transkription Nucleotide an die Kette angehängt werden, reagiert die 5 Phosphatgruppe des neuen Nukleotids mit der 3 Hydroxylgruppe der wachsenden Kette. Daher wird die RNA immer in der 5 zu 3 Richtung zusammengesetzt.

Die RNA kann Sekundärstrukturen bilden

Sekundärstrukturen werden durch komplementäre Basenpaarung zwischen entfernten Nucleotiden auf derselben einzelsträngigen RNA gebildet. Haarnadelschleifen werden durch komplementäre Basenpaarung innerhalb von 5-10 Nucleotiden zueinander gebildet. Stamm-Schleifen werden durch die Paarung von Basen gebildet, die durch 50 bis Hunderte von Nucleotiden getrennt sind. Bei Prokaryonten fungieren diese Sekundärstrukturen als Transkriptionsregulatoren. Eine Haarnadelschleife kann zum Beispiel als Terminationssignal dienen, so dass sich Transkriptionsenzyme, wenn sie auf diese Struktur treffen, von der mRNA lösen und die Transkription stoppt. Stem-Schleifen oder Haarnadelschleifen an den 3 oder 5 Enden regulieren auch die mRNA-Stabilität in Eukaryonten, indem sie die Bindung von Ribonukleasen, RNA-abbauenden Enzymen, verhindern.

Sekundärstrukturen können kompliziertere tertiäre Strukturen bilden, die Pseudoknoten genannt werden. Pseudoknoten werden gebildet, wenn Basen in den Schleifenbereichen von Sekundärstrukturen mit komplementären Basen außerhalb der Schleife interagieren. Diese Tertiärstrukturen spielen eine wesentliche Rolle in der Struktur und Funktion der RNA.


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