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14.7: Arten von RNA
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Types of RNA
 
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14.7: Types of RNA

14.7: Arten von RNA

Overview

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse functions and can be broadly classified as protein-coding or non-coding RNA. Non-coding RNAs play important roles in the regulation of gene expression in response to developmental and environmental changes. Non-coding RNAs in prokaryotes can be manipulated to develop more effective antibacterial drugs for human or animal use.

RNA Performs Diverse but Cooperative Functions During Protein Synthesis

The central dogma of molecular biology states that DNA contains the information that encodes proteins and RNA uses this information to direct protein synthesis. Different types of RNA are involved in protein synthesis. Based on whether or not they encode proteins, RNA is broadly classified as protein-coding or non-coding RNA.

Messenger RNA (mRNA) is the protein-coding RNA. It consists of codons—sequences of three nucleotides that encode a specific amino acid. Transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA) are non-coding RNA. tRNA acts as an adaptor molecule that reads the mRNA sequence and places amino acids in the correct order in the growing polypeptide chain. rRNA and other proteins make up the ribosome—the seat of protein synthesis in the cell. During translation, ribosomes move along an mRNA strand where they stabilize the binding of tRNA molecules and catalyze the formation of peptide bonds between amino acids. Thus, different types of RNA perform specific but complementary functions during protein synthesis.

Non-coding RNAs in Eukaryotes Regulate Gene Expression

Non-coding RNAs other than tRNA and rRNA were initially considered to be “genomic junk” since they did not encode proteins. However, their roles in regulating gene expression were discovered over the past few decades and continue to be extensively researched. Based on their length, non-coding RNAs may be classified as small regulatory RNAs (< 100 nucleotides) or long non-coding RNAs (> 200 nucleotides).

Both small regulatory RNAs and long non-coding RNAs regulate gene expression by altering various stages of transcription and translation. Non-coding RNAs affect mRNA splicing—removal of protein non-coding segments and joining the protein coding sequences. In this manner, they control the formation of different protein variants from a single gene. Small regulatory RNAs such as microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs) bind to complementary sequences on mRNA and inhibit protein synthesis either by blocking the access of the translation machinery to the mRNA or by degrading the mRNA itself. Long non-coding RNAs interact with and recruit enzymes that chemically modify DNA and histones — proteins that help package DNA into the nucleus — to either activate or repress transcription.

Non-coding RNAs in Prokaryotes Act as Environmental Sensors

RNA-mediated regulation of gene expression is widespread in bacteria. Regulatory sequences in mRNA—called riboswitches—act as environmental sensors by detecting changes in temperature and nutrient levels.

Riboswitch-based regulation depends on the formation of two mutually exclusive and stable conformations of the RNA secondary structure. The secondary structure switches between the two conformations to turn gene expression on or off in response to environmental changes. For example, when the bacteria Listeria monocytogenes infects a host, the higher body temperature of the host breaks down the secondary structure in the 5’ untranslated region of the bacterial mRNA. This exposes a ribosome-binding site on the mRNA and initiates protein translation, enabling the bacteria to live and grow within the host organism.

Riboswitches Can Be Manipulated to Develop Effective Antibacterials

Some riboswitches detect end products of metabolic pathways and serve as feedback controls for transcription or translation. For instance, the thiamine pyrophosphate riboswitch regulates thiamine biosynthesis in bacteria. When an adequate concentration of thiamine has been synthesized, it binds to the riboswitch and changes its conformation. This change in conformation blocks the translation initiation site and stops protein synthesis.

Compounds that closely resemble thiamine in structure are being studied as potential antibacterial agents. These drugs are intended to bind the riboswitch in the absence of thiamine and cause a conformational change that blocks translation of proteins required for thiamine biosynthesis. Since the bacteria will be unable to produce this nutrient, it will stop growing and eventually die. As riboswitches are more commonly found in prokaryotes than eukaryotes, riboswitch-targeting antibacterials would have minimal adverse effects on mammalian hosts.

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 der 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. Der 5. Kohlenstoff trägt eine Phosphatgruppe, während der 1. Kohlenstoff an eine stickstoffhaltige Base gebunden ist.

In der RNA kommen vier stickstoffhaltige Basen vor: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U). Uracil ist die einzige Base in der RNA, die nicht auch in der DNA vorhanden ist. Anstelle des Uracils besitzt die DNA Thymin (T). 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 Nucleotids und einer Hydroxylgruppe (–OH) an der Ribose des benachbarten Nucleotids.

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 Ribonucleasen, 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.

Die Sekundär- und Tertiärstruktur der tRNA ermöglicht die Proteinsynthese

Die tRNAs dienen als Adaptormoleküle bei der Übersetzung von mRNA in Proteine. An einem Ende tragen tRNAs eine Aminosäure. Am anderen Ende binden sie an ein mRNA-Codoneine Sequenz von drei Nucleotiden, die für eine bestimmte Aminosäure kodiert. tRNA-Moleküle sind in der Regel 70-80 Nucleotide lang und falten sich zu einer Stamm-Schleifenstruktur, die einem Kleeblatt ähnelt. Drei der vier Stämme haben Schleifen mit 7-8 Basen. Der vierte Stamm ist ungeschlauft und umfasst die freien 5 und 3 Enden des RNA-Stranges. Das 3 Ende fungiert als die Aminosäureakzeptorstelle.

Die dreidimensionale Struktur der tRNA ist L-förmig, mit der Aminosäure-Bindungsstelle an einem Ende und einem Anticodon am anderen Ende. Anticodons sind Sequenzen von drei Nucleotiden, die zum mRNA-Codon komplementär sind. Diese eigenartige Form der tRNA ermöglicht die Bindung an Ribosomen, wo die Proteinsynthese durchgeführt wird.


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