ARN: FUNCTIES, STRUCTUUR EN TYPEN - BIOLOGIE - 2026

Het RNA of RNA (ribonucleïnezuur) is een type nucleïnezuur dat aanwezig is in eukaryoten, prokaryoten en virussen. Het is een nucleotidepolymeer dat vier soorten stikstofhoudende basen in zijn structuur bevat: adenine, guanine, cytosine en uracil.

RNA wordt over het algemeen aangetroffen als een enkele band (behalve bij sommige virussen), op een lineaire manier of in een reeks complexe structuren. In feite heeft RNA een structurele dynamiek die niet wordt waargenomen in de dubbele DNA-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. Boodschapper-RNA's functioneren als tussenpersonen en dragen genetische informatie over naar het ribosoom, dat de boodschap vertaalt van een nucleotidesequentie naar een aminozuursequentie.

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

Daarnaast zijn er andere soorten RNA die niet direct betrokken zijn bij de eiwitsynthese en wel deelnemen aan genregulatie.

Structuur

De fundamentele eenheden van RNA zijn nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit een stikstofbase (adenine, guanine, cytosine en uracil), een pentose en een fosfaatgroep.

Nucleotiden

Stikstofbasen zijn afgeleid van twee fundamentele verbindingen: pyrimidinen en purinen.

De basen afgeleid van purines zijn adenine en guanine en de basen afgeleid van pyrimidines zijn cytosine en uracil. Hoewel dit de meest voorkomende basen zijn, kunnen nucleïnezuren ook andere soorten basen hebben die minder vaak voorkomen.

Wat betreft pentose, het zijn eenheden van d-ribose. Daarom worden de nucleotiden waaruit RNA bestaat, "ribonucleotiden" genoemd.

RNA-keten

Nucleotiden zijn met elkaar verbonden door chemische bindingen waarbij de fosfaatgroep betrokken is. Om ze te vormen wordt de fosfaatgroep aan het 5'-uiteinde van een nucleotide gehecht aan de hydroxylgroep (-OH) aan het 3'-uiteinde van het volgende nucleotide, waardoor een fosfodiëster-achtige binding ontstaat.

Langs de nucleïnezuurketen hebben de fosfodiësterbindingen 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 nucleïnezuren weergegeven door het 5'-uiteinde aan de linkerkant en het 3'-uiteinde aan de rechterkant.

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

Bij RNA is het niet mogelijk om te spreken van een traditionele secundaire structuur en van referentie, zoals de dubbele helix van DNA. De driedimensionale structuur van elk RNA-molecuul is uniek en complex, vergelijkbaar met die van eiwitten (logischerwijs 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 base stacking, waarbij de ringen op elkaar zijn geplaatst. 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 dubbelstrengs structuur vormen die naar rechts draait. De overheersende vorm is type A; De Z-vormen 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 bijzonderheid hebben dat ze stabiele lussen vormen. Deze sequentie neemt deel aan het vouwen van de driedimensionale structuur van RNA.

Bovendien kunnen waterstofbruggen zich op andere plaatsen vormen dan de typische basenparen (AU en CG). Een van deze interacties vindt plaats tussen de 2'-OH van ribose met andere groepen.

Het ophelderen van de verschillende structuren die in RNA worden gevonden, heeft gediend om de vele functies van dit nucleïnezuur aan te tonen.

RNA-typen en functies

Er zijn twee klassen RNA: informatief en functioneel. De eerste groep omvat RNA's die deelnemen aan eiwitsynthese en als tussenpersoon in het proces functioneren; de informatieve RNA's zijn de boodschapper-RNA's.

Daarentegen geven RNA's die tot de tweede klasse behoren, 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 boodschapper-RNA. Deze drie typen werken samen om de biosynthese van eiwitten te bereiken.

Er zijn onder andere ook kleine nucleaire RNA's, kleine cytoplasmatische RNA's en microRNA's. Elk van de belangrijkste typen wordt hieronder in detail beschreven:

Boodschapper RNA

Bij eukaryoten is DNA beperkt tot de kern, terwijl eiwitsynthese plaatsvindt in het cytoplasma van de cel, waar ribosomen worden gevonden. Vanwege deze ruimtelijke scheiding moet er een mediator zijn die de boodschap van de kern naar het cytoplasma overbrengt en dat molecuul is het boodschapper-RNA.

Messenger RNA, afgekort mRNA, is een intermediair molecuul dat de informatie bevat die in het DNA wordt gecodeerd en dat een aminozuursequentie specificeert die aanleiding geeft tot een functioneel eiwit.

De term boodschapper-RNA werd in 1961 door François Jacob en Jacques Monod voorgesteld om het deel van het RNA te beschrijven dat de boodschap van DNA naar ribosomen overbracht.

Het proces van synthese van een mRNA uit de DNA-streng staat bekend als transcriptie en vindt differentieel plaats tussen prokaryoten en eukaryoten.

Genexpressie wordt bepaald door verschillende factoren en hangt af van de behoeften van elke cel. Transcriptie is onderverdeeld in drie fasen: initiatie, verlenging en beëindiging.

Transcriptie

Het proces van DNA-replicatie, dat plaatsvindt in elke celdeling, kopieert het hele chromosoom. Het transcriptieproces is echter veel selectiever, het behandelt alleen de verwerking van specifieke segmenten van de DNA-streng en vereist geen primer.

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

Initiatie, verlenging en beëindiging

Transcriptie wordt niet gestart op willekeurige plaatsen op het DNA-molecuul; er zijn gespecialiseerde sites voor dit fenomeen, promotors genaamd. In E. coli wordt het RNA-polymerase een paar basenparen boven het doelgebied gekoppeld.

De sequenties waaraan de transcriptiefactoren zijn gekoppeld, zijn vrij geconserveerd tussen verschillende soorten. Een van de bekendste promotersequenties is de TATA-box.

Bij verlenging voegt het RNA-polymerase-enzym nieuwe nucleotiden toe aan het 3'-OH-uiteinde, in de richting van 5 ′ tot 3 ′. De hydroxylgroep fungeert als een nucleofiel en valt het alfafosfaat van het toe te voegen nucleotide aan. Bij deze reactie komt een pyrofosfaat vrij.

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

RNA-polymerase stopt het proces wanneer het regio's vindt die rijk zijn aan cytosine en guanine. Uiteindelijk wordt het nieuwe boodschapper-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 uitsluitend codeert voor een eiwit of polypeptide, wordt het 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 verwijst naar het gen).

Transcriptie in eukaryoten

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

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

Boodschapper-RNA in eukaryoten

Messenger RNA ondergaat een reeks specifieke modificaties in eukaryoten. De eerste betreft het toevoegen van een "dop" aan het 5'-uiteinde. Chemisch gezien is de dop een 7-methylguanosineresidu dat aan het uiteinde is bevestigd door een 5 ', 5'-trifosfaatbinding.

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

Bovendien vindt de eliminatie van het 3'-uiteinde plaats en worden 80 tot 250 adenineresten toegevoegd. Deze structuur staat bekend als de polyA "staart" en dient als bindingsplaats voor verschillende eiwitten. Wanneer een prokaryoot een polyA-staart verwerft, heeft het de neiging de afbraak ervan te stimuleren.

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

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

Splitsing

Het plicing- of splitsingsproces van het RNA omvat de verwijdering van introns in het boodschapper-RNA.

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

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

Het splitsingsproces wordt gemedieerd door een eiwitcomplex dat een spliceosoom of splitsingscomplex wordt genoemd. Het systeem bestaat uit gespecialiseerde RNA-complexen die kleine nucleaire ribonucleoproteïnen (RNP's) worden genoemd.

Er zijn vijf soorten RNP: U1, U2, U4, U5 en U6, die in de kern worden aangetroffen en het splitsingsproces bemiddelen.

Splicing kan meer dan één type proteïne produceren - dit staat bekend als alternatieve splitsing - aangezien de exons differentieel 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 associeert zich met eiwitmoleculen (ongeveer 100) om ribosomale presubeenheden te veroorzaken. Ze worden geclassificeerd op basis van hun sedimentatiecoëfficiënt, aangeduid met de letter S voor Svedberg-eenheden.

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

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

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 deze regio getranscribeerd door RNA-polymerase I.

In cellen die grote hoeveelheden eiwitten aanmaken; de nucleolus is een prominente structuur. Wanneer de cel in kwestie echter niet een groot aantal eiwitproducten nodig heeft, is de nucleolus een bijna onmerkbare structuur.

MicroRNA

MicroRNA's of miRNA's zijn een soort korte, enkelstrengs RNA's, tussen 21 en 23 nucleotiden, waarvan de functie is om de expressie van genen te reguleren. Omdat het niet in proteïne wordt vertaald, wordt het vaak niet-coderend RNA genoemd.

Net als andere soorten RNA is microRNA-verwerking complex en omvat een aantal eiwitten.

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

Pre-miRNA's zijn haarspelden van 70 nucleotiden die nog steeds in het cytoplasma worden verwerkt door een enzym genaamd Dicer, dat het RNA-geïnduceerde silencing-complex (RISC) assembleert en tenslotte wordt het miRNA gesynthetiseerd.

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

RNA-uitschakeling

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

Het zijn veelbelovende instrumenten voor onderzoek, omdat ze het mogelijk maken om een ​​gen van interesse het zwijgen op te leggen en zo de mogelijke functie ervan te bestuderen.

Verschillen tussen DNA en RNA

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

Als zodanig is RNA een veelzijdiger molecuul en kan het een grote verscheidenheid aan driedimensionale vormen aannemen. Bepaalde virussen hebben echter dubbelband-RNA in hun genetisch materiaal.

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

De fosfodiësterbinding in de ruggengraat van DNA en RNA is vatbaar voor een langzaam hydrolyseproces zonder de aanwezigheid van enzymen. Onder alkalische omstandigheden hydrolyseert RNA snel - dankzij de extra hydroxylgroep - terwijl DNA dat niet doet.

Evenzo zijn de stikstofhoudende basen waaruit nucleotiden in DNA bestaan ​​guanine, adenine, thymine en cytosine; in tegenstelling hiermee wordt in RNA thymine vervangen door uracil. Uracil kan paren met adenine, op dezelfde manier als thymine in DNA.

Oorsprong en evolutie

RNA is het enige bekende molecuul dat informatie kan opslaan en tegelijkertijd chemische reacties kan katalyseren; Om deze reden stellen verschillende auteurs dat het RNA-molecuul cruciaal was bij het ontstaan ​​van leven. Verrassend genoeg zijn de substraten voor ribosomen andere RNA-moleculen.

De ontdekking van ribozymen leidde tot de biochemische herdefinitie van "enzym", aangezien de term voorheen uitsluitend werd gebruikt voor eiwitten met katalytische activiteit, en hielp een scenario te ondersteunen waarin 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 tot RNA. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, JM, Stryer, L., en Tymoczko, JL (2007). Biochemie. Ik draaide me om.
3. Campbell, NA en Reece, JB (2007). Biologie. Panamerican Medical Ed.
4. Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH, et al. (1999). Moderne genetische analyse. New York: WH Freeman. Genen en RNA. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, AC, Hall, JE en Guyton, AC (2006). Verdrag van medische fysiologie. Elsevier.
6. Hall, JE (2015). Guyton and Hall leerboek van medische fysiologie e - Book. Elsevier Gezondheidswetenschappen.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000) Moleculaire celbiologie. 4e editie. New York: WH Freeman. Sectie 11.6, Verwerking van rRNA en tRNA. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.