MRNA: Definition, Funktion & Struktur

RNA oder Ribonukleinsäure ist eine von zwei Nukleinsäuren, die in der Natur vorkommen. Die andere, Desoxyribonukleinsäure (DNA), ist sicherlich mehr in der Vorstellung verankert. Selbst Menschen mit geringem Interesse an Wissenschaft ahnen, dass die DNA für die Weitergabe von Eigenschaften von entscheidender Bedeutung ist Generation an die nächste, und dass die DNA jedes Menschen einzigartig ist (und daher eine schlechte Idee ist, es bei einem Verbrechen zu belassen .) Szene). Bei aller Bekanntheit der DNA ist RNA jedoch ein vielseitigeres Molekül, das in drei Hauptformen vorkommt: Messenger-RNA (mRNA), ribosomale RNA (rRNA) und Transfer-RNA (tRNA).

Die Aufgabe der mRNA hängt stark von den beiden anderen Typen ab, und mRNA steht im Zentrum des sogenannten zentralen Dogmas der Molekularbiologie (DNA erzeugt RNA, die wiederum Proteine ​​​​erzeugt).

DNA und RNA sind Nukleinsäuren, also polymere Makromoleküle, deren monomere Bestandteile Nukleotide genannt werden. Nukleotide bestehen aus drei unterschiedlichen Anteilen: einem Pentosezucker, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base, ausgewählt aus vier Möglichkeiten. Ein Pentosezucker ist ein Zucker, der eine fünfatomige Ringstruktur enthält.

Drei Hauptunterschiede unterscheiden DNA von RNA. Erstens ist in der RNA der Zuckeranteil des Nukleotids Ribose, während es in der DNA Desoxyribose ist, die einfach Ribose ist mit einer Hydroxylgruppe (-OH) von einem der Kohlenstoffatome im Fünfatomring entfernt und durch ein Wasserstoffatom ersetzt (-H). Somit ist der Zuckeranteil der DNA nur ein Sauerstoffatom weniger massiv als RNA, aber RNA ist aufgrund ihrer zusätzlichen -OH-Gruppe ein weitaus chemisch reaktiveres Molekül als DNA. Zweitens ist DNA, ziemlich bekannt, doppelsträngig und in ihrer stabilsten Form zu einer Helixform gewunden. RNA hingegen ist einzelsträngig. Und drittens, während DNA und RNA beide die stickstoffhaltigen Basen Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (G) aufweisen, ist die vierte dieser Basen in der DNA Thymin (T), während es in der RNA Uracil (U) ist.

Da DNA doppelsträngig ist, wissen Wissenschaftler seit Mitte des 19. Jahrhunderts, dass diese stickstoffhaltigen Basen mit und nur mit einer anderen Basenart paaren; A paart sich mit T und C paart mit G. Außerdem werden A und G chemisch als Purine klassifiziert, während C und T Pyrimidine genannt werden. Da Purine wesentlich größer als Pyrimidine sind, wäre eine A-G-Paarung zu sperrig, während eine C-T-Paarung ungewöhnlich unterdimensioniert wäre; beide dieser Situationen würden dazu führen, dass die beiden Stränge in doppelsträngiger DNA an allen Punkten entlang der beiden Stränge den gleichen Abstand voneinander haben.

Aufgrund dieses Paarungsschemas werden die beiden DNA-Stränge als "komplementär" bezeichnet, und die Sequenz des einen kann vorhergesagt werden, wenn der andere bekannt ist. Wenn beispielsweise eine Kette von zehn Nukleotiden in einem DNA-Strang die Basensequenz AAGCGTATTG hat, hat der komplementäre DNA-Strang die Basensequenz TTCGCATAAC. Da RNA aus einer DNA-Matrize synthetisiert wird, hat dies auch Auswirkungen auf die Transkription.

mRNA ist die „DNA-ähnlichste“ Form der Ribonukleinsäure, da ihre Aufgabe weitgehend dieselbe ist: die Übertragung der Informationen in Genen kodiert, in Form sorgfältig geordneter stickstoffhaltiger Basen, an die zelluläre Maschinerie, die sich zusammenbaut Proteine. Aber auch verschiedene lebenswichtige Arten von RNA existieren.

Die dreidimensionale Struktur der DNA wurde 1953 aufgeklärt, was James Watson und Francis Crick den Nobelpreis einbrachte. Aber jahrelang blieb die Struktur der RNA schwer fassbar, trotz der Bemühungen einiger derselben DNA-Experten, sie zu beschreiben. In den 1960er Jahren wurde klar, dass die RNA zwar einzelsträngig ist, ihre Sekundärstruktur – also die Verwandtschaft der Sequenz von Nukleotiden zueinander, während sich die RNA durch den Weltraum schlängelt – impliziert, dass sich RNA-Längen in sich selbst zurückfalten können, mit Basen im selben Strang und somit auf die gleiche Weise miteinander verbunden, kann ein Stück Klebeband an sich selbst kleben, wenn Sie es zulassen Knick. Dies ist die Grundlage für die kreuzartige Struktur der tRNA, die drei 180-Grad-Biegungen umfasst, die das molekulare Äquivalent von Sackgassen im Molekül erzeugen.

rRNA ist etwas anders. Alle rRNA wird von einem Monster eines rRNA-Strangs mit einer Länge von etwa 13.000 Nukleotiden abgeleitet. Nach einer Reihe chemischer Modifikationen wird dieser Strang in zwei ungleiche Untereinheiten gespalten, eine als 18S und die andere als 28S bezeichnet. ("S" steht für "Svedberg-Einheit", ein Maß, das Biologen verwenden, um indirekt die Masse von Makromolekülen abzuschätzen.) Der 18S-Anteil wird in das aufgenommen, was wird als kleine ribosomale Untereinheit bezeichnet (die, wenn sie vollständig ist, tatsächlich 30S ist) und der 28S-Teil trägt zur großen Untereinheit bei (die insgesamt eine Größe von. hat). 50S); alle Ribosomen enthalten eine von jeder Untereinheit zusammen mit einer Reihe von Proteinen (keine Nukleinsäuren, die Proteine ​​selbst ermöglichen), um Ribosomen mit struktureller Integrität zu versehen.

DNA- und RNA-Stränge haben beide sogenannte 3'- und 5'-Enden ("Drei-Primer" und "Fünf-Prime"), basierend auf den Positionen der Moleküle, die an den Zuckeranteil des Strangs angehängt sind. In jedem Nukleotid ist die Phosphatgruppe an das mit 5' markierte Kohlenstoffatom in seinem Ring gebunden, während der 3'-Kohlenstoff eine Hydroxylgruppe (-OH) aufweist. Wenn ein Nukleotid an eine wachsende Nukleinsäurekette angefügt wird, geschieht dies immer am 3'-Ende der bestehenden Kette. Das heißt, die Phosphatgruppe am 5'-Ende des neuen Nukleotids wird mit dem 3'-Kohlenstoff mit der Hydroxylgruppe verbunden, bevor diese Verknüpfung stattfindet. Das -OH wird durch das Nukleotid ersetzt, das ein Proton (H) von seiner Phosphatgruppe verliert; also ein H of-Molekül₂O oder Wasser geht bei diesem Prozess an die Umwelt verloren, was die RNA-Synthese zu einem Beispiel für eine Dehydratationssynthese macht.

Transkription ist der Prozess, bei dem mRNA aus einer DNA-Matrize synthetisiert wird. Im Prinzip können Sie sich nach dem, was Sie jetzt wissen, leicht vorstellen, wie dies geschieht. DNA ist doppelsträngig, sodass jeder Strang als Matrize für einzelsträngige RNA dienen kann; diese beiden neuen RNA-Stränge werden aufgrund der Launen der spezifischen Basenpaarung zueinander komplementär sein, nicht dass sie sich aneinander binden. Die Transkription von RNA ist der Replikation von DNA insofern sehr ähnlich, als die gleichen Basenpaarungsregeln gelten, wobei U in der RNA die Stelle von T einnimmt. Beachten Sie, dass diese Ersetzung ein unidirektionales Phänomen ist: T in DNA kodiert immer noch für A in RNA, aber A in DNA kodiert für U in RNA.

Damit die Transkription stattfinden kann, muss die DNA-Doppelhelix aufgerollt werden, was unter der Leitung bestimmter Enzyme geschieht. (Sie nimmt später wieder ihre richtige helikale Konformation an.) Danach signalisiert eine spezifische Sequenz, die treffend als Promotorsequenz bezeichnet wird, wo die Transkription entlang des Moleküls beginnen soll. Dadurch wird ein Enzym namens RNA-Polymerase in die molekulare Szene gerufen, das zu diesem Zeitpunkt Teil eines Promotorkomplexes ist. All dies geschieht als eine Art biochemischer Ausfallsicherungsmechanismus, um zu verhindern, dass die RNA-Synthese an der falschen Stelle der DNA beginnt und dadurch einen RNA-Strang produziert, der einen illegitimen Code enthält. Die RNA-Polymerase "liest" den DNA-Strang beginnend an der Promotorsequenz und bewegt sich entlang des DNA-Strangs, wobei sie Nukleotide an das 3'-Ende der RNA anfügt. Beachten Sie, dass die RNA- und DNA-Stränge aufgrund ihrer Komplementarität auch antiparallel sind. Das bedeutet, dass sich die RNA beim Wachstum in 3'-Richtung entlang des DNA-Strangs am 5'-Ende der DNA bewegt. Dies ist ein kleiner, aber oft verwirrender Punkt für die Schüler, daher sollten Sie ein Diagramm konsultieren, um sich zu vergewissern, dass Sie die Mechanik der mRNA-Synthese verstehen.

Die Bindungen, die zwischen den Phosphatgruppen eines Nukleotids und der Zuckergruppe des nächsten entstehen, werden als. bezeichnet Phosphodiester-Bindungen (ausgesprochen "phos-pho-die-es-ter", nicht "phos-pho-dee-ster", wie es verlockend sein mag annehmen).

Das Enzym RNA-Polymerase kommt in vielen Formen vor, obwohl Bakterien nur einen einzigen Typ umfassen. Es ist ein großes Enzym, das aus vier Proteinuntereinheiten besteht: Alpha (α), Beta (β), Beta-Prime (β′) und Sigma (σ). Zusammen haben diese ein Molekulargewicht von rund 420.000 Dalton. (Als Referenz hat ein einzelnes Kohlenstoffatom ein Molekulargewicht von 12; ein einzelnes Wassermolekül, 18; und ein ganzes Glucosemolekül, 180.) Das Enzym, Holoenzym genannt, wenn alle vier Untereinheiten four vorhanden, ist verantwortlich für die Erkennung der Promotorsequenzen auf der DNA und das Auseinanderziehen der beiden DNA Stränge. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des zu transkribierenden Gens, während sie dem wachsenden RNA-Segment Nukleotide hinzufügt, ein Vorgang, der als Elongation bezeichnet wird. Dieser Prozess benötigt, wie so viele innerhalb von Zellen, Adenosintriphosphat (ATP) als Energiequelle. ATP ist eigentlich nichts anderes als ein adeninhaltiges Nukleotid, das drei statt eines Phosphats enthält.

Die Transkription hört auf, wenn die sich bewegende RNA-Polymerase auf eine Terminationssequenz in der DNA trifft. So wie die Promotorsequenz als Äquivalent zu einem grünen Licht an einer Ampel angesehen werden kann, ist die Terminierungssequenz das Analogon einer roten Ampel oder eines Stoppschilds.

Wenn ein mRNA-Molekül, das die Informationen für ein bestimmtes Protein trägt – also ein Stück mRNA, das einem Gen entspricht – vollständig ist, ist es muss noch verarbeitet werden, bevor es seine Aufgabe erfüllen kann, einen chemischen Bauplan an die Ribosomen zu liefern, wo die Proteinsynthese stattfindet Platz. In eukaryontischen Organismen wandert es auch aus dem Kern (Prokaryonten haben keinen Kern).

Entscheidend ist, dass stickstoffhaltige Basen genetische Informationen in Dreiergruppen tragen, die als Triplett-Codons bezeichnet werden. Jedes Codon trägt Anweisungen zum Hinzufügen einer bestimmten Aminosäure zu einem wachsenden Protein. So wie Nukleotide die Monomereinheiten von Nukleinsäuren sind, sind Aminosäuren die Monomere von Proteinen. Da RNA vier verschiedene Nukleotide enthält (aufgrund der vier verschiedenen verfügbaren Basen) und ein Codon aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden besteht, stehen insgesamt 64 Triplett-Codons zur Verfügung (4³ = 64). Das heißt, angefangen bei AAA, AAC, AAG, AAU bis hin zu UUU gibt es 64 Kombinationen. Der Mensch verwendet jedoch nur 20 Aminosäuren. Daher wird der Triplett-Code als redundant bezeichnet: In den meisten Fällen kodieren mehrere Tripletts für dieselbe Aminosäure. Das Gegenteil ist nicht der Fall – das heißt, dasselbe Triplett kann nicht für mehr als eine Aminosäure kodieren. Sie können sich wahrscheinlich das biochemische Chaos vorstellen, das sonst entstehen würde. Tatsächlich haben die Aminosäuren Leucin, Arginin und Serin jeweils sechs ihnen entsprechende Tripletts. Drei verschiedene Codons sind STOP-Codons, ähnlich den Transkriptionsterminationssequenzen in DNA.

Die Translation selbst ist ein hochgradig kooperativer Prozess, der alle Mitglieder der erweiterten RNA-Familie zusammenbringt. Da es auf Ribosomen auftritt, wird offensichtlich rRNA verwendet. Die tRNA-Moleküle, die zuvor als winzige Kreuze beschrieben wurden, sind für den Transport einzelner Aminosäuren verantwortlich die Translationsstelle auf dem Ribosom, wobei jede Aminosäure von ihrer eigenen spezifischen tRNA-Marke transportiert wird begleiten. Wie die Transkription hat die Translation Initiations-, Elongations- und Terminationsphasen, und am Ende der Synthese eines Proteinmoleküls Protein wird aus dem Ribosom freigesetzt und in Golgi-Körper verpackt, um es an anderer Stelle zu verwenden, und das Ribosom selbst dissoziiert in seine Komponenten Untereinheiten.