ARN: FUNKCE, STRUKTURA A TYPY - BIOLOGIE - 2025

RNA nebo RNA (ribonukleová kyselina) je typ nukleové kyseliny přítomné v eukaryot, prokaryot a virů. Jde o nukleotidový polymer, který ve své struktuře obsahuje čtyři typy dusíkatých bází: adenin, guanin, cytosin a uracil.

RNA se obecně nachází jako jediný pás (s výjimkou některých virů), lineárním způsobem nebo v řadě komplexních struktur. Ve skutečnosti má RNA strukturální dynamiku, která není pozorována u dvojité šroubovice DNA. Různé typy RNA mají velmi rozmanité funkce.

Ribozomální RNA jsou součástí ribozomů, struktur zodpovědných za syntézu proteinů v buňkách. Messengerové RNA fungují jako prostředníci a přenášejí genetickou informaci do ribozomu, který překládá zprávu z nukleotidové sekvence na aminokyselinovou sekvenci.

Přenosové RNA jsou zodpovědné za aktivaci a přenos různých typů aminokyselin - celkem 20 - na ribozomy. Pro každou aminokyselinu existuje molekula transferové RNA, která rozpoznává sekvenci v messengerové RNA.

Kromě toho existují další typy RNA, které se přímo nepodílejí na syntéze proteinů a podílejí se na regulaci genů.

Struktura

Základní jednotky RNA jsou nukleotidy. Každý nukleotid je tvořen dusíkatou bází (adenin, guanin, cytosin a uracil), pentózou a fosfátovou skupinou.

Nukleotidy

Dusíkaté báze jsou odvozeny od dvou základních sloučenin: pyrimidinů a purinů.

Báze odvozené od purinů jsou adenin a guanin a báze odvozené od pyrimidinů jsou cytosin a uracil. Ačkoli se jedná o nejběžnější báze, nukleové kyseliny mohou mít také jiné typy bází, které jsou méně běžné.

Pokud jde o pentózu, jedná se o jednotky d-ribózy. Nukleotidy, které tvoří RNA, se proto nazývají „ribonukleotidy“.

RNA řetězec

Nukleotidy jsou spojeny chemickými vazbami, které zahrnují fosfátovou skupinu. Pro jejich vytvoření je fosfátová skupina na 5 'konci nukleotidu připojena k hydroxylové skupině (-OH) na 3' konci následujícího nukleotidu, čímž se vytvoří vazba podobná fosfodiesteru.

V řetězci nukleových kyselin mají fosfodiesterové vazby stejnou orientaci. Proto existuje polarita pramene, rozlišující mezi 3 'a 5' koncem.

Struktura nukleových kyselin je obvykle představována 5 'koncem vlevo a 3' koncem vpravo.

Produkt RNA transkripce DNA je jednovláknový pás, který se otáčí doprava, ve spirálové konformaci skládáním bází. Interakce mezi puriny je kvůli jejich velikosti mnohem větší než interakce mezi dvěma pyrimidiny.

V RNA není možné hovořit o tradiční sekundární struktuře a odkazu, jako je dvojitá spirála DNA. Trojrozměrná struktura každé molekuly RNA je jedinečná a komplexní, srovnatelná se strukturou proteinů (logicky nemůžeme globalizovat strukturu proteinů).

Síly, které stabilizují RNA

Existují slabé interakce, které přispívají ke stabilizaci RNA, zejména stohování bází, kde jsou kruhy umístěny jeden na druhém. Tento jev také přispívá ke stabilitě šroubovice DNA.

Pokud molekula RNA najde komplementární sekvenci, může se spojit a vytvořit dvouvláknovou strukturu, která se otočí doprava. Převládající formou je typ A; Pokud jde o formy Z, byly prokázány pouze v laboratoři, zatímco forma B nebyla pozorována.

Obecně existují krátké sekvence (jako je UUGG), které jsou umístěny na konci RNA a mají specifičnost vytváření stabilních smyček. Tato sekvence se podílí na skládání trojrozměrné struktury RNA.

Kromě toho se mohou vodíkové vazby tvořit na jiných místech, než je typické párování bází (AU a CG). Jedna z těchto interakcí se vyskytuje mezi 2'-OH ribózou s jinými skupinami.

Vysvětlení různých struktur nalezených v RNA slouží k prokázání více funkcí této nukleové kyseliny.

Typy a funkce RNA

Existují dvě třídy RNA: informační a funkční. První skupina zahrnuje RNA, které se podílejí na syntéze proteinů a fungují jako prostředníci v procesu; informační RNA jsou messengerové RNA.

Naproti tomu RNA patřící do druhé třídy, funkční, nevytvářejí novou molekulu proteinu a samotná RNA je konečným produktem. Jedná se o přenosové RNA a ribozomální RNA.

V savčích buňkách je 80% RNA ribozomální RNA, 15% je přenosová RNA a pouze malá část odpovídá messengerové RNA. Tyto tři typy spolupracují na dosažení biosyntézy proteinů.

Existují také malé jaderné RNA, malé cytoplazmatické RNA a mikroRNA. Každý z nejdůležitějších typů bude podrobně popsán níže:

Messenger RNA

V eukaryotech je DNA omezena na jádro, zatímco syntéza proteinu probíhá v cytoplazmě buňky, kde se nacházejí ribozomy. Kvůli této prostorové separaci musí existovat mediátor, který přenáší zprávu z jádra do cytoplazmy a molekulou je messengerová RNA.

Messenger RNA, zkrácená mRNA, je intermediární molekula, která obsahuje informace kódované v DNA a která specifikuje aminokyselinovou sekvenci, která poskytne funkční protein.

Termín messenger RNA byl navržen v roce 1961 François Jacobem a Jacquesem Monodem k popisu části RNA, která přenášela zprávu z DNA na ribozomy.

Proces syntézy mRNA z řetězce DNA je známý jako transkripce a dochází k rozdílům mezi prokaryoty a eukaryoty.

Exprese genu je řízena několika faktory a závisí na potřebách každé buňky. Přepis je rozdělen do tří fází: iniciace, prodloužení a ukončení.

Transkripce

Proces replikace DNA, ke kterému dochází v každém buněčném dělení, kopíruje celý chromozom. Proces transkripce je však mnohem selektivnější, zabývá se pouze zpracováním specifických segmentů řetězce DNA a nevyžaduje primer.

V Escherichia coli - nejlépe studované bakterii v biologických vědách - začíná transkripce odvíjením dvojité šroubovice DNA a vzniká transkripční smyčka. Enzymová RNA polymeráza je zodpovědná za syntézu RNA a jak pokračuje transkripce, řetězec DNA se vrací do svého původního tvaru.

Zahájení, prodloužení a ukončení

Transkripce není zahájena na náhodných místech molekuly DNA; pro tento jev existují specializovaná místa zvaná promotéři. V E. coli je RNA polymeráza spojena několik párů bází nad cílovou oblast.

Sekvence, ve kterých jsou transkripční faktory spojeny, jsou mezi různými druhy docela konzervativní. Jednou z nejznámějších promotorových sekvencí je TATA box.

V prodloužení enzym RNA polymerázy přidává nové nukleotidy na 3'-OH konec, sledující směr 5 'až 3'. Hydroxylová skupina působí jako nukleofil, který útočí na alfa fosfát nukleotidu, který má být přidán. Tato reakce uvolňuje pyrofosfát.

Pouze jeden z řetězců DNA se používá k syntéze messengerové RNA, která je kopírována ve směru 3 'až 5' (antiparalelní forma nového řetězce RNA). Nukleotid, který má být přidán, musí odpovídat párování bází: U páry s A a G s C.

RNA polymeráza zastaví proces, když najde oblasti bohaté na cytosin a guanin. Nakonec je nová molekula RNA messenger oddělena od komplexu.

Přepis v prokaryotoch

V prokaryotech může molekula messengerové RNA kódovat více než jeden protein.

Když mRNA výlučně kóduje protein nebo polypeptid, nazývá se monocistronická mRNA, ale pokud kóduje více než jeden proteinový produkt, mRNA je polycistronická (všimněte si, že v tomto kontextu se termín cistron odkazuje na gen).

Přepis v eukaryotech

V eukaryotických organismech je velká většina mRNA monocistronická a transkripční mechanismus je v této linii organismů mnohem složitější. Vyznačují se tím, že mají tři RNA polymerázy, označené I, II a III, každá se specifickými funkcemi.

I má na starosti syntézu pre-rRNA, II syntetizuje messengerové RNA a některé speciální RNA. Nakonec se III stará o přenosové RNA, ribozomální 5S a další malé RNA.

Messenger RNA v eukaryotech

Messenger RNA prochází řadou specifických modifikací v eukaryotech. První zahrnuje přidání „čepice“ na konec 5 '. Chemicky je víčko 7-methylguanosinový zbytek připojený na konec 5 ', 5'-trifosfátovou vazbou.

Úlohou této zóny je chránit RNA před možnou degradací ribonukleázami (enzymy, které štěpí RNA na menší složky).

Kromě toho dochází k eliminaci 3 'konce a přidá se 80 až 250 adeninových zbytků. Tato struktura je známá jako polyA „ocas“ a slouží jako vazebné místo pro různé proteiny. Když prokaryont získá polyA ocas, má tendenci stimulovat jeho degradaci.

Na druhé straně je tento posel přepsán introny. Introny jsou sekvence DNA, které nejsou součástí genu, ale které „přerušují“ tuto sekvenci. Introny nejsou přeloženy, a proto je nutné je odstranit z posla.

Většina genů obratlovců má introny, kromě genů kódujících histony. Podobně se počet intronů v genu může lišit od několika do desítek z nich.

Sestřih

Proces tvorby a sestřihu RNA zahrnuje odstranění intronů v messengerové RNA.

Některé introny nalezené v jaderných nebo mitochondriálních genech mohou proces sestřihu provádět bez pomoci enzymů nebo ATP. Místo toho se proces provádí transesterifikačními reakcemi. Tento mechanismus byl objeven v ciliated protozoan Tetrahymena thermophila.

Naproti tomu existuje další skupina poslů, kteří nejsou schopni zprostředkovat vlastní sestřih, takže potřebují další strojní zařízení. Do této skupiny patří poměrně velké množství jaderných genů.

Sestřihový proces je zprostředkován proteinovým komplexem nazývaným sestřihový nebo sestřihový komplex. Systém je tvořen specializovanými RNA komplexy zvanými malé jaderné ribonukleoproteiny (RNP).

Existuje pět typů RNP: U1, U2, U4, U5 a U6, které se nacházejí v jádru a zprostředkovávají proces sestřihu.

Sestřih může produkovat více než jeden typ proteinu - to je známé jako alternativní sestřih - protože exony jsou uspořádány odlišně a vytvářejí odrůdy messengerové RNA.

Ribozomální RNA

Ribozomální RNA, zkrácená rRNA, se nachází v ribozomech a podílí se na biosyntéze proteinů. Proto je nezbytnou součástí všech buněk.

Ribozomální RNA se asociuje s molekulami proteinu (přibližně 100) za vzniku ribozomálních předjednotek. Jsou klasifikovány v závislosti na jejich sedimentačním koeficientu, označeném písmenem S pro jednotky Svedberg.

Ribozom se skládá ze dvou částí: hlavní podjednotka a menší podjednotka. Obě podjednotky se liší prokaryoty a eukaryoty co do koeficientu sedimentace.

Prokaryoty mají velkou podjednotku 50S a malou podjednotku 30S, zatímco v eukaryotech je velká podjednotka 60S a malá 40S.

Geny kódující ribozomální RNA jsou v jádru, konkrétní oblasti jádra, která není ohraničena membránou. Ribozomální RNA jsou v této oblasti transkribovány RNA polymerázou I.

V buňkách, které syntetizují velké množství proteinů; jádro je významná struktura. Pokud však dotyčná buňka nevyžaduje velké množství proteinových produktů, je jádro téměř nepostřehnutelnou strukturou.

MicroRNA

MikroRNA nebo miRNA jsou typem krátkých jednořetězcových RNA mezi 21 a 23 nukleotidy, jejichž funkcí je regulovat expresi genů. Protože se nepřekládá na bílkoviny, často se nazývá nekódující RNA.

Podobně jako jiné typy RNA je zpracování mikroRNA složité a zahrnuje řadu proteinů.

MikroRNA vznikají z delších prekurzorů zvaných mi-priRNA, odvozených z prvního transkriptu genu. V jádru buňky jsou tyto prekurzory modifikovány v mikroprocesorovém komplexu a výsledkem je pre-miRNA.

Pre-miRNA jsou 70 nukleotidové vlásenky, které se v cytoplazmě nadále zpracovávají enzymem nazývaným Dicer, který sestavuje umlčovací komplex indukovaný RNA (RISC) a nakonec se syntetizuje miRNA.

Tyto RNA jsou schopné regulovat expresi genů, protože jsou komplementární ke specifickým messengerovým RNA. Spojením se svým cílem jsou miRNA schopny posla potlačit nebo dokonce degradovat. V důsledku toho nemůže ribozom překládat uvedený transkript.

Umlčování RNA

Jedním konkrétním typem mikroRNA jsou malé interferující RNA (siRNA), také nazývané umlčující RNA. Jsou to krátké RNA mezi 20 až 25 nukleotidy, které brání expresi určitých genů.

Jsou to velmi slibné nástroje pro výzkum, protože umožňují umlčet zájmový gen a studovat jeho možnou funkci.

Rozdíly mezi DNA a RNA

Ačkoli DNA a RNA jsou nukleové kyseliny a na první pohled mohou vypadat velmi podobně, liší se v několika svých chemických a strukturních vlastnostech. DNA je dvojpásmová molekula, zatímco RNA je jednopásmová.

Jako taková je RNA více univerzální molekula a může nabývat široké škály trojrozměrných tvarů. Některé viry však mají ve svém genetickém materiálu dvojpásmovou RNA.

V RNA nukleotidech je molekula cukru ribóza, zatímco v DNA je to deoxyribóza, lišící se pouze v přítomnosti atomu kyslíku.

Fosfodiesterová vazba v páteři DNA a RNA je náchylná k pomalému procesu hydrolýzy bez přítomnosti enzymů. Za alkalických podmínek RNA hydrolyzuje rychle - díky zvláštní hydroxylové skupině - zatímco DNA ne.

Podobně dusíkaté báze, které tvoří nukleotidy v DNA, jsou guanin, adenin, thymin a cytosin; na rozdíl od toho je v RNA thymin nahrazen uracilem. Uracil se může spárovat s adeninem stejným způsobem jako tymin v DNA.

Původ a vývoj

RNA je jediná známá molekula schopná ukládat informace a současně katalyzovat chemické reakce; Z tohoto důvodu několik autorů navrhuje, že molekula RNA byla rozhodující pro vznik života. Překvapivě jsou substráty pro ribozomy další molekuly RNA.

Objev ribozymů vedl k biochemické redefinici „enzymu“ - od té doby byl tento termín používán výhradně pro proteiny s katalytickou aktivitou - a pomohl podpořit scénář, kdy první formy života používaly pouze RNA jako genetický materiál.

Reference

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland Science. Z DNA na RNA. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Biochemie. Obrátil jsem se.
3. Campbell, NA, a Reece, JB (2007). Biologie. Panamerican Medical Ed.
4. Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH, et al. (1999). Moderní genetická analýza. New York: WH Freeman. Geny a RNA. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, AC, Hall, JE, a Guyton, AC (2006). Smlouva o lékařské fyziologii. Elsevier.
6. Hall, JE (2015). Guyton and Hall učebnice lékařské fyziologie e - knihy. Elsevier Health Sciences.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000) Molecular Cell Biology. 4. vydání. New York: WH Freeman. Oddíl 11.6, Zpracování rRNA a tRNA. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.