Funktion der Transport-RNA. Struktur und Funktionen der RNA

Transfer-RNAs, Struktur und Funktionsmechanismus.

Transfer-RNA (tRNA) spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Erbinformationen durch eine Zelle. Durch die Bereitstellung der notwendigen Aminosäuren an der Stelle, an der die Peptidketten aufgebaut sind, fungiert tRNA als Translationsvermittler.

tRNA-Moleküle sind Polynukleotidketten, die aus spezifischen DNA-Sequenzen synthetisiert werden. Sie bestehen aus einer relativ kleinen Anzahl von Nukleotiden -75-95. Durch die komplementäre Verbindung von Basen, die sich in verschiedenen Teilen der tRNA-Polynukleotidkette befinden, erhält es eine Struktur, die in ihrer Form einem Kleeblatt ähnelt (Abb. 3.26).

Reis. 3.26. Die Struktur eines typischen tRNA-Moleküls.

Es besteht aus vier Hauptteilen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Akzeptor Der „Stamm“ besteht aus zwei komplementär verbundenen Endteilen der tRNA. Es besteht aus sieben Basenpaaren. Das 3"-Ende dieses Stammes ist etwas länger und bildet eine einzelsträngige Region, die mit einer CCA-Sequenz mit einer freien OH-Gruppe endet. An diesem Ende ist die transportierte Aminosäure befestigt. Die verbleibenden drei Zweige sind komplementäre gepaarte Nukleotidsequenzen, die enden in ungepaarten Regionen, die Schleifen bilden. Der mittlere dieser Zweige – Anticodon – besteht aus fünf Nukleotidpaaren und enthält ein Anticodon in der Mitte seiner Schleife. Ein Anticodon besteht aus drei Nukleotiden, die zum mRNA-Codon komplementär sind, das die transportierte Aminosäure kodiert durch diese tRNA zum Ort der Peptidsynthese transportiert.

Zwischen den Akzeptor- und Anticodonzweigen befinden sich zwei Seitenzweige. In ihren Schleifen enthalten sie modifizierte Basen – Dihydrouridin (D-Schleife) und ein Triplett TψC, wobei \y Pseudouridin ist (T^C-Schleife).

Zwischen den Aiticodon- und T^C-Zweigen gibt es eine zusätzliche Schleife, die 3–5 bis 13–21 Nukleotide umfasst.

Generell zeichnen sich verschiedene tRNA-Typen durch eine gewisse Konstanz der Nukleotidsequenz aus, die meist aus 76 Nukleotiden besteht. Die Variation ihrer Anzahl ist hauptsächlich auf Änderungen in der Anzahl der Nukleotide in der zusätzlichen Schleife zurückzuführen. Die komplementären Regionen, die die tRNA-Struktur unterstützen, bleiben normalerweise konserviert. Die durch die Nukleotidsequenz bestimmte Primärstruktur der tRNA bildet die Sekundärstruktur der tRNA, die wie ein Kleeblatt geformt ist. Die Sekundärstruktur wiederum bestimmt die dreidimensionale Tertiärstruktur, die durch die Bildung zweier senkrecht zueinander stehender Doppelhelices gekennzeichnet ist (Abb. 3.27). Einer davon wird durch die Akzeptor- und TψC-Zweige gebildet, der andere durch die Anticodon- und D-Zweige.

Die transportierte Aminosäure befindet sich am Ende einer der Doppelhelices, das Anticodon am Ende der anderen. Diese Bereiche liegen möglichst weit voneinander entfernt. Die Stabilität der Tertiärstruktur der tRNA bleibt aufgrund des Auftretens zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der Polynukleotidkette erhalten, die sich in verschiedenen Teilen davon befinden, aber in der Tertiärstruktur räumlich nahe beieinander liegen.

Verschiedene Arten von tRNA haben ähnliche Tertiärstrukturen, allerdings mit einigen Variationen.

Reis. 3.27. Räumliche Organisation von tRNA:

I – Sekundärstruktur der tRNA in Form eines „Kleeblattes“, bestimmt durch ihre Primärstruktur (Nukleotidsequenz in der Kette);

II – zweidimensionale Projektion der Tertiärstruktur von tRNA;

III - Diagramm der Anordnung des tRNA-Moleküls im Raum

ANHANG (falls jemand das nicht versteht)

Blitzzähne – Nukleotide (Adenin-Thymin/Uracil/, Guanin-Cytazin). Alle Blitze sind DNA.

Um Informationen aus der DNA zu übertragen, müssen zwei Stränge gebrochen werden. Die Bindung zwischen A-T und G-C ist Wasserstoff und kann daher durch das Enzym Helicase leicht aufgebrochen werden:

Damit sich keine Knoten bilden (ich habe als Beispiel ein Handtuch verdreht):

Um zu verhindern, dass sich die Kette verdreht, wird ein DNA-Strang am Replikationsursprung durch Topoisomerase geschnitten.

Wenn ein Faden frei ist, kann sich der zweite leicht um seine Achse drehen und so die Spannung beim „Abwickeln“ lösen. Knoten entstehen, Energie wird gespart.

Anschließend wird ein RNA-Primer benötigt, um mit dem Zusammenbau der RNA zu beginnen. Das Protein, das mRNA zusammensetzt, kann nicht einfach das erste Nukleotid zusammenbauen, es braucht ein Stück RNA, um zu beginnen (es steht dort ausführlich geschrieben, ich schreibe es später auf). Dieses Stück wird RNA-Primer genannt. Und dieses Protein bindet bereits das erste Nukleotid daran.

Ist die Synthese eines Proteinmoleküls auf Basis von Messenger-RNA (Translation). Allerdings kann eine Nukleotidsequenz im Gegensatz zur Transkription nicht direkt in eine Aminosäuresequenz übersetzt werden, da diese Verbindungen unterschiedlicher chemischer Natur sind. Daher erfordert die Übersetzung einen Vermittler in Form von Transfer-RNA (tRNA), deren Funktion darin besteht, den genetischen Code in die „Sprache“ der Aminosäuren zu übersetzen.

Allgemeine Eigenschaften der Transfer-RNA

Transfer-RNAs oder tRNAs sind kleine Moleküle, die Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese (Ribosomen) transportieren. Die Menge dieser Art von Ribonukleinsäure in der Zelle beträgt etwa 10 % des gesamten RNA-Pools.

Wie andere Arten von tRNA besteht es aus einer Kette von Ribonukleosidtriphosphaten. Die Länge der Nukleotidsequenz beträgt 70–90 Einheiten und etwa 10 % der Zusammensetzung des Moleküls bestehen aus Nebenbestandteilen.

Aufgrund der Tatsache, dass jede Aminosäure über einen eigenen Transporter in Form von tRNA verfügt, synthetisiert die Zelle eine große Anzahl von Varianten dieses Moleküls. Abhängig von der Art des lebenden Organismus variiert dieser Indikator zwischen 80 und 100.

Funktionen von tRNA

Transfer-RNA ist der Substratlieferant für die Proteinsynthese, die in Ribosomen vorkommt. Aufgrund der einzigartigen Fähigkeit, sowohl an Aminosäuren als auch an die Matrizensequenz zu binden, übernimmt tRNA die Funktion eines Sense-Adapters bei der Übersetzung genetischer Informationen von der RNA-Form in die Proteinform. Die Wechselwirkung eines solchen Intermediärs mit der kodierenden Matrix, wie bei der Transkription, basiert auf dem Prinzip der Komplementarität stickstoffhaltiger Basen.

Die Hauptfunktion der tRNA besteht darin, Aminosäureeinheiten aufzunehmen und zum Proteinsyntheseapparat zu transportieren. Hinter diesem technischen Prozess steckt eine große biologische Bedeutung – die Umsetzung des genetischen Codes. Die Umsetzung dieses Prozesses basiert auf folgenden Merkmalen:

• alle Aminosäuren werden durch Nukleotidtripletts kodiert;
• Für jedes Triplett (oder Codon) gibt es ein Anticodon, das Teil der tRNA ist.
• Jede tRNA kann nur an eine bestimmte Aminosäure binden.

Somit wird die Aminosäuresequenz eines Proteins dadurch bestimmt, welche tRNAs und in welcher Reihenfolge während der Translation komplementär mit der Boten-RNA interagieren. Dies ist aufgrund des Vorhandenseins funktioneller Zentren in der Transfer-RNA möglich, von denen eines für die selektive Addition einer Aminosäure und das andere für die Bindung an ein Codon verantwortlich ist. Daher sind die Funktionen eng miteinander verknüpft.

Struktur der Transfer-RNA

Das Besondere an tRNA ist, dass ihre Molekülstruktur nicht linear ist. Es umfasst doppelsträngige helikale Regionen, sogenannte Stämme, und drei einzelsträngige Schleifen. Diese Konformation hat die Form eines Kleeblatts.

In der Struktur der tRNA werden folgende Stämme unterschieden:

• Akzeptor;
• Anticodon;
• Dihydrouridyl;
• Pseudouridyl;
• zusätzlich.

Die Doppelhelices der Stängel enthalten 5 bis 7 Watson-Crickson-Paare. Am Ende des Akzeptorstamms befindet sich eine kleine Kette ungepaarter Nukleotide, deren 3-Hydroxylstelle die Bindungsstelle des entsprechenden Aminosäuremoleküls ist.

Der Strukturbereich zur Verbindung mit mRNA ist einer der tRNA-Schleifen. Es enthält ein zum Sense-Triplett komplementäres Anticodon. Es sind das Anticodon und das Akzeptorende, die für die Adapterfunktion der tRNA sorgen.

Tertiärstruktur des Moleküls

Das „Kleeblatt“ ist die Sekundärstruktur der tRNA, durch die Faltung erhält das Molekül jedoch eine L-förmige Konformation, die durch zusätzliche Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird.

Die L-Form ist die Tertiärstruktur der tRNA und besteht aus zwei nahezu senkrechten A-RNA-Helices mit einer Länge von 7 nm und einer Dicke von 2 nm. Diese Form des Moleküls hat nur zwei Enden, von denen sich an einem ein Anticodon und am anderen ein Akzeptorzentrum befindet.

Merkmale der Bindung von tRNA an Aminosäuren

Die Aktivierung von Aminosäuren (ihre Zugabe zur Transfer-RNA) erfolgt durch Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Dieses Enzym erfüllt gleichzeitig zwei wichtige Funktionen:

• katalysiert die Bildung einer kovalenten Bindung zwischen der 3'-Hydroxylgruppe des Akzeptorstamms und der Aminosäure;
• stellt das Prinzip des selektiven Matchings bereit.

Jeder von ihnen verfügt über eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Es kann nur mit der entsprechenden Art von Transportmolekül interagieren. Das bedeutet, dass das Anticodon des letzteren komplementär zu dem Triplett sein muss, das diese bestimmte Aminosäure kodiert. Beispielsweise bindet Leucin-Synthetase nur an Leucin-gerichtete tRNA.

Das Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Molekül verfügt über drei Nukleotid-Bindungstaschen, deren Konformation und Ladung komplementär zu den Nukleotiden des entsprechenden Anticodons in der tRNA sind. Somit bestimmt das Enzym das gewünschte Transportmolekül. Viel seltener ist das Erkennungsfragment die Nukleotidsequenz des Akzeptorstamms.

Aminoacyl-tRNA-Synthetase (ARCase) ist ein Synthetaseenzym, das die Bildung von Aminoacyl-tRNA bei der Veresterungsreaktion einer bestimmten Aminosäure mit dem entsprechenden tRNA-Molekül katalysiert. Jede Aminosäure verfügt über eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase. ARSasen sorgen für die Einhaltung der Nukleotidtripletts des genetischen Codes (tRNA-Anticodon) der im Protein eingebauten Aminosäuren und stellen so die Korrektheit des späteren Ablesens genetischer Informationen aus mRNA während der Proteinsynthese an Ribosomen sicher. Die meisten APCases bestehen aus 1, 2 oder 4 identischen Polypeptidketten. Das Molekulargewicht der Polypeptidketten beträgt 30-140.000. Viele APCases enthalten zwei aktive Zentren. Es gibt 3 Grundstücke. Die erste Region hat keine Spezifität; sie ist für alle Enzyme gleich; sie ist die Stelle der ATP-Anlagerung. Die zweite Region hat eine strenge Spezifität; hier wird eine bestimmte AK angehängt, weshalb sie ARSase genannt wird; bindet sie beispielsweise Methionin, spricht man von Methionyl-tRNA-Synthetase. Auch die dritte Region ist eine streng spezifische Region und kann nur an eine bestimmte tRNA binden. Somit ist das Enzym für die Aminosäure- und tRNA-Erkennung notwendig.

Die Spezifität der durch APCases katalysierten Reaktionen ist sehr hoch, was die Genauigkeit der Proteinsynthese in einer lebenden Zelle bestimmt. Führt A. eine fehlerhafte Aminoacylierung einer tRNA mit einer strukturähnlichen Aminosäure durch, erfolgt eine Korrektur durch die durch dieselbe APCase katalysierte Hydrolyse fehlerhafter AA-tRNAs zu AA und tRNA. Das Zytoplasma enthält einen vollständigen Satz von APCases; Chloroplasten und Mitochondrien haben ihre eigenen APCases.

RNA übertragen. Struktur, Funktionen. Die Struktur von Ribosomen.

Alle tRNAs haben gemeinsame Merkmale sowohl in ihrer Primärstruktur als auch in der Art und Weise, wie die Polynukleotidkette aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Basen der Nukleotidreste in eine Sekundärstruktur gefaltet wird.

Primärstruktur der tRNA

tRNAs sind relativ kleine Moleküle, die Länge ihrer Ketten variiert zwischen 74 und 95 Nukleotidresten. Alle tRNAs haben das gleiche 3"-Ende, das aus zwei Cytosinresten und einem Adenosinrest (CCA-Ende) besteht. Es ist das 3"-terminale Adenosin, das bei der Bildung von Aminoacyl-tRNA an den Aminosäurerest bindet. Das CCA-Ende wird durch ein spezielles Enzym an viele tRNAs gebunden. Das zum Codon einer Aminosäure komplementäre Nukleotidtriplett (Anticodon) befindet sich etwa in der Mitte der tRNA-Kette. An bestimmten Positionen in der Sequenz enthalten fast alle Arten von tRNA die gleichen (konservierten) Nukleotidreste. Einige Positionen können entweder nur Purin- oder nur Pyrimidinbasen enthalten (sie werden als semikonservative Reste bezeichnet).

Alle tRNA-Moleküle zeichnen sich durch das Vorhandensein einer großen Anzahl (bis zu 25 % aller Reste) verschiedener modifizierter Nukleoside aus, die oft als „Minor“ bezeichnet werden. Sie entstehen an verschiedenen Stellen in Molekülen, in vielen Fällen genau definiert, als Ergebnis der Modifikation gewöhnlicher Nukleosidreste durch spezielle Enzyme.

Sekundärstruktur der tRNA

Die Faltung der Kette in eine Sekundärstruktur erfolgt aufgrund der gegenseitigen Komplementarität der Kettenabschnitte. Die drei Kettenfragmente ergänzen sich, wenn sie aufeinander gefaltet werden, und bilden haarnadelartige Strukturen. Darüber hinaus ist das 5"-Ende mit seiner antiparallelen Anordnung komplementär zum Bereich nahe dem 3"-Ende der Kette; sie bilden den sogenannten Akzeptorstamm. Das Ergebnis ist eine Struktur, die durch das Vorhandensein von vier Stielen und drei Schleifen gekennzeichnet ist und als „Kleeblatt“ bezeichnet wird. Stamm und Schlaufe bilden einen Ast. Unten befindet sich der Anticodon-Zweig, der als Teil seiner Schleife ein Anticodon-Triplett enthält. Links und rechts davon befinden sich die D- und T-Zweige, die jeweils nach dem Vorhandensein der ungewöhnlichen konservierten Nukleoside Dihydrouridin (D) und Thymidin (T) in ihren Schleifen benannt sind. Die Nukleotidsequenzen aller untersuchten tRNAs können in ähnliche Strukturen gefaltet werden. Zusätzlich zu den drei Kleeblattschleifen verfügt die tRNA auch über eine zusätzliche oder variable Schleife (V-Schleife). Seine Größe variiert stark zwischen verschiedenen tRNAs und variiert zwischen 4 und 21 Nukleotiden und nach neuesten Daten bis zu 24 Nukleotiden.

Räumliche (Tertiär-)Struktur von tRNA

Durch das Zusammenspiel von Elementen der Sekundärstruktur entsteht eine Tertiärstruktur, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem lateinischen Buchstaben L L-Form genannt wird (Abb. 2 und 3). Durch Basenstapelung bilden der Akzeptorstamm und der Kleeblatt-T-Stamm eine kontinuierliche Doppelhelix, und die anderen beiden Stämme, das Anticodon und D, bilden eine weitere kontinuierliche Doppelhelix. In diesem Fall werden die D- und T-Loops näher zusammengebracht und durch die Bildung zusätzlicher, oft ungewöhnlicher Basenpaare miteinander verbunden. An der Bildung dieser Paare sind in der Regel konservative oder semikonservative Reste beteiligt. Ähnliche tertiäre Wechselwirkungen halten einige andere Teile der L-Struktur zusammen

Der Hauptzweck der Transfer-RNA (tRNA) besteht darin, aktivierte Aminosäurereste an das Ribosom zu liefern und deren Aufnahme in die synthetisierte Proteinkette gemäß dem Programm sicherzustellen, das durch den genetischen Code in der Matrix oder Informations-RNA (mRNA) geschrieben ist.

Die Struktur von Ribosomen.

Ribosomen sind Ribonukleoproteingebilde – eine Art „Fabrik“, in der Aminosäuren zu Proteinen zusammengesetzt werden. Eukaryontische Ribosomen haben eine Sedimentationskonstante von 80S und bestehen aus 40S-Untereinheiten (klein) und 60S-Untereinheiten (groß). Jede Untereinheit umfasst rRNA und Proteine.

Proteine ​​​​sind in einer Kopie Teil der ribosomalen Untereinheiten und erfüllen eine strukturelle Funktion, indem sie für die Interaktion zwischen mRNA und tRNA sorgen, die mit einer Aminosäure oder einem Peptid verbunden sind.

In Gegenwart von mRNA verbinden sich die 40S- und 60S-Untereinheiten zu einem vollständigen Ribosom, das etwa das 650-fache der Masse eines Hämoglobinmoleküls wiegt.

Offenbar bestimmt rRNA die grundlegenden strukturellen und funktionellen Eigenschaften von Ribosomen, stellt insbesondere die Integrität ribosomaler Untereinheiten sicher, bestimmt deren Form und eine Reihe struktureller Merkmale.

Die Vereinigung der großen und kleinen Untereinheiten erfolgt in Gegenwart von Messenger-RNA (mRNA). Ein mRNA-Molekül verbindet normalerweise mehrere Ribosomen wie eine Perlenkette miteinander. Diese Struktur wird Polysom ​​genannt. Polysome sind frei in der Hauptsubstanz des Zytoplasmas lokalisiert oder an den Membranen des rauen zytoplasmatischen Retikulums befestigt. In beiden Fällen dienen sie als Ort der aktiven Proteinsynthese.

Wie das endoplasmatische Retikulum wurden auch Ribosomen nur unter dem Elektronenmikroskop entdeckt. Ribosomen sind die kleinsten Zellorganellen.

Das Ribosom verfügt über 2 Zentren für die Anlagerung von tRNA-Molekülen: Aminoacyl- (A) und Peptidyl- (P) Zentren, an deren Bildung beide Untereinheiten beteiligt sind. Zusammen umfassen die Zentren A und P eine mRNA-Region, die 2 Codons entspricht. Während der Translation bindet Zentrum A aa-tRNA, deren Struktur durch das im Bereich dieses Zentrums befindliche Codon bestimmt wird. Die Struktur dieses Codons kodiert die Art der Aminosäure, die in die wachsende Polypeptidkette einbezogen wird. Das P-Zentrum ist mit Peptidyl-tRNA besetzt, d.h. tRNA verknüpft mit einer bereits synthetisierten Peptidkette.

In Eukaryoten gibt es zwei Arten von Ribosomen: „freie“, die im Zytoplasma von Zellen vorkommen, und solche, die mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) verbunden sind. Mit dem ER assoziierte Ribosomen sind für die Synthese von Proteinen „für den Export“ verantwortlich, die in das Blutplasma freigesetzt werden und an der Erneuerung von ER-Proteinen, der Membran des Golgi-Apparats, Mitochondrien oder Lysosomen beteiligt sind

Synthese eines Polypeptidmoleküls. Initiierung und Verlängerung.

Die Proteinsynthese ist ein zyklischer, mehrstufiger, energieabhängiger Prozess, bei dem freie Aminosäuren in einer genetisch festgelegten Sequenz polymerisiert werden, um Polypeptide zu bilden.

Die zweite Stufe der Matrixproteinsynthese, die eigentliche Translation, die im Ribosom stattfindet, wird herkömmlicherweise in drei Stufen unterteilt: Initiierung, Elongation und Termination.

Einleitung.

Eine in eine einzelne mRNA transkribierte DNA-Sequenz, die mit einem Lookup am 5'-Ende beginnt und mit einem Terminator am 3'-Ende endet, ist eine Transkriptionseinheit und entspricht dem Konzept eines „Gens“. Die Kontrolle der Genexpression kann im Stadium der Translationsinitiation erfolgen. In diesem Stadium erkennt die RNA-Polymerase den Promotor – ein Fragment mit einer Länge von 41–44 bp. Die Transkription erfolgt in der 5`-3`-Richtung oder von links nach rechts. Sequenzen, die rechts vom Startnukleotid liegen, von dem aus die tRNA-Synthese beginnt, werden durch Zahlen mit einem +-Zeichen (+1,+2..) und solche links mit einem – (-1,-2)-Zeichen gekennzeichnet. Somit nimmt der DNA-Bereich, an den sich die DNA-Polymerase bindet, einen Bereich mit Koordinaten von etwa -20 bis +20 ein. Alle Promotoren enthalten die gleichen Nukleotidsequenzen, die als konserviert bezeichnet werden. Solche Sequenzen dienen als Signale, die von RNA-Polymerasen erkannt werden. Ausgangspunkt ist meist Purin. Unmittelbar links davon befinden sich 6–9 bp, die als Pribnow-Sequenz (oder Box) bekannt sind: TATAAT. Es kann etwas variieren, aber die ersten beiden Basen werden in die meisten Promotoren eingefügt. Es wird angenommen, dass die DNA an dieser Stelle leichter in einzelne Stränge getrennt werden kann, da sie aus einer Region besteht, die reich an AT-Paaren ist und durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen verbunden ist. Dadurch werden Voraussetzungen für das Funktionieren der RNA-Polymerase geschaffen. Darüber hinaus ist die Pribnow-Box für die Orientierung notwendig, damit die mRNA-Synthese von links nach rechts, also von 5`-3`, abläuft. Das Zentrum der Pribnow-Box liegt bei Nukleotid -10. Eine Sequenz ähnlicher Zusammensetzung befindet sich in einer anderen Region mit der Mitte an Position 35. Diese Region, bestehend aus 9 bp, wird als Sequenz 35 oder Erkennungsregion bezeichnet. Es ist die Stelle, an die der Faktor bindet, und bestimmt so die Effizienz, mit der die RNA-Polymerase ohne spezielle Proteine ​​nicht mit der Transkription beginnen kann. Einer davon ist der CAP- oder CRP-Faktor.

In Eukaryoten wurden Promotoren, die mit der RNA-Polymerase II interagieren, genauer untersucht. Sie enthalten drei homologe Abschnitte in Gebieten mit den Koordinaten an den Punkten -25, -27 und auch am Startpunkt. Die Ausgangsbasen sind Adenin, flankiert auf beiden Seiten von Pyrimidinen. Im Abstand von 19-25 bp. 7 bp befinden sich links von der Site. TATAA, bekannt als TATA-Sequenz oder Hogness-Box, ist oft von Regionen umgeben, die reich an GC-Paaren sind. Noch weiter links, an den Positionen -70 bis -80, befindet sich die GTZ- oder CAATCT-Sequenz, die sogenannte CAAT-Box. Es wird angenommen, dass die TATA-Sequenz die Wahl des Startnukleotids steuert und CAAT die primäre Bindung der RNA-Polymerase an die DNA-Matrize steuert.

Verlängerung. Das mRNA-Verlängerungsstadium ähnelt der DNA-Verlängerung. Es benötigt Ribonukleotidtriphosphate als Vorläufer. Das Stadium der Transkriptionsverlängerung, also das Wachstum der mRNA-Kette, erfolgt durch die Anlagerung von Ribonukleotidmonophosphaten an das 3'-Ende der Kette unter Freisetzung von Pyrophosphat. Das Kopieren erfolgt bei Eukaryoten normalerweise auf einem begrenzten Abschnitt der DNA (Gen), obwohl bei Prokaryoten die Transkription in einigen Fällen nacheinander über mehrere verknüpfte Gene erfolgen kann, die ein einzelnes Operon und einen gemeinsamen Promotor bilden. Dabei entsteht polycistronische mRNA.

Regulation der Genaktivität am Beispiel des Lactose-Operons.

Das Laktoseoperon ist ein polycistronisches Operon von Bakterien, das Gene für den Laktosestoffwechsel kodiert.

Die Regulierung der Expression von Laktosestoffwechselgenen in Escherichia coli wurde erstmals 1961 von den Wissenschaftlern F. Jacob und J. Monod beschrieben. Eine Bakterienzelle synthetisiert Enzyme, die am Laktosestoffwechsel beteiligt sind, nur dann, wenn Laktose in der Umgebung vorhanden ist und der Zelle Glukose fehlt.

Das Lactose-Operon besteht aus drei Strukturgenen, einem Promotor, einem Operator und einem Terminator. Es wird angenommen, dass das Operon auch ein Regulatorgen enthält, das ein Repressorprotein kodiert.

Strukturgene des Lactose-Operons – lacZ, lacY und lacA:

lacZ kodiert für das Enzym β-Galactosidase, das das Disaccharid Lactose in Glucose und Galactose spaltet,

lacY kodiert für β-Galactosid-Permease, ein Membrantransportprotein, das Laktose in die Zelle transportiert.

lacA kodiert für β-Galactosid-Transacetylase, ein Enzym, das eine Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf β-Galactoside überträgt.

Am Anfang jedes Operons steht ein spezielles Gen – das Operator-Gen. Eine m-RNA wird normalerweise auf den Strukturgenen eines Operons gebildet, und diese Gene können gleichzeitig aktiv oder inaktiv sein. In der Regel befinden sich Strukturgene in einem Operon in einem Zustand der Repression.

Ein Promotor ist ein DNA-Abschnitt, der vom Enzym RNA-Polymerase erkannt wird, das die Synthese von m-RNA im Operon gewährleistet, dem ein DNA-Abschnitt vorausgeht, an den das Sar-Protein, ein Aktivatorprotein, gebunden ist. Diese beiden DNA-Abschnitte bestehen aus 85 Nukleotidpaaren. Nach dem Promotor enthält das Operon ein Operator-Gen, bestehend aus 21 Nukleotidpaaren. Meist ist damit ein vom Regulator-Gen produziertes Repressor-Protein assoziiert. Hinter dem Operator-Gen befindet sich ein Spacer (Leerzeichen). Spacer sind nichtinformative Abschnitte eines DNA-Moleküls unterschiedlicher Länge (manchmal bis zu 20.000 Basenpaare), die offenbar an der Regulierung des Transkriptionsprozesses eines benachbarten Gens beteiligt sind.

Das Operon endet mit einem Terminator – einem kleinen DNA-Abschnitt, der als Stoppsignal für die m-RNA-Synthese an diesem Operon dient.

Akzeptorgene dienen als Bindungsstellen für verschiedene Proteine, die die Funktion von Strukturgenen regulieren. Wenn Laktose, die in die Zelle eindringt (in diesem Fall wird sie als Induktor bezeichnet), Proteine ​​blockiert, die vom Regulatorgen kodiert werden, verlieren sie die Fähigkeit, sich an das Operatorgen zu binden. Das Operator-Gen geht in einen aktiven Zustand über und aktiviert Strukturgene.

Die RNA-Polymerase bindet mit Hilfe des Cap-Proteins (Aktivatorprotein) an den Promotor und synthetisiert entlang des Operons Pro-m-RNA. Während der Transkription liest m-RNA genetische Informationen von allen Strukturgenen in einem Operon. Während der Translation am Ribosom werden mehrere verschiedene Polypeptidketten entsprechend den in der m-RNA enthaltenen Codons synthetisiert – Nukleotidsequenzen, die den Beginn und die Beendigung der Translation jeder Kette gewährleisten. Die Art der Regulation der Genfunktion, die am Beispiel des Lactose-Operons betrachtet wird, wird als negative Induktion der Proteinsynthese bezeichnet.

Regulation der Genaktivität am Beispiel des Tryptophan-Operons.

Eine andere Art der Genregulation ist die negative Repression, die in E.coU am Beispiel des Operons untersucht wurde, das die Synthese der Aminosäure Tryptophon steuert. Dieses Operon besteht aus 6700 Nukleotidpaaren und enthält 5 Strukturgene, ein Operatorgen und zwei Promotoren. Das Regulator-Gen sorgt für die ständige Synthese eines regulatorischen Proteins, das die Funktion des trp-Operons nicht beeinträchtigt. Bei einem Überschuss an Tryptophan in der Zelle bindet dieses an das regulatorische Protein und verändert es so, dass es an das Operon bindet und die Synthese der entsprechenden m-RNA unterdrückt.

Negative und positive Kontrolle der genetischen Aktivität.

Bekannt ist auch die sogenannte positive Induktion, bei der das Proteinprodukt des Regulatorgens die Funktion des Operons aktiviert, d.h. ist kein Repressor, sondern ein Aktivator. Diese Aufteilung ist bedingt und die Struktur des Akzeptorteils des Operons und die Wirkung des Genregulators in Prokaryoten sind sehr unterschiedlich.

Die Anzahl der Strukturgene in einem Operon bei Prokaryoten liegt zwischen eins und zwölf; Ein Operon kann entweder einen oder zwei Promotoren und Terminatoren haben. Alle in einem Operon lokalisierten Strukturgene steuern in der Regel ein System von Enzymen, die eine Kette biochemischer Reaktionen bereitstellen. Es besteht kein Zweifel, dass es in der Zelle Systeme gibt, die die Regulierung mehrerer Operons koordinieren.

An den ersten Teil des Genakzeptors – den Operator – sind Proteine ​​gebunden, die die Synthese von m-RNA aktivieren, und an dessen Ende Repressorproteine, die die Synthese von m-RNA unterdrücken. Ein einzelnes Gen wird durch eines von mehreren Proteinen reguliert, von denen jedes an eine entsprechende Akzeptorstelle bindet. Verschiedene Gene können gemeinsame Regulatoren und identische Operatorregionen haben. Genregulatoren wirken nicht gleichzeitig. Zuerst schaltet einer sofort eine Gruppe von Genen ein, dann schaltet der andere nach einer Weile eine andere Gruppe ein, d. h. Die Regulierung der Genaktivität erfolgt in „Kaskaden“, und ein in einem Stadium synthetisiertes Protein kann im nächsten Stadium ein Regulator der Proteinsynthese sein.

Die Struktur der Chromosomen. Karyotyp. Idiogramm. Modelle der Chromosomenstruktur.

Eukaryotische Chromosomen haben eine komplexe Struktur. Die Basis des Chromosoms ist ein lineares (nicht ringförmig geschlossenes) Makromolekül aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) von beträchtlicher Länge (in den DNA-Molekülen menschlicher Chromosomen gibt es beispielsweise 50 bis 245 Millionen Paare stickstoffhaltiger Basen). Im gestreckten Zustand kann die Länge eines menschlichen Chromosoms 5 cm erreichen. Darüber hinaus enthält das Chromosom fünf spezialisierte Proteine ​​– H1, H2A, H2B, H3 und H4 (die sogenannten Histone) und eine Reihe von Nicht-Histon-Proteinen . Die Aminosäuresequenz von Histonen ist hochkonserviert und unterscheidet sich in den unterschiedlichsten Organismengruppen praktisch nicht. In der Interphase ist Chromatin nicht kondensiert, aber auch zu diesem Zeitpunkt sind seine Fäden ein Komplex aus DNA und Proteinen. Chromatin ist ein Desoxyribonukleoprotein, das unter einem Lichtmikroskop in Form dünner Fäden und Körnchen sichtbar ist. Das DNA-Makromolekül umhüllt die Oktomere (Strukturen bestehend aus acht Proteinkügelchen) der Histonproteine ​​H2A, H2B, H3 und H4 und bildet so Strukturen, die Nukleosomen genannt werden.

Generell erinnert die gesamte Struktur ein wenig an Perlen. Eine Abfolge solcher Nukleosomen, die durch das H1-Protein verbunden sind, wird als Nukleofilament oder Nukleosomenfaden mit einem Durchmesser von etwa 10 nm bezeichnet.

Das kondensierte Chromosom hat die Form eines X (oft mit ungleichen Armen), da die beiden aus der Replikation resultierenden Chromatiden immer noch am Zentromer verbunden sind. Jede Zelle des menschlichen Körpers enthält genau 46 Chromosomen. Chromosomen sind immer gepaart. In einer Zelle befinden sich immer 2 Chromosomen jedes Typs; Paare unterscheiden sich voneinander in Länge, Form und dem Vorhandensein von Verdickungen oder Einschnürungen.

Ein Zentromer ist eine speziell organisierte Region eines Chromosoms, die beiden Schwesterchromatiden gemeinsam ist. Das Zentromer teilt den Chromosomenkörper in zwei Arme. Abhängig vom Ort der primären Verengung werden folgende Chromosomentypen unterschieden: gleicharmig (metazentrisch), wenn das Zentromer in der Mitte liegt und die Arme etwa gleich lang sind; ungleiche Arme (submetazentrisch), wenn das Zentromer aus der Mitte des Chromosoms verschoben ist und die Arme ungleich lang sind; stäbchenförmig (akrozentrisch), wenn das Zentromer an ein Ende des Chromosoms verschoben ist und ein Arm sehr kurz ist. Einige Chromosomen können sekundäre Verengungen aufweisen, die eine Region, die als Satellit bezeichnet wird, vom Chromosomenkörper trennen.

Die Untersuchung der chemischen Organisation von Chromosomen in eukaryotischen Zellen hat gezeigt, dass sie hauptsächlich aus DNA und Proteinen bestehen. Wie zahlreiche Studien belegen, ist DNA ein materieller Träger der Eigenschaften Vererbung und Variabilität und enthält biologische Informationen – ein Programm zur Entwicklung einer Zelle oder eines Organismus, aufgezeichnet durch einen speziellen Code. Proteine ​​​​machen einen erheblichen Teil der Chromosomensubstanz aus (etwa 65 % der Masse dieser Strukturen). Das Chromosom als Komplex von Genen ist eine evolutionär etablierte Struktur, die für alle Individuen einer bestimmten Art charakteristisch ist. Die relative Position von Genen innerhalb eines Chromosoms spielt eine wichtige Rolle für die Art ihrer Funktion.

Eine grafische Darstellung eines Karyotyps, die seine Strukturmerkmale zeigt, wird als Idiogramm bezeichnet.

Ein Satz von Chromosomen, der in Anzahl und Struktur für eine bestimmte Art spezifisch ist, wird als Karyotyp bezeichnet.

Histone. Nukleosomenstruktur.

Histone sind eine Hauptklasse von Nukleoproteinen, Kernproteinen, die für den Zusammenbau und die Verpackung von DNA-Strängen in Chromosomen erforderlich sind. Es gibt fünf verschiedene Arten von Histonen, die als H1/H5, H2A, H2B, H3 und H4 bezeichnet werden. Die Reihenfolge der Aminosäuren in diesen Proteinen unterscheidet sich in Organismen unterschiedlicher Organisationsebene praktisch nicht. Histone sind kleine, hochbasische Proteine, die direkt an die DNA binden. Histone sind an der strukturellen Organisation des Chromatins beteiligt und neutralisieren negativ geladene Phosphatgruppen der DNA aufgrund der positiven Ladung der Aminosäurereste, was die dichte Verpackung der DNA im Zellkern ermöglicht.

Jeweils zwei Moleküle der Histone H2A, H2B, H3 und H4 bilden ein Oktamer, das um ein 146-bp-DNA-Segment gewickelt ist und 1,8 Windungen einer Helix über der Proteinstruktur bildet. Dieses Teilchen mit einem Durchmesser von 7 nm wird Nukleosom genannt. Ein Abschnitt der DNA (Linker-DNA), der nicht in direktem Kontakt mit dem Histon-Octamer steht, interagiert mit Histon H1.

Die Gruppe der Nicht-Histon-Proteine ​​ist sehr heterogen und umfasst strukturelle Kernproteine, viele Enzyme und Transkriptionsfaktoren, die mit bestimmten Abschnitten der DNA verbunden sind und die Genexpression und andere Prozesse regulieren.

Histone im Oktamer verfügen über ein mobiles N-terminales Fragment („Schwanz“) aus 20 Aminosäuren, das aus dem Nukleosom herausragt und für die Aufrechterhaltung der Chromatinstruktur und die Kontrolle der Genexpression wichtig ist. Beispielsweise ist die Bildung (Kondensation) von Chromosomen mit der Phosphorylierung von Histonen verbunden, und eine erhöhte Transkription ist mit der Acetylierung von Lysinresten in ihnen verbunden. Die Einzelheiten des Regulierungsmechanismus sind nicht vollständig geklärt.

Nukleosom ist eine Chromatin-Untereinheit, die aus DNA und einem Satz von vier Paaren von Histonproteinen H2A, H2B, H3 und H4 eines Histon-H1-Moleküls besteht. Histon H1 bindet an die Linker-DNA zwischen zwei Nukleosomen.

Das Nukleosom ist die elementare Verpackungseinheit des Chromatins. Es besteht aus einer DNA-Doppelhelix, die um einen spezifischen Komplex aus acht nukleosomalen Histonen (Histon-Octamer) gewickelt ist. Das Nukleosom ist ein scheibenförmiges Partikel mit einem Durchmesser von etwa 11 nm, das jeweils zwei Kopien der nukleosomalen Histone (H2A, H2B, H3, H4) enthält. Das Histonoktamer bildet einen Proteinkern, um den doppelsträngige DNA zweimal gewickelt ist (146 DNA-Basenpaare pro Histonoktamer).

Die Nukleosomen, aus denen die Fibrillen bestehen, sind mehr oder weniger gleichmäßig entlang des DNA-Moleküls in einem Abstand von 10–20 nm voneinander angeordnet.

Ausmaße der Chromosomenverpackung in Eukaryoten. Chromatinkondensation.

Somit sind die Ebenen der DNA-Verpackung wie folgt:

1) Nukleosomal (2,5 Windungen doppelsträngiger DNA um acht Moleküle Histonproteine).

2) Supernukleosomal – Chromatinhelix (Chromonem).

3) Chromatid – spiralförmiges Chromonem.

4) Chromosom – der vierte Grad der DNA-Sperialisierung.

Im Interphasekern werden die Chromosomen dekondensiert und durch Chromatin repräsentiert. Der abgewickelte Bereich, der Gene enthält, wird Euchromatin (loses, faseriges Chromatin) genannt. Dies ist Voraussetzung für die Transkription. Während der Ruhephase zwischen den Teilungen bleiben bestimmte Chromosomenregionen und ganze Chromosomen kompakt.

Diese gewundenen, stark gefärbten Bereiche werden Heterochromatin genannt. Sie sind transkriptionell inaktiv. Es gibt fakultatives und konstitutives Heterochromatin.

Fakultatives Heterochromatin ist informativ, weil enthält Gene und kann in Euchromatin umgewandelt werden. Von zwei homologen Chromosomen kann eines heterochromatisch sein. Konstitutives Heterochromatin ist immer heterochromatisch, nicht formativ (enthält keine Gene) und ist daher hinsichtlich der Transkription immer inaktiv.

Chromosomale DNA besteht aus mehr als 108 Basenpaaren, aus denen Informationsblöcke gebildet werden – linear angeordnete Gene. Sie machen bis zu 25 % der DNA aus. Ein Gen ist eine funktionelle DNA-Einheit, die Informationen für die Synthese von Polypeptiden oder der gesamten RNA enthält. Zwischen den Genen gibt es Spacer – nichtinformative DNA-Abschnitte unterschiedlicher Länge. Redundante Gene sind in großer Zahl vertreten – 104 identische Kopien. Beispiele sind Gene für t-RNA, r-RNA und Histone. In der DNA kommen Sequenzen gleicher Nukleotide vor. Dabei kann es sich um mäßig repetitive oder stark repetitive Sequenzen handeln. Mäßig repetitive Sequenzen erreichen 300 Nukleotidpaare mit Wiederholungen von 102–104 und stellen am häufigsten Spacer, also redundante Gene, dar.

Hochrepetitive Sequenzen (105–106) bilden konstitutives Heterochromatin. Etwa 75 % des gesamten Chromatins sind nicht an der Transkription beteiligt; es besteht aus hochrepetitiven Sequenzen und nicht transkribierten Spacern.

Vorbereitung von Chromosomenpräparaten. Verwendung von Colchicin. Hypotonie, Fixierung und Färbung.

Abhängig vom Grad der proliferativen Aktivität von Zellen verschiedener Gewebe in vivo und in vitro werden direkte und indirekte Methoden zur Gewinnung von Chromosomenpräparaten unterschieden.

1) Direkte Methoden werden bei der Untersuchung von Geweben mit hoher mitotischer Aktivität (Knochenmark, Chorion und Plazenta, Lymphknotenzellen, embryonales Gewebe in einem frühen Entwicklungsstadium) verwendet. Chromosomenpräparate werden nach spezieller Aufbereitung direkt aus frisch gewonnenem Material hergestellt.

2) Zu den indirekten Methoden gehört die Gewinnung von Chromosomenpräparaten aus jedem Gewebe nach dessen vorheriger Kultivierung über verschiedene Zeiträume.

Es gibt viele Modifikationen direkter und indirekter Methoden zur Herstellung von Chromosomenpräparaten, die Hauptschritte zur Gewinnung von Metaphasenplatten bleiben jedoch unverändert:

1. Die Verwendung von Colchicin (Colcemid) – einem Inhibitor der Bildung der mitotischen Spindel, der die Zellteilung im Metaphasestadium stoppt.

2. Hypotonischer Schock durch Lösungen von Kalium- oder Natriumsalzen, die aufgrund des Unterschieds im osmotischen Druck innerhalb und außerhalb der Zellen dazu führen, dass sie anschwellen und interchromosomale Bindungen aufbrechen. Dieses Verfahren führt zur Trennung der Chromosomen voneinander und trägt zu ihrer stärkeren Streuung in den Metaphaseplatten bei.

3. Fixierung der Zellen mit Eisessig und Ethanol (Methanol) im Verhältnis 3:1 (Carnoys Fixiermittel), was zur Erhaltung der Chromosomenstruktur beiträgt.

4. Tropfen der Zellsuspension auf Glasobjektträger.

5. Färbung von Chromosomenpräparaten.

Es wurden eine Reihe von Färbemethoden (Streifenbildung) entwickelt, um einen Komplex von Quermarkierungen (Streifen, Bänder) auf einem Chromosom sichtbar zu machen. Jedes Chromosom ist durch einen spezifischen Bandenkomplex gekennzeichnet. Homologe Chromosomen werden identisch gefärbt, mit Ausnahme polymorpher Regionen, in denen verschiedene Allelvarianten von Genen lokalisiert sind. Allelischer Polymorphismus ist für viele Gene charakteristisch und kommt in den meisten Populationen vor. Der Nachweis von Polymorphismen auf zytogenetischer Ebene hat keinen diagnostischen Wert.

A. Q-Färbung. Die erste Methode der differenziellen Färbung von Chromosomen wurde vom schwedischen Zytologen Kaspersson entwickelt, der zu diesem Zweck den Fluoreszenzfarbstoff Chininsenf verwendete. Unter einem Fluoreszenzmikroskop sind auf den Chromosomen Bereiche mit ungleicher Fluoreszenzintensität sichtbar – Q-Segmente. Die Methode eignet sich am besten für die Untersuchung von Y-Chromosomen und wird daher zur schnellen Bestimmung des genetischen Geschlechts, zur Erkennung von Translokationen (Austausch von Regionen) zwischen X- und Y-Chromosomen oder zwischen Y-Chromosom und Autosomen sowie zur Betrachtung einer großen Anzahl von Chromosomen verwendet Zellen, wenn es notwendig ist, herauszufinden, ob ein Patient mit Geschlechtschromosomenmosaik einen Klon von Zellen hat, die das Y-Chromosom tragen.

B. G-Färbung. Nach einer umfangreichen Vorbehandlung, häufig mit Trypsin, werden die Chromosomen mit der Giemsa-Färbung gefärbt. Unter einem Lichtmikroskop sind auf den Chromosomen helle und dunkle Streifen sichtbar – G-Segmente. Obwohl die Lage der Q-Segmente der Lage der G-Segmente entspricht, hat sich die G-Färbung als empfindlicher erwiesen und die Q-Färbung als Standardmethode für die zytogenetische Analyse abgelöst. Die G-Färbung eignet sich am besten zum Nachweis kleiner Aberrationen und Markerchromosomen (anders segmentiert als normale homologe Chromosomen).

B. Die R-Färbung ergibt ein der G-Färbung entgegengesetztes Bild. In der Regel wird Giemsa-Färbung oder Acridinorange-Fluoreszenzfarbstoff verwendet. Diese Methode zeigt Unterschiede in der Färbung homologer G- oder Q-negativer Regionen von Schwesterchromatiden oder homologen Chromosomen.

Die G. C-Färbung wird verwendet, um die zentromeren Regionen der Chromosomen (diese Regionen enthalten konstitutives Heterochromatin) und den variablen, hell fluoreszierenden distalen Teil des Y-Chromosoms zu analysieren.

Die E. T-Färbung wird zur Analyse der Telomerregionen von Chromosomen verwendet. Diese Technik sowie die Färbung nukleolarer Organisatorregionen mit Silbernitrat (AgNOR-Färbung) werden verwendet, um die Ergebnisse der Standard-Chromosomenfärbung zu verdeutlichen.

Verschiedene Arten von DNA und RNA – Nukleinsäuren – sind einer der Untersuchungsgegenstände der Molekularbiologie. Einer der vielversprechendsten und sich am schnellsten entwickelnden Bereiche dieser Wissenschaft war in den letzten Jahren die Erforschung der RNA.

Kurz über die Struktur der RNA

RNA, Ribonukleinsäure, ist also ein Biopolymer, dessen Molekül eine Kette ist, die aus vier Arten von Nukleotiden besteht. Jedes Nukleotid wiederum besteht aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin A, Guanin G, Uracil U oder Cytosin C), kombiniert mit dem Zucker Ribose und einem Phosphorsäurerest. Phosphatreste verbinden sich mit Ribose benachbarter Nukleotide und „vernetzen“ die einzelnen RNA-Blöcke zu einem Makromolekül – einem Polynukleotid. Auf diese Weise entsteht die Primärstruktur der RNA.

Die Sekundärstruktur – die Bildung einer Doppelkette – entsteht in einigen Teilen des Moleküls nach dem Prinzip der Komplementarität stickstoffhaltiger Basen: Adenin bildet mit Uracil über eine Doppelbindung und Guanin mit Cytosin – eine dreifache Wasserstoffbindung.

In seiner Arbeitsform bildet das RNA-Molekül auch eine Tertiärstruktur aus – eine spezielle räumliche Struktur, die Konformation.

RNA-Synthese

Alle Arten von RNA werden mithilfe des Enzyms RNA-Polymerase synthetisiert. Es kann DNA- und RNA-abhängig sein, das heißt, es kann die Synthese sowohl auf DNA- als auch auf RNA-Matrizen katalysieren.

Die Synthese basiert auf Basiskomplementarität und antiparalleler Leserichtung des genetischen Codes und verläuft in mehreren Stufen.

Zuerst wird die RNA-Polymerase erkannt und bindet an eine spezielle Nukleotidsequenz auf der DNA – den Promotor. Anschließend entwindet sich die Doppelhelix der DNA in einem kleinen Bereich und der Aufbau eines RNA-Moleküls beginnt über einer der Ketten, der sogenannten Matrize ( die andere DNA-Kette heißt Kodierung – es ist ihre Kopie, die synthetisierte RNA ist. Die Asymmetrie des Promotors bestimmt, welcher DNA-Strang als Matrize dient, und ermöglicht dadurch, dass die RNA-Polymerase die Synthese in die richtige Richtung einleitet.

Die nächste Stufe heißt Elongation. Der Transkriptionskomplex, bestehend aus RNA-Polymerase und der unverdrillten Region mit dem DNA-RNA-Hybrid, beginnt sich zu bewegen. Während diese Bewegung fortschreitet, trennt sich die wachsende RNA-Kette allmählich, und die DNA-Doppelhelix entwindet sich vor dem Komplex und wird dahinter wiederhergestellt.

Die letzte Stufe der Synthese findet statt, wenn die RNA-Polymerase eine spezielle Region der Matrize erreicht, die als Terminator bezeichnet wird. Die Beendigung (Abschluss) des Prozesses kann auf verschiedene Weise erreicht werden.

Haupttypen von RNA und ihre Funktionen in Zellen

Sie sind wie folgt:

• Matrix oder Information (mRNA). Dadurch wird die Transkription durchgeführt – die Übertragung genetischer Informationen aus der DNA.
• Ribosomal (rRNA), das den Prozess der Translation gewährleistet – Proteinsynthese auf einer mRNA-Matrix.
• Transport (tRNA). Erkennt und transportiert Aminosäuren zum Ribosom, wo die Proteinsynthese stattfindet, und ist auch an der Translation beteiligt.
• Kleine RNAs sind eine große Klasse kleiner Moleküle, die während der Transkription, RNA-Reifung und Translation verschiedene Funktionen erfüllen.
• RNA-Genome sind kodierende Sequenzen, die genetische Informationen in einigen Viren und Viroiden enthalten.

In den 1980er Jahren wurde die katalytische Aktivität von RNA entdeckt. Moleküle mit dieser Eigenschaft werden Ribozyme genannt. Es sind noch nicht viele natürliche Ribozyme bekannt; ihre katalytische Fähigkeit ist geringer als die von Proteinen, aber in der Zelle erfüllen sie äußerst wichtige Funktionen. Derzeit wird erfolgreich an der Synthese von Ribozymen gearbeitet, die auch praktische Bedeutung haben.

Schauen wir uns die verschiedenen Arten von RNA-Molekülen genauer an.

Boten-(Messenger-)RNA

Dieses Molekül wird über einen unverdrillten DNA-Abschnitt synthetisiert und kopiert so das Gen, das für ein bestimmtes Protein kodiert.

Bevor die RNA eukaryontischer Zellen wiederum zu einer Matrix für die Proteinsynthese wird, muss sie reifen, das heißt, sie muss einen Komplex verschiedener Modifikationen durchlaufen – die Verarbeitung.

Zunächst wird das Molekül bereits in der Transkriptionsphase verkappt: An seinem Ende wird eine spezielle Struktur aus einem oder mehreren modifizierten Nukleotiden angebracht – eine Kappe. Es spielt eine wichtige Rolle in vielen nachgelagerten Prozessen und erhöht die mRNA-Stabilität. Am anderen Ende des Primärtranskripts ist der sogenannte Poly(A)-Schwanz befestigt, eine Sequenz aus Adeninnukleotiden.

Anschließend wird die Prä-mRNA gespleißt. Dabei handelt es sich um die Entfernung nichtkodierender Regionen – Introns, von denen es in der eukaryotischen DNA viele gibt – aus dem Molekül. Als nächstes erfolgt der mRNA-Editierungsprozess, bei dem die Zusammensetzung chemisch verändert und methyliert wird, woraufhin die reife mRNA den Zellkern verlässt.

Ribosomale RNA

Die Basis des Ribosoms, eines Komplexes, der die Proteinsynthese gewährleistet, besteht aus zwei langen rRNAs, die ribosomale Subpartikel bilden. Sie werden gemeinsam in Form einer Prä-rRNA synthetisiert, die dann während der Verarbeitung getrennt wird. Das große Subpartikel enthält auch rRNA mit niedrigem Molekulargewicht, die von einem separaten Gen synthetisiert wird. Ribosomale RNAs haben eine dicht gepackte Tertiärstruktur, die als Gerüst für im Ribosom vorhandene Proteine ​​dient, die Hilfsfunktionen erfüllen.

In der Ruhephase werden die ribosomalen Untereinheiten getrennt; Wenn der Translationsprozess eingeleitet wird, verbindet sich die rRNA des kleinen Subpartikels mit der Boten-RNA, woraufhin die Elemente des Ribosoms vollständig kombiniert werden. Wenn die RNA einer kleinen Untereinheit mit mRNA interagiert, wird diese durch das Ribosom gezogen (was der Bewegung des Ribosoms entlang der mRNA entspricht). Die ribosomale RNA der großen Untereinheit ist ein Ribozym, das heißt, sie besitzt enzymatische Eigenschaften. Es katalysiert die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren während der Proteinsynthese.

Es ist zu beachten, dass der größte Teil der gesamten RNA in einer Zelle ribosomal ist – 70–80 %. DNA verfügt über eine große Anzahl von Genen, die für rRNA kodieren, was eine sehr intensive Transkription gewährleistet.

RNA übertragen

Dieses Molekül wird mit Hilfe eines speziellen Enzyms von einer bestimmten Aminosäure erkannt und transportiert in Verbindung mit dieser die Aminosäure zum Ribosom, wo es als Vermittler im Translationsprozess – der Proteinsynthese – dient. Die Übertragung erfolgt durch Diffusion im Zytoplasma der Zelle.

Neu synthetisierte tRNA-Moleküle werden wie andere RNA-Typen einer Verarbeitung unterzogen. Reife tRNA hat in ihrer aktiven Form eine kleeblattähnliche Konformation. Am „Blattstiel“ – der Akzeptorstelle – befindet sich eine CCA-Sequenz mit einer Hydroxylgruppe, die an die Aminosäure bindet. Am gegenüberliegenden Ende des „Blatts“ befindet sich eine Anticodon-Schleife, die an das komplementäre Codon auf der mRNA bindet. Die D-Schleife dient dazu, Transfer-RNA an das Enzym zu binden, wenn es mit einer Aminosäure interagiert, und die T-Schleife dient der Bindung an die große Untereinheit des Ribosoms.

Kleine RNAs

Diese Arten von RNA spielen eine wichtige Rolle in zellulären Prozessen und werden derzeit aktiv untersucht.

Beispielsweise sind kleine Kern-RNAs in eukaryotischen Zellen am mRNA-Spleißen beteiligt und haben möglicherweise zusammen mit spliceosomalen Proteinen katalytische Eigenschaften. Kleine nukleoläre RNAs sind an der Verarbeitung ribosomaler und Transfer-RNA beteiligt.

Small Interfering und microRNAs sind die wichtigsten Elemente des Genexpressionsregulationssystems, das die Zelle zur Steuerung ihrer eigenen Struktur und lebenswichtigen Funktionen benötigt. Dieses System ist ein wichtiger Teil der antiviralen Immunantwort der Zelle.

Es gibt auch eine Klasse kleiner RNAs, die im Komplex mit Piwi-Proteinen funktionieren. Diese Komplexe spielen eine große Rolle bei der Entwicklung von Keimbahnzellen, der Spermatogenese und der Unterdrückung mobiler genetischer Elemente.

RNA-Genom

Das RNA-Molekül kann von den meisten Viren als Genom verwendet werden. Virale Genome sind unterschiedlich – einzel- und doppelsträngig, kreisförmig oder linear. Außerdem sind RNA-Virusgenome oft segmentiert und im Allgemeinen kürzer als DNA-Genome.

Es gibt eine Familie von Viren, deren in RNA kodierte genetische Information nach der Infektion einer Zelle revers in DNA transkribiert wird, die dann in das Genom der Opferzelle eingefügt wird. Dabei handelt es sich um sogenannte Retroviren. Hierzu zählt insbesondere das Humane Immundefizienzvirus.

Die Bedeutung der RNA-Forschung in der modernen Wissenschaft

Während früher die Meinung vorherrschte, dass RNA eine untergeordnete Rolle spielte, ist heute klar, dass sie ein notwendiger und wesentlicher Bestandteil des intrazellulären Lebens ist. Viele Prozesse von grundlegender Bedeutung können ohne die aktive Beteiligung der RNA nicht ablaufen. Die Mechanismen solcher Prozesse blieben lange Zeit unbekannt, doch dank der Untersuchung verschiedener RNA-Typen und ihrer Funktionen werden viele Details nach und nach klarer.

Möglicherweise spielte die RNA eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Lebens zu Beginn der Erdgeschichte. Die Ergebnisse neuerer Studien stützen diese Hypothese und weisen auf das außerordentliche Alter vieler Zellfunktionsmechanismen hin, an denen bestimmte RNA-Typen beteiligt sind. Beispielsweise sind die kürzlich entdeckten Riboschalter in mRNA (ein System zur proteinfreien Regulierung der Genaktivität im Transkriptionsstadium) nach Ansicht vieler Forscher ein Echo aus der Zeit, als primitives Leben auf der Basis von RNA ohne Beteiligung aufgebaut wurde von DNA und Proteinen. MicroRNAs gelten auch als ein sehr alter Bestandteil des Regulierungssystems. Die Strukturmerkmale der katalytisch aktiven rRNA weisen auf ihre allmähliche Entwicklung durch die Hinzufügung neuer Fragmente zum alten Protoribosom hin.

Eine gründliche Untersuchung darüber, welche Arten von RNA und wie sie an bestimmten Prozessen beteiligt sind, ist auch für theoretische und angewandte Bereiche der Medizin äußerst wichtig.

70-90N | Sekundärseite Kleeblatt | CCA 3" const für alle tRNA | act wird an das terminale Adenosin | angefügt
das Vorhandensein von Thymin, Pseudouridin-psi, Digirouridin DGU im D-Loop – Schutz vor Ribonukleasen? langlebig | Vielfalt der Primärstrukturen der tRNA – 61+1 – entsprechend der Anzahl der Codons + Formylmethionin-tRNA, das Anticodon ist das gleiche wie das der Methionin-tRNA. Vielfalt an Tertiärstrukturen - 20 (je nach Anzahl der Aminosäuren) | Erkennung – Bildung einer kovalenten Bindung zwischen tRNA und Akt | Aminoacyl-tRNA-Synthetasen binden Akte an tRNA

Die Funktion der tRNA besteht darin, Aminosäuren vom Zytoplasma zu den Ribosomen zu übertragen, wo die Proteinsynthese stattfindet.
tRNAs, die eine Aminosäure binden, werden Isoakzeptor genannt.
Insgesamt existieren in einer Zelle gleichzeitig 64 verschiedene tRNAs.
Jede tRNA paart sich nur mit ihrem eigenen Codon.
Jede tRNA erkennt ihr eigenes Codon ohne die Beteiligung einer Aminosäure. Die an die tRNA gebundenen Aminosäuren wurden chemisch verändert und das resultierende Polypeptid, das die veränderte Aminosäure enthielt, analysiert. Cysteinyl-tRNACys ​​​​(R=CH2-SH) wurde zu Alanyl-tRNACys ​​(R=CH3) reduziert.
Die meisten tRNAs haben, unabhängig von ihrer Nukleotidsequenz, aufgrund des Vorhandenseins von drei Haarnadeln eine kleeblattförmige Sekundärstruktur.

Merkmale der tRNA-Struktur

Am 3"-Ende des Moleküls befinden sich immer vier ungepaarte Nukleotide, und drei davon sind notwendigerweise CCA. Die 5"- und 3"-Enden der RNA-Kette bilden einen Akzeptorstamm. Die Ketten werden durch die komplementäre Paarung zusammengehalten Sieben 5"-Nukleotide enden mit sieben Nukleotiden, die sich in der Nähe des 3"-Endes befinden. 2. Alle Moleküle haben eine T?C-Haarnadel, die so bezeichnet wird, weil sie zwei ungewöhnliche Reste enthält: Ribo-Thymidin (T) und Pseudouridin (? Die Haarnadel besteht aus a doppelsträngiger Stamm aus fünf gepaarten Basen, einschließlich eines G-C-Paares, und einer sieben Nukleotide langen Schleife. Das T?C-Trinukleotid ist immer lokalisiert
an der gleichen Stelle in der Schleife. 3. In einer Anticodon-Haarnadel wird der Stamm immer durch sieben Paare dargestellt
neues Gelände. Das zum zugehörigen Codon komplementäre Triplett, das Anticodon, befindet sich im Pet-
le, bestehend aus sieben Nukleotiden. Das 5"-Ende des Anticodons wird von einem invarianten Ura-Rest flankiert.
Cyla und modifiziertes Cytosin, und an dessen 3-Zoll-Ende befindet sich normalerweise ein modifiziertes Purin
Adenin 4. Eine weitere Haarnadel besteht aus einem drei bis vier Basenpaare langen Stiel und einer variablen Schleife
Größe, enthält oft Uracil in reduzierter Form - Dihydrouracil (DU). Die bedeutendsten Variationen bestehen in den Nukleotidsequenzen der Stämme, der Anzahl der Nukleotide zwischen dem Anticodon-Stamm und dem T?C-Stamm (variable Schleife) sowie der Größe der Schleife und der Lokalisierung von Dihydrouracil-Resten in der DU-Schleife .
[Sänger, 1998].

Tertiärstruktur der tRNA

L-förmige Struktur.

Bindung von Aminosäuren an tRNA

Damit eine Aminosäure eine Polypeptidkette bilden kann, muss sie mithilfe des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit einer tRNA verbunden werden. Dieses Enzym bildet unter Beteiligung von ATP eine kovalente Bindung zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Hydroxylgruppe der Ribose am 3'-Ende der tRNA. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetase erkennt ein spezifisches Codon nicht aufgrund des Vorhandenseins eines Anticodons auf der tRNA, sondern aufgrund des Vorhandenseins einer spezifischen Erkennungsstelle auf der tRNA.
Insgesamt gibt es in der Zelle 21 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Synthetasen.
Die Verbindung erfolgt in zwei Schritten:
1. Die Carboxylgruppe einer Aminosäure wird an das a-Phosphat von ATP angehängt. Das resultierende instabile Aminoacyladenylat wird durch Bindung an das Enzym stabilisiert.
2. Übertragung der Aminoacylgruppe des Aminoacyladenylats auf die 2'- oder 3'-OH-Gruppe der terminalen Ribose der tRNA
Einige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bestehen aus einer einzelnen Polypeptidkette, während andere aus zwei oder vier identischen Ketten mit jeweils einem Molekulargewicht von 35 bis 115 kDa bestehen. Einige dimere und tetramere Enzyme bestehen aus zwei Arten von Untereinheiten. Es gibt keinen klaren Zusammenhang zwischen der Größe des Enzymmoleküls oder der Art seiner Untereinheitsstruktur und -spezifität.
Die Spezifität des Enzyms wird durch seine starke Bindung an das Akzeptorende der tRNA, die DU-Region und die variable Schleife bestimmt. Einige Enzyme scheinen das Anticodon-Triplett nicht zu erkennen und die Aminoacetylierungsreaktion selbst mit einem veränderten Anticodon nicht zu katalysieren. Einige Enzyme zeigen jedoch eine verminderte Aktivität gegenüber solchen veränderten tRNAs und fügen beim Austausch des Anticodons die falsche Aminosäure hinzu.

70-90n | Sekundärseite Kleeblatt | CCA 3" const für alle tRNA | act wird an das terminale Adenosin | angefügt
das Vorhandensein von Thymin, Pseudouridin-psi, Digirouridin DGU im D-Loop – Schutz vor Ribonukleasen? langlebig | Vielfalt der Primärstrukturen der tRNA – 61+1 – entsprechend der Anzahl der Codons + Formylmethionin-tRNA, das Anticodon ist das gleiche wie das der Methionin-tRNA. Vielfalt an Tertiärstrukturen - 20 (je nach Anzahl der Aminosäuren)

Es gibt zwei Arten von tRNAs, die Methionin binden: tRNAFMet und tRNAMMet in Prokaryoten und tRNAIMet und tRNAMMet in Eukaryoten. Methionin wird jeder tRNA über eine entsprechende Aminoacyl-tRNA-Synthese hinzugefügt. An tRNAFMet und tRNAIMet gebundenes Methionin wird durch das Enzym Methionyl-tRNA-Transformylase zu Fmet-tRNAFMet gebildet. Mit Formylmethionin beladene tRNAs erkennen das Startcodon AUG.

Literatur:

Leider gibt es keine Referenzliste.