RNA ist ein wesentlicher Bestandteil der molekulargenetischen Mechanismen der Zelle. Der Geh alt an Ribonukleinsäuren beträgt einige Prozent seines Trockengewichts, und etwa 3-5 % dieser Menge entfallen auf Boten-RNA (mRNA), die direkt an der Proteinsynthese beteiligt ist und zur Implementierung des Genoms beiträgt.
Das mRNA-Molekül codiert die Aminosäuresequenz des aus dem Gen abgelesenen Proteins. Daher wird Matrix-Ribonukleinsäure auch als Informations- (mRNA) bezeichnet.
Allgemeine Merkmale
Wie alle Ribonukleinsäuren ist Messenger-RNA eine Kette von Ribonukleotiden (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Meistens hat mRNA nur eine Primärstruktur, aber in manchen Fällen hat sie eine Sekundärstruktur.
Es gibt Zehntausende von mRNA-Spezies in einer Zelle, von denen jede durch 10-15 Moleküle repräsentiert wird, die einer bestimmten Stelle in der DNA entsprechen. mRNA enthält Informationen über die Struktur von einem oder mehrerenBakterien) Proteine. Die Aminosäuresequenz wird als Tripletts der kodierenden Region des mRNA-Moleküls dargestellt.
Biologische Rolle
Die Hauptfunktion der Boten-RNA besteht darin, genetische Informationen zu implementieren, indem sie von der DNA zum Ort der Proteinsynthese übertragen werden. In diesem Fall erfüllt die mRNA zwei Aufgaben:
- schreibt Informationen über die Primärstruktur des Proteins aus dem Genom um, was im Prozess der Transkription durchgeführt wird;
- interagiert mit dem Proteinsyntheseapparat (Ribosomen) als semantische Matrix, die die Aminosäuresequenz bestimmt.
Eigentlich ist Transkription die Synthese von RNA, bei der DNA als Matrize dient. Allerdings hat dieser Prozess nur im Fall von Boten-RNA den Wert, Informationen über das Protein aus dem Gen umzuschreiben.
Die mRNA ist der Hauptvermittler, durch den der Weg vom Genotyp zum Phänotyp (DNA-RNA-Protein) vollzogen wird.
Die Lebensdauer der mRNA in einer Zelle
Messenger-RNA lebt nur sehr kurze Zeit in der Zelle. Die Existenzdauer eines Moleküls wird durch zwei Parameter charakterisiert:
- Die funktionelle Halbwertszeit wird durch die Fähigkeit der mRNA bestimmt, als Matrize zu dienen, und wird durch die Verringerung der pro Molekül synthetisierten Proteinmenge gemessen. Bei Prokaryoten beträgt diese Zahl ungefähr 2 Minuten. Während dieser Zeit wird die Menge an synthetisiertem Protein halbiert.
- Die chemische Halbwertszeit wird durch die Reduktion hybridisierungsfähiger Boten-RNA-Moleküle bestimmt(komplementäre Verbindung) mit DNA, die die Integrität der Primärstruktur charakterisiert.
Die chemische Halbwertszeit ist in der Regel länger als die funktionelle Halbwertszeit, da ein leichter anfänglicher Abbau des Moleküls (z. B. ein einzelner Bruch in der Ribonukleotidkette) die Hybridisierung mit DNA noch nicht verhindert, aber bereits Protein verhindert Synthese.
Die Halbwertszeit ist ein statistisches Konzept, daher kann die Existenz eines bestimmten RNA-Moleküls deutlich über oder unter diesem Wert liegen. Infolgedessen haben einige mRNAs Zeit, mehrmals übersetzt zu werden, während andere abgebaut werden, bevor die Synthese eines Proteinmoleküls abgeschlossen ist.
Eukaryotische mRNAs sind viel stabiler als prokaryotische (Halbwertszeit ca. 6 Stunden). Aus diesem Grund sind sie viel einfacher aus der intakten Zelle zu isolieren.
mRNA-Struktur
Die Nukleotidsequenz der Boten-RNA umfasst translatierte Regionen, in denen die Primärstruktur des Proteins kodiert ist, und nicht-informative Regionen, deren Zusammensetzung sich in Prokaryoten und Eukaryoten unterscheidet.
Die codierende Region beginnt mit einem Initiationscodon (AUG) und endet mit einem der Terminationscodons (UAG, UGA, UAA). Je nach Zelltyp (nukleär oder prokaryotisch) kann Boten-RNA eine oder mehrere Translationsregionen enth alten. Im ersten Fall heißt es monocistronic und im zweiten - polycistronic. Letzteres ist nur für Bakterien und Archaeen charakteristisch.
Struktur und Funktion von mRNA in Prokaryoten
Transkriptionsprozesse in Prokaryotenund Translationen finden gleichzeitig statt, so dass Boten-RNA nur eine Primärstruktur hat. Genau wie bei Eukaryoten wird es durch eine lineare Sequenz von Ribonukleotiden dargestellt, die informative und nicht kodierende Regionen enthält.
Die meisten mRNAs von Bakterien und Archaeen sind polycistronisch (enth alten mehrere codierende Regionen), was auf die Besonderheit der Organisation des prokaryotischen Genoms zurückzuführen ist, das eine Operonstruktur aufweist. Das bedeutet, dass Informationen über mehrere Proteine in einem DNA-Transkript verschlüsselt sind, das anschließend auf RNA übertragen wird. Ein kleiner Teil der Boten-RNA ist monocistronisch.
Nicht translatierte Regionen der bakteriellen mRNA werden dargestellt durch:
- Leadersequenz (befindet sich am 5`-Ende);
- Trailer- (oder End-)Sequenz (befindet sich am 3`-Ende);
- untranslatierte intercistronische Regionen (Spacer) - befinden sich zwischen den codierenden Regionen der polycistronischen RNA.
Intercistronische Sequenzen können 1-2 bis 30 Nukleotide lang sein.
Eukaryotische mRNA
Eukaryotische mRNA ist immer monocistronisch und enthält einen komplexeren Satz nichtkodierender Regionen, darunter:
- cap;
- 5`-unübersetzter Bereich (5`NTR);
- 3`-unübersetzter Bereich (3`NTR);
- Polyadenylschwanz.
Die verallgemeinerte Struktur der Boten-RNA in Eukaryoten kann dargestellt werden alsSchemata mit folgender Elementsequenz: cap, 5`-UTR, AUG, translatierte Region, Stopcodon, 3`UTR, Poly-A-Tail.
Bei Eukaryoten sind Transkription und Translation sowohl zeitlich als auch räumlich getrennt. Die Boten-RNA erhält während der Reifung, die als Prozessierung bezeichnet wird, eine Kappe und einen Polyadenylschwanz und wird dann vom Zellkern zum Zytoplasma transportiert, wo die Ribosomen konzentriert werden. Die Prozessierung schneidet auch Introns aus, die aus dem eukaryotischen Genom auf RNA übertragen werden.
Wo Ribonukleinsäuren synthetisiert werden
Alle Arten von RNA werden von speziellen Enzymen (RNA-Polymerasen) auf Basis von DNA synthetisiert. Dementsprechend ist die Lokalisation dieses Prozesses in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen unterschiedlich.
Bei Eukaryoten findet die Transkription im Zellkern statt, in dem die DNA in Form von Chromatin konzentriert ist. Dabei wird zunächst prä-mRNA synthetisiert, die eine Reihe von Modifikationen durchläuft und erst danach ins Zytoplasma transportiert wird.
In Prokaryoten ist der Ort, an dem Ribonukleinsäuren synthetisiert werden, die Region des Zytoplasmas, die an das Nukleoid grenzt. RNA-synthetisierende Enzyme interagieren mit entspiralisierten Schleifen von bakteriellem Chromatin.
Transkriptionsmechanismus
Die Synthese von Boten-RNA basiert auf dem Prinzip der Komplementarität von Nukleinsäuren und wird von RNA-Polymerasen durchgeführt, die den Verschluss der Phosphodiesterbindung zwischen Ribonukleosidtriphosphaten katalysieren.
In Prokaryoten wird mRNA von demselben Enzym synthetisiert wie andere SpeziesRibonukleotide und in Eukaryoten durch RNA-Polymerase II.
Die Transkription umfasst 3 Phasen: Initiation, Elongation und Termination. In der ersten Stufe heftet sich die Polymerase an den Promotor, eine spezialisierte Stelle, die der codierenden Sequenz vorausgeht. In der Elongationsphase baut das Enzym die RNA-Kette auf, indem es Nukleotide an die Kette anfügt, die komplementär mit der Matrizen-DNA-Kette interagieren.
