Verarbeitung, Spleißen. Die Rolle der RNA im Prozess der Verwirklichung erblicher Informationen
Capping und Polyadenylierung von mRNA nennt man wird bearbeitet ( posttranskriptionelle Modifikation).
Deckelung:
Während der Verarbeitung wird an das 5-Zoll-Ende aller eukaryontischen mRNAs ein Rest angehängt. 7-Methylguanosin mit Bildung einzigartige 5"à 5" Phosphodiesterbindung. Dieses zusätzliche Nukleotid wird aufgerufen Deckel oder Deckel.
Kappenfunktionen :
1. Es schützt die RNA vor Exonukleasen
2. hilft bei der Bindung des mRNA-Moleküls an das Ribosom.
Polyadenylierung:
Auch das 3"-Ende wird unmittelbar nach Abschluss der Transkription verändert. Spezielles Enzym - Polyadenylat-Polymerase bindet 20 bis 250 Adenylsäurereste (Poly (A)) an das 3-Zoll-Ende jedes RNA-Transkripts. Polyadenylat-Polymerase erkennt eine bestimmte Sequenz aaaaa, spaltet ein kleines Fragment von 11–30 Nukleotiden vom Primärtranskript ab und fügt dann eine Poly(A)-Sequenz hinzu. Es ist allgemein anerkannt, dass ein solcher „Schwanz“ die anschließende Verarbeitung von RNA und den Export reifer mRNA-Moleküle aus dem Zellkern erleichtert.
Da mRNA an Translationsprozessen beteiligt ist, nimmt die Länge des PolyA-Fragments ab. 30 Adenylnukleotide gelten als entscheidend für die Stabilität.
Der gesamte Satz nuklearer Transkripte der RNA-Polymerase II wird als bezeichnet heterogene Kern-RNA(hnRNA).
Alle drei RNA-Klassen werden von Genen transkribiert, die enthalten Introns(nicht informative Abschnitte) und Exons(Abschnitte der DNA, die Informationen tragen). Die von DNA-Introns kodierten Sequenzen müssen aus dem Primärtranskript entfernt werden, bevor die RNA biologisch aktiv wird. Der Vorgang des Entfernens von Kopien von Intronsequenzen wird aufgerufen RNA-Spleißen.
Das RNA-Spleißen wird katalysiert Komplexe von Proteinen mit RNA, bekannt als „kleine nukleare Ribonukleoproteinpartikel“(snRNP, englisch small nukleare ribonukleine Partikel, snRNP). Solche katalytischen RNAs werden genannt Ribozyme.
Funktionen von Introns:
schützen den funktionell aktiven Teil des Zellgenoms vor den schädigenden Auswirkungen chemischer oder physikalischer (Strahlungs-)Faktoren
ermöglicht die Verwendung des sogenannten Alternatives Spleißen die genetische Vielfalt des Genoms erhöhen, ohne die Anzahl der Gene zu erhöhen.
Alternatives Spleißen:
Durch eine Veränderung der Verteilung der Exons eines Transkripts beim Spleißen entstehen unterschiedliche RNAs und damit unterschiedliche Proteine.
Es sind bereits mehr als 40 Gene bekannt, deren Transkripte einem alternativen Spleißen unterzogen werden. Beispielsweise produziert ein Transkript des Calcitonin-Gens durch alternatives Spleißen RNA, die als Vorlage für die Synthese von Calcitonin (in der Schilddrüse) oder einem spezifischen Protein, das für die Geschmackswahrnehmung verantwortlich ist (im Gehirn), dient. Das Transkript des -Tropomyosin-Gens durchläuft ein noch komplexeres alternatives Spleißen. Mindestens 8 verschiedene Tropomyosin-mRNAs, die von einem einzigen Transkript abgeleitet sind, wurden identifiziert (siehe Abbildung).
33 . Das allgemeine Schema der Proteinbiosynthese – notwendige Voraussetzungen:
Informationsfluss - Informationsübertragungsschema (das zentrale Dogma der Molekularbiologie). DNA-Replikation und Transkription – Enzyme, Mechanismus. Reverse Transkription, die Rolle von Revertasen. mRNA-Verarbeitung und Spleißen. Merkmale des genetischen Codes, Codons, Anticodons.
Der Unterschied zwischen der Proteinbiosynthese und der Biosynthese anderer Moleküle:
Es gibt keine Übereinstimmung zwischen der Anzahl der Matrixmonomere und dem Reaktionsprodukt (4 Nukleotide – 20 Aminosäuren).
Es besteht keine Komplementarität zwischen der mRNA (Matrize) und der Peptidkette des Proteins (Produkt).
Das allgemeine Schema der Proteinbiosynthese – notwendige Voraussetzungen:
· Informationsfluss(Übertragung von Informationen von der DNA über die RNA zum Protein)
· plastischer Fluss(Aminosäuren, mRNA, tRNA, Enzyme)
· Energiefluss(Makroenergie ATP, GTP, UTP, CTP)
Es ist dieses Stadium, das die Umsetzung der verfügbaren genetischen Informationen in Zellen wie Eukaryoten und Prokaryoten auszeichnet.
Interpretation dieses Konzepts
Aus dem Englischen übersetzt bedeutet dieser Begriff „Verarbeitung, Verarbeitung“. Unter Prozessierung versteht man den Prozess der Bildung reifer Ribonukleinsäuremoleküle aus Prä-RNA. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Reihe von Reaktionen, die zur Umwandlung primärer Transkriptionsprodukte (Prä-RNA verschiedener Typen) in bereits funktionierende Moleküle führen.
Bei der Verarbeitung von p- und tRNA geht es meist darum, überschüssige Fragmente von den Enden der Moleküle abzuschneiden. Wenn wir über mRNA sprechen, kann festgestellt werden, dass dieser Prozess bei Eukaryoten in vielen Stufen abläuft.
Nachdem wir also bereits erfahren haben, dass es sich bei der Verarbeitung um die Umwandlung eines Primärtranskripts in ein reifes RNA-Molekül handelt, lohnt es sich, mit der Betrachtung seiner Merkmale fortzufahren.
Die Hauptmerkmale des betrachteten Konzepts
Dazu gehören die folgenden:
- Modifikation sowohl der Enden des Moleküls als auch der RNA, bei der spezifische Nukleotidsequenzen an sie angehängt werden, die den Ort des Beginns (Endes) der Translation anzeigen;
- Spleißen – Abschneiden nichtinformativer Ribonukleinsäuresequenzen, die DNA-Introns entsprechen.
Bei Prokaryoten unterliegt ihre mRNA keiner Verarbeitung. Es ist in der Lage, sofort nach Abschluss der Synthese zu arbeiten.
Wo findet der betreffende Prozess statt?
In jedem Organismus findet die RNA-Verarbeitung im Zellkern statt. Dies geschieht mittels spezieller Enzyme (deren Gruppe) für jede einzelne Molekülart. Auch Translationsprodukte wie Polypeptide, die direkt aus der mRNA abgelesen werden, können verarbeitet werden. Die sogenannten Vorläufermoleküle der meisten Proteine – Kollagen, Immunglobuline, Verdauungsenzyme, einige Hormone – unterliegen diesen Veränderungen, woraufhin ihre eigentliche Funktion im Körper beginnt.
Wir haben bereits gelernt, dass es sich bei der Verarbeitung um den Prozess der Bildung reifer RNAs aus Prä-RNAs handelt. Nun lohnt es sich, sich mit der Natur der Ribonukleinsäure selbst zu befassen.
RNA: chemische Natur
Es handelt sich um ein Copolymer aus Pyrimidin- und Purin-Ribonunucleitiden, die wie in der DNA durch 3'-5'-Phosphodiesterbrücken miteinander verbunden sind.
Obwohl diese beiden Molekültypen ähnlich sind, unterscheiden sie sich in mehreren Punkten.
Unterschiede zwischen RNA und DNA
Erstens hat Ribonukleinsäure einen Kohlenstoffrest, der an Pyrimidin- und Purinbasen angrenzt, Phosphatgruppen - Ribose, während DNA 2'-Desoxyribose hat.
Zweitens unterscheiden sich auch die Pyrimidinkomponenten. Ähnliche Komponenten sind die Nukleotide von Adenin, Cytosin, Guanin. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin.
Drittens hat RNA eine einsträngige Struktur, während DNA ein zweisträngiges Molekül ist. Aber in der Ribonukleinsäurekette gibt es Regionen mit entgegengesetzter Polarität (komplementäre Sequenz), wodurch sich ihre einzelne Kette falten und „Haarnadeln“ bilden kann – Strukturen mit 2-Helix-Eigenschaften (wie in der Abbildung oben gezeigt).
Viertens: Da es sich bei RNA um einen Einzelstrang handelt, der nur zum ersten DNA-Strang komplementär ist, muss Guanin darin nicht im gleichen Gehalt wie Cytosin und Adenin wie Uracil vorhanden sein.
Fünftens kann RNA mit Alkali zu 2', 3'-zyklischen Diestern von Mononukleotiden hydrolysiert werden. Die Rolle eines Zwischenprodukts bei der Hydrolyse übernimmt der 2', 3', 5-Triester, der sich im Rahmen eines ähnlichen Prozesses für DNA aufgrund des Fehlens von 2'-Hydroxylgruppen nicht bilden kann. Im Vergleich zur DNA ist die alkalische Labilität von Ribonukleinsäure eine nützliche Eigenschaft sowohl für diagnostische als auch für analytische Zwecke.
Diese Sequenz ist komplementär zur Genkette (Kodierung), aus der die RNA „abgelesen“ wird. Aufgrund dieser Eigenschaft kann ein Ribonukleinsäuremolekül spezifisch an einen kodierenden Strang binden, ist jedoch nicht dazu in der Lage, an einen nichtkodierenden DNA-Strang zu binden. Die RNA-Sequenz ähnelt, mit Ausnahme des Ersatzes von T durch U, der des nichtkodierenden Strangs des Gens.
RNA-Typen
Fast alle von ihnen sind an einem solchen Prozess beteiligt, da folgende RNA-Typen bekannt sind:
- Matrix (mRNA). Hierbei handelt es sich um zytoplasmatische Ribonukleinsäuremoleküle, die als Vorlagen für die Proteinsynthese dienen.
- Ribosomal (rRNA). Dabei handelt es sich um ein zytoplasmatisches RNA-Molekül, das als Strukturbestandteile wie Ribosomen (eine an der Proteinsynthese beteiligte Organelle) fungiert.
- Transport (tRNA). Hierbei handelt es sich um Moleküle, die an der Übersetzung (Übersetzung) von mRNA-Informationen in eine bereits in Proteinen enthaltene Aminosäuresequenz beteiligt sind.
Ein erheblicher Teil der RNA in Form von 1. Transkripten, die in Säugetierzellen gebildet werden, unterliegt dem Abbau im Zellkern und spielt im Zytoplasma keine informative oder strukturelle Rolle.
In menschlichen Zellen (kultiviert) wurde eine Klasse kleiner nukleärer Ribonukleinsäuren gefunden, die nicht direkt an der Proteinsynthese beteiligt sind, aber die RNA-Verarbeitung sowie die gesamte zelluläre „Architektur“ beeinflussen. Ihre Größe variiert, sie enthalten 90 – 300 Nukleotide.
Ribonukleinsäure ist das wichtigste genetische Material in einer Reihe pflanzlicher und tierischer Viren. Einige RNA-Viren durchlaufen nie das gleiche RNA-zu-DNA-Stadium. Dennoch zeichnen sich viele tierische Viren, zum Beispiel Retroviren, durch eine umgekehrte Translation ihres RNA-Genoms aus, die durch die RNA-abhängige Reverse Transkriptase (DNA-Polymerase) gesteuert wird, wobei eine zweisträngige DNA-Kopie entsteht. In den meisten Fällen wird das entstehende zweisträngige DNA-Transkript in das Genom eingeführt und sorgt so für die Expression viraler Gene und die Produktion der neuesten Kopien von RNA-Genomen (auch viral).
Posttranskriptionelle Modifikationen der Ribonukleinsäure
Seine mit RNA-Polymerasen synthetisierten Moleküle sind stets funktionell inaktiv und fungieren als Vorläufer, nämlich Prä-RNA. Sie werden erst dann in bereits reife Moleküle umgewandelt, wenn sie die entsprechenden posttranskriptionellen Modifikationen der RNA – die Stadien ihrer Reifung – durchlaufen haben.
Die Bildung reifer mRNA beginnt während der Synthese von RNA und Polymerase II im Elongationsstadium. Bereits an das 5'-Ende des nach und nach wachsenden RNA-Strangs wird das 5'-Ende von GTP angehängt, anschließend wird das Orthophosphat abgespalten. Darüber hinaus wird Guanin unter Bildung von 7-Methyl-GTP methyliert. Eine solche spezielle Gruppe, die Teil der mRNA ist, wird „Cap“ (Hut oder Kappe) genannt.
Abhängig von der Art der RNA (ribosomal, Transport, Matrize usw.) unterliegen Vorläufer verschiedenen sequenziellen Modifikationen. Beispielsweise werden mRNA-Vorläufer gespleißt, methyliert, gekappt, polyadenyliert und manchmal bearbeitet.
Eukaryoten: allgemeine Merkmale
Die eukaryotische Zelle ist die Domäne lebender Organismen und enthält den Zellkern. Neben Bakterien und Archaeen sind alle Organismen nuklear. Pflanzen, Pilze und Tiere, einschließlich der Gruppe von Organismen, die Protisten genannt werden, sind allesamt eukaryotische Organismen. Sie sind sowohl einzellig als auch mehrzellig, haben aber alle einen gemeinsamen Plan der Zellstruktur. Es ist allgemein anerkannt, dass diese so unterschiedlichen Organismen denselben Ursprung haben, weshalb die Kerngruppe als monophyletisches Taxon höchsten Ranges angesehen wird.
Basierend auf populären Hypothesen entstanden Eukaryoten vor 1,5 bis 2 Milliarden Jahren. Eine wichtige Rolle in ihrer Evolution kommt der Symbiogenese zu – der Symbiose einer eukaryotischen Zelle mit einem phagozytosefähigen Kern und von ihr verschluckten Bakterien – den Vorläufern von Plastiden und Mitochondrien.
Prokaryoten: allgemeine Merkmale
Dabei handelt es sich um einzellige lebende Organismen, die keinen Zellkern (gebildet) haben, der Rest der Membranorganellen (intern). Das einzige große kreisförmige zweisträngige DNA-Molekül, das den Großteil des zellulären genetischen Materials enthält, bildet keinen Komplex mit Histonproteinen.
Zu den Prokaryoten gehören Archaeen und Bakterien, einschließlich Cyanobakterien. Nachkommen nichtnuklearer Zellen – eukaryontische Organellen – Plastiden, Mitochondrien. Sie werden innerhalb des Domänenrangs in zwei Taxa unterteilt: Archaea und Bakterien.
Diese Zellen haben keine Kernhülle; die DNA-Verpackung erfolgt ohne Beteiligung von Histonen. Die Art ihrer Ernährung ist osmotroph, und das genetische Material wird durch ein ringförmig geschlossenes Material dargestellt, und es gibt nur ein Replikon. Prokaryoten haben Organellen, die eine Membranstruktur haben.
Der Unterschied zwischen Eukaryoten und Prokaryoten
Das grundlegende Merkmal eukaryontischer Zellen ist das Vorhandensein eines genetischen Apparats in ihnen, der sich im Zellkern befindet und dort durch eine Membran geschützt ist. Ihre DNA ist linear und mit Histonproteinen verbunden, anderen chromosomalen Proteinen, die in Bakterien fehlen. Sie enthalten in der Regel 2 Kernphasen. Eine hat einen haploiden Chromosomensatz, und durch die anschließende Verschmelzung zweier haploider Zellen entsteht eine diploide Zelle, die bereits den 2. Chromosomensatz enthält. Es kommt auch vor, dass die Zelle bei der anschließenden Teilung wieder haploid wird. Dieser Lebenszyklus sowie die Diploidie im Allgemeinen sind für Prokaryoten nicht charakteristisch.
Der interessanteste Unterschied ist das Vorhandensein spezieller Organellen in Eukaryoten, die über einen eigenen genetischen Apparat verfügen und sich durch Teilung vermehren. Diese Strukturen sind von einer Membran umgeben. Diese Organellen sind Plastiden und Mitochondrien. In ihrer Lebensaktivität und Struktur sind sie Bakterien überraschend ähnlich. Dieser Umstand veranlasste Wissenschaftler zu der Annahme, dass es sich um Nachkommen von Bakterienorganismen handelt, die mit Eukaryoten eine Symbiose eingegangen sind.
Prokaryoten haben wenige Organellen, von denen keines von einer zweiten Membran umgeben ist. Ihnen fehlen das endoplasmatische Retikulum und die Lysosomen.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen Eukaryoten und Prokaryoten ist das Vorhandensein des Phänomens der Endozytose bei Eukaryoten, einschließlich der Phagozytose in den meisten Gruppen. Letzteres ist die Fähigkeit, verschiedene feste Partikel durch Einschluss in einer Membranblase einzufangen und dann zu verdauen. Dieser Prozess erfüllt die wichtigste Schutzfunktion im Körper. Das Auftreten einer Phagozytose ist vermutlich auf die mittlere Zellgröße zurückzuführen. Prokaryotische Organismen hingegen sind unverhältnismäßig kleiner, weshalb im Laufe der eukaryotischen Evolution das Bedürfnis entstand, die Zelle mit einer erheblichen Menge an Nahrung zu versorgen. Dadurch entstanden unter ihnen die ersten mobilen Raubtiere.
Verarbeitung als eine der Stufen der Proteinbiosynthese
Dies ist der zweite Schritt, der nach der Transkription beginnt. Die Proteinverarbeitung findet nur bei Eukaryoten statt. Dies ist die mRNA-Reifung. Genauer gesagt handelt es sich dabei um das Entfernen von Regionen, die nicht für ein Protein kodieren, und das Hinzufügen von Kontrollen.
Abschluss
Dieser Artikel beschreibt, was Verarbeitung ist (Biologie). Es erklärt auch, was RNA ist, listet ihre Typen und posttranskriptionellen Modifikationen auf. Dabei werden die Besonderheiten von Eukaryoten und Prokaryoten berücksichtigt.
Abschließend sei daran erinnert, dass es sich bei der Verarbeitung um den Prozess der Bildung reifer RNA aus Prä-RNA handelt.
| Parametername | Bedeutung |
| Betreff des Artikels: | RNA-Verarbeitung |
| Rubrik (thematische Kategorie) | Biologie |
Primäre RNAs (RNA-Vorläufer, heterogene Kern-RNAs), die durch Transkription entstehen, sind in den meisten Fällen funktionell inaktive Moleküle. Aus diesem Grund unterliegen sie unmittelbar nach der Transkription einer Reihe von Modifikationen und verwandeln sich in reife RNAs. Die Reifung primärer Transkripte wird aufgerufen wird bearbeitet.
Reis. 32. ρ-
abhängige Transkriptionstermination in Bakterien
Die Verarbeitung von mRNA-Vorläufern ist für Bakterienzellen nicht charakteristisch und nur für die Bildung reifer rRNA- und tRNA-Moleküle erforderlich.
Die RNA-Verarbeitung in Eukaryoten ist ein ziemlich komplexer und fein organisierter Prozess, der sich direkt auf die Regulierung der Expression von genetischem Material auswirkt. Die eukaryotische mRNA-Verarbeitung wurde am ausführlichsten untersucht, darunter:
Spleißen – Herausschneiden nicht-kodierender Regionen (Introns) aus der Prä-mRNA und Zusammenfügen von Regionen (Exons), die die Proteinstruktur kodieren;
Capping – die Bildung einer speziellen Struktur am 5'-Ende der mRNA – einer Kappe – erfolgt kurz nach Beginn der mRNA-Synthese und erfolgt unter Beteiligung von GTP;
Polyadenylierung – die Bildung eines Poly(A)-Fragments am 3'-Ende, das etwa 200 Adenylnukleotide enthält (Abb. 33).
Reis. 33. mRNA-Verarbeitung
Spleißmechanismus
Beim Spleißen von prä-mRNA-Eukaryoten sind eine Reihe von Proteinen sowie eine spezielle Art von RNA beteiligt – die kleine Kern-RNA (snRNA). Verschiedene snRNAs binden nach dem Komplementaritätsprinzip an die Grenzregionen von RNA-Introns. Für diese Interaktion sind bestimmte Nukleotidsequenzen am Anfang und Ende von Introns wesentlich: Beispielsweise beginnen Introns immer mit G-U und enden mit einem A-G-Dublett. Kleine Kern-RNAs bilden einen Komplex mit Enzymen, die das Spleißen katalysieren – Spliosom.
Der erste Prä-RNA-Bruch erfolgt am 5'-Ende des Introns, das an eines der Nukleotide im mittleren Teil desselben Introns bindet (Abb. 34). Dies führt zur Bildung einer ringförmigen (genauer gesagt einer lassoartigen) Struktur. Die erste snRNA dissoziiert und der Enzymkomplex wandert zu einer anderen snRNA, die das 3'-Ende des Introns markiert. Hier kommt es zum zweiten Prä-RNA-Bruch. Die Verbindung von Exon 2 zum Intron wird durch die Verbindung zu Exon 1 ersetzt.
Alternatives Spleißen
In manchen Fällen ist es möglich, den Spleißverlauf zu ändern und auf alternative Weise umzusetzen. In diesem Fall wird mehr als ein mRNA-Typ von einem Gen abgelesen. Durch alternatives Spleißen kann ein Organismus Proteine unterschiedlicher Struktur und Eigenschaften auf der Grundlage eines einzigen Gens synthetisieren. Solche Gene kodieren Familien verwandter Proteine, die an der Muskelkontraktion, der Bildung des Zytoskeletts von Nerven, beteiligt sind 
Ballaststoffe, Peptidhormone usw.
Reis. 34. Wahrscheinlicher Würzmechanismus:
E – Enzymkomplex (mit Nuklease- und Ligaseaktivität)
Alternatives mRNA-Spleißen umfasst drei grundlegende Mechanismen:
1. Verwendung verschiedener Promotoren. In Gegenwart alternativer Promotoren im Gen können verschiedene Arten von RNA an verschiedenen Stellen der Transkriptionsinitiation synthetisiert werden. Ein alternativer Promotor ist ein komplexer Promotor, der aus mindestens zwei unabhängig funktionierenden Teilen besteht, die sich vor verschiedenen Exons desselben Gens befinden. Dabei entstehen Transkripte mit unterschiedlich langen 5′-Enden und unterschiedlich vielen Exons.
2. Veränderung der Polyadenylierungsstelle des Primärtranskripts. Dadurch verändern sich Größe und Struktur der 3'-terminalen Region der Prä-mRNA.
3. Verbindung von Exons in verschiedenen Kombinationen. In diesem Fall werden einige Exons möglicherweise nicht beim Spleißen berücksichtigt. Wenn ein Gen beispielsweise nur sechs Exons enthält (vom 1. bis zum 6.), können diese in einem mRNA-Typ in der Reihenfolge 1,2,3,4,5,6 angeordnet sein, in anderen RNAs sollte die Reihenfolge anders sein. zum Beispiel 4,5,6,1,2,3 oder 2,5,6 oder 1,3,5.
Alternatives Spleißen ermöglicht die Feinregulierung von Genen in Eukaryoten, die Gewebedifferenzierung und bestimmt die Entwicklung verschiedener Merkmale, die durch ein Gen bestimmt werden. Beim Menschen können etwa ein Drittel aller Gene mehr als ein Protein kodieren, d. h. verschiedene Proteine werden durch unterschiedliche Kombinationen von Exons desselben Gens kodiert. Das Vorhandensein von alternativem Spleißen könnte die Tatsache erklären, dass die Anzahl der Proteine im menschlichen Körper um ein Vielfaches größer ist als die Anzahl der Protein-kodierenden Gene.
RNA-Verarbeitung – Konzept und Typen. Einordnung und Merkmale der Kategorie „RNA Processing“ 2017, 2018.
Die Verarbeitung in Eukaryoten betrifft alle Arten von Primärtranskripten eukaryotischer Gene.
Verarbeitung in Eukaryoten
Verschließen ist die Bildung einer speziellen Struktur am 5"-Ende der mRNA – einer Kappe (Cap). Die Verkappung erfolgt bereits vor Abschluss der Transkription und schützt das 5"-Ende der RNA vor der Wirkung von Nukleasen. Das RNA-Capping wird unter Beteiligung von durchgeführt GTP (Guanosintriphosphat).), von dem GMP auf das 5'-Diphosphat des ersten mRNA-Nukleotids übertragen wird.
Polyadenylierung wird durch das Enzym Poly(A)-Polymerase durchgeführt und führt zur Bildung am 3"-Ende des Oligo(A)-Fragments, das 100 - 200 Adenylsäurereste hintereinander enthält und auch als „Poly(A)-Schwanz“ bezeichnet wird Poly(A)-Teilfolge nach der Kappenbefestigung zur RNA hinzugefügt. Zuerst wird das 3"-Ende der RNA durch Enzyme an einem Punkt abgespalten, der 10–35 Ribonukleotide von der konservativen AAUAAAA-Sequenz entfernt ist, und dann erfolgt die Polyadenylierung dieses Endes des RNA-Moleküls. Der Poly(A)-Schwanz findet sich in fast alle mRNA-eukaryotischen Organismen, mit Ausnahme der Histon-Gentranskripte. Die AAUAAAA-Sequenz kommt nicht in allen eukaryotischen RNA-Transkripten vor. Dies liegt offenbar an Mutationen, die die Polyadenylierung verhindern. Ohne einen 3"-Schwanz werden RNA-Transkripte schnell abgebaut durch Enzyme.
Das. Die 5'-Kappe und der 3'-Schwanz sind äußerst wichtig für die weitere Verarbeitung und den Transport von mRNA in das Zytoplasma. Der Poly(A)-Schwanz bestimmt die Stabilität der mRNA und ihre Lebensdauer in der Zelle. Darüber hinaus fördert es die Freisetzung von mRNA aus dem Zellkern in das Zytoplasma und ist auch für die Regulation der Translation unerlässlich.
Spleißmechanismen: RNA-Autokatalyse (Klag,400)
Verschiedene Arten nuklearer RNA sowie mth- und hlp-RNAs verfügen über eigene Spleißmechanismen.
Abhängig von der Spezifität des Spleißmechanismus können Introns in mehrere Gruppen eingeteilt werden. Zur ersten Gruppe Dazu gehören Introns, die Teil des primären rRNA-Transkripts sind und für deren Entfernung keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Diese Introns selbst verfügen über die für ihre Exzision erforderliche enzymatische Aktivität. Diese Tatsache wurde erstmals 1982 (Tomas Cech et al.) beim Flagellenprotozoen Tetrachymena entdeckt. Aufgrund ihrer autokatalytischen Eigenschaften werden selbstspleißende RNAs manchmal als „selbstspleißende RNAs“ bezeichnet Ribozyme .
Der Prozess des Selbstschneidens (Autoexzision) (Abb. 145_Konichev)
(Abb. 12-12, Klag) sind zwei nukleophile Reaktionen oder Reaktionen Umesterung, bei dem Guanosin mit dem primären Itranskript interagiert und als Cofaktor fungiert. In diesem Fall wird die 3'-Hydroxylgruppe von Guanosin auf das Nukleotid neben dem 5'-Ende des Introns übertragen. In der zweiten Reaktion interagiert diese Hydroxylgruppe mit einer Phosphatgruppe am 3'-Ende des rechten Introns, wodurch das Intron herausgeschnitten wird und die Enden zweier benachbarter Exons verbunden werden, um reife mRNA zu bilden.
Das 26S-rRNA-Intron von Tetrachymen – IVS – besteht aus 413 Nukleotiden. Als Ergebnis der Reaktion Umesterung Die Ligation zweier Exons unter Bildung reifer 26S-rRNA erfolgt ohne zusätzlichen Energieaufwand. Das herausgeschnittene Intron wird dann zyklisiert. Ein Fragment mit 19 Nukleotiden wird durch zweistufige Autospaltung aus seiner Zusammensetzung freigesetzt, was zur Bildung einer 376 Nukleotide langen RNA (L-19 IVS) führt, bei der es sich um ein echtes RNA-Enzym handelt (Ribozym) mit katalytischen Eigenschaften. Dieses Ribozym hat eine stabile Struktur, verfügt über Endonukleaseaktivität, spaltet lange einzelsträngige RNAs und weist eine Spezifität auf, indem es CUCU-Tetranukleotide in der Zusammensetzung des angegriffenen Substrats erkennt. In der Struktur Introns vom Typ I Es wurden charakteristische interne Oligopurinsequenzen identifiziert (bei Tetrahymenen ist dies die GGAGGG-Sequenz), genannt Adaptersequenzen , die an der Bildung des aktiven Zentrums von RNA-Enzymen beteiligt sind und eine wichtige Rolle bei der katalytischen Spaltung von RNA spielen.
Eine solche Selbstexzision von Introns ist charakteristisch für Prä-rRNAs anderer Protozoen. Dieser Mechanismus funktioniert offenbar auch bei der Entfernung von Introns aus den primären mRNA- und tRNA-Transkripten in Mitochondrien und Chloroplasten, die im Zusammenhang stehen mit Gruppe II.
Introns schneiden zweite Gruppe Es sind auch zwei autokatalytische Reaktionen erforderlich, Guanosin ist jedoch nicht erforderlich.
Durch weitere Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass nicht nur große RNAs (~400 Nukleotide in Tetrachymenen und RNase P), sondern auch kurze 13-20-mer-Oligonukleotide, die in vitro synthetisiert werden können, katalytische Aktivität aufweisen. Diese Ribozyme werden genannt Miniwinter . Eines der detaillierten Modelle der Funktionsweise solcher Ribozyme heißt "Hammerkopf "(Abb. 146). Die Tertiärstruktur des „Hammerkopfes“ wird durch zweiwertige Metallionen stabilisiert, die die negativ geladenen Sauerstoffatome der Phosphodiesterbindungen neutralisieren und gleichzeitig die Phosphatgruppen durch kovalente Bindungen verbinden, was für die Bildung eines stabilen Übergangszustands (Enzym) unerlässlich ist -Substratkomplex). B. bei der Katalyse durch Enzyme proteinischer Natur, Ribozyme und das angegriffene Substrat
(natürliche oder synthetisch gewonnene RNA-Moleküle) bilden einen Enzym-Substrat-Komplex und dann einen Enzym-Produkt-Komplex (siehe Abb. 146).
Spleißmechanismen: Spleißosom. (mRNA-Verarbeitung in Eukaryoten)
In nuklearen Prä-mRNAs können Introns bis zu 20.000 Nukleotide lang sein. Daher erfordert ihre Entfernung einen komplexeren Mechanismus als das Selbstschneiden (Auto-Exzision). (Abb. 12-13). Die Nukleotidsequenzen an den Enden der Introns in diesen Molekülen sind ähnlich: Die 5'-Enden enthalten häufig ein Dinukleotid (GU) GU und am 3"-Ende - ein Dinukleotid (AG) AG. An diese Sequenzen binden Moleküle spezieller Proteine, die einen sogenannten Komplex bilden spleißend. Der Hauptbestandteil des Spleißosoms ist kleine nukleare Ribonukleoproteine oder snRNPs, die nur im Zellkern vorkommen und an Uridinresten angereichert sind. Daher werden kleine nRNAs oft als U1, U2 ... U6 bezeichnet.
[Konichev, S.292. Beim Prä-mRNA-Spleißen
In höheren Eukaryoten sind eine Reihe von Proteinen sowie eine spezielle Art von RNA beteiligt – die kleine Kern-RNA (snRNA). Kleine nukleare RNAs haben Sequenzen von 65 bis 1000 oder mehr Nukleotiden (10S-90S), sind reich an Uridylnukleotiden und werden daher auch als uRNAs (Ul, U2 usw.) bezeichnet. In Hefe wurden 25 verschiedene snRNAs identifiziert, in Wirbeltieren 15. Beim Krallenfrosch Xenopus laevis sind eine Reihe von snRNAs (U3, U8, U14 und U22) an der Verarbeitung ribosomaler RNA beteiligt, indem sie an die Grenzregionen binden von Spacer-Sequenzen (siehe Abb. 143). Kleine Kern-RNAs wurden nicht nur bei Wirbeltieren und Hefen, sondern auch bei Insekten und Archaebakterien gefunden. Sie sind wahrscheinlich eine sehr alte Gruppe von Molekülen. Nukleotidsequenz aller relevanten uRNAs
Eukaryoten stimmen zu über 90 % überein, was insbesondere für U1 von Menschen und Drosophila gilt. Der hohe Konservatismus der uRNA-Struktur weist darauf hin, dass es sich beim Spleißen um einen sehr alten Prozess handelt, der mit dem Autospleißen begann (siehe oben) und sich in das Spleißen unter Beteiligung spezifischer Ribonukleoproteinpartikel, snRNPs, verwandelte. snRNA-Gene werden von der RNA-Polymerase II transkribiert und haben unterschiedliche Lokalisierungen im Genom: Einige von ihnen sind diskrete unabhängige Gene,
Sie besitzen keine Introns, während sich die Gene anderer snRNAs innerhalb der Introns von Genen befinden, die für Proteine kodieren. Somit wird U13 in Xenopus durch drei einzigartige lokalisierte Sequenzen kodiert
in den Introns 5, 6 und 8 der Hitzeschockprotein-Gene, und das U16-Gen befindet sich im Intron des ribosomalen L1-Proteins. Letzterer Umstand ist wichtig, da er zeigt, dass die rRNA-Prozessierung und die mRNA-Prozessierung von Ribosomenproteinen unter Beteiligung von snRNA koordiniert werden können. Außerdem,
Es wird vermutet, dass snRNAs als RNA-Chaperone dienen können, indem sie an der Faltung der RNA beteiligt sind, d. h. hilft ihr, die notwendige Struktur im Raum zu akzeptieren. Kleine Kern-RNAs liegen im Zellkern in Komplexen mit Proteinen vor, die als kleine Ribonukleoproteinpartikel (snRNPs) bezeichnet werden. Ein stabiler Bestandteil von snRNPs ist das Fibrillarin-Protein, ein sehr strukturell konservatives Protein mit einem Molekulargewicht von 34 kDa, das in den Nukleolen lokalisiert ist. Der aus vielen snRNPs bestehende Komplex, der das Spleißen von nuklearen Pro-mRNAs katalysiert, wird als bezeichnet Spleißosomen .]
Es ist bekannt, dass snRNA vom Typ U 1 eine Nukleotidsequenz enthält, die zum 5"-Ende des Introns homolog ist. Durch die Paarung dieser Sequenzen entsteht ein Spleißom. Dann verbindet sich snRNA vom Typ U2, U4, U5 und U6 und das Spleißen beginnt. Wie bei Introns der ersten Gruppe finden zwei Umesterungsreaktionen statt. Z"- Die im Intron lokalisierte Hydroxylgruppe von Adenin (A) interagiert mit der 5'-Spleißstelle und schneidet den RNA-Strang. Dann bilden mehrere snRNPs einen Zwischenkomplex und die zweite Reaktion beginnt: Das freie 5'-Ende des Introns wird mit dem verbunden Adeninrest. Dadurch entsteht eine charakteristische schleifenartige Struktur vom Lasso-Typ, die ein entferntes Intron enthält. Anschließend werden die Exon-Enden ligiert und der snRNA-Komplex gibt das Transkript frei .
[ Konichev, S.294. Die Interaktion verschiedener snRNAs, aus denen das Spleißosom besteht, mit der gespleißten prä-mRNA an den 5'- und 3'-Stellen verleiht dem Intron eine schleifenartige Struktur. In diesem Fall nähern sich die Enden der Exons einander an, was durch die Bildung nichtkanonischer (außer Watson-Crick-Paare) Wasserstoffbrückenbindungen zwischen zwei Guaninen, die in den 5'- und 3'-Spleißstellen enthalten sind, erleichtert wird (siehe Abb. 148). Die Konvergenz der Exons schafft eine Voraussetzung für den Angriff des 3'-Endes des Introns durch das Adenylnukleotid, das sich in der Nähe des 3'-Endes befindet. Durch den Bruch der Phosphodiesterbindung zwischen Exon 1 und dem 5"-Ende des Introns interagiert dieses mit dem Adenylnukleotid und es kommt zur Bildung einer „Lasso“-Schleife im Intron (siehe Abb. 148_Konichev). Nachfolgend Dabei schneidet das frei gewordene 3"-OH-Ende von Exon 1 die 3"-Spleißstelle, spaltet das Intron und bildet durch die Verbindung mit Exon 2 schließlich ein reifes (gespleißtes) mRNA-Molekül ]
Bei der RNA-Verarbeitung (posttranskriptionelle RNA-Modifikationen) handelt es sich um eine Reihe von Prozessen in eukaryotischen Zellen, die zur Umwandlung des primären RNA-Transkripts in reife RNA führen.
Am bekanntesten ist die Verarbeitung von Messenger-RNAs, die während ihrer Synthese Modifikationen erfahren: Capping, Spleißen und Polyadenylierung. Ribosomale RNAs, Transfer-RNAs und kleine Kern-RNAs werden ebenfalls verändert (durch andere Mechanismen).
Spleißen (vom englischen splice – die Enden von etwas verbinden oder verkleben) ist der Vorgang, bei dem bestimmte Nukleotidsequenzen aus RNA-Molekülen herausgeschnitten und die Sequenzen verbunden werden, die während der RNA-Verarbeitung im „reifen“ Molekül verbleiben. Am häufigsten findet dieser Prozess während der Reifung der Boten-RNA (mRNA) in Eukaryoten statt, während durch biochemische Reaktionen, an denen RNA und Proteine beteiligt sind, Abschnitte, die nicht für Proteine kodieren (Introns), aus der mRNA entfernt werden und Abschnitte, die für die Aminosäuresequenz kodieren – Exons - miteinander verbunden sind. Dadurch wird unreife Prä-mRNA in reife mRNA umgewandelt, aus der Zellproteine abgelesen (übersetzt) werden. Die meisten proteinkodierenden Gene in Prokaryoten haben keine Introns, daher ist das Spleißen vor der mRNA bei ihnen selten. Eukaryoten, Bakterien und Archaeen verfügen auch über das Spleißen von Transfer-RNAs (tRNAs) und anderen nichtkodierenden RNAs.
Verarbeitung und Spleißen können voneinander entfernte Strukturen in einem Gen zusammenfassen und sind daher von großer evolutionärer Bedeutung. Solche Prozesse vereinfachen die Artbildung. Proteine haben eine Blockstruktur. Das Enzym ist beispielsweise DNA-Polymerase. Es handelt sich um eine kontinuierliche Polypeptidkette. Es besteht aus einer eigenen DNA-Polymerase und einer Endonuklease, die das DNA-Molekül vom Ende abspaltet. Das Enzym besteht aus zwei Domänen, die zwei unabhängige kompakte Partikel bilden, die durch eine Polypeptidbrücke verbunden sind. An der Grenze zwischen zwei Enzymgenen befindet sich ein Intron. Früher waren die Domänen getrennte Gene, und dann kamen sie sich näher.
Verletzungen einer solchen Genstruktur führen zu Generkrankungen. Eine Verletzung der Struktur des Introns ist phänotypisch nicht wahrnehmbar, eine Verletzung der Exon-Sequenz führt zu einer Mutation (Mutation von Globin-Genen).
Die Proteinbiosynthese ist ein komplexer mehrstufiger Prozess der Synthese einer Polypeptidkette aus Aminosäureresten, der auf den Ribosomen von Zellen lebender Organismen unter Beteiligung von mRNA- und tRNA-Molekülen abläuft. Die Proteinbiosynthese kann in die Phasen Transkription, Verarbeitung und Translation unterteilt werden. Bei der Transkription werden die in DNA-Molekülen verschlüsselten genetischen Informationen gelesen und diese Informationen in mRNA-Moleküle geschrieben. Während einer Reihe aufeinanderfolgender Verarbeitungsstufen werden einige Fragmente, die in nachfolgenden Stufen unnötig sind, aus der mRNA entfernt und Nukleotidsequenzen bearbeitet. Nachdem der Code vom Zellkern zu den Ribosomen transportiert wurde, erfolgt die eigentliche Synthese von Proteinmolekülen durch die Anbindung einzelner Aminosäurereste an die wachsende Polypeptidkette.
Die Rolle eines Vermittlers, dessen Funktion darin besteht, die in der DNA gespeicherten Erbinformationen in eine funktionierende Form zu übersetzen, spielen Ribonukleinsäuren – RNA.
Ribonukleinsäuren werden durch eine Polynukleotidkette dargestellt, die aus vier Arten von Nukleotiden besteht, die Zucker, Ribose, Phosphat und eine der vier stickstoffhaltigen Basen – Adenin, Guanin, Uracil oder Cytosin – enthalten
Matrix oder Information, RNA (mRNA oder mRNA). Transkription. Um Proteine mit den gewünschten Eigenschaften zu synthetisieren, erhält man an der Stelle, an der sie entstehen, eine „Anweisung“ über die Reihenfolge, in der die Aminosäuren in die Peptidkette eingefügt werden. Diese Anweisung ist in der Nukleotidsequenz der Matrix oder Informations-RNA (mRNA, mRNA) enthalten, die in den entsprechenden DNA-Regionen synthetisiert wird. Der Prozess der mRNA-Synthese wird Transkription genannt.
Während sich die RNA-Polymerase im Syntheseprozess entlang des DNA-Moleküls bewegt, werden die einzelsträngigen DNA-Abschnitte, die sie durchlaufen hat, wieder zu einer Doppelhelix kombiniert. Die bei der Transkription gebildete mRNA enthält eine exakte Kopie der im entsprechenden DNA-Abschnitt aufgezeichneten Informationen. Drei benachbarte mRNA-Nukleotide, die für Aminosäuren kodieren, werden Codons genannt. Die mRNA-Codonsequenz kodiert für die Abfolge der Aminosäuren in der Peptidkette. Die mRNA-Codons entsprechen bestimmten Aminosäuren (Tabelle 1).
Transfer-RNA (tRNA). Übertragen. Transfer-RNA (tRNA) spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Erbinformationen durch die Zelle. tRNA liefert die notwendigen Aminosäuren an die Montagestelle der Peptidketten und fungiert als Translationsmediator.
Es besteht aus vier Hauptteilen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Der Akzeptor-„Stiel“ besteht aus zwei komplementär verbundenen Endteilen der tRNA. Es besteht aus sieben Basenpaaren. Der mittlere dieser Zweige – das Anticodon – besteht aus fünf Nukleotidpaaren und enthält in der Mitte seiner Schleife ein Anticodon. Das Anticodon besteht aus drei Nukleotiden, die zum mRNA-Codon komplementär sind, das die transportierte Aminosäure kodiert diese tRNA zum Ort der Peptidsynthese.
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 die Änderung der Anzahl der Nukleotide in der zusätzlichen Schleife zurückzuführen. Komplementäre Regionen, die die tRNA-Struktur unterstützen, bleiben normalerweise konserviert. Die durch die Nukleotidsequenz bestimmte Primärstruktur der tRNA bildet die Sekundärstruktur der tRNA, die die Form eines Kleeblatts hat. Die Sekundärstruktur wiederum bestimmt die dreidimensionale Tertiärstruktur, die durch die Bildung zweier senkrecht zueinander stehender Doppelhelixen gekennzeichnet ist (Abb. 27). Einer davon wird durch die Akzeptor- und TψC-Zweige gebildet, der andere durch die Anticodon- und D-Zweige.
Am Ende einer der Doppelhelixen befindet sich die transportierte Aminosäure, am Ende der anderen das Anticodon. Diese Gebiete liegen am weitesten 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 tRNAs haben eine ähnliche Tertiärstruktur, allerdings mit einigen Variationen.
Eines der Merkmale der tRNA ist das Vorhandensein ungewöhnlicher Basen, die durch chemische Modifikation nach dem Einbau einer normalen Base in die Polynukleotidkette entstehen. Diese veränderten Basen bestimmen die große strukturelle Vielfalt von tRNAs im Gesamtplan ihrer Struktur.
14. Ribosomaler Zyklus der Proteinsynthese (Initiierung, Verlängerung, Beendigung). Posttranslationale Transformationen von Proteinen.
Ribosomaler Zyklus der Proteinsynthese. Der Interaktionsprozess zwischen mRNA und tRNA, der die Übersetzung von Informationen aus der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren gewährleistet, findet an Ribosomen statt. Bei letzteren handelt es sich um komplexe Komplexe aus rRNA und verschiedenen Proteinen, in denen erstere ein Gerüst bilden. Ribosomale RNAs sind nicht nur ein struktureller Bestandteil von Ribosomen, sondern sorgen auch für deren Bindung an eine bestimmte mRNA-Nukleotidsequenz. Dadurch wird der Start- und Leserahmen für die Bildung der Peptidkette festgelegt. Darüber hinaus sorgen sie für die Interaktion zwischen Ribosom und tRNA. Zahlreiche Proteine, aus denen Ribosomen bestehen, erfüllen neben rRNA sowohl strukturelle als auch enzymatische Rollen.
Die Ribosomen von Pro- und Eukaryoten sind in Struktur und Funktion sehr ähnlich. Sie bestehen aus zwei Unterteilchen: groß und klein. Bei Eukaryoten besteht die kleine Untereinheit aus einem rRNA-Molekül und 33 verschiedenen Proteinmolekülen. Die große Untereinheit vereint drei rRNA-Moleküle und etwa 40 Proteine. Prokaryontische Ribosomen sowie mitochondriale und plastidäre Ribosomen enthalten weniger Komponenten.
Ribosomen haben zwei Furchen. Einer von ihnen enthält die wachsende Polypeptidkette, der andere - mRNA. Darüber hinaus werden in Ribosomen zwei tRNA-Bindungsstellen isoliert. Aminoacyl-tRNA befindet sich in der Aminoacyl-A-Stelle und trägt eine bestimmte Aminosäure. Im Peptidyl-P-Abschnitt befindet sich üblicherweise tRNA, die mit einer Kette von Aminosäuren beladen ist, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Die Bildung von A- und P-Stellen erfolgt durch beide Untereinheiten des Ribosoms.
Zu jedem Zeitpunkt schützt das Ribosom einen mRNA-Abschnitt mit einer Länge von etwa 30 Nukleotiden. Dadurch wird die Interaktion von nur zwei tRNAs mit zwei benachbarten mRNA-Codons gewährleistet (Abb. 3.31).
Die Übersetzung von Informationen in die „Sprache“ der Aminosäuren drückt sich im schrittweisen Aufbau der Peptidkette gemäß den in der mRNA enthaltenen Anweisungen aus. Dieser Prozess findet an Ribosomen statt, die die Sequenz zur Entschlüsselung von Informationen mithilfe der tRNA bereitstellen. Bei der Translation können drei Phasen unterschieden werden: Initiierung, Verlängerung und Beendigung der Peptidkettensynthese.
Die Initiationsphase bzw. der Beginn der Peptidsynthese besteht darin, zwei zuvor im Zytoplasma getrennte Ribosomen-Subpartikel an einer bestimmten mRNA-Stelle zu vereinen und daran die erste Aminoacyl-tRNA zu binden. Dadurch wird auch der Rahmen für das Lesen der in der mRNA enthaltenen Informationen festgelegt (Abb. 3.32).
Im Molekül jeder mRNA befindet sich in der Nähe ihres 5"-Endes eine Stelle, die zur rRNA der kleinen Untereinheit des Ribosoms komplementär ist und von dieser spezifisch erkannt wird. Daneben befindet sich das initiierende Startcodon AUT, das das Amino kodiert saures Methionin. Die kleine Untereinheit des Ribosoms verbindet sich so mit der mRNA, dass sich das Startcodon AUT in der Region befindet, die der P-Stelle entspricht. Gleichzeitig ist nur die initiierende tRNA, die Methionin trägt, in der Lage, a aufzunehmen Platzieren Sie es im unvollendeten P-Abschnitt der kleinen Untereinheit und verbinden Sie es komplementär mit dem Startcodon. Nach dem beschriebenen Ereignis verbinden sich die große und die kleine Untereinheit des Ribosoms, um seine Peptidyl- und Aminoacyl-Plots zu bilden (Abb. 3.32).
Am Ende der Initiationsphase ist die P-Stelle mit Methionin-assoziierter Aminoacyl-tRNA besetzt, während sich die A-Stelle des Ribosoms neben dem Startcodon befindet.
Die beschriebenen Prozesse der Translationsinitiierung werden durch spezielle Proteine – Initiationsfaktoren – katalysiert, die beweglich mit einer kleinen Untereinheit des Ribosoms verbunden sind. Nach Abschluss der Initiationsphase und der Bildung des Ribosom-mRNA-initiierenden Aminoacyl-tRNA-Komplexes werden diese Faktoren vom Ribosom getrennt.
Die Elongationsphase bzw. Peptidelongation umfasst alle Reaktionen von der Bildung der ersten Peptidbindung bis zur Anbindung der letzten Aminosäure. Es handelt sich um ein zyklisch wiederkehrendes Ereignis, bei dem es zu einer spezifischen Erkennung der nächsten Codon-Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle kommt, einer komplementären Wechselwirkung zwischen Anticodon und Codon.
Aufgrund der Besonderheiten der dreidimensionalen Organisation der tRNA. (siehe Abschnitt 3.4.3.1), wenn sein Anticodon mit einem mRNA-Codon verbunden ist. Die von ihm transportierte Aminosäure befindet sich an der A-Stelle, in der Nähe der zuvor eingeschlossenen Aminosäure an der P-Stelle. Zwischen zwei Aminosäuren wird eine Peptidbindung gebildet, katalysiert durch spezielle Proteine, aus denen das Ribosom besteht. Dadurch verliert die bisherige Aminosäure ihre Verbindung zu ihrer tRNA und verbindet sich mit der an der A-Stelle befindlichen Aminoacyl-tRNA. Die zu diesem Zeitpunkt in der P-Stelle befindliche tRNA wird freigesetzt und gelangt in das Zytoplasma (Abb. 3.33).
Die Bewegung der mit einer Peptidkette beladenen tRNA von der A-Stelle zur P-Stelle geht mit dem Vorrücken des Ribosoms entlang der mRNA um einen Schritt einher, der einem Codon entspricht. Nun kommt das nächste Codon mit der A-Stelle in Kontakt, wo es spezifisch von der entsprechenden Aminoacyl-tRNA „erkannt“ wird, die dort ihre Aminosäure platziert. Diese Abfolge von Ereignissen wird wiederholt, bis die A-Stelle des Ribosoms ein Terminierungscodon erhält, für das keine entsprechende tRNA existiert.
Der Aufbau der Peptidkette erfolgt je nach Temperatur mit relativ hoher Geschwindigkeit. Bei Bakterien wird sie bei 37 °C als Addition von 12 bis 17 Aminosäuren pro 1 s an das Subdipeptid ausgedrückt. In eukaryotischen Zellen ist diese Rate geringer und wird als Addition von zwei Aminosäuren in 1 s ausgedrückt.
Die Terminationsphase oder der Abschluss der Polypeptidsynthese ist mit der Erkennung eines der Terminationscodons (UAA, UAG oder UGA) durch ein spezifisches ribosomales Protein verbunden, wenn es in die A-Stellenzone des Ribosoms eintritt. In diesem Fall wird Wasser an die letzte Aminosäure der Peptidkette gebunden und ihr Carboxylende von der tRNA getrennt. Dadurch verliert die fertige Peptidkette ihre Verbindung zum Ribosom, das in zwei Teilpartikel zerfällt (Abb. 3.34).
Posttranslationale Transformationen von Proteinen. Die bei der Translation synthetisierten Peptidketten erhalten aufgrund ihrer Primärstruktur eine sekundäre, tertiäre und vielquartäre Organisation, die aus mehreren Peptidketten besteht. Abhängig von den Funktionen, die Proteine ausführen, können ihre Aminosäuresequenzen verschiedene Transformationen durchlaufen und funktionell aktive Proteinmoleküle bilden.
Viele Membranproteine werden als Präproteine synthetisiert, die am N-Terminus eine Leitsequenz aufweisen, die ihm die Membranerkennung ermöglicht. Diese Sequenz wird bei der Reifung und dem Einbau des Proteins in die Membran abgespalten. Sekretorische Proteine verfügen außerdem über eine Leitsequenz am N-Terminus, die ihren Transport durch die Membran gewährleistet.
Einige Proteine tragen unmittelbar nach der Translation zusätzliche Aminosäure-Prosequenzen, die die Stabilität aktiver Proteinvorläufer bestimmen. Während der Proteinreifung werden sie entfernt, wodurch der Übergang vom inaktiven Proprotein zum aktiven Protein ermöglicht wird. Beispielsweise wird Insulin zunächst als Präproinsulin synthetisiert. Bei der Sekretion wird die Vorsequenz abgespalten, anschließend erfährt Proinsulin eine Modifikation, bei der ihm ein Teil der Kette entzogen wird und es in reifes Insulin umgewandelt wird.
I – RNA-Polymerase bindet an DNA und beginnt mit der Synthese von mRNA in Richtung 5 „→ 3“;
II – Während die RNA-Polymerase voranschreitet, werden Ribosomen an das 5'-Ende der mRNA gebunden, wodurch die Proteinsynthese gestartet wird.
III – eine Gruppe von Ribosomen folgt der RNA-Polymerase, ihr Abbau beginnt am 5'-Ende der mRNA;
IV – der Abbauprozess ist langsamer als Transkription und Übersetzung;
V – Nach dem Ende der Transkription wird die mRNA von der DNA freigesetzt, die Translation und der Abbau am 5-Zoll-Ende werden darauf fortgesetzt
Durch die Bildung einer tertiären und quartären Organisation im Zuge posttranslationaler Transformationen erwerben Proteine die Fähigkeit, aktiv zu funktionieren, in bestimmte Zellstrukturen eingebunden zu werden und enzymatische und andere Funktionen auszuführen.
Die betrachteten Merkmale der Umsetzung genetischer Informationen in pro- und eukaryontischen Zellen offenbaren die grundsätzliche Ähnlichkeit dieser Prozesse. Folglich entwickelte sich der Mechanismus der Genexpression, der mit der Transkription und anschließenden Übersetzung von Informationen verbunden ist, die mit Hilfe eines biologischen Codes verschlüsselt werden, bereits vor der Entstehung dieser beiden Arten der Zellorganisation als Ganzes. Die unterschiedliche Entwicklung der Genome von Pro- und Eukaryoten führte zu Unterschieden in der Organisation ihres Erbmaterials, die sich nur auf die Mechanismen seiner Expression auswirken konnten.
Die ständige Verbesserung unseres Wissens über die Organisation und Funktionsweise des Vererbungs- und Variabilitätsmaterials bestimmt die Entwicklung der Vorstellungen über das Gen als funktionelle Einheit dieses Materials.
Die Beziehung zwischen einem Gen und einem Merkmal. Beispiel. Die Hypothese „ein Gen – ein Enzym“, ihre moderne Interpretation.
Die Entdeckungen der Exon-Intron-Organisation eukaryotischer Gene und die Möglichkeit des alternativen Spleißens haben gezeigt, dass dieselbe Nukleotidsequenz des Primärtranskripts die Synthese mehrerer Polypeptidketten mit unterschiedlichen Funktionen oder ihrer modifizierten Analoga ermöglichen kann. Beispielsweise enthalten Hefe-Mitochondrien das Box-Gen (oder Cob-Gen), das für das Atmungsenzym Cytochrom B kodiert. Es kann in zwei Formen vorliegen (Abb. 3.42). Das „lange“ Gen, bestehend aus 6400 bp, hat 6 Exons mit einer Gesamtlänge von 1155 bp. und 5 Introns. Die Kurzform des Gens besteht aus 3300 bp. und hat 2 Introns. Es handelt sich tatsächlich um ein „langes“ Gen ohne die ersten drei Introns. Beide Formen des Gens werden gleich gut exprimiert.
Nach der Entfernung des ersten Introns des „langen“ Box-Gens wird basierend auf der kombinierten Nukleotidsequenz der ersten beiden Exons und einem Teil der Nukleotide des zweiten Introns eine Matrize für ein unabhängiges Protein, die RNA-Maturase, gebildet (Abb . 3.43). Die Funktion der RNA-Maturase besteht darin, die nächste Stufe des Spleißens bereitzustellen – die Entfernung des zweiten Introns aus dem Primärtranskript und letztendlich die Bildung einer Matrize für Cytochrom b.
Ein weiteres Beispiel ist eine Änderung des Spleißmusters des Primärtranskripts, das die Struktur von Antikörpermolekülen in Lymphozyten kodiert. Die Membranform von Antikörpern weist am C-Terminus einen langen „Schwanz“ aus Aminosäuren auf, der für die Fixierung des Proteins auf der Membran sorgt. Die sekretierte Form von Antikörpern hat keinen solchen Schwanz, was durch die Entfernung von Nukleotiden, die diese Region kodieren, aus dem Primärtranskript beim Spleißen erklärt wird.
Bei Viren und Bakterien wurde eine Situation beschrieben, in der ein Gen gleichzeitig Teil eines anderen Gens sein kann oder eine DNA-Nukleotidsequenz Teil zweier verschiedener überlappender Gene sein kann. Auf der physikalischen Karte des Genoms des Phagen FX174 (Abb. 3.44) ist beispielsweise zu erkennen, dass sich die B-Gensequenz innerhalb des A-Gens befindet und das E-Gen Teil der D-Gensequenz ist. Dieses Merkmal der Die Organisation des Phagengenoms konnte die bestehende Diskrepanz zwischen seiner relativ geringen Größe (es besteht aus 5386 Nukleotiden) und der Anzahl der Aminosäurereste in allen synthetisierten Proteinen erklären, die die theoretisch zulässige Kapazität für ein bestimmtes Genom übersteigt. Die Möglichkeit, verschiedene Peptidketten auf mRNA zusammenzusetzen, die aus überlappenden Genen (A und B oder E und D) synthetisiert wurde, wird durch das Vorhandensein ribosomaler Bindungsstellen innerhalb dieser mRNA gewährleistet. Dadurch kann die Übersetzung eines anderen Peptids von einem neuen Referenzpunkt aus beginnen.
Die Nukleotidsequenz des B-Gens ist auch Teil des A-Gens und das E-Gen ist Teil des D-Gens.
Im Genom des λ-Phagen wurden auch überlappende Gene gefunden, die sowohl mit einer Leserahmenverschiebung als auch im gleichen Leserahmen translatiert wurden. Es wird auch angenommen, dass zwei verschiedene mRNAs von beiden komplementären Strängen derselben DNA-Region transkribiert werden können. Dies erfordert das Vorhandensein von Promotorregionen, die die Bewegung der RNA-Polymerase in verschiedene Richtungen entlang des DNA-Moleküls bestimmen.
Die beschriebenen Situationen, die die Zulässigkeit des Ablesens unterschiedlicher Informationen aus derselben DNA-Sequenz belegen, legen nahe, dass überlappende Gene ein ziemlich häufiges Element in der Organisation des Genoms von Viren und möglicherweise Prokaryoten sind. Bei Eukaryoten ermöglicht die Gendiskontinuität auch die Synthese verschiedener Peptide basierend auf derselben DNA-Sequenz.
Vor diesem Hintergrund ist es notwendig, die Definition eines Gens zu ändern. Offensichtlich kann man ein Gen nicht mehr als eine kontinuierliche DNA-Sequenz bezeichnen, die eindeutig ein bestimmtes Protein kodiert. Anscheinend sollte die Formel „Ein Gen – ein Polypeptid“ derzeit noch als die akzeptabelste angesehen werden, obwohl einige Autoren eine Änderung vorschlagen: „Ein Polypeptid – ein Gen“. In jedem Fall ist unter dem Begriff Gen eine funktionelle Einheit des Erbmaterials zu verstehen, die aufgrund ihrer chemischen Natur ein Polynukleotid ist und die Möglichkeit der Synthese einer Polypeptidkette, tRNA oder rRNA, bestimmt.
Ein Gen, ein Enzym.
Im Jahr 1940 verwendeten J. Beadle und Edward Tatum einen neuen Ansatz, um zu untersuchen, wie Gene den Stoffwechsel in einem bequemeren Forschungsobjekt ermöglichen – dem mikroskopisch kleinen Pilz Neurospora crassa. Sie erhielten Mutationen, bei denen; Es gab keine Aktivität des einen oder anderen Stoffwechselenzyms. Und dies führte dazu, dass der mutierte Pilz einen bestimmten Metaboliten (zum Beispiel die Aminosäure Leucin) nicht selbst synthetisieren konnte und nur leben konnte, wenn dem Nährmedium Leucin zugesetzt wurde. Die von J. Beadle und E. Tatum formulierte Theorie „Ein Gen – ein Enzym“ erlangte unter Genetikern schnell große Anerkennung und sie selbst wurden mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Methoden. Die Auswahl sogenannter „biochemischer Mutationen“, die zu einer Störung der Wirkung von Enzymen führen, die verschiedene Stoffwechselwege bereitstellen, erwies sich nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Praxis als sehr fruchtbar. Sie führten zunächst zur Entstehung der Genetik und der Selektion industrieller Mikroorganismen und dann zur mikrobiologischen Industrie, die Mikroorganismenstämme verwendet, die strategisch wichtige Substanzen wie Antibiotika, Vitamine, Aminosäuren usw. überproduzieren. Die Prinzipien der Selektion und Gentechnik von Stämmen von Überproduzenten basieren auf der Vorstellung, dass „ein Gen für ein Enzym kodiert“. Und obwohl diese Idee eine hervorragende Praxis ist, die Gewinne in Millionenhöhe bringt und Millionen von Leben rettet (Antibiotika), ist sie nicht endgültig. Ein Gen ist nicht nur ein Enzym.
