RNA-polymeraasi - määritelmä, toiminta ja tyypit | Biologian sanakirja (2023)

RNA-polymeraasin määritelmä

RNA-polymeraasi (RNAP) tai ribonukleiinihappopolymeraasi on monialayksikköentsyymi, joka katalysoi transkriptioprosessia, jossa RNA-polymeeri syntetisoidaan DNA-templaatista. RNA-polymeerin sekvenssi on komplementaarinen templaatti-DNA:n sekvenssin kanssa ja syntetisoituu 5'→3'-orientaatiossa. Tätä RNA-juostetta kutsutaan ensisijaiseksi transkriptiksi, ja se on käsiteltävä ennen kuin se voi toimia solun sisällä.

RNA-polymeraasit ovat vuorovaikutuksessa monien proteiinien kanssa suorittaakseen tehtävänsä. Nämä proteiinit auttavat tehostamaan entsyymin sitoutumisspesifisyyttä, auttavat purkamaan DNA:n kaksoiskierteistä rakennetta, moduloivat entsyymin aktiivisuutta solun vaatimusten perusteella ja muuttavat transkription nopeutta. Jotkut RNAP-molekyylit voivat katalysoida yli neljän tuhannen emäksen pituisen polymeerin muodostumista joka minuutti. Niillä on kuitenkin dynaaminen nopeusalue, ja ne voivat toisinaan pysähtyä tai jopa pysähtyä tiettyjen sekvenssien kohdalla säilyttääkseen tarkkuuden transkription aikana.

RNA-polymeraasin toiminnot

Perinteisesti molekyylibiologian keskeinen dogma on tarkastellut RNA:ta lähettimolekyylinä, joka vie DNA:han koodatun tiedon ulos ytimestä proteiinisynteesin ohjaamiseksi sytoplasmassa: DNA → RNA → Proteiini. Muut hyvin tunnetut RNA:t ovat siirto-RNA (tRNA) ja ribosomaalinen RNA (rRNA), jotka ovat myös kiinteästi yhteydessä proteiinisynteesikoneistoon. Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana on kuitenkin käynyt yhä selvemmäksi, että RNA palvelee monia toimintoja, joista proteiinien koodaus on vain yksi osa. Jotkut säätelevät geenien ilmentymistä, toiset toimivat entsyymeinä, jotkut ovat jopa ratkaisevia sukusolujen muodostumisessa. Näitä kutsutaan ei-koodaaviksi tai ncRNA:iksi.

Koska RNAP osallistuu molekyylien tuotantoon, joilla on niin laaja valikoima rooleja, yksi sen päätehtävistä on säädellä solun vaatimusten mukaisesti muodostuvien RNA-transkriptien määrää ja laatua. Useat erilaiset proteiinit, transkriptiotekijät ja signaalimolekyylit ovat vuorovaikutuksessa entsyymin, erityisesti yhden alayksikön karboksiterminaalisen pään, kanssa sen aktiivisuuden säätelemiseksi. Uskotaan, että tämä säätely oli ratkaisevan tärkeä eukaryoottisten kasvien ja eläinten kehitykselle, jossa geneettisesti identtiset solut osoittavat erilaista geeniekspressiota ja erikoistumista monisoluisiin organismeihin.

Lisäksi näiden RNA-molekyylien optimaalinen toiminta riippuu transkription tarkkuudesta – DNA-templaattijuosteen sekvenssin on oltava tarkasti edustettuna RNA:ssa. Jopa yksi perusmuutos joillakin alueilla voi johtaa täysin toimimattomaan tuotteeseen. Siksi, vaikka entsyymin on toimittava nopeasti ja saatettava polymerointireaktio päätökseen lyhyessä ajassa, se tarvitsee vankkoja mekanismeja varmistaakseen erittäin alhaiset virhesuhteet. Nukleotidisubstraatti seulotaan useissa vaiheissa komplementaarisuuden suhteen templaatti-DNA-juosteen kanssa. Kun oikea nukleotidi on läsnä, se luo ympäristön, joka edistää katalyysiä ja RNA-juosteen pidentymistä. Lisäksi oikolukuvaihe mahdollistaa virheellisten kantojen leikkaamisen.

Lopuksi RNA-polymeraasit osallistuvat myös RNA:iden transkription jälkeiseen modifioimiseen, jotta ne saadaan toimiviksi, mikä helpottaa niiden vientiä ytimestä kohti niiden lopullista vaikutuskohtaa.

RNA-polymeraasityypit

Prokaryooteissa, eukaryooteissa, arkeoissa ja jopa joissakin viruksissa löydetyt RNA-polymeraasit ovat huomattavan samankaltaisia. Tämä viittaa mahdollisuuteen, että ne ovat kehittyneet yhteisestä esi-isästä. Prokaryoottinen RNAP koostuu neljästä alayksiköstä, mukaan lukien sigma-tekijä, joka dissosioituu entsyymikompleksista transkription aloituksen jälkeen. Vaikka prokaryootit käyttävät samaa RNAP:tä katalysoimaan koodaavan ja ei-koodaavan RNA:n polymeroitumista, eukaryooteilla on viisi erillistä RNA-polymeraasia.

Eukaryoottinen RNAP I on työhevonen, joka tuottaa lähes viisikymmentä prosenttia solussa transkriptoidusta RNA:sta. Se polymeroi yksinomaan ribosomaalista RNA:ta, joka muodostaa suuren osan ribosomeista, proteiineja syntetisoivista molekyylikoneista. RNA-polymeraasi II:ta tutkitaan laajasti, koska se osallistuu mRNA-prekursorien transkriptioon. Se katalysoi myös pienten ydin-RNA:iden ja mikro-RNA:iden muodostumista. RNAP III transkriptoi siirto-RNA:ta, osan ribosomaalista RNA:ta ja muutamia muita pieniä RNA:ita ja on tärkeä, koska monet sen kohteista ovat välttämättömiä solun normaalille toiminnalle. RNA-polymeraaseja IV ja V löytyy yksinomaan kasveista, ja ne yhdessä ovat ratkaisevia pienen häiritsevän RNA:n ja heterokromatiinin muodostumiselle ytimessä.

Transkription prosessi

Transkriptio alkaa RNAP-entsyymin sitoutumisesta DNA:n tiettyyn osaan, joka tunnetaan myös promoottorialueena. Tämä sitoutuminen edellyttää muutamien muiden proteiinien läsnäoloa – sigmatekijän prokaryooteissa ja erilaisia ​​transkriptiotekijöitä eukaryooteissa. Yksi joukko proteiineja, joita kutsutaan yleisiksi transkriptiotekijöiksi, ovat välttämättömiä kaikille eukaryoottien transkriptioaktiivisuuksille ja sisältävät transkription aloitustekijän II A, II B, II D, II E, II F ja II H. Näitä täydennetään spesifisillä signalointimolekyyleillä, jotka moduloivat geenin ilmentymistä koodaamattoman DNA:n osuudet sijaitsevat ylävirtaan. Usein aloitus keskeytetään useita kertoja ennen kuin kymmenen nukleotidin jakso polymeroituu. Tämän jälkeen polymeraasi siirtyy promoottorin ulkopuolelle ja menettää suurimman osan aloitustekijöistä.

Tätä seuraa kaksijuosteisen DNA:n purkautuminen, joka tunnetaan myös nimellä "sulaminen", jolloin muodostuu eräänlainen kupla, jossa tapahtuu aktiivista transkriptiota. Tämä "kupla" näyttää liikkuvan pitkin DNA-juostetta RNA-polymeerin pidentyessä. Kun transkriptio on valmis, prosessi lopetetaan ja RNA-juoste käsitellään. Prokaryoottinen RNAP ja eukaryoottinen RNA-polymeraasit I ja II vaativat lisää transkription lopetusproteiineja. RNAP III lopettaa transkription, kun DNA:n ei-templaattijuosteessa on tymiiniemästen jakso.

DNA- ja RNA-polymeraasin vertailu

Vaikka DNA- ja RNA-polymeraasit molemmat katalysoivat nukleotidipolymerointireaktioita, niiden aktiivisuudessa on kaksi suurta eroa. Toisin kuin DNA-polymeraasit, RNAP-entsyymit eivät tarvitse aluketta polymerointireaktion aloittamiseksi. Ne pystyvät myös aloittamaan reaktion DNA-juosteen keskeltä ja lukemaan "STOP"-signaaleja, jotka saavat entsyymikompleksin irtautumaan templaatista. Lopuksi, vaikka RNA-polymeraasit ovat hieman hitaampia kuin vastineet, niillä on se etu, että niiden tarvitsee tehdä vain komplementaarinen kopio yhdestä DNA-juosteesta.

• 3′ -> 5′ suunta– Yksittäisen nukleiinihappojuosteen suuntaavuus, joka johtuu hiiliatomien numeroinnista nukleotidisokerirenkaassa. Nukleiinihapon toisessa päässä on vapaa hydroksyyliryhmä kolmannessa hiilessä ja toisessa päässä on vapaa fosfaattiryhmä kiinnittyneenä viidenteen hiileen.
• Heterokromatiini– Kromosomin segmentit, jotka ovat transkriptionaalisesti hiljaisia ​​ja näyttävät olevan tiheämpiä kuin aktiivisesti transkriptoivat alueet.
• siRNA– Pienet häiritsevät RNA:t ovat lyhyitä kaksijuosteisia RNA-molekyylejä, jotka osallistuvat geenisäätelyyn RNA-interferenssin kautta.
• Karboksipääte– Proteiinin tai polypeptidin toinen pää, joka sisältää vapaan karboksyyliryhmän kiinnittyneenä aminohapon alfa-hiiliatomiin. Polypeptidin toista päätä kutsutaan N-pääksi tai aminopääksi.

Tietokilpailu

1. Mikä näistä RNA-polymeraaseista katalysoi lähetti-RNA:n (mRNA) muodostumista?
A.RNAP I
B.RNAP II
C.RNAP III
D.RNAP V

2. Mitä näistä RNA-polymeraaseista löytyy vain kasveista?
A.RNAP I ja II
B.RNAP I ja III
C.RNAP IV ja V
D.Ei mikään ylläolevista

3. Mikä näistä on läsnä prokaryoottisen transkription aloituksen aikana?
A.Sigma-tekijä
B.Transkriptiotekijä II A
C.Transkriptiotekijä II B
D.Transkriptiotekijä II D