ІРНК розшифровка. РНК - опис, функції та історія відкриття

Для підтримки життя живому організмі відбувається безліч процесів. Деякі з них ми можемо спостерігати - дихання, прийом їжі, позбавлення продуктів життєдіяльності, отримання інформації органами почуттів і забування цієї інформації. Але більшість хімічних процесів прихована від очей.

Довідка. Класифікація

По-науковому, обмін речовин – це метаболізм.

Метаболізм зазвичай ділять на дві стадії:
в ході катаболізму складні органічні молекули розпадаються більш прості, з отриманням енергії; (Енергія витрачається)
у процесах анаболізму витрачається енергія на синтез із простих молекул складних біомолекул. (Енергія запасається)

Біомолекули, як видно вище, поділяються на малі молекули та великі.

Малі:
Ліпіди (жири), фосфоліпіди, гліколіпіди, стероли, гліцероліпіди,
Вітаміни
Гормони, нейромедіатори
Метаболіти
Великі:
Мономери, олігомери та полімери.

Мономери Олігомери Біополімери

Амінокислоти Олігопептиди Поліпептиди, білки
Моносахариди Олігосахариди Полісахариди (крохмаль, целюлоза)
Нуклеотиди Олігонуклеотиди Полінуклеотиди, (ДНК, РНК)

У стовпчику біополімери знаходяться полінуклеотиди. Саме тут знаходиться рибонуклеїнова кислота – об'єкт статті.

Рибонуклеїнові кислоти. Будова, призначення.

На малюнку показано молекулу РНК.
Нуклеїнові кислоти ДНК і РНК присутні в клітинах всіх живих організмів і виконують функції зберігання, передачі та реалізації спадкової інформації.

Подібність та відмінність РНК та ДНК

Як видно, є зовнішня схожість із відомою структурою молекули ДНК (дезоксирибонуклеїновою кислотою).
Однак, РНК може мати як дволанцюгову структуру, так і одноланцюжкову.
Нуклеотиди (п'яти- та шестикутники на малюнку)
Крім того, нитка РНК складається з чотирьох нуклеотидів (або азотистих основ, що те саме): аденін, урацил, гуанін і цитозин.
Нитка ДНК складається з іншого набору нуклеотидів: аденін, гуанін, тимін і цитозин.
Хімічна будова полінуклеотиду РНК:

Як бачимо, є характерні нуклеотиди урацил (для РНК) та тимін (для ДНК).
Усі 5 нуклеотидів на малюнку:


Шестикутники на малюнках - це бензольні кільця, в які замість вуглецю вбудовуються інші елементи, в даному випадку це азот.

Бензол. Для довідки.

Хімічна формула бензолу – C6H6. Тобто. у кожному вугіллі шестикутника знаходиться атом вуглецю. 3 додаткові внутрішні лінії шестикутник вказують на наявність подвійних ковалентних зв'язків між цими атомами вуглецю. Вуглець - елемент 4 групи періодичної таблиці Менделєєва, отже, у нього 4 електрони можуть утворити ковалентний зв'язок. На малюнку - один зв'язок - з електроном водню, другий - з електроном вуглецю ліворуч і ще 2 - з 2 електронами вуглецю праворуч. Втім, фізично існує єдина електронна хмара, що охоплює всі 6 атомів вуглецю бензолу.

З'єднання азотистих основ

Комплементарні нуклеотиди один з одним зчіплюються (гібридизуються) за допомогою водневих зв'язків. Аденін комплементарний урацилу, а гуанін – цитозину. Чим довше на цій РНК комплементарні ділянки, тим міцніше буде утворена ними структура; навпаки, короткі ділянки будуть нестабільними. Це визначає функцію конкретної РНК.
На малюнку фрагмент комплементарної ділянки РНК. Азотисті основи зафарбовані синім кольором

Структура РНК

Зчеплення багатьох груп нуклеотидів утворюють РНК-шпильки (первинна структура):


Безліч шпильок у стрічці зчіплюються у подвійну спіраль. У розгорнутому вигляді така структура нагадує дерево (вторинна структура):


Спіралі як і взаємодіють друг з одним (третинна структура). Видно, як різні спіралі з'єднані один з одним:


Інші РНК згортаються аналогічно. Нагадує набір стрічок (четвертинна структура).

Висновок

Для обчислення конформацій, які ухвалять РНК, за їх первинною послідовністю існують

Молекули РНК є полімерами, мономерами яких є рибонуклеотиди, утворені залишками трьох речовин: п'ятивуглецевого цукру – рибози; однією з азотистих основ - з пуринових - аденіномабо гуаніном, з піримідинових - урациломабо цитозином; залишком фосфорної кислоти.

Молекула РНК є нерозгалуженим полінуклеотидом, що має третинну структуру. З'єднання нуклеотидів в один ланцюг здійснюється в результаті реакції конденсації між залишком фосфорної кислоти одного нуклеотиду та 3"-вуглецем рибози другого нуклеотиду.

На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а однієїполінуклеотидним ланцюжком. Однак її нуклеотиди (аденіловий, уридиловий, гуаніловий і цитидиловий) також здатні утворювати водневі зв'язки між собою, але це всередині, а не міжланцюгові сполуки комплементарних нуклеотидів. Між А- і У-нуклеотидами утворюється два водневі зв'язки, між Г- та Ц-нуклеотидами - три водневі зв'язки. Ланцюги РНК значно коротші за ланцюги ДНК.

Інформація про структуру молекули РНК закладена у молекулах ДНК. Послідовність нуклеотидів у РНК комплементарна кодогенного ланцюга ДНК, але аденіловому нуклеотиду ДНК комплементарний уридиловий нуклеотид РНК. Якщо вміст ДНК у клітині щодо постійно, то вміст РНК сильно коливається. Найбільше РНК у клітинах спостерігається під час синтезу білка.

Існує три основні класи нуклеїнових кислот: інформаційна (матрична) РНК – іРНК (мРНК), транспортна РНК – тРНК, рибосомальна РНК – рРНК.

Інформаційна РНК.Найбільш різноманітний за розмірами та стабільністю клас. Усі є переносниками генетичної інформації з ядра в цитоплазму. Інформаційні РНК є матрицею для синтезу молекули білка, т.к. визначають амінокислотну послідовність первинної структури білкової молекули Перед іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК у клітині.

Транспортні РНК.Молекули транспортних РНК містять зазвичай 75-86 нуклеотидів. Молекулярна маса молекул тРНК» 25000. Молекули тРНК грають роль посередників у біосинтезі білка - вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білка, рибосоми. У клітині міститься понад 30 видів тРНК. Кожен вид тРНК має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх молекул є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, завдяки наявності всіх тРНК мають третинну структуру, що нагадує формою лист конюшини.

Рибосомні РНК.Перед рибосомальних РНК (рРНК) припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. Рибосомна РНК складається із 3-5 тис. нуклеотидів. У комплексі з рибосомними білками рРНК утворює рибосоми – органели, у яких відбувається синтез білка. Основне значення рРНК полягає в тому, що вона забезпечує початкове зв'язування іРНК та рибосоми та формує активний центр рибосоми, в якому відбувається утворення пептидних зв'язків між амінокислотами у процесі синтезу поліпептидного ланцюга.

Функції РНК різняться залежно від виду рибонуклеїнової кислоти.

1) Інформаційна РНК (і-РНК).

2) Рибосомна РНК (Р-РНК).

3) Транспортна РНК (Т-РНК).

4) Мінорні (малі) РНК. Це молекули РНК, найчастіше з невеликою молекулярною масою, що розташовуються в різних ділянках клітини (мембрані, цитоплазмі, органелах, ядрі тощо). Їх роль остаточно не вивчена. Доведено, що можуть допомагати дозріванню рибосомної РНК, беруть участь у перенесенні білків через мембрану клітини, сприяють редуплікації молекул ДНК тощо.

5) Рибозими. Нещодавно виявлений вид РНК, які беруть активну участь у ферментативних процесах клітини як фермент (каталізатор).

6) Вірусні РНК. Будь-який вірус може містити лише один вид нуклеїнової кислоти: або ДНК або РНК. Відповідно, віруси, що мають у своєму складі молекулу РНК, отримали назву РНК-містять. При попаданні в клітину вірусу даного типу може відбуватися процес зворотної транскрипції (утворення нових ДНК на базі РНК), і ДНК вірусу, що вже утворилася, вбудовується в геном клітини і забезпечує існування, а також розмноження збудника. Другим варіантом сценарію є утворення компліментарної РНК на матриці вірусної РНК, що надійшла. У цьому випадку утворення нових вірусних білків, життєдіяльність і розмноження вірусу відбувається без участі дезоксирибонуклеїнової кислоти тільки на підставі генетичної інформації, записаної на вірусній-РНК. Рибонуклеїнові кислоти. РНК, будова, структури, види, роль. генетичний код. Механізми передачі генетичної інформації. Реплікація. Транскрипція

Рибосомна РНК.

Перед рРНК припадає 90% всієї РНК клітини, вона характеризується метаболічної стабільністю. У прокаріотів розрізняють три різні типи рРНК з коефіцієнтами седиментації 23S,16S і 5S; у еукаріотів чотири типи:-28S, 18S,5S і 5,8S.

РНК цього типу локалізовані в рибосомах та беруть участь у специфічній взаємодії з рибосомними білками.

Рибосомні РНК мають форму вторинної структури у вигляді яких двоспіральних ділянок, з'єднаних зігнутим одиночним ланцюгом. Білки рибосоми пов'язані переважно з однотяжовими ділянками молекули.

Для рРНК характерна наявність модифікованих підстав, проте значно меншій кількості, ніж у тРНК. У рРНК присутні головним чином метилізовані нуклеотиди, причому метильні групи приєднані або до основи, або до 2/-OH-групі рибози.

Транспортна РНК.

Молекули тРНК є єдиним ланцюгом, що складається з 70-90 нуклеотидів, з молекулярною масою 23000-28000 і константою седиментації 4S. У клітинній РНК транспортна РНК становить 10-20%. Молекули тРНК мають здатність ковалентно зв'язуватися з певною амінокислотою і з'єднуватися через систему водневих зв'язків з одним із нуклеотидних триплетів молекули мРНК. Таким чином, тРНК реалізують кодову відповідність між амінокислотою і відповідним їй кодоном мРНК. Для виконання адапторної функції тРНК повинні мати цілком певну вторинну та третинну структуру.

Кожна молекула тРНК має постійну вторинну структуру, має форму двовимірного конюшинного листа і складається з спіральних ділянок, утворених нуклеотидами одного і того ж ланцюга, і розташованих між ними одноланцюгових петель. Кількість спіральних областей досягає половини молекули. Неспарені послідовності утворюють характерні структурні елементи (гілки), що мають типові гілки:

А) акцепторне стебло, на 3/-OH кінці якого в більшості випадків розташований триплет ЦЦА. До карбоксильної групи кінцевого аденозину за допомогою специфічного ферменту приєднується відповідна амінокислота;

Б) псевдоуридінова або Т Ц-петля, що складається з семи нуклеотидів з обов'язковою послідовністю 5 / -Т ЦГ-3 / , в якій міститься псевдоурідін; передбачається, що Т Ц-петля використовується для зв'язування тРНК з рибосомою;

В) додаткова петля-різна за розміром і складом у різних тРНК;

Г) антикодонова петля складається з семи нуклеотидів і містить групу з трьох основ (антикодон), яка комплементарна триплету (кодону) у молекулі іРНК;

Д) дигідроуридилова петля (D-петля), що складається з 8-12 нуклеотидів і містить від одного до чотирьох дигідроуридилових залишків; вважається, що D-петля використовується для зв'язування тРНК зі специфічним ферментом (аміноацил-тРНК-синтетазу).

Третичне укладання молекул тРНК є досить компактним і має Г-подібну форму. Кут подібної структури утворений дигідроуридиновим залишком і Т Ц-петлею, довге коліно утворює акцепторне стебло і Т Ц-петля, а коротке-D-петля та антикодонова петля.

У стабілізації третинної структури тРНК беруть участь полівалентні катіони (Mg 2+ , поліаміни), а також водневі зв'язки між основами і фосфодіефірним кістяком.

Складна построкова укладання молекули тРНК обумовлена ​​множинними високоспецифічними взаємодіями як з білками, так і з іншими нуклеїновими кислотами (рРНК).

Транспортна РНК відрізняється від інших типів РНК високим вмістом мінорних основ-в середньому 10-12 основ на молекулу, проте загальна кількість їх а тРНК зростає в міру подовження організмів еволюційними сходами. У тРНК виявлені різні метильовані пуринові (аденін, гуанін) та піримідинові (5-метилцитозин і рибозилтимін) основи, сірковмісні основи (6-тіоурацил), але найбільш поширений (6-тіоурацил), але найбільш поширеним мінорним компонентом є псевдоуридин. Роль незвичайних нуклеотидів у молекулах тРНК поки що не ясна, проте вважають, що нижчий рівень мітілювання тРНК, тим менш активна і специфічна.

Локалізація модифікованих нуклеотидів суворо фіксовано. Наявність мінорних основ у складі тРНК обумовлює стійкість молекул до дії нуклеаз і, крім того, вони беруть участь у підтримці певної структури, оскільки подібні основи не здатні до нормального спаровування та перешкоджають утворенню подвійної спіралі. Таким чином, наявність модифікованих підстав у складі тРНК зумовлює як її структуру, а й багато спеціальні функції молекули тРНК.

У більшості клітин еукаріотів міститься набір різних тРНК. Для кожної амінокислоти є не менше ніж за однією специфічною тРНК. тРНК, що зв'язують ту саму амінокислоту, називають ізоакцепторними. Кожен тип клітин в організмі відрізняється своїм співвідношенням ізоакцепторних тРНК.

Матрична (інформаційна)

Матрична РНК містить генетичну інформацію про послідовність амінокислот основних ферментів та інших білків, тобто. служить матицею для біосинтезу поліпептидних ланцюгів. Перед мРНК у клітині припадає 5% від загальної кількості РНК. На відміну від рРНК і тРНК, мРНК гетерогенна за розмірами, її молекулярна маса знаходиться в межах від 25 10 3 до 1 10 6; мРНК характеризується широким діапазоном констант седиментації (6-25S). Наявність у клітині ланцюга мРНК змінної довжини відбиває різноманітність молекулярних мас білків, синтез яких вони забезпечують.

За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає ДНК з тієї ж клітини, тобто. є комплементарним до одного з ланцюга ДНК. У послідовності нуклеотидів (первинна структура) мРНК закладено інформацію як про структурі білка, а й вторинної структурі самих молекул мРНК. Вторинна структура мРНК формується за рахунок взаємокомплементарних послідовностей, зміст яких у РНК різного походження подібний і становить від 40 до 50%. Значна кількість спарених ділянок може утворюватися в 3/ та 5/-зонах мРНК.

Аналіз 5/кінців областей 18s рРНК показав,що в них є взаємокомплементарні послідовності.

Третинна структура мРНК формується головним чином за рахунок водневих зв'язків, гідрофобної взаємодії, геометричного та стеричного обмеження, електричних сил.

Матрична РНК є метаболічно активною і відносно не стабільною, короткоживучою формою. Так, мРНК мікроорганізмів характеризується швидким оновленням, і час життя її становить кілька хвилин. Разом про те для організмів, клітини яких містять справжні обмежені мембраною ядра, тривалість життя мРНК може досягати багатьох годин і навіть кілька днів.

Стабільність мРНК може визначатися різноманітних модифікаціями її молекули. Так, виявлено, що 5/-кінцева послідовність мРНК вірусів та еукаріотів метильована, або «заблокована». Першим нуклеотидом у 5/-термінальній структурі кепа є 7-метилгуанін, який пов'язаний з наступним нуклеотидом 5/-5/-пірофосфатним зв'язком. Другий нуклеотид метильований C-2 / -рибозного залишку, а в третьому нуклеотиді метильної групи може і не бути.

Ще однією здатністю мРНК є те, що на 3/кінцях багатьох молекул мРНК еукаріотичних клітин є відносно довгі послідовності аденілових нуклеотидів, які приєднуються до молекул мРНК за допомогою спеціальних ферентів вже після завершення синтезу. Реакція протікає у клітинному ядрі та цитоплазмі.

На 3/- і 5/- кінцях мРНК послідовності, що модифікуються, становлять близько 25% від загальної довжини молекули. Вважають, що 5/ – кепи і 3/-полі-А – послідовності необхідні або для стабілізації мРНК, що оберігає її від дії нуклеаз, або для регулювання процесу трансляції.

РНК-інтерференція

У живих клітинах виявлено кілька типів РНК, які можуть зменшувати рівень виразу гена при комплементарності мРНК або самому гену. Мікро-РНК (21-22 нуклеотиду в довжину) знайдені у еукаріотів і впливають через механізм РНК-інтерференції. При цьому комплекс мікро-РНК та ферментів може призводити до метилювання нуклеотидів у ДНК промотора гена, що є сигналом для зменшення активності гена. При використанні іншого типу регулювання мРНК, комплементарна мікро-РНК, деградується. Проте є й миРНК, які збільшують, а чи не зменшують експресію генів. Малі інтерферуючі РНК (МіРНК, 20-25 нуклеотидів) часто утворюються в результаті розщеплення вірусних РНК, але існують і ендогенні клітинні міРНК. Малі інтерферуючі РНК також діють через РНК-інтерференцію за подібними до мікро-РНК механізмів. У тварин знайдені так звані РНК, що взаємодіють з Piwi (piRNA, 29-30 нуклеотидів), що діють у статевих клітинах проти транспозиції та відіграють роль в утворенні гамет. Крім того, piRNA можуть епігенетично успадковуватись по материнській лінії, передаючи потомству свою властивість інгібувати експресію транспозонів.

Антисмислові РНК широко поширені у бактерій, багато хто з них пригнічує вираження генів, але деякі активують експресію. Діють антисмислові РНК, приєднуючись до мРНК, що призводить до утворення дволанцюгових молекул РНК, які деградуються ферментами. У еукаріотів виявлені високомолекулярні, мРНК-подібні молекули РНК. Ці молекули також регулюють вираз генів.

Крім ролі окремих молекул у регуляції генів, регуляторні елементи можуть формуватися в 5" і 3" нетрансльованих ділянках мРНК. Ці елементи можуть діяти самостійно, запобігаючи ініціації трансляції, або приєднувати білки, наприклад, феритин або малі молекули, наприклад, біотин.

Багато РНК беруть участь у модифікації інших РНК. Інтрони вирізають з пре-мРНК сплайсосомами, які, крім білків, містять кілька малих ядерних РНК (мяРНК). Крім того, інтрони можуть каталізувати власне вирізування. Синтезована в результаті транскрипції РНК також може бути модифікована хімічно. У еукаріотів хімічні модифікації нуклеотидів РНК, наприклад, їх метилювання, виконується малими ядерними РНК (мяРНК, 60-300 нуклеотидів). Цей тип РНК локалізується в ядерці та тільцях Кахаля. Після асоціації мяРНК з ферментами, мяРНК зв'язуються з РНК-мішенню шляхом утворення пар між основами двох молекул, а ферменти модифікують нуклеотиди РНК-мішені. Рибосомальні та транспортні РНК містять багато подібних модифікацій, конкретне положення яких часто зберігається у процесі еволюції. Також можуть бути модифіковані мяРНК та самі мяРНК. Гідові РНК здійснюють процес редагування РНК у кінетопласті – особливій ділянці мітохондрії протистів-кінетопластид (наприклад, трипаносом).

Геноми, що складаються з РНК

Як і ДНК, РНК може зберігати інформацію про біологічні процеси. РНК може використовуватися як геному вірусів та вірусоподібних частинок. РНК-геноми можна розділити на ті, які не мають проміжної стадії ДНК і ті, що для розмноження копіюються в ДНК-копію і назад в РНК (ретровіруси).

Багато вірусів, наприклад вірус грипу, на всіх стадіях містять геном, що складається виключно з РНК. РНК міститься всередині зазвичай білкової оболонки та реплікується за допомогою закодованих у ній РНК-залежних РНК-полімераз. Вірусні геноми, що складаються з РНК, поділяються на:

«мінус-ланцюг РНК», який служить тільки геномом, а як мРНК використовується комплементарна їй молекула;

дволанцюгові віруси.

Віроїди - інша група патогенів, що містять РНК-геном і не містять білок. Вони реплікуються РНК-полімеразами організму господаря.

Ретровіруси та ретротранспозони

В інших вірусів РНК-геном є протягом лише однієї з фаз життєвого циклу. Віріони так званих ретровірусів містять молекули РНК, які при попаданні в клітини господаря є матрицею для синтезу ДНК-копії. Своєю чергою, з матриці ДНК зчитується РНК-геном. Крім вірусів зворотної транскрипції застосовують і клас мобільних елементів геному – ретротранспозони.

Рибонуклеїнова кислота є сополімером пуринових і піримідинових рибонуклеотидів, з'єднаних один з одним, як і в ДНК, -фосфодіефірними містками (рис. 37.6). Хоча ці два види нуклеїнових кислот мають багато спільного, за рядом ознак вони відрізняються одна від одної.

1. У РНК вуглеводним залишком, до якого приєднані пуринові або піримідинові основи та фосфатні групи, є рибоза, а не 2-дезоксирибозу (як у ДНК).

2. Піримидинові компоненти РНК відрізняються від таких у ДНК. До складу РНК, як і до складу ДНК, входять нуклеотиди аденіну, гуаніну та цитозину. У той же час РНК (за винятком деяких спеціальних випадків, на яких ми зупинимося нижче) не містить тиміну, його місце в молекулі РНК займає урацил.

3. РНК - одноланцюжкова молекула (на відміну від ДНК, що має дволанцюжкову структуру), проте за наявності в ланцюзі РНК ділянок з комплементарною послідовністю (протилежної полярності) одиничний ланцюг РНК здатний згортатися з утворенням так званих «шпильок», структур, що мають двоспіральні характеристики ( 37.7).

Мал. 37.6. Фрагмент молекули рибонуклеїнової кислоти (РНК), в якому пуринові та піримідинові основи - аденін (А), урацил (U), цитозин (С) і гуанін (-утримуються фосфодіефірним кістяком, що з'єднує рибозильні залишки, пов'язані N-глікозидним зв'язком Зверніть увагу: ланцюг РНК має певну спрямованість, на яку вказують 5- і З-кінцеві фосфатні залишки.

4. Оскільки молекула РНК являє собою одиночний ланцюг, комплементарний тільки одному з ланцюгів ДНК, вміст в ній гуаніну не обов'язково дорівнює вмісту цитозину, а вміст аденіну не обов'язково дорівнює вмісту урацилу.

5. РНК може бути гідролізована лугом до 2, З-циклічних діефірів мононуклеотидів; у ролі проміжного продукту гідролізу виступає 2, У, 5-триэфир, який не утворюється при лужному гідролізі ДНК через відсутність у останньої 2-гідроксильних груп; лужна лабільність РНК (порівняно з ДНК) є корисною властивістю як діагностичних, так аналітичних цілей.

Інформація, що міститься в одноланцюжковій РНК, реалізується у вигляді певної послідовності пуринових та піримідинових основ (тобто в первинній структурі) полімерного ланцюга. Ця послідовність комплементарна кодуючого ланцюга гена, з якого «зчитується» РНК. Внаслідок комплементарності молекула РНК здатна специфічно зв'язуватися (гібридизуватися) з кодуючим ланцюгом, але не гібридизується з ланцюгом, що не кодує, ДНК. Послідовність РНК (за винятком заміни Т на U) ідентична послідовності гена, що не кодує ланцюга (рис. 37.8).

Біологічні функції РНК

Відомо кілька видів РНК. Майже всі вони безпосередньо залучені до процесу біосинтезу білка. Молекули цитоплазматичної РНК, що виконують функції матриць білкового синтезу, називаються матричними РНК (мРНК). Інший вид цитоплазматичної РНК-рибосомної РНК (рРНК) - виконує роль структурних компонентів рибосом (органел, що відіграють важливу роль у синтезі білка). Адапторні молекули транспортних РНК (тРНК) беруть участь у трансляції (перекладі) інформації мРНК у послідовність амінокислот у білках.

Значна частина РНК-первинних транскриптів, що утворюються в еукаріотичних клітинах, включаючи і клітини ссавців, - піддається деградації в ядрі і не відіграє будь-якої структурної чи інформаційної ролі в цитоплазмі. У культивованих

Мал. 37.7. Вторинна структура молекули РНК типу «петлі зі стеблом» («шпилька»), що виникає внаслідок внутрішньомолекулярного утворення водневих зв'язків між комплементарними парами нуклеїнових основ.

клітинах людини виявлено клас малих ядерних РНК, які безпосередньо не беруть участь у синтезі білка, але можуть впливати на процесинг РНК та загальну «архітектуру» клітини. Розміри цих відносно невеликих молекул варіюють останні містять від 90 до 300 нуклеотидів (табл. 37.3).

РНК є основним генетичним матеріалом у деяких вірусів тварин та рослин. Деякі РНК-віруси ніколи не проходять стадію зворотної транскрипції РНК в ДНК. Однак для більшості відомих вірусів тварин, таких як ретровіруси, характерна зворотна транскрипція їх РНК-генома, що направляється РНК-залежною ДНК-полімеразою (зворотною транскриптазою) з утворенням двоспіральної ДНК-копії. У багатьох випадках двоспіральний ДНК-транскрипт, що утворюється, вбудовується в геном і надалі забезпечує експресію генів вірусу, а також напрацювання нових копій вірусних РНК-геномів.

Структурна організація РНК

У всіх еукаріотичних та прокаріотичних організмах існують три основні класи молекул РНК: інформаційна (матрична або месенджер) РНК (мРНК), транспортна (тРНК) та рибосомна (рРНК). Представники цих класів відрізняються один від одного розмірами, функціями та стабільністю.

Інформаційна (мРНК) - найбільш гетерогенний щодо розмірів та стабільності клас. Усі представники цього класу служать переносниками інформації від гена до білок-синтезуючої системи клітини. Вони виконують роль матриць для поліпептиду, що синтезується, тобто визначають амінокислотну послідовність білка (рис. 37.9).

Інформаційні РНК, особливо еукаріотичні, мають деякі унікальні структурні особливості. 5-Кінець мРНК «кепований» 7-метилгуанозинтрифосфатом, приєднаним до 5-гідроксилу сусіднього 2-0-метилрибонуклеозиду через залишок трифосфату (рис. 37.10). Молекули мРНК часто містять внутрішні залишки 6-метиладеніну та 2-0-метильовані рибонуклеотиди. Хоча сенс «кепіювання» до кінця ще не з'ясований, можна припустити, що структура 5-кінця мРНК, що утворюється, використовується для специфічного впізнавання в системі трансляції. Синтез білка починається на 5"-(кепірованому) кінці мРНК. Інший кінець більшості молекул мРНК (З-кінець) містить поліаденилатний ланцюжок з 20-250 нуклеотидів. Специфічні функції цього остаточно не встановлені. Можна припускати, що дана структура відповідає за підтримання внутрішньоклітин мРНК Деякі мРНК, включаючи гістонові не містять poly(А) Наявність poly(А) у структурі мРНК використовується для відокремлення від інших видів РНК за допомогою фракціонування тотальної РНК на колонках з oligo(Т), іммобілізованим на твердому носії типу целюлози. з колонкою відбувається за рахунок комплементарних взаємодій poly(А)-«хвоста» з іммобілізованим oligo(Т).

Мал. 37.8. Послідовність гена та його РНК-транскрипта. Показано кодуючий і некодуючий ланцюги, і відзначено їх полярність. РНК-транскрипт, що має полярність комплементарний кодуючого ланцюга (з полярністю 3 - 5) і ідентичний за послідовністю (за винятком замін Т на U) і полярності ланцюга ДНК, що не кодує.

Мал. 37.9. Експресія генетичної інформації ДНК у формі мРНК-транскрипту та подальша трансляція за участю рибосом з утворенням специфічної молекули білка.

(Див. скан)

Мал. 37.10. Структура «кепа», що знаходиться на 5 кінці більшості еукаріотичних матричних РНК 7-метилгуанозинтрифосфат приєднується до 5 кінця мРНК. на якому зазвичай знаходиться 2-Ометилпуриновий нуклеотид.

У клітинах ссавців, включаючи клітини людини, зрілі молекули мРНК, що знаходяться в цитоплазмі, не є повною копією ділянки, що транскрибується гена. Полірибонуклеотид, що утворюється в результаті транскрипції, являє собою попередник цитоплазматичної мРНК, перед виходом з ядра він піддається специфічному процесингу. Непроцесовані продукти транскрипції, які у ядрах клітин ссавців, утворюють четвертий клас молекул РНК. Такі ядерні РНК дуже гетерогенні та досягають значних розмірів. Молекули гетерогенних ядерних РНК можуть мати молекулярну масу більше , в той час як молекулярна маса мРНК зазвичай не перевищує 2106. піддаються процесингу в ядрі, і зрілі мРНК, що утворюються, надходять в цитоплазму, де служать матрицею для біосинтезу білка.

Молекули транспортних РНК (ТРНК) зазвичай містять близько 75 нуклеотидів. Молекулярна маса таких молекул становить. тРНК також формуються внаслідок специфічного процесингу відповідних молекул-попередників (див. гл. 39). Транспортні тРНК виконують функцію посередників під час трансляції мРНК. У будь-якій клітині присутні щонайменше 20 видів молекул тРНК. Кожен вид (іноді кілька видів) тРНК відповідає одній з 20 амінокислот, необхідні синтезу білка. Хоча кожна специфічна тРНК відрізняється від інших нуклеотидною послідовністю, вони мають і загальні риси. Завдяки кільком внутрішньоланцюжковим комплементарним ділянкам, всі тРНК мають вторинну структуру, що отримала назву «конюшинний лист» (рис. 37.11).

Молекули всіх видів тРНК мають чотири основні плечі. Акцепторне плече складається з «стебла» спарених нуклеотидів і закінчується послідовністю ССА. Саме через У-гідроксильну групу аденозильного залишку відбувається зв'язування з карбоксильною групою амінокислоти. Інші плечі теж складаються з «стебел», утворених комплементарними парами основ, і петель із неспарених основ (рис. 37.7). Антикодонове плече дізнається нуклеотидний триплет або кодон (див. гл. 40) мРНК. D-плечо названо так через наявність у ньому дигідроуридину, -плечо названо за послідовністю Т-псевдоурідін-С. Додаткове плече є найбільш варіабельною структурою і служить основою класифікації тРНК. тРНК класу 1 (75% від загального їх числа) мають додаткове плече завдовжки 3-5 пар основ. Додаткове плече у тРНК-молекул класу 2 складається з 13-21 пар основ і часто включає неспарену петлю.

Мал. 37.11. Структура молекули аміноацил-тРНК, до 3-ССА-кінця якої приєднана амінокислота. Вказано внутрішньомолекулярні водневі зв'язки та розташування антикодонового, ТТС- та дигідроурацилового плечей. (Від J. D. Watson. Molecular biology of Gene 3rd, ed.. Copyright 1976, 1970, 1965 by W. A. ​​Benjamin, Inc., Menlo Park Calif.)

Вторинна структура, що визначається системою комплементарних взаємодій нуклеотидних підстав відповідних плечей, характерна для всіх видів Акцепторне плече містить сім пар підстав, плече - п'ять пар підстав, плече D - три (або чотири) пари підстав.

Молекули тРНК дуже стабільні у прокаріотів і дещо менш стабільні у еукаріотів. Зворотна ситуація характерна для мРНК, яка досить нестабільна у прокаріотів, а у еукаріотичних організмів має значну стабільність.

Рибосомна РНК. Рибосома – це цитоплазматична нуклеопротеїнова структура, призначена для синтезу білка по мРНК-матриці. Рибосома забезпечує специфічний контакт в результаті якого відбувається трансляція нуклеотидної послідовності, ліченої з певного гена, в амінокислотну послідовність відповідного білка.

У табл. 37.2 представлені компоненти рибосом ссавців, що мають молекулярну масу 4,2106 і швидкість седиментації (одиниць Сведберга). Рибосоми ссавців складаються з двох нуклеопротеїнових субодиниць - великий з

Таблиця 37.2. Компоненти рибосом ссавців

молекулярною масою (60S), та малою, що має молекулярну масу (40S). 608-субодиниця містить 58-рибосомну РНК (рРНК), 5,8S-pPHK і 28S-pPHK, а також більше 50 різних поліпептидів. Мала, 408-субодиниця включає єдину 18S-pPHK і близько 30 поліпептидних ланцюгів. Усі рибосомні РНК, крім 5S-PHK, мають загального попередника-45S-PHK, локалізовану в ядерці (див. гл. 40). У молекули 5S-PHK попередник свій. У ядерці відбувається упаковка високометилованих рибосомних РНК із рибосомними білками. У цитоплазмі рибосоми досить стійкі та здатні здійснювати велику кількість циклів трансляції.

Невеликі стабільні РНК. В еукаріотичних клітинах виявлено велику кількість дискретних, висококонсервативних, невеликих та стабільних молекул РНК. Більшість РНК цього типу виявляються у складі рибонуклеопротеїнів та локалізовані в ядрі, цитоплазмі або одночасно в обох компартментах. Розміри цих молекул варіюють від 90 до 300 нуклеотидів, їх вміст - 100000-1000000 копій на клітину.

Малі ядерні нуклеопротеїнові частинки (часто звані snurps - від англ. Small nuclear ribonucleic particles), ймовірно, відіграють істотну роль у регуляції експресії генів. Нуклеопротеїнові частинки типу U7, мабуть, беруть участь у формуванні З-кінців гістонових мРНК. Частинки , ймовірно, необхідні для поліаденілювання, a - для видалення інтронів і процесингу мРНК (див. гл. 39). Табл. 37.3. підсумовує деякі характеристики невеликих стабільних РНК.

Таблиця 37.3. Деякі види невеликих стабільних РНК, виявлені у клітинах ссавців

ЛІТЕРАТУРА

Darnell J. та ін. Molecular Cell Biology, Scientific American Books, 1986.

Hunt T. DNA Makes RNA Makes Protein, Elsevier, 1983. Lewin B. Genes, 2nd ed., Wiley, 1985.

Rich A. та ін. Цивільна і біологічна літо-розписана Z-DNA, Annu. Rev. Biochem., 1984, 53, 847.

Turner P. Controlling roles for snurps, Nature, 1985, 316, 105. Watson J. D. The Double Helix, Atheneum, 1968.

Watson JD, Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids. Nature, 1953, 171, 737.

Zieve G. W. Two groups of small stable RNAs, Cell, 1981, 25, 296.

РНК- полімер, мономерами якої є рибонуклеотиди. На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а одним полінуклеотидним ланцюжком (виняток - деякі РНК-віруси мають дволанцюгову РНК). Нуклеотиди РНК здатні утворювати водневі зв'язки між собою. Ланцюги РНК значно коротші за ланцюги ДНК.

Мономер РНК – нуклеотид (рибонуклеотид)- складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) та 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи РНК також відносяться до класів піримідинів та пуринів.

Піримидинові основи РНК – урацил, цитозин, пуринові основи – аденін та гуанін. Моносахарид нуклеотиду РНК представлений рибозою.

Виділяють три види РНК: 1) інформаційна(матрична) РНК – іРНК (мРНК), 2) транспортнаРНК – тРНК, 3) рибосомнаРНК – рРНК.

Усі види РНК є нерозгалуженими полінуклеотидами, мають специфічну просторову конформацію і беруть участь у процесах синтезу білка. Інформація про будову всіх видів РНК зберігається у ДНК. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією.

Транспортні РНКмістять зазвичай 76 (від 75 до 95) нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального вмісту РНК у клітині. Функції тРНК: 1) транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом, 2) трансляційний посередник. У клітині зустрічається близько 40 видів тРНК, кожен із них має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформації, що нагадує формою лист конюшини. Будь-яка тРНК має петлю для контакту з рибосомою (1), антикодонову петлю (2), петлю для контакту з ферментом (3), акцепторне стебло (4), антикодон (5). Амінокислота приєднується до 3"-кінця акцепторного стебла. Антикодон- Три нуклеотиди, що «пізнають» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати певну амінокислоту, відповідну її антикодону. Специфічність сполуки амінокислоти та тРНК досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетазу.

Рибосомні РНКмістять 3000-5000 нуклеотидів; молекулярна маса - 1000000-1500000. На частку рРНК припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. У комплексі з рибосомними білками рРНК утворює рибосоми – органоїди, які здійснюють синтез білка. В еукаріотичних клітин синтез рРНК відбувається в ядерцях. Функції рРНК: 1) необхідний структурний компонент рибосом та, таким чином, забезпечення функціонування рибосом; 2) забезпечення взаємодії рибосоми та тРНК; 3) початкове зв'язування рибосоми та кодону-ініціатора іРНК та визначення рамки зчитування; 4) формування активного центру рибосоми.