Надо Знать

добавить знаний



РНК



Строение РНК на примере тетрануклеотиду, содержащий аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и урацил (U).

РНК (рибонуклеиновая кислота) - класс нуклеиновых кислот, линейных полимеров нуклеотидов, в состав которых входят остаток фосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащая дезоксирибозу) и азотистые основания - аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащая вместо урацила содержит тимин). РНК содержатся главным образом в цитоплазме клеток. Эти молекулы синтезируются в клетках всех клеточных живых организмов, а также содержатся в вироиды и некоторых вирусах. Основные функции РНК в клеточных организмах - шаблон для трансляции генетической информации в белки и поставка соответствующих аминокислот в рибосом. В вирусах является носителем генетической информации (кодирует белки оболочки и ферменты вирусов). Вироиды состоят из кольцевой молекулы РНК и не содержат в себе других молекул. Существует гипотеза мира РНК, согласно которой РНК возникли к белкам и были первыми формами жизни.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами - РНК-полимеразы. Затем матричные РНК (мРНК) участвуют в процессе, называемом трансляцией. Трансляция - это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Для одноланцюжкових РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а матричные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малы ядерные РНК принимают участие в сплайсинга эукариотических матричных РНК и других процессах.

Кроме того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная Энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, "склеивать" два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимов.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК - первая молекула, способная к самовоспроизведению в добиологических системах.


История изучения РНК

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году швейцарским ученый Иоганном Фридрихом Мишер, который назвал эти вещества "нуклеин", поскольку они были обнаружены в ядре (лат. nucleus). Позже было обнаружено, что бактериальные клетки, в которых нет ядра, тоже содержат нуклеиновые кислоты. Значение РНК в синтезе белков было предположено в 1939 году в работе Торберна Оскара Касперсона, Жана Брачета и Джека Шульца. Джерард Маирбакс выделил первый матричную РНК, кодирующей гемоглобин кролика и показал, что при ее введены в ооциты образуется тот же самый белок. В Советском Союзе в 1956-57 годах проводились работы (А. Белозерский, А. Спирин, Э. Волкин, Ф. Астрахан) по определению состава РНК клеток, которые привели к выводу, что основную массу РНК в клетке составляют рибосомные РНК. Северо Очоа получил Нобелевскую премию по медицине в 1959 году за открытие механизма синтеза РНК. Последовательность из 77 нуклеотидов одной из тРНК дрожжей S. cerevisiae была определена в 1965 году в лаборатории Роберта Холле, за что в 1968 году он получил Нобелевскую премию по медицине. В 1967 Карл Везе предположил, что РНК имеют каталитические свойства. Он выдвинул так называемую Гипотезу РНК-мира, в котором РНК прото-организмов служила и как молекулы хранения информации (сейчас эта роль выполняется ДНК) и молекулы, которая катализировала метаболические реакции (сейчас это делают ферменты). В 1976 Уолтер Фаерс и его группа из Гентского университета (Голландия) определили первую последовательность генома РНК-содержится в вирусе, бактериофага MS2. В начале 1990-х было обнаружено, что введение чужеродных генов в геном растений приводит к подавлению выражения аналогичных генов растения. Примерно в это же время было показано, что РНК длиной около 22 оснований, которые сейчас называются микро-РНК, играют регуляторную роль в онтогенезе нематод C.elegans. Гипотеза о значении РНК в синтезе белков была высказана Торбьерн Касперссоном (Torbj?rn Caspersson) на основе исследований 1937-1939 гг., В результате которых было показано, что клетки, активно синтезирующие белок, содержат большое количество РНК. Подтверждение гипотезы было получено Юбером Шантренне (Hubert Chantrenne).


Особенности строения РНК

Нуклеотиды РНК состоят из сахара - рибозы, к которой в положении 1 'присоединено одно из оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа объединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3 'атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другого. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК - полианионов. РНК транскрибируется как полимер четырех оснований (аденина (A), гуанина (G), цитозина (U) и цитозина (C)), но в "зрелой" РНК есть много модифицированных оснований и сахаров. Всего в РНК насчитывается около 100 различных видов модифицированных нуклеозидов, из которых 2'-О-метилрибоза частая модификация сахара, а псевдоуридин - наиболее часто встречающееся модифицированное основание. В псевдоуридин (Ψ) связь между урацилом и рибозы не C - N, а C - C, этот нуклеотид встречается в различных положениях в молекулах РНК. В частности, псевдоуридин важен для функционирования тРНК. Другое заслуживает внимания модифицированная основание - гипоксантин, деаминированний гуанин, нуклеозид которого носит название инозина. Инозин играет важную роль в обеспечении виродженнистю генетического кода. Роль многих других модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК много пост-транскрипционных модификаций находятся в важных для функционирования рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующих в образовании пептидной связи.

Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденин и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденина могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырех нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин - гуанин.

Важная структурная особенность РНК, что отличает ее от ДНК - наличие гидроксильной группы в 2 'положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, что чаще всего наблюдается в ДНК. В А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая имела бороздка. Второе последствие наличии 2 'гидроксильной группы заключается в том, что конформационной пластические, то есть не участвуют в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять. "Рабочая" форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуется посредством водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры - стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого числа возможных вариантов спаривания оснований предсказание вторичной структуры РНК - гораздо более сложная задача, чем предсказания вторичной структуры белков, но в наше время [ Когда? ] есть эффективные программы, например, mfold.

Примером зависимости функций молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES - структура на 5 'конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требует наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5' конце и белковых факторов инициации. Сначала IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается все больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса. Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК (малые ядерные РНК) в клетке функционируют в виде комплексов с белками, ассоциюють с молекулами РНК после их синтеза или (эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновимы комплексами или рибонуклеопротеидамы.

Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним - информационная РНК, иРНК) - РНК, которая отвечает за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется при трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в "проявлении" (экспрессии) генов.

Длина типовой зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Длинные мРНК отмечены у (+) оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК - это полный набор чертежей для изготовления белков, находящегося на хранении в сейфе директора завода, то мРНК - временная рабочая копия чертежа, издающейся в сборочный цех.

Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибировать из отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов. Классические, хорошо изучены типы некодирующих РНК - это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, участвующие в процессе трансляции. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как резки и лигирування молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции - энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимамы.

Транспортные (тРНК) - малые, состоящие из примерно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты к месту синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодона мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, который помещает тРНК в положение, что способствует образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединенной к тРНК.

Рибосомальные РНК (рРНК) - каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырех типов рРНК синтезируются в полисом. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальной белками и формируют нуклеопротеиды, называемый рибосомой. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80% РНК, обнаруживается в цитоплазме эукариотической клетки.

Необычный тип РНК, который действует в качестве тРНК и мРНК (тмРНК) обнаружен во многих бактериях и пластидах. При остановке рибосомы на дефектных мРНК без стоп-кодонов тмРНК присоединяет небольшой пептид, направляющий белок на деградацию.

Микро-РНК (21-22 нуклеотида в длину) найдены у эукариот и влияют через механизм РНК-интерференции. При этом комплекс микро-РНК и ферментов может приводить к метилирования нуклеотидов в ДНК промотора гена, что служит сигналом для уменьшения активности гена. При использовании другого типа регуляции мРНК, комплементарная микро-РНК, деградирует. Однако есть и миРНК, которые увеличивают, а не уменьшают экспрессию генов.

Малые интерферирующие РНК (миРНК, 20-25 нуклеотидов) часто образуются в результате расщепления вирусных РНК, но существуют и эндогенные клеточные миРНК. Малые интерферирующие РНК также действуют через РНК-интерференцию по схожим с микро-РНК механизмам.

Сравнение с ДНК

Между ДНК и РНК есть три основных отличия: ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК - рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозы, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК. Нуклеотид, комплементарный аденин, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил - неметилована форма тимина. ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечной.

Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образуют нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептид-трансферазний центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК.

Особенности функций

1. Процессинг

Многие РНК принимают участие в модификации других РНК. Интроны вырезаются из про-мРНК Сплайсосома, которые, кроме белков, содержат несколько малых ядерных РНК (мяРНК). Кроме того, интроны могут катализировать собственное вырезание. Синтезирована в результате транскрипции РНК также может быть химически модифицирована. У эукариот химические модификации нуклеотидов РНК, например, их метилирования, выполняется малыми ядерными РНК (мяРНК, 60-300 нуклеотидов). Этот тип РНК локализуется в ядрышке и тельцах Кахаля.

После ассоциации мяРНК с ферментами, мяРНК связываются с РНК-мишенью путем образования пар между основаниями двух молекул, а ферменты модифицируют нуклеотиды РНК-мишени. Рибосомальные и транспортные РНК содержат много подобных модификаций, конкретное положение которых часто сохраняется в процессе эволюции. Также могут быть модифицировать мяРНК и сами мяРНК.

2. трансляция

тРНК присоединяют определенные аминокислоты в цитоплазме и направляется к месту синтеза белка на иРНК где связывается с кодоном и отдает аминокислоту которая используется для синтеза белка.

3. Информационная функция

У некоторых вирусов РНК выполняет подобные функции как ДНК у эукариот. Также информационную функцию выполняет иРНК которая переносит информацию о белок и является местом его синтеза.

4. Регуляция генов

Некоторые типы РНК участвуют в регуляции генов увеличивая или уменьшая его активность. Это так называемые миРНК (малые интерферирующие РНК) и микро-РНК.

5. каталитическая

Есть так называемые ферменты которые относятся к РНК они называются рибозимы. Эти ферменты выполняют разнообразные функции и имеют своеобразное строение.


Сравнение РНК (слева) с ДНК (справа)


Реторта Это незавершенная статья по химии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам