РНК

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Будова РНК на прикладі тетрануклеотиду, що містить аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і урацил (U).

РНК (рибонуклеїнова кислота) — клас нуклеїнових кислот, лінійних полімерів нуклеотидів, до складу яких входять залишок фосфорної кислоти, рибоза (на відміну від ДНК, що містить дезоксирибозу) і азотисті основи — аденін, цитозин, гуанін і урацил (на відміну від ДНК, що замість урацила містить тимін).

Рибонуклеїнова кислота - одна з трьох основних макромолекул (дві інші ДНК та білки), яка граютє важливу роль в кодуванні, зчитуванні, регулюванні та вираженні генів. Так само як ДНК, РНК складається з ланцюжка нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру рибози та фосфатної групи. Послідовність нуклеотидів дозволяє РНК кодувати генетичну інформацію. Всі клітинні організми (еукаріоти) використовують РНК (мРНК) для програмування синтезу білків.

Клітинні РНК утворюються під час процесу, який називається транскрипцією, тобто синтезу РНК на матриці ДНК за допомогою спеціальних ферментів - РНК-полімерази. Після цього матричні РНК (мРНК) беруть участь в процесі, який називається трансляцією. Трансляція - це синтез білку на матриці мРНК за участі рибосом. Інші РНК після транскрипції піддаються хімічним модифікаціям, і, після утворення вторинних і третинних структур, виконують функції залежно від типу РНК.

Для одноланцюгових РНК характерні різноманітні просторові структури, в яких частина нуклеотидів одного і того ж ланцюга зпарені між собою. Деякі високоструктуровані РНК беруть участь в синтезі білка клітини, наприклад транспортні РНК (тРНК) слугують для розпізнання кодонів і доставки відповідних амінокислот до місця синтезу білка, а рибосомні РНК слугують структурною і каталітичною основою рибосом.

Проте функцї РНК в клітинах необмежуються роллю в трансляції. Так, малі ядерні РНК беруть участь в сплайсингу еукаріотичних матричних РНК та інших процесах.

Окрім того, що молекули РНК входять в склад деяких ферментів (наприклад теломерази), в окремих РНК виявлена власна ферментативна активність: можливість вносити розриви в інші молекули РНК або, навпаки, "склеювати" два РНК фрагменти. Такі РНК називаються рибозимами.

РНК синтезуються в клітинах всіх клітинних живих організмів, а також містяться в віроїдах та деяких вірусах. Основні функції РНК в клітинних організмах залежать від типу РНК. Кодуючі РНК є матрицею для трансляції генетичної інформації в білки, некодуючі РНК виконують додаткові функції, такі як транспорт амінокислот до рибосом, регуляція експресії генів тощо. В вірусах РНК може бути носієм генетичної інформації, замість ДНК. Віроїди складаються з кільцевої молекули РНК та не містять в собі інших молекул.

Існує гіпотеза світу РНК, згідно з якою, РНК виникли до білків й були першими формами життя.

Історія вивчення[ред. | ред. код]

Нуклеїнові кислоти відкрив в 1868 році швейцарський учений Іоганн Фрідріхм Мішер, який назвав ці речовини «нуклеін», оскільки вони були виявлені в ядрі (лат. nucleus)[1]. Пізніше було виявлено, що бактеріальні клітини, в яких немає ядра, теж містять нуклеїнові кислоти.

Значення РНК в синтезі білків було припущено в 1939 році в роботі Торберна Оскара Касперсона, Жана Брачета і Джека Шульца.[2] Джерард Маірбакс виділив першу матричну РНК, що кодує гемоглобін кролика і показав, що при її введені в ооцити утворюється той же самий білок.[3]

У Радянському Союзі в 1956—1957 роках проводилися роботи (А. Білозерський, О. Спірін, Е. Волкін, Ф. Астрахан) з визначення складу РНК клітин, які привели до висновку, що основну масу РНК в клітині становлять рибосомні РНК.

Северо Очоа отримав Нобелівську премію з медицини в 1959 році за відкриття механізму синтезу РНК.[4] Послідовність з 77 нуклеотидів однієї з тРНК дріжджів S. cerevisiae була визначена в 1965 році в лабораторії Роберта Холі, за що в 1968 році він отримав Нобелівську премію з медицини.[5] У 1967 Карл Воуз припустив, що РНК мають каталітичні властивості. Він висунув так звану Гіпотезу світу РНК, в якому РНК прото-організмів служила і як молекули зберігання інформації (зараз ця роль виконується ДНК) і молекули, яка каталізувала метаболічні реакції (зараз це роблять ферменти).[6]

У 1976 Волтер Фаерс і його група з Гентського університету (Бельгія) визначили першу послідовність геному РНК- яке міститься у вірусі, бактеріофага MS2. На початку 1990-х було виявлено, що введення чужорідних генів у геном рослин призводить до придушення вираження аналогічних генів рослини. Приблизно в цей же час було показано, що РНК довжиною близько 22 нуклеотидів, які зараз називаються мікро-РНК, відіграють регуляторну роль в онтогенезі нематод C.elegans. Гіпотеза про значення РНК в синтезі білків була висловлена Торбйорном Касперссоном (Torbjörn Caspersson) на основі досліджень 1937–1939 років.

Особливості будови РНК[ред. | ред. код]

Нуклеотиди РНК складаються з цукру — рибози, до якої в положенні 1 'приєднано одна з азотистих основ: аденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група поєднує рибози в ланцюжок, утворюючи зв'язку з 3 'атомом вуглецю однієї рибози і в 5' становищі іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно заряджені, тому РНК — поліаніонів. РНК транскрибується як полімер чотирьох азотистих основ: (аденіну (A), гуаніну (G), урацилу (U) і цитозину (C)), але в «зрілої» РНК є багато модифікованих основ і цукрів. Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих нуклеозидів, з яких 2'-О-метилрибоза найчастіша модифікація цукру, а псевдоуридин — найбільш розповсюджена модифікація азотистих основ РНК. У псевдоуридину (Ψ) зв'язок між урацилом і рибозою не C — N, а C — C, цей нуклеотид зустрічається в різних положеннях у молекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для функціонування тРНК. Також заслуговує на увагу модифікована основа — гіпоксантин, деамінований гуанін, нуклеозид якого носить назву інозину. Інозин відіграє важливу роль у забезпеченні виродженності генетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в рибосомальної РНК багато пост-транскрипційних модифікацій знаходяться у важливих для функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидів, що беруть участь в утворенні пептидного зв'язку.

Азотисті основи у складі РНК можуть утворювати водневі зв'язки між цитозином і гуаніном, аденіном і урацилом, а також між гуаніном і урацилом. Однак можливі й інші взаємодії, наприклад, кілька аденінів можуть утворювати петлю, або петля, що складається з чотирьох нуклеотидів, в якій є пара основ аденін — гуанін.

Важлива структурна особливість РНК, що відрізняє її від ДНК — наявність гідроксильної групи в 2 'положенні рибози, яка дозволяє молекулі РНК існувати в А, а не В-конформації, що найчастіше спостерігається у ДНК. У А-форми глибока і вузька велика борозенка і неглибока і широка мала борозенка. Другий наслідок наявності 2 'гідроксильної групи полягає в тому, що конформаційної пластичні, тобто не беруть участь в утворенні подвійної спіралі, ділянки молекули РНК можуть хімічно атакувати інші фосфатні зв'язки та їх розщеплювати. «Робоча» форма одноланцюжкові молекули РНК, як і у білків, часто володіє третинною структурою. Третинна структура утворюється на основі елементів вторинної структури, що утворюється за допомогою водневих зв'язків усередині однієї молекули. Розрізняють декілька типів елементів вторинної структури — стебло-петлі, петлі і псевдовузли. У силу великої кількості можливих варіантів спарювання азотистих основ передбачення вторинної структури РНК — набагато складніше завдання, ніж передбачення вторинної структури білків, але в наш час[коли?] є ефективні програми, наприклад, mfold.

Прикладом залежності функцій молекул РНК від їх вторинної структури є ділянки внутрішньої посадки рибосоми (IRES). IRES — структура на 5 'кінці інформаційної РНК, яка забезпечує приєднання рибосоми в обхід звичайного механізму ініціації синтезу білка, що вимагає наявності особливого модифікованого підстави (кепа) на 5' кінці і білкових факторів ініціації. Спочатку IRES були виявлені у вірусних РНК, але зараз накопичується все більше даних про те, що клітинні мРНК також використовують IRES-залежний механізм ініціації в умовах стресу. Багато типів РНК, наприклад, рРНК і мяРНК (малі ядерні РНК) в клітині функціонують у вигляді комплексів з білками, які ассоціюють з молекулами РНК після їх синтезу або (у еукаріотів) експорту з ядра в цитоплазму. Такі РНК-білкові комплекси називаються рибонуклеопротеїновими комплексами або рибонуклеопротеїдами.

Види РНК[ред. | ред. код]

Матрична рибонуклеїнова кислота (мРНК)

 — РНК, що відповідає за перенесення інформації про первинну структуру білків від ДНК до місць синтезу білків. мРНК синтезується на основі ДНК в ході транскрипції, після чого, у свою чергу, використовується під час трансляції як матриця для синтезу білків. Тим самим мРНК грає важливу роль в «прояві» (експресії) генів.

Довжина типової зрілої мРНК становить від кількох сотень до кількох тисяч нуклеотидів. Найдовші мРНК відмічені у (+) оц РНК-вмісних вірусів, наприклад пікорнавірусів, проте слід пам'ятати, що у цих вірусів мРНК утворює весь їхній геном.

ДНК нерідко порівнюють з кресленнями для виготовлення білків. Розвиваючи цю інженерно-виробничу аналогію, можна сказати, що, якщо ДНК — це повний набір креслень для виготовлення білків, що знаходиться на зберіганні в сейфі директора заводу, то мРНК — тимчасова робоча копія креслення, що видається в складальний цех.

Однак переважна більшість РНК не кодують білок. Ці некодуючі РНК можуть транскрибувати з окремих генів (наприклад, рибосомні РНК) або бути похідними інтронів. Класичні, добре вивчені типи некодуючих РНК — це транспортні РНК (тРНК) і рРНК, які беруть участь у процесі трансляції. Існують також класи РНК, відповідальні за регуляцію генів, процесинг мРНК і інші ролі. Крім того, є й молекули некодуючих РНК, здатні каталізувати хімічні реакції, такі, як розрізання та лігірування молекул РНК. За аналогією з білками, здатними каталізувати хімічні реакції — ензимами (ферментами), каталітичні молекули РНК називаються рибозимами.

Некодуючі РНК[ред. | ред. код]

Докладніше: Некодуючі РНК

Транспортні РНК (тРНК)

 — малі, що складаються з приблизно 80 нуклеотидів, молекули з консервативною третинною структурою. Вони переносять специфічні амінокислоти до місця синтезу пептидного зв'язку в рибосомі. Кожна тРНК містить ділянку для приєднання амінокислоти і антикодон для пізнавання та приєднання до кодону мРНК. Антикодон утворює водневі зв'язки з кодоном, що поміщає тРНК в положення, що сприяє утворенню пептидного зв'язку між останньою амінокислотою утвореного пептиду і амінокислотою, приєднаною до тРНК.

Рибосомальні РНК (рРНК)

Докладніше: Рибосомна РНК

 — каталітична складова рибосом. Еукаріотичні рибосоми містять чотири типи молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S і 5S. Три з чотирьох типів рРНК синтезуються в полісом. У цитоплазмі рибосомальні РНК з'єднуються з рибосомальними білками і формують нуклеопротеїн, званий рибосомою. Рибосома приєднується до мРНК і синтезує білок. рРНК становить до 80 % РНК, що виявляється в цитоплазмі еукаріотичної клітини.

Незвичайний тип РНК, який діє як тРНК і мРНК (тмРНК), виявлений у багатьох бактеріях і пластидах. При зупинці рибосоми на дефектних мРНК без стоп-кодонів тмРНК приєднує невеликий пептид, що направляє білок на деградацію.

МікроРНК

Докладніше: МікроРНК

(21-22 нуклеотиду в довжину) знайдені в еукаріот і впливають через механізм РНК-інтерференції. При цьому комплекс мікроРНК і ферментів може призводити до метилювання нуклеотидів в ДНК промотора гена, що служить сигналом для зменшення активності гена. При використанні іншого типу регуляції мРНК, комплементарна мікроРНК, деградує. Однак є й мікроРНК, які збільшують, а 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 схожими з мікроРНК механізмами.

Порівняння з ДНК[ред. | ред. код]

Порівняння РНК (зліва) з ДНК (справа)

Між ДНК і РНК є три основні відмінності: ДНК містить цукор дезоксирибозу, РНК — рибозу, у якої є додаткова, порівняно з дезоксирибозою, гідроксильна група. Ця група збільшує ймовірність гідролізу молекули, тобто зменшує стабільність молекули РНК.

Нуклеотид, комплементарний аденін, в РНК не тимін, як в ДНК, а урацил — неметилована форма тиміну. ДНК існує у формі подвійної спіралі, що складається з двох окремих молекул. Молекули РНК, в середньому, набагато коротше і переважно одноланцюжкові.

Структурний аналіз біологічно активних молекул РНК, включаючи тРНК, рРНК, мяРНК та інші молекули, які не кодують білків, показав, що вони складаються не з однієї довгої спіралі, а з численних коротких спіралей, розташованих близько один до одного і утворюють щось, схоже на третинну структуру білка. У результаті цього РНК може каталізувати хімічні реакції, наприклад, пептид-трансферазний центр рибосоми, що бере участь в утворенні пептидного зв'язку білків, повністю складається з РНК.

Особливості функцій[ред. | ред. код]

Процесинг[ред. | ред. код]

Докладніше: Процесинг РНК

Багато РНК беруть участь в модифікації інших РНК. Інтрони вирізують з про-мРНК сплайсосомою, яка, крім білків, містить декілька малих ядерних РНК (мяРНК). Крім того, інтрони можуть каталізувати власне вирізання (аутосплайсинг).

Синтезована в результаті транскрипції РНК також може бути хімічно модифікована. У еукаріотів хімічні модифікації нуклеотидів РНК, наприклад, їх метилювання, виконується малими ядерними РНК (мяРНК, 60—300 нуклеотидів). Цей тип РНК локалізується в ядерці і 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 і транспортні РНК містять багато подібних модифікацій, конкретне положення яких часто зберігається в процесі еволюції. Також можуть бути модифіковані мяРНК і самі мяРНК.

Трансляція[ред. | ред. код]

тРНК приєднують певні амінокислоти в цитоплазмі і направляється до місця синтезу білка на мРНК де зв'язується з кодоном і віддає амінокислоту, яка використовується для синтезу білка.

Інформаційна функція[ред. | ред. код]

У деяких вірусів РНК виконує подібні функції, як ДНК у еукаріотів. Також інформаційну функцію виконує мРНК, яка переносить інформацію про білок і є місцем його синтезу.

Регуляція експресії генів[ред. | ред. код]

Деякі типи РНК беруть участь у регулюванні експресії генів збільшуючи чи зменшуючи їх активність. Це так звані міРНК (малі інтерферуючі РНК), мікроРНК та піРНК. З'єднуючись з білками аргонавтами, ці молекули РНК утворюють комплекс RISC, який пригнічує трансляцію білка.

Каталітична[ред. | ред. код]

Докладніше: Рибозими

Є так звані ферменти, які відносяться до РНК. Вони називаються рибозами. Ці ферменти виконують різноманітні функції і мають своєрідну будову

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Dahm R (2005). Friedrich Miescher and the discovery of DNA. Developmental Biology 278 (2): 274–88. PMID 15680349. 
  2. Nierhaus KH, Wilson DN. Protein Synthesis and Ribosome Structure. — Wiley-VCH, 2004. — С. 3. — ISBN 3-527-30638-2.
  3. Carlier M (червень 2003). L’ADN, cette «simple» molécule. Esprit libre. Архів оригіналу за 2011-08-23. Процитовано ???. 
  4. Ochoa S. (1959). Enzymatic synthesis of ribonucleic acid. Nobel Lecture. Архів оригіналу за 2011-08-23. Процитовано ???. 
  5. Holley RW et al. Structure of a ribonucleic acid // Science. — 1965. — Т. 147, № 1664. — С. 1462–65. — DOI:10.1126/science.147.3664.1462.
  6. Szathmáry E. The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world // Trends Genet.. — 1999. — Т. 15, № 6. — С. 223–9. — DOI:10.1016/S0168-9525(99)01730-8.

Література[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]