Якщо раніше переважала думка про другорядну роль РНК, то тепер ясно, що вона необхідний і найважливіший елемент життєдіяльності клітини. Механізми багатьох...

Від Masterweb

09.04.2018 14:00

Різні види ДНК та РНК – нуклеїнових кислот – це один із об'єктів вивчення молекулярної біології. Одним з найбільш перспективних та швидко розвиваються напрямів у цій науці в останні роки стало дослідження РНК.

Коротко про будову РНК

Отже, РНК, рибонуклеїнова кислота, - це біополімер, молекула якого є ланцюжком, утвореним чотирма видами нуклеотидів. Кожен нуклеотид, своєю чергою, складається з азотистого підстави (аденіну А, гуаніну Р, урацилу У чи цитозину Ц) у поєднанні з цукром рибозою і залишком фосфорної кислоти. Фосфатні залишки, з'єднуючись із рибозами сусідніх нуклеотидів, «зшивають» складові блоки РНК у макромолекулу – полінуклеотид. Так утворюється первинна структура РНК.

Вторинна структура - утворення подвійного ланцюжка - утворюється на деяких ділянках молекули відповідно до принципу комплементарності азотистих основ: аденін утворює пару з урацилом за допомогою подвійного, а гуанін з цитозином - потрійного водневого зв'язку.

У робочій формі молекула РНК утворює також третинну структуру - особливу просторову будову, конформацію.

Синтез РНК

Усі види РНК синтезуються з допомогою ферменту РНК-полімерази. Вона може бути ДНК-і РНК-залежною, тобто каталізувати синтез як на ДНК, так і на РНК-матриці.

Синтез заснований на комплементарності підстав та антипаралельності напряму читання генетичного коду та протікає у кілька етапів.

Спочатку відбувається впізнавання і зв'язування РНК-полімерази з особливою послідовністю нуклеотидів на ДНК - промотором, після чого подвійна спіраль ДНК розкручується на невеликій ділянці і починається складання молекули РНК над одним з ланцюжків, званим матричним (інший ланцюжок ДНК називається кодуючою - саме її копією є синтезована РНК). Асиметричність промотора визначає, який із ланцюжків ДНК буде служити матрицею, і тим самим дозволяє РНК-полімеразі ініціювати синтез у правильному напрямку.

Наступний етап називається елонгацією. Транскрипційний комплекс, що включає РНК-полімеразу та розплетену ділянку з гібридом ДНК-РНК, починає рух. У міру цього переміщення ланцюжок РНК, що нарощується, поступово відокремлюється, а подвійна спіраль ДНК розплітається перед комплексом і відновлюється за ним.

Завершальний етап синтезу настає, коли РНК-полімераза досягає особливої ​​ділянки матриці, що називається термінатором. Термінація (закінчення) процесу може досягатися різними способами.

Основні види РНК та їх функції у клітині

Вони такі:

• Матрична чи інформаційна (мРНК). З її допомогою транскрипція – перенесення генетичної інформації з ДНК.
• Рибосомна (рРНК), що забезпечує процес трансляції - синтез білка на матриці мРНК.
• Транспортна (ТРНК). Здійснює впізнавання та транспортування амінокислоти на рибосому, де відбувається синтез білка, а також бере участь у трансляції.
• Малі РНК – великий клас молекул невеликої довжини, здійснюють різноманітні функції під час процесів транскрипції, дозрівання РНК, трансляції.
• РНК-геноми – послідовності, що кодують, які містять генетичну інформацію у деяких вірусів і віроїдів.

У 1980-х роках було відкрито каталітичну активність РНК. Молекули, що мають цю властивість, отримали назву рибозимів. Природних рібозімів поки що відомо не так багато, каталітична здатність їх нижча, ніж у білків, проте в клітині вони виконують виключно важливі функції. В даний час ведуться успішні роботи з синтезу рибозимів, що мають у тому числі прикладне значення.

Зупинимося докладніше різних видів молекул РНК.

Матрична (інформаційна) РНК

Ця молекула синтезується над розплетеною ділянкою ДНК, копіюючи таким чином ген, що кодує той чи інший білок.

РНК еукаріотичних клітин, перш ніж стати, своєю чергою, матрицею для синтезу білка, повинні дозріти, тобто пройти через комплекс різних модифікацій – процесинг.

Насамперед, ще стадії транскрипції, молекула піддається кэпированию: до її кінця приєднується особлива структура з однієї чи кількох модифікованих нуклеотидів – кеп. Він відіграє важливу роль у багатьох подальших процесах та підвищує стабільність мРНК. До іншого кінця первинного транскрипта приєднується так званий полі(А)хвіст – послідовність аденінових нуклеотидів.

Після цього пре-мРНК піддається сплайсингу. Це видалення з молекули ділянок, що не кодують, – інтронів, яких багато в ДНК еукаріотів. Далі відбувається процедура редагування мРНК, коли він хімічно модифікується її склад, і навіть метилювання, після чого зріла мРНК залишає клітинне ядро.

Рибосомна РНК

Основу рибосоми – комплексу, що забезпечує білковий синтез, становлять дві довгі рРНК, що утворюють субчастинки рибосоми. Синтезуються вони спільно у вигляді однієї пре-рРНК, яка потім під час процесингу поділяється. У велику субчастинку входить також низькомолекулярна рРНК, що синтезується з окремого гена. Рибосомні РНК мають щільно упаковану третинну структуру, яка служить каркасом для білків, присутніх в рибосомі і виконують допоміжні функції.

У неробочій фазі субодиниці рибосоми розділені; при ініціації трансляційного процесу рРНК малої субчастинки з'єднується з матричною РНК, після чого відбувається повне поєднання елементів рибосоми. При взаємодії РНК малої субчастинки з мРНК остання протягається через рибосому (що рівнозначно руху рибосоми по мРНК). Рибосомна РНК великої субчастинки є рибозимом, тобто має ферментні властивості. Вона каталізує утворення пептидних зв'язків між амінокислотами під час синтезу білка.

Слід зазначити, що найбільша частина всієї РНК у клітині посідає частку рибосомної – 70-80 %. ДНК має велику кількість генів, що кодують рРНК, що забезпечує вельми інтенсивну її транскрипцію.

Транспортна РНК

Ця молекула розпізнається певною амінокислотою за допомогою особливого ферменту і, з'єднуючись з нею, здійснює транспортування амінокислоти на рибосому, де є посередником у процесі трансляції – синтезу білка. Перенесення здійснюється шляхом дифузії у цитоплазмі клітини.

Знову синтезовані молекули тРНК, як і інші види РНК, піддаються процесингу. Зріла тРНК в активній формі має конформацію, що нагадує конюшинний лист. На «черешку» листа – акцепторній ділянці – розташована послідовність ЦЦА з гідроксильною групою, що зв'язується з амінокислотою. На протилежному кінці "аркуша" знаходиться антикодонова петля, яка з'єднується з комплементарним кодоном на мРНК. D-петля служить для зв'язування транспортної РНК із ферментом при взаємодії з амінокислотою, а Т-петля – для зв'язування з великою субчастицею рибосоми.

Малі РНК

Ці види РНК відіграють важливу роль у клітинних процесах і зараз активно вивчаються.

Так, наприклад, малі ядерні РНК у клітинах еукаріотів беруть участь у сплайсингу мРНК і, можливо, мають каталітичні властивості поряд з білками сплайсосом. Малі ядерцеві РНК беруть участь у процесингу рибосомної та транспортної РНК.

Малі інтерферуючі та мікроРНК є найважливішими елементами системи регулювання експресії генів, необхідної клітині для контролю власної структури та життєдіяльності. Ця система – важлива частина імунної антивірусної відповіді клітини.

Існує також клас малих РНК, що функціонують у комплексі із білками Piwi. Ці комплекси грають величезну роль розвитку клітин зародкової лінії, в сперматогенезі й у придушенні мобільних генетичних елементів.

РНК-геном

Молекула РНК може використовуватися як геному більшістю вірусів. Вірусні геноми бувають різними – одно- та дволанцюжковими, кільцевими або лінійними. Також РНК-геноми вірусів часто бувають сегментовані і в цілому коротші, ніж ДНК-геноми.

Існує сімейство вірусів, генетична інформація яких, закодована в РНК, після інфікування клітини шляхом зворотної транскрипції переписується на ДНК, яка потім запроваджується в геном клітини-жертви. Це так звані ретровіруси. До них зокрема відноситься вірус імунодефіциту людини.

Значення дослідження РНК у сучасній науці

Якщо раніше переважала думка про другорядну роль РНК, то тепер ясно, що вона - необхідний і найважливіший елемент внутрішньоклітинної життєдіяльності. Багато процесів першорядної значущості не обходяться без активної участі РНК. Механізми таких процесів тривалий час залишалися невідомими, але завдяки вивченню різних видів РНК та його функцій поступово проясняються багато деталей.

Не виключено, що РНК зіграла вирішальну роль у виникненні та становленні життя на зорі історії Землі. Результати недавніх досліджень свідчать на користь цієї гіпотези, свідчивши про надзвичайну давнину багатьох механізмів функціонування клітини з участю тих чи інших видів РНК. Наприклад, недавно відкриті рибоперемикачі у складі мРНК (система безбілкової регуляції активності генів на стадії транскрипції), на думку багатьох дослідників, є відлунням епохи, коли примітивне життя будувалося на основі РНК, без участі ДНК та білків. Також дуже давнім компонентом системи регуляції вважаються мікроРНК. Особливості структури каталітично активної рРНК свідчать про її поступову еволюцію шляхом приєднання нових фрагментів до стародавньої проторибосоми.

Ретельне вивчення того, які види РНК і яким чином зайняті в тих чи інших процесах, надзвичайно важливе також для теоретичних та прикладних галузей медицини.

Вулиця Київян, 16 0016 Вірменія, Єреван Сервіс +374 11 233 255

Транспортна РНК, тРНК-рибонуклеїнова кислота, функцією якої є транспортування АК до місця синтезу білка Має типову довжину від 73 до 93 нуклеотидів та розміри близько 5 нм. ТРНК також беруть безпосередню участь у нарощуванні поліпептидного ланцюга, приєднуючись - будучи в комплексі з амінокислотою - до кодону мРНК та забезпечуючи необхідну для утворення нового пептидного зв'язку конформацію комплексу. Для кожної амінокислоти є своя тРНК. тРНК є одноланцюгової РНК, однак у функціональній формі має конформацію «конюшинного листа». АК ковалентно приєднується до 3"-кінця молекули за допомогою специфічного для кожного типу тРНК ферменту аміноацил-тРНК-синтетази. На ділянці C знаходиться антикодон, відповідний АК-ті. еукаріот Транскрипти генів тРНК піддаються багатостадійному процесингу, що призводить до формування типової для тРНК просторової структури.

Процесинг тРНК включає 5 ключових етапів:

видалення 5"-лідерної нуклеотидної послідовності;

видалення 3"-кінцевої послідовності;

додавання послідовності CCA на 3"-кінець;

вирізання інтронів (у еукаріотів та архей);

модифікації окремих нуклеотидів

Транспорт тРНК здійснюється по Ran-залежному шляху за участю транспортного фактора экспортина t, кот.розпізнає характерну вторинну і третич.стр-ру зрілої тРНК: короткі двоспіральні ділянки і правильно процесовані 5 "- і 3"-кінці. Такий механізм забезпечує експорт із ядра лише зрілих тРНК.

62. Трансляція - впізнавання кодону мРНК
Трансляція – це здійснюваний рибосомами синтез білка з амінокислот на матриці мРНК (або РНК). Складові елементи процесу трансляції: амінокислоти, тРНК, рибосоми, мРНК, ферменти для аміноацилування тРНК, білкові фактори трансляції (білкові фактори ініціації, елонгації, термінації - специфічні позарибосомні білки, необхідні для процесів трансляції) структуру рибосом). У синтезі білка бере участь 20 амінокислот. Щоб амінокислота «дізналася» своє місце у майбутньому поліпепетидному ланцюгу, вона повинна зв'язатися з транспортною РНК (тРНК), що виконує адапторну функцію. Потім тРНК, що зв'язалася з амінокислотою, «пізнає» відповідний кодон на мРНК. Впізнавання кодону мРНК:

Взаємодія кодон-антикодон заснована на принципах комплементарності та антипаралельності:

3'----Ц - Г-А*------5' Антикодон тРНК

5'-----Г- Ц-У*------3' Кодон мРНК

Гіпотеза гойдання (wobble) була запропонована Ф. Криком:

3′- основа кодону мРНК має не суворе спарювання з 5′- основою антикодону тРНК: наприклад, У (мРНК) може взаємодіяти з А та Г (тРНК)

Деякі тРНК можуть спаровуватися з більш ніж одним кодоном.

63. Характеристика складових елементів процесу трансляції.Трансляція (translatio-переклад) - процес синтезу білка з амінокислот на матриці інформаційної (матричної) РНК (іРНК, мРНК), який здійснюється рибосомою.

Синтез білка є основою життєдіяльності клітини. Для здійснення цього процесу в клітинах всіх організмів є спец. рибосоми- рибонуклеопротеїдні комплекси, побудовані з 2 субодиниць: великої та малої. Функція рибосом полягає у розпізнаванні трибуквенних (тринуклеотидних) кодонівмРНК, зіставленні ним відповідних антикодонів тРНК, що несуть амінокислоти, і приєднання цих амінокислот до зростаючого білкового ланцюга. Рухаючись уздовж молекули мРНК, рибосома синтезує білок відповідно до інформації, закладеної молекули мРНК.

Для впізнавання АК-т у клітці є спеціальні «адаптери», молекули транспортної РНК(ТРНК). Ці молекули, що мають форму конюшинного листа, мають ділянку (антикодон), комплементарний кодону мРНК, а також іншу ділянку, до якої приєднується амінокислота, що відповідає цьому кодону. Приєднання амінокислот до тРНК здійснюється в енергозалежній реакції ферментами аміноацил-тРНК-синтетазами, а молекула, що вийшла, називається аміноацил-тРНК. Таким чином, специфічність трансляції визначається взаємодією між кодоном мРНК і антикодоном тРНК, а також специфічністю аміноацил-тРНК-синтетаз, що приєднують амінокислоти строго до відповідних їм тРНК (наприклад, кодону GGU буде відповідати тРНК, що містить антико АК гліцин).

Прокаріотична рибосома

5S та 23S рРНК 16S рРНК

34 білки 21 білок

Рибосоми прокаріотів мають константу седиментації 70S, чому отримали назву 70S-частинок. Вони побудовані з двох неоднакових субчастинок: 30S- та 50S-субодиниць. Кожна субодиниця представляє комплекс рРНК та рибосомних білків.

30S-частка містить одну молекулу 16S-рРНК і в більшості випадків по одній молекулі білка з понад 20 видів (21). 50S-субодиниця складається з двох молекул рРНК (23S та 5S). До її складу входять понад 30 різних білків (34), також представлених, як правило, однією копією. Більшість рибосомальних білків виконує структурну функцію.

Еукаріотична рибосома

5S; 5,8S та 28S рРНК 18S рРНК

не менше 50 білків не менше 33 білків

Рибосома складається з великої та малої субодиниць. Основу структури кожної субодиниці становить складно згорнута рРНК. До каркасу з рРНК прикріпив рибосомні білки.

Коефіцієнт седиментації повної еукаріотичної рибосоми становить близько 80 одиниць Сведберга (80S), а коефіцієнт седиментації субчастинок її становить 40S і 60S.

Найменша 40S-субчастиця складається з однієї молекули 18S-рРНК та 30-40 білкових молекул. Велика 60S-субчастиця містить три типи рРНК з коефіцієнтами седиментації 5S, 5,8S та 28S та 40-50 білків (наприклад, рибосоми гепатоцитів щури включають 49 білків).

Функціональні ділянки рибосом

Р – пептидильна ділянка для пептидилу тРНК

А – аміноацильна ділянка для аміноацил тРНК

Е – ділянка для виходу тРНК із рибосоми

Рибосома містить 2 функціональні ділянки для взаємодії з тРНК: аміноацильний (акцепторний) і пептидильний (донорний). Аміноацил-тРНК потрапляє в акцепторну ділянку рибосоми та взаємодіє з утворенням водневих зв'язків між триплетами кодону та антикодону. Після утворення водневих зв'язків система просувається на 1 кодон і опиняється у донорній ділянці. Одночасно в акцепторній ділянці, що звільнилася, виявляється новий кодон, і до нього приєднується відповідний аміноацил-т-РНК.

Рибосоми: будова, фінція

Рибосоми є цитоплазматичними центрами біосинтезу білка. Вони складаються з великої та малої субодиниць, що відрізняються коефіцієнтами седиментації (швидкістю осадження при центрифугуванні), що виражаються в одиницях Сведберга - S.

Рибосоми присутні в клітинах як еукаріотів, так і прокаріотів, оскільки виконують важливу функцію в біосинтезу білків.У кожній клітині є десятки, сотні тисяч (до кількох мільйонів) цих дрібних округлих органоїдів. Це округла рибонуклеопротеїнова частка. Діаметр її складає 20-30 нм. Складається рибосома з великої та малої субодиниць, що відрізняються коефіцієнтами седиментації (швидкістю осадження при центрифугуванні), що виражаються в одиницях Сведберга – S. Ці субодиниці об'єднуються у присутності нитки м-РНК (матричної або інформаційної РНК). Комплекс із групи рибосом, об'єднаних однією молекулою м-РНК на кшталт нитки бус, називається полісомою. Ці структури або вільно розташовані в цитоплазмі, або прикріплені до мембран гранулярної ЕПС (в обох випадках ними активно протікає синтез білка).

Полісоми гранулярної ЕПС утворюють білки, що виводяться з клітини та використовуються для потреб всього організму (наприклад, травні ферменти, білки жіночого грудного молока). Крім цього, рибосоми присутні на внутрішній поверхні мембран мітохондрій, де також беруть активну участь у синтезі білкових молекул.

У цитоплазмі клітин містяться три основні функціональні види РНК:

• матричні РНК (мРНК), що виконують функції матриць синтезу білка;
• рибосомні РНК (рРНК), що виконують роль структурних компонентів рибосом;
• транспортні РНК (тРНК), що у трансляції (перекладі) інформації мРНК в послідовність амінокислот молекули білка.

У ядрі клітин виявляють ядерну РНК, що становить від 4 до 10% від сумарної клітинної РНК. Основна маса ядерної РНК представлена ​​високомолекулярними попередниками рибосомних та транспортних РНК. Попередники високомолекулярних рРНК (28 S, 18 S і 5 S РНК) переважно локалізуються в ядерці.

РНК є основним генетичним матеріалому деяких вірусів тварин та рослин (геномні РНК). Для більшості РНК вірусів характерна зворотна транскрипція їхньої РНК геному, що спрямовується зворотною транскриптазою.

Всі рибонуклеїнові кислоти є полімери рибонуклеотидів,з'єднаних, як у молекулі ДНК, 3",5"-фосфорнодіефірними зв'язками. На відміну від ДНК, що має дволанцюжкову структуру, РНК є одноланцюгові лінійні полімерні молекули.

Будова мРНК. мРНК - найбільш гетерогенний щодо розмірів та стабільності клас РНК. Зміст мРНК у клітинах становить 2-6% від загальної кількості РНК. мРНК складаються з ділянок - цистронів, що визначають послідовність амінокислот в білках, що кодуються ними.

Будова тРНК . Транспортні РНК виконують функції посередників (адаптерів) під час трансляції мРНК. Їх частку припадає приблизно 15% сумарної клітинної РНК. Кожній із 20 протеїногенних амінокислот відповідає своя тРНК. Для деяких амінокислот, що кодуються двома та більше кодонами, існують кілька тРНК. тРНК є порівняно невеликі одноланцюгові молекули, що складаються з 70-93 нуклеотидів. Їхня молекулярна маса становить (2,4-3,1) .104 кДа.

Вторинна структура тРНКформується за рахунок утворення максимальної кількості водневих зв'язків між внутрішньомолекулярними комплементарними парами азотистих основ. Внаслідок утворення цих зв'язків полінуклеотидний ланцюг тРНК закручується з утворенням спіралізованих гілок, що закінчуються петлями з неспарених нуклеотидів. Просторове зображення вторинних структур усіх тРНК має форму. конюшинного листа.

У «конюшинному листі» розрізняють чотири обов'язкові гілки, більш довгі тРНК, крім того, містять коротку п'яту (додаткову) гілку. Адапторну функцію тРНК забезпечують акцепторна гілка, до 3"-кінця якої приєднується ефірним зв'язком амінокислотний залишок, і протистоїть акцепторної гілки антикодонова гілка, на вершині якої знаходиться петля, що містить антикодон. кодує відповідну амінокислоту.

Т-гілка, що несе петлю псевдоурідіна (ТyС-петлю), забезпечує взаємодію тРНК з рибосомами.

Д-гілка, що несе дегідроуридинову петлю, забезпечує взаємодію тРНК з відповідною аміноацил-тРНК-синтетазою.

Вторинна структура тРНК

Функції п'ятої додаткової гілки поки що мало досліджені, найімовірніше вона зрівнює довжину різних молекул тРНК.

Третинна структура тРНКдуже компактна і утворюється шляхом зближення окремих гілок конюшинного листа за рахунок додаткових водневих зв'язків з утворенням L-подібної структури «ліктьового згину». При цьому акцепторне плече, що зв'язує амінокислоту, є розташованим на одному кінці молекули, а антикодон - на іншому.

Третинна структура тРНК (за А.С. Спіріном)

Будова рРНК та рибосом . Рибосомні РНК формують основу, з якою зв'язуються специфічні білки під час утворення рибосом. Рибосоми- Це нуклеопротеїнові органели, що забезпечують синтез білка на мРНК. Число рибосом у клітці дуже велике: від 104 у прокаріотів до 106 у еукаріотів. Локалізуються рибосоми головним чином у цитоплазмі, у еукаріотів, крім того, у ядерці, у матриксі мітохондрій та стромі хлоропластів. Рибосоми складаються з двох субчастинок: великої та малої. За розмірами та молекулярною масою всі вивчені рибосоми ділять на 3 групи - 70S рибосоми прокаріотів (S-коефіцієнт седиментації), що складаються з малої 30S та великої 50S субчастинок; 80S рибосоми еукаріотів, що складаються з 40S малої та 60S великої субчастинок.

Мала субчастка 80S рибосом утворена однією молекулою рРНК (18S) та 33 молекулами різних білків. Велика субчасткаутворена трьома молекулами рРНК (5S, 5,8S та 28S) та приблизно 50 білками.

Вторинна структура рРНКутворюється за рахунок коротких двоспіральних ділянок молекули – шпильок (близько 2/3 рРНК), 1/3 – представлена одноважними ділянками, багатими на пуринові нуклеотиди.

Нуклеїнові кислоти - високомолекулярні речовини, що складаються з мононуклеотидів, які з'єднані один з одним у полімерний ланцюжок за допомогою 3",5"- фосфодіефірних зв'язків і упаковані в клітинах певним чином.

Нуклеїнові кислоти - біополімери двох різновидів: рибонуклеїнова кислота (РНК) та дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Кожен біополімер складається з нуклеотидів, що розрізняються по вуглеводному залишку (рибозе, дезоксирибозе) та одному з азотистих основ (урацил, тимін). Відповідно до цих відмінностей нуклеїнові кислоти і отримали свою назву.

Структура рибонуклеїнової кислоти

Первинна структура РНК

Молекула РНКє лінійні (тобто нерозгалужені) полінуклеотиди з аналогічним ДНК принципом організації. Мономерами РНК є нуклеотиди, що складаються з фосфорної кислоти, вуглеводу (рибози) та азотистої основи, з'єднані 3", 5"-фосфодіефірними зв'язками. Полінуклеотидні ланцюги молекули РНК полярні, тобто. мають помітні 5'- і 3"-кінці. При цьому, на відміну від ДНК, РНК є одноланцюгової молекулою. Причиною такої відмінності є три особливості первинної структури:

1. РНК, на відміну від ДНК, містить замість дезоксирибози рибозу, яка має додаткову гідроксигрупу. Гідроксигрупа робить дволанцюжкову структуру менш компактною
2. Серед чотирьох головних, або мажорних, азотистих основ (А, Г, Ц і У) замість тиміну міститься урацлл, який відрізняється від тиміну лише відсутністю метильної групи в 5-му положенні. Завдяки цьому зменшується сила гідрофобної взаємодії у комплементарній парі A-У, що теж знижує ймовірність утворення стійких дволанцюжкових молекул.
3. Нарешті, у РНК (особливо у тРНК) високо зміст т. зв. мінорних основ та нуклеозидів. Серед них дигідроуридин (в урацилі немає одного подвійного зв'язку), псевдоуридин (урацил інакше, ніж зазвичай, пов'язаний з рибозою), диметиладенін та диметилгуанін (в азотистих основах по дві додаткові метильні групи) та багато інших. Майже всі ці підстави що неспроможні брати участь у комплементарних взаємодіях. Так, метильні групи в диметиладеніні (на відміну від тиміну та 5-метилцитозину) знаходяться при такому атомі, який у парі A-У утворює водневий зв'язок; отже, тепер цей зв'язок замкнутися неспроможна. Це теж перешкоджає утворенню дволанцюгових молекул.

Таким чином, широко відомі відмінності складу РНК від ДНК мають величезне біологічне значення: адже свою функцію молекули РНК здатні виконувати тільки в одноланцюжковому стані, що найбільш очевидно для мРНК: важко уявити, як би могла дволанцюжкова молекула транслюватися рибосомами.

Разом з тим, залишаючись одиночною, у деяких ділянках ланцюг РНК може утворювати петлі, виступи або "шпильки" з дволанцюжковою структурою (рис.1.). Ця структура стабілізована взаємодією основ у парах А::У та Г:::Ц. Однак можуть утворюватися і "не правильні" пари (наприклад, Г У), а в деяких місцях "шпильки" і взагалі не відбувається жодної взаємодії. У складі таких петель може утримуватись (особливо в тРНК та рРНК) до 50 % усіх нуклеотидів. Загальний вміст нуклеотидів в РНК варіює від 75 одиниць до багатьох тисяч. Але навіть найбільші РНК на кілька порядків коротші за хромосомні ДНК.

Первинна структура мРНК скопійована з ділянки ДНК, що містить інформацію про первинну структуру поліпептидного ланцюга. Первинна структура інших типів РНК (тРНК, рРНК, рідкісні РНК) є остаточною копією генетичної програми відповідних генів ДНК.

Вторинна та третинна структури РНК

Рибонуклеїнові кислоти (РНК) – однониткові молекули, тому на відміну від ДНК їх вторинна та третинна структури нерегулярні. Ці структури, що визначаються як просторова конформація полінуклеотидного ланцюга, формуються в основному за рахунок водневих зв'язків та гідрофобних взаємодій між азотистими основами. Якщо молекули нативної ДНК характерна стійка спіраль, то структура РНК різноманітна і лабільна. Рентгеноструктурний аналіз показав, що окремі ділянки полінуклеотидного ланцюга РНК, перегинаючись, навиваються на себе з утворенням внутрішньоспіральних структур. Стабілізація структур досягається за рахунок комплементарних спарювань азотистих основ антипаралельних ділянок ланцюга; специфічними парами тут є А-U, G-С і, рідше, G-U. Завдяки цьому молекулі РНК виникають як короткі, і протяжні біспіральні ділянки, що належать однієї ланцюга; ці ділянки звуться шпильок. Модель вторинної структури РНК зі шпилькоподібними елементами була створена в кінці 50-х - на початку 60-х рр. ХХ ст. в лабораторіях А. С. Спіріна (Росія) та П. Доті (США).

Деякі види РНК
Види РНК	Розмір у нуклеотидах	Функція
gРНК – геномні РНК	10000-100000
mРНК – інформаційні (матричні) РНК	100-100000	передає інформацію про структуру білка з молекули ДНК
tPHK - транспортні РНК	70-90	транспортує амінокислоти до місця синтезу білка
rРНК - рибосомні РНК	кілька дискретних класів від 100 до 500 000	міститься в рибосомах, бере участь у підтримці структури рибосоми
sn-PHK – мала ядерна РНК	100	видаляє інтрони та ферментативно з'єднує екзони у мРНК.
sno-РНК - мала ядерцева РНК		бере участь у напрямку або проведенні модифікацій основ у рРНК та малій ядерній РНК, таких, як, наприклад, метилювання та псевдоуридинізація. Більшість малих ядерцевих РНК перебувають у інтронах інших генів
srp-РНК - сигнал, що розпізнає РНК		розпізнає сигнальну послідовність білків, призначених для експресії, та бере участь у їх перенесенні через цитоплазматичну мембрану
mi-РНК - мікро-РНК	22	контролюють трансляцію структурних генів шляхом комплементарного зв'язування з 3"-кінцями нетрансльованих ділянок іРНК

Утворення спіральних структур супроводжується гіпохромним ефектом – зменшенням оптичної густини зразків РНК при 260 нм. Руйнування цих структур відбувається при зниженні іонної сили розчину РНК або його нагріванні до 60-70 °З; воно також називається плавленням і пояснюється структурним переходом спіраль – хаотичний клубок, що супроводжується збільшенням оптичної густини розчину нуклеїнової кислоти.

У клітинах існує кілька типів РНК:

1. інформаційна (або матрична) РНК (іРНК або мРНК) та її попередниця - гетерогенна ядерна РНК (г-я-РНК)
2. транспортна РНК (т-РНК) та її попередниця
3. рибосомна (р-РНК) та її попередниця
4. мала ядерна РНК (sn-PHK)
5. мала ядерцева РНК (sno-PHK)
6. сигналрозпізнавальна РНК (srp-PHK)
7. мікро-РНК (mi-PHK)
8. Мітохондріальна РНК (т + РНК).

Гетерогенна ядерна та інформаційна (матрична) РНК

Гетерогенна ядерна РНК властива виключно еукаріотів. Вона є попередницею інформаційної РНК (і-РНК), яка переносить генетичну інформацію від ядерної ДНК до цитоплазми. Гетерогенна ядерна РНК (премРНК) відкрита радянським біохіміком Г. П. Георгієвим. Кількість видів г-я-РНК дорівнює кількості генів, так як вона служить прямою копією послідовностей, що кодують геному, внаслідок чого має копії паліндромів ДНК, тому її вторинна структура містить шпильки і лінійні ділянки. У процесі транскрипції РНК із ДНК ключову роль грає фермент РНК-полімераза II.

Інформаційна РНК утворюється в результаті процесингу (дозрівання) г-я-РНК, при якому відбуваються відсікання шпильок, вирізування ділянок (інтронів), що не кодують, і склеювання кодуючих екзонів.

Інформаційна РНК (і-РНК) є копією певної ділянки ДНК і виконує роль переносника генетичної інформації від ДНК до місця синтезу білка (рибосоми) і бере участь безпосередньо в складання його молекул.

Зріла матрична РНК має кілька областей із різною функціональною роллю (рис.)

• на 5"-кінці знаходиться т.зв. "ковпачок" або кеп - ділянка з одного-чотирьох модифікованих нуклеотидів. Така структура захищає 5"-кінець м-РНК від ендонуклеаз
• за "ковпачком" йде 5"-нетрансльована область - послідовність з декількох десятків нуклеотидів. Вона комплементрана одному з відділів тієї р-РНК, яка входить у малу субодиницю рибосоми. За рахунок цього вона служить для первинного зв'язування м-РНК з рибосомою, але сама не транслюється
• ініціюючий кодон - АУГ, що кодує метіонін. У всіх м-РНК ініціюючий кодон є однаковим. З нього починається трансляція (зчитування) м-РНК. Якщо після синтезу пептидного ланцюга метіонін не потрібен, він, як правило, відщеплюється з його N-кінця.
• За ініціюючим кодоном слідує кодуюча частина, що містить інформацію про послідовність амінокислот у білку. У еукаріотів зрілі м-РНК є моноцистронними, тобто. кожна з них несе інформацію про структуру лише одного поліпептидного ланцюга.

  Інша справа, що іноді пептидний ланцюг незабаром після утворення на рибосомі розрізається на кілька дрібніших ланцюгів. Так буває, наприклад, при синтезі інсуліну та цілого ряду олігопептидних гормонів.

  Кодуюча частина зрілої м-РНК еукаріотів позбавлена ​​інтронів - будь-яких вставних послідовностей, що не кодують. Іншими словами, є безперервна послідовність смислових кодонів, яка повинна читатись у напрямку 5" ->3".

• Після закінчення цієї послідовності знаходиться кодон термінації - один із трьох "безглуздих" кодонів: УАА, УАГ або УГА (див. табл. генетичного коду нижче).
• За цим кодоном може слідувати ще 3"-нетрансльований ділянку, що значно перевищує по довжині 5'-нетрансльовану область.
• Нарешті, майже всі зрілі мРНК еукаріотів (крім гістонових мРНК) на 3"-кінці містять полі(А)-фрагмент із 150-200 аденілових нуклеотидів.

3"-нетрансльований ділянку та полі(А)-фрагмент мають відношення до регуляції тривалості життя м-РНК, оскільки руйнування м-РНК здійснюється 3"-екзонуклеазами. Після закінчення трансляції м-РНК від полі(А)-фрагменту відщеплюються 10-15 нуклеотидів. Коли цей фрагмент вичерпується, починає руйнуватися значна частина мРНК (якщо відсутня 3"-нетрансльована ділянка).

Загальна кількість нуклеотидів у мРНК зазвичай варіює близько кількох тисяч. При цьому на частину, що кодує, іноді може припадати лише 60-70% нуклеотидів.

У клітинах молекули мРНК майже завжди пов'язані з білками. Останні, ймовірно, стабілізують лінійну структуру мРНК, тобто попереджають освіту в частині, що кодує "шпильок". Крім того, білки можуть захищати мРНК від передчасного руйнування. Такі комплекси мРНК із білками іноді називають інформосомами.

Транспортна РНК у цитоплазмі клітини переносить амінокислоти в активованій формі до рибосом, де вони з'єднуються у пептидні ланцюги у певній послідовності, яку задає РНК-матриця (мРНК). В даний час відомі дані про нуклеотидну послідовність більш ніж 1700 видів тРНК із прокаріотичних та еукаріотичних організмів. Всі вони мають спільні риси як у їх первинній структурі, так і у способі складання полінуклеотидного ланцюга у вторинну структуру за рахунок комплементарної взаємодії нуклеотидів, що входять до їх структури.

Транспортна РНК у своєму складі містить не більше 100 нуклеотидів, серед яких відзначається високий вміст мінорних або модифікованих нуклеотидів. Першою повністю розшифрованою транспортною РНК була аланінова РНК, виділена з дріжджів. Аналіз показав, що аланінова РНК складається з 77 нуклеотидів, розташованих у строго визначеній послідовності; до їх складу входять так звані мінорні нуклеотиди, представлені нетиповими нуклеозидами дигідроуридин (dgU) та псевдоуридин (Ψ); інозин (I): порівняно з аденозином, аміногрупа заміщена на кетогрупу; метилінозин (мI), метил- та диметилгуанозин (мG і м 2 G); метилуридин (мU): те саме, що риботимидин. Аланінова тРНК містить 9 незвичайних основ з однією або декількома метильними групами, які приєднуються до них ферментативним шляхом вже після утворення фосфодіефірних зв'язків між нуклеотидами. Ці підстави нездатні до утворення традиційних пар; можливо, вони служать для того, щоб перешкоджати спаровування основ у певних частинах молекули і таким чином оголювати специфічні хімічні групи, які утворюють вторинні зв'язки з інформаційною РНК, рибосомою або, можливо, з ферментом, необхідним для приєднання певної амінокислоти до відповідної транспортної РНК. Відома послідовність нуклеотидів у тРНК по суті означає, що відома також його послідовність у генах, у яких ця тРНК синтезується. Цю послідовність можна вивести на основі правил специфічного спарювання підстав, встановлених Уотсоном і Криком. У 1970 році була синтезована повна дволанцюжкова молекула ДНК з відповідною послідовністю з 77 нуклеотидів, і виявилося, що вона може бути матрицею для побудови аланінової транспортної РНК. То справді був перший штучно синтезований ген.

Транскрипція тРНК

Транскрипція молекул т-РНК походить з послідовностей, що кодують її, в ДНК за участю ферменту РНК-полімерази III. У результаті транскрипції формується первинна структура тРНК як лінійної молекули. Формування починається зі складання РНК-полімеразою послідовності нуклеотидів відповідно до гена, що містить інформацію про дану транспортну РНК. Ця послідовність являє собою лінійний полінуклеотидний ланцюг, в якому нуклеотиди йдуть один за одним. Лінійний полінуклеотидний ланцюг є первинною РНК, попередницею тРНК, що включає інтрони - неінформативні надлишки нуклеотидів. У цьому рівні організації пре-тРНК не функціональна. Утворюючись у різних місцях ДНК хромосом пре-тРНК містить надлишки приблизно 40 нуклеотидів порівняно зі зрілою тРНК.

Другим етапом новостворена попередниця тРНК проходить післятранскрипційне дозрівання або процесинг. У ході процесингу видаляються неінформативні надлишки пре-РНК і утворюються зрілі, функціональні молекули РНК.

Процесинг пре-тРНК

Процесинг починається з того, що в транскрибті утворюється внутрішньомолекулярні водневі зв'язки і молекула тРНК набуває форми конюшинного листа. Це вторинний рівень організації тРНК, у якому молекула тРНК ще функціональна. Далі відбувається вирізування неінформативних ділянок з пре-РНК, зрощування інформативних ділянок "розірваних генів" - сплайсинг та модифікація 5"- та 3"-кінцевих ділянок РНК.

Вирізання неінформативних ділянок пре-РНК здійснюється за допомогою рибонуклеаз (екзо- та ендонуклеаз). Після видалення надлишків нуклеотидів відбувається метилювання основ тРНК. Реакція здійснюється метилтрансферазами. У ролі донора метильних груп виступає S-аденозілметіонін. Метилювання перешкоджає руйнуванню тРНК нуклеазами. Остаточно зріла тРНК утворюється шляхом приєднання специфічної трійки нуклеотидів (акцепторного кінця) – ЦЦА, яке здійснюється спеціальною РНК-полімеразою.

По завершенні процесингу у вторинній структурі знову утворюються додаткові водневі зв'язки за рахунок яких тРНК переходить на третинний рівень організації та набуває вигляду так званої L-форми. У такому вигляді тРНК іде у гіалоплазму.

Будова тРНК

В основі структури транспортної РНК лежить ланцюжок нуклеотидів. Однак через те, що будь-який ланцюжок нуклеотидів має позитивно і негативно заряджені частини, він не може перебувати в клітині в розгорнутому стані. Ці заряджені частини, притягуючись один до одного, легко утворюють між собою водневі зв'язки за принципом комплементарності. Водневі зв'язки химерно скручують нитку т-РНК та утримують її в такому положенні. В результаті цього вторинна структура т-РНК має вигляд "конюшинного листа" (рис.), Що містить у своїй структурі 4 дволанцюгових ділянки. Високий вміст мінорних або модифікованих нуклеотидів, що відзначаються в ланцюзі тРНК та нездатних до комплементарних взаємодій, формує 5 одноланцюгових ділянок.

Т.ч. вторинна структура т-РНК утворюється внаслідок внутрішньоланцюжкового спарювання комплементарних нуклеотидів окремих ділянок тРНК. Ділянки тРНК, які не залучаються до утворення водневих зв'язків між нуклеотидами, утворюють петлі або лінійні ланки. У тРНК виділяють такі структурні ділянки:

1. Акцепторна ділянка (кінець)що складається з чотирьох лінійно розташованих нуклеотидів, три з яких мають у всіх типах тРНК однакову послідовність - ЦЦА. Гідроксил 3"-ВІН аденозину вільний. До нього приєднується карбоксильною групою амінокислота, звідси і назва цієї ділянки тРНК - акцепторний. Пов'язану з 3"-гідроксильною групою аденозину амінокислоту тРНК доставляє до рибосом, де відбувається синтез білка.
2. Антикодонова петлязазвичай утворюється сімома нуклеотидами. Вона містить специфічний для кожної тРНК триплет нуклеотидів, який називається антикодоном. Антикодон тРНК за принципом комплементарності випаровується з кодоном мРНК. Кодон-антикодонова взаємодія визначає порядок розташування амінокислот у поліпептидному ланцюгу під час складання її в рибосомах.
3. Псевдоуридилова петля (або ТΨС-петля), що складається з семи нуклеотидів і обов'язково містить залишок псевдоуридилової кислоти Припускають, що псевдоуридилова петля бере участь у зв'язуванні тРНК із рибосомою.
4. Дигідроурідінова, або D-петля, що складається зазвичай з 8-12 нуклеотидних залишків, серед яких обов'язково є кілька залишків дигідроурідину. Вважають, що D-петля необхідна для зв'язування з аміноацил-тРНК-синтетазою, яка бере участь у впізнанні амінокислотою своєї тРНК (див. "Біосинтез білка"),
5. Додаткова петля, Яка варіює за розмірами та складом нуклеотидів у різних тРНК.

Третинна структура т-РНК вже не має форми конюшинного листа. За рахунок утворення водневих зв'язків між нуклеотидами з різних частин "аркуша конюшини" його пелюстки загортаються на тіло молекули і утримуються в такому положенні додатково ван-дер-ваальсові зв'язки, нагадуючи собою форму літери Г або L. Наявність стабільної третинної структури є ще однією особливістю т -РНК, на відміну довгих лінійних полінуклеотидів м-РНК. Зрозуміти, як саме згинаються різні частини вторинної структури т-РНК при утворенні третинної структури можна за рис., зіставивши кольори схеми вторинної та третинної структури т-РНК.

Транспортні РНК (т-РНК) переносять амінокислоти з цитоплазми до рибосоми у процесі синтезу білка. З таблиці з генетичним кодом видно, кожна амінокислота кодується декількома послідовностями нуклеотидів, тому кожній амінокислоті відповідають свої транспортні РНК. Внаслідок цього існує велика різноманітність т-РНК: від одного до шести видів для кожної з 20 амінокислот. Види тРНК, здатні зв'язувати ту саму амінокислоту, називаються ізоакцепторними (наприклад аланін може бути приєднаний до т-РНК, антикодон якої буде комплементований кодонам GCU, GCC, GCA, GCG). Специфіка тРНК позначається верхнім індексом, наприклад: тРНК Ala .

Для процесу синтезу білка головними функціональними частинами т-РНК є: антикодон - послідовність нуклеотидів, що знаходяться на антикодоновій петлі, комплементарний кодону інформаційної РНК (і-РНК) і акцепторна частина - протилежний антикодону кінець т-РНК, до якого приєднується амінокислота. Послідовність основ в антикодоні безпосередньо залежить від виду амінокислоти, прикріпленої до 3"-кінця. Так, наприклад, т-РНК, антикодон якої має послідовність 5"-ЦЦА-3", може нести тільки амінокислоту триптофан. Слід зазначити, що ця залежність лежить в основі передачі генетичної інформації, носієм якої є т-РНК.

У процесі синтезу білка т-РНК антикодон розпізнає трибуквенну послідовність генетичного коду (кодону) і-РНК, зіставляючи їй єдину відповідну амінокислоту, закріплену на іншому кінці тРНК. Тільки у разі комплементарності антикодону до ділянки мРНК транспортна РНК може до неї приєднатися і віддати амінокислоту, що переноситься, на формування протеїнового ланцюжка. Взаємодія т-РНК та і-РНК відбувається у рибосомі, яка також є активним учасником трансляції.

Розпізнавання т-РНК своєї амінокислоти та кодону та-РНК відбувається певним чином:

• Зв'язування "своєї" амінокислоти з т-РНК відбувається за допомогою ферменту - специфічної аміноацил-тРНК-синтетази

  Існує велика різноманітність аміноацил-тРНК-синтетаз - за кількістю тРНК, що використовуються амінокислотами. Скорочено їх називають АРСази. Аміноацил-тРНК-синтетази - великі молекули (мол.маса 100 000 - 240 000), що мають четвертинну структуру. Вони специфічно дізнаються про тРНК і амінокислоти і каталізують їх сполуку. Для цього процесу потрібна АТФ, енергія якої використовується на активування амінокислоти з карбоксильного кінця і приєднання її до гідроксилу (3"-ОН) аденозину акцепторного кінця (ЦЦА) тРНК. принаймні три центри зв'язування: для амінокислоти, ізоакцепторних тРНК і АТФ У центрах зв'язування відбувається утворення ковалентного зв'язку, відповідно амінокислоти тРНК, і гідроліз такого зв'язку у разі їх невідповідності (приєднання до тРНК "не тієї" амінокислоти).

  АРСази мають здатність вибірково використовувати при впізнанні асортименти тРНК для кожної амінокислоти, тобто. провідною ланкою впізнавання є амінокислота, а до неї підганяється своя тРНК. Далі тРНК шляхом простої дифузії переносить приєднану до неї амінокислоту до рибосом, де відбувається складання білка з амінокислот, що надходять у вигляді різних аміноацил-тРНК.

  

  Зв'язування амінокислоти з тРНК

  Зв'язування тРНК та амінокислоти відбувається таким чином (рис.): до аміноацил-тРНК-синтетази приєднується амінокислота та молекула АТФ. Для подальшого аміноацелювання молекула АТФ вивільняє енергію, відщеплюючи дві фосфатні групи. АМФ (аденозинмонофосфат), що залишився, приєднується до амінокислоти, готуючи її до з'єднання з акцепторною ділянкою тРНК - акцепторною шпилькою. Після цього синтетаза приєднує до себе відповідну амінокислоту споріднену тРНК. На цьому етапі відбувається перевірка відповідності синтетазі тРНК. У разі відповідності тРНК щільно приєднується до синтетази, змінюючи її структуру, що призводить до запуску процесу аміноацелювання - приєднання амінокислоти до тРНК.

  Аміноацилювання відбувається у процесі заміни приєднаної до амінокислоти молекули АМФ на молекулу тРНК. Після цієї заміни АМФ залишає синтетазу, а тРНК затримується для останньої перевірки амінокислоти.

  Перевірка відповідності тРНК приєднаної амінокислоти

  Модель синтетази для перевірки відповідності тРНК приєднаної амінокислоти передбачає наявність двох активних центрів: синтетичного та корекційного. У синтетичному центрі відбувається приєднання тРНК до амінокислоти. Акцепторний ділянку тРНК, захопленої синтетазою, спочатку контактує з синтетичним центром, де вже розміщена амінокислота, сполучена з АМФ. Цей контакт акцепторного ділянки тРНК надає йому неприродний вигин до приєднання амінокислоти. Після того, як відбувається приєднання амінокислоти з акцепторною ділянкою тРНК, необхідність знаходження даної ділянки в синтетичному центрі відпадає, тРНК розпрямляється та переміщує приєднану до неї амінокислоту до корекційного центру. При розбіжності розмірів молекули амінокислоти, приєднаної до тРНК, та розмірів корекційного центру, амінокислота упізнається як неправильна та від'єднується від тРНК. Синтетаза готова до наступного циклу. При збігу розмірів молекули амінокислоти, приєднаної до тРНК, та розмірів корекційного центру, заряджена амінокислотою тРНК звільняється: вона готова зіграти роль у трансляції протеїну. А синтетаза готова приєднати нові амінокислоти та тРНК, і почати повторний цикл.

  З'єднання невідповідної амінокислоти з синтетазою в середньому відбувається в 1-му випадку з 50 тис., а з помилковою тРНК лише один раз на 100 тисяч приєднань.

• Взаємодія кодону м-РНК та антикодону т-РНК відбувається за принципом комплементарності та антипаралельності

  Взаємодія тРНК з кодоном мРНК за принципом комплементраності та антипаралельності означає: оскільки сенс кодону мРНК читається у напрямку 5"->3", то антикодон у тРНК повинен читатися у напрямку 3"->5". При цьому перші дві підстави кодону і антикодону спаровуються строго комплементарно, тобто утворюються лише пари А У і Г Ц. Спарювання ж третіх підстав може відступати від цього принципу. Допустимі пари визначаються схемою:

  Зі схеми випливає наступне.

  • Молекула тРНК зв'язується лише з 1-м типом кодону, якщо третій нуклеотид у її антикодоні – Ц або А
  • тРНК пов'язується з двома типами кодонів, якщо антикодон закінчується на У або Р.
  • І, нарешті, тРНК пов'язується з трьома типами кодонів, якщо антикодон закінчується на І (інозиновий нуклеотид); така ситуація, зокрема, в аланіновій тРНК.

    Звідси, у свою чергу, випливає, що для впізнавання 61 смислового кодону потрібна, в принципі, не така сама, а менша кількість різних тРНК.

  Рибосомальна РНК

  

  Рибосомальні РНК є основою для формування субодиниць рибосом. Рибосоми забезпечують просторове взаєморозташування мРНК та тРНК у процесі синтезу білка.

  Кожна рибосома складається з великої та малої субодиниць. Субодиниці включають велику кількість білків і рибосомальні РНК, які не піддаються трансляції. Рибосоми, як і рибосомальні РНК, розрізняються за коефіцієнтом седиментації (осадження), що вимірюється в одиницях Сведберга (S). Цей коефіцієнт залежить від швидкості осадження субодиниць при центрифугуванні в насиченому водному середовищі.

  Кожна рибосома еукаріотів має коефіцієнт седиментації, рівний 80S, і її прийнято позначати як 80S-частинку. Вона включає

  • малу субодиницю (40S), що містить рибосомальну РНК з коефіцієнтом седиментації 18S рРНК та 30 молекул різних білків,
  • велику субодиницю (60S), яка включає 3 різні молекули рРНК (одну довгу та дві короткі - 5S, 5,8S та 28S), а також 45 білкових молекул.

    Субодиниці утворюють "скелет" рибосоми, кожен з яких оточений своїми білками. Коефіцієнт седиментації повної рибосоми не збігається із сумою коефіцієнтів двох її субодиниць, що пов'язано з просторовою конфігурацією молекули.

  Пристрій рибосом прокаріотів та еукаріотів приблизно однаковий. Відрізняються вони лише молекулярною масою. Бактеріальна рибосома має коефіцієнт седиментації 70S і позначається як 70S-частка, що вказує на меншу швидкість осадження; містить

  • малу (30S) субодиницю - 16S рРНК + білки
  • велику субодиницю (50S) - 23S рРНК + 5S рРНК + білки великої субчастинки (мал.)

  У рРНК серед азотистих основ вище ніж зазвичай вміст гуаніну та цитозину. Трапляються також мінорні нуклеозиди, але не так часто, як у тРНК: приблизно 1%. Це, в основному, нуклеозиди, метильовані по рибоз. У вторинній структурі рРНК багато дволанцюгових ділянок та петель (мал.). Така будова молекул РНК, що утворюються у двох послідовно проходять процесах - транскрипції ДНК і дозріванні (процессингу) РНК.

  Транскрипція рРНК з ДНК та процесинг рРНК

  ПрерРНК утворюється в ядерці, де знаходяться транскриптони рРНК. Траснкрипція рРНК із ДНК відбувається за допомогою двох додаткових РНК-полімераз. РНК-полімераза I транскрибує 5S, 5,8S і 28S у вигляді одного довгого 45S-транскрипта, який потім поділяється на необхідні частини. Таким чином, забезпечується рівну кількість молекул. В організмі людини в кожному гаплоїдному геном присутні близько 250 копій послідовності ДНК, що кодує 45S-транскрипт. Вони розташовані в п'яти кластерних тандемних повторах (тобто попарно один за одним) в коротких плечах хромосом 13, 14, 15, 21 і 22. Дані ділянки відомі як ядерцеві організатори, так як їх транскрипція і подальший процесинг 45S-транскрипт ядерця.

  Не менш ніж у трьох кластерах хромосоми 1 існує 2000 копій 5S-pPHK гена. Їхня транскрипція протікає в присутності РНК-полімерази III зовні ядерця.

  У процесі процесингу залишається трохи більше половини пре-рРНК і звільняються зрілі рРНК. Частина нуклеотидів рРНК піддається модифікації, що полягає у метилюванні основ. Реакція здійснюється метилтрансферазами. У ролі донора метальних груп виступає S-аденозілметіонін. Зрілі рРНК з'єднуються в ядрі з білками рибосом, що надходять сюди з цитоплазми, і утворюють малу та велику субчастинки рибосом. Зрілі рРНК транспортуються з ядра до цитоплазми в комплексі з білком, який додатково захищає їх від руйнування та сприяє перенесенню.

  Центри рибосом

  Рибосоми суттєво відрізняються від інших органел клітини. У цитоплазмі вони зустрічаються у двох станах: у непрацюючому, коли велика та мала субодиниці відокремлені одна від одної, і в активному – під час виконання своєї функції – синтезу протеїну, коли субодиниці з'єднуються одна з одною.

  Процес з'єднання субодиниць рибосом або складання активної рибосоми позначається як ініціація трансляції. Ця збірка відбувається строго впорядкованим чином, що забезпечується багатофункціональними центрами рибосом. Всі ці центри знаходяться на поверхнях, що контактують, обох субодиниць рибосоми. До них відносяться:

  1. Центр зв'язування мРНК (М-центр). Він утворений ділянкою 18S рРНК, яка комплементована протягом 5-9 нуклеотидів 5"-нетрансльованого фрагменту мРНК
  2. Пептидильний центр (П-центр). На початку процесу трансляції з ним зв'язується ініціююча аа-тРНК. У еукаріотів ініціювальний кодон всіх мРНК завжди кодує метіонін, тому ініціюючою аа-тРНК є одна з двох метіонінових аа-тРНК, що відзначається нижнім індексом i: Мет-тРНК i Met . На наступних стадіях трансляції в П-центрі знаходиться пептидил-тРНК, що містить вже синтезовану частину пептидного ланцюга.

     Іноді говорять також про Е-центр (від "exit" - вихід), куди переміщається тРНК, що втратила зв'язок з пептидилом, перед тим як залишити рибосому. Однак можна розглядати цей центр як складову П-центру.

  3. Амінокислотний центр (А-центр) – місце зв'язування чергової аа-тРНК.
  4. Пептидилтрансферазный центр (ПТФ центр) - він каталізує перенесення пептидила зі складу пептидил-тРНК на що надійшла А центр чергову аа-тРНК. При цьому утворюється ще один пептидний зв'язок і пептиди подовжується на одну амінокислоту.

  Як в амінокислотному центрі, так і в пептидильному центрі антикодонова петля відповідної тРНК (аа-тРНК або пептидил-тРНК), очевидно, звернена до М-центру - центру зв'язування матричної РНК (взаємодіючи з мРНК), а акцепторна ПТФ центру.

  Розподіл центрів між субодиницями

  Розподіл центрів між субодиницями рибосоми відбувається так:

  • Мала субодиниця.Оскільки саме вона містить 18S-рРНК, з ділянкою якої зв'язується мРНК, то центр знаходиться на даній субодиниці. Крім того, тут знаходяться основна частина А-центру і невелика частина П-центру.
  • Велика субодиниця. На її контактуючій поверхні розташовані інші частини П-і A-центрів. У разі П-центру – це його основна частина, а у разі А-центру – ділянка зв'язування акцепторної петлі аа-тРНК з амінокислотним радикалом (аміноацилом); решта ж і більшість аа-тРНК пов'язується з малою субодиницею. Великій субодиниці належить також ПТФ центр.
  Усі ці обставини визначають порядок складання рибосоми на стадії ініціації трансляції.

  Ініціація рибосоми (підготовка рибосоми до синтезу білка)

  Синтез білка, або власне трансляцію, прийнято розділяти на три фази: ініціації (початок), елонгації (подовження поліпептидного ланцюга) та термінації (закінчення). У фазу ініціації відбувається підготовка рибосоми до роботи: поєднання її субодиниць. У бактеріальних та еукаріотичних рибосом з'єднання субодиниць та початок трансляції протікає по-різному.

  Початок трансляції – найповільніший процес. У ньому крім субодиниць рибосоми, мРНК та тРНК беруть участь ГТФ та три білкові фактори ініціації (IF-1, IF-2 та IF-3), які не є складовими компонентами рибосоми. Фактори ініціації полегшують зв'язування мРНК із малою субодиницею та ГТФ. ГТФ за рахунок гідролізу забезпечує енергією процес змикання субодиниць рибосоми.

  

  1. Ініціація починається з того, що мала субодиниця (40S) пов'язується з фактором ініціації IF-3, внаслідок цього виникає перешкода до передчасного зв'язування великої субодиниці та можливість приєднання до неї мРНК.
  2. Далі до комплексу "мала субодиниця (40S) + IF-3" приєднується мРНК (своєю 5"-нетрансльованої ділянкою).
  3. Далі до комплексу "мала субодиниця + IF-3 + мРНК" приєднуються ще два фактори ініціації: IF-1 та IF-2, при цьому останній несе з собою особливу транспортну РНК, яку називають ініціюючою аа-тРНК. До складу комплексу входить також ГТФ.

     Мала субодиниця з'єднуючись з мРНК представляє для зчитування два кодони. На першому їх протеїн IF-2 закріплює ініціаторну аа-тРНК. Другий кодон закриває протеїн IF-1, який блокує його і не дозволяє приєднатися до наступної тРНК до моменту повного складання рибосоми.

  4. Після зв'язування ініціюючої аа-тРНК, тобто Мет-тРНК i Met за рахунок комплементарної взаємодії з мРНК (ініціювальний кодон АУГ) та встановлення її на своє місце у П-центрі відбувається зв'язування субодиниць рибосоми. ГТФ гідролізується до ГДФ і неорганічного фосфату, а енергія, що виділяється при розриві даної макроергічної зв'язку створює термодинамічний стимул для протікання процесу в потрібному напрямку. Одночасно фактори ініціації залишають рибосому.

  Таким чином, формується своєрідний "бутерброд" із чотирьох основних компонентів. При цьому в П-центрі зібраної рибосоми виявляються ініціюючий кодон мРНК (АУГ) і пов'язана з ним аа-тРНК, що ініціює. Остання при утворенні першого пептидного зв'язку грає роль пептидил-тРНК.

  

  Транскрипти РНК, синтезовані за допомогою РНК-полімерази, зазвичай зазнають подальших ферментативних перетворень, звані посттранскрипційним процесингом, і тільки після цього вони набувають своєї функціональної активності. Транскрипти незрілої матричної РНК звуться гетерогенної ядерної РНК (гяРНК). Вони складаються з суміші дуже довгих молекул РНК, що містять інтрони та екзони. Дозрівання (процесинг) гяРНК у еукаріотів включає кілька стадій, в одну з яких відбувається видалення інтронів - нетрансльованих вставних послідовностей та зшивання екзонів. Процес протікає таким чином, що наступні один за одним екзони, тобто кодуючі фрагменти мРНК ніколи фізично не роз'єднуються. Екзони дуже точно з'єднуються між собою за допомогою молекул, які називаються малими ядерними РНК (мяРНК). Функція цих коротких ядерних РНК, що складаються приблизно з 100 нуклеотидів, довго залишалася незрозумілою. Її вдалося встановити після того, як було виявлено, що їхня нуклеотидна послідовність комплементарна послідовностям на кінцях кожного з інтронів. В результаті спарювання основ, що містяться в мяРНК і на кінцях згорнутого в петлю інтрона, послідовності двох екзонів зближуються таким чином, що стає можливим видалення інтрону, що розділяє їх, і ферментативне з'єднання (сплайсинг) кодуючих фрагментів (екзонів). Таким чином, молекули мяРНК грають роль тимчасових матриць, що утримують близько один від одного кінці двох екзонів для того, щоб сплайсинг відбувся у правильному місці (рис.).

  Перетворення гяРНК на іРНК шляхом видалення інтронів проходить у ядерному комплексі РНК-білків, званому сплайсомою. Кожна сплайсома має ядро, що складається з трьох малих (низкомолекулярних) ядерних рибонуклеопротеїнів, або снурпів. Кожен снурп містить хоча б одну малу ядерну РНК та кілька білків. Існує кілька сотень різних малих ядерних РНК, що транскрибуються в основному РНК-полімеразою II. Вважають, що їхня основна функція - розпізнавання специфічних рибонуклеїнових послідовностей за допомогою спарювання основ за типом РНК-РНК. Для процесингу гяРНК найважливіші Ul, U2, U4/U6 і U5.

  Мітохондріальна РНК

  Мітохондріальна ДНК являє собою безперервну петлю і кодує 13 поліпептидів, 22 тРНК та 2 рРНК (16S та 23S). Більшість генів знаходяться на одному (важкому) ланцюгу, проте деяка їхня кількість розташована і на комплементарному їй легкому. При цьому обидва ланцюги транскрибуються у вигляді безперервних транскриптів за допомогою мітохондріоспецифічної РНК-полімерази. Цей фермент кодується ядерним геном. Довгі молекули РНК потім розщеплюються на 37 окремих видів, а мРНК, рРНК та тРНК спільно транслюють 13 мРНК. Велика кількість додаткових білків, які надходять до мітохондрії з цитоплазми, транслюються з ядерних генів. У пацієнтів із системним червоним вовчаком виявляють антитіла до снурп-білків власного організму. Крім того, вважають, що певний набір генів малої ядерної РНК хромосоми 15q відіграє важливу роль у патогенезі синдрому Прадера-Віллі (спадкове поєднання олігофренії, низького зростання, ожиріння, гіпотонії м'язів).

  
  

Взаємодія та будова ІРНК, ТРНК, РРНК – трьох основних нуклеїнових кислот, що розглядає така наука, як цитологія. Вона допоможе з'ясувати, яка роль транспортної (ТРНК) у клітинах. Ця дуже маленька, але водночас незаперечно важлива молекула бере участь у процесі комбінування білків, у тому числі складається організм.

Яка будова ТРНК? Дуже цікаво розглянути «зсередини» цю речовину, пізнати її біохімію та біологічну роль. А також, як будова ТРНК та її роль у синтезі білка взаємопов'язані?

Що таке ТРНК, як вона влаштована?

Транспортна рибонуклеїнова кислота бере участь у побудові нових білків. Майже 10% всіх рибонуклеїнових кислот – транспортні. Щоб було зрозуміло, з яких хімічних елементів утворено молекулу, розкажемо будову вторинної структури ТРНК. Вторинна структура розглядає всі основні хімічні зв'язки між елементами.

Складається з полінуклеотидного ланцюга. Азотисті основи у ній пов'язані водневими зв'язками. Як і в ДНК, РНК має 4 азотисті основи: аденін, цитозин, гуанін, та урацил. У цих сполуках аденін завжди пов'язаний з урацилом, а гуанін, як завжди, з цитозином.

Чому нуклеотид має приставку рибо-? Просто всі лінійні полімери, що мають рибозу замість пентози в основі нуклеотиду, називаються рибонуклеїновими. А транспортна РНК - це один із трьох видів саме такого, рибонуклеїнового полімеру.

Будова ТРНК: біохімія

Заглянемо у найглибші шари будови молекули. Ці нуклеотиди мають 3 складові:

1. Сахароза, у всіх видах РНК бере участь рибоза.
2. Фосфорна кислота.
3. Азотисті та піримідини.

Азотисті основи поєднуються між собою міцними зв'язками. Прийнято розділяти основи на пуринові та піримідинові.

Пурини - це аденін та гуанін. Аденіну відповідає аденіловий нуклеотид із двох взаємозалежних кілець. А гуаніну відповідає такий же «однокільцевий» гуаніновий нуклеотид.

Пірамідини – це цитозин та урацил. Пірімідини мають структуру з одного кільця. Тіміну в РНК немає, тому що його замінює такий елемент, як урацил. Це важливо зрозуміти, як звертати увагу інші особливості будови ТРНК.

Види РНК

Як бачимо, будову ТРНК коротко не описати. Потрібно заглибитись у біохімію, щоб зрозуміти призначення молекули та її справжню структуру. Які ще відомі рибосомні нуклеотиди? Розрізняють також матричну або інформаційну та рибосомну нуклеїнові кислоти. Скорочено ІРНК та РРНК. Усі 3 молекули тісно співпрацюють у клітині один з одним, щоб організм отримував правильно структуровані глобули білка.

Неможливо уявити роботу одного полімеру самостійно 2 інших. Особливості будови ТРНК стають зрозумілішими, коли розглядаються у взаємозв'язку з функціями, які безпосередньо пов'язані з роботою рибосом.

Будова ІРНК, ТРНК, РРНК багато в чому схожі. Усі мають у основі рибозу. Проте структура та функції у них різні.

Відкриття нуклеїнових кислот

Швейцарцем Йоганном Мішером були знайдені в ядрі клітини в 1868 макромолекули, названі нуклеїнами згодом. Назва «нуклеїни» походить від слова (nucleus) – ядро. Хоча трохи пізніше було встановлено, що одноклітинні істоти, що не мають ядра, ці речовини також присутні. У середині XX століття отримано Нобелівську премію за відкриття синтезу нуклеїнових кислот.

у синтезі білка

Сама назва – транспортна РНК говорить про основну функцію молекули. Ця нуклеїнова кислота «привозить» із собою необхідну амінокислоту, потрібну рибосомної РНК для створення конкретного білка.

У молекули ТРНК функцій небагато. Перша – розпізнавання кодону ІРНК, друга функція – це доставка будівельних «цеглинок» – амінокислот для синтезу білка. Ще деякі спеціалісти виділяють акцепторну функцію. Тобто приєднання за ковалентним принципом амінокислот. Допомагає "прикріпити" цю амінокислоту такий фермент, як аміноцил-ТРНК-синтатаз.

Як будова ТРНК пов'язані з її функціями? Ця особлива рибонуклеїнова кислота влаштована так, що на одному її боці є азотисті основи, які завжди з'єднуються попарно. Це відомі нам елементи - А, У, Ц, Г. Рівне 3 «літери» або азотисті основи, становлять антикодон - зворотний набір елементів, що взаємодіє з кодоном за принципом комплементарності.

Ця важлива особливість будови ТРНК гарантує, що помилок при декодуванні матричної нуклеїнової кислоти не буде. Адже від точної послідовності амінокислот залежить, чи правильно синтезується потрібний організму в даний час білок.

Особливості будови

Які особливості будови ТРНК та її біологічна роль? Це дуже давня структура. Її розміри десь 73 – 93 нуклеотиди. Молекулярна маса речовини – 25 000-30 000.

Будівлю вторинної структури ТРНК можна розібрати, вивчивши 5 основних елементів молекули. Отже, ця нуклеїнова кислота складається з таких елементів:

• петля для контакту із ферментом;
• петля для контакту з рибосомою;
• антикодонова петля;
• акцепторне стебло;
• сам антикодон.

І також виділяють малу варіабельну петлю у вторинній структурі. Одне плече у всіх видів ТРНК однакове — стебло із двох залишків цитозину та одного — аденозину. Саме в цьому місці відбувається зв'язок з 1 з 20 наявних амінокислот. Для кожної амінокислоти призначено окремий фермент - свій аміноацил-тРНК.

Вся інформація, яка шифрує будову всіх, міститься в самій ДНК. Будова ТРНК у всіх живих істот на планеті практично ідентична. Вона буде виглядати як лист, якщо розглядати її у 2-D форматі.

Однак якщо глянути об'ємно, молекула нагадує L-подібну геометричну структуру. Це вважається третинна структура ТРНК. Але для зручності вивчення її прийнято візуально «розкручувати». Третинна структура утворюється внаслідок взаємодії елементів вторинної структури тих частин, які взаємокомпліментарні.

Плечі ТРНК чи кільця відіграють важливу роль. Одне плече, наприклад, необхідне хімічного зв'язку з певним ферментом.

Характерною особливістю нуклеотиду є наявність великої кількості нуклеозидів. Цих мінорних нуклеозидів понад 60 видів.

Будова ТРНК та кодування амінокислот

Ми знаємо, що антикодон ТРНК становить 3 молекули. Кожному антикодону відповідає певна, особиста амінокислота. Ця амінокислота з'єднана з молекулою ТРНК з допомогою спеціального ферменту. Як тільки 2 амінокислоти поєднуються, зв'язки з ТРНК розпадаються. Усі хімічні сполуки та ферменти потрібні до часу. Саме так взаємопов'язані будова та функції ТРНК.

Загалом у клітині присутній 61 тип таких молекул. Математичних варіацій може бути 64. Однак 3 види ТРНК відсутні через те, що саме така кількість стопкодонів в ІРНК не має антикодонів.

Взаємодія ІРНК та ТРНК

Розглянемо взаємодію речовини з ІРНК та РРНК, а також особливості будови ТРНК. Структура та призначення макромолекули взаємопов'язані.

Структура ІРНК копіює інформацію з окремої ділянки ДНК. Сама ДНК надто велика сполука молекул, і вона ніколи не виходить з ядра. Тому потрібна посередницька РНК – інформаційна.

На основі послідовності молекул, що скопіювала ІРНК, рибосома будує білок. Рибосома - це окрема полінуклеотидна структура, будову якої необхідно пояснити.

Рибосомна ТРНК: взаємодія

Рибосомна РНК це величезна органела. Її молекулярна вага 1 000 000 – 1 500 000. Майже 80 % усієї кількості РНК – саме рибосомні нуклеотиди.

Вона як би захоплює ланцюг ІРНК і чекає на антикодони, які принесуть із собою молекули ТРНК. Складається рибосомна РНК із двох субодиниць: малої та великої.

Рибосому називають «фабрикою», оскільки у цій органелі відбувається весь синтез потрібних для повсякденного життя речовин. Це також дуже давня структура клітини.

Як відбувається синтез білка у рибосомі?

Будова ТРНК та її роль синтезі білка взаємопов'язані. Розташований антикодон на одній із сторін рибонуклеїнової кислоти підходить за своєю формою для основної функції - доставки амінокислот до рибосоми, де відбувається поетапне вибудовування білка. Власне, ТРНК виконує роль посередника. Її завдання лише принести необхідну амінокислоту.

Коли інформація зчитується з однієї частини ІРНК, рибосома рухається далі ланцюгом. Матриця потрібна лише передачі кодованої інформації про конфігурації та функції окремо взятого білка. Далі підходить до рибосоми інша ТРНК зі своїми азотистими основами. Вона також декодує таку частину ІРНК.

Декодування відбувається в такий спосіб. Азотисті основи об'єднуються за принципом комплементарності так само, як у самій ДНК. Відповідно, ТРНК бачить, куди йому потрібно «причалити» і до якого «ангару» відправити амінокислоту.

Потім у рибосомі вибрані у такий спосіб амінокислоти хімічно зв'язуються, крок за кроком формується нова лінійна макромолекула, яка після закінчення синтезу закручується в глобулу (кулю). Використані ТРНК та ІРНК, виконавши свою функцію, віддаляються від «фабрики» білка.

Коли перша частина кодону з'єднується з антикодон, визначається рамка зчитування. Згодом, якщо відбувається з якихось причин зсув рамки, якась ознака білка буде бракована. Рибосома не може втрутитися в цей процес і вирішити проблему. Тільки після завершення процесу дві субодиниці РРНК знову об'єднуються. У середньому на кожні 10 4 амінокислот припадає по 1 помилці. На 25 вже зібраних білків обов'язково зустрічається хоч одна помилка реплікації.

ТРНК як реліктові молекули

Оскільки ТРНК, можливо, існували за часів зародження життя землі, її називають реліктовою молекулою. Вважається, що РНК є найпершою структурою, яка існувала до ДНК, а потім еволюціонувала. Гіпотеза світу РНК - сформульована 1986 року лауреатом Волтером Гільбертом. Проте довести це поки що складно. На захист теорії виступають очевидні факти - молекули ТРНК можуть зберігати блоки інформації і якось реалізовувати ці відомості, тобто виконувати роботу.

Але противники теорії стверджують - невеликий період життя речовини не може гарантувати, що ТРНК є добрим носієм будь-якої біологічної інформації. Ці нуклеотиди швидко розпадаються. Термін життя ТРНК у клітинах людини коливається від кількох хвилин до кількох годин. Деякі види можуть протриматися до доби. А якщо говорити про такі ж нуклеотиди в бактеріях, то тут терміни набагато менші — до кількох годин. До того ж будова та функції ТРНК дуже складні, щоб молекула могла стати первинним елементом біосфери Землі.