Різні види ДНК і РНК – нуклеїнових кислот – це один з об’єктів вивчення молекулярної біології. Одним з найбільш перспективних і швидко розвиваються напрямків в цій науці в останні роки стало дослідження РНК.
Коротко про будову РНК
Отже, РНК, рибонуклеїнова кислота – це біополімер, молекула якого являє собою ланцюжок, утворену чотирма видами нуклеотидів. Кожен нуклеотид, в свою чергу, складається з азотистої основи (аденіну А, гуаніна Р, урацилу або У цитозина Ц) у поєднанні з цукром рибозой і залишком фосфорної кислоти. Фосфатні залишки, з’єднуючись з рибозами сусідніх нуклеотидів, «зшивають» складові блоки РНК в макромолекулу – полинуклеотид. Так утворюється первинна структура РНК.
Вторинна структура – освіта подвійний ланцюжка – утворюється на деяких ділянках молекули у відповідності з принципом комплементарності азотистих основ: аденін утворює пару з урацилом допомогою подвійної, а гуанін з цитозином – потрійний водневої зв’язку.
У робочій формі молекула РНК утворює також третинну структуру – особливе просторове будова, конформацію.
Синтез РНК
Всі види РНК синтезуються за допомогою ферменту РНК-полімерази. Вона може бути ДНК – і РНК-залежної, тобто каталізувати синтез як ДНК, так і РНК-матриці.
Синтез заснований на комплементарності підстав і антипараллельности напрямки читання генетичного коду і протікає в декілька 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 збірка молекули РНК над одним з ланцюжків, званої матричної (інша ланцюжок ДНК називається кодує – саме її копією є синтезуються РНК). Асиметричність промотору визначає, яка з ланцюжків ДНК буде служити матрицею, і тим самим дозволяє РНК-полимеразе ініціювати синтез в правильному напрямку.
Наступний етап називається элонгацией. Транскрипційний комплекс, що включає РНК-полімеразу і расплетенный ділянку з гібридом ДНК-РНК, починає рух. По мірі цього переміщення нарощувана ланцюжок РНК поступово відділяється, а подвійна спіраль ДНК расплетается перед комплексом та відновлюється за ним.
Завершальний етап синтезу настає, коли РНК-полімераза досягає особливого ділянки матриці, званого термінатором. Термінація (закінчення) процесу може досягатися різними способами.
Основні види РНК та їх функції в клітині
Вони наступні:
- Матрична або інформаційна (мРНК). За допомогою її здійснюється транскрипція – перенесення генетичної інформації з ДНК.
- Рибосомна (рРНК), що забезпечує процес трансляції – синтез білка на матриці мРНК.
- Транспортна (тРНК). Виробляє впізнавання і транспортування амінокислоти на рибосому, де відбувається синтез білка, а також приймає участь у трансляції.
- Малі РНК – великий клас молекул невеликої довжини, що здійснюють різноманітні функції в ході процесів транскрипції, дозрівання РНК, трансляції.
- РНК-геноми – кодують послідовності, які містять генетичну інформацію у деяких вірусів і вироидов.
У 1980-х роках була відкрита каталітична активність РНК. Молекули, що володіють цією властивістю, отримали назву рібозімов. Природних рібозімов поки відомо не так багато, каталітична здатність їх нижче, ніж у білків, однак у клітині вони виконують виключно важливі функції. В даний час ведуться успішні роботи по синтезу рібозімов, мають в тому числі і прикладне значення.
Зупинимося докладніше на різних видах молекул РНК.
Матрична (інформаційна) РНК
Ця молекула синтезується над расплетенным ділянкою ДНК, копіюючи таким чином ген, що кодує той чи інший білок.
РНК эукариотических кліток, перш ніж стати, у свою чергу, матрицею для синтезу білка, повинні дозріти, тобто пройти через комплекс різних модифікацій – процесинг.
Насамперед, ще на стадії транскрипції, молекула зазнає кэпированию: до її кінця приєднується особлива структура з одного або декількох модифікованих нуклеотидів – кеп. Він відіграє важливу роль у багатьох наступних процесах і підвищує стабільність мРНК. До іншого кінця первинного транскрипту приєднується так званий полі(А)хвіст – послідовність аденінових нуклеотидів.
Після цього пре-мРНК піддається сплайсингу. Це видалення з молекули некодирующих ділянок – інтронів, яких багато в ДНК еукаріотів. Далі відбувається процедура редагування мРНК, при якій хімічно модифікується її склад, а також метилювання, після чого зріла мРНК залишає клітинне ядро.
Рибосомна РНК
Основу рибосоми – комплексу, що забезпечує білковий синтез, складають дві довгі рРНК, які утворюють субчастицы рибосоми. Синтезуються вони спільно у вигляді однієї пре-рРНК, яка потім в ході процесингу розділяється. У велику субчастицу входить також низькомолекулярна рРНК, синтезуються з окремого гена. Рибосомные РНК мають щільно упакованої третинної структурою, яка служить каркасом для білків, присутніх в рибосомі і виконують допоміжні функції.
В неробочій фазі субодиниці рибосоми розділені; при ініціації трансляційного процесу рРНК малої субчастицы з’єднується з матричної РНК, після чого відбувається повне об’єднання елементів рибосоми. При взаємодії РНК малої субчастицы з мРНК остання як би простягається через рибосому (що рівнозначно руху рибосоми по мРНК). Рибосомна РНК великий субчастицы є рибозимом, тобто має ферментними властивостями. Вона каталізує утворення пептидних зв’язків між амінокислотами в ході синтезу білка.
Слід зазначити, що найбільша частина всієї РНК в клітині припадає на частку рибосомной – 70-80 %. ДНК володіє великою кількістю генів, що кодують рРНК, що забезпечує досить інтенсивну її транскрипцію.
Транспортна РНК
Ця молекула розпізнається певної амінокислотою за допомогою особливого ферменту і, з’єднуючись з нею, виробляє транспортування амінокислоти на рибосому, де служить посередником у процесі трансляції – синтезу білка. Перенесення здійснюється шляхом дифузії в цитоплазмі клітини.
Знову синтезовані молекули тРНК, так само як і інші види РНК, піддаються процесингу. Зріла тРНК в активній формі має конформацію, що нагадує лист конюшини. На «черешку» листа – акцепторном ділянці розташована послідовність ЦЦА з гідроксильної групою, яка зв’язується з амінокислотою. На протилежному кінці «листа» знаходиться антикодоновая петля, яка з’єднується з комплементарним кодоном на мРНК. D-петля служить для зв’язування транспортної РНК з ферментом при взаємодії з амінокислотою, а Т-петля для зв’язування з великою субчастицей рибосоми.
Малі РНК
Ці види РНК грають важливу роль в клітинних процесах і зараз активно вивчаються.
Так, наприклад, малі ядерні РНК в клітинах еукаріотів беруть участь у сплайсинге мРНК і, можливо, володіють каталітичними властивостями поряд з білками сплайсосом. Малі ядерцеві РНК беруть участь у процессингу рибосомной і транспортної РНК.
Малі інтерферуючі і микроРНК є найважливішими елементами системи регуляції експресії генів, необхідної клітці для контролю власної структури і життєдіяльності. Ця система – важлива частина імунної антивірусного відповіді клітини.
Існує також клас малих РНК, які функціонують у комплексі з білками Piwi. Ці комплекси відіграють величезну роль в розвитку клітин зародкової лінії, сперматогенезе і в придушенні мобільних генетичних елементів.
РНК-геном
Молекула РНК може використовуватися в якості генома більшістю вірусів. Вірусні геноми бувають різними – одне – і двухцепочечными, кільцевими або лінійними. Також РНК-геноми вірусів часто бувають сегментовані і в цілому коротше, ніж ДНК-містять геноми.
Існує сімейство вірусів, яких генетична інформація, закодована в РНК, після інфікування клітини шляхом зворотної транскрипції переписується на ДНК, яка потім впроваджується в геном клітини-жертви. Це так звані ретровіруси. До них, зокрема, відноситься вірус імунодефіциту людини.
Значення дослідження РНК в сучасній науці
Якщо раніше переважала думка про другорядної ролі РНК, то нині ясно, що вона – необхідний і найважливіший елемент внутрішньоклітинної життєдіяльності. Безліч процесів першорядної значущості не обходяться без активної участі РНК. Механізми таких процесів довгий час залишалися невідомими, але завдяки дослідженню різних видів РНК та їх функцій поступово прояснюються багато деталей.
Не виключено, що РНК зіграла вирішальну роль у виникненні і становленні життя на зорі історії Землі. Результати недавніх досліджень свідчать на користь цієї гіпотези, засвідчуючи про незвичайну давнину багатьох механізмів функціонування клітини з участю тих чи інших видів РНК. Наприклад, нещодавно відкриті рибопереключатели у складі мРНК (система безбілковою регуляції активності генів на стадії транскрипції), на думку багатьох дослідників, є наслідком епохи, коли примітивна життя будувалася на основі РНК, без участі ДНК і білків. Також дуже древнім компонентом системи регуляції вважаються микроРНК. Особливості структури каталітично активної рРНК свідчать про її поступової еволюції шляхом приєднання нових фрагментів стародавньої проторибосоме.
Ретельне вивчення того, які види РНК і яким чином зайняті в тих або інших процесах, що виключно важливо також для теоретичних та прикладних галузей медицини.
