Рнк строение основание. Рнк

В отличие от ДНК, молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, которая спирализована сама на себя, т.е. образует всевозможные «петли» и «шпильки» за счет взаимодействий комплементарных азотистых оснований (вторичная структура). У некоторых вирусов встречаются двуцепочечные РНК, которые несут генетическую информацию аналогично ДНК.

Существуют:

1 – матричные РНК (мРНК);

2 – рибосомные РНК (рРНК);

3 – транспортные РНК (тРНК).

Рибосомные РНК. На долю рРНК приходится 80-90% клеточной РНК. Локализованы в рибосомах, в комплексе с рибосомными белками. Рибосомы состоят из двух частей и представляют собой нуклеопротеины, состоящие из рРНК и белка в соотношении 1:1 (для эукариот) и 2:1 (для прокариот).

Биологическая роль рРНК – являются структурной основой рибосом, взаимодействует с мРНК и тРНК в процессе биосинтеза белка, принимает участие в процессе сборки полипептидной цепи.

У эукариот обнаружено 4 типа рРНК с различным коэф. седиментации: 18S(в малой части рибосомы), а 28S, 5,8S и 5S (сведбергов) – в большой части рибосомы.. Они различаются молекулярной массой (35 000-1 600 000) и локализацией в рибосомах.

Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией цепи самой на себя, третичная – ее компактной укладкой.

Матричные РНК. Матричная РНК составляет 2-3% от всей клеточной РНК, синтезируется мРНК в ядре клетки на матрице ДНК (процесс транскрипции), переписывая с нее генетическую информацию по принципу комплементарности.

ДНК -А-Т-Г-Ц-

ДНК -Т-А-Ц-Г-

мРНК -А-У-Г-Ц-

Затем мРНК поступают в цитоплазму, соединяются с рибосомой и выполняют роль матрицы для биосинтеза белка. Каждой аминокислоте соответствует в мРНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в белке. Всего может быть 64 кодона. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а 3 кодона – кодоны терминаторы (терминирующие), которые обозначают окончание белкового синтеза. Существуют также инициирующие кодоны, которые соответствуют первой аминокислоте в белке и чаще всего соответствуют аминокислоте метионину.

Поскольку мРНК несет наследственную информацию о первичной структуре белка, нередко ее называют информационной РНК (иРНК). Каждый отдельный белок, синтезируемый в клетке, кодируется определенной «своей» мРНК или ее участком. мРНК образует несколько двуспиральных «шпилек», на концах которых располагаются знаки (например, ААУААА) инициации (начала синтеза белка) и терминации (окончания синтеза белка).

Т.о. информация о строении белка закодирована в ДНК с помощью генетического кода, который является линейным, непрерывным, триплетным, выражденным. Он является универсальным.

Молекулярный вес мРНК варьирует в широких пределах от 35 000 до нескольких млн. мРНК ранее считались короткоживущими РНК. Для микроорганизмов время жизни мРНК несколько секунд или минут. Но для эукариот – оно может составлять от нескольких часов до нескольких недель.

Транспортная РНК. Составляют 10-20% клеточной РНК.

Функции тРНК:

1 - связывают аминокислоты и транспортируют их в рибосому, где происходит синтез белка;

2 – кодируют аминокислоты;

3 – Расшифровывают генетический код.

Каждая тРНК может переносить только 1 строго определенную аминокислоту.

тРНК именуются по названию аминокислот. Например, аланиновая тРНК. тРНК, связывающие одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными и нумеруют: тРНК 1 вал, тРНК 2 вал и т.д.

Вторичная структура всех тРНК имеет форму «клеверного листа». В его составе различают:

1. акцепторный стебель – к нему присоединяется аминокислота.

2. Псевдоуридиловая петля – используется для связи тРНК с рибосомой.

3. Дополнительная петля – назначение неизвестно.

4. Антикодоновая петля – содержит антикодон (триплет нуклеиновых остатков, которые комплементарны кодону мРНК, с его помощью тРНК соединяется с мРНК);

5. Дигидроуридиновая петля – обеспечивает связывание тРНК со специфическим ферментом (аминоацил-тРНК-синтетазой), который соединяет аминокислоту с тРНК.

Стабилизируется вторичная структура водородными связями между комплементарными основаниями.

Третичная структура тРНК имеет неправильную Г-образную форму. стабилизирована водородными и др. связями.

По химическому строению РНК (рибонуклеиновая кислота) является нуклеиновой кислотой, во многом схожей с ДНК . Важными отличиями от ДНК является то, что РНК состоит из одной цепи, сама цепь более короткая, вместо тимина в РНК присутствует урацил, вместо дезоксирибозы - рибоза.

По строению РНК является биополимером, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания.

Обычными для РНК азотистыми основаниями являются аденин, гуанин, урацил и цитозин. Аденин и гуанин относятся к пуринам, а урацил и цитозин - к пиримидинам. Пуриновые основания состоят из двух колец, а пиримидиновые из одного. Кроме перечисленных азотистых оснований в РНК встречаются и другие (в основном различные модификации перечисленных), в том числе и характерный для ДНК тимин.

Рибоза - это пентоза (углевод, включающий пять атомов углерода). В отличие от дезоксирибозы имеет дополнительную гидроксильную группу, что делает РНК более активной в химических реакциях по сравнению с ДНК. Также как и во всех нуклеиновых кислотах пентоза в РНК имеет циклическую форму.

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь ковалентными связями между остатками фосфорной кислоты и рибозой. Один остаток фосфорной кислоты связан с пятым атомом углерода рибозы, а другой (от соседнего нуклеотида) связан с третьим атомом углерода рибозы. Азотистые основания связаны с первым атом углерода рибозы и располагаются перпендикулярно фосфатно-пентозному остову.

Ковалентно связанные нуклеотиды формируют первичную структуру молекулы РНК. Однако по своему вторичному и третичному строению РНК бывают весьма различными, что связано со множеством выполняемых ими функций и существованием различных типов РНК .

Вторичная структура РНК формируется за счет водородных связей возникающих между азотистыми основаниями. Однако, в отличие от ДНК, у РНК эти связи возникают не между разными (двумя) цепями полинуклеотида, а за счет различных способов складывания (петли, узлы и др.) одной цепи. Таким образом, вторичная структура молекул РНК бывает куда разнообразнее, чем у ДНК (где это почти всегда двойная спираль).

Строение многих молекул РНК также подразумевает третичную структуру, когда сворачиваются уже спаренные за счет водородных связей участки молекулы. Например, молекула транспортной РНК на уровне вторичной структуры сворачивается в форму, напоминающую клеверный лист. А на уровне третичной структуры сворачивается так, что становится похожа на букву Г.

Рибосомальная РНК образует комплексы с белками (рибонуклеопротеиды).

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные вещества, состоящие из мононуклеотидов, которые соединены друг с другом в полимерную цепочку с помощью 3",5"- фосфодиэфирных связей и упакованы в клетках определенным образом.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры двух разновидностей: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) . Каждый биополимер состоит из нуклеотидов, различающихся по углеводному остатку (рибозе, дезоксирибозе) и одному из азотистых оснований (урацил, тимин). Соответственно этим различиям нуклеиновые кислоты и получили свое название.

Структура рибонуклеиновой кислоты

Первичная структура РНК

1. РНК в отличие от ДНК содержит вместо дезоксирибозы рибозу, которая имеет дополнительную гидроксигруппу. Гидроксигруппа делает двухцепочечную структуру менее компактной
2. Среди четырех главных, или мажорных, азотистых оснований (А, Г, Ц и У) вместо тимина содержится урацлл, отличающийся от тимина лишь отсутствием метильной группы в 5-м положении. Благодаря этому уменьшается сила гидрофобного взаимодействия в комплементарной паре A-У, что тоже снижает вероятность образования устойчивых двухцепочечных молекул.
3. Наконец, в РНК (особенно в тРНК) высоко содержание т. н. минорных оснований и нуклеозидов. Среди них дигидроуридин (в урациле нет одной двойной связи), псевдоуридин (урацил иначе, чем обычно, связан с рибозой), диметиладенин и диметилгуанин (в азотистых основаниях по две дополнительных метильных группы) и многие другие. Почти все эти основания не могут участвовать в комплементарных взаимодействиях. Так, метильные группы в диметиладенине (в отличие от тимина и 5-метилцитозина) находятся при таком атоме, который в паре A-У образует водородную связь; следовательно, теперь данная связь замкнуться не может. Это тоже препятствует образованию двухцепочечных молекул.

Таким образом, широко известные отличия состава РНК от ДНК имеют огромное биологическое значение: ведь свою функцию молекулы РНК способны выполнять только в одноцепочечном состоянии, что наиболее очевидно для мРНК: трудно представить, как бы могла двухцепочечная молекула транслироваться на рибосомах.

Вместе с тем, оставаясь одиночной, в некоторых участках цепь РНК может образовывать петли, выступы или "шпильки", с двухцепочечной структурой (рис.1.). Эта структура стабилизирована взаимодействием оснований в парах А::У и Г:::Ц. Однако могут образовываться и "не правильные" пары (например, Г У), а в некоторых местах "шпильки" и вообще не происходит никакого взаимодействия. В составе таких петель может содержаться (особенно в тРНК и рРНК) до 50 % всех нуклеотидов. Общее же содержание нуклеотидов в РНК варьирует от 75 единиц до многих тысяч. Но даже самые крупные РНК на несколько порядков короче хромосомных ДНК.

Первичная структура мРНК скопирована с участка ДНК, содержащего информацию о первичной структуре полипептидной цепи. Первичная структура остальных типов РНК (тРНК, рРНК, редкие РНК) является окончательной копией генетической программы соответствующих генов ДНК.

Вторичная и третичная структуры РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) - однонитевые молекулы, поэтому в отличие от ДНК их вторичная и третичная структуры нерегулярны. Эти структуры, определяемые как пространственная конформация полинуклеотидной цепи, формируются в основном за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Если для молекулы нативной ДНК характерна устойчивая спираль, то структура РНК более многообразна и лабильна. Рентгеноструктурный анализ показал, что отдельные участки полинуклеотидной цепи РНК, перегибаясь, навиваются сами на себя с образованием внутриспиральных структур. Стабилизация структур достигается за счет комплементарных спариваний азотистых оснований антипараллельных участков цепи; специфическими парами здесь являются А-U, G-С и, реже, G–U. Благодаря этому в молекуле РНК возникают как короткие, так и протяженные биспиральные участки, принадлежащие одной цепи; эти участки носят название шпилек. Модель вторичной структуры РНК со шпилькообразными элементами была создана в конце 50-х - начале 60-х гг. XX в. в лабораториях А. С. Спирина (Россия) и П. Доти (США).

Образование спиральных структур сопровождается гипохромным эффектом - уменьшением оптической плотности образцов РНК при 260 нм. Разрушение этих структур происходит при понижении ионной силы раствора РНК или при его нагревании до 60-70 °С; оно также называется плавлением и объясняется структурным переходом спираль - хаотический клубок, что сопровождается увеличением оптической плотности раствора нуклеиновой кислоты.

В клетках существуют несколько типов РНК:

1. информационная (или матричная) РНК (иРНК или мРНК) и её предшественница - гетерогенная ядерная РНК (г-я-РНК)
2. транспортная РНК (т-РНК) и ее предшественница
3. рибосомная (р-РНК) и ее предшественница
4. малая ядерная РНК (sn-PHK)
5. малая ядрышковая РНК (sno-PHK)
6. сигналраспознающая РНК (srp-PHK)
7. микро-РНК (mi-PHK)
8. митохондриальная РНК (т+ РНК).

Гетерогенная ядерная и информационная (матричная) РНК

Гетерогенная ядерная РНК свойственна исключительно эукариотам. Она является предшественницей информационной РНК (и-РНК), которая переносит генетическую информацию от ядерной ДНК к цитоплазме. Гетерогенная ядерная РНК (пре-мРНК) открыта советским биохимиком Г. П. Георгиевым. Количество видов г-я-РНК равно количеству генов, так как она служит прямой копией кодирующих последовательностей генома, в силу чего имеет копии палиндромов ДНК, поэтому ее вторичная структура содержит шпильки и линейные участки. В процессе транскрипции РНК с ДНК ключевую роль играет фермент РНК-полимераза II.

Информационная РНК образуется в результате процессинга (созревания) г-я-РНК, при котором происходят отсечение шпилек, вырезание некодирующих участков (интронов) и склеивание кодирующих экзонов.

Информационная РНК (и-РНК) представляет собой копию определенного участка ДНК и выполняет роль переносчика генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (рибосомы) и непосредственно участвует в сборке его молекул.

Зрелая матричная РНК имеет несколько областей с различной функциональной ролью (рис.)

• на 5"-конце находится т.н. "колпачок" или кэп - участок из одного-четырех модифицированных нуклеотидов. Такая структура защищает 5"-конец м-РНК от эндонуклеаз
• за "колпачком" идет 5"-нетранслируемая область - последовательность из нескольких десятков нуклеотидов. Она комплементрана одному из отделов той р-РНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы. За счет этого она служит для первичного связывания м-РНК с рибосомой, но сама не транслируется
• инициирующий кодон - АУГ, кодирующий метионин. Во всех м-РНК инициирующий кодон одинаков. С него начинается трансляция (считывание) м-РНК. Если после синтеза пептидной цепи метионин не нужен, то он, как правило, отщепляется с ее N-конца.
• За инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. У эукариот зрелые м-РНК являются моноцистронными, т.е. каждая из них несет информацию о структуре только одной полипептидной цепи.

  Другое дело, что иногда пептидная цепь вскоре после образования на рибосоме разрезается на несколько более мелких цепей. Так бывает, например, при синтезе инсулина и целого ряда олигопептидных гормонов.

  Кодирующая часть зрелой м-РНК эукариот лишена интронов - каких-либо вставочных некодирующих последовательностей. Иными словами, имеется непрерывная последовательность смысловых кодонов, которая должна читаться в направлении 5" ->3".

• По окончании этой последовательности находится кодон терминации - один из трех "бессмысленных" кодонов: УАА, УАГ или УГА (см. табл. генетического кода ниже).
• За этим кодоном может следовать еще 3"-нетранслируемый участок, значительно превышающий по длине 5’-нетранслируемую область.
• Наконец, почти все зрелые мРНК эукариот (кроме гистоновых мРНК) на 3"-конце содержат поли(А)-фрагмент из 150-200 адениловых нуклеотидов

3"-нетранслируемый участок и поли(А)-фрагмент имеют отношение к регуляции продолжительности жизни м-РНК, поскольку разрушение м-РНК осуществляется 3"-экзонуклеазами. После окончания трансляции м-РНК от поли(А)-фрагмента отщепляются 10-15 нуклеотидов. Когда данный фрагмент исчерпывается, начинает разрушаться значащая часть мРНК (если отсутствует 3"-нетранслируемый участок).

Общее количество нуклеотидов в мРНК обычно варьирует в пределах нескольких тысяч. При этом на кодирующую часть иногда может приходиться лишь 60-70 % нуклеотидов.

В клетках молекулы мРНК практически всегда связаны с белками. Последние, вероятно, стабилизируют линейную структуру мРНК, т. е. предупреждают образование в кодирующей части "шпилек". Кроме того, белки могут защищать м-РНК от преждевременного разрушения. Такие комплексы мРНК с белками иногда называют информосомами.

Транспортная РНК в цитоплазме клетки переносит аминокислоты в активированной форме к рибосомам, где они соединяются в пептидные цепи в определенной последовательности, которую задает РНК-матрица (мРНК). В настоящее время известны данные о нуклеотидной последовательности более чем 1700 видов тРНК из прокариотических и эукариотических организмов. Все они имеют общие черты как в их первичной структуре, так и в способе складывания полинуклеотидной цепи во вторичную структуру за счет комплементарного взаимодействия входящих в их структуру нуклеотидов.

Транскрипция тРНК

Транскрипция молекул т-РНК происходит с кодирующих её последовательностей в ДНК при участии фермента РНК-полимеразы III. В ходе транскрипции формируется первичная структура тРНК в виде линейной молекулы. Формирование начинается с составления РНК-полимеразой последовательности нуклеотидов в соответствии с геном, содержащим информацию о данной транспортной РНК. Эта последовательность представляет из себя линейную полинуклеотидную цепь, в которой нуклеотиды следуют друг за другом. Линейная полинуклеотидная цепь является первичной РНК, предшественницей тРНК, включающей в себя интроны - неинформативные излишки нуклеотидов. На этом уровне организации пре-тРНК не функциональна. Образуясь в разных местах ДНК хромосом пре-тРНК содержит излишки примерно в 40 нуклеотидов по сравнению со зрелой тРНК.

Вторым этапом вновь синтезированная предшественница тРНК проходит послетранскрипционное созревание или процессинг. В ходе процессинга удаляются неинформативные излишки в пре-РНК и образуются зрелые, функциональные молекулы РНК.

Процессинг пре-тРНК

Процессинг начинается с того, что в транскрибте образуется внутримолекулярные водородные связи и молекула тРНК принимает форму клеверного листа. Это вторичный уровень организации тРНК, на котором молекула тРНК еще не функциональна. Далее происходит вырезание неинформативных участков из пре-РНК, сращивание информативных участков "разорванных генов" - сплайсинг и модификация 5"- и 3"-концевых участков РНК.

Вырезание неинформативных участков пре-РНК осуществляется с помощью рибонуклеаз (экзо- и эндонуклеаз). После удаления излишков нуклеотидов происходит метилирование оснований тРНК. Реакция осуществляется метилтрансферазами. В роли донора метильных групп выступает S-аденозилметионин. Метилирование препятствует разрушению тРНК нуклеазами. Окончательно зрелая тРНК образуется путем присоединения специфической тройки нуклеотидов (акцепторного конца) - ЦЦА, которое осуществляется специальной РНК-полимеразой.

По завершении процессинга во вторичной структуре вновь образуются дополнительные водородные связи за счет которых тРНК переходит на третичный уровень организации и принимает вид так называемой L-формы. В таком виде тРНК уходит в гиалоплазму.

Строение тРНК

В основе структуры транспортной РНК лежит цепочка нуклеотидов. Однако в силу того, что любая цепочка нуклеотидов имеет положительно и отрицательно заряженные части, она не может находиться в клетке в развернутом состоянии. Эти заряженные части притягиваясь друг к другу легко образуют между собой водородные связи по принципу комплементарности. Водородные связи причудливо скручивают нить т-РНК и удерживают ее в таком положении. В результате этого вторичная структура т-РНК имеет вид "клеверного листа" (рис.), содержащего в своей структуре 4 двухцепочечных участка. Высокое содержание минорных или модифицированных нуклеотидов, отмечаемых в цепи тРНК и неспособных к комплементарным взаимодействиям, формирует 5 одноцепочечных участков.

Т.о. вторичная структура т-РНК образуется вследствие внутрицепочечного спаривания комплементарных нуклеотидов отдельных участков тРНК. Участки тРНК, не вовлекаемые в образование водородных связей между нуклеотидами, образуют петли или линейные звенья. В тРНК выделяют следующие структурные участки:

1. Акцепторный участок (конец) , состоящий из четырех линейно расположенных нуклеотидов, три из которых имеют во всех типах тРНК одинаковую последовательность - ЦЦА. Гидроксил 3"-ОН аденозина свободен. К нему присоединяется карбоксильной группой аминокислота, отсюда и название этого участка тРНК - акцепторный. Связанную с 3"-гидроксильной группой аденозина аминокислоту тРНК доставляет к рибосомам, где происходит синтез белка.
2. Антикодоновая петля , обычно образуемая семью нуклеотидами. Она содержит специфический для каждой тРНК триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Антикодон тРНК по принципу комплементарности спаривается с кодоном мРНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи во время сборки ее в рибосомах.
3. Псевдоуридиловая петля (или ТΨС-петля) , состоящая из семи нуклеотидов и обязательно содержащая остаток псевдоуридиловой кислоты. Предполагают, что псевдоуридиловая петля участвует в связывании тРНК с рибосомой.
4. Дигидроуридиновая, или D-петля , состоящая обычно из 8-12 нуклеотидных остатков, среди которых обязательно имеется несколько остатков дигидроуридина. Считают, что D-петля необходима для связывания с аминоацил-тРНК-синтетазой, которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК (см. "Биосинтез белка"),
5. Добавочная петля , которая варьирует по размерам и составу нуклеотидов у разных тРНК.

Третичная структура т-РНК уже не имеет формы клеверного листа. За счет образования водородных связей между нуклеотидами из разных частей "листа клевера" его лепестки заворачиваются на тело молекулы и удерживаются в таком положении дополнительно ван-дер-ваальсовыми связями, напоминая собой форму буквы Г или L. Наличие стабильной третичной структуры является еще одной особенностью т-РНК, в отличие от длинных линейных полинуклеотидов м-РНК. Понять, как именно изгибаются различные части вторичной структуры т-РНК при образовании третичной структуры можно по рис., сопоставив цвета схемы вторичной и третичной структуры т-РНК.

Транспортные РНК (т-РНК) переносят аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы в процессе синтеза белка. Из таблицы с генетическим кодом видно, что каждая аминокислота кодируется несколькими последовательностями нуклеотидов, поэтому каждой аминокислоте соответствуют свои транспортные РНК. В результате этого существует большое разнообразие т-РНК: от одного до шести видов для каждой из 20 аминокислот. Виды тРНК, способные связывать одну и ту же аминокислоту, называются изоакцепторными (например аланин может быть присоединен к т-РНК, антикодон которой будет комплементарен кодонам GCU, GCC, GCA, GCG). Специфичность тРНК обозначается верхним индексом, например: тРНК Ala .

Для процесса синтеза белка главными функциональными частями т-РНК являются: антикодон - последовательность нуклеотидов, находящихся на антикодоновой петле, комплементарных кодону информационной РНК (и-РНК) и акцепторная часть - противоположный антикодону конец т-РНК, к которому присоединяется аминокислота. Последовательность оснований в антикодоне напрямую зависит от вида аминокислоты, прикреплённой к 3"-концу. Так, например, т-РНК, антикодон которой имеет последовательность 5"-ЦЦА-3", может нести только аминокислоту триптофан. Следует отметить, что данная зависимость лежит в основе передачи генетической информации, носителем которой выступает т-РНК.

В процессе синтеза белка т-РНК антикодоном распознает трехбуквенную последовательность генетического кода (кодона) и-РНК, сопоставляя ей единственную соответствующую аминокислоту, закрепленную на другом конце тРНК. Только в случае комплементарности антикодона к участку мРНК транспортная РНК может к ней присоединиться и отдать переносимую аминокислоту на формирование протеиновой цепочки. Взаимодействие т-РНК и и-РНК происходит в рибосоме, которая также является активным участником трансляции.

Распознавание т-РНК своей аминокислоты и кодона и-РНК происходит определенным образом:

• Связывание "своей" аминокислоты с т-РНК происходит с помощью фермента - специфической аминоацил-тРНК-синтетазы

  Существуют большое разнообразие аминоацил-тРНК-синтетаз - по числу тРНК, используемых аминокислотами. Сокращенно их называют АРСазы. Аминоацил-тРНК-синтетазы крупные молекулы (мол.масса 100 000 - 240 000), имеющие четвертичную структуру. Они специфически узнают тРНК и аминокислоты и катализируют их соединение. Для этого процесса требуется АТФ, энергия которой используется на активирование аминокислоты с карбоксильного конца и присоединение ее к гидроксилу (3"-ОН) аденозина акцепторного конца (ЦЦА) тРНК. Считается, что в молекуле каждой аминоацил-тРНК-синтетазы имеются центры связывания по крайней мере три центра связывания: для аминокислоты, изоакцепторных тРНК и АТФ. В центрах связывания происходит образование ковалентной связи, при соответствии аминокислоты тРНК, и гидролиз такой связи в случае их несоответствия (присоединения к тРНК "не той" аминокислоты).

  АРСазы обладают способностью выборочно использовать при узнавании ассортимент тРНК для каждой аминокислоты, т.е. ведущим звеном узнавания является аминокислота, а к ней подгоняется своя тРНК. Далее тРНК путем простой диффузии переносит присоединенную к ней аминокислоту к рибосомам, где происходит сборка белка из аминокислот, поступающих в виде разных аминоацил-тРНК.

  

  Связывание аминокислоты с тРНК

  Связывание тРНК и аминокислоты происходит следующим образом (рис.): к аминоацил-тРНК-синтетазе присоединяется аминокислота и молекула АТФ. Для последующего аминоацелирования молекула АТФ высвобождает энергию, отщепляя две фосфатные группы. Оставшийся АМФ (аденозинмонофосфат) присоединяется к аминокислоте, подготавливая ее к соединению с акцепторным участком тРНК - акцепторной шпилькой. После чего синтетаза присоединяет к себе соответствующую аминокислоте родственную тРНК. На этом этапе происходит проверка соответствия тРНК синтетазе. В случае сооответствия тРНК плотно присоединяется к синтетазе, изменяя ее структуру, что приводит к запуску процесса аминоацелирования - присоединения аминокислоты к тРНК.

  Аминоацилирование происходит в процессе замены присоединенной к аминокислоте молекулы АМФ на молекулу тРНК. После этой замены АМФ покидает синтетазу, а тРНК задерживается для последней проверки аминокислоты.

  Проверка соответствия тРНК присоединенной аминокислоте

  Модель синтетазы для проверки соответствия тРНК присоединенной аминокислоте предполагает наличие двух активных центров: синтетического и коррекционного. В синтетическом центре происходит присоединение тРНК к аминокислоте. Акцепторный участок тРНК, захваченной синтетазой, вначале контактирует с синтетическим центром, в котором уже размещена аминокислота, соединенная с АМФ. Этот контакт акцепторного участка тРНК придает ему неестественный изгиб до момента присоединения аминокислоты. После того, как происходит присоединение аминокислоты с акцепторному участку тРНК, необходимость нахождения данного участка в синтетическом центре отпадает, тРНК распрямляется и перемещает присоединенную к ней аминокислоту в коррекционный центр. При несовпадении размеров молекулы аминокислоты, присоединенной к тРНК, и размеров коррекционного центра, аминокислота опознается как неправильная и отсоединяется от тРНК. Синтетаза готова к следующему циклу. При совпадении размеров молекулы аминокислоты, присоединенной к тРНК, и размеров коррекционного центра, заряженная аминокислотой тРНК освобождается: она готова сыграть свою роль в трансляции протеина. А синтетаза готова присоединить новые аминокислоту и тРНК, и начать повторный цикл.

  Соединение несоответствующей аминокислоты с синтетазой в среднем происходит в 1-м случае из 50 тыс., а с ошибочной тРНК всего лишь один раз на 100 тысяч присоединений.

• Взаимодействие кодона м-РНК и антикодона т-РНК происходит по принципу комплементарности и антипараллельности

  Взаимодействие тРНК с кодоном мРНК по принципу комплементраности и антипараллельности означает: поскольку смысл кодона мРНК читается в направлении 5"->3", то антикодон в тРНК должен читаться в направлении 3"->5". При этом первые два основания кодона и антикодона спариваются строго комплементарно, т. е. образуются только пары А У и Г Ц. Спаривание же третьих оснований может отступать от этого принципа. Допустимые пары определяются схемой:

  Из схемы вытекает следующее.

  • Молекула тРНК связывается только с 1-м типом кодона, если третий нуклеотид в ее антикодоне - Ц или А
  • тРНК связывается с 2-мя типами кодонов, если антикодон заканчивается на У или Г.
  • И, наконец, тРНК связывается с 3-мя типами кодонов, если антикодон кончается на И (инозиновый нуклеотид); такая ситуация, в частности, в аланиновой тРНК.

    Отсюда, в свою очередь, следует, что для узнавания 61 смыслового кодона требуется, в принципе, не такое же, а меньшее количество разных тРНК.

  Рибосомальная РНК

  

  Рибосомальные РНК являются основой для формирования субъединиц рибосом. Рибосомы обеспечивают пространственное взаиморасположение мРНК и тРНК в процессе синтеза белка.

  Каждая рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Субъединицы включают в себя большое количество белков и рибосомальные РНК, которые не подвергаются трансляции. Рибосомы, как и рибосомальные РНК, различаются по коэффициенту седиментации (осаждения), измеряемому в единицах Сведберга (S). Данный коэффициент зависит от скорости осаждения субъединиц при центрифугировании в насыщенной водной среде.

  Каждая рибосома эукариот имеет коэффициент седиментации, равный 80S, и ее принято обозначать как 80S-частицу. Она включает

  • малую субъединицу (40S), содержащую рибосомальную РНК с коэффициентом седиментации 18S рРНК и 30 молекул различных белков,
  • большую субъединицу (60S), которая включает 3 разные молекулы рРНК (одну длинную и две короткие - 5S, 5,8S и 28S), а также 45 белковых молекул.

    Субъединицы образуют "скелет" рибосомы, каждый из которых окружен своими белками. Коэффициент седиментации полной рибосомы не совпадает с суммой коэффициентов двух ее субъединиц, что связано с пространственной конфигурацией молекулы.

  Устройство рибосом прокариотов и эукариотов примерно одинаковое. Отличаются они лишь молекулярной массой. Бактериальная рибосома имеет коэффициент cедиментации 70S и обозначается как 70S-частица, что указывает на меньшую скорость осаждения; содержит

  • малую (30S) субъединицу - 16S рРНК + белки
  • большую субъединицу (50S) - 23S рРНК + 5S рРНК + белки большой субчастицы (рис.)

  В рРНК среди азотистых оснований выше чем обычно содержание гуанина и цитозина. Встречаются также минорные нуклеозиды, но не столь часто, как в тРНК: примерно 1 %. Это, в основном, нуклеозиды, метилированные по рибозе. Во вторичной структуре рРНК много двухцепочечных участков и петель (рис.). Таково строение молекул РНК, образуемых в двух последовательно проходящих процессах - транскрипции ДНК и созревании (процессинге) РНК.

  Транскрипция рРНК с ДНК и процессинг рРНК

  Пре-рРНК образуется в ядрышке, где находятся транскриптоны рРНК. Траснкрипция рРНК с ДНК происходит при помощи двух дополнительных РНК-полимераз. РНК-полимераза I транскрибирует 5S, 5,8S и 28S в виде одного длинного 45S-тpaнскрипта, который затем разделяется на необходимые части. Таким образом обеспечивается равное количество молекул. В организме человека в каждом гаплоидном геноме присутствует примерно 250 копий последовательности ДНК, кодирующей 45S-транскрипт. Они расположены в пяти кластерных тандемных повторах (т. е. попарно друг за другом) в коротких плечах хромосом 13, 14, 15, 21 и 22. Данные участки известны как ядрышковые организаторы, так как их транскрипция и последующий процессинг 45S-транскрипта происходят внутри ядрышка.

  Не менее чем в трёх кластерах хромосомы 1 существует 2000 копий 5S-pPHK гена. Их транскрипция протекает в присутствии РНК-полимеразы III снаружи ядрышка.

  В ходе процессинга остается чуть больше половины пре-рРНК и освобождаются зрелые рРНК. Часть нуклеотидов рРНК подвергается модификации, которая состоит в метилировании оснований. Реакция осуществляется метилтрансферазами. В роли донора метальных групп выступает S-аденозилметионин. Зрелые рРНК соединяются в ядре с белками рибосом, поступающих сюда из цитоплазмы, и образуют малую и большую субчастицы рибосом. Зрелые рРНК транспортируются из ядра в цитоплазму в комплексе с белком, который дополнительно защищает их от разрушения и способствует переносу.

  Центры рибосом

  Рибосомы существенно отличаются от других органел клетки. В цитоплазме они встречаются в двух состояниях: в неработающем, когда большая и малая субъединицы отделены друг от друга, и в активном - во время выполнения своей функции - синтеза протеина, когда субъединицы соединяются друг с другом.

  Процесс соединения субъединиц рибосом или сборка активной рибосомы обозначается как инициация трансляции. Эта сборка происходит строго упорядоченным образом, что обеспечивается функциональными центрами рибосом. Все эти центры находятся на контактирующих поверхностях обеих субъединиц рибосомы. К ним относятся:

  1. Центр связывания мРНК (М центр). Он образован участком 18S рРНК, который комплементарен на протяжении 5-9 нуклеотидов 5"-нетранслируемому фрагменту мРНК
  2. Пептидильный центр (П-центр). В начале процесса трансляции с ним связывается инициирующая аа-тРНК. У эукариот инициирующий кодон всех мРНК всегда кодирует метионин, поэтому инициирующей аа-тРНК является одна из двух метиониновых аа-тРНК, отмечаемая нижним индексом i: Мет-тРНК i Met . На последующих же стадиях трансляции в П-центре находится пептидил-тРНК, содержащая уже синтезированную часть пептидной цепи.

     Иногда говорят также о Е-центре (от "exit" - выход), куда перемещается тРНК, потерявшая связь с пептидилом, перед тем, как покинуть рибосому. Однако можно рассматривать этот центр как составную часть П-центра.

  3. Аминокислотный центр (А-центр) - место связывания очередной аа-тРНК.
  4. Пептидилтрансферазный центр (ПТФ центр) - он катализирует перенос пептидила из состава пептидил-тРНК на поступившую в А центр очередную аа-тРНК. При этом образуется еще одна пептидная связь и пептидил удлиняется на одну аминокислоту.

  Как в аминокислотном центре, так и в пептидильном центре антикодоновая петля соответствующей тРНК (аа-тРНК или пептидил-тРНК), очевидно, обращена к М-центру - центру связывания матричной РНК (взаимодействуя с мРНК), а акцепторная петля с аминоацилом или пептидилом к ПТФ центру.

  Распределение центров между субъединицами

  Распределение центров между субъединицами рибосомы происходит следующим образом:

  • Малая субъединица. Поскольку именно она содержит 18S-рРНК, с участком которой связывается мРНК, то М-центр расположен на данной субъединице. Кроме того, здесь же находятся основная часть А-центра и небольшая часть П-центра.
  • Большая субъединица . На ее контактирующей поверхности расположены остальные части П- и A-центров. В случае П-центра - это его основная часть, а в случае А-центра - участок связывания акцепторной петли аа-тРНК с аминокислотным радикалом (аминоацилом); остальная же и большая часть аа-тРНК связывается с малой субъединицей. Большой субъединице принадлежит также ПТФ центр.
  Всеми этими обстоятельствами и определяется порядок сборки рибосомы на стадии инициации трансляции.

  Инициация рибосомы (подготовка рибосомы к синтезу белка)

  Синтез белка, или собственно трансляцию, принято разделять на три фазы: инициации (начало), элонгации (удлинение полипептидной цепи) и терминации (окончание). В фазу инициации происходит подготовка рибосомы к работе: соединение ее субъединиц. У бактериальных и эукариотических рибосом соединение субъединиц и начало трансляции протекает по-разному.

  Начало трансляции - наиболее медленный процесс. В нем кроме субъединиц рибосомы, мРНК и тРНК принимают участие ГТФ и три белковых фактора инициации (IF-1, IF-2 и IF-3), которые не являются составными компонентами рибосомы. Факторы инициации облегчают связывание мРНК с малой субъединицей и ГТФ. ГТФ за счет гидролиза обеспечивает энергией процесс смыкания субъединиц рибосомы.

  

  1. Инициация начинается с того, что малая субъединица (40S) связывается с фактором инициации IF-3, в результате этого возникает препятствие к преждевременному связыванию большой субъединицы и возможность присоединения к ней мРНК.
  2. Далее к комплексу "малая субъединица (40S) + IF-3" присоединяется мРНК (своим 5"-нетранслируемым участком). При этом инициирующий кодон (АУГ) оказывается на уровне пептидильного центра будущей рибосомы.
  3. Далее к комплексу "малая субъединица + IF-3 + мРНК" присоединяются еще два фактора инициации: IF-1 и IF-2, при этом последний несет с собой особую транспортную РНК, которую называют инициирующей аа-тРНК. В состав комплекса входит также ГТФ.

     Малая субъединица соединяясь с мРНК представляет для считывания два кодона. На первом из них протеин IF-2 закрепляет инициаторную аа-тРНК. Второй кодон закрывает протеин IF-1, который блокирует его и не позволяет присоединиться следующей тРНК до момента полной сборки рибосомы.

  4. После связывания инициирующей аа-тРНК, т. е. Мет-тРНК i Met за счет комплементарного взаимодействия с мРНК (инициирующий кодон АУГ) и установки ее на свое место в П-центре происходит связывание субъединиц рибосомы. ГТФ гидролизуется до ГДФ и неорганического фосфата, а выдяляющаяся при разрыве данной макроэргической связи энергия создает термодинамический стимул для протекания процесса в нужном направлении. Одновременно факторы инициации покидают рибосому.

  Таким образом, формируется своеобразный "бутерброд" из четырех основных компонентов. При этом в П-центре собранной рибосомы оказываются инициирующий кодон мРНК (АУГ) и связанная с ним инициирующая аа-тРНК. Последняя при образовании первой пептидной связи играет роль пептидил-тРНК.

  

  Транскрипты РНК, синтезированные при помощи РНК-полимеразы, обычно претерпевают дальнейшие ферментативные превращения, называемые посттранскрипционным процессингом, и только после этого они обретают свою функциональную активность. Транскрипты незрелой матричной РНК носят название гетерогенной ядерной РНК (гяРНК). Они состоят из смеси очень длинных молекул РНК, содержащих интроны и экзоны. Созревание (процессинг) гяРНК у эукариотов включает несколько стадий, в одну из которых происходит удаление интронов - нетранслируемых вставочных последовательностей и сшивание экзонов. Процесс протекает таким образом, что следующие друг за другом экзоны, т. е. кодирующие фрагменты мРНК, никогда физически не разобщаются. Экзоны очень точно соединяются между собой с помощью молекул, называемых малыми ядерными РНК (мяРНК). Функция этих коротких ядерных РНК, состоящих приблизительно из ста нуклеотидов, долго оставалась непонятной. Ее удалось установить после того, как было обнаружено, что их нуклеотидная последовательность комплементарна последовательностям на концах каждого из интронов. В результате спаривания оснований, содержащихся в мяРНК и на концах свернутого в петлю интрона, последовательности двух экзонов сближаются таким образом, что становится возможным удаление разделяющего их интрона и ферментативное соединение (сплайсинг) кодирующих фрагментов (экзонов). Таким образом, молекулы мяРНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов для того, чтобы сплайсинг произошел в правильном месте (рис.).

  Превращение гяРНК в иРНК путём удаления интронов проходит в ядерном комплексе РНК-белков, называемом сплайсомой. У каждой сплайсомы есть ядро, состоящее из трёх малых (низкомолекулярных) ядерных рибонуклеопротеинов, или снурпов. Каждый снурп содержит хотя бы одну малую ядерную РНК и несколько белков. Существует несколько сотен различных малых ядерных РНК, транскрибируемых в основном РНК-полимеразой II. Считают, что их основная функция - распознавание специфических рибонуклеиновых последовательностей посредством спаривания оснований по типу РНК-РНК. Для процессинга гяРНК наиболее важны Ul, U2, U4/U6 и U5.

  Митохондриальная РНК

  Митохондриальная ДНК представляет собой непрерывную петлю и кодирует 13 полипептидов, 22 тРНК и 2 рРНК (16S и 23S). Большинство генов находятся на одной (тяжёлой) цепи, однако некоторое их количество расположено и на комплементарной ей лёгкой. При этом обе цепи транскрибируются в виде непрерывных транскриптов при помощи митохондриоспецифической РНК-полимеразы. Данный фермент кодируется ядерным геном. Длинные молекулы РНК затем расщепляются на 37 отдельных видов, а мРНК, рРНК и тРНК совместно транслируют 13 мРНК. Большое количество дополнительных белков, которые поступают в митохондрию из цитоплазмы, транслируются с ядерных генов. У пациентов с системной красной волчанкой обнаруживают антитела к снурп-белкам собственного организма. Кроме того, считают, что определённый набор генов малой ядерной РНК хромосомы 15q играет важную роль в патогенезе синдрома Прадера-Вилли (наследственное сочетание олигофрении, низкого роста, ожирения, гипотонии мышц).

  
  

Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.


Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?

Что такое ДНК?

ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.

Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.


Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.

Из чего состоит ДНК?

ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.

ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.

Что такое РНК?

РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.


Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.

Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.

Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.

Чем ДНК отличается от РНК?

По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.


В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.

РНК - полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение - некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания РНК - урацил, цитозин, пуриновые основания - аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК - иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК - тРНК, 3) рибосомная РНК - рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса - 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон - три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса - 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.