Основу жизни образуют белки. Функции их в клетке очень разнообразны. Однако белки «не умеют» размножаться. А вся информация о строении белков содержится в генах (ДНК).

У высших организмов белки синтезируются в цитоплазме клетки, а ДНК сокрыта за оболочкой ядра. Поэтому ДНК непосредственно не может быть матрицей для синтеза белка. Эту роль выполняет другая нуклеиновая кислота – РНК.

Молекула РНК представляет собой неразветвленный полинуклеотид, обладающий третичной структурой . Она образована одной полинуклеотидной цепочкой, и, хотя входящие в ее состав комплементарные нуклеотиды также способны образовывать между собой водородные связи, эти связи возникают между нуклеотидами одной цепочки. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК. Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

РНК принадлежит главная роль в передаче и реализации наследственной информации . В соответствии с функцией и структурными особенностями различают несколько классов клеточных РНК.

Существует три основных класса клеточных РНК.

1. Информационная (иРНК), или матричная (мРНК) . Ее молекулы наиболее разнообразны по размерам, молекулярной массе (от 0,05х106 до 4х106) и стабильности. Составляют около 2% от общего количества РНК в клетке. Все иРНК являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Они служат матрицей (рабочим чертежом) для синтеза молекулы белка, так как определяют аминокислотную последовательность (первичную структуру) белковой молекулы.

1. Рибосомальные РНК (рРНК) . Составляют 80–85% от общего содержания РНК в клетке. Рибосомальная РНК состоит из 3–5 тыс. нуклеотидов. Она синтезируется в ядрышках ядра. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы – органоиды, на которых происходит сборка белковых молекул. Основное значение рРНК состоит в том, что она обеспечивает первоначальное связывание иРНК и рибосомы и формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи.
2. Транспортные РНК (тРНК) . Молекулы тРНК содержат обычно 75-86 нуклеотидов. Молекулярная масса молекул тРНК около 25 тыс. Молекулы тРНК играют роль посредников в биосинтезе белка – они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, то есть на рибосомы. В клетке содержится более 30 видов тРНК. Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех молекул имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, благодаря наличию которых все тРНК имеют третичную структуру, напоминающую по форме клеверный лист.

Вторичная структура РНК – характерна для тРНК, одноцепочечная, по форме напоминает «клеверный лист». Включает:

• сравнительно короткие двойные спирали – стебли,
• однотяжевые участки – петли.

Имеется 4 стебля (акцепторный, антикодоновый, дигидроуридиловый, псевдоуридиловый) и 3 петли.

«Псевдоузел» - элемент вторичной структуры РНК, схематично

Акцепторный стебель – содержит 3’- и 5’- концы полинуклеотидной цепи, 5’-конец заканчивается остатком гуаниловой кислоты, 3’-конец – триплетом ЦЦА и служит для образования сложноэфирной связи с АК.

Антикодоновый стебель узнает свой кодон на и-РНК в рибосомах по принципу комплементарности.

Псевдоуридиловый стебель служит для прикрепления к рибосоме.

Дигидроуридиловый стебель служит для связи с аминоацил-тРНК-синтетазой.

РНК

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза. Вместо тимидилового нуклеотида (Т) входит уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов.

Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Виды РНК

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК - мРНК - наиболее разнородная по размерам и структуре. мРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности участку ДНК, отвечающего за кодирование данного белка. мРНК выполняет важнейшую функцию в клетке. Она служит в качестве матриц для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждый белок клетки кодируется специфичной ему мРНК.

Рибосомная РНК - рРНК . Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые в комплексе с белками образуют рибосомы - органеллы, на которых происходит синтез белка. Информация о структуре рРНК закодирована в участках ДНК, расположенных в области вторичной перетяжки хромосом. На долю рРНК приходится 80 % всей РНК клетки, поскольку клетки содержат большое количество рибосом. рРНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входят 3 типа рРНК - у прокариот и 4 типа рРНК - у эукариот.

Транспортная (трансферная) РНК - тРНК . Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке - около 15 % всей РНК. Функция тРНК - перенос аминокислот к месту синтеза белка и участие в процессе трансляции. Число различных типов тРНК в клетке невелико (около 40). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом .

Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в мРНК в процессе трансляции), две боковые.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения со строго определённой линейной последовательностью мономеров. Структура ДНК и РНК - способ «записи информации», обеспечивающий формирование в организме двух информационных потоков. Один из потоков осуществляет воспроизведение информации, заключённой в молекулах ДНК. Удвоение молекул ДНК называют «репликация». В результате этого процесса и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родительской клетки, в котором содержится полный набор генов, или «инструкций» о строении РНК и всех белков организма.

Второй поток информации реализуется в процессе жизнедеятельности клетки. В этом случае происходит «считывание», или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последовательностей мРНК и использование их в качестве матриц для синтеза соответствующих белков. В последнем случае осуществляется «перевод» (трансляция) информации, заключённой в мРНК, на «язык» аминокислот. Этот поток информации от ДНК через РНК на белок получил название «центральная догма биологии». Он характерен для всех живых организмов, за исключением некоторых РНК-содержащих вирусов.

Исправление ошибок, возникающих в структуре ДНК под воздействием факторов внешней и внутренней среды, осуществляет ещё один матричный синтез - репарация. Он является вариантом ограниченной репликации и восстанавливает первоначальную структуру ДНК, используя в качестве матрицы участок неповреждённой нити ДНК. При размножении РНК-содержащих вирусов в клетках эукариотических организмов новые молекулы ДНК могут синтезироваться с помощью процесса, в ходе которого РНК служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК, которая может включаться в геном высших организмов (обратная транскрипция).

Молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот представляют собой длинные цепочки, содержащие сотни нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, молекулы 2-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Пуриновыми основаниями являются аденин или гуанин, пиримидиновыми - цитозин или тимин.

Рис.1

Полинуклеотид имеет сахаро-фосфатный остов, а пуриновые и пиримидиновые основания присоединены к остатку сахара по положению 1 (атом углерода альдегидной группы). Так как дезоксирибоза не имеет гидроксильной группы в положении 2, фосфорная кислота связывает углерод С-3 одного сахарного остатка с углеродом С-5 следующего сахарного остатка.

Пуриновые основания А - аденин, Г - гуанин.

Пиримидиновые основания Т - тимин, Ц - цитозин.

ДНК существует в ядрах клеток в виде спаренных нитей, закрученных в двойную спираль (рис. 2). Каждое пуриновое или пиримидиновое основание направлено внутрь спирали по направлению к ее оси и связано водородной связью с другим пуриновым или пиримидиновым основанием, находящимся на другой нити. Пуриновые основания всегда образуют водородную связь с пиримидиновыми основаниями, и наоборот. При этом вследствие донорно-акцепторной природы групп, образующих водородную связь, аденин всегда образует водородную связь с тимином, а гуанин - с цитозином. Следовательно, число остатков аденина всегда равно числу остатков тимина, а число гуаниновых остатков всегда равно числу цитозиновых остатков.

Рис. 2. Структура ДНК*. а - двойная спираль; б - спаривание оснований между нитями

Рис.3

Основания в ДНК связываются посредством водородных связей. Водородные связи пары аденин-цитозин не столь стабильны, как связи пары аденин-тимин. Для того чтобы аденин и цитозин могли образовать водородные связи, необходимо, чтобы аминогруппа аденина, находящаяся в положении 6, претерпела таутомерный переход * в иминогруппу, как это показано ниже на диаграмме. Но эта конформация аденина опять не является стабильной.

* (Таутомеризадия - это процесс изомеризации, при котором протон перемещается от атома 1 к атому 3. В случае аденина в этот процесс включены следующие структуры:

Рис.4

Следовательно, образование пары А-Т будет предпочтительнее образования пары А-Ц. Аналогичный подход можно использовать, чтобы показать, почему пара гуанин-цитозин предпочтительнее пары гуанин-тимин.

Строгое требование спаривания оснований важно потому, что оно обеспечивает механизм точного удвоения пары нитей. ДНК удваивается перед делением клетки, чтобы снабдить каждую из дочерних клеток полным набором молекул ДНК. Это происходит путем разрыва водородных связей между цепями и затем образования новых водородных связей с новыми нуклеотидными партнерами: аденина с тимином и гуанина с цитозином (рис. 5). Затем новые нуклеотиды образуют между собой сахаро-фосфатные связи, создавая новую цепь. Результатом является точное воспроизведение исходных спаренных цепей. Это и есть молекулярная основа наследственности. Любая ошибка в процессе удвоения вызывает мутацию.

Рис.5. Удвоение двухцепочечной молекулы ДНК

Процесс репликации ДНК более понятен, чем процесс синтеза молекулы мРНК. Основной тайной в синтезе мРНК является тот факт, что на каждой двухцепочечной молекуле ДНК синтезируется только одна нить РНК. Единственная образующаяся молекула мРНК является точной копией одной из цепей ДНК, но не другой цепи. Затем мРНК выходит из ядра и прикрепляется к рибосоме * .

* (Рибосомы - это большие сложноорганизованные частицы в цитоплазме. Они представляют собой глобулярные структуры, богатые белком и РНК, и являются местом синтеза белка в клетке. )

Молекула РНК подобна молекуле ДНК, за исключением того, что РНК содержит рибозу вместо дезоксирибозы и основание урацил вместо тимина (урацил является деметилированным тимином). Как и тимин, урацил всегда образует пару с аденином.

Рис.6

Остов структур ДНК и РНК одинаков, т. е. остатки фосфорной кислоты связывают положение 3 одной молекулы сахара с положением 5 другой молекулы сахара. Важным последствием наличия гидроксильной группы в положении 2 в остатке рибозы РНК является то, что она делает РНК значительно более чувствительной к мягкому щелочному гидролизу, чем ДНК. Причиной этого является участие гидроксила в положении 2 в щелочном гидролитическом расщеплении РНК.

Рис.7

В результате принципа комплементарного спаривания оснований молекула РНК точно отражает последовательность оснований в молекуле ДНК. Так, мРНК содержит остатки аденина там, где ДНК содержит тимин, остатки цитозина там, где ДНК содержит гуанин, гуанин там, где ДНК содержит цитозин, и остатки урацила там, где ДНК содержит аденин. Но как это трансформируется в специфическую последовательность аминокислотных остатков молекулы белка? Это и есть самая интересная часть загадки.

Последовательность оснований в мРНК должна каким-то образом контролировать последовательность соединения аминокислот при образовании молекулы белка.

Информационная РНК содержит четыре типа оснований, а белок обычно содержит двадцать различных типов аминокислот. Поэтому отдельное основание не может контролировать положение определенной аминокислоты в белковой цепи, так как при этом четыре основания могли бы контролировать только четыре аминокислоты. Точно так же комбинации двух соседних оснований максимально могли бы контролировать шестнадцать аминокислот, так как возможны только шестнадцать различных комбинаций соседних оснований (см. ниже). (Комбинация АЦ отличается от комбинации ЦА вследствие направленности 3,5-диэфирной связи остатка фосфорной кислоты.)

Для того чтобы можно было осуществлять специфический контроль последовательности двадцати аминокислот, необходимо сочетание по крайней мере трех оснований информационной РНК, которая дает 64 возможные комбинации. Эти триплеты оснований на информационной РНК (называемые кодонами)

Рис.8

действуют как специфические места посадки для комплементарных триплетов, расположенных на молекулах тРНК * (антикодоны). Специфичность стыковки кодона и антикодона обусловливается специфичностью образования водородных связей между аденином и урацилом и между цитозином и гуанином. Комплементарные триплеты оснований тРНК находятся в так называемой антикодоновой петле вблизи середины цепи тРНК, а части цепи, не входящие в эту петлю, складываются, образуя двойную спираль по типу ДНК. Один из концов цепи всегда немного длиннее другого, и именно этот свободный конец несет аминокислоту. Прежде чем присоединиться к специфической молекуле тРНК, аминокислота активируется путем ферментативной реакции с АТФ, образуя связь между аминокислотой и аденозинмонофосфатом (АК-АМФ). Вызывает удивление тот факт, что этот свободный конец тРНК всегда имеет одну и ту же последовательность концевых оснований (ЦЦА) независимо от того, какая аминокислота находится на конце. (Аминокислота присоединяется к концевой рибозе через эфирную связь.) Ясно, что связывающий триплет должен каким-то образом контролировать выбор аминокислоты, присоединяемой к концу молекулы, однако, как это осуществляется, остается пока загадкой.

* (В ходе белкового синтеза в клетке тРНК оказывается связанной с мРНК, которая временно прикреплена к рибосоме (см. рис. 3.3). )

Рис.9

Другой загадкой, которая до недавнего времени оставалась неразрешенной, является проблема выбора отдельного "верного" триплета из данной последовательности оснований. Например, последовательность АЦГУ содержит два триплета - АЦГ и ЦГУ. Только один из них может быть "верным" триплетом, соответствующим определенной аминокислоте, которая должна войти в белок, запрограммированный данной мРНК. Если же начать синтез с выбора "неверного" триплета, то это приведет к непрерывной последовательности "неверных" триплетов, а следовательно, все аминокислоты будут "неверными", что будет означать "неверный" белок.

Однако таких ошибок в природе не происходит, и в конце 50-х годов Ф. Крик, Дж. Гриффит и Л. Оргел предложили остроумное объяснение этого явления. Принимая, что аминокислотный код основывается на последовательности триплетов (напоминающих трехбуквенные символы), они предположили, что код является неперекрывающимся. Это означает, что в гипотетическом регулярном полинуклеотиде УГАУГАУГА только один из трех триплетов (УГА ГАУ или АУГ) имеет какой-то "смысл". Два других являются "бессмысленными", так как не соответствуют никаким комплементарным триплетам на тРНК, и, следовательно, никакие тРНК не будут спариваться с этими триплетами.

Рассуждая далее, они считали, что если это верно, триплеты ААА, ЦЦЦ, ГГГ и УУУ не могли бы быть настоящими триплетами, потому что повторение любого из них может вызвать перекрывание, а следовательно, и неверное начало синтеза белка. Таким образом, число допустимых комбинаций трех оснований РНК уменьшается от 64 до 60. Далее они полагали, что из этих 60 комбинаций две трети должны быть бессмысленны, чтобы избежать перекрывания.

Рис.10 Такой перекрывающийся выбор триплета приводил бы к различным последовательностям аминокислот в белке

Тогда только одна треть из 60 будет "истинными" триплетами. Это число (двадцать) точно соответствует числу различных аминокислот, найденных в белках. Хотя это предположение прекрасно соответствовало тому, что было известно в то время, оно оказалось неверным. Последующая работа показала, что имеется более 20 значащих триплетов. Современные данные показывают, что выбор "верного" триплета происходит в результате преимущественного связывания тРНК на одном из концов мРНК, а не посреди ее цепи.

Как же определить, какой триплет послужит кодом для определенной аминокислоты? Наиболее прямым способом является приготовление синтетических полинуклеотидов с известной последовательностью оснований, использование этих молекул в качестве мРНК в белковом синтезе и затем определение последовательности аминокислот в белке.

Например, полинуклеотид, содержащий только один тип оснований, может быть получен из нуклеотидов (дифосфатов) и фермента, называемого полинуклеотидфосфорилазой, выделенного Очоа и Грюнберг-Манаго. Если основанием является урацил, синтетический полинуклеотид называется поли-У (УУУУУУУ...). В присутствии смеси молекул тРНК, ферментов и других компонентов клеток поли-У инициирует синтез полипептида, содержащего аминокислоты только одного вида - а именно полифенилаланин. Таким образом, ясно, что триплет УУУ является кодоном для фенилаланина.

Этот метод может быть распространен (и это было сделано Очоа и Ниренбергом) на кодоны со смешанными основаниями, Например, полимеризация урацила может быть инициирована динуклеотидом АУУУУУУ.... Этот полинуклеотид вызывает синтез полифенилаланина с одним остатком тирозина на конце. Следовательно, кодоном для аминокислоты тирозина должен быть триплет АУУ. В результате этой работы были составлены таблицы кодонов для всех двадцати аминокислот. Оказалось, что большинство аминокислот имеет более одного кодона.

Следовательно, согласно современным представлениям, каждый фермент синтезируется путем линейной последовательности реакций соединения аминокислот, начинающейся на одном конце мРНК и заканчивающейся на другом ее конце, где белковая цепь полностью освобождается. По мере образования очередной пептидной связи "отработанная" тРНК отходит от мРНК. Это позволяет свежим тРНК подносить аминокислоты и начинать синтез второй молекулы белка, не дожидаясь окончания синтеза первой молекулы (рис. 11).

Рис. 11. Изображение последовательности белкового синтеза . На этом рисунке АА обозначает аминокислоту; АТФ - аденозинтрифосфат; АМФ - аденозинмонофосфат; АА - АМФ - аденилат аминокислоты: тРНК - транспортную рибонуклеиновую кислоту; мРНК - информационную, или матричную, рибонуклеиновую кислоту, а, б и т. д. обозначают места связывания на рибосоме (тРНК), где происходит образование пептидной связи

Различные виды ДНК и РНК - нуклеиновых кислот - это один из объектов изучения молекулярной биологии. Одним из наиболее многообещающих и быстро развивающихся направлений в этой науке в последние годы стало исследование РНК.

Кратко о строении РНК

Итак, РНК, рибонуклеиновая кислота, - это биополимер, молекула которого представляет собой цепочку, образованную четырьмя видами нуклеотидов. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из азотистого основания (аденина А, гуанина Г, урацила У либо цитозина Ц) в соединении с сахаром рибозой и остатком фосфорной кислоты. Фосфатные остатки, соединяясь с рибозами соседних нуклеотидов, «сшивают» составные блоки РНК в макромолекулу - полинуклеотид. Так образуется первичная структура РНК.

Вторичная структура - образование двойной цепочки - образуется на некоторых участках молекулы в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: аденин образует пару с урацилом посредством двойной, а гуанин с цитозином - тройной водородной связи.

В рабочей форме молекула РНК образует также третичную структуру - особое пространственное строение, конформацию.

Синтез РНК

Все виды РНК синтезируются при помощи фермента РНК-полимеразы. Она может быть ДНК- и РНК-зависимой, то есть катализировать синтез как на ДНК, так и на РНК-матрице.

Синтез основан на комплементарности оснований и антипараллельности направления чтения генетического кода и протекает в несколько этапов.

Сначала происходит узнавание и связывание РНК-полимеразы с особой последовательностью нуклеотидов на ДНК - промотором, после чего двойная спираль ДНК раскручивается на небольшом участке и начинается сборка молекулы РНК над одной из цепочек, называемой матричной (другая цепочка ДНК называется кодирующей - именно ее копией является синтезируемая РНК). Асимметричность промотора определяет, какая из цепочек ДНК будет служить матрицей, и тем самым позволяет РНК-полимеразе инициировать синтез в правильном направлении.

Следующий этап называется элонгацией. Транскрипционный комплекс, включающий РНК-полимеразу и расплетенный участок с гибридом ДНК-РНК, начинает движение. По мере этого перемещения наращиваемая цепочка РНК постепенно отделяется, а двойная спираль ДНК расплетается перед комплексом и восстанавливается за ним.

Завершающий этап синтеза наступает, когда РНК-полимераза достигает особого участка матрицы, называемого терминатором. Терминация (окончание) процесса может достигаться различными способами.

Основные виды РНК и их функции в клетке

Они следующие:

• Матричная или информационная (мРНК). Посредством ее осуществляется транскрипция - перенос генетической информации с ДНК.
• Рибосомная (рРНК), обеспечивающая процесс трансляции - синтез белка на матрице мРНК.
• Транспортная (тРНК). Производит узнавание и транспортировку аминокислоты на рибосому, где происходит синтез белка, а также принимает участие в трансляции.
• Малые РНК - обширный класс молекул небольшой длины, осуществляющих разнообразные функции в ходе процессов транскрипции, созревания РНК, трансляции.
• РНК-геномы - кодирующие последовательности, которые содержат генетическую информацию у некоторых вирусов и вироидов.

В 1980-х годах была открыта каталитическая активность РНК. Молекулы, обладающие этим свойством, получили название рибозимов. Естественных рибозимов пока известно не так много, каталитическая способность их ниже, чем у белков, однако в клетке они выполняют исключительно важные функции. В настоящее время ведутся успешные работы по синтезу рибозимов, имеющие в том числе и прикладное значение.

Остановимся подробнее на различных видах молекул РНК.

Матричная (информационная) РНК

Эта молекула синтезируется над расплетенным участком ДНК, копируя таким образом ген, кодирующий тот или иной белок.

РНК эукариотических клеток, прежде чем стать, в свою очередь, матрицей для синтеза белка, должны созреть, то есть пройти через комплекс различных модификаций - процессинг.

Прежде всего, еще на стадии транскрипции, молекула подвергается кэпированию: к ее концу присоединяется особая структура из одного или нескольких модифицированных нуклеотидов - кэп. Он играет важную роль во многих последующих процессах и повышает стабильность мРНК. К другому концу первичного транскрипта присоединяется так называемый поли(А)хвост - последовательность адениновых нуклеотидов.

После этого пре-мРНК подвергается сплайсингу. Это удаление из молекулы некодирующих участков - интронов, которых много в ДНК эукариот. Далее происходит процедура редактирования мРНК, при которой химически модифицируется ее состав, а также метилирование, после чего зрелая мРНК покидает клеточное ядро.

Рибосомная РНК

Основу рибосомы - комплекса, обеспечивающего белковый синтез, составляют две длинные рРНК, которые образуют субчастицы рибосомы. Синтезируются они совместно в виде одной пре-рРНК, которая затем в ходе процессинга разделяется. В большую субчастицу входит также низкомолекулярная рРНК, синтезируемая с отдельного гена. Рибосомные РНК обладают плотно упакованной третичной структурой, которая служит каркасом для белков, присутствующих в рибосоме и выполняющих вспомогательные функции.

В нерабочей фазе субъединицы рибосомы разделены; при инициации трансляционного процесса рРНК малой субчастицы соединяется с матричной РНК, после чего происходит полное объединение элементов рибосомы. При взаимодействии РНК малой субчастицы с мРНК последняя как бы протягивается через рибосому (что равнозначно движению рибосомы по мРНК). Рибосомная РНК большой субчастицы является рибозимом, то есть обладает ферментными свойствами. Она катализирует образование пептидных связей между аминокислотами в ходе синтеза белка.

Следует отметить, что наибольшая часть всей РНК в клетке приходится на долю рибосомной - 70-80 %. ДНК обладает большим количеством генов, кодирующих рРНК, что обеспечивает весьма интенсивную ее транскрипцию.

Транспортная РНК

Эта молекула распознается определенной аминокислотой при помощи особого фермента и, соединяясь с ней, производит транспортировку аминокислоты на рибосому, где служит посредником в процессе трансляции - синтеза белка. Перенос осуществляется путем диффузии в цитоплазме клетки.

Вновь синтезированные молекулы тРНК, так же как и другие виды РНК, подвергаются процессингу. Зрелая тРНК в активной форме имеет конформацию, напоминающую клеверный лист. На «черешке» листа - акцепторном участке - расположена последовательность ЦЦА с гидроксильной группой, которая связывается с аминокислотой. На противоположном конце «листа» находится антикодоновая петля, которая соединяется с комплементарным кодоном на мРНК. D-петля служит для связывания транспортной РНК с ферментом при взаимодействии с аминокислотой, а Т-петля - для связывания с большой субчастицей рибосомы.

Малые РНК

Эти виды РНК играют важную роль в клеточных процессах и сейчас активно изучаются.

Так, например, малые ядерные РНК в клетках эукариот участвуют в сплайсинге мРНК и, возможно, обладают каталитическими свойствами наряду с белками сплайсосом. Малые ядрышковые РНК участвуют в процессинге рибосомной и транспортной РНК.

Малые интерферирующие и микроРНК являются важнейшими элементами системы регуляции экспрессии генов, необходимой клетке для контроля собственной структуры и жизнедеятельности. Эта система - важная часть иммунного антивирусного ответа клетки.

Существует также класс малых РНК, функционирующих в комплексе с белками Piwi. Эти комплексы играют огромную роль в развитии клеток зародышевой линии, в сперматогенезе и в подавлении мобильных генетических элементов.

РНК-геном

Молекула РНК может использоваться в качестве генома большинством вирусов. Вирусные геномы бывают различными - одно- и двухцепочечными, кольцевыми или линейными. Также РНК-геномы вирусов часто бывают сегментированы и в целом короче, чем ДНК-содержащие геномы.

Существует семейство вирусов, генетическая информация которых, закодированная в РНК, после инфицирования клетки путем обратной транскрипции переписывается на ДНК, которая затем внедряется в геном клетки-жертвы. Это так называемые ретровирусы. К ним, в частности, относится вирус иммунодефицита человека.

Значение исследования РНК в современной науке

Если прежде преобладало мнение о второстепенной роли РНК, то ныне ясно, что она - необходимый и важнейший элемент внутриклеточной жизнедеятельности. Множество процессов первостепенной значимости не обходятся без активного участия РНК. Механизмы таких процессов долгое время оставались неизвестными, но благодаря исследованию различных видов РНК и их функций постепенно проясняются многие детали.

Не исключено, что РНК сыграла решающую роль в возникновении и становлении жизни на заре истории Земли. Результаты недавних исследований говорят в пользу этой гипотезы, свидетельствуя о необычайной древности многих механизмов функционирования клетки с участием тех или иных видов РНК. Например, недавно открытые рибопереключатели в составе мРНК (система безбелковой регуляции активности генов на стадии транскрипции), по мнению многих исследователей, являются отголосками эпохи, когда примитивная жизнь строилась на основе РНК, без участия ДНК и белков. Также весьма древним компонентом системы регуляции считаются микроРНК. Особенности структуры каталитически активной рРНК свидетельствуют о ее постепенной эволюции путем присоединения новых фрагментов к древней проторибосоме.

Тщательное изучение того, какие виды РНК и каким образом заняты в тех или иных процессах, исключительно важно также для теоретических и прикладных областей медицины.

Молекулы РНК являются полимерами, мономерами которых являются рибонуклеотиды, образованные остатками трех веществ: пятиуглеродного сахара - рибозы; одним из азотистых оснований - из пуриновых - аденином или гуанином , из пиримидиновых - урацилом или цитозином ; остатком фосфорной кислоты.

Молекула РНК представляет собой неразветвленный полинуклеотид, имеющий третичную структуру. Соединение нуклеотидов в одну цепь осуществляется в результате реакции конденсации между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и 3"-углеродом рибозы второго нуклеотида.

В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой. Однако ее нуклеотиды (адениловый, уридиловый, гуаниловый и цитидиловый) также способны образовывать водородные связи между собой, но это внутри–, а не межцепочечные соединения комплементарных нуклеотидов. Между А- и У-нуклеотидами образуется две водородные связи, между Г- и Ц-нуклеотидами - три водородные связи. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК. Последовательность нуклеотидов в РНК комплементарна кодогенной цепи ДНК, но адениловому нуклеотиду ДНК комплементарен уридиловый нуклеотид РНК. Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

Существует три основных класса нуклеиновых кислот: информационная (матричная) РНК - иРНК (мРНК), транспортная РНК - тРНК, рибосомальная РНК - рРНК.

Информационные РНК. Наиболее разнообразный по размерам и стабильности класс. Все они являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму. Информационные РНК служат матрицей для синтеза молекулы белка, т.к. определяют аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы. На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

Транспортные РНК. Молекулы транспортных РНК содержат обычно 75-86 нуклеотидов. Молекулярная масса молекул тРНК » 25000. Молекулы тРНК играют роль посредников в биосинтезе белка - они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, в рибосомы. В клетке содержится более 30 видов тРНК. Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех молекул имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, благодаря наличию которых все тРНК имеют третичную структуру, напоминающую по форме лист клевера.

Рибосомные РНК. На долю рибосомальных РНК (рРНК) приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. Рибосомная РНК состоит из 3-5 тыс. нуклеотидов. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органеллы, на которых происходит синтез белка. Основное значение рРНК состоит в том, что она обеспечивает первоначальное связывание иРНК и рибосомы и формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи.

РНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар – рибоза, фосфат и одно из азотистых оснований (аденин, урацил, гуанин, цитозин). Образует первичную, вторичную и третичную структуры аналогично таким же у ДНК. Информация о последовательности аминокислот белка содержится в информационных РНК (иРНК, мРНК) . Три последовательных нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках транскирибированный предшественник мРНК или пре-мРНК процессируется с образованием зрелой мРНК. Процессинг включает удаление некодирующих белок последовательностей (интронов). После этого мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму, где к ней присоединяются рибосомы, транслирующие мРНК с помощью соединённых с аминокислотами тРНК.Транспортные (тРНК) - малые, состоящие из приблизительно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты в место синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодонам мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствующее образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК. Рибосомальные РНК (рРНК) - каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырёх типов рРНК синтезируются в ядрышке. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальными белками и формируют нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80 % РНК, обнаруживаемой в цитоплазме эукариотической клетки.

Функции: способность к самовоспроизведению, способность сохранять свою организацию постоянной, способность приобретать изменения и воспроизводить их.

10. Структура и свойства генетического кода

Генетический код – Определенный набор и порядок расположения аминокислот в пептидных цепях. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для их шифровки достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами, из четырех нуклеотидов образуется 4 3 = 64 триплета. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.

Свойства генетического кода: вырожденность - явная избыточность кода, многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту. Специфичность - каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Универсальность - полное соответствие кода у различных видов живых организмов свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании – последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК.