РНК

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

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

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

Загальний опис

Клітинні РНК утворюються в ході процесу, що зветься транскрипцією, тобто синтезу РНК на матриці ДНК, що здійснюється спеціальними ферментами —РНК-полімеразами. Потім матричні РНК (мРНК) беруть участь у процесі, що називається трансляцією. Трансляція — це синтез білка на матриці мРНК за участю рибосом. Інші РНК після транскрипції піддаються хімічним модифікаціям, і після утворення вторинної та третинної структур виконують функції, що залежать від типу РНК.

Для одноланцюжкових РНК характерні різноманітні просторові структури, в яких частина нуклеотидів одного і того ж ланцюга спарені між собою. Деякі високо структуровані РНК беруть участь у синтезі білка клітини, наприклад, транспортні РНК служать для впізнавання кодонів та доставки відповідних амінокислот до місця синтезу білка, а матричні РНК служать структурною і каталітичною основою рибосом.

Однак функції РНК в клітинах не обмежуються їх роллю в трансляції. Так малі ядерні РНК беруть участь у сплайсингу еукаріотичних матричних РНК та інших процесах.

Крім того, що молекули РНК входять до складу деяких ферментів (наприклад, теломерази) у окремих РНК виявлена власна ензиматична активність, здатність вносити розриви в інші молекули РНК або, навпаки, «склеювати» два РНК-фрагмента. Такі РНК називаються рибозимами.

Геном ряду вірусів складаються з РНК, тобто у них вона відіграє роль, яку у вищих організмів виконує ДНК. На підставі різноманітності функцій РНК в клітині була висунута гіпотеза, згідно з якою РНК — перша молекула, здатна до самовідтворення в добіологічних системах.

Історія вивчення

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

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

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

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

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

Особливості будови РНК

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

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

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

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

Види РНК

Матрична рибонуклеїнова кислота (мРНК)

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

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

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

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

Некодуючі РНК

Транспортні РНК (тРНК)

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

Рибосомальні РНК (рРНК)

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

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

МікроРНК

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

Малі інтерферуючі РНК

(міРНК, 20—25 нуклеотидів) часто утворюються в результаті розщеплення вірусних РНК, але існують і ендогенні клітинні міРНК. Малі інтерферуючі РНК також діють через РНК-інтерференцію за схожими з мікроРНК механізмами.

Порівняння з ДНК

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

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

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

Трансляція

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

Інформаційна функція

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