Какие свойства характерны для транспортной рнк. Вторичная структура рнк

Строение и функции РНК

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.

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.

Физико-химические свойства ДНК

Различные факторы, нарушающие водородные связи (повышение температуры выше 80 С, изменение рН и ионной силы, действие мочевины и др.), вызывают денатурацию ДНК, т.е. изменение пространственного расположения цепей ДНК без разрыва ковалентных связей. Двойная спираль ДНК при денатурации полностью или частично разделяется на составляющие цепи. Денатурация ДНК сопровождается усилением оптического поглощения в УФ области пуриновых и пиримидиновых оснований. Это явление называют гиперхромным эффектом . При денатурации уменьшается также высокая вязкость, присущая растворам нативной ДНК. При восстановлении первоначальной двухспиральной структуры ДНК, в результате ренатурации, поглощение при 260 нм азотистыми основаниями вследствие их «экранированности» уменьшается. Это явление называют гипохромным эффектом .

«Расплетение» каждой ДНК на составляющие ее цепи осуществляется в пределах определенного интервала температур. Средняя точка этого интервала называется температурой плавления. Температура плавления ДНК зависит в стандартных условиях (определенная рН и ионная сила) от соотношения азотистых оснований. Г-Ц пары, содержащие три водородные связи, более прочные, поэтому, чем больше в ДНК содержание Г-Ц пар, тем выше температура плавления.

Функции ДНК . В последовательности нуклеотидов молекулах ДНК закодирована генетическая информация. Основными функциями ДНК являются, во-первых, обеспечение воспроизводства самой себя в ряду клеточных поколений и поколений организмов, во-вторых, обеспечение синтеза белков. Эти функции обусловлены тем, что молекулы ДНК служат матрицей в первом случае для репликации, т.е. копирования информации в дочерних молекулах ДНК, во втором – для транскрипции, т.е. для перекодирования информации в структуру РНК.

Рис. 5 Кривая плавления (денатурации ДНК)

Комплементарные цепи ДНК, разделенные при денатурации, при определенных условиях могут вновь соединиться в двойную спираль. Этот процесс называется РЕНАТУРАЦИЕЙ. Если денатурация произошла не полностью и хотя бы несколько оснований не утратили взаимодействия водородными связями, ренатурация протекает очень быстро.

В цитоплазме клеток содержатся три основных функциональных вида РНК. Это матричные РНК – мРНК, выполняющие функции матриц белкового синтеза, рибосомные РНК – рРНК, выполняющие роль структурных компонентов рибосом, и транспортные РНК – тРНК, участвующие в трансляции (переводе) информации мРНК в последовательность аминокислот в белке.

В таблице 2 представлены отличия ДНК от РНК по строению, локализации в клетке и функциям.

Таблица 2 Отличия ДНК от РНК

Является синтез белковой молекулы на основе матричной РНК (трансляция). Однако в отличие от транскрипции нуклеотидная последовательность не может быть переведена в аминокислотную напрямую, так как эти соединения имеют разную химическую природу. Поэтому для осуществления трансляции требуется посредник в виде транспортной РНК (тРНК), функция которого состоит в переводе генетического кода на "язык" аминокислот.

Общая характеристика транспортной РНК

Транспортные РНК или тРНК - это небольшие молекулы, которые доставляют аминокислоты к месту синтеза белка (в рибосомы). Количество этого вида рибонуклеиновой кислоты в клетке составляет примерно 10 % от общего пула РНК.

Как и другие разновидности тРНК состоит из цепочки рибонуклеозидтрифосфатов. Длина нуклеотидной последовательности насчитывает 70-90 звеньев, и около 10 % состава молекулы приходится на минорные компоненты.

Из-за того, что каждой аминокислоте соответствует свой переносчик в виде тРНК, клетка синтезирует большое количество разновидностей этой молекулы. В зависимости от вида живого организма этот показатель варьирует от 80 до 100.

Функции тРНК

Транспортная РНК является поставщиком субстрата для белкового синтеза, который происходит в рибосомах. За счет уникальной способности связываться и с аминокислотами, и с матричной последовательностью тРНК выполняет функцию смыслового адаптера при переводе генетической информации из формы РНК в форму белка. Взаимодействие такого посредника с кодирующей матрицей, как в транскрипции, основано на принципе комплементарности азотистых оснований.

Главная функция тРНК заключается в акцептировании аминокислотных звеньев и их транспортировке в аппарат белкового синтеза. За этим техническим процессом стоит огромный биологический смысл - реализация генетического кода. Осуществление этого процесса основано на следующих особенностях:

• все аминокислоты кодируются триплетами нуклеотидов;
• для каждого триплета (или кодона) существует антикодон, входящий в состав тРНК;
• каждая тРНК может связаться только с определенной аминокислотой.

Таким образом, аминокислотная последовательность белка определяется тем, какие тРНК и в каком порядке будут комплементарно взаимодействовать с матричной РНК в процессе трансляции. Это возможно благодаря наличию в транспортной РНК функциональных центров, один из которых отвечает за избирательное присоединение аминокислоты, а другой - за связывание с кодоном. Поэтому функции и тесно взаимосвязаны.

Строение транспортной РНК

Уникальность тРНК заключается в том, что ее молекулярная структура не линейна. Она включает в себя спиральные двуцепочечные участки, которые называют стеблями, и 3 одноцепочечные петли. По форме такая конформация напоминает клеверный лист.

В структуре тРНК различают следующие стебли:

• акцепторный;
• антикодоновый;
• дигидроуридиловый;
• псевдоуридиловый;
• добавочный.

Двойные спирали стеблей содержат от 5 до 7 Уотсон-Криксоновских пар. На конце акцепторного стебля расположена небольшая цепочка неспаренных нуклеотидов, 3-гидроксил которой является местом прикрепления соответствующей молекулы аминокислоты.

Структурной областью для соединения с мРНК служит одна из петель тРНК. Она содержит антикодон, комплементарный смысловому триплету в Именно антикодон и акцептирующий конец обеспечивают адапторную функцию тРНК.

Третичная структура молекулы

"Клеверный лист" является вторичной структурой тРНК, однако за счет фолдинга молекула приобретает L-образную конформацию, которая скрепляется дополнительными водородными связями.

L-форма представляет собой третичную структуру тРНК и состоит из двух практически перпендикулярных А-РНК спиралей, имеющих длину 7 нм и толщину 2 нм. Такая форма молекулы имеет всего 2 конца, на одном из которых расположен антикодон, а на другом - акцепторный центр.

Особенности связывания тРНК с аминокислотой

Активацию аминокислот (их присоединение к транспортной РНК) осуществляет аминоацил-тРНК-синтетаза. Этот фермент одновременно выполняет 2 важных функции:

• катализирует образования ковалентной связи между 3`-гидроксильной группой акцепторного стебля и аминокислотой;
• обеспечивает принцип избирательного соответствия.

Для каждой из есть своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Она может взаимодействовать только с соответствующим видом транспортной молекулы. Это означает, что антикодон последней должен быть комплементарен триплету, кодирующему именно эту аминокислоту. Например, синтетаза лейцина будет соединяться только с предназначеным для лейцина тРНК.

В молекуле аминоацил-тРНК-синтетазы есть три нуклеотид-связывающих кармана, конформация и заряд которых комплементарны нуклеотидам соответствующего антикодона в тРНК. Таким образом, фермент определяет нужную транспортную молекулу. Гораздо реже фрагментом опознавания служит нуклеотидная последовательность акцепторного стебля.

Рибосомная РНК

Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) - несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции - считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами. Рибосомная РНК составляет примерно 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, находящимися в ДНК нескольких хромосом, расположенных в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора.

Последовательность оснований в рРНК сходна у всех организмов - от бактерий до животных. рРНК содержится в цитоплазме, где она связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы, называемые рибосомами. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь "код", заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

Транспортная РНК

Транспортная РНК, тРНК - рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса.

Для каждой аминокислоты существует своя тРНК.

тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию "клеверного листа". В ней выделяют четыре главные части, выполняющие различные функции. Акцепторный "стебель" образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Он состоит из семи пар оснований. 3"-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей - антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.

Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания -дигидроуридин (D-петля) и триплет T?C, где? - псевдоуриаин (Т?С-петля). Между аитикодоновой и Т?С-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.

Аминокислота ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.

тРНК служит промежуточной молекулой между триплетным кодоном в мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. На долю тРНК приходится примерно 15% всей клеточной РНК;у этих РНК самая короткая полинуклеотидная цепь - в ней находится в среднем 80 нуклеотидов. В каждой отдельной клетке содержится более 20 различных молекул тРНК. Все молекулы тРНК имеют сходную основную структуру. На 5`-конце молекулы тРНК всегда находится гуанин, а на 3`-конце - последовательность оснований ЦЦА.

Последовательность нуклеотидов в остальной части молекулы варьирует и может содержать "необычные" основания, такие как инозин и псевдоурацил.

Последовательность оснований в триплете антикодона строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК.

Рис. 3.

Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфичных тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтазы. В результате образуется комплекс анимокислота-тРНК, известный как анимоацил-тРНК, в котором энергия связей между концевым нуклеотидом А в триплете ЦЦА и аминокислотой достаточна, чтобы в дальнейшем могла образовываться связь с соседней аминокислотой. Таким образом, синтезируется полипептидная цепь.

Одной из особенностей тРНК является наличие в ней необычных оснований, возникающих вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Эти измененные основания обусловливают большое структурное многообразие тРНК при общем плане их строения. Наибольший интерес представляют модификации оснований, формирующих антикодон, которые влияют на специфичность его взаимодействия с кодоном. Например, нетипичное основание инозин, иногда стоящий в 1-м положении антикодона тРНК, способен комплементарно соединяться с тремя разными третьими основаниями кодона мРНК - У, Ц и А. Так как одной из особенностей генетического кода является его вырожденность, многие аминокислоты шифруются несколькими кодонами, которые, как правило, различаются своим третьим основанием. Благодаря неспецифичности связывания модифицированного основания антикодона одна тРНК узнает несколько кодонов-синонимов.