РНК (рибонуклеиновая кислота) — класс нуклеиновых кислот, линейных полимеров нуклеотидов, в состав которых входят остаток фосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, что вместо урацила содержит тимин).

РНК синтезируются в клетках всех клеточных живых организмов, а также содержатся в вироидов и некоторых вирусах. Основные функции РНК в клеточных организмах зависят от типа РНК. Кодирующие РНК является матрицей для трансляции генетической информации в белки, некодирующие РНК выполняют дополнительные функции, такие как транспорт аминокислот в рибосом, регуляция экспрессии генов и т. В вирусах РНК может быть носителем генетической информации, вместо ДНК. Вироиды состоят из кольцевой молекулы РНК и не содержат в себе других молекул.

Существует гипотеза мира РНК, согласно которой РНК возникли к белкам и были первыми формами жизни.

Общее описание

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразы. Затем матричные РНК (мРНК) участвуют в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Для одноцепочечной РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спаренные между собой. Некоторые высоко структурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а матричные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинга эукариотических матричных РНК и других процессах.

Кроме того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, способная к самовоспроизводству в биологическим системах.

История изучения

Нуклеиновые кислоты открыл в 1868 году швейцарский ученый Иоганн Фридрихм Мишер, который назвал эти вещества «нуклеин», поскольку они были обнаружены в ядре (лат. Nucleus). Позже было обнаружено, что бактериальные клетки, в которых нет ядра, тоже содержат нуклеиновые кислоты.

Значение РНК в синтезе белков была допущена в 1939 году в работе Торберном Оскара Касперсона, Жана Брачета и Джека Шульца. Джерард Маирбакс выделил первую матричную РНК, кодирующей гемоглобин кролика и показал, что при ее введены в ооциты образуется тот же самый белок.

В Советском Союзе в 1956-57 годах проводились работы (А. Белозерский, А. Спирин, Е. Волкин, Ф. Астрахан) по определению состава РНК клеток, которые привели к выводу, что основную массу РНК в клетке составляют рибосомные РНК.

Северо Очоа получил Нобелевскую премию по медицине в 1959 году за открытие механизма синтеза РНК. Последовательность из 77 нуклеотидов одной из тРНК дрожжей S. cerevisiae была определена в 1965 году в лаборатории Роберта Холле, за что в 1968 году он получил Нобелевскую премию по медицине. В 1967 Карл Вёзе предположил, что РНК имеют каталитические свойства. Он выдвинул так называемую Гипотезу мира РНК, в котором РНК прото-организмов служила и как молекулы хранения информации (сейчас эта роль выполняется ДНК) и молекулы, которая катализировала метаболические реакции (сейчас это делают ферменты).

В 1976 Уолтер Фаерс и его группа из Гентского университета (Бельгия) определили первую последовательность генома РНК которое содержится в вирусе, бактериофага MS2. В начале 1990-х было обнаружено, что введение чужеродных генов в геном растений приводит к подавлению выражения аналогичных генов растения. Примерно в это же время было показано, что РНК длиной около 22 оснований, которые сейчас называются микро-РНК, играют регуляторную роль в онтогенезе нематод C.elegans. Гипотеза о значении РНК в синтезе белков была высказана Торбьерн Касперссоном (Torbjörn Caspersson) на основе исследований 1937-1939.

Особенности строения РНК

Нуклеотиды РНК состоят из сахара — рибозы, к которой в положении 1 'присоединено одно из азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа объединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3 'атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другой. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК — полианионов. РНК транскрибируется как полимер четырех азотистых оснований: (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C)), но в «зрелой» РНК есть много модифицированных оснований и сахаров. Всего в РНК насчитывается около 100 различных видов модифицированных нуклеозидов, из которых 2'-О-метилрибоза частая модификация сахара, а псевдоуридин — наиболее распространенная модификация азотистых оснований РНК. В псевдоуридин (Ψ) связь между урацилом и рибозой НЕ C — N, а C — C, этот нуклеотид встречается в разных положениях в молекулах РНК. В частности, псевдоуридин важен для функционирования тРНК. Также заслуживает внимания модифицированная основа — гипоксантин, деаминований гуанин, нуклеозид которого носит название инозина. Инозин играет важную роль в обеспечении виродженности генетического кода. Роль многих других модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК многие пост-транскрипционных модификаций находятся в важных для функционирования рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующих в образовании пептидной связи.

Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанин, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденина могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырех нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.

Важная структурная особенность РНК, отличающая ее от ДНК — наличие гидроксильной группы в 2 'положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, что чаще всего наблюдается в ДНК. В А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая имела бороздка. Второе следствие наличии 2 'гидроксильной группы состоит в том, что конформационной пластичны, то есть не участвуют в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять. «Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуется с помощью водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого количества возможных вариантов спаривания азотистых оснований предсказания вторичной структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем предсказания вторичной структуры белков, но в наше время есть эффективные программы, например, mfold.

Примером зависимости функций молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES — структура на 5 'конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требует наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5' конце и белковых факторов инициации. Сначала IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается все больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса. Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК (малые ядерные РНК) в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциюють с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновимы комплексами или рибонуклеопротеидамы.

Виды РНК

Мрнк (мРНК, синоним — информационная РНК, иРНК)

— РНК, отвечает за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется при трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.

Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Длинные мРНК отмечены у (+) оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что в этих вирусов мРНК образует весь их геном.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, который выдается в сборочный цех.

Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибировать с отдельных генов (например, рибосомные РНК) или быть производными интронов. Классические, хорошо изучены типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимом.

Транспортные РНК (тРНК)

— Малые, состоящие из примерно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты к месту синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодона мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствует образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединенной к тРНК.

Рибосомальные РНК (рРНК)

— Каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырех типов рРНК синтезируются в полисом. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальной белками и формируют нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосомы присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80% РНК, оказывается в цитоплазме эукариотической клетки.

Необычный тип РНК, который действует в качестве тРНК и мРНК (тмРНК) обнаружен во многих бактериях и пластидах. При остановке рибосомы на дефектных мРНК без стоп-кодонов тмРНК присоединяет с пептид, направляет белок на деградацию.

МикроРНК

(21-22 нуклеотида в длину) найдены у эукариот и воздействуют через механизм РНК-интерференции. При этом комплекс микроРНК и ферментов может приводить к метилирования нуклеотидов в ДНК промотора гена, служит сигналом для уменьшения активности гена. При использовании другого типа регуляции мРНК, комплементарная микроРНК, деградирует. Однако есть и миРНК, которые увеличивают, а не уменьшают экспрессию генов.

Малые интерферирующие РНК (миРНК, 20-25 нуклеотидов) часто образуются в результате расщепления вирусных РНК, но существуют и эндогенные клеточные миРНК. Малые интерферирующие РНК также действуют через РНК-интерференцию по сходным с микро-РНК механизмам.

Сравнение с ДНК

Между ДНК и РНК есть три основных отличия: ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, в которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.

Нуклеотид, комплементарный аденин, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил — неметилована форма тимина. ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечной.

Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образуют нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептид-трансферазний центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК.

Особенности функций

Процессинг

Многие РНК принимают участие в модификации других РНК. Интроны вырезаются из про-мРНК сплайсосома, которая, кроме белков, содержит несколько малых ядерных РНК (мяРНК). Кроме того, интроны могут катализировать собственное вырезание (аутосплайсинг).

Синтезирована в результате транскрипции РНК также может быть химически модифицирована. У эукариот химические модификации нуклеотидов РНК, например, их метилирование, выполняется малыми ядерными РНК (мяРНК, 60-300 нуклеотидов). Этот тип РНК локализуется в ядрышке и тельцах Кахаля.

После ассоциации мяРНК с ферментами, мяРНК связываются с РНК-мишенью путем образования пар между основаниями двух молекул, а ферменты модифицируют нуклеотиды РНК-мишени.

Рибосомальные и транспортные РНК содержат много подобных модификаций, конкретное положение которых часто сохраняется в процессе эволюции. Также могут быть модифицированы мяРНК и сами мяРНК.

Трансляция

тРНК присоединяют определенные аминокислоты в цитоплазме и направляется к месту синтеза белка на иРНК где связывается с кодоном и отдает аминокислоту, которая используется для синтеза белка.

Информационная функция

У некоторых вирусов РНК выполняет подобные функции, как ДНК у эукариот. Также информационную функцию выполняет мРНК, переносит информацию о белках и является местом его синтеза.

Регуляция экспрессии генов

Некоторые типы РНК принимают участие в регулировании экспрессии генов увеличивая или уменьшая их активность. Это так называемые миРНК (малые интерферирующие РНК), микроРНК и пиРНК.

Каталитическая

Есть так называемые ферменты, которые относятся к РНК. Они называются рибоза. Эти ферменты выполняют различные функции и имеют своеобразное строение.