Данная статья является второй в серии автопубликаций, которую необходимо читать после ознакомления с первой статьёй Свойства генетического кода - след его возникновения . Крайне желательным для людей, плохо знакомым с основами молекулярной биологии, знакомство со статьёй О.О. Фаворовой " ". Важно понимать, для того, чтобы понять КАК возник генетический код , необходимо понять, КАК он функционирует в современных организмах. А для этого необходимо вникнуть в молекулярные механизмы кодируемого синтеза белка. Для понимания данной статьи важно понимать, как устроена молекула РНК, чем она отличается от молекулы ДНК.

Разобраться в теме о происхождении жизни вообще, и возникновении генетического кода, в частности, просто невозможно без понимания основных молекулярных механизмов в живых организмах, в первую очередь двух аспектов - воспроизведения наследственных молекул (нуклеиновых кислот) и синтеза белка. Поэтому данная статья посвящена в первую очередь изложению того минимума знания, с помощью которого можно понять богатый и довольно интересный материал, связанный с происхождением генетического кода (ГК).

Знакомство с молекулярными механизмами синтеза белка лучше всего начинать с изучения структуры одного из ключевых компонентов и одной из самых древних структур в живых организмах - молекулы транспортной РНК (или тРНК ). Молекула тРНК имеет необычайно консервативную структуру, которая сходна у всех живых организмах. Эта структура меняется в ходе эволюции настолько медленно, что позволяет нам извлечь немало информации о том, как могли выглядеть древнейшие белок-синтезирующие системы в период их начального формирования. Поэтому говорят, что молекула тРНК является молекулярным реликтом.

Молекулярный реликт , или молекулярное ископаемое - это абстракция, обозначающая древние механизмы и молекулярные и надмолекулярные структуры, встречающиеся в современных организмах, что позволяет нам извлекать информацию об устройстве древнейших живых систем. К молекулярным реликтам относятся молекулы рибосомной и транспортных РНК, аминоацил-тРНК -синтетаз, ДНК- и РНК-полимераз и сам генетический код , как способ кодирования, а также ряд других молекулярных структур и механизмов. Их анализ и является ключевым источником информации о том, как могла возникнуть жизнь, и генетический код , в частности. Рассмотрим подробнее структуру тРНК и те её участки, которые изменяются в ходе эволюции настолько медленно, что ещё содержат немало информации относительно древних тРНК , существовавших более 3,5 млрд. лет назад.

Молекула тРНК относительно небольшая, её длина варьирует от 74 до 95 нукелотидных остатков, наиболее часто - 76 нуклеотидов (см. рис. 1). В последовательности тРНК выделяют так называемые консервативные нуклеотидные остатки - это нуклеотидные остатки расположенные в строго определённых последовательностях почти у всех молекул тРНК . Кроме того выделяются полуконсервативные нуклеотидные остатки - это остатки, представленные только пуриновыми или пиримидиновыми основаниямив строго определённых последовательностях тРНК . Кроме того, различные участки тРНК изменяются с существенно различной скоростью.

До 25% всех нуклеотидных остатков представлены модифицированными нуклеозидами, часто называемых минорными . Минорных остатков описано уже больше 60. Они образуются врезультате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.

Среди модифицированных остатков часто встречаются псевдоуридин (5-рибофуранозилурацил, Ψ), 5,6- дигидроуридин (D ), 4-тиоуридил и инозин. Структура некоторых модифицированный оснований и частично их роль изложены в статье

Наряду с первичной структурой (это просто последовательность нуклеотидов), молекула тРНК обладает вторичной и третичной структурой.

Вторичная структура обусловлена образованием водородных связей между нуклеотидами. Ещё в школе учат про водородные связи при комплементарным спариванием между нуклеотидами (A-U и G-C такой вид спаривания нуклеотидов называют каноническим), но в молекулах тРНК также образуется немалое количество неканонических связей, в частности, между G и U, которые будет несколько слабее и энергетически менее выгодная ).

Рис. 1. Обобщённая вторичная структура тРНК (слева) и общепринятая нумерация нуклеотидов в тРНК (справа). Так она выглядит почти у всех живых организмов. На правом рисунке консервативные нуклеотиды выделены жирными кружочками.

Обозначения: N - любой нуклеотид, Т - тимин, D - дигидроуридин, Ψ - псевдоуридин, R - пуриновый нуклеотид.

В результате образуется так называемая структура клеверного листа. В структуре клеверного листа выделяют: акцепторный стебель и три ветви, или домена (arms ): антикокодоновую (состоит из антикодонового двуцепочечного стебля (stem ) и антикодоновой петли (loop ), дигидроуридиновую, или D -ветвь, или D -домен, (также из дигидроуридиновой петли и стебля) и TΨC -ветви, или просто Т-ветви, или Т-домена, (Т-петли и Т-стебля). В дополнение к трём петлям клеверного листа выделяется также так называемая дополнительная, или вариабельная, петля. Длина вариабельной петли варьирует от4 до 24 нуклеотидов.

Почему вторичная структура тРНК имеет Фому клеверного листа? Ответ на этот вопрос дал М.Эйген [Эйген М, Винклер Р. 1979] . Дело в том, что при длине РНКовой цепи 80 нуклеотидов со случайной последовательностью вторичная структура с 3-4 лепестками является наиболее вероятной. Хотя шпилька, имеющая только одну петлю имеет максимальное число спаренныхоснований, эта стуктура в случайных последовательностях является маловероятной. Именно поэтому разумно считать, что тРНК -подобные структуры (то есть структуры с 3-4 петлями) были наиболее распространёнными молекулами на стадии РНКовой и РНК-белковой жизни. Дополнительные доводы в пользу этого утверждения будут приведены в следующих статьях.

Третичная стуктура тРНК .

Третичная структура тРНК соответстует реальной пространственной структуре. Она получила название L -формы, из-за сходства третичной структуры с формой латинской заглавной буквы « L ». Третичная структура образуется благодаря взаимодействию элементов вторичной структуры. Веё формировании принимают участие стэкинг-взаимодействия оснований. За счёт стэкинга оснований акцепторный и Т-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, формирующую одну из «палочек» L -формы. Антикодоновый и D -стебли образуют другую «палочку» этой буквы, D - и T -петли оказываются в такой структуре сближенными и скрепляются между собой путём образования дополнительных, часто необычных пар оснований, которые, как правило, образованы консервативными или полуконсервативными остатками. В свете такого участия консервативных и полуконсервативных оснований в образовании L -формы становится ясным их присутствие в T - и D -петлях. Формирование L-образной структуры и её взаимодействие с АРСаз ой схематически приведено на рис. 2.

Рис. 2. Схема образования пространственной L -образной стуктуры тРНК и взаимодействия её с АРСаз ой.

Стрелкой обозначено место присоединения аминокислоты при аминоацилировании тРНК синтетазой. Красным цветом выделен акцепторный домен тРНК , синим - антикодоновый домен. Овалами обозначены домены АРСаз ы: зелёный - каталитический домен, содержащий домен связывания и аминоацилирования акцепторной области тРНК , жёлтым и оранжевым - вариабельныйдомен АРСаз ы. В зависимости от размера этого домена, АРСаз а распознаёт вариабельным доменом антикодоновую область (домен обозначен жёлтым цветом), или не распознаёт (домен обозначен оранжевым цветом).

Основания антикодона обращены внутрь L -образной молекулы.

Транспортные РНК во всех живых организмах последовательно выполняют три фукнции, необходимые для осуществления синтеза белка:

1) акцепторную - с помощью белковых ферментов (аминоацил-тРНК -синтатаз) ковалентно присоединяет к аминоацильному остатку строго определённую аминокислоту (для каждой аминокислоты - строго своя одна или иногда несколько разных тРНК ); 2) транспортную - транспортирует аминокислоту к специфическому месту на рибосоме; 3) адапторную - в комплексе с рибосомой способен специфически узнавать триплет генетического кода на матричной РНК, после чего присоединённая к тРНК аминокислота включается в растущую полипептидную цепь на рибосоме.

Статьи, связанные с темой:

Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков

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.

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

Молекула РНК представляют собой линейные (т. е. неразветвленные) полинуклеотиды с аналогичным ДНК принципом организации. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания, соединенные 3", 5"-фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидные цепи молекулы РНК полярны, т.е. имеют различимые 5’- и 3"-концы. При этом, в отличие от ДНК, РНК является одноцепочечной молекулой. Причиной такого отличия служат три особенности первичной структуры:

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).

Некоторые виды РНК
Виды РНК	Размер в нуклеотидах	Функция
gРНК - геномные РНК	10000-100000
mРНК - информационные (матричные) РНК	100-100000	передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК
tPHK - транспортные РНК	70-90	транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка
rРНК - рибосомные РНК	несколько дискретных классов от 100 до 500000	содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы
sn-PHK - малая ядерная РНК	100	удаляет интроны и ферментативно соединяет экзоны в мРНК
sno-РНК - малая ядрышковая РНК		участвует в направлении или проведении модификаций оснований в рРНК и малой ядерной РНК, таких, как, например, метилирование и псевдоуридинизация. Большинство малых ядрышковых РНК находятся в интронах других генов
srp-РНК - сигналраспознающая РНК		распознаёт сигнальную последовательность белков, предназначенных для экспрессии, и участвует в их переносе через цитоплазматическую мембрану
mi-РНК - микро-РНК	22	контролируют трансляцию структурных генов путём комплементарного связывания с 3"-концами нетранслируемых участков иРНК

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.

Транспортная РНК в своем составе содержит не больше 100 нуклеотидов, среди которых отмечается высокое содержание минорных, или модифицированных, нуклеотидов. Первой полностью расшифрованной транспортной РНК была аланиновая РНК, выделенная из дрожжей. Анализ показал, что аланиновая РНК состоит из 77 нуклеотидов, расположенных в строго определенной последовательности; в их состав входят так называемые минорные нуклеотиды, представленные нетипичными нуклеозидами дигидроуридин (dgU) и псевдоуридин (Ψ); инозин (I): по сравнению с аденозином, аминогруппа замещена на кетогруппу; метилинозин (мI), метил- и диметилгуанозин (мG и м 2 G); метилуридин (мU): то же самое, что риботимидин. Аланиновая тРНК содержит 9 необычных оснований с одной или несколькими метильными группами, которые присоединяются к ним ферментативным путем уже после образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Эти основания неспособны к образованию обычных пар; возможно, они служат для того, чтобы препятствовать спариванию оснований в определенных частях молекулы и таким образом обнажать специфические химические группы, которые образуют вторичные связи с информационной РНК, рибосомой или, быть может, с ферментом, необходимым для присоединения определенной аминокислоты к соответствующей транспортной РНК. Известная последовательность нуклеотидов в тРНК по существу означает, что известна также его последовательность в генах, на которых эта тРНК синтезируется. Эту последовательность можно вывести основываясь на правилах специфического спаривания оснований, установленных Уотсоном и Криком. В 1970 году была синтезирована полная двухцепочечная молекула ДНК с соответсвующей последовательностью из 77 нуклеотидов, и оказалось, что она может служить матрицей для построения аланиновой транспортной РНК. Это был первый искусственно синтезированный ген.

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).

  
  

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.

Все тРНК имеют общие черты как в их первичной структуре, так и в способе складывания полинуклеотидной цепи во вторичную структуру за счет взаимодействий между основаниями нуклеотидных остатков.

Первичная структура тРНК

тРНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Все тРНК имеют одинаковый 3"-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного - аденозина (CCA-конец). Именно 3"-концевой аденозин связывается с аминокислотным остатком при образовании аминоацил-тРНК. CCA-конец присоединяется ко многим тРНК с помощью специального фермента. Нуклеотидный триплет, комплементарный кодону для аминокислоты (антикодон), находится приблизительно в середине цепи тРНК. В отдельных положениях последовательности практически у всех видов тРНК встречаются одни и те же (консервативные) нуклеотидные остатки. В некоторых положениях могут находиться или только пуриновые, или только пиримидиновые основания (их называют полуконсервативными остатками).

Для всех молекул тРНК характерно присутствие большого числа (до 25% всех остатков) разнообразных модифицированных нуклеозидов, часто называемых минорными. Они образуются в различных местах молекул, во многих случаях четко определенных, в результате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.

Вторичная структура тРНК

складывания цепи во вторичную структуру происходит за счет взаимокомплементарности участков цепи. Три фрагмента цепи оказываются комплементарными при складывании их на себя, образуя шпилькообразные структуры. Кроме того, 5"-конец комплементарен участку, близкому к 3"-концу цепи, при их антипараллельном расположении; они формируют так называемый акцепторный стебель. В результате образуется структура, характеризующаяся наличием четырех стеблей и трех петель, которая получила название "клеверного листа". Стебель с петлей формируют ветвь. Внизу расположена антикодоновая ветвь, содержащая антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). Нуклеотидные последовательности всех изученных тРНК могут быть сложены в аналогичные структуры. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V-петлю). Ее размеры резко различаются у разных тРНК, варьируя, от 4 до 21 нуклеотида, а по последним данным, и до 24 нуклеотидов.

Пространственная (третичная) структура тРНК

За счет взаимодействия элементов вторичной структуры формируется третичная структура, которая получила название L-формы из-за сходства с латинской буквой L (рис. 2 и 3). За счет стэкинга оснований акцепторный стебель и T-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, а два других стебля - антикодоновый и D - другую непрерывную двойную спираль. При этом D- и T-петли оказываются сближенными и скрепляются между собой путем образования дополнительных, часто необычных пар оснований. В образовании этих пар, как правило, принимают участие консервативные или полуконсервативные остатки. Аналогичные третичные взаимодействия скрепляют и некоторые другие участки L-структуры