Где образуется трнк. Передача информации внутри клетки. Классификация информационных потоков внутри клетки. Строение трнк: биохимия

Учебника. Несмотря на то, что тРНК значительно мельче, рассказ о ее строении, особенностях и функционировании заслуживает отдельной главы.

Итак, тРНК является «адаптером», который одним своим концом распознает трехбуквенную последовательность генетического кода, сопоставляя ей единственную соответствующую аминокислоту, закрепленную на другом конце тРНК. На прикасающемся к матричной РНК конце транспортной РНК находятся 3 нуклеотида, образующие антикодон . Только в случае комплементарности антикодона к участку мРНК транспортная РНК может к ней присоединиться. Но даже в этом случае тРНК не может присоединиться к мРНК самостоятельно, ей необходима помощь рибосомы, которая является местом их взаимодействия, а также активным участником трансляции. Например, именно рибосома создает связи между принесенными тРНК аминокислотами, формируя протеиновую цепочку.

Особенности строения тРНК обусловлены генетическим кодом, то есть правилами построения протеина по гену, которые транспортная РНК прочитывает. Этот код работает в каждом из живущих на Земле существ: создание вируса записано теми же трехбуквенными кодонами, которые используются для записи «инструкции по сборке» дельфина. Экспериментально проверено, что гены одного живого существа, помещенные в клетку другого, отлично копируются и транслируются в протеины, не отличимые от воспроизводящихся в клетках хозяина генов. На единообразии генетического кода основано производство колониями модифицированных кишечных палочек инсулина и многих других человеческих ферментов, использующихся в качестве лекарств для людей, чей организм не способен их вырабатывать, или вырабатывает недостаточно. Несмотря на очевидную разницу между человеком и кишечной палочкой, протеины человека легко создаются по его чертежам с помощью копировального аппарата кишечной палочки. Неудивительно, что транспортные РНК разных существ отличаются весьма незначительно.

Каждый кодон из этого списка, за исключением трех стоп-кодонов , дающих сигнал о завершении трансляции, должен распознаваться транспортной РНК. Узнавание осуществляется с помощью присоединения к матричной РНК антикодона, который может связаться только с одним кодоном из списка, поэтому тРНК может распознать только один кодон. А значит, в клетке существует как минимум 61 вид этих молекул. На самом деле их даже больше, так как в некоторых ситуациях для считывания матричной РНК недостаточно просто иметь нужный антикодон: требуется выполнение других условий, в соответствии с которыми создается особая, модифицированная тРНК.

На первый взгляд, такое разнообразие тРНК должно существенно осложнять процесс трансляции: ведь каждая из этих молекул будет проверять подставленный ей рибосомой кодон матричной РНК на соответствие своему антикодону — казалось бы, столько бессмысленной механической работы, столько впустую затраченного времени и энергии. Но в результате эволюции сформировались также и клеточные механизмы, предотвращающие эту проблему. Например, количество тРНК каждого вида в клетке соответствует тому, как часто аминокислота, несомая этим видом, встречается в строящихся протеинах. Есть аминокислоты, которые редко используются клеткой, а есть часто использующиеся, и если бы количество несущих их тРНК было одинаковым, это значительно осложнило бы сборку протеинов. Поэтому «редких» аминокислот и соответствующих им тРНК в клетке мало, а часто встречающиеся производятся в большом количестве.

При таком разнообразии молекул тРНК все они очень похожи, поэтому рассматривая их строение и функции, в основном мы будем изучать общие для всех видов черты. Если взглянуть на трехмерную схему тРНК, она кажется плотным нагромождением атомов. Кажется невероятным, что эта сложнозакрученная молекула получена в результате сворачивания длинной цепи нуклеотидов, но именно так она и образуется.

Можно проследить этапы ее образования, начиная с самого первого: составления РНК-полимеразой последовательности нуклеотидов в соответствии с геном, содержащим информацию о данной транспортной РНК. Порядок следования друг за другом этих нуклеотидов и их количество называется первичной структурой тРНК . Получается, что именно первичная структура тРНК закодирована в гене, прочитываемом РНК-полимеразой. Вообще первичной структурой называют последовательность сравнительно простых молекул одного типа, из которых составлена более сложная, свернутая молекула-полимер. Например, первичной структурой молекулы протеина является простая последовательность составляющих ее аминокислот.

Любая цепочка нуклеотидов не может находиться в клетке в развернутом состоянии, просто вытянувшись в линию. На краях нуклеотидов находится слишком много положительно и отрицательно заряженных частей, которые легко образуют водородные связи друг с другом. Про то, как такие же связи образуются между нуклеотидами двух молекул ДНК, соединяя их в двойную спираль, рассказано в , а за подробностями о водородных связях можно залезть в . Водородные связи менее прочны, чем связи между атомами в молекулах, но их достаточно для того, чтобы причудливо скрутить нить тРНК и держать ее в таком положении. Сначала эти связи образуются только между некоторыми нуклеотидами, сворачивая тРНК в фигуру наподобие листа клевера. Результат этого начального свертывания называют вторичной структурой тРНК . На схеме слева видно, что только некоторые нуклеотиды связываются водородными связями, а другие остаются неспаренными, образуя кольца и петли. Различия между вторичной структурой разных видов тРНК обусловлены различиями в их первичной структуре. Проявляется это в разной длине «клеверных листов» или «стебелька» за счет разной длины исходной цепочки нуклеотидов.

Другим отличием первичной структуры разных тРНК является то, что только в некоторых позициях у них стоят одни и те же нуклеотиды (на схеме вверху они отмечены первыми буквами своих названий), большинство же нуклеотидов у разных тРНК отличаются друг от друга. Приведенная выше схема является общей для всех тРНК, поэтому отличающиеся нуклеотиды отмечены числами.

Главными функциональными частями тРНК являются:

=) антикодон , то есть последовательность нуклеотидов, комплементарная единственному кодону матричной РНК, находящаяся на антикодоновой шпильке

=) акцепторный конец , к которому может быть присоединена аминокислота. Он находится с противоположной стороны от антикодоновой шпильки.

В реальности ни одна тРНК не выглядит так, как на схеме вторичной структуры, потому что для ее образования соединились между собой только некоторые нуклеотиды, а остальные остались неспаренными. За счет образования водородных связей между нуклеотидами из разных частей листа клевера он сворачивается дальше в гораздо более сложную третичную структуру в форме буквы L. Ты можешь понять, как именно изогнулись разные части вторичной структуры для образования третичной, сопоставив цвета на их схемах ниже. Антикодоновая шпилька, обозначенная голубым и серым цветами, остается внизу (стоит помнить, что это «внизу» является условным: удобно изображать тРНК именно в такой пространственной ориентации в схемах трансляции белка), а акцепторный конец (желтого цвета) загнут в сторону.

Именно так выглядит тРНК, готовая к присоединению аминокислоты. Самостоятельно соединиться с аминокислотой тРНК не способна, для этого требуется участие специального фермента: аминоацил-тРНК-синтетазы . Число видов синтетаз в клетке совпадает с числом видов тРНК.

Единообразие формы всех видов тРНК необходимо для того, чтобы рибосома могла распознавать любую из них, способствовать их стыковке с мРНК, перемещать внутри себя из одного сайта в другой. Если бы разные виды тРНК существенно отличались друг от друга, это чрезвычайно затруднило бы работу рибосомы, критически снизив скорость синтеза протеина. Естественный отбор таким образом направлен на то, чтобы сделать тРНК похожими друг на друга. Но вместе с тем есть и другой фактор, требующий существования заметных различий между разными видами тРНК: ведь необходимо распознать каждый вид и прикрепить к нему единственную, соответствующую ему аминокислоту. Очевидно, что эти отличия должны быть хоть и заметными, но не слишком существенными, так что работа по распознаванию видов тРНК превращается в ювелирный процесс. И именно его осуществляют аминоацил-тРНК-синтетазы: каждая из них может связаться только с одной из 20 аминокислот и присоединить ее именно к тем видам тРНК, которые этой аминокислоте соответствуют. Из таблицы с генетическим кодом видно, что каждая аминокислота кодируется несколькими последовательностями нуклеотидов, поэтому например все четыре тРНК с антикодонами CGA, CGG, CGU и CGC будут распознаваться одной и той же синтетазой, присоединяющей к ним аланин. Такие обрабатываемые одной синтетазой тРНК называются родственными .

Синтетаза принадлежит к группе ферментов, чья функция заключается в связывании с отдельно существующими молекулами и объединении их в одну:

1 . синтетаза соединяет аминокислоту и молекулу АТФ. От АТФ отрываются две фосфатные группы, высвобождая энергию, необходимую для следующих действий. Остающийся от разрушенной молекулы аденозинмонофосфат (АМФ) присоединяется к аминокислоте, подготовив ее к соединению с акцепторной шпилькой.

2 . синтетаза присоединяет к себе одну из соответствующих этой аминокислоте родственных тРНК.

На этом этапе происходит проверка соответствия транспортной РНК синтетазе. Существует несколько способов распознавания, и в каждой синтетазе имеется уникальная их комбинация. Во взаимодействии синтетазы и тРНК участвует как минимум один нуклеотид антикодона. Так же требует проверки акцепторная шпилька: определяется наличие на ней специфических нуклеотидов, общих для соответствующих нужной аминокислоте родственных тРНК. Нуклеотиды других частей тРНК тоже могут участвовать в проверке соответствия, соединяясь с определенными местами синтетазы. Неправильная тРНК может совпадать с нужной по каким-то параметрам, но из-за неполного совпадения будет присоединяться к синтетазе медленно и неплотно, легко отваливаясь. А правильная тРНК прилипнет к синтетазе быстро и крепко, в результате чего структура синтетазы меняется, запуская процесс аминоацилирования , то есть присоединения аминокислоты к тРНК.

3 . аминоацилирование заключается в замене присоединенной к аминокислоте молекулы АМФ на молекулу тРНК. После этой замены АМФ покидает синтетазу, а тРНК задерживается для последней проверки аминокислоты. Если присоединенная аминокислота опознается как неправильная, она будет отсоединена от тРНК, место аминокислоты в синтетазе опустеет, и туда сможет присоединиться другая молекула. Новая аминокислота пройдет стадии соединения с АТФ и тРНК, и тоже подвергнется проверке. Если же ошибок допущено не было, заряженная аминокислотой тРНК освобождается: она готова сыграть свою роль в трансляции протеина. А синтетаза готова присоединить новые аминокислоту и тРНК, и цикл начнется заново.

От правильности работы аминоацил-тРНК-синтетазы зависит многое: если на этом этапе произойдет сбой, то к тРНК будет присоединена неверная аминокислота. И она будет встроена в растущий на рибосоме протеин, ведь тРНК и рибосома не имеют функции проверки соответствия кодона и аминокислоты. Последствия ошибки могут быть незначительными или катастрофическими, и в ходе естественного отбора существа с ферментами, не имеющими функции таких проверок, были вытеснены более приспособленными, имеющими различные варианты установления соответствия между аминокислотой и тРНК. Поэтому в современных клетках синтетаза соединяется с неверной аминокислотой в среднем в одном случае из 50 тысяч, а с ошибочной тРНК всего лишь один раз на 100 тысяч присоединений.

Некоторые аминокислоты отличаются друг от друга всего лишь несколькими атомами. Если взглянуть на их схемы, становится очевидно, что вероятность перепутать аргинин с аланином гораздо меньше, чем принять изолейцин за лейцин или валин. Поэтому у каждой синтетазы, связывающейся с одной из похожих друг на друга аминокислот, имеются дополнительные механизмы проверки. Вот пример такого приспособления у изолейцин-тРНК-синтетазы:

У каждой синтетазы существует синтетический центр , в котором происходит присоединение аминокислоты к тРНК. Акцепторная шпилька тРНК, захваченной синтетазой, попадает именно туда, так же как и аминокислота, готовая вступить в реакцию с ней. Работа некоторых синтетаз заканчивается сразу после соединения аминокислоты и тРНК. Но Ile-тРНК-синтетаза имеет повышенную вероятность совершения ошибок из-за существования других похожих на изолейцин аминокислот. Поэтому у нее есть еще и коррекционный центр : из названия понятно, какую роль он играет в процессе соединения тРНК и аминокислоты. На рисунке справа видно, что положение конца акцепторной шпильки тРНК в синтетическом центре Ile-тРНК-синтетазы придает этой шпильке неестественный изгиб. Тем не менее, синтетаза удерживает тРНК в таком положении до момента присоединения к ней аминокислоты. После того, как это соединение произошло, необходимость нахождения акцепторной шпильки в синтетическом центре исчерпана, и тРНК распрямляется, попадая своим концом с насаженной на него аминокислотой в коррекционный центр.

Конечно же, синтетический центр тоже играет свою роль в отсеивании не подходящих синтетазе аминокислот. Чтобы попасть в него, молекуле необходимо отвечать ряду условий, в том числе иметь подходящий размер. Несмотря на то, что лейцин и изолейцин содержат одно и то же количество атомов, из-за различий в пространственной структуре лейцин крупнее. Поэтому он не может проникнуть в синтетический центр, размеры которого соответствуют более компактному изолейцину, и просто отскакивает от Ile-тРНК-синтетазы.

Но вот валин, являющийся самой мелкой из этих трех молекул со схожей атомной структурой, легко занимает место изолейцина в синтетическом центре, и синтетаза присоединяет его к тРНК. Именно в этом случае вступает в игру коррекционный центр синтетазы. Если распрямляющаяся акцепторная шпилька заряжена верно и несет изолейцин, то она не может протиснуться внутрь коррекционного центра: он просто слишком мал для этой молекулы. Таким образом, распрямившуюся тРНК больше ничто не держит, и она отсоединяется от синтетазы. А вот если к тРНК присоединен валин, он проскальзывает в коррекционный центр, тем самым удерживая соединенную с ним тРНК в синтетазе. Такое излишне длительное нахождение тРНК внутри является для синтетазы сигналом ошибки, меняя ее пространственную конфигурацию. В результате этого:

=) валин отсоединяется от тРНК и удаляется из синтетазы

=) акцепторная шпилька возвращается в синтетический центр, ожидая присоединения к аминокислоте

=) синтетаза связывается с новой аминокислотой, «заряжает» ей тРНК и снова проверяет, был ли использован для этого именно изолейцин.

Схожий механизм двойного распознавания используется и другими синтетазами.

Важная роль в процессе использования наследственной информации клеткой принадлежит транспортной РНК (тРНК). Доставляя необходимые аминокислоты к месту сборки пептидных цепей, тРНК выполняет функцию трансляционного посредника.

Молекулы тРНК представляют собой полинуклеотидные цепи, синтезируемые на определенных последовательностях ДНК. Они состоят из относительно небольшого числа нуклеотидов -75-95. В результате комплементарного соединения оснований, которые находятся в разных участках полинуклеотидной цепи тРНК, она приобретает структуру, напоминающую по форме лист клевера (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Строение типичной молекулы тРНК.

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 TψC, где \у - псевдоуриаин (Т^С-петля).

Между аитикодоновой и Т^С-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.

В целом различные виды тРНК характеризуются определенньм постоянством нуклеотидной последовательности, которая чаще всего состоит из 76 нуклеотидов. Варьирование их числа связано главным образом с изменением количества нуклеотидов в дополнительной петле. Комплементарные участки, поддерживающие структуру тРНК, как правило, консервативны. Первичная структура тРНК, определяемая последовательностью нуклеотидов, формирует вторичную структуру тРНК, имеющую форму листа клевера. В свою очередь, вторичная структура обусловливает трехмерную третичную структуру, для которой характерно образование двух перпендикулярно расположенных двойных спиралей (рис. 3.27). Одна из них образована акцепторной и ТψС-ветвями, другая -антикодоновой и D-ветвями.

На конце одной из двойных спиралей располагается транспортируемая аминокислота, на конце другой - антикодон. Эти участки оказываются максимально удаленными друг от друга. Стабильность третичной структуры тРНК поддерживается благодаря возникновению дополнительных водородных связей между основаниями полинуклеотидной цепи, находящимися в разных ее участках, но пространственно сближенных в третичной структуре.

Различные виды тРНК имеют сходную третичную структуру, хотя и с некоторыми вариациями.

Рис. 3.27. Пространственная организация тРНК:

I -вторичная структура тРНК в виде «клеверного листа», определяемая ее первичной структурой (последовательностью нуклеотидов в цепи);

II - двумерная проекция третичной структуры тРНК;

III - схема укладки молекулы тРНК в пространстве

ПРИЛОЖЕНИЕ (на случай, если кто-то это не понимает)

Зубцы молнии - нуклеотиды (Аденин-Тимин/Урацил/, Гуанин-Цитазин). Вся молния - ДНК.

Чтобы передать информацию с ДНК надо разорвать 2 нити. Связь между А-Т и Г-Ц - водородная, поэтому легко разрывается ферментом Геликаза:

Чтобы не образовывались узлы (Как пример скрутил полотенце):

Чтобы цепочка не скручивалась одну нить ДНК в точке начала репликации разрезает Топоизомераза.

Когда одна нить свободна - вторая может легко вращаться вокруг своей оси, тем самым снимая напряжение во время "раскручивания". Узлы не появляются, экономится энергия.

Затем, чтобы начать собирать РНК необходима РНК затравка. Белок, который собирает мРНК не может просто так собрать первый нуклеотид, ему нужен кусок РНК чтобы начать (там подробно написано, потом выпишу). Этот кусок называется РНК затравка. И к нему уже этот белок присоединяет первый нуклеотид.

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

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.

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