Молекулата е не по-малко важен компонент на всеки организъм, присъства в прокариотните клетки, в клетките и в някои (РНК-съдържащи вируси).

Разгледахме общата структура и състав на молекулата в лекцията "", тук ще разгледаме следните въпроси:

• Образуване на РНК и комплементарност
• транскрипция
• излъчване (синтез)

РНК молекулите са по-малки от ДНК молекулите. Молекулното тегло на tRNA е 20-30 хиляди c.u., rRNA е до 1,5 милиона c.u.

структура на РНК

И така, структурата на молекулата на РНК е едноверижна молекула и съдържа 4 вида азотни бази:

НО, При, ° Си Ж

Нуклеотидите в РНК са свързани в полинуклеотидна верига поради взаимодействието на пентозната захар на един нуклеотид и остатъка от фосфорна киселина на друг.

Има 3 тип РНК:

Транскрипция и излъчване

РНК транскрипция

Така че, както знаем, всеки организъм е уникален.

Транскрипция- процесът на синтез на РНК с използване на ДНК като матрица, протичащ във всички живи клетки. С други думи, това е трансфер на генетична информация от ДНК към РНК.

Съответно РНК на всеки организъм също е уникална. Получената m- (матрична или информационна) РНК е комплементарна на една верига от ДНК. Както при ДНК, "помага" на транскрипцията Ензим РНК полимераза.Както в , процесът започва с посвещения(=начало), след това отива удължаване(= удължаване, продължение) и завършва прекратяване на договора(= прекъсване, край).

В края на процеса иРНК се освобождава от цитоплазмата.

Излъчване

Като цяло преводът е много сложен процес и е подобен на утвърдена автоматична хирургическа операция. Ще разгледаме "опростена версия" - само за да разберем основните процеси на този механизъм, чиято основна цел е да осигури на тялото протеин.

• Молекулата на иРНК излиза от ядрото в цитоплазмата и се свързва с рибозомата.
• В този момент аминокиселините на цитоплазмата се активират, но има едно „но“ - директно иРНК и аминокиселините не могат да взаимодействат. Имат нужда от адаптер
• Такъв адаптер става t- (трансферна) РНК. Всяка аминокиселина има своя собствена тРНК. tRNA има специално трио от нуклеотиди (антикодон), който е комплементарен на специфичен регион на иРНК и той „прикрепя“ аминокиселина към този специфичен регион.
• , от своя страна, с помощта на специални ензими, образува връзка между тях - рибозомата се движи по иРНК като плъзгач по ципа. Полипептидната верига расте, докато рибозомата достигне кодона (3 аминокиселини), който съответства на STOP сигнала. Тогава веригата се прекъсва, протеинът напуска рибозомата.

Генетичен код

Генетичен код- метод, присъщ на всички живи организми за кодиране на аминокиселинната последователност на протеините, използвайки последователност от нуклеотиди.

Как да използвате таблицата:

• Намерете първата азотна основа в лявата колона;
• Намерете втората основа отгоре;
• Определете третата основа в дясната колона.

Пресечната точка на трите е аминокиселината на получения протеин, от която се нуждаете.

Свойства на генетичния код

1. Тройност- значима единица на кода е комбинация от три нуклеотида (триплет или кодон).
2. Приемственост- между тройките няма препинателни знаци, тоест информацията се чете непрекъснато.
3. не препокриващи се- един и същи нуклеотид не може да бъде едновременно част от два или повече триплета.
4. Еднозначност (конкретност)Определен кодон отговаря само на една аминокиселина.
5. Дегенерация (излишък)Няколко кодона могат да съответстват на една и съща аминокиселина.
6. Универсалност- генетичният код работи по един и същи начин в организми с различни нива на сложност - от вируси до хора

Няма нужда да запаметявате тези свойства. Важно е да се разбере, че генетичният код е универсален за всички живи организми! Защо? Да, защото се основава на

Рибонуклеиновата киселина е съполимер на пуринови и пиримидинови рибонуклеотиди, свързани един с друг, както в ДНК, чрез фосфодиестерни мостове (фиг. 37.6). Въпреки че тези два вида нуклеинови киселини имат много общи неща, те се различават един от друг по много начини.

1. В РНК въглехидратният остатък, към който са прикрепени пуринови или пиримидинови бази и фосфатни групи, е рибоза, а не 2-дезоксирибоза (както в ДНК).

2. Пиримидиновите компоненти на РНК са различни от тези на ДНК. В състава на РНК, както и в състава на ДНК, влизат нуклеотидите на аденин, гуанин и цитозин. В същото време РНК (с изключение на някои специални случаи, които ще обсъдим по-долу) не съдържа тимин, мястото му в молекулата на РНК е заето от урацил.

3. РНК е едноверижна молекула (за разлика от ДНК, която има двойноверижна структура), но ако има участъци с комплементарна последователност (противоположна полярност) във веригата на РНК, една верига на РНК може да се сгъне с образуването на така наречените "фиби", структури, които имат двойноверижни характеристики (фиг. 37.7).

Ориз. 37.6. Фрагмент от молекула на рибонуклеинова киселина (РНК), в която пуриновите и пиримидиновите бази - аденин (А), урацил (U), цитозин (С) и гуанин (- се задържат от фосфодиестерен скелет, свързващ рибозилови остатъци, свързани с N- гликозидна връзка със съответните нуклеинови бази Забележете, че РНК веригата има специфична насоченост, обозначена от 5- и 3-терминалните фосфатни остатъци.

4. Тъй като молекулата на РНК е единична верига, комплементарна само на една от веригите на ДНК, съдържанието на гуанин в нея не е непременно равно на съдържанието на цитозин, а съдържанието на аденин не е непременно равно на съдържанието на урацил.

5. РНК може да се хидролизира с алкални до 2,3-циклични диестери на мононуклеотиди; 2, Y, 5-триестерът действа като междинен хидролизен продукт, който не се образува по време на алкална хидролиза на ДНК поради липсата на 2-хидроксилни групи в последната; алкалната лабилност на РНК (в сравнение с ДНК) е полезно свойствокакто за диагностични, така и за аналитични цели.

Информацията, съдържаща се в едноверижната РНК, се реализира под формата на специфична последователност от пуринови и пиримидинови бази (т.е. в първичната структура) на полимерната верига. Тази последователност е комплементарна на кодиращата верига на гена, от който се "чете" РНК. Благодарение на комплементарността, РНК молекулата е в състояние специфично да се свърже (хибридизира) с кодиращата верига, но не и да хибридизира с некодиращата ДНК верига. РНК последователността (с изключение на заместването на Т с U) е идентична с последователността на некодиращата генна верига (фиг. 37.8).

Биологични функции на РНК

Известни са няколко вида РНК. Почти всички от тях са пряко включени в процеса на биосинтеза на протеини. Молекулите на цитоплазмената РНК, които действат като шаблони за протеиновия синтез, се наричат ​​информационна РНК (иРНК). Друг вид цитоплазмена РНК, рибозомната РНК (рРНК), играе ролята на структурни компоненти на рибозомите (органели, които играят важна роля в синтеза на протеини). Адаптерните молекули на трансферната РНК (тРНК) участват в транслацията (транслацията) на информацията за иРНК в аминокиселинната последователност в протеините.

Значителна част от първичните РНК транскрипти, произведени в еукариотни клетки, включително клетки на бозайници, претърпяват разграждане в ядрото и не играят никаква структурна или информационна роля в цитоплазмата. В култивирани

Ориз. 37.7. Вторичната структура на молекулата на РНК от типа "примка със стъбло" ("фиби"), в резултат на вътремолекулно образуване на водородни връзки между комплементарни двойки нуклеинови бази.

В човешките клетки е открит клас малки ядрени РНК, които не участват пряко в протеиновия синтез, но могат да повлияят на обработката на РНК и цялостната „архитектура“ на клетката. Размерите на тези сравнително малки молекули варират, като последните съдържат от 90 до 300 нуклеотида (Таблица 37.3).

РНК е основният генетичен материал в някои животински и растителни вируси. Някои РНК вируси никога не преминават през обратната транскрипция на РНК в ДНК. Въпреки това, повечето известни животински вируси, като ретровирусите, се характеризират с обратна транскрипция на техния РНК геном, насочена от РНК-зависима ДНК полимераза (обратна транскриптаза) за образуване на двойноверижно ДНК копие. В много случаи полученият двуверижен ДНК транскрипт се интегрира в генома и допълнително осигурява експресията на вирусни гени, както и производството на нови копия на вирусни РНК геноми.

Структурна организация на РНК

Във всички еукариотни и прокариотни организми има три основни класа РНК молекули: информационна (матрична или информационна) РНК (тРНК), транспортна (тРНК) и рибозомна (рРНК). Представителите на тези класове се различават един от друг по размер, функция и стабилност.

Информационният (mRNA) е най-разнородният клас по отношение на размер и стабилност. Всички представители на този клас служат като носители на информация от гена към протеин-синтезиращата система на клетката. Те действат като шаблони за синтезирания полипептид, т.е. определят аминокиселинната последователност на протеина (фиг. 37.9).

Информационните РНК, особено еукариотните, имат някои уникални структурни особености. 5-ият край на иРНК е "затворен" от 7-метилгуанозин трифосфат, свързан към 5-хидроксила на съседния 2-0-метилрибонуклеозид чрез трифосфатен остатък (фиг. 37.10). Молекулите на иРНК често съдържат вътрешни 6-метиладенинови остатъци и 2-0-метилирани рибонуклеотиди. Въпреки че значението на "затварянето" все още не е напълно изяснено, може да се предположи, че получената структура на 5-края на иРНК се използва за специфично разпознаване в системата за транслация. Синтезът на протеини започва в 5" (затворения) край на иРНК. Другият край на повечето иРНК молекули (3-край) съдържа полиаденилатна верига от 20-250 нуклеотида. Специфичните функции на това не са окончателно установени. Може да се приеме, че тази структура е отговорна за поддържането на вътреклетъчната стабилност иРНК Някои иРНК, включително хистонови, не съдържат поли(А) Наличието на поли(А) в структурата на иРНК се използва за отделяне от други типове РНК чрез фракциониране на общата РНК върху колони с олиго(Т), имобилизиран върху твърда подложка като целулоза.с колоната възниква поради комплементарни взаимодействия на поли(А) - "опашка" с имобилизиран олиго(Т).

Ориз. 37.8. Последователността на гена и неговия РНК транскрипт. Показани са кодиращите и некодиращите вериги и са отбелязани техните полярности. РНК транскрипт с полярност е комплементарен на кодиращата верига (с полярност 3–5) и е идентичен по последователност (с изключение на замествания от Т до U) и полярност на некодиращата ДНК верига.

Ориз. 37.9. Експресия на ДНК генетична информация под формата на иРНК транскрипт и последваща транслация с участието на рибозоми за образуване на специфична протеинова молекула.

(виж сканиране)

Ориз. 37.10. Структурата "капачка", открита в 5-края на повечето еукариотни информационни РНК 7-метилгуанозин трифосфат е прикрепен към 5-края на иРНК. който обикновено съдържа 2-О-метилпуринов нуклеотид.

В клетки на бозайници, включително човешки клетки, зрелите иРНК молекули, разположени в цитоплазмата, не са пълно копие на транскрибираната област на гена. Полирибонуклеотидът, образуван в резултат на транскрипция, е предшественик на цитоплазмената иРНК, преди да напусне ядрото, той се подлага на специфична обработка. Необработените продукти на транскрипция, открити в ядрата на клетките на бозайниците, образуват четвъртия клас РНК молекули. Такива ядрени РНК са много хетерогенни и достигат значителни размери. Молекулите на хетерогенните ядрени РНК могат да имат молекулно тегло повече от , докато молекулното тегло на иРНК обикновено не надвишава 2106. Те се обработват в ядрото и получените зрели иРНК навлизат в цитоплазмата, където служат като матрица за протеина биосинтеза.

Молекулите на трансферната РНК (tRNA) обикновено съдържат около 75 нуклеотида. Молекулното тегло на такива молекули е. tRNAs също се образуват в резултат на специфичната обработка на съответните прекурсорни молекули (виж глава 39). Транспортните тРНК действат като медиатори в хода на транслацията на иРНК. Във всяка клетка има най-малко 20 вида tRNA молекули. Всеки тип (понякога няколко вида) tRNA съответства на една от 20-те аминокиселини, необходими за синтеза на протеини. Въпреки че всяка конкретна tRNA се различава от другите по нуклеотидна последователност, всички те имат и Общи черти. Благодарение на няколко интраверижни комплементарни области, всички тРНК имат вторична структура, наречена "детелина" (фиг. 37.11).

Молекулите на всички видове tRNA имат четири основни рамена. Акцепторното рамо се състои от „ствол" от сдвоени нуклеотиди и завършва с последователността на ССА. Чрез Y-хидроксилната група на аденозиловия остатък става свързването с карбоксилната група на аминокиселината. Останалите рамена също се състоят от "стъбла", образувани от допълващи се базови двойки и бримки от несдвоени бази (фиг. 37.7). Антикодонното рамо разпознава нуклеотиден триплет или кодон (виж глава 40) в иРНК. D-рамото е наречено така поради наличието на дихидроуридин в него, -рамото е кръстено на последователността на Т-псевдоуридин-С. Допълнителното рамо е най-променливата структура и служи като основа за класификацията на тРНК. Клас 1 тРНК (75% от общия им брой) имат допълнително рамо с дължина 3-5 базови двойки. Допълнителното рамо на тРНК молекули от клас 2 е дълго 13-21 базови двойки и често включва несдвоена верига.

Ориз. 37.11. Структурата на молекулата на аминоацил-тРНК, към чийто 3-CCA-край е прикрепена аминокиселина. Показани са вътрешномолекулните водородни връзки и местоположението на антикодона, ТТС и дихидроурациловите рамена. (От J. D. Watson. Molecular biology of the Gene 3rd, ed.. Copyright 1976, 1970, 1965 от W. A. ​​Benjamin, Inc., Менло Парк Калифорния.)

Вторичната структура, определена от системата на комплементарни взаимодействия на нуклеотидните бази на съответните рамена, е характерна за всички видове.Акцепторното рамо съдържа седем базови двойки, рамото - пет базови двойки, D рамото - три (или четири) базови двойки.

tRNA молекулите са много стабилни при прокариотите и малко по-малко при еукариотите. Обратната ситуация е характерна за иРНК, която е доста нестабилна при прокариотите, докато при еукариотните организми има значителна стабилност.

Рибозомна РНК. Рибозомата е цитоплазмена нуклеопротеидна структура, предназначена за синтез на протеин от матрица на иРНК. Рибозомата осигурява специфичен контакт, в резултат на което се осъществява транслацията на нуклеотидната последователност, прочетена от специфичен ген, в аминокиселинната последователност на съответния протеин.

В табл. 37.2 показва компонентите на рибозомите на бозайници с молекулно тегло 4,210 6 и скорост на утаяване (единици Swedberg). Рибозомите на бозайниците са съставени от две нуклеопротеинови субединици, голямата в

Таблица 37.2. Рибозомни компоненти на бозайници

молекулно тегло (60S) и малки, имащи молекулно тегло (40S). Субединицата 608 съдържа 58-рибозомна РНК (rRNA), 5,8S-pRNA и 28S-pRNA, както и повече от 50 различни полипептида. Малката 408-субединица включва единична 18S-pRNA и около 30 полипептидни вериги. Всички рибозомни РНК, с изключение на 5S-РНК, споделят общ прекурсор, 45S-РНК, разположен в ядрото (виж Глава 40). Молекулата 5S-RNA има свой собствен прекурсор. В нуклеола силно метилираните рибозомни РНК са опаковани с рибозомни протеини. В цитоплазмата рибозомите са доста стабилни и способни да извършват голям брой цикли на транслация.

Малка стабилна РНК. В еукариотните клетки са открити голям брой дискретни, силно запазени, малки и стабилни РНК молекули. Повечето РНК от този тип се намират в рибонуклеопротеините и са локализирани в ядрото, цитоплазмата или едновременно в двете отделения. Размерите на тези молекули варират от 90 до 300 нуклеотида, съдържанието им е 100 000-1 000 000 копия на клетка.

Малките ядрени рибонуклеинови частици (често наричани snurps - от английското small ядерни рибонуклеинови частици) вероятно играят съществена роля в регулирането на генната експресия. Нуклеопротеиновите частици от типа U7 изглежда участват във формирането на 3-терминалите на хистонови иРНК. Вероятно са необходими частици за полиаденилиране, за отстраняване на интрон и обработка на иРНК (виж Глава 39). Раздел. 37.3. обобщава някои характеристики на малки стабилни РНК.

Таблица 37.3. Някои видове малки стабилни РНК, открити в клетки на бозайници

ЛИТЕРАТУРА

Darnell J. и др. Молекулярна клетъчна биология, Scientific American Books, 1986 г.

Hunt T. DNA Makes RNA Makes Protein, Elsevier, 1983. Lewin B. Genes, 2-ро изд., Wiley, 1985.

Рич А. и др. Химията и биологията на лявата Z-ДНК, Annu. Rev. Biochem., 1984, 53, 847.

Turner P. Контролиращи роли за snurps, Nature 1985, 316, 105. Watson J. D. The Double Helix, Atheneum, 1968.

Watson J.D., Crick F.H.C. Молекулна структура на нуклеиновите киселини. Nature, 1953, 171, 737.

Zieve G. W. Две групи малки стабилни РНК, Cell, 1981, 25, 296.

РНК, подобно на ДНК, е полинуклеотид. Структурата на РНК нуклеотидите с тази на ДНК, но има следните разлики:

• Вместо дезоксирибоза, РНК нуклеотидите съдържат пет-въглеродна захар, рибоза;
• Вместо азотната основа на тимина, урацил;
• Молекулата на РНК обикновено е представена от една верига (при някои вируси две);

Има в клетки три вида РНК:информационни, транспортни и рибозомни.

ИнформационенРНК (и-РНК) е копие на определен участък от ДНК и действа като носител на генетична информация от ДНК до мястото на протеинов синтез (рибозома) и участва пряко в сглобяването на нейните молекули.

транспортРНК (тРНК) пренася аминокиселини от цитоплазмата към рибозомите.

Рибозомната РНК (рРНК) е част от рибозомите. Смята се, че r-RNA осигурява определена пространствена връзка i-RNA и t-RNA.

Ролята на РНК в процеса на реализация на наследствената информация.

Наследствената информация, записана с помощта на генетичния код, се съхранява в ДНК молекулите и се размножава, за да осигури на новообразуваните клетки необходимите „инструкции“ за тяхното нормално развитие и функциониране. В същото време ДНК не участва пряко в поддържането на живота на клетките. Ролята на посредник, чиято функция е да преведе съхраняваната в ДНК наследствена информация в работеща форма, играе рибонуклеинови киселини – РНК.

За разлика от ДНК молекулите, рибонуклеиновите киселини са представени от една полинуклеотидна верига, която се състои от четири вида нуклеотиди, съдържащи захар, рибоза, фосфат и една от четирите азотни бази - аденин, гуанин, урацил или цитозин. РНК се синтезира върху ДНК молекули с помощта на РНК полимеразни ензими в съответствие с принципа на комплементарност и антипаралелност, а урацилът е комплементарен на ДНК аденин в РНК. Цялото разнообразие от РНК, действащи в клетката, може да бъде разделено на три основни типа: иРНК, тРНК, рРНК.

Според химическата организация на материала на наследствеността и изменчивостта еукариотните и прокариотните клетки не се различават фундаментално една от друга. Техният генетичен материал е представен от ДНК. Общ за тях е принципът на записване на генетичната информация, както и на генетичния код. Същите аминокиселини са криптирани в про- и еукариотите с едни и същи кодони. По принцип използването на наследствената информация, съхранявана в ДНК, се извършва по един и същи начин в тези видове клетки. Първо се транскрибира в нуклеотидната последователност на молекулата на иРНК и след това се превежда в аминокиселинната последователност на пептида върху рибозомите с участието на тРНК. Но някои особености на организацията на наследствения материал, които отличават еукариотните клетки от прокариотните, причиняват различия в използването на тяхната генетична информация.

Наследственият материал на прокариотната клетка се съдържа главно в една кръгова ДНК молекула. Той се намира директно в цитоплазмата на клетката, където също има тРНК и ензими, необходими за генната експресия, някои от които се съдържат в рибозомите. Прокариотните гени се състоят изцяло от кодиращи нуклеотидни последователности, които се реализират по време на синтеза на протеини, tRNA или rRNA.

Наследственият материал на еукариотите е с по-голям обем от този на прокариотите. Разположен е главно в специални ядрени структури - хромозомикоито са отделени от цитоплазмата от ядрената обвивка. Апаратът, необходим за синтеза на протеини, състоящ се от рибозоми, tRNA, набор от аминокиселини и ензими, се намира в цитоплазмата на клетката.

Съществуват значителни разлики в молекулярната организация на гените в еукариотните клетки. Повечето от тях имат кодиращи последователности екзонипрекъснат интронместа, които не се използват в синтеза на t-RNA, r-RNA или пептиди. Броят на тези региони варира в различните гени.Тези региони се отстраняват от първичната транскрибирана РНК и следователно използването на генетична информация в еукариотната клетка се случва малко по-различно. В прокариотната клетка, където наследственият материал и апаратът за биосинтеза на протеини не са пространствено разделени, транскрипцията и транслацията се извършват почти едновременно. В еукариотната клетка тези два етапа са не само пространствено разделени от ядрената обвивка, но също така са разделени във времето от процесите на узряване на иРНК, от които неинформативните последователности трябва да бъдат отстранени.

В допълнение към тези разлики на всеки етап от експресията на генетична информация могат да се отбележат някои характеристики на протичането на тези процеси при про- и еукариоти.

Функциите на РНК се различават в зависимост от вида на рибонуклеиновата киселина.

1) Пратена РНК (i-RNA).

2) Рибозомна РНК (r-РНК).

3) Трансферна РНК (t-RNA).

4) Малка (малка) РНК. Това са РНК молекули, най-често с малко молекулно тегло, разположени в различни части на клетката (мембрана, цитоплазма, органели, ядро ​​и др.). Тяхната роля не е напълно разбрана. Доказано е, че те могат да помогнат за узряването на рибозомната РНК, да участват в преноса на протеини през клетъчната мембрана, да насърчават редупликацията на ДНК молекули и т.н.

5) Рибозими. Наскоро идентифициран тип РНК, който участва активно в ензимните процеси на клетката като ензим (катализатор).

6) Вирусна РНК. Всеки вирус може да съдържа само един вид нуклеинова киселина: ДНК или РНК. Съответно вирусите, които имат в състава си РНК молекула, се наричат ​​РНК-съдържащи. Когато вирус от този тип навлезе в клетката, може да възникне процесът на обратна транскрипция (образуването на нова ДНК на базата на РНК), като вече новообразуваната вирусна ДНК се интегрира в клетъчния геном и осигурява съществуването и възпроизводството на патогена. . Вторият вариант на сценария е образуването на комплементарна РНК върху матрицата на входящата вирусна РНК. В този случай образуването на нови вирусни протеини, жизнената активност и възпроизвеждането на вируса се извършва без участието на дезоксирибонуклеинова киселина, само въз основа на генетичната информация, записана на вирусната РНК. рибонуклеинови киселини. РНК, структура, структури, видове, роля. Генетичен код. Механизми за трансфер на генетична информация. Репликация. Транскрипция

Рибозомна РНК.

rRNA представлява 90% от цялата клетъчна РНК и се характеризира с метаболитна стабилност. Прокариотите имат три различни видоверРНК със седиментационни коефициенти 23S, 16S и 5S; еукариотите имат четири типа: -28S, 18S,5S и 5.8S.

РНК от този тип са локализирани в рибозомите и участват в специфични взаимодействия с рибозомните протеини.

Рибозомните РНК имат формата на вторична структура, под формата на която са двойноверижни участъци, свързани с извита единична верига. Протеините на рибозомата са свързани главно с едноверижни области на молекулата.

rRNA се характеризира с наличието на модифицирани бази, но в много по-малко количество, отколкото в tRNA. В рРНК има главно метилирани нуклеотиди с метилови групи, прикрепени или към основата, или към 2/-OH- групата на рибозата.

транспортна РНК.

Молекулите на tRNA са единична верига, състояща се от 70-90 нуклеотида, с молекулно тегло 23000-28000 и константа на утаяване 4S. В клетъчната РНК трансферната РНК е 10-20%. Молекулите на tRNA имат способността да се свързват ковалентно с определена аминокиселина и да се свързват чрез система от водородни връзки с един от нуклеотидните триплети на молекулата на иРНК. По този начин, тРНК осъществяват кодиращо съответствие между аминокиселина и съответния иРНК кодон. За да изпълняват функцията на адаптора, tRNA трябва да имат добре дефинирана вторична и третична структура.

Всяка молекула на тРНК има постоянна вторична структура, има формата на двуизмерно листо от детелина и се състои от спирални участъци, образувани от нуклеотиди на една и съща верига, и едноверижни бримки, разположени между тях. Броят на спиралните участъци достига половината от молекулата.Несдвоените последователности образуват характерни структурни елементи (клонове), които имат типични клонове:

А) акцепторно стъбло, в чийто 3/-OH край в повечето случаи има CCA триплет. Съответната аминокиселина е прикрепена към карбоксилната група на терминалния аденозин с помощта на специфичен ензим;

Б) псевдоуридин или T C-loop, състои се от седем нуклеотида със задължителната последователност 5 / -T TsG-3 /, която съдържа псевдоуридин; предполага се, че Т-примката се използва за свързване на тРНК към рибозомата;

В) допълнителна бримка – различна по големина и състав в различните тРНК;

Г) антикодоновата бримка се състои от седем нуклеотида и съдържа група от три бази (антикодон), която е комплементарна на триплет (кодон) в молекулата на иРНК;

E) дихидроуридилова верига (D-контур), състояща се от 8-12 нуклеотида и съдържаща от един до четири дихидроуридилови остатъка; смята се, че D-контурът се използва за свързване на тРНК със специфичен ензим (аминоацил-тРНК синтетаза).

Третичната гънка на tRNA молекулите е много компактна и L-образна. Ъгълът на подобна структура се образува от дихидроуридинов остатък и T C-контур, дълго коляно образува акцепторен ствол и T C-контур, а късият образува D-контур и антикодонна верига.

Поливалентните катиони (Mg 2+, полиамини), както и водородните връзки между базите и фосфодиестерния скелет участват в стабилизирането на третичната структура на тРНК.

Сложното пространствено нагъване на молекулата на тРНК се дължи на множество силно специфични взаимодействия както с протеини, така и с други нуклеинови киселини (рРНК).

Трансферната РНК се различава от другите типове РНК с високото съдържание на второстепенни бази - средно 10-12 бази на молекула, но общият им брой на тРНК се увеличава, когато организмите напредват нагоре по еволюционната стълба. В тРНК. Ролята на необичайните нуклеотиди в молекулите на tRNA все още не е ясна; въпреки това се смята, че колкото по-ниско е нивото на митализация на tRNA, толкова по-малко активно и специфично е то.

Локализацията на модифицираните нуклеотиди е строго фиксирана. Наличието на второстепенни бази в състава на tRNA определя устойчивостта на молекулите към действието на нуклеазите и в допълнение те участват в поддържането на определена структура, тъй като такива бази не са способни на нормално сдвояване и предотвратяват образуването на двойна спирала. По този начин наличието на модифицирани бази в състава на тРНК определя не само нейната структура, но и много специални функции на молекулата на тРНК.

Повечето еукариотни клетки съдържат различни тРНК. За всяка аминокиселина има поне една специфична тРНК. тРНК, които свързват една и съща аминокиселина, се наричат ​​изоакцепторни. Всеки тип клетка в тялото има различно съотношение на изоакцепторни тРНК.

Матрица (информация)

Messenger RNA съдържа генетичната информация за аминокиселинната последователност за основните ензими и други протеини, т.е. служи като матрица за биосинтеза на полипептидни вериги. Делът на иРНК в клетката възлиза на 5% от общото количество РНК. За разлика от rRNA и tRNA, mRNA е хетерогенна по размер, нейното молекулно тегло варира от 25 10 3 до 1 10 6; иРНК се характеризира с широк диапазон на седиментационни константи (6-25S). Наличието на иРНК верига с променлива дължина в клетка отразява разнообразието от молекулни тегла на протеините, които те осигуряват за синтеза.

По своя нуклеотиден състав тРНК съответства на ДНК от същата клетка, т.е. е комплементарен на една от ДНК веригите. Нуклеотидната последователност (първичната структура) на иРНК съдържа информация не само за протеиновата структура, но и за вторичната структура на самите иРНК молекули. Вторичната структура на иРНК се формира от комплементарни последователности, чието съдържание в РНК с различен произход е сходно и варира от 40 до 50%. Значителен брой сдвоени региони могат да се образуват в 3/ и 5/-зоните на иРНК.

Анализът на 5/-краищата на 18s rRNA региони показа, че те съдържат комплементарни последователности.

Третичната структура на иРНК се формира главно поради водородни връзки, хидрофобно взаимодействие, геометрично и пространствено ограничение и електрически сили.

Информационната РНК е метаболитно активна и относително нестабилна, краткотрайна форма. Така иРНК на микроорганизмите се характеризира с бързо обновяване и продължителността на живота й е няколко минути. В същото време, за организми, чиито клетки съдържат истински мембранно свързани ядра, продължителността на живота на иРНК може да достигне много часове и дори няколко дни.

Стабилността на иРНК може да се определи чрез различни модификации на нейната молекула. По този начин беше установено, че 5/-терминалната иРНК последователност на вируси и еукариоти е метилирана или „блокирана“. Първият нуклеотид в 5/-терминалната структура на шапката е 7-метилгуанин, който е свързан със следващия нуклеотид чрез 5/-5/-пирофосфатна връзка. Вторият нуклеотид е метилиран при C-2/-рибозния остатък, докато третият нуклеотид може да няма метилова група.

Друга способност на mRNA е, че в 3/-краищата на много mRNA молекули на еукариотни клетки има относително дълги последователности от аденилови нуклеотиди, които се прикрепват към mRNA молекули с помощта на специални ензими след завършване на синтеза. Реакцията протича в клетъчното ядро ​​и цитоплазмата.

В 3/- и 5/- краищата на иРНК, модифицираните последователности представляват около 25% от общата дължина на молекулата. Смята се, че 5/-caps и 3/-poly-A-последователности са необходими или за стабилизиране на иРНК, която я предпазва от действието на нуклеазите, или за регулиране на процеса на транслация.

РНК интерференция

Няколко типа РНК са открити в живи клетки, които могат да намалят степента на генна експресия, когато са комплементарни на иРНК или на самия ген. Микро-РНК (с дължина 21-22 нуклеотида) се намират в еукариотите и действат чрез механизма на РНК интерференция. В този случай комплексът от микроРНК и ензими може да доведе до метилиране на нуклеотиди в ДНК на генния промотор, което служи като сигнал за намаляване на генната активност. Когато се използва различен тип регулиране на иРНК, комплементарната миРНК се разгражда. Има обаче miPHK, които увеличават, а не намаляват генната експресия. Малки интерфериращи РНК (siRNAs, 20-25 нуклеотиди) често се образуват в резултат на разцепване на вирусни РНК, но съществуват и ендогенни клетъчни miRNAs. Малките интерфериращи РНК също действат чрез РНК интерференция в механизми, подобни на тези на miRNA. Така наречените РНК са открити в животни, които взаимодействат с Piwi (piPHK, 29-30 нуклеотида), които действат в зародишните клетки срещу транспониране и играят роля в образуването на гамети. В допълнение, piPHK могат да бъдат епигенетично наследени по майчина линия, предавайки на потомството способността си да инхибират експресията на транспозони.

Антисенс РНК са широко разпространени в бактериите, много от тях потискат генната експресия, но някои повишават експресията. Антисенс РНК действат като се прикрепят към иРНК, което води до образуването на двойноверижни РНК молекули, които се разграждат от ензими.В еукариотите са открити високомолекулни, подобни на иРНК РНК молекули. Тези молекули също регулират експресията на гени.

В допълнение към ролята на отделните молекули в генната регулация, регулаторни елементи могат да се образуват в 5' и 3' нетранслирани области на иРНК. Тези елементи могат да действат самостоятелно, за да предотвратят инициирането на транслацията, или могат да прикрепят протеини като феритин или малки молекули като биотин.

Много РНК участват в модификацията на други РНК. Интроните се изрязват от пре-иРНК чрез сплайсозоми, които в допълнение към протеините съдържат няколко малки ядрени РНК (snRNA). В допълнение, интроните могат да катализират собственото си изрязване. Синтезираната в резултат на транскрипцията РНК може също да бъде химически модифицирана. При еукариотите химическите модификации на РНК нуклеотидите, като тяхното метилиране, се извършват от малки ядрени РНК (snRNA, 60-300 нуклеотида). Този тип РНК е локализиран в ядрото и телцата на Cajal. След асоцииране на snRNAs с ензими, snRNAs се свързват с целевата РНК чрез базово сдвояване между две молекули и ензимите модифицират нуклеотидите на целевата РНК. Рибозомните и трансферните РНК съдържат много такива модификации, чиято специфична позиция често се запазва в хода на еволюцията. snRNAs и самите snRNAs също могат да бъдат модифицирани. Водещите РНК извършват процеса на редактиране на РНК в кинетопласта, специална част от митохондриите на кинетопластидните протисти (например трипанозоми).

Геноми, съставени от РНК

Подобно на ДНК, РНК може да съхранява информация за биологични процеси. РНК може да се използва като геном на вируси и вирусоподобни частици. РНК геномите могат да бъдат разделени на такива, които нямат междинен етап на ДНК и такива, които се копират в ДНК копие и обратно в РНК за възпроизвеждане (ретровируси).

Много вируси, като вируса на грипа, на всички етапи съдържат геном, състоящ се изцяло от РНК. РНК се съдържа в нормално протеинова обвивка и се репликира от РНК-зависимите РНК полимерази, кодирани в нея. Вирусните геноми, състоящи се от РНК, се разделят на:

“отрицателна верига РНК”, която служи само като геном, а нейната комплементарна молекула се използва като иРНК;

двойноверижни вируси.

Вироидите са друга група патогени, които съдържат РНК геном и не съдържат протеин. Те се репликират от РНК полимерази в организма гостоприемник.

Ретровируси и ретротранспозони

Други вируси имат РНК геном само по време на една от фазите кръговат на живота. Вирионите на така наречените ретровируси съдържат РНК молекули, които при навлизане в клетките гостоприемници служат като матрица за синтеза на ДНК копие. На свой ред геномът на РНК чете от шаблона на ДНК. В допълнение към вирусите с обратна транскрипция се използва и клас мобилни елементи на генома, ретротранспозони.

Нуклеиновите киселини са макромолекулни вещества, състоящи се от мононуклеотиди, които са свързани помежду си в полимерна верига с помощта на 3,5" - фосфодиестерни връзки и опаковани в клетките по определен начин.

Нуклеиновите киселини са биополимери от две разновидности: рибонуклеинова киселина (РНК) и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Всеки биополимер се състои от нуклеотиди, които се различават по въглехидратния остатък (рибоза, дезоксирибоза) и една от азотните бази (урацил, тимин). Съответно нуклеиновите киселини получиха името си.

Структура на рибонуклеинова киселина

Първична структура на РНК

РНК молекуласа линейни (т.е. неразклонени) полинуклеотиди с принцип на организация, подобен на ДНК. РНК мономерите са нуклеотиди, състоящи се от фосфорна киселина, въглехидрат (рибоза) и азотна основа, свързани с 3", 5" фосфодиестерни връзки. Полинуклеотидните вериги на молекулата на РНК са полярни, т.е. имат различими 5'- и 3"-краища. В същото време, за разлика от ДНК, РНК е едноверижна молекула. ​​Причината за тази разлика са три характеристики на първичната структура:

1. РНК, за разлика от ДНК, съдържа рибоза вместо дезоксирибоза, която има допълнителна хидроксилна група. Хидрокси групата прави структурата с двойна верига по-малко компактна
2. Сред четирите основни или основни азотни бази (A, G, C и U) вместо тимин се съдържа урацил, който се различава от тимина само по липсата на метилова група на 5-та позиция. Това намалява силата на хидрофобното взаимодействие в комплементарния двойка A-U, което също намалява вероятността от образуване на стабилни двуверижни молекули.
3. И накрая, РНК (особено тРНК) има високо съдържание на т.нар. второстепенни бази и нуклеозиди. Сред тях са дихидроуридин (няма единична двойна връзка в урацила), псевдоуридин (урацилът се свързва с рибозата по различен начин от обикновено), диметиладенин и диметилгуанин (две допълнителни метилови групи в азотни бази) и много други. Почти всички от тези бази не могат да участват в допълващи се взаимодействия. По този начин метиловите групи в диметиладенина (за разлика от тимина и 5-метилцитозина) са разположени при атом, който образува водородна връзка в A-U двойката; следователно сега тази връзка не може да бъде затворена. Това също предотвратява образуването на двойноверижни молекули.

По този начин широко известните разлики в състава на РНК от ДНК са от голямо значение. биологично значение: в края на краищата РНК молекулите могат да изпълняват своята функция само в едноверижно състояние, което е най-очевидно за иРНК: трудно е да си представим как двуверижна молекула може да бъде транслирана върху рибозоми.

В същото време, оставайки единична, в някои области РНК веригата може да образува бримки, издатини или "фиби", с двойноверижна структура (фиг. 1.). Тази структура се стабилизира чрез взаимодействието на бази в двойки A::U и G:::C. Но могат да се образуват и "неправилни" двойки (например GU), а на места има "фиби" и изобщо не се получава взаимодействие. Такива бримки могат да съдържат (особено в tRNA и rRNA) до 50% от всички нуклеотиди. Общото съдържание на нуклеотиди в РНК варира от 75 единици до много хиляди. Но дори най-големите РНК са с няколко порядъка по-къси от хромозомните ДНК.

Първичната структура на иРНК е копирана от ДНК регион, съдържащ информация за първичната структура на полипептидната верига. Първичната структура на останалите типове РНК (тРНК, рРНК, рядка РНК) е окончателното копие на генетичната програма на съответните ДНК гени.

Вторични и третични структури на РНК

Рибонуклеиновите киселини (РНК) са едноверижни молекули, следователно, за разлика от ДНК, техните вторични и третични структури са неправилни. Тези структури, определени като пространствена конформация на полинуклеотидна верига, се образуват главно от водородни връзки и хидрофобни взаимодействия между азотни бази. Ако стабилната спирала е характерна за нативна ДНК молекула, тогава структурата на РНК е по-разнообразна и лабилна. Рентгеновият дифракционен анализ показа, че отделни участъци от полинуклеотидната верига на РНК, огъвайки се, се навиват върху себе си с образуването на интраспирални структури. Стабилизирането на структурите се постига чрез комплементарни сдвоявания на азотни бази на антипаралелни участъци на веригата; специфични двойки тук са A-U, G-C и по-рядко G-U. Поради това в молекулата на РНК се появяват както къси, така и удължени навити участъци, принадлежащи към една и съща верига; тези области се наричат ​​фиби. Моделът на вторичната структура на РНК с елементи на фиби е разработен в края на 50-те и началото на 60-те години. 20-ти век в лабораториите на А. С. Спирин (Русия) и П. Доти (САЩ).

Някои видове РНК
Видове РНК	Размер в нуклеотиди	функция
gRNA - геномна РНК	10000-100000
иРНК - информационна (матрична) РНК	100-100000	предава информация за структурата на протеин от ДНК молекула
tRNA - трансферна РНК	70-90	транспортира аминокиселини до мястото на протеиновия синтез
рРНК - рибозомна РНК	няколко отделни класа от 100 до 500 000	съдържащ се в рибозомите, участва в поддържането на структурата на рибозомата
sn-РНК - малка ядрена РНК	100	премахва интрони и ензимно свързва екзони в иРНК
sno-RNA - малка нуклеоларна РНК		участващи в насочването или извършването на базови модификации в рРНК и малка ядрена РНК, като например метилиране и псевдоуридинизация. Повечето малки нуклеоларни РНК се намират в интроните на други гени.
srp-RNA - РНК за разпознаване на сигнала		разпознава сигналната последователност на протеините, предназначени за експресия, и участва в техния трансфер през цитоплазмената мембрана
mi-RNA - микро-РНК	22	контролират транслацията на структурни гени чрез комплементарно свързване към 3' краищата на нетранслирани иРНК региони

Образуването на спирални структури е придружено от хипохромен ефект - намаляване на оптичната плътност на РНК пробите при 260 nm. Разрушаването на тези структури настъпва при намаляване на йонната сила на разтвора на РНК или при нагряване до 60-70 °C; нарича се още топене и се обяснява със структурната преходна спирала - хаотична намотка, която е придружена от увеличаване на оптичната плътност на разтвора на нуклеиновата киселина.

В клетките има няколко вида РНК:

1. информационна (или шаблонна) РНК (mRNA или mRNA) и нейният предшественик - хетерогенна ядрена РНК (g-n-RNA)
2. трансферна РНК (t-RNA) и нейния прекурсор
3. рибозомна (r-RNA) и нейния предшественик
4. малка ядрена РНК (sn-РНК)
5. малка нуклеоларна РНК (сно-РНК)
6. РНК за разпознаване на сигнала (srp-RNA)
7. миРНК (ми-РНК)
8. митохондриална РНК (t+ РНК).

Хетерогенна ядрена и информационна (матрична) РНК

Хетерогенната ядрена РНК е уникална за еукариотите. Това е предшественик на информационната РНК (i-RNA), която пренася генетична информация от ядрената ДНК до цитоплазмата. Хетерогенната ядрена РНК (пре-иРНК) е открита от съветския биохимик Г. П. Георгиев. Броят на видовете g-РНК е равен на броя на гените, тъй като тя служи като директно копие на кодиращите последователности на генома, поради което има копия на ДНК палиндроми, следователно нейната вторична структура съдържа фиби и линейни участъци . Ензимът РНК полимераза II играе ключова роля в транскрипцията на РНК от ДНК.

Информационната РНК се образува в резултат на обработка (съзряване) на rn-РНК, по време на която фибите се отрязват, некодиращите области (интрони) се изрязват и кодиращите екзони се залепват заедно.

Информационната РНК (i-RNA) е копие на специфичен участък от ДНК и действа като носител на генетична информация от ДНК до мястото на протеинов синтез (рибозома) и участва пряко в сглобяването на нейните молекули.

Зрялата информационна РНК има няколко региона с различни функционални роли (фиг.)

• в 5" края е така наречената "капачка" или шапка - участък от един до четири модифицирани нуклеотида. Тази структура защитава 5" края на иРНК от ендонуклеази
• зад "шапката" е 5 "нетранслиран регион - последователност от няколко десетки нуклеотиди. Той е комплементарен на един от участъците на r-РНК, който е част от малката субединица на рибозомата. Поради това служи за първичното свързване на m-RNA към рибозомата, но самата тя не се излъчва
• иницииращ кодон - AUG, кодиращ метионин. Всички тРНК имат един и същ начален кодон. С него започва транслацията (разчитането) на иРНК. Ако метионинът не е необходим след синтеза на пептидната верига, тогава, като правило, той се отцепва от своя N-край.
• Стартовият кодон е последван от кодиращата част, която съдържа информация за последователността на аминокиселините в протеина. При еукариотите зрелите тРНК са моноцистронни; всеки от тях носи информация за структурата само на една полипептидна верига.

  Друго нещо е, че понякога пептидната верига малко след образуването на рибозомата се нарязва на няколко по-малки вериги. Това се случва например при синтеза на инсулин и редица олигопептидни хормони.

  Кодиращата част на зрялата еукариотна иРНК е лишена от интрони - всякакви интеркалирани некодиращи последователности. С други думи, има непрекъсната последователност от сенс кодони, които трябва да се четат в посока 5" -> 3".

• В края на тази последователност има терминиращ кодон - един от трите "безсмислени" кодона: UAA, UAG или UGA (вижте таблицата на генетичния код по-долу).
• Този кодон може да бъде последван от друг 3'-нетранслиран регион, който е много по-дълъг от 5'-нетранслирания регион.
• И накрая, почти всички зрели еукариотни иРНК (с изключение на хистонови иРНК) съдържат поли(А) фрагмент от 150–200 аденилови нуклеотиди в 3' края.

3'-нетранслираният регион и поли(А)-фрагментът са свързани с регулирането на продължителността на живота на иРНК, тъй като разрушаването на иРНК се извършва от 3'-екзонуклеази. След завършване на транслацията на иРНК, 10-15 нуклеотида се разцепват от поли(А) фрагмента. Когато този фрагмент е изчерпан, значителна част от тРНК започва да се разгражда (ако липсва 3'-нетранслираната област).

Общият брой на нуклеотидите в иРНК обикновено варира в рамките на няколко хиляди. В този случай кодиращата част понякога може да представлява само 60-70% от нуклеотидите.

В клетките молекулите на иРНК почти винаги са свързани с протеини. Последните вероятно стабилизират линейната структура на иРНК, т.е. предотвратяват образуването на "фиби" в кодиращата част. В допълнение, протеините могат да предпазят иРНК от преждевременно разграждане. Такива комплекси от иРНК с протеини понякога се наричат ​​информозоми.

Трансферната РНК в цитоплазмата на клетката пренася аминокиселините в активирана форма до рибозомите, където те се комбинират в пептидни вериги в специфична последователност, която се задава от матрицата на РНК (mRNA). Понастоящем са известни данни за нуклеотидната последователност на повече от 1700 вида тРНК от прокариотни и еукариотни организми. Всички те имат общи черти както в първичната си структура, така и в начина, по който полинуклеотидната верига се нагъва във вторична структура поради комплементарното взаимодействие на нуклеотидите, включени в тяхната структура.

Трансферната РНК в състава си съдържа не повече от 100 нуклеотида, сред които има високо съдържание на второстепенни или модифицирани нуклеотиди. Първата напълно декодирана трансферна РНК беше аланинова РНК, изолирана от дрожди. Анализът показа, че аланиновата РНК се състои от 77 нуклеотида, подредени в строго определена последователност; те включват така наречените второстепенни нуклеотиди, представени от атипични нуклеозиди дихидроуридин (dgU) и псевдоуридин (Ψ); инозин (I): в сравнение с аденозин, амино групата е заменена с кето група; метилинозин (mI), метил- и диметилгуанозин (mG и m 2 G); метилуридин (mU): същото като риботимидин. Аланиновата тРНК съдържа 9 необичайни бази с една или повече метилови групи, които са ензимно прикрепени към тях след образуването на фосфодиестерни връзки между нуклеотидите. Тези бази не са в състояние да образуват обикновени двойки; може би те служат за предотвратяване на сдвояване на бази определени частимолекули и по този начин излагат специфични химични групи, които образуват вторични връзки с информационната РНК, рибозомата или може би с ензима, необходим за свързване на определена аминокиселина към съответната трансферна РНК. Известната последователност от нуклеотиди в tRNA по същество означава, че нейната последователност в гените, върху които се синтезира тази tRNA, също е известна. Тази последователност може да бъде получена въз основа на специфичните правила за сдвояване на бази, установени от Watson и Crick. През 1970 г. е синтезирана пълна двуверижна ДНК молекула със съответната последователност от 77 нуклеотида и се оказва, че тя може да служи като матрица за конструиране на аланин трансферна РНК. Това е първият изкуствено синтезиран ген.

tRNA транскрипция

Транскрипцията на tRNA молекули се осъществява от ДНК кодиращи последователности с участието на ензима РНК полимераза III. По време на транскрипцията първичната структура на tRNA се формира под формата на линейна молекула. Образуването започва с компилирането на нуклеотидна последователност от РНК полимераза в съответствие с гена, съдържащ информация за тази трансферна РНК. Тази последователност е линейна полинуклеотидна верига, в която нуклеотидите следват един след друг. Линейната полинуклеотидна верига е първична РНК, предшественик на тРНК, която включва интрони - неинформативни излишъци от нуклеотиди. На това ниво на организация пре-тРНК не е функционална. Образувана на различни места в ДНК на хромозомите, пре-тРНК съдържа излишък от около 40 нуклеотида в сравнение със зрялата тРНК.

Във втория етап, новосинтезираният прекурсор на тРНК претърпява посттранскрипционно съзряване или обработка. По време на обработката неинформативните излишъци в пре-РНК се отстраняват и се образуват зрели, функционални РНК молекули.

пре-тРНК обработка

Обработката започва с образуването на вътрешномолекулни водородни връзки в транскрипта и молекулата на tRNA приема формата на детелина. Това е вторичното ниво на организация на tRNA, на което молекулата на tRNA все още не е функционална. След това неинформативните региони се изрязват от пре-РНК, информативните региони на "счупените гени" се сплайсират - снаждане и модификация на 5'- и 3'-терминалните региони на РНК.

Изрязването на неинформативни области на пре-РНК се извършва с помощта на рибонуклеази (екзо- и ендонуклеази). След отстраняване на излишните нуклеотиди настъпва метилиране на тРНК бази. Реакцията се осъществява от метилтрансферази. S-аденозилметионинът действа като донор на метилова група. Метилирането предотвратява разрушаването на тРНК от нуклеази. Окончателно зрялата тРНК се образува чрез прикрепване на специфично трио нуклеотиди (акцепторен край) - CCA, което се осъществява от специална РНК полимераза.

След завършване на обработката във вторичната структура отново се образуват допълнителни водородни връзки, поради което tRNA преминава към третичното ниво на организация и приема формата на така наречената L-форма. В тази форма тРНК преминава в хиалоплазмата.

tRNA структура

Структурата на трансферната РНК се основава на верига от нуклеотиди. Въпреки това, поради факта, че всяка верига от нуклеотиди има положително и отрицателно заредени части, тя не може да бъде в клетката в разгънато състояние. Тези заредени части, привлечени една към друга, лесно образуват водородни връзки помежду си според принципа на комплементарност. Водородните връзки странно усукват веригата tRNA и я задържат в това положение. В резултат на това вторичната структура на t-RNA има формата на "лист на детелина" (фиг.), Съдържащ 4 двойноверижни области в структурата си. Високо съдържание на второстепенни или модифицирани нуклеотиди, отбелязани във веригата на тРНК и неспособни на допълнителни взаимодействия, образуват 5 едноверижни области.

Че. вторичната структура на тРНК се формира в резултат на интраверижно сдвояване на комплементарни нуклеотиди на отделни участъци от тРНК. Регионите на tRNA, които не участват в образуването на водородни връзки между нуклеотидите, образуват бримки или линейни връзки. В тРНК се разграничават следните структурни области:

1. Акцепторно място (край), състоящ се от четири линейно подредени нуклеотида, три от които имат еднаква последователност във всички видове тРНК - CCA. Хидроксилната 3"-ОН на аденозина е свободна. Аминокиселина е прикрепена към нея с карбоксилна група, откъдето и името на този участък от тРНК е акцептор. Аминокиселината на тРНК, свързана с 3"-хидроксилната група на аденозина, доставя до рибозомите, където се осъществява протеиновият синтез.
2. Антикодонна примка, обикновено образуван от седем нуклеотида. Той съдържа триплет от нуклеотиди, специфични за всяка tRNA, наречен антикодон. Антикодонът на tRNA се сдвоява с кодона на mRNA според принципа на комплементарност. Взаимодействието кодон-антикодон определя реда, в който аминокиселините са подредени в полипептидната верига по време на нейното сглобяване в рибозомите.
3. Псевдоуридилна бримка (или TΨC бримка), състояща се от седем нуклеотида и задължително съдържаща остатък от псевдоуридилова киселина. Предполага се, че псевдоридиловата бримка участва в свързването на тРНК към рибозомата.
4. Дихидроуридин или D-контур, обикновено се състои от 8-12 нуклеотидни остатъка, сред които задължително има няколко дихидроуридинови остатъка. Смята се, че D-контурът е необходим за свързване с аминоацил-тРНК синтетазата, която участва в разпознаването на нейната тРНК от аминокиселина (виж "Биосинтеза на протеини"),
5. Допълнителна примка, който варира по размер и състав на нуклеотидите в различните тРНК.

Третичната структура на tRNA вече няма формата на детелина. Благодарение на образуването на водородни връзки между нуклеотиди от различни части на "листото на детелината", нейните венчелистчета се увиват около тялото на молекулата и допълнително се задържат в това положение от ван дер ваалсови връзки, наподобяващи формата на буквата G или L Наличието на стабилна третична структура е друга характеристика на t-РНК, за разлика от дългите линейни иРНК полинуклеотиди. Можете да разберете как точно различните части от вторичната структура на t-RNA се огъват по време на образуването на третичната структура, като сравните цветовете на схемата на вторичната и третичната структура на t-RNA.

Трансферните РНК (тРНК) пренасят аминокиселини от цитоплазмата до рибозомите по време на протеиновия синтез. От таблицата с генетичния код се вижда, че всяка аминокиселина е кодирана от няколко нуклеотидни последователности, следователно всяка аминокиселина има своя собствена трансферна РНК. В резултат на това има голямо разнообразие от тРНК, от един до шест вида за всяка от 20-те аминокиселини. Видовете тРНК, които могат да свържат една и съща аминокиселина, се наричат ​​изоакцептори (например аланинът може да бъде прикрепен към тРНК, чийто антикодон ще бъде комплементарен на кодоните GCU, GCC, GCA, GCG). Специфичността на tRNA се обозначава с горен индекс, например: tRNA Ala.

За процеса на протеинов синтез, основният функционални частитРНК са: антикодон - последователност от нуклеотиди, разположени на антикодоновата бримка, комплементарна на кодона на информационната РНК (и-РНК) и акцепторната част - противоположния на антикодона край на т-РНК, към който е аминокиселината. приложен. Базовата последователност в антикодона директно зависи от вида на аминокиселината, прикрепена към 3" края. Например tRNA, чийто антикодон има последователността 5"-CCA-3", може да носи само аминокиселината триптофан. Трябва да се отбележи, че тази зависимост е в основата на трансфера на генетична информация, чийто носител е t-RNA.

В процеса на протеиновия синтез антикодонът на tRNA разпознава трибуквената последователност на генетичния код (кодона) на i-RNA, съпоставяйки го с единствената съответстваща аминокиселина, фиксирана в другия край на tRNA. Само ако антикодонът е комплементарен на иРНК областта, трансферната РНК може да се присъедини към него и да дари прехвърлената аминокиселина за образуването на протеинова верига. Взаимодействието между t-RNA и i-RNA се осъществява в рибозомата, която също е активен участник в транслацията.

Разпознаването на tRNA на нейната аминокиселина и кодон на i-RNA става по определен начин:

• Свързването на "собствената" аминокиселина с tRNA става с помощта на ензим - специфична аминоацил-tRNA синтетаза

  Съществува голямо разнообразие от аминоацил-тРНК синтетази, според броя на тРНК, използвани от аминокиселините. Те се наричат ​​накратко ARSases. Аминоацил-тРНК синтетазите са големи молекули (молекулно тегло 100 000 - 240 000) с кватернерна структура. Те специфично разпознават тРНК и аминокиселини и катализират тяхната комбинация. Този процес изисква АТФ, чиято енергия се използва за активиране на аминокиселината от карбоксилния край и прикрепването й към хидроксилната (3 "-OH) на аденозин акцепторния край (CCA) на тРНК. Смята се, че в молекулата на всяка аминоацил-тРНК синтетаза има свързващи центрове най-малко три места на свързване: за аминокиселини, изоакцепторни тРНК и АТФ. ковалентна връзка, ако tRNA аминокиселината съвпада, и хидролиза на такава връзка в случай на тяхното несъответствие (прикрепване към tRNA на "грешната" аминокиселина).

  ARS-азите имат способността да използват селективно набор от тРНК за всяка аминокиселина при разпознаване, т.е. водещата връзка в разпознаването е аминокиселината и собствената й тРНК се настройва към нея. Освен това tRNA, чрез проста дифузия, пренася прикрепената към нея аминокиселина към рибозомите, където протеинът се сглобява от аминокиселини, доставени под формата на различни аминоацил-tRNAs.

  

  Свързване на аминокиселина с тРНК

  Свързването на тРНК и аминокиселината става по следния начин (фиг.): аминокиселина и АТФ молекула са прикрепени към аминоацил-тРНК синтетазата. За последващо аминоацетилиране молекулата на АТФ освобождава енергия чрез отделяне на две фосфатни групи. Останалият АМФ (аденозин монофосфат) се свързва с аминокиселината, подготвяйки я за свързване с акцепторното място на тРНК - акцепторната фибичка. След това синтетазата прикрепя свързаната тРНК към съответната аминокиселина. На този етап се проверява съответствието на tRNA със синтетазата. В случай на съвпадение, тРНК се прикрепя плътно към синтетазата, променяйки структурата си, което води до стартиране на процеса на аминоацилиране - прикрепването на аминокиселина към тРНК.

  Аминоацилирането възниква, когато AMP молекула, прикрепена към аминокиселина, се замени с tRNA молекула. След тази замяна АМР напуска синтетазата и тРНК се задържа за една последна проверка на аминокиселини.

  Проверка на съответствието на tRNA с прикрепената аминокиселина

  Синтетазният модел за проверка на съответствието на тРНК с прикрепената аминокиселина предполага наличието на два активни центъра: синтетичен и коригиращ. В синтетичния център тРНК е прикрепена към аминокиселина. Акцепторното място на tRNA, уловено от синтетазата, първо влиза в контакт със синтетичния център, който вече съдържа аминокиселината, свързана с AMP. Този контакт на акцепторното място на тРНК му придава неестествено усукване, докато аминокиселината не бъде прикрепена. След като аминокиселината е прикрепена към акцепторното място на тРНК, необходимостта това място да бъде в синтетичния център изчезва, тРНК се изправя и премества прикрепената към нея аминокиселина към коригиращия център. Ако размерът на молекулата на аминокиселината, прикрепена към tRNA, и размерът на коригиращия център не съвпадат, аминокиселината се разпознава като неправилна и се отделя от tRNA. Синтетазата е готова за следващия цикъл. Когато размерът на молекулата на аминокиселината, прикрепена към тРНК, и размерът на коригиращия център съвпадат, тРНК, заредена с аминокиселината, се освобождава: тя е готова да изиграе своята роля в транслацията на протеина. И синтетазата е готова да прикрепи нови аминокиселини и тРНК и да започне цикъла отново.

  Свързването на неподходяща аминокиселина със синтетаза се среща средно в 1 случай от 50 хиляди, а с грешна тРНК само веднъж на 100 хиляди прикачени файлове.

• Взаимодействието на мРНК кодон и тРНК антикодон се осъществява съгласно принципа на комплементарност и антипаралелизъм

  Взаимодействието на тРНК с иРНК кодона според принципа на комплементарност и антипаралелност означава: тъй като значението на иРНК кодона се чете в посока 5 "-> 3", тогава антикодонът в тРНК трябва да се чете в посока 3 " -> 5". В този случай първите две бази на кодона и антикодона са сдвоени строго допълващи се, т.е. образуват се само двойки A U и G C. Сдвояването на трети бази може да се отклони от този принцип. Валидните двойки се определят от схемата:

  От схемата следва следното.

  • Молекулата на tRNA се свързва само с кодон тип 1, ако третият нуклеотид в нейния антикодон е C или A
  • tRNA се свързва с 2 вида кодони, ако антикодонът завършва на U или G.
  • И накрая, tRNA се свързва с 3 вида кодони, ако антикодонът завършва на I (инозин нуклеотид); такава ситуация, по-специално, в аланинова тРНК.

    От това на свой ред следва, че разпознаването на 61 сетивни кодона изисква по принцип не еднакви, а по-малък брой различни тРНК.

  Рибозомна РНК

  

  Рибозомните РНК са в основата на образуването на рибозомни субединици. Рибозомите осигуряват пространственото разположение на иРНК и тРНК по време на протеиновия синтез.

  Всяка рибозома се състои от голяма и малка субединица. Субединиците включват голям брой протеини и рибозомни РНК, които не претърпяват транслация. Рибозомите, подобно на рибозомната РНК, се различават по коефициента на утаяване (утаяване), измерен в единици Svedberg (S). Този коефициент зависи от скоростта на утаяване на субединиците по време на центрофугиране в наситена водна среда.

  Всяка еукариотна рибозома има коефициент на утаяване 80S и обикновено се нарича 80S частица. Включва

  • малка субединица (40S), съдържаща рибозомна РНК с коефициент на утаяване 18S рРНК и 30 молекули от различни протеини,
  • голяма субединица (60S), която включва 3 различни рРНК молекули (една дълга и две къси - 5S, 5.8S и 28S), както и 45 протеинови молекули.

    Субединиците образуват "скелета" на рибозомата, като всяка е заобиколена от собствени протеини. Коефициентът на утаяване на пълна рибозома не съвпада със сумата от коефициентите на двете й субединици, което е свързано с пространствената конфигурация на молекулата.

  Структурата на рибозомите в прокариотите и еукариотите е приблизително еднаква. Те се различават само по молекулно тегло. Бактериалната рибозома има коефициент на утаяване 70S и е обозначена като 70S частица, което показва по-ниска скорост на утаяване; съдържа

  • малка (30S) субединица - 16S рРНК + протеини
  • голяма субединица (50S) - 23S rRNA + 5S rRNA + протеини на голямата субединица (фиг.)

  В рРНК, сред азотните бази, съдържанието на гуанин и цитозин е по-високо от обикновено. Откриват се и второстепенни нуклеозиди, но не толкова често, колкото в тРНК: приблизително 1%. Това са главно рибозо-метилирани нуклеозиди. Вторичната структура на рРНК има много двойноверижни региони и бримки (фиг.). Такава е структурата на РНК молекулите, образувани в два последователни процеса - ДНК транскрипция и узряване (обработка) на РНК.

  Транскрипция на рРНК от ДНК и обработка на рРНК

  Pre-rRNA се произвежда в нуклеола, където се намират rRNA транскриптоните. Транскрипцията на рРНК от ДНК се осъществява с помощта на две допълнителни РНК полимерази. РНК полимераза I транскрибира 5S, 5.8S и 28S като един дълъг 45S транскрипт, който след това се разделя на необходимите части. Това гарантира равен брой молекули. В човешкото тяло всеки хаплоиден геном съдържа приблизително 250 копия на ДНК последователността, кодираща транскрипта 45S. Те са разположени в пет групирани тандемни повторения (т.е. по двойки един зад друг) върху късите рамена на хромозоми 13, 14, 15, 21 и 22. Тези региони са известни като нуклеоларни организатори, тъй като тяхната транскрипция и последваща обработка на 45S транскриптът се среща вътре в ядрото.

  Има 2000 копия на гена 5S-pRNA в най-малко три клъстера на хромозома 1. Тяхната транскрипция протича в присъствието на РНК полимераза III извън нуклеола.

  По време на обработката малко повече от половината от пре-рРНК остава и зрялата рРНК се освобождава. Някои от нуклеотидите на рРНК претърпяват модификация, която се състои в основно метилиране. Реакцията се осъществява от метилтрансферази. S-аденозилметионинът действа като донор на метилова група. Зрелите рРНК се комбинират в ядрото с протеини на рибозоми, които идват тук от цитоплазмата и образуват малки и големи рибозомни субединици. Зрелите рРНК се транспортират от ядрото до цитоплазмата в комплекс с протеин, който допълнително ги предпазва от разрушаване и улеснява преноса им.

  Рибозомни центрове

  Рибозомите се различават значително от другите клетъчни органели. В цитоплазмата те се срещат в две състояния: неактивни, когато голямата и малката субединици са отделени една от друга, и активни - по време на изпълнение на функцията си - протеинов синтез, когато субединиците са свързани една с друга.

  Процесът на свързване на рибозомни субединици или сглобяване на активна рибозома се нарича иницииране на транслация. Това сглобяване се извършва по строго подреден начин, който се осигурява от функционалните центрове на рибозомите. Всички тези центрове са разположени на контактните повърхности на двете субединици на рибозомата. Те включват:

  1. mRNA свързващ център (М център). Образува се от 18S рРНК региона, който е комплементарен за 5-9 нуклеотида на 5'-нетранслирания иРНК фрагмент.
  2. Пептидил център (Р-център). В началото на процеса на транслация иницииращата aa-tRNA се свързва с него. При еукариотите иницииращият кодон на всички иРНК винаги кодира метионин, така че иницииращата аа-тРНК е една от двете метионинови аа-тРНК, отбелязани с индекса i: Met-tRNA i Met. В следващите етапи на транслацията пептидил-тРНК, съдържаща вече синтезираната част от пептидната верига, се намира в Р-центъра.

     Понякога се говори и за Е-център (от "изход" - изход), където тРНК, която е загубила връзката си с пептидила, се движи, преди да напусне рибозомата. Този център обаче може да се разглежда като неразделна част от P-центъра.

  3. Аминокиселинен център (А-център) - мястото на свързване на следващата aa-tRNA.
  4. Пептидил трансферазен център (PTF център) - катализира прехвърлянето на пептидил от състава на пептидил-тРНК към следващата аа-тРНК, постъпила в А центъра. В този случай се образува друга пептидна връзка и пептидилът се удължава с една аминокиселина.

  Както в аминокиселинния център, така и в пептидиловия център, антикодонната верига на съответната тРНК (аа-тРНК или пептидил-тРНК) очевидно е обърната към М-центъра - свързващият център на информационната РНК (взаимодействаща с иРНК) и акцептора примка с аминоацил или пептидил към PTF център.

  Разпределение на центровете между субединиците

  Разпределението на центровете между субединиците на рибозомата се извършва, както следва:

  • Малка субединица.Тъй като именно тази субединица съдържа 18S-rRNA, с мястото на което се свързва иРНК, М-центърът се намира на тази субединица. Освен това основната част от А-центъра и малка част от Р-центъра също са разположени тук.
  • Голяма субединица. Останалите части на P- и A-центровете са разположени на неговата контактна повърхност. При Р-центъра това е основната му част, а при А-центъра - мястото на свързване на акцепторната бримка на α-тРНК с аминокиселинния радикал (аминоацил); останалата част и по-голямата част от aa-tRNA се свързва с малката субединица. PTF центърът също принадлежи към голямото подразделение.
  Всички тези обстоятелства определят реда на сглобяване на рибозомата на етапа на започване на транслацията.

  Иницииране на рибозома (подготовка на рибозомата за протеинов синтез)

  Протеиновият синтез или самата транслация обикновено се разделя на три фази: инициация (начало), елонгация (удължаване на полипептидната верига) и терминация (край). Във фазата на започване рибозомата се подготвя за работа: свързването на нейните субединици. В бактериалните и еукариотните рибозоми свързването на субединиците и началото на транслацията протичат по различни начини.

  Стартирането на излъчване е най-бавният процес. Освен субединиците на рибозомата, тРНК и тРНК, в него участват GTP и три протеинови иницииращи фактора (IF-1, IF-2 и IF-3), които не са интегрални компоненти на рибозомата. Иницииращите фактори улесняват свързването на иРНК към малката субединица и GTP. GTP чрез хидролиза осигурява енергия за затваряне на рибозомните субединици.

  

  1. Инициирането започва, когато малката субединица (40S) се свърже с иницииращия фактор IF-3, което води до пречка за преждевременното свързване на голямата субединица и възможността за прикрепване на иРНК към нея.
  2. Освен това иРНК (със своя 5'-нетранслиран регион) се присъединява към комплекса "малка субединица (40S) + IF-3". В този случай иницииращият кодон (AUG) се намира на нивото на пептидилния център на бъдещата рибозома .
  3. Освен това, още два иницииращи фактора се присъединяват към комплекса "малка субединица + IF-3 + иРНК": IF-1 и IF-2, докато последният носи със себе си специална трансферна РНК, която се нарича инициираща aa-tRNA. Комплексът включва и ГТП.

     Малката субединица се свързва с иРНК и представя два кодона за четене. При първия от тях протеинът IF-2 закотвя инициаторната aa-tRNA. Вторият кодон затваря протеина IF-1, който го блокира и не позволява на следващата тРНК да се присъедини, докато рибозомата не бъде напълно сглобена.

  4. След свързване на иницииращата aa-tRNA, т.е. Met-tRNA i Met, поради комплементарно взаимодействие с иРНК (иницииращ кодон AUG) и поставянето й на мястото й в Р-центъра, възниква свързването на рибозомните субединици. GTP се хидролизира до GDP и неорганичен фосфат и енергията, освободена, когато тази високоенергийна връзка се разкъса, създава термодинамичен стимул за протичане на процеса в правилната посока. Едновременно с това иницииращите фактори напускат рибозомата.

  Така се образува своеобразен "сандвич" от четири основни компонента. В същото време иницииращият иРНК кодон (AUG) и иницииращата аа-тРНК, свързана с него, се намират в Р-центъра на сглобената рибозома. Последният, при образуването на първата пептидна връзка, играе ролята на пептидил-тРНК.

  

  РНК транскриптите, синтезирани от РНК полимераза, обикновено претърпяват допълнителни ензимни трансформации, наречени посттранскрипционна обработка, и едва след това те придобиват своята функционална активност. Транскрипти на незряла информационна РНК се наричат ​​хетерогенна ядрена РНК (hnRNA). Те се състоят от смес от много дълги РНК молекули, съдържащи интрони и екзони. Съзряването (обработката) на hnRNA при еукариотите включва няколко етапа, един от които е отстраняването на интрони - нетранслирани инсерционни последователности и сливането на екзони. Процесът протича по такъв начин, че последователните екзони, т.е. кодиращите иРНК фрагменти, никога не се разделят физически. Екзоните са свързани много прецизно един с друг чрез молекули, наречени малки ядрени РНК (snRNA). Функцията на тези къси ядрени РНК, състоящи се от приблизително сто нуклеотида, дълго време остава неясна. Установено е, след като е установено, че тяхната нуклеотидна последователност е комплементарна на последователностите в краищата на всеки от интроните. В резултат на сдвояване на базите, съдържащи се в snRNA и в краищата на примковия интрон, последователностите на два екзона се приближават един към друг по такъв начин, че става възможно премахването на разделящия ги интрон и ензимното свързване (сплайсинг) на кодиращите фрагменти (екзони). По този начин, snRNA молекулите играят ролята на временни шаблони, които държат краищата на два екзона близо един до друг, за да може сплайсингът да се случи на правилното място (фиг.).

  Превръщането на hnRNA в mRNA чрез отстраняване на интрони се извършва в ядрен комплекс RNA-протеин, наречен сплайсома. Всеки сплайсом има ядро, състоящо се от три малки (с ниско молекулно тегло) ядрени рибонуклеопротеини или snurps. Всяко изтласкване съдържа поне една малка ядрена РНК и няколко протеина. Има няколкостотин различни малки ядрени РНК, транскрибирани предимно от РНК полимераза II. Смята се, че тяхната основна функция е разпознаването на специфични рибонуклеинови последователности чрез сдвояване на бази според типа РНК-РНК. Ul, U2, U4/U6 и U5 са най-важни за обработката на hnRNA.

  Митохондриална РНК

  Митохондриалната ДНК е непрекъсната верига и кодира 13 полипептида, 22 тРНК и 2 рРНК (16S и 23S). Повечето от гените са разположени на една и съща (тежка) верига, но някои от тях са разположени и на комплементарната лека верига. В този случай и двете вериги се транскрибират като непрекъснати транскрипти, използвайки специфична за митохондриите РНК полимераза. Този ензим е кодиран от ядрения ген. След това дългите РНК молекули се разцепват на 37 отделни вида и тРНК, рРНК и тРНК заедно транслират 13 тРНК. Голям брой допълнителни протеини, които влизат в митохондриите от цитоплазмата, се транслират от ядрени гени. Пациентите със системен лупус еритематозус имат антитела срещу собствените си телесни протеини. Освен това се смята, че определен набор от малки ядрени РНК гени на хромозома 15q играе важна роля в патогенезата на синдрома на Прадер-Уили (наследствена комбинация от умствена изостаналост, нисък ръст, затлъстяване, мускулна хипотония).