Šta je RNK. Rnk. Struktura i njena raznolikost. Uloga RNK u procesu realizacije nasljednih informacija
I uracil (za razliku od DNK, koji sadrži timin umjesto uracila). Ovi molekuli se nalaze u ćelijama svih živih organizama, kao iu nekim virusima.
Glavne funkcije RNK u ćelijskim organizmima su kao šablon za prevođenje genetskih informacija u proteine i opskrbu ribozomima odgovarajućih aminokiselina. Kod virusa je nosilac genetske informacije (kodira proteine omotača i virusne enzime). Viroidi se sastoje od kružne RNA molekule i ne sadrže druge molekule. Postoji Hipoteza RNA svijeta, prema kojem je RNK nastala prije proteina i bila je prvi oblik života.
Ćelijska RNK se proizvodi kroz proces tzv transkripcija, odnosno sinteza RNK na matrici DNK, koju provode posebni enzimi - RNA polimeraze. Messenger RNA (mRNA) zatim učestvuju u procesu koji se zove translacija. Broadcast - ovo je sinteza proteina na matriksu mRNA uz sudjelovanje ribozoma. Ostale RNK se nakon transkripcije podvrgavaju kemijskim modifikacijama, a nakon formiranja sekundarnih i tercijarnih struktura, obavljaju funkcije ovisno o vrsti RNK.
Jednolančanu RNK karakteriziraju različite prostorne strukture u kojima su neki od nukleotida istog lanca međusobno upareni. Neke visoko strukturirane RNK učestvuju u sintezi ćelijskih proteina, na primjer, prijenosne RNK služe za prepoznavanje kodona i isporuku odgovarajućih aminokiselina na mjesto sinteze proteina, a glasničke RNA služe kao strukturna i katalitička osnova ribozoma.
Međutim, funkcije RNK u modernim stanicama nisu ograničene na njihovu ulogu u translaciji. Dakle, mRNA su uključene u eukariotske glasničke RNK i druge procese.
Pored činjenice da su molekule RNK dio nekih enzima (na primjer, telomeraze), otkriveno je da pojedinačne RNK imaju vlastitu enzimsku aktivnost, sposobnost da uvedu prekide u drugim molekulama RNK ili, obrnuto, da „lijepe“ dva RNA fragmenti zajedno. Ove RNK se nazivaju ribozimi.
Brojni virusi se sastoje od RNK, odnosno u njima ona igra ulogu koju DNK obavlja u višim organizmima. Na osnovu raznolikosti funkcija RNK u ćelijama, pretpostavljena je hipoteza da je RNK prvi molekul sposoban za samoreprodukciju u prebiološkim sistemima.
Istorija istraživanja RNK
Nukleinske kiseline su otkrivene u 1868Švicarski naučnik Johann Friedrich Miescher, koji je ove supstance nazvao "nuklein" jer su pronađene u jezgru (latinski nucleus). Kasnije je otkriveno da bakterijske ćelije, koje nemaju jezgro, sadrže i nukleinske kiseline.
Značaj RNK u sintezi proteina sugeriran je u 1939 u djelima Thorburna Oskara Kaspersona, Jeana Bracheta i Jacka Schultza. Gerard Mairbucks je izolovao prvu RNK koja kodira zečji hemoglobin i pokazao da kada je uveden u oocite, nastaje isti protein.
U Sovjetskom Savezu u 1956-57 Izvršen je rad (A. Belozersky, A. Spirin, E. Volkin, F. Astrakhan) na određivanju sastava RNK ćelija, što je dovelo do zaključka da se glavnina RNK u ćeliji sastoji od ribosomske RNK.
IN 1959 Severo Ochoa je primio nobelova nagrada u medicini za otkriće mehanizma sinteze RNK. Sekvenca od 77 nukleotida jedne od tRNA kvasca S. cerevisiae određena je u 1965 u laboratoriji Roberta Halla, za koju 1968 dobio je Nobelovu nagradu za medicinu.
IN 1967 Carl Woese je sugerirao da RNK imaju katalitička svojstva. On je iznio takozvanu RNK svjetsku hipotezu, u kojoj su RNK proto-organizama služile i kao molekule za pohranu informacija (sada tu ulogu obavlja DNK) i kao molekule koje kataliziraju metaboličke reakcije (sada to rade enzimi).
IN 1976 Walter Faers i njegova grupa sa Univerziteta u Gentu (Holandija) po prvi put su utvrdili sekvencu genoma RNK sadržane u virusu, bakteriofagu MS2.
Kao prvo 1990-ih Otkriveno je da unošenje stranih gena u genom biljke dovodi do supresije ekspresije sličnih biljnih gena. Otprilike u isto vrijeme, pokazalo se da RNK od oko 22 baze, koje se sada nazivaju mikroRNA, igraju regulatornu ulogu u ontogeniji okruglih crva.
Hipotezu o važnosti RNK u sintezi proteina iznio je Torbjörn Caspersson na osnovu istraživanja 1937-1939., zbog čega se pokazalo da stanice koje aktivno sintetiziraju protein sadrže veliku količinu RNK. Potvrdu hipoteze dobio je Hubert Chantrenne.
Karakteristike strukture RNK
RNA nukleotidi se sastoje od šećera - riboze, za koju je vezana jedna od baza na poziciji 1: adenin, gvanin, citozin ili uracil. Fosfatna grupa spaja ribozu u lanac, formirajući veze sa 3" atomom ugljika jedne riboze. na poziciji 5" drugog. Fosfatne grupe su negativno nabijene pri fiziološkom pH, pa se RNK može nazvati polianion.
RNK se transkribuje kao polimer četiri baze (adenin (A), gvanin (G), uracil (U) i citozin (C)), ali zrela RNK ima mnogo modifikovanih baza i šećera. Ima ih oko 100 u RNK razne vrste modificirani nukleozidi, od kojih:
-2"-O-metilriboza najčešća modifikacija šećera;
- Pseudouridin- najčešće modificirana baza koja se najčešće nalazi. U pseudouridinu (Ψ), veza između uracila i riboze nije C - N, već C - C, ovaj nukleotid se javlja na različitim pozicijama u RNA molekulima. Posebno, pseudouridin je važan za funkciju tRNA.
Još jedna modificirana baza koju vrijedi spomenuti je hipoksantin, deaminirani gvanin, čiji se nukleozid tzv. inozin. Inozin igra važnu ulogu u osiguravanju degeneracije genetskog koda.
Uloga mnogih drugih modifikacija nije u potpunosti shvaćena, ali u ribosomskoj RNK mnoge post-transkripcione modifikacije nalaze se u regijama važnim za funkcionisanje ribozoma. Na primjer, na jednom od ribonukleotida uključenih u formiranje peptidne veze. Dušične baze u RNK mogu formirati vodikove veze između citozina i guanina, adenina i uracila, te između gvanina i uracila. Međutim, moguće su i druge interakcije, na primjer, nekoliko adenina može formirati petlju, ili petlju koja se sastoji od četiri nukleotida u kojoj se nalazi bazni par adenin-guanin.
Važna strukturna karakteristika RNK koja je razlikuje od DNK je prisustvo hidroksilne grupe na poziciji 2" riboze, što omogućava molekuli RNK da postoji u A, a ne u B konformaciji, što se najčešće primećuje u DNK. U obliku A postoje duboki i uski glavni žljebovi i plitki i široki manji žljebovi. formiranje dvostruke spirale, može kemijski napasti druge fosfatne veze i rascijepiti ih.
„Radni“ oblik jednolančane RNK molekule, poput proteina, često ima tercijarna struktura. Tercijarna struktura se formira na osnovu elemenata sekundarne strukture, formiranih vodoničnim vezama unutar jednog molekula. Postoji nekoliko vrsta sekundarnih strukturnih elemenata - petlje, petlje i pseudočvorovi. Zahvaljujući velika količina moguće opcije uparivanje baza, predviđanje sekundarne strukture RNK - mnogo više težak zadatak nego proteinske strukture, ali sada postoje efikasni programi kao što je mfold.
Primjer ovisnosti funkcija RNK molekula o njihovoj sekundarnoj strukturi su interna ulazna mjesta ribosoma (IRES). IRES je struktura na 5" kraju glasničke RNK, koja osigurava vezivanje ribozoma, zaobilazeći uobičajeni mehanizam za pokretanje sinteze proteina; zahtijeva prisustvo posebne modificirane baze (cap) na kraju 5" i inicijaciju proteina faktori. IRES su prvi put otkriveni u virusnim RNK, ali sve je više dokaza da ćelijske mRNA također koriste mehanizam inicijacije ovisan o IRES-u u uslovima stresa. Mnoge vrste RNK, na primjer, rRNA i snRNA (snRNA) u ćeliji funkcioniraju u obliku kompleksa s proteinima koji se povezuju s RNA molekulima nakon njihove sinteze ili (y) izvoza iz jezgra u citoplazmu. Takvi RNA-proteinski kompleksi nazivaju se ribonukleoproteinski kompleksi ili ribonukleoproteini.
Messenger ribonukleinska kiselina (mRNA, sinonim - glasnička RNK, mRNA)- RNA, odgovorna za prijenos informacija o primarnoj strukturi proteina od DNK do mjesta sinteze proteina. mRNA se sintetiše iz DNK tokom transkripcije, nakon čega se, zauzvrat, koristi tokom translacije kao šablon za sintezu proteina. Dakle, mRNA igra važnu ulogu u "manifestaciji" (ekspresiji).
Dužina tipične zrele mRNA kreće se od nekoliko stotina do nekoliko hiljada nukleotida. Najduže mRNA uočene su u virusima koji sadrže (+) ssRNA, kao što su pikornavirusi, ali treba imati na umu da kod ovih virusa mRNA formira njihov cijeli genom.
Velika većina RNK ne kodira proteine. Ove nekodirajuće RNK mogu biti transkribovane iz pojedinačnih gena (npr. ribosomalne RNK) ili izvedene iz introna. Klasični, dobro proučeni tipovi nekodirajućih RNK su transferne RNK (tRNA) i rRNK, koje su uključene u proces translacije. Postoje i klase RNK odgovorne za regulaciju gena, obradu mRNA i druge uloge. Osim toga, postoje nekodirajuće RNA molekule koje mogu katalizirati hemijske reakcije, kao što je rezanje i vezivanje molekula RNK. Po analogiji s proteinima sposobnim za katalizaciju kemijskih reakcija - enzimima (enzimima), katalitičke RNA molekule nazivaju se ribozimima.
transport (tRNA)- mali molekuli, koji se sastoje od približno 80 nukleotida, sa konzervativnom tercijarnom strukturom. Oni transportuju specifične aminokiseline do mesta sinteze peptidne veze u ribosomu. Svaka tRNA sadrži mjesto za vezivanje aminokiselina i antikodon za prepoznavanje i vezivanje za kodon mRNA. Antikodon formira vodonične veze sa kodonom, što postavlja tRNA u poziciju koja promoviše formiranje peptidne veze između posljednje amino kiseline formiranog peptida i aminokiseline vezane za tRNA.
Ribosomalne RNK (rRNA)- katalitička komponenta ribozoma. Eukariotski ribozomi sadrže četiri tipa rRNA molekula: 18S, 5.8S, 28S i 5S. Tri od četiri tipa rRNA se sintetiziraju na polisomima. U citoplazmi, ribosomske RNK se kombinuju sa ribosomskim proteinima i formiraju nukleoproteine zvane ribosomi. Ribosom se veže za mRNA i sintetizira protein. rRNA čini do 80% RNK i nalazi se u citoplazmi eukariotske ćelije.
Neobična vrsta RNK koja djeluje kao tRNA i mRNA (tmRNA) nalazi se u mnogim bakterijama i plastidima. Kada se ribosom zaustavi na defektnim mRNA bez stop kodona, tmRNA vezuje mali peptid koji usmjerava protein na razgradnju.
MikroRNA (21-22 nukleotida dužine) nalaze kod eukariota i utiču putem mehanizma interferencije RNK. U ovom slučaju, kompleks mikroRNA i enzima može dovesti do metilacije nukleotida u DNK promotora gena, što služi kao signal za smanjenje aktivnosti gena. Kada se koristi druga vrsta regulacije, mRNA komplementarna mikroRNK se razgrađuje. Međutim, postoje i miRNA koje povećavaju, a ne smanjuju ekspresiju gena.
Mala interferirajuća RNA (siRNA, 20-25 nukleotida) se često formiraju kao rezultat cijepanja virusnih RNK, ali postoje i endogene stanične miRNA. Male interferirajuće RNK također djeluju putem RNA interferencije putem mehanizama sličnih mikroRNA.
Poređenje sa DNK
Postoje tri glavne razlike između DNK i RNK:
1 . DNK sadrži šećer deoksiribozu, RNK sadrži ribozu, koja ima dodatnu hidroksilnu grupu u odnosu na dezoksiribozu. Ova grupa povećava vjerovatnoću hidrolize molekule, odnosno smanjuje stabilnost molekule RNK.
2.
Nukleotid komplementaran adeninu u RNK nije timin, kao u DNK, već je uracil nemetilirani oblik timina.
3.
DNK postoji u obliku dvostruke spirale, koja se sastoji od dva odvojena molekula. Molekuli RNK su u prosjeku mnogo kraći i pretežno jednolančani. Strukturna analiza biološki aktivni RNA molekuli, uključujući tRNA, rRNA snRNA i druge molekule koji ne kodiraju proteine, pokazali su da se ne sastoje od jedne dugačke spirale, već od brojnih kratkih spirala smještenih jedna blizu druge i koje tvore nešto slično tercijarnoj strukturi protein. Kao rezultat toga, RNK može katalizirati kemijske reakcije, na primjer, centar peptidne transferaze ribozoma, koji je uključen u formiranje peptidnih veza između proteina, sastoji se u potpunosti od RNK.
Karakteristike Karakteristike:
1. Obrada
Mnoge RNK su uključene u modifikaciju drugih RNK. Introni se izrezuju iz pro-mRNA pomoću spliceosoma, koji, pored proteina, sadrže nekoliko malih nuklearnih RNK (snRNA). Osim toga, introni mogu katalizirati vlastitu eksciziju. RNK sintetizirana kao rezultat transkripcije također se može kemijski modificirati. Kod eukariota, kemijske modifikacije RNA nukleotida, na primjer, njihova metilacija, obavljaju male nuklearne RNK (snRNA, 60-300 nukleotida). Ova vrsta RNK je lokalizirana u nukleolusu i Cajalovim tijelima. Nakon što se snRNA poveže sa enzimima, snRNA se veže za ciljnu RNK formirajući parove baza između dva molekula, a enzimi modifikuju nukleotide ciljne RNK. Ribosomalne i transferne RNK sadrže mnoge takve modifikacije, čija je specifična pozicija često očuvana tokom evolucije. SnRNA i same snRNA se također mogu modificirati.
2. Emitovanje
TRNA vezuje određene aminokiseline u citoplazmi i šalje se na mjesto sinteze proteina na mRNA gdje se veže za kodon i odaje aminokiselinu koja se koristi za sintezu proteina.
3. Informacijska funkcija
U nekim virusima, RNK obavlja iste funkcije koje DNK obavlja u eukariotima. Također, informacijsku funkciju obavlja mRNA, koja nosi informacije o proteinima i mjesto je njihove sinteze.
4. Regulacija gena
Neke vrste RNK su uključene u regulaciju gena povećanjem ili smanjenjem njene aktivnosti. To su takozvane miRNA (male interferirajuće RNA) i mikroRNA.
5. Katalitičkifunkcija
Postoje takozvani enzimi koji pripadaju RNK, zovu se ribozimi. Ovi enzimi obavljaju različite funkcije i imaju jedinstvenu strukturu.
Odnosi se na nukleinske kiseline. Molekuli RNA polimera su mnogo manji od molekula DNK. Međutim, ovisno o vrsti RNK, broj nukleotidnih monomera uključenih u njih varira.
RNA nukleotid sadrži ribozu kao šećer i adenit, gvanin, uracil i citozin kao azotne baze. Uracil po strukturi i hemijska svojstva blizak timinu, koji je čest u DNK. U zrelim RNK molekulima, mnoge azotne baze su modifikovane, tako da u stvarnosti postoji mnogo više varijanti azotnih baza u RNK.
Riboza, za razliku od deoksiriboze, ima dodatnu -OH grupu (hidroksil). Ova okolnost omogućava RNK da lakše ulazi u hemijske reakcije.
Glavna funkcija RNK u ćelijama živih organizama može se nazvati implementacijom genetskih informacija. Hvala za različite vrste ribonukleinska kiselina genetski kod se čita (transkribuje) iz DNK, nakon čega se na njegovoj osnovi sintetišu polipeptidi (dolazi do translacije). Dakle, ako je DNK uglavnom odgovorna za pohranjivanje i prijenos genetskih informacija s generacije na generaciju (glavni proces je replikacija), onda RNK implementira ovu informaciju (procesi transkripcije i translacije). U ovom slučaju dolazi do transkripcije na DNK, tako da se ovaj proces odnosi na obje vrste nukleinskih kiselina i onda sa ove tačke gledišta možemo reći da je DNK odgovorna i za implementaciju genetske informacije.
Nakon detaljnijeg proučavanja, funkcije RNK su mnogo raznovrsnije. Brojne molekule RNK obavljaju strukturne, katalitičke i druge funkcije.
Postoji takozvana hipoteza RNK svijeta, prema kojoj su u početku samo molekule RNK djelovale kao nosioci genetske informacije u živoj prirodi, dok su ostali molekuli RNK katalizirali različite reakcije. Ovu hipotezu potvrđuju brojni eksperimenti koji pokazuju moguću evoluciju RNK. Na to ukazuje i činjenica da brojni virusi imaju molekulu RNK kao nukleinsku kiselinu koja pohranjuje genetske informacije.
Prema hipotezi RNK svijeta, DNK se kasnije u procesu prirodne selekcije pojavila kao stabilniji molekul, važan za pohranjivanje genetskih informacija.
Postoje tri glavne vrste RNK (postoje i druge osim njih): šablon (također poznat kao glasnik), ribosomalna i transportna. Oni su označeni kao mRNA (ili mRNA), rRNA i tRNA.
Messenger RNA (mRNA)
Skoro sva RNK se sintetiše iz DNK tokom transkripcije. Međutim, transkripcija se često naziva sintezom glasničke RNK (mRNA). To je zbog činjenice da će nukleotidna sekvenca mRNA naknadno odrediti aminokiselinsku sekvencu proteina sintetiziranog tokom translacije.
Prije transkripcije, lanci DNK se odmotaju, a na jednom od njih, uz pomoć kompleksa proteina-enzima, sintetiše se RNK po principu komplementarnosti, baš kao što se to dešava prilikom replikacije DNK. Samo naspram DNK adenina, nukleotid koji sadrži uracil, a ne timin, vezan je za RNA molekul.
Zapravo, nije gotova glasnička RNK ta koja se sintetiše na DNK, već njen prethodnik, pre-mRNA. Prekursor sadrži dijelove nukleotidne sekvence koji ne kodiraju protein i koji se nakon sinteze pre-mRNA izrezuju uz sudjelovanje malih nuklearnih i nukleolarnih RNA („dodatnih“ tipova RNA). Ova područja koja se povlače se nazivaju introni. Preostali dijelovi mRNA se nazivaju egzoni. Nakon uklanjanja introna, egzoni se spajaju. Proces uklanjanja introna i spajanja egzona naziva se spajanje. Komplicirana karakteristika je da se introni mogu izrezati na različite načine, što rezultira različitim gotovim mRNA koje će služiti kao šabloni za različite proteine. Dakle, čini se da jedan DNK gen može igrati ulogu više gena.
Treba napomenuti da se spajanje ne događa kod prokariotskih organizama. Obično je njihova mRNA spremna za translaciju odmah nakon sinteze na DNK. Dešava se da dok se kraj mRNA molekula još uvijek transkribuje, ribozomi već sjede na njegovom početku, sintetizirajući protein.
Jednom kada pre-mRNA sazrije u glasničku RNK i bude izvan jezgra, ona postaje šablon za sintezu polipeptida. U isto vrijeme, ribozomi su "vezani" za njega (ne odmah, neki se pojavljuju prvi, drugi - drugi, itd.). Svaki sintetiše svoju kopiju proteina, tj. nekoliko identičnih proteinskih molekula može se sintetizirati na jednom RNK molekulu odjednom (jasno je da će svaki biti u svojoj fazi sinteze).
Ribosom, koji se kreće od početka mRNA do njenog kraja, čita tri nukleotida odjednom (iako može primiti šest, tj. dva kodona) i pričvršćuje odgovarajuću transfernu RNK (koja ima antikodon koji odgovara kodonu), na koju je vezana odgovarajuća aminokiselina. Nakon toga, uz pomoć aktivnog centra ribozoma, prethodno sintetizirani dio polipeptida, vezan za prethodnu tRNA, se takoreći "transplantira" (formira se peptidna veza) na aminokiselinu koja je vezana za novopristigla tRNA. Tako se proteinska molekula postepeno povećava u veličini.
Kada molekula RNK više nije potrebna, ćelija ga uništava.
Transfer RNA (tRNA)
Transfer RNA je prilično mala (po polimernim standardima) molekula (broj nukleotida varira, u prosjeku oko 80), u sekundarnoj strukturi ima oblik lista djeteline, u tercijarnoj strukturi se savija u nešto slično slovu G.
Funkcija tRNA je da veže za sebe aminokiselinu koja odgovara njenom antikodonu. Nakon toga se povezuje sa ribozomom koji se nalazi na kodonu mRNA koji odgovara antikodonu i "prenosi" ovu aminokiselinu. Da sumiramo, možemo reći da transfer RNK prenosi (zato je transport) aminokiseline do mjesta sinteze proteina.
Živa priroda na Zemlji koristi samo oko 20 aminokiselina za sintezu različitih proteinskih molekula (u stvari, aminokiselina je mnogo više). Ali pošto, prema genetskom kodu, postoji više od 60 kodona, svaka aminokiselina može odgovarati nekoliko kodona (u stvari, neki više, neki manje). Dakle, postoji više od 20 tipova tRNA, s različitim transfernim RNK koje nose iste aminokiseline. (Ali ni ovdje nije sve tako jednostavno.)
ribosomalna RNA (rRNA)
Ribosomalna RNK se često naziva i ribozomska RNK. To je isto.
Ribosomalna RNK čini oko 80% ukupne RNK ćelije, budući da je dio ribozoma, kojih ima dosta u ćeliji.
U ribosomima, rRNA formira komplekse sa proteinima i obavlja strukturne i katalitičke funkcije.
Ribosom sadrži nekoliko različitih rRNA molekula, koji se razlikuju po dužini lanca, sekundarnoj i tercijarnoj strukturi i funkcijama. Međutim, njihova ukupna funkcija je implementacija procesa prevođenja. U ovom slučaju, rRNA molekuli čitaju informacije iz mRNA i kataliziraju stvaranje peptidnih veza između aminokiselina.
Funkcije RNK variraju ovisno o vrsti ribonukleinske kiseline.
1) Messenger RNA (i-RNA).
2) Ribosomalna RNK (r-RNA).
3) Transfer RNK (tRNA).
4) Manje (male) RNK. To su molekule RNK, najčešće male molekulske težine, smještene u različitim dijelovima ćelije (membrana, citoplazma, organele, jezgro itd.). Njihova uloga nije u potpunosti shvaćena. Dokazano je da mogu pomoći sazrijevanju ribosomske RNK, sudjelovati u prijenosu proteina kroz ćelijsku membranu, promovirati reduplikaciju molekula DNK, itd.
5) Ribozimi. Nedavno identifikovana vrsta RNK koja aktivno učestvuje u ćelijskim enzimskim procesima kao enzim (katalizator).
6) Virusna RNK. Svaki virus može sadržavati samo jednu vrstu nukleinske kiseline: DNK ili RNK. Prema tome, virusi koji sadrže RNK molekul nazivaju se virusi koji sadrže RNK. Kada virus ovog tipa uđe u ćeliju, može doći do procesa reverzne transkripcije (formiranje nove DNK na bazi RNK), a novonastala DNK virusa se integriše u genom ćelije i osigurava postojanje i reprodukciju. patogena. Drugi scenario je formiranje komplementarne RNK na matrici nadolazeće virusne RNK. U ovom slučaju, stvaranje novih virusnih proteina, vitalna aktivnost i reprodukcija virusa odvija se bez sudjelovanja dezoksiribonukleinske kiseline samo na osnovu genetskih informacija zabilježenih na virusnoj RNK. Ribonukleinske kiseline. RNK, struktura, strukture, vrste, uloga. Genetski kod. Mehanizmi prijenosa genetskih informacija. Replikacija. Transkripcija
Ribosomalna RNA.
rRNA čini 90% ukupne RNK u ćeliji i karakterizira je metabolička stabilnost. Prokarioti imaju tri razne vrste rRNA sa koeficijentima sedimentacije 23S, 16S i 5S; Eukarioti imaju četiri tipa: -28S, 18S, 5S i 5,8S.
RNK ovog tipa su lokalizovane u ribosomima i učestvuju u specifičnim interakcijama sa ribosomskim proteinima.
Ribosomalne RNK imaju oblik sekundarne strukture u obliku dvolančanih regija povezanih zakrivljenim jednolančanim lancem. Ribosomalni proteini su povezani pretežno sa jednolančanim regionima molekula.
rRNA se karakteriše prisustvom modifikovanih baza, ali u znatno manjim količinama nego u tRNK. rRNA sadrži uglavnom metilirane nukleotide, sa metilnim grupama vezanim ili za bazu ili za 2/-OH grupu riboze.
Transfer RNA.
Molekuli tRNA su jedan lanac koji se sastoji od 70-90 nukleotida, sa molekulskom težinom od 23000-28000 i konstantom sedimentacije od 4S. U ćelijskoj RNK transferna RNK čini 10-20%. Molekuli tRNA imaju sposobnost da se kovalentno vežu za određenu aminokiselinu i povezuju se kroz sistem vodoničnih veza sa jednim od nukleotidnih tripleta molekula mRNA. Dakle, tRNA implementiraju kodnu korespondenciju između aminokiseline i odgovarajućeg kodona mRNA. Za obavljanje funkcije adaptera, tRNA moraju imati dobro definiranu sekundarnu i tercijarnu strukturu.
Svaka molekula tRNA ima konstantnu sekundarnu strukturu, ima oblik dvodimenzionalnog lista djeteline i sastoji se od spiralnih regija formiranih od nukleotida istog lanca i jednolančanih petlji smještenih između njih. Broj spiralnih regija dostiže polovinu molekule. Nesparene sekvence formiraju karakteristične strukturne elemente (grane) koje imaju tipične grane:
A) akceptorska stabljika, na čijem se 3/-OH kraju u većini slučajeva nalazi CCA triplet. Odgovarajuća aminokiselina se dodaje karboksilnoj grupi terminalnog adenozina pomoću specifičnog enzima;
B) pseudouridin ili T C-petlja, sastoji se od sedam nukleotida sa obaveznom sekvencom 5 / -T CG-3 /, koja sadrži pseudouridin; pretpostavlja se da se T C petlja koristi za vezivanje tRNA za ribozom;
B) dodatna petlja - različita po veličini i sastavu u različitim tRNK;
D) antikodonska petlja se sastoji od sedam nukleotida i sadrži grupu od tri baze (antikodon), koja je komplementarna tripletu (kodonu) u molekuli mRNA;
E) dihidrouridilna petlja (D-petlja), koja se sastoji od 8-12 nukleotida i koja sadrži od jednog do četiri dihidrouridilna ostatka vjeruje se da se D-petlja koristi za vezivanje tRNA na specifični enzim (aminoacil-tRNA sintetaza).
Tercijarno pakovanje tRNA molekula je vrlo kompaktno i u obliku slova L. Ugao takve strukture formiran je od dihidrouridinskog ostatka i T C-petlje, duga noga formira akceptorsku stabljiku i T C-petlju, a kratka noga formira D-petlju i petlju antikodona.
Polivalentni katjoni (Mg 2+, poliamini), kao i vodonične veze između baza i fosfodiestarske kičme, učestvuju u stabilizaciji tercijarne strukture tRNA.
Složen prostorni raspored tRNA molekula je posljedica višestrukih visoko specifičnih interakcija s proteinima i drugim nukleinskim kiselinama (rRNA).
Transfer RNK se razlikuje od drugih vrsta RNK po visokom sadržaju minora baza-prosek 10-12 baza po molekulu, ali ukupan broj njih i tRNA raste kako se organizmi kreću uz evolucijsku ljestvicu. U tRNA su identificirane različite metilirane purinske (adenin, guanin) i pirimidinske (5-metilcitozin i riboziltimin) baze, baze koje sadrže sumpor (6-tiouracil), ali najčešća (6-tiouracil), ali najčešća sporedna komponenta je pseudouridin. Uloga neobičnih nukleotida u tRNA molekulima još nije jasna, ali se vjeruje da što je niži nivo ublažavanja tRNA, to je manje aktivna i specifična.
Lokalizacija modificiranih nukleotida je strogo fiksna. Prisutnost manjih baza u tRNA čini molekule otpornim na djelovanje nukleaza, a osim toga sudjeluju u održavanju određene strukture, budući da takve baze nisu sposobne za normalno uparivanje i sprječavaju stvaranje dvostruke spirale. Dakle, prisustvo modifikovanih baza u tRNA određuje ne samo njenu strukturu, već i mnoge posebne funkcije molekula tRNA.
Većina eukariotskih ćelija sadrži skup različitih tRNA. Za svaku aminokiselinu postoji najmanje jedna specifična tRNA. tRNA koje vezuju istu aminokiselinu nazivaju se izoakceptorima. Svaka vrsta ćelije u tijelu razlikuje se po svom omjeru izoakceptorskih tRNA.
matrica (informacije)
Messenger RNA sadrži genetske informacije o sekvenci aminokiselina za esencijalne enzime i druge proteine, tj. služi kao šablon za biosintezu polipeptidnih lanaca. Udio mRNA u ćeliji čini 5% ukupne količine RNK. Za razliku od rRNA i tRNA, mRNA je heterogena po veličini, njena molekularna težina se kreće od 25 10 3 do 1 10 6; mRNA se odlikuje širokim rasponom konstanti sedimentacije (6-25S). Prisustvo lanaca mRNA varijabilne dužine u ćeliji odražava raznolikost molekulskih težina proteina čiju sintezu obezbeđuju.
Po svom nukleotidnom sastavu mRNA odgovara DNK iz iste ćelije, tj. je komplementaran jednom od lanaca DNK. Nukleotidna sekvenca (primarna struktura) mRNA sadrži informacije ne samo o strukturi proteina, već i o sekundarnoj strukturi samih mRNA molekula. Sekundarna struktura mRNA nastaje zbog međusobno komplementarnih sekvenci, čiji je sadržaj sličan u RNK različitog porijekla i kreće se od 40 do 50%. Značajan broj uparenih regiona može se formirati u 3/ i 5/ regionima mRNA.
Analiza 5/-krajeva 18s rRNA regiona je pokazala da oni sadrže međusobno komplementarne sekvence.
Tercijarna struktura mRNA formira se uglavnom zbog vodikovih veza, hidrofobnih interakcija, geometrijskih i steričnih ograničenja i električnih sila.
Messenger RNA je metabolički aktivan i relativno nestabilan, kratkotrajni oblik. Dakle, mRNA mikroorganizama karakterizira brzo obnavljanje, a životni vijek joj je nekoliko minuta. Međutim, za organizme čije stanice sadrže prave jezgre vezane za membranu, životni vijek mRNA može doseći mnogo sati, pa čak i nekoliko dana.
Stabilnost mRNA može se odrediti različitim modifikacijama njenog molekula. Tako je otkriveno da je 5/-terminalna sekvenca mRNK virusa i eukariota metilirana ili "blokirana". Prvi nukleotid u strukturi 5/-terminalne kapice je 7-metilgvanin, koji je vezan za sljedeći nukleotid 5/-5/-pirofosfatnom vezom. Drugi nukleotid je metiliran na ostatku C-2/-riboze, a treći nukleotid možda nema metilnu grupu.
Druga sposobnost mRNA je da se na 3/-krajevima mnogih mRNA molekula eukariotskih ćelija nalaze relativno dugi nizovi adenil nukleotida, koji su vezani za mRNA molekule uz pomoć posebnih enzima nakon završetka sinteze. Reakcija se odvija u ćelijskom jezgru i citoplazmi.
Na 3/- i 5/- krajevima mRNA, modifikovane sekvence čine oko 25% ukupne dužine molekula. Vjeruje se da su sekvence 5/-caps i 3/-poly-A neophodne ili za stabilizaciju mRNA, štiteći je od djelovanja nukleaza, ili za regulaciju procesa translacije.
RNA interferencija
Nekoliko tipova RNK pronađeno je u živim ćelijama koje mogu smanjiti stepen ekspresije gena kada su komplementarne mRNA ili samom genu. MikroRNA (dužine 21-22 nukleotida) se nalaze u eukariotima i ispoljavaju svoje efekte kroz mehanizam interferencije RNK. U ovom slučaju, kompleks mikroRNA i enzima može dovesti do metilacije nukleotida u DNK promotora gena, što služi kao signal za smanjenje aktivnosti gena. Kada se koristi drugi tip regulacije, mRNA komplementarna mikroRNK se razgrađuje. Međutim, postoje i miRNA koje povećavaju, a ne smanjuju ekspresiju gena. Male interferirajuće RNK (siRNA, 20-25 nukleotida) često se proizvode cijepanjem virusnih RNK, ali postoje i endogene ćelijske siRNA. Male interferirajuće RNK također djeluju putem RNA interferencije putem mehanizama sličnih mikroRNA. Kod životinja je pronađena takozvana Piwi-interacting RNA (piRNA, 29-30 nukleotida) koja djeluje u zametnim stanicama protiv transpozicije i igra ulogu u formiranju gameta. Osim toga, piRNA se mogu epigenetski naslijediti po majčinoj liniji, prenoseći svoju sposobnost da inhibiraju ekspresiju transpozona na potomstvo.
Antisens RNK su široko rasprostranjene u bakterijama, mnoge od njih potiskuju ekspresiju gena, ali neke aktiviraju ekspresiju. Antisens RNK djeluju tako što se vežu za mRNA, što dovodi do stvaranja dvolančanih RNA molekula, koje razgrađuju enzimi, molekule RNA slične mRNA pronađene su kod eukariota. Ovi molekuli takođe regulišu ekspresiju gena.
Pored uloge pojedinačnih molekula u regulaciji gena, regulatorni elementi se mogu formirati u 5" i 3" neprevedenim regionima mRNA. Ovi elementi mogu djelovati nezavisno kako bi spriječili inicijaciju translacije, ili mogu vezati proteine kao što je feritin ili male molekule kao što je biotin.
Mnoge RNK su uključene u modifikaciju drugih RNK. Introni se izrezuju iz pre-mRNA pomoću spliceosoma, koji pored proteina sadrže nekoliko malih nuklearnih RNA (snRNA). Osim toga, introni mogu katalizirati vlastitu eksciziju. RNK sintetizirana kao rezultat transkripcije također se može kemijski modificirati. Kod eukariota, kemijske modifikacije RNA nukleotida, na primjer, njihova metilacija, obavljaju male nuklearne RNK (snRNA, 60-300 nukleotida). Ova vrsta RNK je lokalizirana u nukleolusu i Cajalovim tijelima. Nakon povezivanja snRNA sa enzimima, snRNA se vezuju za ciljnu RNK formirajući parove baza između dva molekula, a enzimi modifikuju nukleotide ciljne RNK. Ribosomalne i transferne RNK sadrže mnoge takve modifikacije, čija je specifična pozicija često očuvana tokom evolucije. SnRNA i same snRNA se također mogu modificirati. Vodiće RNK provode proces uređivanja RNK u kinetoplastu, posebnoj regiji mitohondrija kinetoplastidnih protista (na primjer, tripanosoma).
Genomi napravljeni od RNK
Kao i DNK, RNK može pohraniti informacije o biološki procesi. RNK se može koristiti kao genom virusa i virusnih čestica. RNK genomi se mogu podijeliti na one koji nemaju DNK međukorak i one koji se kopiraju u DNK kopiju i natrag u RNK (retrovirusi) za reprodukciju.
Mnogi virusi, kao što je virus gripe, sadrže genom koji se u potpunosti sastoji od RNK u svim fazama. RNK se nalazi unutar tipično proteinske ljuske i replicira se pomoću RNK-ovisnih RNA polimeraza koje su kodirane unutar nje. Virusni genomi koji se sastoje od RNK dijele se na:
„minus lanac RNK“, koji služi samo kao genom, a molekul koji mu je komplementaran se koristi kao mRNA;
dvolančani virusi.
Viroidi su još jedna grupa patogena koji sadrže RNA genom i nemaju protein. Repliciraju ih RNA polimeraze organizma domaćina.
Retrovirusi i retrotranspozoni
Drugi virusi imaju RNA genom tokom samo jedne faze životni ciklus. Virioni takozvanih retrovirusa sadrže molekule RNK, koje, kada uđu u ćelije domaćina, služe kao šablon za sintezu kopije DNK. Zauzvrat, DNK šablon čita RNA gen. Pored virusa, reverzna transkripcija se koristi i u klasi mobilnih elemenata genoma - retrotranspozonima.
Molekularna biologija je jedna od najvažnijih grana bioloških nauka i uključuje detaljno proučavanje ćelija živih organizama i njihovih komponenti. Opseg njenog istraživanja uključuje mnoge vitalne procese kao što su rođenje, disanje, rast, smrt.
Neprocjenjivo otkriće molekularna biologija počeo da dešifruje genetski kod viših bića i određuje sposobnost ćelije da skladišti i prenosi genetske informacije. Glavna uloga u ovim procesima pripada nukleinskim kiselinama, kojih u prirodi postoje dvije vrste - DNK i RNK. Šta su to makromolekuli? Od čega su napravljeni i koje biološke funkcije obavljaju?
Šta je DNK?
DNK je skraćenica za deoksiribonukleinsku kiselinu. To je jedna od tri makromolekule ćelije (druge dvije su proteini i ribonukleinska kiselina), koja osigurava očuvanje i prijenos genetskog koda za razvoj i djelovanje organizama. Jednostavnim riječima, DNK je nosilac genetske informacije. Sadrži genotip jedinke, koja ima sposobnost da se sama reproducira i prenosi informacije naslijeđem.
Kao hemijska supstanca, kiselina je izolovana iz ćelija još 1860-ih, ali sve do sredine 20. veka niko nije zamišljao da je sposobna da skladišti i prenosi informacije.
Za dugo vremena vjerovalo se da te funkcije obavljaju proteini, ali je 1953. godine grupa biologa uspjela značajno proširiti razumijevanje suštine molekula i dokazati primarnu ulogu DNK u očuvanju i prijenosu genotipa. Otkriće je postalo otkriće veka, a naučnici su za svoj rad dobili Nobelovu nagradu.
Od čega se sastoji DNK?
DNK je najveći od bioloških molekula i sastoji se od četiri nukleotida koji se sastoje od ostatka fosforne kiseline. Strukturno, kiselina je prilično složena. Njegovi nukleotidi su međusobno povezani dugim lancima, koji su spojeni u parovima u sekundarne strukture - dvostruke spirale.
DNK ima tendenciju da se ošteti radijacijom ili raznim oksidirajućim supstancama, zbog čega dolazi do procesa mutacije u molekuli. Funkcioniranje kiseline direktno ovisi o njenoj interakciji s drugim molekulom - proteinima. Interagirajući s njima u ćeliji, formira supstancu hromatin unutar koje se realizuje informacija.
Šta je RNK?
RNK je ribonukleinska kiselina koja sadrži dušične baze i ostatke fosforne kiseline.
Postoji hipoteza da je to prvi molekul koji je stekao sposobnost da se reproducira još u eri formiranja naše planete - u predbiološkim sistemima. RNK je i danas uključena u genome pojedinačnih virusa, ispunjavajući ulogu u njima koju DNK ima kod viših bića.
Ribonukleinska kiselina se sastoji od 4 nukleotida, ali umjesto dvostruke spirale, kao u DNK, njeni lanci su povezani jednom krivom. Nukleotidi sadrže ribozu, koja je aktivno uključena u metabolizam. U zavisnosti od njihove sposobnosti da kodiraju protein, RNK se dijeli na šablonsku i nekodirajuću.
Prvi djeluje kao neka vrsta posrednika u prijenosu kodiranih informacija do ribozoma. Potonji ne mogu kodirati proteine, ali imaju druge mogućnosti - translaciju i ligaciju molekula.
Po čemu se DNK razlikuje od RNK?
Na svoj način hemijski sastav kiseline su veoma slične jedna drugoj. Oba su linearni polimeri i N-glikozidi nastali od ostataka šećera od pet ugljenika. Razlika između njih je u tome što je šećerni ostatak RNK riboza, monosaharid iz grupe pentoza, lako topiv u vodi. Ostatak šećera u DNK je deoksiriboza, ili derivat riboze, koji ima nešto drugačiju strukturu.
Za razliku od riboze, koja čini prsten od 4 atoma ugljika i 1 atoma kisika, u dezoksiribozi je drugi atom ugljika zamijenjen vodonikom. Druga razlika između DNK i RNK je njihova veličina - veća. Osim toga, među četiri nukleotida uključena u DNK, jedan je dušična baza nazvana timin, dok u RNK umjesto timina postoji njena verzija - uracil.
Indikatori. | DNK | RNA | ATP |
Biti u kavezu | Nukleus, mitohondrije, plastidi. | Nukleus, ribozomi, mitohondrije, hloroplasti. | Citoplazma, jezgro, mitohondrije. hloroplasti. |
Nalazi se u jezgri. | Hromatin, hromozomi. | Nucleolus. | Karioplazma. |
Struktura. | Dva duga polinukleotidna lanca, spiralno uvijena antiparalelno jedan u odnosu na drugi. | Jedan kratki polinukleotidni lanac. | Mononukleotid. |
Monomeri. | Deoksiribonukleotidi. | Ribonukleotidi. | br |
Nukleotidni sastav. | 1) azotna baza - A, G, C, T, 2) ugljeni hidrat - dezoksiriboza 3) ostatak fosforne kiseline | 1) azotna baza - A, G, C, U, 2) ugljeni hidrat - riboza 3) ostatak fosforne kiseline | 1) azotna baza - A, 2) ugljeni hidrat 1 riboza 3) tri ostatka fosforne kiseline |
Vrste nukleotida. | Adenil (A) Gvanil (G) Citidil (C) Timidil (T) | Adenil (A) Gvanil (G) Citidil (C) Uracil (U) | adenil (A) |
Svojstva. | 1) Sposoban za reduplikaciju ili replikaciju (udvostručavanje) po principu komplementarnosti (komplementarnosti ili korespondencije), tj. formiranje vodikovih svetaca između A-T, G-C, 2) Stabilno (ne mijenja lokaciju). | 1) Nesposoban za reduplikaciju, osim za RNK viruse, 2) Labilan (prelazi iz jezgra u citoplazmu). | Kao rezultat hidrolize, ostaci fosforne kiseline se odvajaju od ATP-a jedan po jedan i energija se oslobađa. ATP-ADP-AMP |
Funkcije. | 1) Čuva, prenosi i reprodukuje genetske informacije 2) Reguliše život ćelije. | 1) Učestvuje u biosintezi proteina a) i-RNA i m-RNA prenose genetske informacije od DNK do mesta sinteze proteina, b) r-RNA formira ribozom, c) t-RNA pronalazi i prenosi aminokiseline na mesto sinteze proteina sinteza proteina, 2) c -RNA pohranjuje, prenosi i reprodukuje genetske informacije virusa. | 1) Energija. |
Posebnosti. | 1) Nuklearna DNK je duga, povezana sa proteinima i formira linearni hromozom. 2) Mitohondrij je kratak i kružni, povezan sa proteinima i formira kružni hromozom. 3) Kod prokariota DNK je zatvorena u prsten, nije povezana sa proteinima i ne formira hromozom. | 1) Dvolančana RNK se nalazi u nekim virusima. 2) 5 tipova RNK: glasnička RNK. glasnička RNK, ribosomalna r-RNA, transportna t-RNA, virusna v-RNA | 1) Ostaci fosforne kiseline su međusobno povezani visokoenergetskim (visokoenergetskim) vezama. 2) ATP molekula nestabilan, traje manje od 1 minute, obnavlja se i razgrađuje 2400 puta dnevno. |
Replikacija DNK, genetski kod, implementacija genetskih informacija.
3.1. DNK replikacija. Budući da je DNK molekul naslijeđa, da bi ostvario ovo svojstvo mora se precizno kopirati i tako sačuvati informacije sadržane u originalnom molekulu DNK u obliku određene sekvence nukleotida. Ovo se postiže posebnim procesom koji se naziva replikacija ili reduplikacija.
Replikacija- Ovo je udvostručenje molekula DNK. Replikacija se zasniva na pravilima Edwina Chargaffa (A+G=T+C), tj. zbir purinskih baza jednak je zbiru pirimidinskih baza. Stroga korespondencija nukleotida međusobno u uparenim lancima DNK naziva se komplementarnost (uzajamnost).
Faze replikacije:
№ | Faze replikacije. |
Specijalni enzimi odmotavaju dvostruku spiralu molekule DNK i razbijaju vodonične veze između lanaca. | |
Enzim DNK polimeraza kreće se duž jednog lanca DNK od ugljika 3 do ugljika 5 i, prema pravilu komplementarnosti (A-T, G-C), dodaje odgovarajuće nukleotide. Ovaj lanac se zove vodeći lanac njegovo udvostručavanje se događa kontinuirano. | |
Drugi lanac koji zaostaje nalazi se antiparalelno s prvim, a DNK polimeraza 1 može se kretati samo u jednom smjeru od ugljika 3 do ugljika 5, stoga se kopira u odvojenim fragmentima kako se molekula DNK odmotava. Fragmenti su međusobno spojeni posebnim enzimima - ligazama po principu antiparalelizma. | |
Nakon replikacije, svaki molekul DNK sadrži jedan "majčinski" lanac i drugi novosintetizirani "ćerki" lanac. Ovaj princip sinteze naziva se polukonzervativnim, tj. jedan lanac u novom molekulu DNK je "star", a drugi je "novi". |
Genetski kod.
Molekul naslijeđa, a to je DNK, karakterizira ne samo samo-umnožavanje (replikacija), već i kodiranje informacija pomoću specifične sekvence nukleotida. Poznato je da se DNK sastoji od četiri vrste nukleotida, odnosno informacija u DNK je napisana sa 4 slova (A, T, G, C). Matematički proračuni to pokazuju
1. Ako koristimo 1 nukleotid, dobijamo 4 različite kombinacije, 4<20.
2. Ako koristimo 2 nukleotida, dobijamo 16 različitih kombinacija (4 2 =16), 16<20.
- Ako koristimo 3 nukleotida, dobijamo 64 različite kombinacije (4 3 =64), 64>20.
Dakle, kombinacija od 3 nukleotida će biti dovoljna za kodiranje 20 aminokiselina. Od 64 moguća tripleta, 61 triplet kodira 20 esencijalnih aminokiselina koje se nalaze u ćelijskim proteinima, a 3 tripleta su stop signali ili terminatori koji prestaju čitati informacije.
Kombinacije tri nukleotida koje kodiraju određene aminokiseline nazivaju se DNK kod, ili genetski kod. Trenutno je genetski kod potpuno dešifrovan, odnosno poznato je koje triplet kombinacije nukleotida kodiraju 20 aminokiselina. Koristeći kombinaciju tri nukleotida, moguće je kodirati više aminokiselina nego što je potrebno za kodiranje 20 aminokiselina. Ispostavilo se da svaka aminokiselina može biti kodirana s nekoliko tripleta, osim metionina i triptofana. Aminokiseline koje čine prirodne proteine mogu pripadati različitim grupama: neesencijalne kiseline (3), esencijalne kiseline (3).
Genetski kod je sistem za snimanje genetske informacije u DNK u obliku specifične sekvence nukleotida (ili metoda snimanja sekvence aminokiselina u proteinu pomoću nukleotida).
Genetski kod ima nekoliko svojstava (7 svojstava).