10.3: Структура та функція РНК

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3895

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть біохімічну будову рибонуклеотидів
Опишіть подібності та відмінності між РНК та ДНК
Охарактеризуйте функції трьох основних типів РНК, що використовуються в синтезі білка
Поясніть, як РНК може служити спадковою інформацією

Структурно кажучи, рибонуклеїнова кислота (РНК), досить схожа на ДНК. Однак, хоча молекули ДНК, як правило, довгі і дволанцюгові, молекули РНК набагато коротші і, як правило, одноланцюгові. Молекули РНК виконують різноманітні ролі в клітині, але в основному беруть участь у процесі синтезу (трансляції) білка та його регуляції.

Структура РНК

РНК, як правило, одножильний і виготовляється з рибонуклеотидів, які пов'язані фосфодіефірними зв'язками. Рибонуклеотид в ланцюжку РНК містить рибозу (пентозний цукор), одну з чотирьох азотистих підстав (A, U, G і C) та фосфатну групу. Тонка структурна різниця між цукрами надає ДНК додаткову стабільність, роблячи ДНК більш придатною для зберігання генетичної інформації, тоді як відносна нестабільність РНК робить її більш придатною для своїх короткострокових функцій.

а) діаграми рибози (в РНК) і дезоксирибози (в ДНК). Обидва мають форму п'ятикутника з киснем у верхній точці п'ятикутника. Обидва мають OH при вуглеці 1 і 3 і CH2OH при вуглеці 4 (цей останній вуглець - вуглець 5). Різниця полягає в тому, що рибоза має OH при вуглеці 2, а дезоксирибоза має Н при вуглеці 2. Б) діаграми тиміну (Т в ДНК) і Урацила (U в РНК). Обидва мають одне шестигранне кільце, що містить вуглеці та азоти. Обидва мають подвійний пов'язаний O у верхній вуглецю, а нижній лівий вуглець. Різниця полягає в тому, що верхній правий вуглець має Н в урацилі і CH3 в тиміні. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Рибонуклеотиди містять пентозу цукрової рибози замість дезоксирибози, виявленої в дезоксирибонуклеотидах. (b) РНК містить піримідин урацил замість тиміну, знайденого в ДНК.

РНК-специфічний піримідин урацил утворює комплементарну базову пару з аденіном і використовується замість тиміну, що використовується в ДНК. Незважаючи на те, що РНК є однониткою, більшість типів молекул РНК демонструють широке внутрішньомолекулярне сполучення основи між комплементарними послідовностями всередині ланцюга РНК, створюючи передбачувану тривимірну структуру, необхідну для їх функції\(\PageIndex{2}\) (рис\(\PageIndex{1}\).

а) Діаграма ДНК і РНК. ДНК має форму подвійної спіралі з спіраллю цукру-фосфатів зовні і парами основ зсередини. РНК має єдину спіраль цукор-фосфатів з азотистими підставами по довжині спіралі. Б) Діаграма, що показує згортання РНК на себе. Підстави, прикріплені до цукрово-фосфатної магістралі, можуть утворювати водневі зв'язки, якщо на довгій пасмі є розтяжки компліментарних основ на деякій відстані один від одного. Інші регіони не мають цих водневих зв'язків. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) ДНК, як правило, дволанцюгова, тоді як РНК, як правило, одноланцюгова. (b) Хоча це одножильний, РНК може складатися на себе, при цьому складки стабілізуються короткими ділянками комплементарного сполучення основи всередині молекули, утворюючи тривимірну структуру.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Чим структура РНК відрізняється від структури ДНК?

Функції РНК в синтезі білка

Клітини отримують доступ до інформації, що зберігається в ДНК, створюючи РНК для направлення синтезу білків через процес трансляції. Білки всередині клітини мають багато функцій, включаючи побудову клітинних структур і служать ферментними каталізаторами клітинних хімічних реакцій, які надають клітинам їх специфічні характеристики. Три основні типи РНК, які безпосередньо беруть участь у синтезі білка, - це месенджерна РНК (мРНК), рибосомна РНК (рРНК) та трансферна РНК (тРНК).

У 1961 році французькі вчені Франсуа Якоб і Жак Монод висунули гіпотезу про існування посередника між ДНК і її білковими продуктами, який вони назвали месенджерної РНК. ¹ Докази, що підтверджують їхню гіпотезу, були зібрані незабаром після цього, що інформація з ДНК передається рибосомі для синтезу білка за допомогою мРНК. Якщо ДНК служить повною бібліотекою клітинної інформації, мРНК служить ксерокопією конкретної інформації, необхідної в конкретний момент часу, яка служить інструкцією для виготовлення білка.

МРНК несе повідомлення з ДНК, яка контролює всю клітинну діяльність в клітині. Якщо клітині потрібен певний білок для синтезу, ген цього продукту «включається» і мРНК синтезується через процес транскрипції (див. Транскрипція РНК). Потім мРНК взаємодіє з рибосомами та іншими клітинними механізмами (рис.\(\PageIndex{3}\)), щоб направити синтез білка, який він кодує в процесі трансляції (див. Синтез білка). мРНК відносно нестабільна і короткочасна в клітині, особливо в прокаріотичних клітині, забезпечуючи що білки виготовляються лише тоді, коли це необхідно.

Діаграма, що показує мРНК як довгу нитку з наборами з 3-х літер, згруповані; зліва від мРНК позначено 3-простими, права позначена 5-простими. Овальна мічена рибосома мала субодиниця сидить під мРНК і охоплює 3 групи з 3-х літер. Більший купол (позначений рибосомою великою субодиницею) сидить на вершині мРНК в цій же області. Велика субодиниця має 3 зазори, де сидять прямокутники з позначкою тРНК. Ці прямокутники кожен сидить на групі з 3-х букв на мРНК на одному кінці і містять амінокислоту на іншому кінці. ТРНК зліва має одну амінокислоту. ТРНК в середині має зростаючу пепетидний ланцюжок багатьох амінокислот. ТРНК праворуч не має амінокислот і залишає рибосому. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Узагальнена ілюстрація того, як мРНК і тРНК використовуються в синтезі білка всередині клітини.

рРНК і тРНК є стабільними типами РНК. У прокаріотів і еукаріотів тРНК і рРНК кодуються в ДНК, потім копіюються в довгі молекули РНК, які розрізаються, щоб звільнити менші фрагменти, що містять окремі зрілі види РНК. У еукаріотів синтез, різання та складання рРНК в рибосоми відбувається в ядерцевій області ядра, але ця діяльність відбувається в цитоплазмі прокаріотів. Жоден з цих типів РНК не несе вказівок спрямовувати синтез поліпептиду, але вони відіграють інші важливі ролі в синтезі білка.

Рибосоми складаються з рРНК і білка. Як випливає з назви, рРНК є основною складовою рибосом, складаючи приблизно 60% рибосоми за масою і забезпечуючи місце, де мРНК зв'язується. РРНК забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосом; рРНК рибосоми також має ферментативну активність (пептидилтрансфераза) і каталізує утворення пептидних зв'язків між двома вирівняними амінокислотами під час синтезу білка. Незважаючи на те, що рРНК давно вважалося служити в першу чергу структурній ролі, її каталітична роль в рибосомі була доведена в 2000 році. ² Вчені в лабораторіях Томаса Штайца (1940—) та Пітера Мура (1939—) Єльського університету змогли кристалізувати рибосому структуру з Haloarcula marismortui, галофільного археона, ізольованого з Мертвого моря. Через важливість цієї роботи Штайц поділився Нобелівською премією з хімії 2009 року з іншими вченими, які внесли значний внесок у розуміння структури рибосом.

Перенесення РНК є третім основним типом РНК і одним з найменших, зазвичай всього 70-90 нуклеотидів довжиною. Він несе правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг (рис.\(\PageIndex{4}\)). Будь-які мутації в тРНК або рРНК можуть призвести до глобальних проблем для клітини, оскільки обидва необхідні для правильного синтезу білка (Таблиця\(\PageIndex{1}\)).

Схема 2-вимірної тРНК, яка являє собою одну довгу пасмо РНК, складену в плюсову форму з петлями з боків і низу. Області, де тРНК згорнута так, що є 2 частини пасма, що утворюють лінійні частини плюса, скріплюються водневими зв'язками, маркованими внутрішньомолекулярним сполученням. Петля внизу має набір з 3 букв, які доповнюють 3 літери на мРНК. Верхня частина плюса має один багатожильний кінець на 3-первинному кінці; це прикріплено до амінокислоти. Б) 3-мірна структура виглядає як одна нитка, складена в подвійну багатожильну конструкцію з вигином посередині. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Молекула тРНК - це одноцепочечная молекула, яка проявляє значне внутрішньоклітинне сполучення основи, надаючи їй характерну тривимірну форму.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Будова і функції РНК
	мРНК	рРНК	тРНК
Структура	Коротка, нестабільна, одноланцюгова РНК, що відповідає гену, закодованому в ДНК	Довші, стабільні молекули РНК, що складають 60% маси рибосоми	Коротка (70-90 нуклеотидів), стабільна РНК з великим внутрішньомолекулярним сполученням основи; містить місце зв'язування амінокислот і місце зв'язування мРНК
Функція	Служить посередником між ДНК та білком; використовується рибосомою для прямого синтезу білка, який він кодує	Забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосоми під час синтезу білка; каталізує утворення пептидних зв'язків між амінокислотами	Проносить правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Які функції виконують три основні типи молекул РНК, що беруть участь у синтезі білка?

РНК як спадкова інформація

Хоча РНК не служить спадковою інформацією у більшості клітин, РНК виконує цю функцію для багатьох вірусів, які не містять ДНК. Таким чином, РНК явно має додаткову здатність служити генетичною інформацією. Хоча РНК, як правило, одноланцюгова всередині клітин, існує значна різноманітність вірусів. Риновіруси, які викликають застуду; віруси грипу; і вірус Ебола - це одноланцюгові РНК-віруси. Ротавіруси, які викликають важкий гастроентерит у дітей та інших осіб з ослабленим імунітетом, є прикладами дволанцюгових РНК-вірусів. Оскільки дволанцюгова РНК зустрічається рідко в еукаріотичних клітині, її наявність служить показником вірусної інфекції. Наслідки для вірусу, що має геном РНК замість генома ДНК, більш детально розглядаються в розділі Віруси.

Ключові поняття та резюме

Рибонуклеїнова кислота (РНК), як правило, однониткова і містить рибозу як пентозу цукру і піримідин урацил замість тиміну. Пасмо РНК може піддаватися значному внутрішньомолекулярному сполученню основи, щоб набути тривимірної структури.
Існує три основних типи РНК, всі беруть участь в синтезі білка.
Messenger РНК (мРНК) служить посередником між ДНК і синтезом білкових продуктів при трансляції.
Рибосомна РНК (рРНК) - це тип стабільної РНК, яка є основною складовою рибосом. Він забезпечує належне вирівнювання мРНК і рибосом під час синтезу білка і каталізує утворення пептидних зв'язків між двома вирівняними амінокислотами при синтезі білка.
Трансферна РНК (тРНК) - це невеликий тип стабільної РНК, який переносить амінокислоту до відповідного місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг.
Хоча РНК не використовується для довгострокової генетичної інформації в клітині, багато вірусів використовують РНК як свій генетичний матеріал.

Виноски

1 А. Багатий. «Ера пробудження РНК: структурна біологія РНК в ранні роки». Квартальні огляди біофізики 42 № 2 (2009) :117—137.
2 П. Ніссен та ін. «Структурні основи активності рибосом в синтезі пептидних зв'язків». Наука 289 № 5481 (2000) :920—930.