Молекула рнк представляет собой. Словарь. Виды и типы РНК клеток

Виды РНК

Молекулы РНК в отличие от ДНК являются однонитевыми структурами. Схема построения РНК аналогична ДНК: основу об­разует сахарно-фосфатный остов, к которому присоединяются азотистые основания.

Рис. 5.16. Строение ДНК и РНК

Различия химического строения заключаются в следующем: дезоксирибоза, присут­ствующая в ДНК, заменена на молекулу рибозы, а тимин представлен другим пиримидином - урацилом (рис. 5.16, 5.18).

Молекулы РНК в зависимости от выполняемых функций под­разделяются на три основных вида: информационные, или мат­ричные (мРНК), транспортные (тРНК) и рибосомальные (рРНК).

В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого вида - гетерогенная ядерная РНК (гяРНК), которая является точной копией соответствующей ДНК.

Функции РНК

МРНК переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, (т.е. являются матрицей для синтеза белка;

тРНК переносят аминокислоты к рибосомам, специфичность такого переноса обеспечи­вается тем, что имеется 20 типов тРНК, соответствующих 20 аминокислотам (рис. 5.17);

рРНК образуют в комплексе с белками рибосому, в которой происходит синтез белка;

гяРНК является точным транскриптом ДНК, которая, подвергаясь специфическим изменениям, превращается (созревает) в зрелую мРНК.

Молекулы РНК значительно меньше молекул ДНК. Самой ко­роткой является тРНК, состоящая из 75 нуклеотидов.

Рис. 5.17. Строение транспортной РНК

Рис. 5.18. Сравнение ДНК и РНК

Современные представления о строении гена. Интрон-экзонная структура у эукариот

Элементарной единицей наследственности является ген . Тер­мин «ген» был предложен в 1909 г. В. Иогансеном для обозначения материальной единицы наследственности, выделенной Г. Менде­лем.

После работ американских генетиков Дж.Бидла и Э.Тейтума геном стали называть участок молекулы ДНК, кодирующий син­тез одного белка.

Согласно современным представлениям, ген рас­сматривается как участок молекулы ДНК, характеризующийся спе­цифической последовательностью нуклеотидов, определяющих аминокислотную последовательность полипептидной цепи како­го-либо белка или нуклеотидную последовательность функциони­рующей молекулы РНК (тРНК, рРНК).

От­носительно короткие кодирующие последовательности оснований (экзоны) чередуются в них с длинными некодирующими последовательно­стями – интронами, которые вырезаются (сплайсинг ) в процессе созревания иРНК (процессинге ) и не участвуют в процессе трансляции (рис. 5.19).

Размеры генов человека могут колебаться от нескольких десят­ков пар нуклеотидов (п.н.) до многих тысяч и даже миллионов п.н. Так, самый маленький из известных генов содержит всего 21 п.н., а один из самых крупных генов имеет размер более 2,6 млн п.н.

Рис. 5.19. Строение ДНК эукариот

После того как заканчивается транскрипция, все виды РНК претерпевают созревание РНК - процессинг .Он представленсплайсингом - это процесс удаления участков молекулы РНК, соответствующих интронным последовательностям ДНК. Зрелая мРНК выходит в цитоплазму и становится матрицей для синтеза белка, т.е. переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам (рис. 5.19, 5.20).

Последовательность нуклеотидов в рРНК сходна у всех орга­низмов. Вся рРНК находится в цитоплазме, где она образует слож­ный комплекс с белками, формируя рибосому.

На рибосомах ин­формация, зашифрованная в структуре мРНК, переводится (транс­лируется ) в аминокислотную последовательность, т.е. происходит синтез белка.

Рис. 5.20. Сплайсинг

5.6. Практическое задание

Выполнить самостоятельно задание. Заполнить таблицу 5.1. Сравнить строение, свойства и функции ДНК и РНК

Таблица 5.1.

Сравнение ДНК и РНК

Вопросы теста

1. Молекула РНК содержит азотистые основания:

2. Молекула АТФ содержит:

а) аденин, дизоксирибозу и три остатка фосфорной кислоты

б) аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты

в) аденозин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты

г) аденозин,дезоксирибозу и три остатка фосфорной кислоты.

3. Хра­ни­те­лем на­след­ствен­но­сти в клет­ке яв­ля­ют­ся мо­ле­ку­лы ДНК, так как в них за­ко­ди­ро­ва­на ин­фор­ма­ция о

а) со­ста­ве по­ли­са­ха­ри­дов

б) струк­ту­ре мо­ле­кул ли­пи­дов

в) пер­вич­ной струк­ту­ре мо­ле­кул белка

г) стро­е­нии ами­но­кис­лот

4. В ре­а­ли­за­ции на­след­ствен­ной ин­фор­ма­ции при­ни­ма­ют уча­стие мо­ле­ку­лы нук­ле­и­но­вых кис­лот, обес­пе­чи­вая

а) син­тез уг­ле­во­дов

б) окис­ле­ние бел­ков

в) окис­ле­ние уг­ле­во­дов

г) син­тез бел­ков

5. С по­мо­щью мо­ле­кул иРНК осу­ществ­ля­ет­ся пе­ре­да­ча на­след­ствен­ной ин­фор­ма­ции

а) из ядра к ми­то­хон­дрии

б) из одной клет­ки в дру­гую

в) из ядра к ри­бо­со­ме

г) от ро­ди­те­лей потом­ству

6. Мо­ле­ку­лы ДНК

а) пе­ре­но­сят ин­фор­ма­цию о стро­е­нии белка к ри­бо­со­мам

б) пе­ре­но­сят ин­фор­ма­цию о стро­е­нии белка в ци­то­плаз­му

в) до­став­ля­ют к ри­бо­со­мам ами­но­кис­ло­ты

г) со­дер­жат на­след­ствен­ную ин­фор­ма­цию о пер­вич­ной струк­ту­ре белка

7. Ри­бо­ну­кле­и­но­вые кис­ло­ты в клет­ках участ­ву­ют в

а) хра­не­нии на­след­ствен­ной ин­фор­ма­ции

б) ре­гу­ля­ции об­ме­на жиров

в) об­ра­зо­ва­нии уг­ле­во­дов

г) био­син­те­зе бел­ков

8. Какая нук­ле­и­но­вая кис­ло­та может быть в виде двух­це­по­чеч­ной мо­ле­ку­лы

9. Из мо­ле­ку­лы ДНК и белка со­сто­ит

а) мик­ро­тру­боч­ка

б) плаз­ма­ти­че­ская мем­бра­на

в) яд­рыш­ко

г) хро­мо­со­мА

10. Фор­ми­ро­ва­ние при­зна­ков ор­га­низ­ма за­ви­сит от мо­ле­кул

б) белков

11. Мо­ле­ку­лы ДНК в от­ли­чие от мо­ле­кул белка об­ла­да­ют спо­соб­но­стью

а) об­ра­зо­вы­вать спи­раль

б) об­ра­зо­вы­вать тре­тич­ную струк­ту­ру

в) са­мо­удва­и­вать­ся

г) об­ра­зо­вы­вать чет­вер­тич­ную струк­ту­ру

12. Соб­ствен­ную ДНК имеет

а) ком­плекс Голь­д­жи

б) ли­зо­со­ма

в) эн­до­плаз­ма­ти­че­ская сеть

г) ми­то­хон­дрия

13. На­след­ствен­ная ин­фор­ма­ция о при­зна­ках ор­га­низ­ма со­сре­до­то­че­на в мо­ле­ку­лах

в) бел­ков

г) по­ли­са­ха­ри­дов

14. Мо­ле­ку­лы ДНК пред­став­ля­ют собой ма­те­ри­аль­ную ос­но­ву на­след­ствен­но­сти, так как в них за­ко­ди­ро­ва­на ин­фор­ма­ция о струк­ту­ре мо­ле­кул

а) по­ли­са­ха­ри­дов

б) бел­ков

в) ли­пи­дов

г) ами­но­кис­лот

15. По­ли­нук­лео­тид­ные нити в мо­ле­ку­ле ДНК удер­жи­ва­ют­ся рядом за счет свя­зей между

а) ком­пле­мен­тар­ны­ми азо­ти­сты­ми ос­но­ва­ни­я­ми

б) остат­ка­ми фос­фор­ной кис­ло­ты

в) ами­но­кис­ло­та­ми

г) уг­ле­во­да­ми

16. Из одной мо­ле­ку­лы нук­ле­и­но­вой кис­ло­ты в со­еди­не­нии с бел­ка­ми со­сто­ит

а) хло­ро­пласт

б) хро­мо­со­ма

г) ми­то­хон­дрия

17. Каж­дая ами­но­кис­ло­та в клет­ке ко­ди­ру­ет­ся

а) одним три­пле­том

б) не­сколь­ки­ми три­пле­та­ми

в) одним или не­сколь­ки­ми три­пле­та­ми

г) одним нук­лео­ти­дом

18. Бла­го­да­ря свой­ству мо­ле­ку­лы ДНК вос­про­из­во­дить себе по­доб­ных

а) фор­ми­ру­ет­ся при­спо­соб­лен­ность ор­га­низ­ма к среде оби­та­ния

б) у осо­бей вида воз­ни­ка­ют мо­ди­фи­ка­ции

в) по­яв­ля­ют­ся новые ком­би­на­ции генов

г) про­ис­хо­дит пе­ре­да­ча на­след­ствен­ной ин­фор­ма­ции от ма­те­рин­ской клет­ки к до­чер­ним

19. Опре­де­лен­ной по­сле­до­ва­тель­но­стью трех нук­лео­ти­дов за­шиф­ро­ва­на в клет­ке каж­дая мо­ле­ку­ла

а) ами­но­кис­ло­ты

б) глю­ко­зы

в) крах­ма­ла

г) гли­це­ри­на

20. Где в клет­ке со­дер­жат­ся мо­ле­ку­лы ДНК

а) В ядре, ми­то­хон­дри­ях и пла­сти­дах

б) В ри­бо­со­мах и ком­плек­се Голь­д­жи

в) В ци­то­плаз­ма­ти­че­ской мем­бра­не

г) В ли­зо­со­мах, ри­бо­со­мах, ва­ку­о­лях

21. В клет­ках рас­те­ний тРНК

а) хра­нит на­след­ствен­ную ин­фор­ма­цию

б) реп­ли­ци­ру­ет­ся на иРНК

в) обес­пе­чи­ва­ет ре­пли­ка­цию ДНК

г) пе­ре­но­сит ами­но­кис­ло­ты на ри­бо­со­мы

22. Молекула РНК содержит азотистые основания:

а) аденин, гуанин, урацил, цитозин

б) цитозин, гуанин, аденин, тимин

в) тимин, урацил, аденин, гуанин

г) аденин, урацил, тимин, цитозин.

23. Мономерами молекул нуклеиновых кислот являются:

а) нуклеозиды

б) нуклеотиды

в) полинуклеотиды

г) азотистые основания.

24. Состав мономеров молекул ДНК и РНК отличается друг от друга содержанием:

а) сахара

б) азотистых оснований

в) сахара и азотистых оснований

г) сахара, азотистых оснований и остатков фосфорных кислот.

25. Клетка содержит ДНК в:

б) ядре и цитоплазме

в) ядре, цитоплазме и митохондриях

г) ядре, митохондриях и хлоропластах.

По химическому строению РНК (рибонуклеиновая кислота) является нуклеиновой кислотой, во многом схожей с ДНК . Важными отличиями от ДНК является то, что РНК состоит из одной цепи, сама цепь более короткая, вместо тимина в РНК присутствует урацил, вместо дезоксирибозы - рибоза.

По строению РНК является биополимером, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания.

Обычными для РНК азотистыми основаниями являются аденин, гуанин, урацил и цитозин. Аденин и гуанин относятся к пуринам, а урацил и цитозин - к пиримидинам. Пуриновые основания состоят из двух колец, а пиримидиновые из одного. Кроме перечисленных азотистых оснований в РНК встречаются и другие (в основном различные модификации перечисленных), в том числе и характерный для ДНК тимин.

Рибоза - это пентоза (углевод, включающий пять атомов углерода). В отличие от дезоксирибозы имеет дополнительную гидроксильную группу, что делает РНК более активной в химических реакциях по сравнению с ДНК. Также как и во всех нуклеиновых кислотах пентоза в РНК имеет циклическую форму.

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь ковалентными связями между остатками фосфорной кислоты и рибозой. Один остаток фосфорной кислоты связан с пятым атомом углерода рибозы, а другой (от соседнего нуклеотида) связан с третьим атомом углерода рибозы. Азотистые основания связаны с первым атом углерода рибозы и располагаются перпендикулярно фосфатно-пентозному остову.

Ковалентно связанные нуклеотиды формируют первичную структуру молекулы РНК. Однако по своему вторичному и третичному строению РНК бывают весьма различными, что связано со множеством выполняемых ими функций и существованием различных типов РНК .

Вторичная структура РНК формируется за счет водородных связей возникающих между азотистыми основаниями. Однако, в отличие от ДНК, у РНК эти связи возникают не между разными (двумя) цепями полинуклеотида, а за счет различных способов складывания (петли, узлы и др.) одной цепи. Таким образом, вторичная структура молекул РНК бывает куда разнообразнее, чем у ДНК (где это почти всегда двойная спираль).

Строение многих молекул РНК также подразумевает третичную структуру, когда сворачиваются уже спаренные за счет водородных связей участки молекулы. Например, молекула транспортной РНК на уровне вторичной структуры сворачивается в форму, напоминающую клеверный лист. А на уровне третичной структуры сворачивается так, что становится похожа на букву Г.

Рибосомальная РНК образует комплексы с белками (рибонуклеопротеиды).

Мономеры РНК в составе нуклеотидов содержат пятиуглеродный сахар (пентоза), фосфорную кислоту (остаток фосфорной кислоты) и азотистое основание (см. Рис. 2).

Рис. 2. Строение нуклеотида РНК

Азотистые основания РНК - урацил, цитозин, аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой (см. Рис. 2).

РНК - одноцепочная молекула значительно меньших размеров, чем молекула ДНК.

Молекула РНК содержит от 75 до 10 000 нуклеотидов.

Рис. 3. РНК-содержащий вирус

Многие вирусы, например вирус гриппа, содержат в качестве единственной нуклеиновой кислоты молекулу РНК (см. Рис. 3). РНК-содержащих вирусов, болезнетворных для человека, больше, чем ДНК-содержащих. Они вызывают полиомиелит, гепатит А, острые простудные заболевания.

Арбовирусы - вирусы, которые переносятся членистоногими. Являются возбудителями клещевого и японского энцефалита, а также желтой лихорадки.

Реовирусы (см. Рис. 4), редкие возбудители респираторных и кишечных заболеваний человека, стали предметом особого научного интереса из-за того, что их генетический материал представлен в виде двухцепочной молекулы РНК.

Рис. 4. Строение реовируса

Также существуют ретровирусы, которые вызывают ряд онкологических заболеваний.

В зависимости от строения и выполняемой функции различают три основных типа РНК: рибосомную, транспортную и информационную (матричную).

1. Информационная РНК

Как показали исследования, информационная РНК составляет 3-5 % от общего содержания РНК в клетке. Это одноцепочная молекула, которая образовывается в процессе транскрипции на одной из цепей молекулы ДНК. Это связано с тем, что ДНК у ядерных организмов находятся в ядре, а синтез белка происходит на рибосомах в цитоплазме, поэтому возникла необходимость в «посреднике». Функцию «посредника» выполняет матричная РНК, она передает информацию о структуре белка из ядра клеток, где находится ДНК, к рибосомам, где эта информация реализуется (см. Рис. 5).

Рис. 5. Матричная РНК (мРНК)

В зависимости от объема копируемой информации, молекула матричной РНК может иметь различную длину.

Большинство матричных РНК существуют в клетке непродолжительное время. В бактериальных клетках существование таких РНК определяется минутами, а в клетках млекопитающих (в эритроцитах) синтез гемоглобина (белка) продолжается после утраты эритроцитами ядра в течение нескольких дней.

2. Рибосомная РНК

Рибосомные РНК (см. Рис. 6) составляют 80 % от всех рибосом, присутствующих в клетке. Эти РНК синтезируются в ядрышке, а в клетке они находятся в цитоплазме, где вместе с белками образуют рибосомы. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь «код», заключенный в матричную РНК, транслируется в аминокислотную последовательность молекулы белка.

Рис. 6. Рибосомная РНК (рРНК)

3. Транспортная РНК

Транспортные РНК (см. Рис. 7) образуются в ядре на ДНК, а затем переходят в цитоплазму.

Рис. 7. Транспортная РНК (тРНК)

На долю таких РНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. Они имеют самые короткие молекулы из 80-100 нуклеотидов.

Транспортные РНК присоединяют к себе аминокислоту и транспортируют ее к месту синтеза белка, к рибосомам.

Все известные транспортные РНК за счет комплементарного взаимодействия между азотистыми основаниями образовывают вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера (см. Рис. 8). В молекуле тРНК есть два активных участка - триплет антикодон на одном конце и акцепторный участок, присоединяющий аминокислоту, на другом.

Рис. 8. Строение тРНК («клеверный лист»)

Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов, которая носит название триплет .

Рис. 9. Таблица генетического кода

Кодирующие аминокислоты триплеты - кодоны ДНК (см. Рис. 9) - передаются в виде информации триплетов (кодонов) мРНК. У верхушки клеверного листа тРНК располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону мРНК (см. Рис. 10). Этот триплет различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносятся данной тРНК. Он получил название антикодон .

Рис. 10. тРНК

Акцепторный конец является «посадочной площадкой» для определенной аминокислоты.

Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.

Концепция РНК мира заключается в том, что когда-то очень давно молекула РНК могла выполнять функцию как молекулы ДНК, так и белков.

В живых организмах практически все процессы происходят благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетки на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Следовательно, образуется замкнутый круг, из-за которого в рамках теории возникновения жизни спонтанное возникновение такой сложной системы маловероятно.

В начале 1980-х годов в лаборатории ученых Чека и Олтмена (обладатели нобелевской премии по химии) в США была открыта каталитическая способность РНК. РНК-катализаторы были названы рибозимами (см. Рис. 11).

Рис. 11. Структура рибозимомолекулы РНК, выполняющей функцию катализа

Оказалось, что активный центр рибосом тоже содержит большое количество рибосомных РНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться. То есть РНК могли существовать полностью автономно, катализируя метаболические реакции, например синтеза новых рибонуклеатидов, и самовоспроизводясь, сохраняя из поколения в поколение каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определенных белков, являющихся более эффективными катализаторами, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. Также возникли специализированные хранилища генетической информации - молекула ДНК, а РНК стала посредником между ДНК и белками.

Список литературы

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.

1. Orgchem.ru ().
2. Appteka.ru ().
3. Youtube.com ().

Домашнее задание

1. Вопросы 4, 5 в конце параграфа 12 (стр. 52) - Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс ()
2. Где в клетке находятся нуклеиновые кислоты?

Функции РНК различаются в зависимости от вида рибонуклеиновый кислоты.

1) Информационная РНК (и-РНК).

2) Рибосомная РНК (р-РНК).

3) Транспортная РНК (т-РНК).

4) Минорные (малые) РНК. Это молекулы РНК, чаще всего с небольшой молекулярной массой, располагающиеся в различных участках клетки (мембране, цитоплазме, органеллах, ядре и т.д.). Их роль до конца не изучена. Доказано, что они могут помогать созреванию рибосомной РНК, участвуют в переносе белков через мембрану клетки, способствуют редупликации молекул ДНК и т.д.

5) Рибозимы. Недавно выявленный вид РНК, принимающие активное участие в ферментативных процессах клетки в качестве фермента (катализатора).

6) Вирусные РНК. Любой вирус может содержать только один вид нуклеиновой кислоты: либо ДНК либо РНК. Соответственно, вирусы, имеющие в своём составе молекулу РНК, получили название РНК-содержащие. При попадании в клетку вируса данного типа может происходить процесс обратной транскрипции (образование новых ДНК на базе РНК), и уже вновь образовавшаяся ДНК вируса встраивается в геном клетки и обеспечивает существование, а также размножение возбудителя. Вторым вариантом сценария является образование комплиментарной РНК на матрице поступившей вирусной РНК. В этом случае, образование новых вирусных белков, жизнедеятельность и размножение вируса происходит без участия дезоксирибонуклеиновой кислоты только на основании генетической информации, записанной на вирусной-РНК. Рибонуклеиновые кислоты. РНК, строение, структуры, виды, роль. Генетический код. Механизмы передачи генетической информации. Репликация. Транскрипция

Рибосомная РНК.

На долю рРНК приходится 90% всей РНК клетки, она характеризуется метаболической стабильностью. У прокариот различают три различных типа рРНК с коэффициентами седиментации 23S,16S и 5S; у эукариот четыре типа:-28S, 18S,5S и 5,8S.

РНК этого типа локализованы в рибосомах и участвуют в специфическом взаимодействии с рибосомными белками.

Рибосомные РНК имеют форму вторичной структуры в виде которых двуспиральных участков, соединенных изогнутой одиночной цепью. Белки рибосомы связаны преимущественно с однотяжевыми участками молекулы.

Для рРНК характерно наличие модифицированных оснований, однако в значительно меньшем количестве, чем в тРНК. В рРНК присутствуют главным образом метилизированные нуклеотиды, причем метильные группы присоединены либо к основанию, либо к 2 / - OH- группе рибозы.

Транспортная РНК.

Молекулы тРНК представляют собой единую цепь, состоящую из 70-90 нуклеотидов, с молекулярной массой 23000-28000 и константой седиментации 4S. В клеточной РНК транспортная РНК составляет 10-20%. Молекулы тРНК обладают способностью ковалентно связываться с определенной аминокислотой и соединяться через систему водородных связей с одним из нуклеотидных триплетов молекулы мРНК. Таким образом, тРНК реализуют кодовое соответствие между аминокислотой и отвечающим ей кодоном мРНК. Для выполнения адапторной функции тРНК должны иметь вполне определенную вторичную и третичную структуру.

Каждая молекула тРНК обладает постоянной вторичной структурой, имеет форму двумерного клеверного листа и состоит из спиральных участков, образованных нуклеотидами одной и той же цепи, и расположенных между ними одноцепочечных петель. Количество спиральных областей достигает половины молекулы.Неспаренные последовательности образуют характерные структурные элементы (ветви),имеющие типичные ветви:

А) акцепторный стебель, на 3 / -OH конце которого в большинстве случаев расположен триплет ЦЦА. К карбоксильной группе концевого аденозина с помощью специфического фермента присоединяется соответствующая аминокислота;

Б) псевдоуридиновая или Т Ц-петля, состоит из семи нуклеотидов с обязательной последовательностью 5 / -Т ЦГ-3 / , в которой содержится псевдоуридин; предполагается что Т Ц-петля используется для связывания тРНК с рибосомой;

В) дополнительная петля-различная по размеру и составу в разных тРНК;

Г) антикодоновая петля состоит из семи нуклеотидов и содержит группу из трех оснований (антикодон), которая комплементарна триплету (кодону) в молекуле иРНК;

Д) дигидроуридиловая петля (D-петля), состоящая из 8-12 нуклеотидов и содержащая от одного до четырех дигидроуридиловых остатков;считается, что D-петля используется для связывания тРНК со специфическим ферментом (аминоацил-тРНК-синтетаза).

Третичная укладка молекул тРНК является весьма компактной и имеет Г-образную форму. Угол подобной структуры образован дигидроуридиновым остатком и Т Ц-петлей, длинное колено образует акцепторный стебель и Т Ц-петля, а короткое-D-петля и антикодоновая петля.

В стабилизации третичной структуры тРНК участвуют поливалентные катионы (Mg 2+ , полиамины), а также водородные связи между основаниями и фосфодиэфирным остовом.

Сложная постранственная укладка молекулы тРНК обусловлена множественными высокоспецифичными взаимодействиями как с белками, так и с другими нуклеиновыми кислотами (рРНК).

Транспортная РНК отличается от других типов РНК высоким содержанием минорных оснований-в среднем 10-12 оснований на молекулу, однако общее число их а тРНК растет по мере продважения организмов по эволюционной лестнице. В тРНК выявлены различные метилированные пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (5-метилцитозин и рибозилтимин) основания, серосодержащие основания (6-тиоурацил), но наиболее распростран(6-тиоурацил), но наиболее распространенным минорным компонентом является псевдоуридин. Роль необычных нуклеотидов в молекулах тРНК пока не ясна, однако пологают, что чем ниже уровень митилирования тРНК, тем она менее активна и специфична.

Локализация модифицированных нуклеотидов строго фиксирована. Наличие минорных оснований в составе тРНК обуславливает устойчивасть молекул к действию нуклеаз и, кроме того, они участвуют в поддержании определенной структуры, так как подобные основания не способны к нормальному спариванию и препятствуют образованию двойной спирали. Таким образом, наличие модифицированных оснований в составе тРНК обуславливает не только её структуру, но также и многие специальные функции молекулы тРНК.

В большинстве клеток эукариот содержится набор различных тРНК. Для каждой аминокислоты имеется не менее чем по одной специфической тРНК. тРНК связывающие одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными. Каждый тип клеток в организме отличется своим соотношением изоакцепторных тРНК.

Матричная (информационная)

Матричная РНК содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот для основных ферментов и других белков, т.е. служит матицей для биосинтеза полипептидных цепей. На долю мРНК в клетке приходится 5% от общего количества РНК. В отличий от рРНК и тРНК,мРНК гетерогенна по размерам,её молекулярная масса находится в пределах от 25 10 3 до 1 10 6 ; мРНК характеризуется широким диапазоном констант седиментации (6-25S). Наличие в клетке цепи мРНК переменной длинны отражает разнообразие молекулярных масс белков, синтез которых они обеспечивают.

По своему нуклеотидному составу мРНК соответствует ДНК из той же клетки,т.е. является комплементарной к одной из цепи ДНК. В последовательности нуклеотидов (первичная структура) мРНК заложена информация не только о структуре белка, но и о вторичной структуре самих молекул мРНК. Вторичная структура мРНК формируется за счет взаимокомплементарных последовательностей, содержание которых у РНК различного происхождения сходно и состовляет от 40 до 50%. Значительное количество спаренных участков может образовываться в 3 / и 5 / -зонах мРНК.

Анализ 5 / -концов областей 18s рРНК показал,что в них имеются взаимокомплементарные последовательности.

Третичная структура мРНК формируется главным образом за счет водородных связей, гидрофобного взаимодействия, геометрического и стерического ограничения, электрических сил.

Матричная РНК представляет собой метаболически активную и относительно не стабильную, короткоживущую форму. Так, мРНК микроорганизмов характеризуется бысрым обновлением, ивремя жизни её состовляет несколько минут. Вместе с тем для организмов, клетки которых содержат истинные ограниченые мембраной ядра, продолжительность жизни мРНК может достигать многих часов и даже несколько дней.

Стабильность мРНК может определяться различного рода модификациями её молекулы. Так, обнаружено, что 5 / -концевая последовательность мРНК вирусов и эукариот метилирована,или «заблокирована». Первым нуклеотидом в 5 / -терминальной структуре кэпа является 7-метилгуанин, который связан со следующим нуклеотидом 5 / -5 / -пирофосфатной связью. Второй нуклеотид метилирован по C-2 / -рибозного остатка, а в третьем нуклеотиде метильной группы может и не быть.

Ещё одной способностью мРНК является то, что на 3 / -концах многих молекул мРНК эукариотических клеток имеются относительно длинные последовательности адениловых нуклеотидов, которые присоединяются к молекулам мРНК с помощью специальных ферентов уже после завершения синтеза. Реакция протекает в клеточном ядре и цитоплазме.

На 3 / - и 5 / - концах мРНК модифицируемые последовательности составляют около 25% от общей длины молекулы. Считают, что 5 / – кэпы и 3 / -поли-А – последовательности необходимы либо для стабилизации мРНК, предохраняющей её от действия нуклеаз, либо для регулирования процесса трансляции.

РНК-интерференция

В живых клетках обнаружено несколько типов РНК, которые могут уменьшать степень выражения гена при комплементарности мРНК или самому гену. Микро-РНК (21-22 нуклеотида в длину) найдены у эукариот и оказывают воздействие через механизм РНК-интерференции. При этом комплекс микро-РНК и ферментов может приводить к метилированию нуклеотидов в ДНК промотора гена, что служит сигналом для уменьшения активности гена. При использовании другого типа регуляции мРНК, комплементарная микро-РНК, деградируется. Однако есть и миРНК, которые увеличивают, а не уменьшают экспрессию генов. Малые интерферирующие РНК (миРНК, 20-25 нуклеотидов) часто образуются в результате расщепления вирусных РНК, но существуют и эндогенные клеточные миРНК. Малые интерферирующие РНК также действуют через РНК-интерференцию по сходным с микро-РНК механизмам. У животных найдены так называемыме РНК, взаимодействующие с Piwi (piRNA, 29-30 нуклеотидов), действующие в половых клетках против транспозиции и играющие роль в образовании гамет. Кроме того, piRNA могут эпигенетически наследоваться по материнской линии, передавая потомству своё свойство ингибировать экспрессию транспозонов.

Антисмысловые РНК широко распространены у бактерий, многие из них подавляют выражение генов, но некоторые активируют экспрессию. Действуют антисмысловые РНК, присоединяясь к мРНК, что приводит к образованию двуцепочечных молекул РНК, которые деградируются ферментами.У эукариот обнаружены высокомолекулярные, мРНК-подобные молекулы РНК. Эти молекулы также регулируют выражение генов.

Кроме роли отдельных молекул в регуляции генов, регуляторные элементы могут формироваться в 5" и 3" нетранслируемых участках мРНК. Эти элементы могут действовать самостоятельно, предотвращая инициацию трансляции, либо присоединять белки, например, ферритин или малые молекулы, например, биотин.

Многие РНК принимают участие в модификации других РНК. Интроны вырезаются из пре-мРНК сплайсосомами, которые, кроме белков, содержат несколько малых ядерных РНК (мяРНК). Кроме того, интроны могут катализировать собственное вырезание. Синтезированая в результате транскрипции РНК также может быть химически модифицирована. У эукариот химические модификации нуклеотидов РНК, например, их метилирование, выполняется малыми ядерными РНК (мяРНК, 60-300 нуклеотидов). Этот тип РНК локализуется в ядрышко и тельцах Кахаля. После ассоциации мяРНК с ферментами, мяРНК связываются с РНК-мишенью путём образования пар между основаниями двух молекул, а ферменты модифицируют нуклеотиды РНК-мишени. Рибосомальные и транспортные РНК содержат много подобных модификаций, конкретное положение которых часто сохраняется в процессе эволюции. Также могут быть модифицированы мяРНК и сами мяРНК. Гидовые РНК осуществляют процесс редактирования РНК в кинетопласте - особом участке митохондрии протистов-кинетопластид (например, трипаносом).

Геномы, состоящие из РНК

Как и ДНК, РНК может хранить информацию о биологических процессах. РНК может использоваться в качестве генома вирусов и вирусоподобных частиц. РНК-геномы можно разделить на те, которые не имеют промежуточной стадии ДНК и те, которые для размножения копируются в ДНК-копию и обратно в РНК (ретровирусы).

Многие вирусы, например, вирус гриппа, на всех стадиях содержат геном, состоящий исключительно из РНК. РНК содержится внутри обычно белковой оболочки и реплицируется с помощью закодированных в ней РНК-зависимых РНК-полимераз. Вирусные геномы, состоящие из РНК разделяются на:

«минус-цепь РНК», которая служит только геномом, а в качестве мРНК используется комплементарная ей молекула;

двухцепоченые вирусы.

Вироиды - другая группа патогенов, содержащих РНК-геном и не содержащих белок. Они реплицируются РНК-полимеразами организма хозяина.

Ретровирусы и ретротранспозоны

У других вирусов РНК-геном есть в течение только одной из фаз жизненного цикла. Вирионы так называемых ретровирусов содержат молекулы РНК, которые при попадании в клетки хозяина служат матрицей для синтеза ДНК-копии. В свою очередь, с матрицы ДНК считывается РНК-геном. Кроме вирусов обратную транскрипции применяют и класс мобильных элементов генома - ретротранспозоны.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Идея того, что жизнь могла возникнуть на основе самореплицирующихся молекул РНК, уже не нова. В самом деле, РНК совмещает в себе как функцию хранения наследственной информации, так и способность к биохимическому катализу. Сейчас гипотеза РНК-мира из чисто умозрительной теории превратилась в теоретическую модель, имеющую хорошую доказательную и экспериментальную базу. Безусловно, эта теория вызывает много вопросов, но, тем не менее, она по полному праву может быть названа одной из наиболее обоснованных гипотез возникновения жизни на Земле.

Противоречия гипотезы мира РНК

Идея мира РНК была высказана в 1968 году Карлом Вёзе , а окончательно сформулирована в 1986 году нобелевским лауреатом Уолтером Гильбертом . То, что РНК способна как хранить наследственную информацию, так и выполнять работу (например, при биосинтезе белка), было известно и ранее. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena , которая способна к автосплайсингу . Осуществляется это следующим образом: к интронной последовательности РНК прикрепляется нуклеотид G, далее цепь разрезается в месте присоединения нуклеотида. После этого происходит окончательное вырезание интрона и сшивание экзонов. Более того, эта интронная последовательность обладает рибонуклеазной активностью, т.е. она способна связываться с субстратной РНК и специфично разрезать её. Такие свойства рибонуклеиновому интрону придаёт его способность к образованию сложных трёхмерных структур.

Однако платой за высокую лабильность РНК служит её склонность к быстрой деградации. Здесь мы и сталкиваемся с первой трудностью концепции РНК-мира. Как молекула может служить надёжным хранилищем генетической информации, если время её жизни мало?

У млекопитающих время жизни мРНК в клетках составляет от нескольких минут до нескольких часов, максимум дней. У бактерий и вовсе, мРНК «живёт» от нескольких секунд до часа с небольшим. Согласитесь, недолго для надёжного хранилища информации! Тем более, в пребиотических условиях, агрессивная среда которых мало способствовала стабильности молекул.

Это противоречие способны разрешить некоторые предположения. Считается, что первые РНК могли размножаться в микрополостях во льду. В подтверждение этому, по данным ряда экспериментов, максимальная рибозимная активность РНК наблюдается при температуре около −8 °С. Возможно, это связано с тем, что при подобных температурах увеличивается концентрация РНК и понижается активность воды. Однако вероятная сложность здесь заключается в том, что РНК при низких температурах обретают повышенную склонность к образованию водородных связей между комплементарным нуклеотидами, что ведёт к образованию межмолекулярных комплексов и снижению каталитической активности .

Следующей большой трудностью является склонность РНК к гидролизу при pH>6. Фосфодиэфирные связи между нуклеотидами наиболее стабильны при рН, лежащих в пределах 4–5.

Также двоякую роль играют и ионы Mg 2+ : с одной стороны, они стабилизируют вторичную и третичную структуры РНК (что критично для способности к катализу), с другой же, их высокая концентрация способствует деградации молекул. Выше упоминалось, что молекулы РНК наиболее стабильны в кислой среде. В этих условиях цитозин и аденозин протонируются, тем самым обретая дополнительный положительный заряд, что снижает потребность в катионах. К примеру, при рН=4 некоторые рибозимы сохраняют свою активность даже в отсутствие ионов .

РНК является весьма сложной молекулой, и вероятность её внезапного возникновения из отдельных атомов или фрагментов крайне низка. Действительно, сложно себе представить, как могли соединиться вместе азотистое основание, рибоза и фосфат, образовав нуклеотид. Однако Санчез, Оргел, Паунер и Сазердэнд показали возможность синтеза пиримидинов из молекул, вероятно, имевшихся в пребиотических условиях Земли .

Также важно понять, каким образом осуществлялась полимеризация первых нуклеотидов в полимерные цепочки. Относительна недавно была обнаружена важная роль различных минералов и ионов металлов в катализе при образовании биополимеров . К примеру, монтмориллонит катализирует полимеризацию нуклеотидов, 5′-фосфат которых ранее был активирован имидазолом. Более того, монтмориллонит способен образовывать везикулы из простых жирных кислот . Таким образом, этот минерал, с одной стороны, способствует полимеризации нуклеотидов, а с другой - образованию мембранных структур.

Гипотетически, существует множество вариантов соединения рибонуклеотидов друг с другом через различные атомы рибозы. Однако в живых организмах нуклеотиды соединены друг с другом через 3′,5′-фосфодиэфирную связь (за некоторыми исключения: например, кэп в мРНК эукариот присоединяется через 5′,5′-связь). Недавние исследования Шостака показали, что рибозимы, имеющие в своём составе нуклеотиды, соединённые как через 3′,5′-связь, так и через 2’,5′-связь, частично сохраняли каталитические свойства . Вероятно, в первых рибонуклеиновых полимерах могли реализовываться различные варианты фосфодиэфирной связи, однако эволюцией была отобрана именно 3′,5′-связь.

Зачастую каталитической активностью обладают лишь длинные цепочки РНК. Это один из основных объектов критики теории РНК-мира, ибо случайное возникновение длинных последовательностей, способных выполнять биохимическую работу, весьма маловероятно. Одна из лучших рибозимных репликаз, созданных на сегодня, способна реплицировать до 95 нуклеотидов , однако сама она при этом имеет длину в 190 нуклеотидов (см. врезку). Длина этой последовательности слишком велика для спонтанного возникновения в пребиотических условиях. Исследования in vitro показывают, что для выделения молекул, способных к катализу, требуется около 10 13 -10 14 молекул РНК - довольно много для того, чтобы столь длинный рибозим мог появиться в готовом виде. Однако открытие коротких рибозимов ставит под сомнение идею того, что для появления РНК-катлизаторов требуются астрономические количества молекул. В самом деле, получены полирибонуклеотиды c активными дуплексами, способными к самовырезанию, имеющие длину лишь 7 остатков . Более того, были получены данные, что даже рибозим, урезанный всего лишь до пяти нуклеотидов, сохранял свои ферментативные способности . Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных. Со временем они приобрели бóльшую длину, которая способствовала обретению более правильной структуры и, как следствие, улучшению каталитических свойств.

Рибозимные репликазы

Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью . Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами . Дело в том, что исходный рибозим R18 (обозначен на картинке буквой А) был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц . Учёные пошли двумя путями:

В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z. Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности .

Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana . Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов.

РНК-переключатели

Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК. Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами. Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам. Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды - кофакторы , - без которых ферментативная активность попросту исчезает.

И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях (англ. riboswitches ). Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК . Матричная РНК транскрибируется с ДНК посредством фермента ДНК-полимераза II . В данном случае, помимо самого гена, транскрибируется участок впереди него, на котором и расположен рибоперключатель . РНК-переключатель представляет собой участок мРНК, способный связывать молекулу строго определённого вещества. После связывания переключатель меняет свою пространственную конфигурацию, что делает невозможной дальнейшую транскрипцию .

Важно понимать принцип работы РНК-переключателей, поэтому скажем пару слов об их устройстве. Состоит он из двух частей: из аптамера и «экспрессионной платформы». Аптамер, по сути, является рецептором, который с очень высокой селективностью связывается с определённой молекулой. Эффекторной молекулой для аптамера является молекула, производимая белком, ген которого и регулируется переключателем. «Экспрессионная платформа» и есть сам РНК-переключатель, который после связывания рецептора с лигандом меняют конфигурацию и препятствует дальнейшей транскрипции.

Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii , является двойным, т.е. имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы . Разберём данный механизм подробнее.

Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется (уже другим ферментом) для синтеза S-аденозилметионина (или проще - SAM). Помимо гена metE , существует и другой ген - metН . Белок гена metН катализирует ту же реакцию, но с большей эффективностью, чем metE . Однако metН для своей работы требует кофермент - метилкобаламин (или MeCbl), синтезируемый из аденозилкобаламина (или AdoCbl). Так вот, транскрипт metE имеет РНК-переключатель, который содержит два связывающих участка: один для SAM, другой - для AdoCbl. Данный переключатель способен действовать как логический элемент NOR (и/или) . То есть, для выключения metE достаточно связывания с рецепторами рибопереключателя либо одной из эффекторных молекул, либо сразу обеих. Сам механизм прерывания трансляции основан на образовании шпильки путём удаления шести нуклеотидов из рибопереключателя (рис. 1А). Логику действий такого элемента NOR можно описать так: «Я подавляю транскрипцию, если в среде присутствует либо вещество А, либо вещество В, либо оба вещества сразу» . Остаётся только удивляться, сколь красивы и элегантны решения Природы!

Рисунок 1. Работа рибопереключателей. А - Рибопереключатели на транскриптах генов metE, metH и metK. Голубым обозначены шпилечные структуры, образуемые в результате вырезания шести или более уридиновых нуклеотидов. Видно, что у metE имеется два акцепторных и два шпилечных участка. В - Путь биосинтеза S-аденозилметионина. На первом этапе гомоцистеин преобразуется в амикислоту метионин. Это превращение может быть катализировано одним из двух ферментов: metE или metH. metH проводит эту реакцию с большей эффективностью, однако требует для своей работы дополнительного вещества (кофактора). На втором этапе фермент metK превращает метионин в S-аденозилметионин.

Между тем, РНК-переключатели способны связывать значительное число белковых кофакторов, таких как флавинмононуклеотид, тиаминпирофосфат, тетрагидрофолат, S-аденозилметионин, аденозилкобаламин . Изначально считалось, что РНК-переключатели способны лишь подавлять экспрессию генов , но позже были получены данные, свидетельствующие о том, что некоторые переключатели, напротив, ее усиливают. Сами по себе РНК-переключатели представляют весьма интересное явление, так как они демонстрируют возможность регуляции работы генов без прямого участия белков - иными словами, демонстрирует самодостаточность и универсальность РНК. Судя по всему, РНК-переключатели являются очень древним механизмом: так, они обнаружены во всех доменах живой природы: у бактерий, архей и эукариот . Похоже, что, по меньшей мере, некоторые из современных кофакторов белков были прямиком заимствованы из мира РНК. Можно нарисовать примерно такую картину: рибозимы изначально использовали многие из современных кофаторов для своих целей, однако с появлением более эффективных белковых ферментов эти кофакторы были заимствованы последними.

Рисунок 2. Вторичная структура РНК-переключателя гена metE . Выделены акцепторы - сайты связывания с молекулами SAM и AdoCbl, а также шпилечные терминирующие структуры.

Геномные тэги и тРНК

Рисунок 3. Вторичная структура тРНК. На рисунке отчётливо видна характерная для тРНК вторичная структура в виде «клеверного листа». В верхней половине молекулы на 3′-конце расположена CCA-область и акцепторная петля, связывающая аминокислоту. В нижней части молекулы находится антикодоновая петля, ответственная за комплементарное связывание с кодоном мРНК. Согласно гипотезе геномного тэга, верхняя и нижняя половины тРНК эволюционировали по отдельности, причём верхняя половина древнее нижней.

Всем хорошо известна важная роль тРНК в биосинтезе белка. Однако у тРНК и подобных ей молекул есть другая, менее известная, но не менее важная функция: в различных репликативных процессах они исполняют роль праймеров и шаблонов. Это могут быть процессы репликации одноцепочечной вирусной РНК, репликация митохондриальной ДНК у грибов, репликации теломер .

Обратимся к вирусной РНК. 3′-конец многих бактериальных вирусов и вирусов растений структурно очень похож на «верхнюю половину» современной тРНК (та часть молекулы, которая связывается с аминокислотой; рис. 3). Подобные участки, расположенные на 3′-концах, названы «геномными тэгами» . Тэг играет роль шаблона при инициации репликации вирусной РНК. Более того, эти участки бывают настолько похожи на «настоящие» тРНК , что могут быть аминоацилированы (т.е. к ним может быть присоединена аминокислота) при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтетазы .

Также репликация многих РНК у ретровирусов начинается с того, что к сайту связывания праймера на вирусной РНК присоединяется тРНК хозяйского организма . Тем самым видно, что тРНК современных организмов способны также служить и праймерами. Затем, используя тРНК как праймер, обратная транскриптаза копирует вирусный РНК-геном в ДНК.

Возможно ли, что тРНК сегодняшних организмов произошли от древних геномных тэгов? Алан Вейнер и Нэнси Мэйцелс отвечают на этот вопрос утвердительно. Согласно их теории, верхняя и нижняя половинки тРНК эволюционировали по-отдельности, причём верхняя часть тРНК появилась раньше нижней и является потомком геномных тэгов .

Происхождение рибосом

При построении гипотезы мира РНК много внимания уделяется и происхождению рибосом, потому что их образование фактически можно приравнять к переходу от РНК-катализа к белковому процессу. Как известно, рибосома состоит из двух субъединиц: малой и большой. Ключевую роль в синтезе белковой цепи играет большая субъединица рибосомы, в то время как маленькая считывает мРНК. Модель происхождения одной из молекул большой субъединицы была предложена канадскими биохимиками Константином Боковым и Сергеем Штейнбергом .

Они сосредоточили внимание на 23s-рРНК (состоящей из шести доменов, I–VI), так как именно в этой молекуле находится функциональный центр, ответственный за реакцию транспептидации (присоединение новой аминокислоты к растущей полипептидной цепи). Данная молекула содержит около трёх тысяч нуклеотидов и способна образовывать сложные трёхмерные структуры. Важную роль в поддержании трёхмерной структуры молекулы играют так называемые А-минорные связи . Они представляют собой связи между «стопками» нуклеотидов (как правило, аденозинов ) с участками, образующими двойные спирали. Связи формируются между спиралями и стопками, расположенными в разных областях молекулы.

23s-рРНК слишком сложна, чтобы она могла появиться сразу в готовом виде . Соответственно, в молекуле должна присутствовать некая более простая структура, с которой и началась её эволюция. Особое внимание исследователей привлёк домен V . Интересным в нём было то, что он содержит большое количество двойных спиралей при фактически полном отсутствии аденозиновых стопок. Вот что пишут по этому поводу авторы исследования: «Чтобы объяснить аномалию, имеющую место в домене V, мы предположили, что это отражает порядок, в котором различные части присоединялись к 23s-рРНК по мере её эволюции. В А-минорных мотивах конформационная стабильность аденозиновых стопок зависит от присутствия двойных спиралей, в то время как двойные спирали способны сохранять стабильную структуру сами по себе» . Из этого следует, что домен V является наиболее древней частью молекулы: его спиральные участки, что придают стабильность всей молекуле, должны были появиться раньше других частей, содержащих аденозиновые стопки. Более того, именно в пятом домене находится функциональный центр, ответственный за формирование пептидной связи в процессе биосинтеза белка.

Выходит, что пятый домен является и функциональным центром молекулы, и её структурным остовом. Это говорит о том, что эволюция 23s-рРНК началась именно с него. Далее авторы попытались реконструировать эволюцию 23s-рРНК. Для этого они разбили молекулу на 60 относительно небольших участков и попытались «разобрать» её так, чтобы, убирая части поэтапно, не повредить структуру оставшейся молекулы. Опустив детали, укажем, что вывод был именно такой: эволюция этой молекулы началась именно с пептидил-трансферазного центра пятого домена, так как при разборке он оставался последним неповреждённым участком (см. рис. 4). Исследователи считают, что именно эта структура и является древней «проторибосомой». Способна ли эта маленькая часть огромной молекулы выполнять свою работу самостоятельно? Исследования дают положительный ответ. В ходе экспериментов были получены искусственно выведенные рибозимы, способные осуществлять реакцию транспептидации .

Рисунок 4. Эволюция «проторибосомы». Слева - Вторичная структура 23s-рРНК. Красные кружочки изображают спиральные участки, жёлтые - аденозиновые «стопки». Голубые линии показывают А-минорные связи. Римские цифры обозначают домены молекулы. Отчётливо видно, что наибольшее количество спиральных участков находится в домене V. Справа - Для того чтобы выяснить процесс эволюции 23s-рРНК, авторы разбили молекулу на 60 структурных блоков. Далее они попытались «разобрать» молекулу так, чтобы при последовательном удалении этих блоков молекула продолжала работать . Сначала они отделили 19 блоков, не повредив при этом оставшиеся. После удалось отделить ещё 11 блоков, а затем ещё последовательно 9, 5, 3, 3, 2, 2, 2. Затем ещё три блока оказалось возможным отделить по одному .

По всей видимости, именно пятый домен послужил «стартовой точкой» в эволюции 23s-рРНК. Позже к нему начали добавляться различные блоки, улучшающие работы молекулы. Изначально к проторибосоме присоединилось восемь блоков, образовавших «основание», что повлекло за собой увеличение стабильности всей молекулы. Затем добавились следующие 12 блоков, которые образовали структуры, позволяющие соединяться большой и малой субъединицам друг с другом. Последними добавились блоки, образующие т.н. «протуберанцы» - выросты на поверхности большой субъединицы . Функция этих выростов в том, чтобы помочь рибосоме выбрать нужную аминоацил-тРНК, а также «выпустить на волю» ту тРНК, которая уже отдала свою аминокислоту растущей белковой молекуле.

Следы мира РНК

Наследие мира РНК можно обнаружить в любом живом организме. Вспомним рибосомы, которые, по всей видимости, являются реликтами очень давней эпохи, ведь структурно и функционально рибосомы крайне схожи и у человека, и у дождевого червя, и у кишечной палочки. Главный переносчик энергии в клетке - молекула аденозинтрифосфата - представляет собой не что иное, как аденозин с двумя дополнительными фосфатами. Такие важнейшие молекулы, как переносчики электронов ФАД и НАД также являются модифицированными нуклеотидами. Конечно, гипотеза мира РНК ещё не доказана, да и нет гарантий, что когда-нибудь это случится. Но факт того, что важнейшие процессы в клетке протекают при активном участии РНК и рибонуклеотидов, может служить веским доводом в пользу истинности этой теории.

Литература

1. Карл Вёзе (1928–2012) ;
2. Harold S Bernhardt. (2012). The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others)a . Biology Direct . 7 , 23;
3. C. Briones, M. Stich, S. C. Manrubia. (2009). The dawn of the RNA World: Toward functional complexity through ligation of random RNA oligomers . RNA . 15 , 743-749;
4. Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland. (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions . . Biol. Bull. 196 , 327–328;
5. Konstantin Bokov, Sergey V. Steinberg. (2009). A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA . Nature . 457 , 977-980;
6. Элементы: «