Структура и функции рибонуклеиновых кислот

Содержащиеся в клетке РНК различаются составом, размером, функциями и локализацией.

В цитоплазме клеток содержатся три основных функциональных вида РНК. Это матричные РНК (мРНК), выполняющие функции матриц белкового синтеза, рибосомные РНК (рРНК), выполняющие роль структурных компонентов рибосом, и транспортные РНК (тРНК), участвующие в трансляции (переводе) информации мРНК в последовательность аминокислот в белке.

В ядре клеток обнаруживают ядерную РНК, составляющую от 4 до 10% ог суммарной клеточной РНК. Основная масса ядерной РНК представлена высокомолекулярными предшественниками рибосомных и транспортных РНК. Предшественники высокомолекулярных рРНК (28 S, 18 S и 5 S РНК) в основном локализуются в ядрышке. От 2 до 10% от суммарной ядерной РНК приходится на особую фракцию гетерогенной ядерной РНК (г-яРНК), молекулы которой являются предшественниками мРНК.

Важным функциональным типом ядерной РНК являются малые ядерные РНК (м-яРНК), содержащие от 90 до 300 нуклеотидов с уникальной нуклеотидной последовательностью, комплементарной последовательностью сайтов сплайсинга. Благодаря этому м-яРНК регулирует созревание (процессинг) r-яРНК в зрелые мРНК.

РНК является основным генетическим материалом у некоторых вирусов животных и растений (геномные РНК). Для большинства РНК вирусов характерна обратная транскрипция их РНК генома, направляемая обратной транскриптазой.

Все рибонуклеиновые кислоты представляют собой полимеры рибонуклс- отидов, соединенных, как в молекуле ДНК. 35'-фосфорнодиэфирными связями. В отличие от ДНК, имеющей двухцепочечную структуру, РНК представляет собой одноцепочечные линейные полимерные молекулы.

К настоящему времени удалось определить первичную структуру большинства тРНК, рРНК, мРНК и м-яРНК из разных видов живых организмов и выявить основные закономерности их структурной организации.

Структурная организация мРНК. мРНК — наиболее гетерогенный в отношении размеров и стабильности класс РНК. Содержание мРНК в клетках составляет 2—6% от тотального количества РНК. мРНК, особенно эукариотические, обладают некоторыми специфическими структурными особенностями. мРНК состоят из участков — циетронов, определяющих последовательность аминокислот в кодируемых ими белках, и нетранслируемых областей на концах молекулы. Для цистронных областей характерна уникальная последова тельность нуклеотидов, определяемая нуклеотидной последовательностью гена, нетранслируемые области имеют некоторые общие закономерности нуклеотидного состава строения. Так, на 5'-конце всех эукариотических мРНК имеется особая структура, называемая кэпом (от англ, cap— колпачок). Кэп представляет собой 7-метилгуанозинтрифосфат, присоединенный к 5'-гидро- ксилу концевого, как правило, 2-о-мстилрибонуклсозида через остаток три- фосфата. Образование кэпа происходит ферментативным путем в ядре еще до завершения транскрипции. Считается, что кэп, с одной стороны, предохраняет 5'-конец мРНК от ее расщепления 5'-экзонуклсазами, с другой стороны, используется для специфического узнавания в системе трансляции. За кэпом следует прецистронный нетранслируемый участок, в котором (от 3—15 нуклеотидов до инициирующего кодона) располагается последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательность рРНК. Ее роль — обеспечение правильного взаимодействия 5'-конца с рибосомой. Завершается цистрон терминирующим кодоном, за которым следует постцистронный нетранслируемый участок, имеющий в своем составе характерный для многих видов гексануклеотид ААУААА. У большинства мРНК З'-конец содержит полиадени- латную цепочку из 20—250 адениловых нуклеотидов, не являющуюся результатом транскрипции, а присоединяющуюся к мРНК в ходе созревания в ядре ферментативным путем. Предполагается, что полиадснплатная последовательность отвечает за поддержание внутриклеточной стабильности мРНК, определяет ее время существования.

мРНК обладают сложной вторичной структурой, обеспечивающей выполнение ими матричной функции в ходе трансляции. Показано, что в целом в линейной молекуле мРНК формируется несколько двухспиральных шпилек, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации трансляции.

Структурная организация тРНК. Транспортные РНК выполняют функции посредников (адаптеров) в ходе трансляции мРНК. Каждой из 20 протеиногенных аминокислот соответствует своя тРНК. Для некоторых аминокислот, кодируемых двумя и более кодонами, существуют несколько тРНК.

тРНК представляют собой сравнительно небольшие одноцепочечные молекулы, состоящие из 70—93 нуклеотидов. Их молекулярная масса составляет

(2,4—3,1) • 104kDa. На долютРНК приходится примерно 15% суммарной клеточной РНК.

К настоящему времени установлена нуклеотидная последовательность почти для 300 тРНК, выделенных из разных видов организмов и обладающих разной аминокислотной специфичностью. Несмотря на различия в нуклеотидной последовательности, все тРНК имеют много общих черт. Во всех тРНК восемь или более нуклеотидов содержат различные минорные модифицированные основания (всего около 60), многие из которых представляют собой метилированные пуриновые или пиримидиновые основания. Обязательными минорными компонентами для всех тРНК являются дигидроуридин и псевдоуридин. В большинстве тРНК на 5'-конце находится остаток гуанило- вой кислоты, а на З'-конце всех тРНК, называемом акцепторным, обязательным является тринуклеотид-Ц-Ц-А (3').

Вторичная структура тРНК формируется за счет образования максимального числа водородных связей между внутримолекулярными комплементарными парами азотистых оснований. В результате образования этих связей поли нуклеотидная цепь тРНК закручивается с образованием спирализованных ветвей, заканчивающихся петлями из неспаренных нуклеотидов. Пространственное изображение вторичных структур всех тРНК имеет форму клеверного листа (рис. 14.7).

Вторичная структура тРНК

Рис. 14.7. Вторичная структура тРНК

Третичная структура тРНК (по А. С. Спирину)

Рис. 14.8. Третичная структура тРНК (по А. С. Спирину)

В «клеверном листе» различают четыре обязательные ветви, более длинные тРНК, кроме того, содержат короткую пятую (дополнительную) ветвь.

Адапторную функцию тРНК обеспечивают акцепторная ветвь, к З'-концу которой присоединяется эфирной связью аминокислотный остаток, и противостоящая акцепторной ветви антикодоновая ветвь, на вершине которой находится петля, содержащая антикодон. Антикодон представляет собой специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен в антипарал- лсльном направлении кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.

Т-Ветвь, несущая петлю псевдоуридина (Т|/С-петлю), обеспечивает взаимодействие тРНК с рибосомами. Л-ветвь, несущая дегидроуридиновую петлю, вероятнее всего обеспечивает взаимодействие тРНК с соответствующей аминоацил-тРНК-синтетазой. Функции пятой дополнительной ветви пока мало исследованы, вероятнее всего она уравнивает длину разных молекул тРНК.

Третичная структура тРНК очень компактна и образуется путем сближения отдельных ветвей клеверного листа за счет дополнительных водородных связей и стэкинг-взаимодсйствий с образованием L-образной структуры «локтевого сгиба» (рис. 14.8). При этом акцепторное плечо, связывающее аминокислоту, оказывается расположенным на одном конце молекулы, а антикодон — на другом. Третичные структуры всех тРНК настолько похожи, что смесь различных тРНК образует кристаллы. В то же время имеющиеся в пространственной структуре незначительные отличия обеспечивают специфическое узнавание тРНК соответствующими аминоацил-тРНК-синтетазами.

Структура рибосомных РНК и рибосом. Рибосомные РНК формируют ту основу, с которой связываются специфические белки при образовании рибосом. Рибосомы — это нуклеопротеиновые органеллы, обеспечивающие синтез белка на мРНК-матрице. Число рибосом в клетке очень велико: от 104 у прокариот до 106 у эукариот. Локализуются рибосомы главным образом в цитоплазме, у эукариот, кроме того, в ядрышке, в матриксе митохондрий и строме хлоронластов. Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. По размерам и молекулярной массе все изученные до сих пор рибосомы делят на 3 группы — 70S рибосомы прокариот^ состоящие из малой 30S и большой 50S субчастиц, 80S рибосомы эукариот, состоящие из 40S малой и 60S большой субчастиц, и рибосомы митохондрий и хлоронластов, которые в обшем относят к классу 70S, однако они различаются но коэффициентам седиментации у разных групп эукариот.

Третичная структура рибосомной РНК в растворе в зависимости от ионной силы, температуры и pH среды (по А. С. Спирину)

Рис. 14.9. Третичная структура рибосомной РНК в растворе в зависимости от ионной силы, температуры и pH среды (по А. С. Спирину): а — компактная палочка; б — развернутая цепь; в — компактный клубок

Малая субчастица 80S рибосом образована одной молекулой рРНК (18S) и 33 молекулами различных белков. Большая субчастица образована тремя молекулами рРНК (5S, 5,8S и 28S) и примерно 50 белками. Все рРНК, за исключением 5S РНК, имеют общего предшественника — 45S РНК, локализованную в ядрышке.

Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов, но структурно и функционально очень сходны с эукариотическими. Вторичная структура рРНК образуется за счет коротких двуспиральных участков молекулы — шпилек (рис. 14.9). Около 2/3 рРНК организовано в шпильки, 1/3 — представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Белки рибосом, подобно гистонам, обладают основным характером, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

Исследования последних лет показали, что рибосомные РНК являются не только структурными компонентами рибосом, но и обеспечивают правильное связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК, устанавливая тем самым начало и рамку считывания при образовании полипеп- тидной цепи. Кроме того, рРНК участвуют в обеспечении взаимодействия рибосом с тРНК.

В рибосомах имеются две бороздки, одна из них удерживает мРНК, другая — растущую полипептидную цепь. Помимо этого, в рибосомах имеются два участка, связывающих тРНК-аминоацильный (A-участок) и пептидиль- ный (П-участок). Образование и функционирование А- и П-участков обеспечивается обеими субчастицами рибосом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >