Библиографическая ссылка для цитирования: Сазонов В.Ф. Жизнь молекул РНК [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2023: [сайт]. Дата обновления: 25.11.2023. URL: https://kineziolog.su/content/zhizn-molekul-rnk (дата обращения: __.__.20___).
__________________________Жизнь молекул РНК - это раздел молекулярной биологии, изучающий строение, функционирование и поведение молекул РНК в процессе жизнедеятельности организмов и биологических систем.
Определение понятия РНК
РНК - рибонуклеиновые кислоты, которые являются информационным шаблоном для синтеза белков, а также обеспечивают этот синтез.
Но кроме информационных матричных РНК в цитоплазме клеток всегда присутствуют тысячи коротких двуцепочечных РНК, выполняющих важные функции, и абсолютно необходимых для нормального развития клетки и организма. Все короткие РНК выполняют свои функции на основе явления, названного РНК-интерференцией. Сущность этой интерференции заключается в подавлении экспрессии гена на стадии транскрипции или трансляции при активном участии малых молекул РНК.
РНК значительно более гидрофильны по сравнению с ДНК (за счет замены дезоксирибозы на рибозу), поэтому они более подвижны и могут относительно свободно перемещаться в клетке. Однако благодаря этому же свойству гидрофильности РНК очень нестабильна. Она намного хуже, чем ДНК, хранится (даже внутри клетки) и деградирует при малейшей перемене условий (температура, рН). Кроме собственной химической нестабильности, большой вклад в разрушение РНК вносятрибонуклеазы(или РНКазы). Это специальные расщепляющие РНК ферменты. Вот они-то как раз очень стабильны и «вездесущи» — даже кожа рук биолога-экспериментатора содержит достаточное количество этих ферментов, чтобы исказить весь эксперимент с исследованием РНК. Из-за этого работать с РНК оказывается намного сложнее, чем с белками или с ДНК (ДНК вообще может храниться в лаборатории сотни тысяч лет практически без повреждений).
Молекулы РНК не однородны по своим функциям и строению в отличие от молекул ДНК.
Виды РНК
преРНК (=первичный транскрипт, =гетерогенная ядерная РНК) - молекула РНК, которая синтезировалась на соответствующем "матричном" участке ДНК в результате транскрипции.
Зрелая РНК - преобразованный первичный транскрипт, прошедший созревание в ядре в виде процессинга.
мРНК (=матричная, =информационная) - молекула РНК, которая используется в роли "информационного шаблона" (=матрицы) для синтеза на ней молекулы белка. Это, можно сказать, "главный" вид РНК, потому что именно она определяет, как будет устроен синтезирующийся в клетке белок.
рРНК (=рибосомная) - молекула РНК, являющаяся основой малой или большой субъединицы рибосомы. Основную массу РНК в клетке составляет вовсе не матричная, а именно рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК — второй «главный» вид клеточной РНК — образует «скелет» и функциональный центр рибосом у всех организмов. И именно рРНК (а не белки) регулирует основные этапы белкового синтеза.
тРНК (=транспортная) - молекула РНК, связывающая родственную ей молекулу аминокислоты и транспортирующая её к рибосоме для включения в белковую молекулу строящегося белка. Это третий "главный" вид РНК наряду с мРНК и рРНК. Эти три вида РНК формируют единый белок-синтезирующий комплекс и производят белок. Согласно гипотезе «мира РНК», именно эта рибонуклеиновая кислота лежала у самых истоков жизни на Земле
snРНК (=малая ядерная) - молекула РНК, которая удаляет интроны и ферментативно соединяет экзоны в мРНК во время процессинга РНК в ядре.
snoPHK (=малая ядрышковая РНК) - молекула РНК, которая участвует в направлении или проведении модификаций оснований в рРНК и малой ядерной РНК, таких, как, например, метилирование и псевдоуридинизация. Большинство малых ядрышковых РНК находятся в интронах других генов.
srpPHK (=сигналраспознающая РНК) - длинная молекула РНК в составе рибопротеинового комплекса в цитоплазме, которая распознаёт сигнальную последовательность белков, предназначенных для экспрессии, и участвует в их переносе через цитоплазматическую мембрану.
sРНК, miРНК (=микроРНК) - мелкая двухцепочечная молекула РНК, образовавшаяся из первичного транскрипта в результате процессинга и участвующая во внутриклеточной хеморегуляции. Она контролирует трансляцию структурных генов путём комплементарного связывания с 3'-концами нетранслируемых участков иРНК Подробнее Предшественник микроРНК транскрибируется с обеих цепей геномной ДНК РНК-полимеразой II. В результате появляется промежуточная форма — при-микроРНК, — несущая признаки обычной мРНК — m7G-кэп и полиА-хвост. В этом предшественнике образуется двуцепочечная петля с двумя одноцепочечными «хвостами» и несколькими неспаренными нуклеотидами в центре. Такая петля подвергается двухстадийному процессингу: вначале эндонуклеаза Drosha отрезает от двуцепочечной шпильки одноцепочечные «хвосты» РНК, после чего вырезанная шпилька (пре-микроРНК) экспортируется в цитоплазму. Там она узнается белком Dicer’ом, наносящим ей ещё два разреза (вырезается двуцепочечный участок). В таком виде зрелая микроРНК, аналогично киРНК, включается в состав комплекса RISC. Механизм действия многих микроРНК аналогичен действию киРНК: короткая (21–25 нуклеотидов) одноцепочечная РНК в составе белкового комплекса RISC с высокой специфичностью связывается с комплементарным участком в 3′-нетранслируемой области мРНК-мишени. Связывание приводит к расщеплению мРНК белком Ago. Однако активность микроРНК (по сравнению с киРНК) уже более дифференцирована - если комплементарность не абсолютная, то целевая мРНК может и не деградировать, а только обратимо блокироваться (то есть её трансляции в белок не будет). Физиологические функции микроРНК крайне разнообразны — фактически, они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза. Также микроРНК ополняют «классическую» схему регуляцию генов (индукторы, супрессоры, компактизация хроматина и т. д.). Кроме того, синтез самих микроРНК сложным образом регулируются: определенные пулы микроРНК могут включаться интерферонами, интерлейкинами, фактором некроза опухолей α (ФНО-α) и многими другими цитокинами. В результате вырисовывается потрясающая по своей сложности и гибкости многоуровневая сеть настройки «оркестра» из тысяч генов, работающая в клетке. На различных этапах жизни клеток включаются и выключаются целые пулы малых РНК. Для биологических процессов идентифицировали десятки специфичных микроРНК, уровень экспрессии которых в определённых условиях изменяется в тысячи раз, подчёркивая исключительную управляемость этих процессов. К примеру, в активно делящейся клетке микроРНК, связавшись с комплементарной последовательностью в 3′-участке мРНК, ингибирует синтез белка (трансляцию). Однако в состоянии покоя или стресса (например, при росте на бедной среде) то же самое событие приводит к прямо противоположному эффекту - усилению синтеза целевого белка Количество разновидностей микроРНК у высших организмов превосходит 1% от числа белок-кодирующих генов (у человека, например, более 700 микроРНК). микроРНК регулируют активность около 30% всех генов в организме.
пиРНК (piRNA, от Piwi-interaction RNA) - короткие молекулы длиной в 24–30 нуклеотидов, закодированные в центромерных и теломерных областях хромосомы. Последовательности многих из них комплементарны мобильным генетическим элементам (МГЭ) хромосом, однако есть также множество пиРНК, совпадающих с участками рабочих генов или с фрагментами генома, функции которых пока неизвестны. пиРНК (так же, как и микроРНК) закодированы в обеих цепях геномной ДНК; они весьма изменчивы и разнообразны: до 500 000 видов в одном организме. Так что число пиРНК на порядок превосходит количество известных белков. В отличие от киРНК и микроРНК, они образуются одной цепью с характерной особенностью — урацилом (U) на 5′-конце и метилированным 3′-концом. Есть у них и другие отличия: гены пиРНК активны только в зародышевых клетках (во время эмбриогенеза) и окружающих их эндотелиальных клетках; белковый состав системы пиРНК — это эндонуклеазы класса Piwi (Piwi и Aub) и отдельная разновидность Argonaute - Ago3.. С помощью явления РНК-интерференции пиРНК сдерживают активацию МГЭ в клетке на уровне транскрипции и трансляции. МГЭ представляют собой короткие нестабильные участки ДНК, которые могут автономно транскрибироваться и мигрировать по геному. Это приводит к "перемешиванию" генов, множественным разрывам ДНК в хромосомах, что может приводить к летальным последствиям. Образно можно сказать, что пиРНК выполняют роль «намордника» для транспозонов, то есть для МГЭ.
киРНК - короткая интерферирующая РНК (=siRNA — small interference RNA), состоящая из двойных цепей. Она связывается с комплексом белков под названием RISC (RNA-induced silencing complex), центральный элемент которого — эндонуклеаза семейства Argonaute. Связывание с киРНК активирует комплекс RISC и запускает в клетке поиск молекул ДНК и РНК, комплементарных «шаблонной» киРНК. Судьба таких найденных молекул — быть уничтоженными или инактивированными комплексом RISC. Образно можно сказать, что киРНК - "сторожевые псы" клеток. Они ищут в цитоплазме для уничтожения молекулы мРНК с комплементарными им участками. киРНК синтезируются на основе инфицировавшей клетку «враждебной» РНК, имеют длину 20–25 нуклеотидов и «особую примету»: по 2 неспаренных нуклеотида на 3′-концах и фосфорилированные 5′-концы. Анти-смысловая киРНК способна (не сама, конечно, а с помощью RISC-комплекса) распознавать мРНК и специфически вызывать её деградацию (разрушение). киРНК - эволюционно наиболее ранние молекулы РНК, они распространены шире всего у растений, одноклеточных организмов и беспозвоночных. У позвоночных в норме киРНК практически не обнаружены, потому что их вытеснили более поздние «модели» коротких РНК. В современной экспериментальной биологии значение РНК-интерференции и коротких РНК огномно. Разработана технология «выключения» (или нокдауна) отдельных генов in vitro (на культурах клеток) и in vivo (на эмбрионах), что уже стало стандартом при изучении любого гена. Иногда даже, чтобы установить роль отдельных генов в каком-нибудь процессе, проводят систематическое «выключение» всех генов по очереди.
Таблица 1. Свойства всех трёх классов коротких РНК
Антивирусная иммунная защита, подавление активности собственных генов
Регуляция активности генов
Подавление активности МГЭ во время эмбриогенеза
Строение РНК
Зрелая матричная РНК включает в себя несколько областей с различной функциональной ролью:
На 5'-конце находится "колпачок" (=шапочка, =кэп) - участок из одного-четырех модифицированных нуклеотидов. Такая структура защищает 5'-конец м-РНК от нападения ферментов-эндонуклеаз.
За "колпачком" идёт 5'-нетранслируемая область - последовательность из нескольких десятков нуклеотидов. Она комплементрана одному из отделов той р-РНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы. За счет этого она служит местом для первичного связывания м-РНК с рибосомой, но сама не транслируется в процессе синтеза белка этой рибосомой.
Инициирующий кодон АУГ, кодирующий метионин. Во всех м-РНК инициирующий кодон одинаков. С него начинается трансляция (считывание) м-РНК. Если после синтеза пептидной цепи оказывается, что метионин в начале данного белка не нужен, то он, как правило, отщепляется с N-конца этой пептидной цепи.
За инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. У эукариот зрелые м-РНК являются моноцистронными, т.е. каждая из них несет информацию о структуре только одной полипептидной цепи. Другое дело, что иногда в результате процессинга белка его пептидная цепь вскоре после образования на рибосоме разрезается на несколько более мелких цепей. Так бывает, например, при синтезе инсулина и целого ряда олигопептидных гормонов. Кодирующая часть зрелой м-РНК эукариот лишена интронов — каких-либо вставочных некодирующих последовательностей. Иными словами, имеется непрерывная последовательность смысловых кодонов, которая должна читаться в направлении 5' —>3'.
По окончании кодирующей части находится кодон терминации — один из трёх "бессмысленных" кодонов: УАА, УАГ или УГА (см. табл. генетического кода).
За этим кодоном может следовать еще 3'-нетранслируемый участок, значительно превышающий по длине 5’-нетранслируемую область.
Наконец, почти все зрелые мРНК эукариот (кроме гистоновых мРНК) на 3'-конце содержат "хвост" - поли(А)-фрагмент из 150-200 одинаковых адениловых нуклеотидов.
Первым нуклеотидом в РНК всегда является один из пуринов в форме трифосфата.
Жизнь РНК
Прокариоты
Продолжительность жизни цистронных участков мРНК, ответственных за синтез одного белка, у бактерий очень мала: они существуют всего-то в пределах 2-3 минут, после чего разрушаются.
Эукариоты
У эукариот продолжительность полужизни мРНК в клетке составляет от 10 минут до 2 суток (48 часов). Причём короткоживущими обычно бывают мРНК регуляторных белков. Это оправдано, т.к. повышает скорость изменения регуляторных сигналов при необходимости.
Клеточные РНК-полимеразы (РНКП) способны катализировать реакцию пирофосфоролиза, Кроме этого, они обладают эндонужлеазной активностью, которая существенно стимулируется в присутствии белковых факторов ОгеА и GreB у прокариот (Boiukhov et al., 1993) и TFHS у эукариот (Reines, 1992; Izban and Luse, 1992). Предполагается, что эцдонухлеазное расщепление РНК осуществляется в том же активном центре, что и реакции полимеризации и пирофосфоролиза. Для эукариотнческой РНКП D описана также экзонукдеазная активность, которая как и эндонуклеазная стимулируется белковым фактором TFI1S (Wang and Hawley, 1993). Была показано, что фактор* стимулируемая экзонуклеазная активность РНКП II играет важную роль в процессе коррекции синтеза РНК гл vitro (Thomas et al., 1998). (https://earthpapers.net/nukleotid-zavisimaya-degradatsiya-nukleinovyh-ki...)
Передача информации между ДНК и РНК в виде транскрипции РНК на ДНК и обратной транскрипции ДНК на РНК, т.е. перенесение информации на новый химический носитель без искажений, происходит на основе общего генетического кода и комплементарности азотистых оснований нуклеотидов.
Транскрипция ("переписывание") - это матричный синтез молекулы РНК на участке ДНК на основе комплементарности между ДНК-нуклеотидами и РНК-нуклеотидами.
Транскрипция — процесс многостадийный. Даже инициация транскрипции насчитывает несколько этапов: посадка белков, образование закрытого комплекса, плавление дуплекса (то есть расхождение цепей) с образованием открытого комплекса и т.д.
В результате получается РНК-копия транскрибируемого участка ДНК, имеющего направление от 3' к 5' концу. Эта первичная копия назввается пре-РНК (=первичный транскрипт). Субстратом и одновременно источником энергии для синтеза РНК являются активированные дополнительными фосфатными остатками рибонуклеозидтрифосфаты (НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).
Участок ДНК, подлежащий транскрипции, называется транскриптоном. Он начинается промотором, а заканчивается терминатором.
Промотор - это специфический участок (сайт) ДНК, с которым связывается фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза и начинает синтез РНК.
Терминатор - это участок (сайт) ДНК, на котором завершается синтез РНК.
Процесс транскрипции управляется специальными белками - "факторами транскрипции".
Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) — это белки́, контролирующие процесс синтеза мРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными для них участками ДНК. Ключевой частью таких белков является один или несколько ДНК-связывающих доменов, способных присоединяться к соответствующим участкам ДНК. Факторы транскрипции или облегчают связывание РНК-полимеразы с ДНК (это активаторы), или затрудняют (это репрессоры).
Если различные вспомогательные белки участвуют в экспрессии гена, но не имеют ДНК-связывающих доменов, то их не относят к факторам транскрипции. Это, например, коактиваторы, гистонацетилазы, киназы, метилазы.
У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом - ДНК-зависимой РНК-полимеразой. У эукариот имеется одновременно несколько видов РНК-полимераз в клетке: 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы. Повторим, что субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-три-фосфаты - активированные нуклеотиды. Весь процесс транскрипции осуществляется за счёт энергии макроэргических связей этих актвированных нуклеотидов.
Рисунок - РНК-полимераза II (фиолетовый цвет) дрожжей Saccharomyces cerevisiae — сложный фермент, главный в транскрипции. Во время транскрипции фермент раскручивает двойную спираль ДНК и использует одну цепь (темно-оранжевый) в качестве матрицы для создания одноцепочечной информационной РНК (зеленый), которая после модификации используется в рибосомах для синтеза белка. Источник: https://pdb101.rcsb.org/learn/flyers-posters-and-calendars/poster/award-...
Принципы транскрипции
Комплементарность - mRNA комплементарна матричной цепи ДНК и аналогична кодирующей цепи ДНК.
Антипараллельность.
Униполярность.
Беззатравочность - РНК-полимераза не требует праймера для начала своей деятельности.
Асимметричность.
Стадии транскрипции
Распознавание промотора и связывание - РНК-полимераза связывается с ТАТА-боксом 3’-промотора при помощи основных факторов транскрипции, дополнительные факторы ингибируют или стимулируют её присоединение
Инициация - образование первой фосфодиэфирной связи между Pu и первым нуклеотидом. К пуринтрифосфату присоединяется нуклеотид комплементарный второму нуклеотиду ДНК с отщеплением пирофосфата от нуклеозидтрифосфата с образованием диэфирной связи.
Элонгация ( 3’→5’) - мРНК, гомологичная нематричной (=кодирующей, =смысловой) цепи ДНК, синтезируется на матричной ДНК; какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для данной синтезирующейся РНК, определяется направлением промотора.
Терминация - завершение транскрипции (синтеза РНК на цепи ДНК).
Видеолекция: Регуляция транскрипции
Видео: Эпигенетическая регуляция
Инициация транскрипции
Транскрипция начинается с того, что регуляторный белок распознаёт на ДНК свою мишень - определённый участок ДНК - и связывается с ним. Именно регуляторный белок должен запустить экспрессию определённого гена в нужный момент времени, а для этого необходимо начать его транскрипцию. Регуляторный белок играет роль указателя (метки) для привлечения остальных транскрипционных факторов именно к данному участку ДНК.
Затем с промотором связывается ТАТА-связывающий белок и активирует промотор гена. ТАТА - это та последовательность нуклеотидов в ДНК, на которую реагирует домен этого белка, т.е. последовательность "тимин-аденин-тимин-аденин". Этот участок ДНК называют также "ТАТА-бокс". Активированный ТАТА-связывающим белком промотор затем легко связывается с РНК-полимеразой. РНК-полимераза, связанная с промотором, легко связывается со следующими факторами инициации, которые раскручивают один виток спирали ДНК. Таким образом, цепь ДНК становится доступной для работы РНК-полимеразы.
Трансляция- это перенесение биологической информации с РНК в другую химическую форму – полипептидную, т.е. матричный синтез белка на матрице РНК.
По смыслу слова, трансляция - это перевод с одного "химического языка" на другой, переход с "нуклеотидных букв" на "аминокислотные буквы".
Трансляция - это биосинтез белка на матрице РНК в рибосомах клетки. Синтез белка - это сборка большой и довольно длинной белковой молекулы из отдельных "деталей", которые по очереди прикрепляются с одного конца к удлинняющейся за счёт этого белковой молекуле. "Детали" - это более мелкие молекулы под общим названием "аминокислоты". Сборка осуществляется "по образцу" (это называется "матричный синтез"). Образцом (матрицей, шаблоном) служит молекула РНК - длинная молекула рибонуклеиновой кислоты. В ней указана очерёдность аминокислот для сборки молекулы белка. Занимается сборкой белковой молекулы специальное биологическое устройство - рибосома. В результате такого синтеза получается молекула белка, на построение которой ушло от 50 до 1500 молекул аминокислот.
На сайте введена регистрация через социальные сети, если вы хотите оставлять комментарии без потверждения, пожалуйста, воспользуйтесь именно этим типом аутентификации.
Если у вас уже есть аккаунт на сайте, вы можете привязать его к любой социальной сети? зайдя в настройки вашего аккаунта("Мои учётные данные") ниже и воспользовавшись вкладкой "Подключение к социальным сетям".
После того, как вы зайдёте при помощи аккаунта в социальной сети, ваши возможности на сайте возрастут.
Поддержка сайта
Вы можете поддержать сайт не только добрым словом, но и материально!
Это очень поможет. IT-специалисты, следящие за сайтом день и ночь, хотя бы лишнюю чашечку кофе выпьют.
Для этого по своему желанию перечислите любую сумму на карту Сбербанка номер: