Rodzaje RNA, funkcja i struktura

Różne typy DNA i RNA - kwasy nukleinowe - są jednym z przedmiotów badań biologii molekularnej. Jednym z najbardziej obiecujących i szybko rozwijających się obszarów tej nauki w ostatnich latach było badanie RNA.

Krótko o strukturze RNA

Tak więc, RNA, kwas rybonukleinowy, jest biopolimerem, którego cząsteczką jest łańcuch utworzony przez cztery typy nukleotydów. Każdy nukleotyd z kolei składa się z zasady azotowej (adeniny A, guaniny G, uracylu U lub cytozyny C) w połączeniu z cukrową rybozą i resztą kwasu fosforowego. Reszty fosforanowe, łącząc się z rybozą sąsiednich nukleotydów, "szyją" blokowe bloki RNA do makrocząsteczki - polinukleotydu. Tworzy to podstawową strukturę RNA.

Struktura drugorzędowa - tworzenie podwójnego łańcucha - powstaje w niektórych częściach cząsteczki zgodnie z zasadą komplementarności zasad azotowych: adenina tworzy parę z uracylem poprzez podwójne, a guanina z cytozyną - potrójne wiązanie wodorowe.

W postaci roboczej cząsteczka RNA tworzy również trzeciorzędową strukturę - specjalną strukturę przestrzenną, konformację.

Synteza RNA

Wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane przy użyciu enzymatycznej polimerazy RNA. Może być zależny od DNA i RNA, to znaczy katalizować syntezę zarówno matrycy DNA, jak i RNA.

Synteza opiera się na komplementarności zasad i antyrównoległości kierunku czytania kodu genetycznego i przebiega w kilku etapach.

Po pierwsze, następuje rozpoznawanie i wiązanie polimerazy RNA z określoną sekwencją nukleotydów na promotorze DNA, po czym podwójna helisa DNA rozwija się na niewielkim obszarze, a połączenie cząsteczki RNA rozpoczyna się od jednego z łańcuchów, zwanego szablonem (drugi łańcuch DNA nazywany jest kodowaniem - jego synteza jest zsyntetyzowana RNA). Asymetria promotora określa, które z nici DNA będą służyć jako matryca, a zatem pozwala polimerazie RNA inicjować syntezę we właściwym kierunku.

Następny etap nazywa się wydłużeniem. Kompleks transkrypcyjny, w tym polimeraza RNA i region niezwiązany z hybrydą DNA-RNA, zaczyna się poruszać. W miarę postępu tego ruchu rozszerzający się łańcuch RNA jest stopniowo rozdzielany, a podwójna helisa DNA rozwija się przed kompleksem i jest przywracana za nim.

Końcowy etap syntezy zachodzi, gdy polimeraza RNA dociera do specjalnej części matrycy, zwanej terminatorem. Zakończenie (koniec) procesu można osiągnąć na różne sposoby.

Główne typy RNA i ich funkcje w komórce

Są one następujące:

• Macierz lub informacje (mRNA). Poprzez jej transkrypcję przeprowadza się transfer informacji genetycznej z DNA.
• Rybosomalny (rRNA), zapewniający proces translacji - syntezę białek na matrycy mRNA.
• Transport (tRNA). Rozpoznaje i transportuje aminokwas do rybosomu, gdzie występuje synteza białek, a także bierze udział w translacji.
• Małe RNA to rozległa klasa cząsteczek o krótkiej długości, które pełnią różne funkcje podczas procesów transkrypcji, dojrzewania RNA i translacji.
• Genomy RNA - sekwencje kodujące, które zawierają informacje genetyczne w niektórych wirusach i wiroidach.

W latach 80. XX wieku odkryto aktywność katalityczną RNA. Cząsteczki posiadające tę właściwość nazywane są rybozymami. Naturalnie nie wiadomo, że wiele naturalnych rybozymów jest znanych, ich zdolność katalityczna jest mniejsza niż białek, ale w komórce spełniają one niezwykle ważne funkcje. Obecnie trwają udane prace nad syntezą rybozymów o praktycznym znaczeniu.

Zastanówmy się nad różnymi typami cząsteczek RNA.

Matrix (informacyjne) RNA

Cząsteczka ta jest syntetyzowana przez nieuporządkowaną część DNA, w ten sposób kopiując gen kodujący jedno lub drugie białko.

RNA komórek eukariotycznych, zanim z kolei stanie się matrycą do syntezy białek, musi dojrzeć, to znaczy przejść przez kompleks różnych modyfikacji - przetwarzania.

Po pierwsze, na etapie transkrypcji, cząsteczka podlega czapce: specjalna struktura składająca się z jednego lub kilku zmodyfikowanych nukleotydów, czapeczka, jest dołączona do jej końca. Odgrywa ważną rolę w wielu kolejnych procesach i zwiększa stabilność mRNA. Tak zwany ogon poli (A) - sekwencja nukleotydów adeninowych łączy się z drugim końcem pierwotnego transkryptu.

Następnie pre-mRNA jest splicowany. Jest to usunięcie z cząsteczki niekodujących regionów - intronów, których wiele znajduje się w DNA eukariotów. Następnie odbywa się procedura edycji mRNA, w której jego skład jest modyfikowany chemicznie, a także metylacja, po czym dojrzały mRNA opuszcza jądro komórkowe.

Rybosomalne RNA

Podstawa rybosomu, kompleksu, który zapewnia syntezę białek, składa się z dwóch długich rRNA, które tworzą podjednostki rybosomu. Są one syntetyzowane razem jako jeden pre-rRNA, który jest następnie dzielony podczas przetwarzania. Duża część cząsteczki obejmuje także rRNA o niskiej masie cząsteczkowej syntetyzowany z pojedynczego genu. Rybosomalne RNA mają ściśle upakowaną strukturę trzeciorzędową, która służy jako szkielet dla białek obecnych w rybosomie i pełniących funkcje pomocnicze.

W fazie niepracowania podjednostki rybosomu są rozdzielone; po rozpoczęciu procesu translacji rRNA małej podjednostki łączy się z informacyjnym RNA, po czym następuje całkowita integracja elementów rybosomalnych. Kiedy RNA wchodzi w interakcję z małą podjednostką z mRNA, ta ostatnia jakby została przeciągnięta przez rybosom (co jest równoważne ruchowi rybosomu wzdłuż mRNA). Rybosomalne RNA dużej podjednostki jest rybozymem, to znaczy ma właściwości enzymatyczne. Katalizuje tworzenie wiązań peptydowych między aminokwasami podczas syntezy białek.

Należy zauważyć, że największa część całkowitego RNA w komórce pochodzi z rybosomu - 70-80%. DNA ma dużą liczbę genów kodujących rRNA, co zapewnia bardzo intensywną transkrypcję.

Transport RNA

Ta cząsteczka jest rozpoznawana przez specyficzny aminokwas za pomocą specjalnego enzymu, a po połączeniu z nim transportuje aminokwas do rybosomu, gdzie służy jako pośrednik w procesie translacji - syntezie białek. Transfer przeprowadza się przez dyfuzję w cytoplazmie komórki.

Obecnie przetwarzane są nowo syntetyzowane cząsteczki tRNA, a także inne rodzaje RNA. Dojrzałe tRNA w postaci aktywnej ma konformację przypominającą liść koniczyny. Na łodydze liścia, miejscu akceptorowym, jest sekwencja CCA z grupą hydroksylową, która wiąże się z aminokwasem. Na przeciwległym końcu "liścia" znajduje się pętla antykodonowa, która łączy się z komplementarnym kodonem dla mRNA. Pętla D służy do wiązania transportowanego RNA do enzymu podczas interakcji z aminokwasem, a pętla T do wiązania się z dużą częścią cząsteczki rybosomu.

Mały RNA

Te rodzaje RNA odgrywają ważną rolę w procesach komórkowych i są obecnie aktywnie badane.

Na przykład, małe jądrowe RNA w komórkach eukariotycznych są zaangażowane w składanie mRNA i, ewentualnie, mają właściwości katalityczne wraz z białkami splicingowymi. Małe jąderkowe RNA biorą udział w przetwarzaniu rybosomalnego i transportowego RNA.

Małe interferujące i miRNA są niezbędnymi elementami systemu regulacji ekspresji genów, niezbędnymi do kontrolowania przez komórkę własnej struktury i aktywności. Ten system jest ważną częścią odpowiedzi immunologicznej przeciwwirusowej komórki.

Istnieje również klasa małych RNA, które funkcjonują w połączeniu z białkami Piwi. Kompleksy te odgrywają ogromną rolę w rozwoju komórek linii płciowej, w spermatogenezie i w powstrzymywaniu ruchomych elementów genetycznych.

Genom RNA

Cząsteczka RNA może być używana jako genom przez większość wirusów. Wirusowe genomy są różne - jedno- i dwuniciowe, kołowe lub liniowe. Ponadto, genomy RNA wirusów są często segmentowane i generalnie krótsze niż genomy zawierające DNA.

Istnieje rodzina wirusów, których informacje genetyczne, kodowane w RNA, po infekcji komórki przez odwrotną transkrypcję, są kopiowane na DNA, które następnie wprowadza się do genomu komórki poszkodowanej. Są to tak zwane retrowirusy. Obejmują one w szczególności ludzki wirus upośledzenia odporności.

Wartość badań RNA we współczesnej nauce

Jeśli opinia o drugorzędnej roli RNA przeważa, to teraz jest jasne, że jest to niezbędny i niezbędny element wewnątrzkomórkowej aktywności. Wiele procesów o doniosłym znaczeniu nie jest kompletnych bez aktywnego udziału RNA. Mechanizmy takich procesów długo nie były znane, ale dzięki badaniom różnych typów RNA i ich funkcji wiele szczegółów jest stopniowo wyjaśnianych.

Możliwe, że RNA odegrało decydującą rolę w pojawieniu się i kształtowaniu życia u zarania dziejów Ziemi. Wyniki ostatnich badań przemawiają na korzyść tej hipotezy, świadcząc o niezwykłej starożytności wielu mechanizmów funkcjonowania komórek przy udziale różnych typów RNA. Na przykład, niedawno odkryte przełączniki rybonośne jako część mRNA (system bez białkowej regulacji aktywności genów na etapie transkrypcji), według wielu badaczy, są echem epoki, w której prymitywne życie było oparte na RNA, bez udziału DNA i białek. Również bardzo starożytnym składnikiem systemu regulacji są miRNA. Specyfika struktury aktywnego katalitycznie rRNA wskazuje na stopniową ewolucję przez przyłączanie nowych fragmentów do pradawnego protoribosomu.

Dokładne zbadanie, jakie rodzaje RNA i jak są zaangażowane w różne procesy, jest również niezwykle ważne dla teoretycznych i stosowanych dziedzin medycyny.