Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ

ГЛАВА 3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. НУКЛЕОТИДИ

3.4. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ I БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ РНК

Рибонуклеїнові кислоти — полірибонуклеотиди, що в клітинах еукаріотів та прокаріотів за характером своєї структури та біологічних функцій поділяються на такі основні класи: інформаційні (матричні) РНК (мРНК), транспортні РНК (тРНК), рибосомні РНК (рРНК). У клітинах РНК-вмісних вірусів полірибонуклеотиди виконують генетичну функцію зберігання та переносу спадкової інформації.

Особливості первинної структури РНК розглянуто вище (табл. 3.2). На відміну від дволанцюгових ДНК, молекули РНК вищих організмів є одноланцюговими полінуклеотидами. Дволанцюгову структуру мають лише генетичні РНК деяких вірусів (реовірусів, вірусів ранових пухлин рослин, вірусу карликовості рису). Разом із тим, одноланцюгові РНК за рахунок внутрішньомолекулярних взаємодій набувають конформацій, що позначаються як вторинні та третинні структури.

Вторинна структура одноланцюгових полірибонуклеотидів еукаріотів характеризується наявністю ділянок, що мають двоспіральну структуру. Ці ділянки молекул РНК (так звані «шпильки») утворюються за рахунок згинів полірибонуклеотидного ланцюга та взаємодії між собою комплементарних азотистих основ (А-У та Г-Ц) у межах одного ланцюга. Такі спіралізовані ділянки містять 20-30 нуклеотидних пар і чергуються з неспіралізованими фрагментами РНК (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Утворення «шпильок» у вторинній структурі РНК.

Як і ДНК, полінуклеотиди РНК характеризуються максимумом поглинання при 260 нм, зумовленим азотистими основами, мають гіпохромний ефект, оптичну активність та підлягають денатурації при дії жорстких фізико-хімічних факторів.

Інформаційні (матричні) РНК

Це клас РНК, що складають 2-5 % загальної кількості клітинної РНК. мРНК виконують функцію переносників генетичної інформації від геному (ядерної ДНК) до білоксинтезуючої системи клітини. Вони є інформаційними матрицями, які визначають амінокислотні послідовності в молекулах поліпептидів, що синтезуються в рибосомах.

мРНК властиві метаболічна нестабільність і найбільша гетерогенність молекулярної маси та розмірів молекул (від 25 · 10³ до 1-2 · 10⁶) з константами седиментації від 6 до 25 s. Широкий спектр окремих молекул мРНК відповідає кількості білків організму, носіями генетичної інформації для синтезу яких є РНК цього класу.

За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає (з урахуванням принципу комплементарності) нуклеотидній послідовності фрагмента одного з ланцюгів ядерної ДНК, транскриптом якого вона (мРНК) є. Особливістю первинної структури мРНК є також наявність на 5'- та 3'-кінцях молекули характерних для цього класу РНК нуклеотидних послідовностей.

5'-кінець усіх молекул мРНК еукаріотів та деяких вірусів в якості першого нуклеотиду містить 7-метилгуанозин (перший нуклеотид), що через трифосфатний залишок зв’язаний із 5'-гідрок- силом сусіднього (другого) нуклеотиду. Нуклеотид, з яким зв’язаний 5'- кінцевий 7-метилгуанозин, має, звичайно, метильовану по С-2'-рибозу:

Модифікований 7-метилгуанозином 5'-кінець мРНК має назву «кепа» (від англ. cap — шапочка). До його складу можуть входити 1-3 залишки 7-метилгуанозину.

3'-кінець багатьох мРНК еукаріотів містить відносно довгі поліаденілатні (poly(A)) послідовності. До складу poly(A)-«хвостів» мРНК — входять 20-250 нуклеотидів.

Вважають, що 5'-кепування та 3'-поліаденілування стабілізують молекули мРНК, запобігаючи дії нуклеаз, та мають велике значення для зв’язування мРНК із рибосомами в процесі трансляції.

Вторинна структура мРНК характеризується численними внутрішньоланцюговими двоспіральними ділянками («шпильками»), до складу яких входить до 40-50 % нуклеотидного складу полірибонуклеотиду.

Транспортні РНК

На тРНК припадає 10-20 % клітинної РНК. Їх молекули — це полірибонуклеотидні ланцюги, довжина яких — 70-90 нуклеотидів. Молекулярна маса тРНК — (23-28) ·

10³ кД, константа седиментації — 4 s. Усього в клітинах знаходиться не менше 20 типів тРНК, що відповідає кількості природних L-амінокислот, з якими тРНК взаємодіють у ході трансляції.

Первинна структура тРНК відзначається великою кількістю мінорних нуклеотидів — наявністю метильованих, псевдоуридилових та дигідроуридилових залишків.

Вторинна структура молекул тРНК у двомірному просторі має конформацію «листка конюшини», що утворюється за рахунок специфічної взаємодії комплементарних азотистих основ упродовж полірибонуклеотидного ланцюга. Неспарені нуклеотидні послідовності формують специфічні для будови тРНК структурні елементи:

Акцепторну гілку (стебло) — 3'-кінець молекули, який містить термінальну послідовність нуклеотидів ЦЦА. Кінцевий аденозин через 3'-гідроксильну групу рибози акцептує амінокислоту в процесі трансляції.

Антикодонову петлю — містить групу з трьох нуклеотидів (антикодон), комплементарних триплету нуклеотидів (кодону) в складі мРНК. Ця петля відповідає за взаємодію тРНК із певними нуклеотидами мРНК при утворенні в рибосомі транслюючого комплексу.

Дигідроуридилову петлю — складається з 8-12 нуклеотидів, містить у собі 1-4 дигідроуридилові залишки.

Псевдоуридилову петлю — ділянка тРНК, яка в усіх молекулах містить обов’язкову нуклеотидну послідовність — 5’-ТΨС-3’. Вважають, що ця петля необхідна для взаємодії тРНК із рибосомою.

Додаткову гілку — структура, за кількістю нуклеотидних залишків в якій тРНК поділяються на два класи: тРНК класу І — містить 3-5 нуклеотидів; тРНК класу ІІ — з додатковою гілкою, яка має довжину від 13 до 21 нуклеотиду.

Схему будови тРНК подано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Узагальнена схема вторинної структури молекули тРНК типу «листка конюшини».

Притаманні тРНК структури типу «листка конюшини» можуть утворювати більш компактні просторові конформації — третинні структури. За даними рентгеноструктурного аналізу, третинна структура молекул тРНК нагадує велику латинську літеру L.

Рибосомні РНК

Рибосомні РНК (рРНК) — клас клітинних РНК, що входять до складу рибосом прокаріотичних та еукаріотичних клітин. На рРНК припадає до 90 % загальної кількості клітинних РНК.

рРНК разом із специфічними білками становлять основу структури та функції рибосом (рибонуклеопротеїнових часточок), в яких відбувається процес трансляції — біосинтез поліпептидних ланцюгів на основі коду, що поставляється мРНК. Рибонуклеїнові кислоти цього типу є метаболічно стабільними молекулами; взаємодіючи з рибосомними білками, вони виконують функцію структурного каркаса для організації внутрішньоклітинної системи білкового синтезу.

Модифікованих (мінорних) основ у складі рРНК значно менше, ніж у тРНК. Проте рибосомні РНК є також високометильованими полірибонуклеотидами, в яких метильні групи зв’язані або з азотистими основами, або з 2'-гідроксильними групами рибози.

Вторинна структура рРНК представлена значною кількістю коротких двоспіральних ділянок, що мають вигляд «шпильок» або паличок.

Крім зазначених класів РНК, в ядрах клітин ссавців містяться рибонуклеїнові кислоти різної молекулярної маси, так звані гетерогенні ядерні РНК (гяРНК). Їх молекулярна маса може перевищувати 10⁷. ГяРНК є продуктами транскрипції генів, що не зазнали посттранкрипційної модифікації — процесингу.