Виды РНК. 
БИОХИМИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГОВ в 2 ч. Часть 1.

Всего выделяют три разновидности РНК: информационную (иРНК), транспортную (тРНК) и рибосомальную (рРНК).

Содержание всех видов РНК клетке в пересчете на массу в 5—10 раз больше, чем содержание ДНК. Это объяснимо предназначением НК. ДНК только хранит генетическую информацию, которая может многократно копироваться. Молекулы РНК участвуют в синтезе всех белков организма, которые постоянно обновляются. Это требует присутствия большого количества всех видов РНК.

Замечено, что начало синтеза белка в клетке совпадает с увеличением содержания и скорости обновления РНК в цитоплазме клетки, причем в большей степени это касается и PH К и тРНК.

Матричная или информационная РНК условно обозначается мРНК или иРНК, иначе РНК-посредник в передаче генетической информации в белок, синтезирующий аппарат клетки. Служит матрицей для синтеза белка. На долю матричной РНК приходится лишь 2—10% всей массы РНК в клетке.

Информационная РНК отвечает единственному критерию: последовательность нуклеотидных остатков в молекуле несет информацию, обеспечивающую синтез специфического белка непосредственно на ней самой.

Другие параметры значительно различаются.

• • Молекулярные массы иРНК варьируют в широких пределах: от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов дальтон. Как правило, у моиоцистронных иРНК (кодируют биосинтез одного белка) молекулярные массы меньше, чем у полицистронных иРНК (кодируют биосинтез нескольких функционально связанных белков). Коэффициент седиментации^[1] иРНК колеблется от 10 Св до 65 Св [27].
• • Продолжительность жизни молекул иРНК достигает нескольких секунд и минут у бактерий или нескольких часов, дней и недель у эукариот.
• • Нуклеотидный состав бактериальных иРНК отличается ДНК-подобием, чего не наблюдается у иРНК эукариот.

Первичная структура иРНК — полинуклеотидная цепь, состоящая из участков разной функциональной значимости. Если расположить их по порядку от начала полинуклеотидной цепи, то 1-й, 2-й, 4-й и 5-й участки являются не информативными (рис. 5.11), но выполняют определенные нагрузки.

Па 1-м с 5'-конца участке находится сайт связывания с рибосомой. Это особая сигнальная последовательность Шайна — Дальгарно^[2] АГГАГГУ, которой соответствуют комплементарные нуклеотиды (УЦЦУЦЦА) на З'-конце рРНК. Благодаря такому соответствию мРНК закрепляется на рибосоме. Также считают, что 1-й с 5'-конца фрагмент защищает иРНК от экзонуклеаз. Такими свойствами он обладает благодаря особому строению: один из нуклеотидов — 7-метилгуанозин присоединен через трифосфатную группировку. В результате образуется «защитный козырек». Поэтому и весь 1-й участок называют кэп (англ, cap — кепка).

Рис. 5.11. Схематичное изображение структур иРНК:

серым цветом выделен информативный участок, который начинается инициирующим кодоном АУГ, а завершается одним из терминирующих кодонов (УГА, УАА или УАГ) Также не несут информации 2-й и 4-й фрагменты, которые различаются размерами. Протяженность 2-го участка составляет 30—100 нуклеотидов, а 4-го участка — достигает 100—1000 нуклеотидов. Эти зоны необходимы для акцептирования белковых факторов и связывания с рибосомой.

На З'-конце располагается 5-й участок — полиадениловый. Он тоже не информативен, но участвует в созревании и PH К эукариот, способствует переносу иРНК из ядра в цитоплазму и др.

Лишь 3-й, но порядку участок является информативным. Он выполняет кодирующую функцию, поэтому его иначе называют транслируемый фрагмент. Он начинается через 10—12 нуклеотидов от последовательности Шайна — Дальгарно и всегда открывается инициирующим кодоном АУГ. Завершается информативный фрагмент одним из терминирующих кодонов (УГА, УАА или УАГ).

Во вторичной структуре полинуклеотидная нить иРНК сворачивается, образуя короткие двухцепочечные участки, которые возникают благодаря спариванию комплементарных оснований, А с Т и Г с Ц.

Транспортная РНК составляет 15—16% всей массы РНК в клетке. Функция тРНК — перенос определенных аминокислот на рибосому в ходе белкового синтеза. То, что аминокислота доставляется в рибосому молекулами тРНК, доказано изотопными методами. В модельных системах, содержащих тРНК, связанные с аминокислотами, меченными изотопом ¹⁴С, концентрация меченых аминокислот уменьшается в соответствии с тем количеством, которое обнаруживается в синтезируемом белке.

В «алфавите» нуклеиновых кислот четыре «буквы» — А, Г, Ц, Т (У), а в «алфавите» белков — 20 «букв» (аминокислот). Роль переводчика наследственной информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков и выполняет тРНК.

Ее молекулы самые маленькие среди всех видов РНК. Они содержат в большинстве своем 75 нуклеотидов, поэтому изучены очень хорошо. Именно в молекулах тРНК обнаружено больше всего минорных азотистых оснований. Предполагают, что редкие азотистые остатки защищают тРНК от рибонуклеаз и участвуют в связывании и кодировании аминокислот. Во всех случаях З'-конец тРНК завершается триплетом ЦЦА (рис. 5.12).

Вторичная структура тРНК — это снирализованный сам на себя полинуклеотид, напоминающий, но форме клеверный лист. Биспиральные участки возникают за счет спаривания комплементарных пар А-Т и Г-Ц. Неспирализовенные зоны формируют петли.

Рис. 5.12. Схематичное изображение структур тРНК:

а — первичная; б — вторичная; в — третичная Наиболее значимые участки — это акцептирующий стебель и аитикодоповая петля. К акцептирующему стеблю через З'-концевой аденозин присоединяется аминокислота (см. рис. 13.16 и 13.17). В противоположной стороне, на антикодоновой петле есть триплет (антикодон), который комплементарен триплету (кодону) на иРНК. Для каждой тРНК ее антикодон — это особое сочетание нуклеотидов. Следовательно, после присоединения аминокислоты к акцептирующему стеблю каждая аминокислота получает свой шифр в антикодоновой петле тРНК.

В третичной структуре «клеверный лист» более компактно сложен и похож на заглавную букву Г или латинскую L. При этом антикодоновая петля и акцептирующий стебель пространственно разделены — расположены в противоположных концах.

Рибосомальная РНК определила название клеточной органеллы рибосомы. Термин «рибосома» предложил в 1958 г. Ричард Робертс вместо длинного определения — рибонуклеопротеиновая частица микросомальной фракции. А концепция формирования рибосомы, в которой молекула рРНК служит каркасом для присоединения рибосомных белков, выдвинута русским биохимиком Александром Сергеевичем Спириным (род. 1931 г.).

В зависимости от размера и молекулярной массы, которую определяют по константе седиментации, все рибосомы делят на два класса:

• • 70 S — присутствует у всех прокариот, а также в ядрах, митохондриях и хлоропластах эукариот;
• • 80 S — характерна для цитоплазмы эукариот.

Форма и структура рибосом, выделенных из разных источников, сходны. В каждой рибосоме выделяют две субъединицы: большую L (от англ, large) и малую S (от англ, small), также различающиеся константами седиментации. Стабилизация малой и большой субъединиц в одну рибосому происходит в присутствии катионов Mg²', концентрация которых должна достигать 0,001 М. Если концентрация Mg²'уменьшается на порядок — до 0,0001 М, то рибосомы диссоциируют:

70 5 — 30 5 + 50 5 80 5 40 5 + 60 5.

Рибосомальная РНК составляет основную массу всех видов РНК — 80—85% и выполняет при этом несколько функций:

• • служит структурной основой рибосомы;
• • связывает белковые факторы, необходимые для функционирования рибосомы;
• • взаимодействует с иРНК и тРНК, а также участвует в формировании белковой молекулы.

Первичная структура рРНК, как и у других видов нуклеиновых кислот, — полинуклеотидная цепь. Известно несколько видов рРНК, различающихся молекулярной массой, которую характеризуют константой седиментации S, — низкомолекулярные и высокомолекулярные рРНК. К низкомолекулярным относят рРНК 5 S и 5,8 5, содержащие по 120 и 158 нуклеотидных остатков соответственно. Высокомолекулярными считаются рРНК 16—18 S, включающие 1500—1800 нуклеотидных остатков, и 23—28 S, в которых содержится 2000—4500 нуклеотидов [27]. Они отличаются также различной локализацией в рибосоме, которая схематично отражена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Локализация рРНК в рибосомах Вторичная структура рРНК — спирализованный сам на себя однонитевый полинуклеотид. Возникает при сворачивании нити рРНК и спаривании комплементарных оснований (Л-Т и Г-Ц), при этом образуется то или иное количество биспиральных участков и петель. Вокруг них за счет электростатических сил ориентируются белки, формируя рибонуклеопротеиновый тяж.

Третичная структура рРНК — сворачивание рибонуклеопротеинового тяжа в компактную систему, которая собственно является рибосомной субъединицей.

Работы, направленные на изучение структур отдельных субъединиц рибосом и на раскрытие механизмов взаимодействий между всеми видами РНК, активно ведутся в последние десятилетия. «За исследования структуры и функций рибосомы» трое ученых-биохимиков: Венкатраман Рамакришнан из Великобритании, американец Томас Стейц и Ада Ионат из Израиля получили Нобелевскую премию по химии в 2009 г.

• [1] За единицу измерения константы седиментации принят 1 свёдберг (Св или S), равный10 13 с; эта константа зависит от массы и формы частицы (макромолекулы) и для белков изменяется в пределах 1—200 Св. Назван в честь шведского химика Теодора Свёдбсрга (1884—1974), удостоенного в 1926 г. Нобелевской премии «За работы в области дисперсных систем».
• [2] Описана австралийскими учеными Джоном Шайном и Линн Дальгарно.