Рибонуклеиновая кислота (РНК) в школьном курсе часто остаётся в тени ДНК: «копия гена, по которой строится белок». Но в клетке РНК выполняет гораздо больше работ: переносит информацию, доставляет аминокислоты, катализирует образование пептидных связей, регулирует работу генов, защищает от вирусов. У многих вирусов РНК служит единственным носителем наследственной информации. В статье РНК разобрана системно: строение, отличия от ДНК, виды, синтез и созревание, участие в синтезе белка, регуляторные РНК, РНК-вирусы и использование РНК в медицине.
- 1. Строение РНК
- 2. Сравнение РНК и ДНК
- 3. Виды РНК
- 4. Синтез РНК: транскрипция
- 5. Созревание РНК у эукариот
- 6. РНК в синтезе белка
- 7. Регуляторные РНК
- 8. РНК-вирусы
- 9. РНК в медицине
- 10. Типичные ошибки
- 11. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Строение РНК
РНК — полимер, мономерами которого служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид РНК состоит из трёх частей:
- азотистого основания — аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) или урацила (У);
- пятиуглеродного сахара — рибозы;
- остатка фосфорной кислоты.
Нуклеотиды соединяются в цепь фосфодиэфирными связями: фосфат одного нуклеотида связывает 3′-атом углерода рибозы предыдущего и 5′-атом углерода следующего. Поэтому у цепи есть два разных конца — 5′ и 3′, и цепь имеет направление. Синтез РНК всегда идёт от 5′-конца к 3′-концу.
Молекула РНК обычно одноцепочечная. Но отдельные участки одной цепи могут быть комплементарны друг другу (А — У, Г — Ц), и тогда цепь складывается, образуя двухцепочечные «шпильки» и петли. Поэтому молекула РНК, в отличие от прямой двойной спирали ДНК, может принимать сложную пространственную форму — как белок. От формы зависит функция: так устроены тРНК, рРНК и рибозимы.
2. Сравнение РНК и ДНК
| Признак | ДНК | РНК |
|---|---|---|
| Сахар | Дезоксирибоза | Рибоза (у 2′-атома углерода есть группа −OH) |
| Азотистые основания | А, Г, Ц, Т | А, Г, Ц, У |
| Число цепей | Обычно две (двойная спираль) | Обычно одна, со складками и шпильками |
| Размер молекулы | Огромный (до сотен миллионов нуклеотидов) | От 20 до десятков тысяч нуклеотидов |
| Где находится у эукариот | Ядро, митохондрии, пластиды | Ядро (синтез), ядрышко, цитоплазма, рибосомы, митохондрии, пластиды |
| Устойчивость | Высокая | Ниже: 2′-OH-группа облегчает разрыв цепи |
| Функции | Хранение наследственной информации | Передача и реализация информации, катализ, регуляция; хранение у РНК-вирусов |
| Удвоение | Реплицируется | Синтезируется на ДНК (транскрипция); реплицируется только у РНК-вирусов |
Почему для хранения информации используется именно ДНК? Во-первых, без 2′-OH-группы цепь ДНК гораздо устойчивее. Во-вторых, вместо урацила в ДНК тимин. Цитозин может самопроизвольно терять аминогруппу и превращаться в урацил; если бы урацил был обычным основанием ДНК, клетка не могла бы отличить такое повреждение от нормы. А в ДНК урацил — всегда ошибка, и ферменты его удаляют. В-третьих, две цепи ДНК позволяют восстанавливать повреждения одной цепи по другой.
3. Виды РНК
| Вид | Доля в клетке | Размер | Функция |
|---|---|---|---|
| Рибосомная (рРНК) | Около 80 % всей РНК | От 120 до 5000 нуклеотидов | Входит в состав рибосом, образует их каркас и катализирует образование пептидной связи |
| Транспортная (тРНК) | Около 15 % | 70–90 нуклеотидов | Доставляет аминокислоты к рибосоме и «узнаёт» кодон мРНК своим антикодоном |
| Информационная (матричная, мРНК) | Около 2–5 % | От сотен до десятков тысяч нуклеотидов | Переносит информацию о строении белка от ДНК к рибосомам |
| Малые ядерные РНК | Доли процента | 100–200 нуклеотидов | Участвуют в сплайсинге |
| Микро-РНК и малые интерферирующие РНК | Доли процента | 21–24 нуклеотида | Подавляют работу определённых мРНК |
| Длинные некодирующие РНК | Доли процента | Более 200 нуклеотидов | Регулируют работу генов (например, РНК Xist инактивирует одну Х-хромосому у самок млекопитающих) |
Почему мРНК так мало, хотя именно она несёт информацию? мРНК живёт недолго (у бактерий — минуты, у эукариот — часы), а рРНК и тРНК — устойчивые молекулы, работающие многократно. Кроме того, в клетке миллионы рибосом.
Строение тРНК
Молекула тРНК складывается в форму, которую на плоском рисунке изображают в виде клеверного листа, а в пространстве она имеет форму буквы «Г». Важные участки:
- акцепторный конец (3′-конец с последовательностью ЦЦА), к которому присоединяется аминокислота;
- антикодоновая петля с тремя нуклеотидами — антикодоном, комплементарным кодону мРНК.
Присоединение «правильной» аминокислоты к тРНК обеспечивают ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы: для каждой аминокислоты свой фермент, который узнаёт и аминокислоту, и соответствующие ей тРНК. На это расходуется энергия АТФ. Именно синтетазы «переводят» с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
4. Синтез РНК: транскрипция
Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Её осуществляет фермент РНК-полимераза.
- РНК-полимераза связывается с промотором — участком ДНК перед геном, указывающим начало и направление транскрипции.
- Фермент расплетает небольшой участок двойной спирали (около 10–20 пар нуклеотидов).
- На одной из цепей — матричной (транскрибируемой) — по принципу комплементарности собирается цепь РНК: напротив А ДНК встаёт У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г. Новая цепь растёт от 5′ к 3′, а матричная цепь читается от 3′ к 5′.
- За ферментом двойная спираль ДНК восстанавливается.
- Дойдя до терминатора, фермент отделяется от ДНК и освобождает РНК.
Последовательность РНК совпадает с последовательностью второй, нематричной (кодирующей) цепи ДНК, с заменой Т на У.
У бактерий одна РНК-полимераза синтезирует все виды РНК. У эукариот три основные: РНК-полимераза I синтезирует большие рРНК, II — мРНК и большинство малых РНК, III — тРНК и малую 5S рРНК.
5. Созревание РНК у эукариот
У эукариот транскрипция идёт в ядре, а синтез белка — в цитоплазме. Первичный продукт транскрипции гена белка — пре-мРНК. Прежде чем покинуть ядро, она проходит процессинг:
- Кэпирование — к 5′-концу присоединяется «шапочка» из видоизменённого гуанинового нуклеотида. Она защищает мРНК от разрушения и нужна для связывания с рибосомой.
- Полиаденилирование — к 3′-концу присоединяется цепочка из 100–250 адениловых нуклеотидов (поли-А-хвост), повышающая устойчивость мРНК.
- Сплайсинг — вырезание участков, не несущих информации о белке (интронов), и сшивание оставшихся участков (экзонов). Его выполняет крупный комплекс — сплайсосома, основу которого составляют малые ядерные РНК.
Благодаря альтернативному сплайсингу (сшиванию экзонов в разных сочетаниях) с одного гена могут синтезироваться разные белки. У человека около 20 тысяч генов белков, но благодаря альтернативному сплайсингу разных белков гораздо больше.
Зрелая мРНК выходит из ядра через ядерные поры. У прокариот процессинга мРНК нет: рибосомы начинают синтез белка на ещё не законченной мРНК.
6. РНК в синтезе белка
В трансляции — синтезе белка на рибосоме — участвуют все три основных вида РНК:
- мРНК служит матрицей: каждые три нуклеотида (кодон) определяют одну аминокислоту; кодон АУГ — стартовый, кодоны УАА, УАГ, УГА — стоп-кодоны;
- тРНК доставляют аминокислоты; антикодон тРНК комплементарен кодону мРНК;
- рРНК образует основу рибосомы, удерживает мРНК и тРНК и катализирует образование пептидной связи. Активный центр рибосомы, где соединяются аминокислоты, построен только из рРНК — рибосома является рибозимом (см. статью «Рибозимы»).
Одну мРНК одновременно транслируют несколько рибосом, образуя полисому; так с одной мРНК быстро синтезируется много молекул белка.
Закрепить тему можно в уроках «Нуклеиновые кислоты: РНК», «Транскрипция и трансляция», «Генетический код» и в тренажёре по теме 2.5.
7. Регуляторные РНК
В 1998 году Эндрю Файер и Крейг Мелло обнаружили у червя нематоды, что введение в клетки двухцепочечной РНК, совпадающей с участком гена, «выключает» этот ген. Явление назвали РНК-интерференцией (Нобелевская премия 2006 года).
- Двухцепочечная РНК разрезается ферментом на короткие фрагменты длиной около 21 нуклеотида.
- Одна цепь фрагмента встраивается в белковый комплекс и служит «наводчиком».
- Комплекс находит мРНК, комплементарную этой цепи, и разрезает её или блокирует трансляцию.
Этот механизм служит для защиты от вирусов (у растений и беспозвоночных) и для регуляции собственных генов: клетки человека синтезируют сотни видов микро-РНК, которые регулируют работу большей части генов. Нарушения микро-РНК связаны с развитием опухолей.
Ещё один пример регуляции — рибопереключатели у бактерий: участок мРНК меняет свою форму, связав определённое вещество (например, витамин), и тем самым включает или выключает синтез белка.
8. РНК-вирусы
У многих вирусов наследственный материал — РНК. Их размножение требует особых ферментов, так как клетка не умеет копировать РНК по РНК.
| Группа | Как размножается | Примеры |
|---|---|---|
| РНК-вирусы с «плюс»-цепью | Геномная РНК сразу служит мРНК; вирусный фермент РНК-зависимая РНК-полимераза копирует её | Вирусы полиомиелита, гепатита C, коронавирусы |
| РНК-вирусы с «минус»-цепью | Геномная РНК комплементарна мРНК; вирусная полимераза сначала синтезирует мРНК | Вирусы гриппа, кори, бешенства |
| Ретровирусы | Фермент обратная транскриптаза синтезирует ДНК на матрице РНК; ДНК встраивается в хромосому клетки | ВИЧ |
Ферменты, копирующие РНК, не исправляют ошибок, поэтому РНК-вирусы мутируют очень быстро. Именно поэтому вакцину от гриппа обновляют каждый год, а ВИЧ быстро приобретает устойчивость к лекарствам. Открытие обратной транскрипции (Говард Темин и Дэвид Балтимор, 1970) показало, что информация может передаваться не только от ДНК к РНК, но и от РНК к ДНК.
9. РНК в медицине
- мРНК-вакцины. В организм вводят мРНК, кодирующую белок возбудителя, упакованную в липидные частицы. Клетки синтезируют белок, и иммунная система учится его узнавать. Чтобы мРНК не вызывала лишнего воспаления и не разрушалась быстро, в ней заменяют уридин на видоизменённый нуклеозид (псевдоуридин). За это открытие Каталин Карико и Дрю Вайсман получили Нобелевскую премию 2023 года.
- Препараты малых интерферирующих РНК «выключают» мРНК белков, вызывающих болезни (например, при наследственном амилоидозе).
- Антисмысловые олигонуклеотиды — короткие цепочки, связывающиеся с пре-мРНК и меняющие сплайсинг; так лечат спинальную мышечную атрофию.
- Диагностика: обнаружение РНК вирусов методом ПЦР с обратной транскрипцией (см. статью «ПЦР»).
10. Типичные ошибки
- «В РНК есть тимин» — урацил (тимин встречается в некоторых тРНК лишь как видоизменённое основание).
- «РНК всегда одноцепочечна и не образует пар оснований» — внутри одной цепи образуются комплементарные участки (шпильки); у некоторых вирусов РНК двухцепочечная.
- «Антикодон находится в мРНК» — в тРНК; в мРНК — кодон.
- «Аминокислоту к тРНК присоединяет рибосома» — фермент аминоацил-тРНК-синтетаза.
- «Больше всего в клетке мРНК» — больше всего рРНК.
- «Транскрипция идёт по обеим цепям ДНК» — для данного гена — по одной, матричной.
- «рРНК синтезируется в рибосомах» — в ядрышке (у эукариот), где из неё и белков собираются субъединицы рибосом.
11. Для олимпиад
Неоднозначное соответствие кодонов и тРНК
Кодонов, кодирующих аминокислоты, 61, а видов тРНК в клетке обычно меньше (у бактерий 30–40). Это возможно благодаря неоднозначному спариванию (гипотеза Фрэнсиса Крика, 1966): первое основание антикодона (оно спаривается с третьим основанием кодона) может образовывать нестандартные пары — например, Г с У, а видоизменённое основание инозин — с У, Ц или А. Поэтому одна тРНК может узнавать несколько кодонов, различающихся третьим нуклеотидом. Это объясняет, почему вырожденность кода связана в основном с третьим положением кодона.
Редактирование РНК
Последовательность мРНК не всегда точно совпадает с геном. При редактировании отдельные основания в РНК изменяются ферментами: например, у человека в мРНК белка аполипопротеина B в клетках кишечника цитозин превращается в урацил, появляется стоп-кодон, и синтезируется укороченный белок. В митохондриях трипаносом редактирование вставляет и удаляет сотни урацилов.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Выберите три признака, отличающих РНК от ДНК.
- Содержит рибозу.
- Мономер — нуклеотид.
- Содержит урацил.
- Содержит остаток фосфорной кислоты.
- Обычно состоит из одной цепи.
- Содержит аденин.
Разбор
Ответ: 135. Нуклеотиды, фосфат и аденин есть в обеих нуклеиновых кислотах.
Задание 2
Установите соответствие между функцией и видом РНК (А — мРНК, Б — тРНК, В — рРНК): 1) содержит антикодон; 2) катализирует образование пептидной связи; 3) переносит информацию о первичной структуре белка; 4) присоединяет аминокислоту к 3′-концу; 5) входит в состав субъединиц рибосом; 6) содержит кодоны.
Разбор
1 — Б, 2 — В, 3 — А, 4 — Б, 5 — В, 6 — А.
Задание 3
Фрагмент матричной цепи ДНК: 3′-ТАЦГГАТТЦ-5′. Определите последовательность мРНК и антикодоны тРНК, которые будут взаимодействовать с этой мРНК.
Разбор
1) мРНК комплементарна матричной цепи и антипараллельна ей: 5′-АУГЦЦУААГ-3′. 2) Кодоны: АУГ, ЦЦУ, ААГ. 3) Антикодоны тРНК (записанные от 5′ к 3′): ЦАУ, АГГ, ЦУУ — каждый комплементарен своему кодону и антипараллелен ему.
Задание 4
Белок состоит из 150 аминокислот. Сколько нуклеотидов содержит кодирующая часть его мРНК (без стоп-кодона)? Сколько молекул тРНК доставит аминокислоты? Почему ген эукариот, кодирующий этот белок, содержит гораздо больше 450 пар нуклеотидов?
Разбор
1) Каждую аминокислоту кодирует триплет: 150 × 3 = 450 нуклеотидов. 2) Каждая тРНК доставляет одну аминокислоту: 150 молекул тРНК. 3) Ген эукариот включает интроны, которые вырезаются при сплайсинге, а также регуляторные участки (промотор) и нетранслируемые участки мРНК; со стоп-кодоном кодирующая часть — 453 нуклеотида.
Задание 5
Почему мРНК в клетке разрушается быстро, а рРНК — медленно? Какое значение это имеет?
Разбор
1) мРНК — временная копия гена; её быстрое разрушение позволяет клетке быстро прекращать синтез ненужного белка и регулировать работу генов. 2) рРНК входит в состав рибосом, которые работают многократно, и защищена белками рибосомы. 3) Поэтому количество белка определяется скоростью синтеза и разрушения мРНК, а рибосомы используются для синтеза разных белков.
Задание 6
Объясните, почему вирус гриппа мутирует быстрее, чем вирус оспы (ДНК-вирус).
Разбор
1) Геном вируса гриппа — РНК; её копирует вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза, не исправляющая ошибок. 2) ДНК-полимеразы проверяют и исправляют ошибки, поэтому частота мутаций у ДНК-вирусов на порядки ниже. 3) Кроме того, геном гриппа состоит из отдельных сегментов, которые могут перемешиваться при заражении клетки двумя штаммами.
Задание 7
Какие этапы проходит пре-мРНК эукариот перед выходом из ядра? Зачем нужен каждый этап?
Разбор
1) Кэпирование 5′-конца — защита от разрушения, связывание с рибосомой. 2) Полиаденилирование 3′-конца — повышение устойчивости, выход из ядра. 3) Сплайсинг — удаление интронов и соединение экзонов, чтобы мРНК содержала непрерывную кодирующую последовательность.
Задание 8
Почему антибиотик, подавляющий бактериальную РНК-полимеразу (рифампицин), применяют для лечения туберкулёза, и почему он мало действует на клетки человека?
Разбор
1) Рифампицин связывается с РНК-полимеразой бактерий и останавливает транскрипцию, а значит, синтез белков возбудителя. 2) РНК-полимеразы эукариот устроены иначе, и антибиотик с ними почти не связывается. 3) Поэтому он избирательно подавляет бактерии, в том числе микобактерии туберкулёза.
Задание 9 (олимпиадное)
В клетке 61 смысловой кодон, но всего 40 видов тРНК. Как это возможно? Почему вырожденность генетического кода связана главным образом с третьим нуклеотидом кодона?
Разбор
1) Первое основание антикодона, спаривающееся с третьим основанием кодона, может образовывать нестандартные пары (Г — У, инозин с У, Ц, А) — неоднозначное спаривание. 2) Поэтому одна тРНК узнаёт несколько кодонов, различающихся третьим основанием. 3) Кодоны одной аминокислоты чаще всего отличаются именно третьим основанием, и ошибки в этом положении (мутации или неточное спаривание) обычно не меняют аминокислоту.
Задание 10 (олимпиадное)
В клетки червя ввели двухцепочечную РНК, совпадающую с участком гена белка мышц. Через сутки черви стали двигаться ненормально, хотя ген не изменился. Объясните механизм.
Разбор
1) Двухцепочечная РНК разрезается ферментом на короткие фрагменты. 2) Одна цепь фрагмента в составе белкового комплекса находит комплементарную ей мРНК гена мышечного белка. 3) Комплекс разрезает эту мРНК, белок не синтезируется — работа гена подавлена без изменения ДНК (РНК-интерференция).
Литература
- Спирин А. С. Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка. — М.: Академия, 2011.
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — М.: Мир.
- Fire A. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. Vol. 391. P. 806–811.
- Karikó K. et al. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA // Immunity. 2005. Vol. 23. P. 165–175.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…