Вторичная структура рнк. Структура и функции рибонуклеиновых кислот
Молекула РНК также полимер, мономерами которого является рибонуклеотиды, РНК представляет собой одноцепочную молекулу. Она построена таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК похожи на нуклеотиды ДНК, хотя и не тождественны им. Их тоже четыре, и они состоят из осатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три азотистых основания совершенно такие же, как в ДНК: А , Г и Ц . Однако вместо Т у ДНК в РНК присутствует близкое по строение пиримидиновое основание – урацил (У ). основное различие между ДНК и РНК – это характер углевода: в нуклотидах ДНК моносахарид – дезоксирибоза, а в РНК – рибоза. Связь между нуклеотидами осуществляется, как и в ДНК, через сахар и остаток фосфорной кислоты. В отличие от ДНК, содержание которой в клетках определенных организмов постоянно, содержание РНК в них колеблется. Оно заметно выше там, где происходит интенсивный синтез.
В отношении выполняемых функций различают несколько видов РНК.
Транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНк самые короткие: они состоят всего из 80-100 нуклеотидов. Молекулярная масса таких частиц равна 25-30 тыс. Транспортные РНК в основном содержатся в цитоплазме клетки. Функция их состоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетк на долю тРНК приходится около 10%.
Рибосомная РНК (рРНК). Это крупные молекулы: в их состав входит 3-5 тыс. нуклеотидов, соотвественно их молекулярная масса достигает 1-1,5 млн. Рибосомные РНК составляют существенную часть рибосомы. Из общего содержания РНК в клетке на долю рРНК приходится около 90%.
Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК), содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю иРНК приходится примерно 0,5-1% от общего содержания РНК клетки. Размер иРНК колеблется в широких пределах – от 100 до 10000 нуклеотидов.
Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служитсвоего рода матрицей.
ДНК – носитель наследсвенной нформации.
Каждый белок представлен одной или несколькими полипиптидными цепями. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипиптидной цепи, называют геном . Совокупность молекул ДНК клетки выполняет функцию носителя генетической информации. Генетическая информация передается как от материнской клетки дочерним клеткам, так и от родителей детям. Ген является единицей генетической , или наследственной, информации.
ДНК – носитель генетической информаци в клетке – непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках эукариот молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной оболочкой от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). По принципу комплементарности она синтезируется на ДНК при участие фермента, называемого РНК-полимеразой .
Информационная РНК – это однонитевая молекула, и транскрипция идет с одной цепи двунитевой молекулы ДНК. Она является копией не всей молекулы ДНК, а только части ее – одного гена у эукариот или группы рядом расположенных генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции, у прокариот. Такую группу генов называют опероном . В начале каждого оперона находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы, называемая промотором .это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, РНК-полиммераза способна начать интез РНК. Доядя до конца оперона, фермент встречает сигнал (в виде определенной последоватльности нуклеотидов), означающий конец считывания. Готовая иРНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белков.
В процессе транскрипции можно выделить четыре стадии: 1) связывание РНК -полимеразы с промотором; 2) инициация – начало синтеза. Оназаключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы РНК; 3) элонгация – рост цепи РНК; т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные им нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. Скорость элонгации 50 нуклеотидов в секунду; 4) терминация – завершение синтеза РНК.
Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации – перевод ее с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Синтез полипептидных цепей по матрице иРНК, происходящий в рибосомах, называют трансляцией (лат. translation – перевод).
Аминокислоты, из котрых синтезируютсябелки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (тРНК). В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине «листа» каждой тРНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в иРНК. Ее называют антикодоном. Специальный фермент – кодаза – опознает тРНК и присоединяет к «черешку листа» аминокислоту – только ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону. На образование ковалентной связи между тРНК и «своей» аминокислотой затрачивается энергия одной молекулы АТФ.
Для
того чтобы аминокислота включилась в
полипептидную цепь, она должна оторваться
от тРНК. Это становится возможным, когда
тРНК поступает на рибососму и антикодон
узнает свой кодон в иРНК. В рибосоме
имеется два участка для связывания двух
молекул тРНК. В один из этих участков,
называемый акцепторным
,
поступает тРНК с аминокислотой и
присоединяется к своему кодону (I).
Эта аминокислота присоединяет к себе
(акцептирует) растущую цепь белка (II)?
Между ними образуется пептидная связь.
тРНК, к которой теперь присоединяется
вместе с кодоном иРНК в донорный
участок рибосомы. В освободившийся
акцепторный участок приходит новая
тРНК, связанная с аминокислотой, которая
шифруется очередным кодоном (III).
Из донорного участка сюда вновь
переносится оторвавшаяся полипептидная
цепь и удлинняется еще на одно звено.
Аминокислоты в растущей цепи соединены
в той последовательности, в которой
расположены шифрующие их кодоны в иРНК.
Когда на рибосоме оказывается один из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА ), являющиеся «знаками препинания» между генами, ни одна тРНК не может занять место в акцепторном участке. Дело в том, что не существует антикодонов, комплементарных последовательностям нуклеотидов «знаков препинания». Оторвавшейся цепи не к чему присоединиться в акцепторном участке, и она покидает рибосому. Синтез белка завершен.
У прокариот синтез белков начинается с того, что кодон АУГ , расположенный на первом месте в копии с каждого гена, занимае в рибосоме такую позицию, что с ним взаимодействует антикодон особой тРНК, оединенной с формилментионином . Эта измененная форма аминокислоты метионина сразу попадает в донорный участок и выполняет роль заглавной буквы во фразе – с нее в бактериальной клетке начинается синтез любой полипептидной цепи. Когда триплет АУГ стоит не на первом месте, а внутри копии с гена, он кодирует аминокислоту метионин. После завершения синтеза полипептидной цепи формилметионин отщепляется от нее и в готовом белке отсуствует.
Для
увеличения производства белков иРНК
часто проходит одновременно не по одной,
а по нескольким рибосомам. Акую структуру,
объединенную одной молекулой иРНК,
называют полисомой
.
На каждой рибосоме вэтом похожем на
нитку бус конвейере синтезируются
одинаковые белки.
Аминокислоты бесперебойно поставляются к рибосомам с помощью тРНК. Отдав аминокислоту, тРНК покидает рибосому и с помощью кодазы соединяется. Высокая слаженность всех «служб комбината» по производсву белов позволяет в течении нескольких секунд синтезировать полипептидные цепи, состоящие из сотен аминокислот.
Свойства генетического кода. Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку
ДНК → иРНК → белок
Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах.
Каким
же образом происходит перевод информации
с «языка» нуклеотидов на «язык»
аминокислот? Такой перевод осуществляется
с помощью генетического кода. Код,
или шифр
,
- это система символов для перевода
одной формы информации в другую.
Генетический
код
–это
система записи информации о
последовательности расположения
аминокислот в белках с помощью
последовательности расположения
нуклеотидов в иРНК.
Какими же свойствами обладает генетический код?
Код триплетен . В состав РНК входят четыре нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двух буквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот. Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов, называемой триплетом или кодоном.
Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном. Исключения: метеонин и триптофан, каждая из которых кодируется одним триплетом.
Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.
Между генами имеется «знаки препинания». В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являетсяоперон и комплементарная ему иРНК. Каждый ген в опероне прокариот или отдельный ген эукариот кодирует одну полипептидную цепочку – фразу. Так как в ряде случаев по матрице иРНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом годе имеются три специальных триплета – УАА, УАГ, УГА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.
Внутри гена нет «знаков препинания».
Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушек и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.
Принципы репликации ДНК. Преемственность генетического материала в поколениях клеток и организмов обеспечивается процессом репликации – удвоения молекул ДНК. Этот сложный процесс осуществляется комплексом нескольких ферментов и не обладающих каталитической активностью белов, необходимых для придания полинуклеотидным цепям нужной конформации. В результате репликации образуются две идентичные двойные спирали ДНК. Эти так называемые дочерние молекулы ничем не отличаются друг от друга и от исходной материнской молекулы ДНК. Репликация происходит в клетке перед делением, поэтому каждая дочерняя клетка получает точно такие же молекулы ДНК, какие имела материнская клетка. Процесс репликации основан на ряде принципов:
Только
в этом случае ДНК-полимеразы способна
двигаться по материнским нитям и
использовать их в качестве матриц для
безошибочного синтеза дочерних цепей.
Но полное раскручивание спиралей,
состоящих из многих миллионов пар
нуклеотидов, сопряжено со столь
значительным числом вращений и такими
энергетическими затратами, которые
невозможны в условиях клетки. Поэтому
репликация у эукариот начинается
одновременно в некоторых местах молекулы
ДНК. Участок между двумя точками, в
которых начинается синтез дочерних
цепей, называют репликоном
.
Он является единицей
репликации.
В каждой молекуле ДНК эукариотической клетки имеется много репликонов. В каждом репликоне можно видеть репликативную вилку – ту часть молекулы ДНК, которая под действием специальных ферментов уже расплелась. Каждая нить в вилке служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы, при этом расплетаются новые участки ДНК. Так как ДНК-полимеразы могут двигаться лишь в одном направлении вдоль матричных нитей, а нити ориентированы антипараллельно, то в каждой вилке одновременно ведут синтез два разных ферментативных комплекса. Причем в каждой вилке одна дочерняя (лидирующая) цепь растет непрерывно, а другая (отстающая) синтезируется отдельными фрагментами длинной в несколько нуклеотидов. Такие ферменты, названые в честь открывшего их японского ученого фрагментами Оказаки , сшиваются ДНК-лигазой, образуя непрерывную цепь. Механизм образования дочерних цепей ДНК фрагментами называют прерывистыми.
Потребность в затравке ДНК-полимераза не способна начинать синтез лидирующей цепи, ни синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи. Она может лишь наращивать уже имеющуюся полинуклеотидную нить, последовательно присоединяя дезоксирибонуклеотиды к ее 3’-ОН концу. Откуда же берется начальный 5’-концевой участок растущей цепи ДНК? Его синтезирует на матрице ДНК особая РНК-полимераза, называемая праймазой (англ. Primer – затравка). Размер рибонуклеотидной затравки невелик (менее 20 нуклеотидов) в сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-поимеразой. Выполнившая сво. Функци. РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при эом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3’-ОН конец соседнего фрагмента Оказаки.
Проблема недорепликации концов линейных молекул ДНК. Удаление крайних РНК-праймеров, комплементрных 3’-концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче 10-20 нуклеотидов. В этом и заключается проблема недорепликации концов линейных молекул.
Проблема недорепликации 3’-концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента – теломеразы .
Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3’-концылинейных молекул ДНК хромосом короткими повторяющимися последовательностями. Они, располагаясь друг за другом, образуют регулярную концевую структуру длинной до 10 тыс. нуклеотидов. Помимо белковой части, теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами.
Схема удлинения концов молекул ДНК. Сначала происходит комплементарное связывание выступающего конца ДНК с матричным участком теломеразной РНК, затем теломераза наращивает ДНК, используя в качестве затравки ее 3’-ОН конец, а в качестве матрицы – РНК, входящую в состав фермента. Эта стадия называется элонгацией. После этого происходит транслокация, т.е. перемещение ДНК, удлиненной на один повтор, относительно фермента. Следом идет элонгация и очередная транслокация.
В результате образуются специализированные концевые структуры хромосом. Они состоят из многократно повторенных коротких последовательностей ДНК и специфических белков.
Синтез предшественников рРНК и тРНК сходен с синтезом ире-мРНК. Первичный транскрипт рибосомных РНК не содержит интронов, и при действии специфических РНКаз расщепляется с образованием 28S-, 18S- и 5,8S-pPHK; 5S-pPHK синтезируется при участии РНК-полимеразы III.
рРНК и тРНК.
Первичные транскрипты тРНК превращаются в зрелые формы также путем частичного гидролиза.
Все типы РНК участвуют в биосинтезе белков, но их функции в этом процессе различны. Роль матрицы, определяющей первичную структуру белков, выполняют матричные РНК (мРНК).Важное значение для изучения механизмов трансляции имеет использование бесклеточных систем биосинтеза белков. Если инкубировать гомогенаты тканей со смесью аминокислот, из которых хотя бы одна меченая, то по включению метки в белки можно регистрировать биосинтез белков. Первичная структура синтезируемого белка определяется первичной структурой мРНК, добавленной в систему. Если бесклеточная система составлена с глоби-новой мРНК (ее можно выделить из ретикулоцитов), синтезируется глобин (а- и (3-цепи глобина); если с альбуминовой мРНК, выделяемой из гепатоцитов, синтезируется альбумин, и т. д.
14. Значение репликации:
а) процесс является важным молекулярным механизмом, лежащим в основе всех разновидностей деления клеток проэукариот, б) обеспечивает все типы размножения как одноклеточных, так и многоклеточных организмов,
в) поддерживает постоянство клеточного
состава органов, тканей и организма в результате физиологической регенерации
г) обеспечивает длительное существование отдельных индивидуумов;
д) обеспечивает длительное существование видов организмов;
е) процесс способствует точному удвоениюинформации;
ж) в процессе репликации возможны ошибки (мутации) , что может приводить к нарушениям синтеза белков с развитием патологических изменений.
Уникальное свойство молекулы ДНК удваиваться перед делением клетки называется репликацией.
Особые свойства нативной ДНК как носителя наследственной информации:
1) реплицирование – образование новых цепей комплиментарно;
2) самокоррекция – ДНК-полимераза отщепляет ошибочно реплицированные участки (10-6);
3) репарация - восстановление;
Осуществление этих процессов происходит в клетке с участием специальных ферментов.
Как устроена система репарации Эксперименты, позволившие выявить механизмы восстановления и само существование этой способности, проводились с помощью одноклеточных организмов. Но процессы репарации присущи живым клеткам животных и человека. Некоторые люди страдают пигментной ксеродермой. Это заболевание вызвано отсутствием способности клеток ресинтезировать поврежденную ДНК. Ксеродерма передается по наследству. Из чего же состоит репарационная система? Четыре фермента, на которых держится процесс репарации – это ДНК-хеликаза, -экзонуклеаза, -полимераза и -лигаза. Первый из этих соединений способен распознавать повреждения в цепи молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Он не только распознает, но и обрезает цепь в нужном месте, чтобы удалить измененный отрезок молекулы. Само устранение осуществляется с помощью ДНК-экзонуклеазы. Далее происходит синтез нового участка молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты из аминокислот с целью полностью заменить поврежденный отрезок. Ну и финальный аккорд этой сложнейшей биологической процедуры совершается с помощью фермента ДНК-лигазы. Он отвечает за прикрепление синтезированного участка к поврежденной молекуле. После того как все четыре фермента сделали свою работу, молекула ДНК полностью обновлена и все повреждения остаются в прошлом. Вот так слаженно работают механизмы внутри живой клетки.
Классификация На данный момент ученые выделяют следующие разновидности систем репарации. Они активируются в зависимости от разных факторов. К ним относятся: Реактивация. Рекомбинационное восстановление. Репарация гетеродуплексов. Эксцизионная репарация. Воссоединение негомологичных концов молекул ДНК. Все одноклеточные организмы обладают как минимум тремя ферментными системами. Каждая из них обладает способностью осуществлять процесс восстановления. К этим системам относят: прямую, эксцизионную и пострепликативную. Этими тремя видами восстановления ДНК обладают прокариоты. Что касается эукариот, то в их распоряжении находятся дополнительные механизмы, которые называются Miss-mathe и Sos-репарация. Биология подробно изучила все эти виды самовосстановления генетического материала клеток.
15. Генети́ческий код - это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.
В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.
Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.
Свойства генетического кода
Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
Однозначность - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии) (Из этого свойства также есть ряд исключений, см. таблицу в разделе "Вариации стандартного генетического кода" в данной статье).
16.Условия биосинтеза
Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК - переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы - органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.
Этапы
Транскрипция - процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.
Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.
После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.
Трансляция - процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.
Биосинтез белка состоит из ряда реакций.
1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы.
2. Образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.
3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК - аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.
Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15-20 с.
Взаимодействие и строение ИРНК, ТРНК, РРНК — трех основных нуклеиновых кислот, рассматривает такая наука, как цитология. Она поможет выяснить, какова роль транспортной рибонуклеиновой кислоты (ТРНК) в клетках. Эта очень маленькая, но в то же время неоспоримо важная молекула принимает участие в процессе комбинирования белков, из которых состоит организм.
Каково строение ТРНК? Очень интересно рассмотреть «изнутри» это вещество, узнать его биохимию и биологическую роль. А также, как строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны?
Что такое ТРНК, как она устроена?
Транспортная рибонуклеиновая кислота участвует в построении новых белков. Почти 10 % всех рибонуклеиновых кислот — транспортные. Чтобы было понятно, из каких химических элементов образована молекула, расскажем строение вторичной структуры ТРНК. Вторичная структура рассматривает все основные химические связи между элементами.
Это макромолекула, состоящая из полинуклеотидной цепи. Азотистые основания в ней связаны водородными связями. Как и в ДНК, РНК имеет 4 азотистые основания: аденин, цитозин, гуанин, и урацил. В этих соединениях аденин всегда связан с урацилом, а гуанин, как обычно, с цитозином.
Почему нуклеотид имеет приставку рибо-? Просто все линейные полимеры, имеющие рибозу вместо пентозы в основании нуклеотида, называются рибонуклеиновыми. А транспортная РНК - это один из 3 видов именно такого, рибонуклеинового полимера.
Строение ТРНК: биохимия
Заглянем в самые глубокие слои строения молекулы. Эти нуклеотиды имеют 3 составляющие:
- Сахароза, во всех видах РНК участвует рибоза.
- Фосфорная кислота.
- Азотистые основания. Это пурины и пиримидины.
Азотистые основания соединяются между собой крепкими связями. Принято разделять основания на пуриновые и пиримидиновые.
Пурины - это аденин и гуанин. Аденину соответствует адениловый нуклеотид из 2 взаимосвязанных колец. А гуанину — соответствует такой же «однокольцовый» гуаниновый нуклеотид.
Пирамидины — это цитозин и урацил. Пиримидины имеют структуру из одного кольца. Тимина в РНК нет, так как его заменяет такой элемент, как урацил. Это важно понять, прежде чем обращать внимание на другие особенности строения ТРНК.
Виды РНК
Как видим, строение ТРНК кратко не описать. Нужно углубиться в биохимию, чтобы понять назначение молекулы и ее истинную структуру. Какие еще известны рибосомные нуклеотиды? Различают также матричную или информационную и рибосомную нуклеиновые кислоты. Сокращенно ИРНК и РРНК. Все 3 молекулы тесно сотрудничают в клетке друг с другом, чтобы организм получал правильно структурированные глобулы белка.
Невозможно представить работу одного полимера без помощи 2 других. Особенности строения ТРНК становятся более понятны, когда рассматриваются во взаимосвязи с функциями, которые напрямую связаны с работой рибосом.
Строение ИРНК, ТРНК, РРНК во многом похожи. Все имеют в основании рибозу. Однако структура и функции у них разные.
Открытие нуклеиновых кислот
Швейцарцем Иоганном Мишером были найдены в ядре клетки в 1868 году макромолекулы, названные нуклеинами впоследствии. Название «нуклеины» происходит от слова (nucleus) - ядро. Хотя немного позже было установлено, что у одноклеточных существ, не имеющих ядра, эти вещества также присутствуют. В середине XX века получена Нобелевская премия за открытие синтеза нуклеиновых кислот.
Функции ТРНК в синтезе белка
Само название — транспортная РНК говорит об основной функции молекулы. Эта нуклеиновая кислота «привозит» с собой необходимую аминокислоту, требуемую рибосомной РНК для создания конкретного белка.
У молекулы ТРНК функций немного. Первая — распознавание кодона ИРНК, вторая функция — это доставка строительных «кирпичиков» — аминокислот для синтеза белка. Еще некоторые специалисты выделяют акцепторную функцию. То есть присоединение по ковалентному принципу аминокислот. Помогает «прикрепить» эту аминокислоту такой фермент, как аминоцил-ТРНК-синтатаз.
Как строение ТРНК связано с ее функциями? Эта особенная рибонуклеиновая кислота устроена так, что на одной ее стороне имеются азотистые основания, которые всегда соединяются попарно. Это известные нам элементы — А, У, Ц, Г. Ровно 3 «буквы» или азотистые основания, составляют антикодон — обратный набор элементов, который взаимодействует с кодоном по принципу комплементарности.
Эта важная особенность строения ТРНК гарантирует, что ошибок при декодировании матричной нуклеиновой кислоты не будет. Ведь от точной последовательности аминокислот зависит правильно ли синтезируется нужный организму в настоящее время белок.
Особенности строения
Каковы особенности строения ТРНК и ее биологическая роль? Это очень древняя структура. Ее размеры где-то 73 - 93 нуклеотида. Молекулярная масса вещества - 25 000-30 000.
Строение вторичной структуры ТРНК можно разобрать, изучив 5 основных элементов молекулы. Итак, состоит эта нуклеиновая кислота из таких элементов:
- петля для контакта с ферментом;
- петля для контакта с рибосомой;
- антикодоновая петля;
- акцепторный стебель;
- сам антикодон.
И также выделяют малую вариабельную петлю во вторичной структуре. Одно плечо у всех видов ТРНК одинаково — стебель из двух остатков цитозина и одного — аденозина. Именно в этом месте происходит связь с 1 из 20 имеющихся в наличии аминокислот. Для каждой аминокислоты предназначен отдельный фермент — свой аминоацил-тРНК.
Вся информация, которая шифрует строение всех нуклеиновых кислот содержится в самой ДНК. Строение ТРНК у всех живых существ на планете практически идентичное. Она будет выглядеть, как лист, если рассматривать ее в 2-D формате.
Однако если взглянуть объемно, то молекула напоминает L-образную геометрическую структуру. Это считается третичная структура ТРНК. Но для удобства изучения ее принято визуально «раскручивать». Третичная структура образуется вследствие взаимодействия элементов вторичной структуры, тех частей, которые взаимокомплиментарны.
Плечи ТРНК или кольца играют важную роль. Одно плечо, например, необходимо для химической связи с определенным ферментом.
Характерной особенностью нуклеотида является наличие огромного числа нуклеозидов. Этих минорных нуклеозидов более 60 видов.
Строение ТРНК и кодирование аминокислот
Мы знаем, что антикодон ТРНК составляет 3 молекулы. Каждому антикодону соответствует определенная, «личная» аминокислота. Эта аминокислота соединена с молекулой ТРНК с помощью специального фермента. Как только 2 аминокислоты объединяются, связи с ТРНК распадаются. Все химические соединения и ферменты нужны до необходимого времени. Именно так взаимосвязаны строение и функции ТРНК.
Всего в клетке присутствует 61 тип таких молекул. Математических вариаций может быть 64. Однако 3 вида ТРНК отсутствуют по причине того, что именно такое количество стопкодонов в ИРНК не имеет антикодонов.
Взаимодействие ИРНК и ТРНК
Рассмотрим взаимодействие вещества с ИРНК и РРНК, а также особенности строения ТРНК. Структура и назначение макромолекулы взаимосвязаны.
Структура ИРНК копирует информацию с отдельного участка ДНК. Сама ДНК слишком крупное соединение молекул, и она никогда не выходит из ядра. Поэтому нужна посредническая РНК — информационная.
На основе последовательности молекул, которые скопировала ИРНК, рибосома строит белок. Рибосома — это отдельная полинуклеотидная структура, строение которой нужно разъяснить.
Рибосомная ТРНК: взаимодействие
Рибосомная РНК это огромная органелла. Ее молекулярный вес 1 000 000 - 1 500 000. Почти 80 % всего количества РНК — именно рибосомные нуклеотиды.
Она как бы захватывает цепь ИРНК и ждет антикодонов, которые принесут с собой молекулы ТРНК. Состоит рибосомная РНК из 2 субъединиц: малой и большой.
Рибосому называют «фабрикой», поскольку в этой органелле и происходит весь синтез нужных для повседневной жизни веществ. Это также очень древняя структура клетки.
Как происходит синтез белка в рибосоме?
Строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны. Расположенный антикодон на одной из сторон рибонуклеиновой кислоты подходит по своей форме для основной функции — доставки аминокислот к рибосоме, где происходит поэтапное выстраивание белка. По сути, ТРНК выполняет роль посредника. Ее задача лишь принести необходимую аминокислоту.
Когда информация считывается с одной части ИРНК, рибосома движется дальше по цепи. Матрица нужна только для передачи кодированной информации о конфигурации и функции отдельно взятого белка. Далее подходит к рибосоме другая ТРНК со своими азотистыми основаниями. Она также декодирует следующую часть ИРНК.
Декодирование происходит следующим образом. Азотистые основания объединяются по принципу комплементарности точно так же, как в самой ДНК. Соответственно, ТРНК видит, куда ему нужно «причалить» и в какой «ангар» отправить аминокислоту.
Затем в рибосоме выбранные таким способом аминокислоты химически связываются, шаг за шагом формируется новая линейная макромолекула, которая после окончания синтеза закручивается в глобулу (шар). Использованные ТРНК и ИРНК, выполнив свою функцию, удаляются от «фабрики» белка.
Когда первая часть кодона соединяется с антикодоном, определяется рамка считывания. Впоследствии, если происходит по каким-то причинам сдвиг рамки, то какой-то признак белка будет бракован. Рибосома же не может вмешаться в этот процесс и решить проблему. Только после завершения процесса 2 субъединицы РРНК снова объединяются. В среднем на каждые 10 4 аминокислот приходится по 1 ошибке. На 25 уже собранных белков обязательно встречается хоть 1 ошибка репликации.
ТРНК как реликтовые молекулы
Так как ТРНК, возможно, существовали во времена зарождения жизни на земле, ее называют реликтовой молекулой. Считается, что РНК первейшая структура, которая существовала до ДНК, а затем эволюционировала. Гипотеза мира РНК — сформулирована в 1986 году лауреатом Уолтером Гильбертом. Однако доказать это пока сложно. В защиту теории выступают очевидные факты — молекулы ТРНК в состоянии хранить блоки информации и как-то реализовывать эти сведения, то есть выполнять работу.
Но противники теории утверждают - небольшой период жизни вещества не может гарантировать, что ТРНК хороший носитель любой биологической информации. Эти нуклеотиды быстро распадаются. Срок жизни ТРНК в клетках человека колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Некоторые виды могут продержаться до суток. А если говорить о таких же нуклеотидах в бактериях, то тут сроки намного меньше — до нескольких часов. К тому же строение и функции ТРНК слишком сложны, чтобы молекула могла стать первичным элементом биосферы Земли.
Все тРНК имеют общие черты как в их первичной структуре, так и в способе складывания полинуклеотидной цепи во вторичную структуру за счет взаимодействий между основаниями нуклеотидных остатков.
Первичная структура тРНК
тРНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Все тРНК имеют одинаковый 3"-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного - аденозина (CCA-конец). Именно 3"-концевой аденозин связывается с аминокислотным остатком при образовании аминоацил-тРНК. CCA-конец присоединяется ко многим тРНК с помощью специального фермента. Нуклеотидный триплет, комплементарный кодону для аминокислоты (антикодон), находится приблизительно в середине цепи тРНК. В отдельных положениях последовательности практически у всех видов тРНК встречаются одни и те же (консервативные) нуклеотидные остатки. В некоторых положениях могут находиться или только пуриновые, или только пиримидиновые основания (их называют полуконсервативными остатками).
Для всех молекул тРНК характерно присутствие большого числа (до 25% всех остатков) разнообразных модифицированных нуклеозидов, часто называемых минорными. Они образуются в различных местах молекул, во многих случаях четко определенных, в результате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.
Вторичная структура тРНК
складывания цепи во вторичную структуру происходит за счет взаимокомплементарности участков цепи. Три фрагмента цепи оказываются комплементарными при складывании их на себя, образуя шпилькообразные структуры. Кроме того, 5"-конец комплементарен участку, близкому к 3"-концу цепи, при их антипараллельном расположении; они формируют так называемый акцепторный стебель. В результате образуется структура, характеризующаяся наличием четырех стеблей и трех петель, которая получила название "клеверного листа". Стебель с петлей формируют ветвь. Внизу расположена антикодоновая ветвь, содержащая антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). Нуклеотидные последовательности всех изученных тРНК могут быть сложены в аналогичные структуры. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V-петлю). Ее размеры резко различаются у разных тРНК, варьируя, от 4 до 21 нуклеотида, а по последним данным, и до 24 нуклеотидов.
Пространственная (третичная) структура тРНК
За счет взаимодействия элементов вторичной структуры формируется третичная структура, которая получила название L-формы из-за сходства с латинской буквой L (рис. 2 и 3). За счет стэкинга оснований акцепторный стебель и T-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, а два других стебля - антикодоновый и D - другую непрерывную двойную спираль. При этом D- и T-петли оказываются сближенными и скрепляются между собой путем образования дополнительных, часто необычных пар оснований. В образовании этих пар, как правило, принимают участие консервативные или полуконсервативные остатки. Аналогичные третичные взаимодействия скрепляют и некоторые другие участки L-структуры
Рибосомная РНК
Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) - несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции - считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами. Рибосомная РНК составляет примерно 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, находящимися в ДНК нескольких хромосом, расположенных в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора.
Последовательность оснований в рРНК сходна у всех организмов - от бактерий до животных. рРНК содержится в цитоплазме, где она связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы, называемые рибосомами. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь "код", заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.
Транспортная РНК
Транспортная РНК, тРНК - рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса.
Для каждой аминокислоты существует своя тРНК.
тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию "клеверного листа". В ней выделяют четыре главные части, выполняющие различные функции. Акцепторный "стебель" образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Он состоит из семи пар оснований. 3"-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей - антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.
Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания -дигидроуридин (D-петля) и триплет T?C, где? - псевдоуриаин (Т?С-петля). Между аитикодоновой и Т?С-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.
Аминокислота ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.
тРНК служит промежуточной молекулой между триплетным кодоном в мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. На долю тРНК приходится примерно 15% всей клеточной РНК;у этих РНК самая короткая полинуклеотидная цепь - в ней находится в среднем 80 нуклеотидов. В каждой отдельной клетке содержится более 20 различных молекул тРНК. Все молекулы тРНК имеют сходную основную структуру. На 5`-конце молекулы тРНК всегда находится гуанин, а на 3`-конце - последовательность оснований ЦЦА.
Последовательность нуклеотидов в остальной части молекулы варьирует и может содержать "необычные" основания, такие как инозин и псевдоурацил.
Последовательность оснований в триплете антикодона строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК.
Рис. 3.
Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфичных тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтазы. В результате образуется комплекс анимокислота-тРНК, известный как анимоацил-тРНК, в котором энергия связей между концевым нуклеотидом А в триплете ЦЦА и аминокислотой достаточна, чтобы в дальнейшем могла образовываться связь с соседней аминокислотой. Таким образом, синтезируется полипептидная цепь.
Одной из особенностей тРНК является наличие в ней необычных оснований, возникающих вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Эти измененные основания обусловливают большое структурное многообразие тРНК при общем плане их строения. Наибольший интерес представляют модификации оснований, формирующих антикодон, которые влияют на специфичность его взаимодействия с кодоном. Например, нетипичное основание инозин, иногда стоящий в 1-м положении антикодона тРНК, способен комплементарно соединяться с тремя разными третьими основаниями кодона мРНК - У, Ц и А. Так как одной из особенностей генетического кода является его вырожденность, многие аминокислоты шифруются несколькими кодонами, которые, как правило, различаются своим третьим основанием. Благодаря неспецифичности связывания модифицированного основания антикодона одна тРНК узнает несколько кодонов-синонимов.