Основные биополимеры клетки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт медицины, экологии и физической культуры

В.Ф. Сыч, Н.А. Курносова, Е.П. Дрождина

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Часть 1. Биополимеры живых систем

Учебное пособие

Ульяновск

2008

УДК 577

ББК 28.070

С 95

Печатается по решению Ученого совета

Института медицины, экологии и физической культуры

Ульяновского государственного университета

Рецензент:

кандидат медицинских наук Е.В. Слесарева

Сыч, В. Ф.

С 95 Основы молекулярной биологии: учеб. пособие. Ч. 1. Биополимеры живых систем / В. Ф. Сыч, Н. А. Курносова, Е. П. Дрождина. – Ульяновск: УлГУ, 2008. – 64 с.

В пособии отражено небольшое количество фундаментальных тем, имеющих исключительно важное значение для познания живой природы. Одна из основных задач пособия – изложение материала в достаточно простой и лаконичной форме. Приведенные иллюстрации и схемы позволят освоить непростые молекулярно-биологические понятия, помогут студентам преодолеть различия между школьным и университетским курсами биологии.

Пособие предназначено для студентов 1-го курса медицинского и экологического факультетов, изучающих дисциплины «Основы молекулярной биологии» (элективный курс), «Биология с экологией», «Общая биология».

УДК 577

ББК 28.070

Сыч В.Ф., Курносова Н.А., Дрождина Е.П., 2008

Ульяновский государственный университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................... 4

1. Основные биополимеры клетки.......................................................... 5

1.1. Белки.................................................................................................. 5

Состав и пространственная организация белковой молекулы... 5

Функции белков............................................................................ 12

1.2. Нуклеиновые кислоты..................................................................... 14

Химический состав в строение ДНК.......................................... 14

Полиморфизм двойной спирали ДНК......................................... 17

Функции ДНК............................................................................... 18

Структура РНК.......................................................................... 18

Виды РНК.................................................................................... 20

Функции РНК............................................................................... 24

Концепция «Мир РНК»............................................................... 25

2. Основные матричные процессы........................................................ 27

2.1. Репликация ДНК............................................................................. 27

Основные принципы репликации ДНК........................................ 27

Особенности репликации............................................................ 28

Ферменты, участвующие в репликации ДНК............................ 30

2.2. Транскрипция................................................................................. 36

Принципы транскрипции........................................................... 37

РНК-полимеразы......................................................................... 37

Этапы транскрипции................................................................. 39

Процессинг РНК.......................................................................... 42

2.3. Трансляция...................................................................................... 46

Подготовительные стадии........................................................ 47

Этапы трансляции..................................................................... 48

Формирование пространственной структуры белков............. 54

2.4. Регуляция биосинтеза белка........................................................... 56

Регуляция генной активности у прокариот.............................. 57

Особенности регуляции синтеза белка у эукариот................... 59

Контрольные вопросы.............................................................................. 62

Библиографический список....................................................................... 63

Введение

Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая явления жизни на уровне макромолекул, сформировалась в середине XX века, когда была установлена генетическая роль и структура ДНК. В результате выдающихся открытий Дж. Уотсона, Ф. Крика, Г. Кораны, А. Корнберга и других крупнейших молекулярных биологов в середине 60-х годов XX века утвердилась «центральная догма молекулярной биологии», формулирующая магистральный путь реализации генетической информации в клетке: ДНК ® РНК ® белок. Впоследствии «центральная догма молекулярной биологии» была детализирована и дополнена представлениями о существовании процесса обратной транскрипции (биосинтезе ДНК на матрице РНК) и репликации РНК:

К настоящему времени молекулярная биология накопила огромный запас уже устоявшихся фактов, которые изложены в классических учебниках и справочных пособиях. С другой стороны, молекулярная биология продолжает стремительно развиваться, возникают принципиально новые методические подходы в изучении молекулярных основ жизнедеятельности клетки. В связи с этим предлагаемое пособие содержит не только достаточно известные и устоявшиеся научные сведения, но и знакомит студентов с последними достижениями науки.

В пособии отражено относительно небольшое количество фундаментальных тем, имеющих исключительно важное значение для познания живой природы. Одна из основных задач пособия – изложение материала в достаточно простой и лаконичной форме. Приведенные иллюстрации и схемы позволят освоить непростые молекулярно-биологические понятия, помогут студентам преодолеть различия между школьным и университетским курсами биологии. Пособие предназначено для студентов 1-го курса медицинского и экологического факультетов, изучающих дисциплины «Основы молекулярной биологии» (элективный курс), «Биология с экологией», «Общая биология».

ОСНОВНЫЕ БИОПОЛИМЕРЫ КЛЕТКИ

Белки

Состав и пространственная организация белковой молекулы

Белки представляют собой биополимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Известно более 170 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков. Их называют протеиногенными.

Протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами (рис. 1) и имеют L-конфигурацию. Благодаря своему строению аминокислоты обладают амфотерными свойствами, т. е. одновременно проявляют свойства кислот и оснований. Аминогруппа сообщает молекуле аминокислоты свойства основания, карбоксильная группа – свойства кислоты. Недиссоциированная форма аминокислоты в нейтральном водном растворе превращается в диполярную форму (цвиттерион), которая способна взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями.

При взаимодействии аминокислот друг с другом образуются прочные ковалентные (пептидные) связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:

Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это сказывается на свойствах пептидной группировки:

· пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости;

· атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс -положении по отношению к пептидной С-N связи (рис. 2);

· пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):

Эти свойства пептидной группировки определяют структуру полипептидной цепи, которая состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков – боковых радикалов аминокислотных остатков. Полипептидная цепь направленна, поскольку каждый из ее строительных блоков имеет разные концы: амино- и карбоксильную группы. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N -конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С -конец).

В каждой белковой молекуле порядок чередования аминокислот и их количество строго определены, в норме постоянны и закодированы в ДНК. Перестановка аминокислотных остатков или замена одного из них может привести к серьёзным нарушениям процессов, протекающих в клетке. Например, замена в β-цепи гемоглобина человека остатка глутаминовой кислоты на остаток валина приводит к тяжелому, передающемуся по наследству заболеванию – серповидноклеточной анемии.

Различают несколько уровней структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Под первичной структурой белка понимают порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, соединенных пептидными связями:

… - Гли – Вал – Тир – Глн – Сер – Ала – Иле – Асн – Лиз – Ала – …

Вторичная структура белка – это упорядоченное расположение отдельных участков основной цепи полипептида, без учета расположения боковых цепей (радикалов аминокислотных остатков). Все вторичные структуры стабилизированы водородными связями между кислородом карбонильной группы и водородом амидной группы: С=О…Н–N. Существуют три основных типа вторичной структуры:

· α-спираль (рис. 3а). Остов полипептидной цепи закручивается в спираль, при этом радикалы аминокислот обращены кнаружи от спирали. Фиксируется α-спираль водородными связями, которые расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются. В силу этого α-спираль имеет плотно упакованную структуру, не имеющую внутреннего канала и не проницаемую даже для молекул воды. α-спираль имеет определенные характеристики: радиус – 0,23 нм, расстояние между витками – 0,54 нм, среднее число аминокислотных остатков, приходящееся на один оборот, – 3,6. В природных белках существуют только правозакрученные α-спирали, что связано с наличием в них аминокислот L-ряда.

Рис. 3. α-спираль (а) и β-складчатая антипараллельная структура (б)

· β-структура или структура складчатого листа (рис. 3б). Остовы пептидных цепей скручены не в спираль, а имеют зигзагообразную конфигурацию. В отличие от α-спирали,в β-структуре водородные связи возникают не внутри цепи, а между параллельно или антипараллельно идущими и сближенными участками цепи. β-структура (как и α-спираль) является наиболее термодинамически выгодным состоянием для данного участка полипептидной цепи.

· Нерегулярная структура –тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет постоянного характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию (рис. 4). Один из видов такого рода структур получил название β-изгиб. Этот элемент наблюдается при изменении направления полипептидной цепи на 180⁰ и стабилизируется водородной связью между 1-м и 4-м по ходу цепи аминокислотными остатками.

Вторичная структура белка определяется первичной. Аминокислотные остатки в разной степени способны к образованию водородных связей, это и влияет на образование α-спирали или β-слоя. К спиралеобразующим аминокислотам относятся аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин, метионин и гистидин. Если фрагмент белка состоит главным образом из перечисленных выше аминокислотных остатков, то на данном участке сформируется α-спираль. Валин, изолейцин, треонин, тирозин и фенилаланин способствуют образованию β-слоев полипептидной цепи. Неупорядоченные структуры возникают на участках полипептидной цепи, где сконцентрированы такие аминокислотные остатки, как глицин, серин, аспарагиновая кислота, аспарагин, пролин.

Супервторичные структуры представляют собой энергетически предпочитаемые ансамбли вторичных структур – белковые домены.

Домены обычно состоят из отрезков полипептидной цепи, содержащих от 50 до 350 аминокислот, и являются теми модульными единицами, из которых строятся белки. Небольшие белки могут содержать только один домен, более крупные белки состоят из нескольких доменов, связанных сравнительно открытыми участками полипептидной цепи (рис. 4).

Каркас пространственной структуры подавляющего большинства доменов состоит из регулярных вторичных структур – a-спиралей и β-листов, которые стабилизованы регулярными водородными связями в главной цепи. В зависимости от наличия и расположения a- и β-структур, выделяют белки группы a-, b- и «смешанные» белки – a&b (рис. 5).

Рис. 5. Модели пространственной структуры некоторых белковых доменов:
А – белок цитохрома b ₅₆₂, почти целиком состоящий из α-спиралей;
Б – НАД-связанный домен лактат-дегидрогеназы, состоящий из смеси α-спиралей
и β-слоев; В – домен одной из цепей иммуноглобулина, состоящий из двух β-слоев

Третичная структура – трехмерная структура белка, характеризующаяся определенной укладкой в пространстве всех звеньев полипептидной цепи.

Выделяют два общих типа третичной структуры белков:

· Фибриллярные белки представляют собой нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых не имеют глобулярной формы, а вытянуты вдоль одной оси. Третичная структура представлена либо тройной a-спиралью, либо β-складчатыми структурами. Большинство фибриллярных белков выполняют структурные или защитные функции. Типичными фибриллярными белками являются a-кератин волос и шерсти, фиброин шелка и коллаген сухожилий. К этому классу относятся также нитевидные белки, присутствующие в сократительных системах мышечных и немышечных клеток, например актин и миозин, а также протофиламенты, из которых построены микротрубочки.

· В глобулярных белках полипептидные цепи свернуты в плотную компактную структуру сферической (глобулярной) формы. Обычно третичную структуру белков рассматривают именно в отношении глобулярных белков, имеющих разнообразную пространственную организацию (нерегулярные участки, b-складчатые структуры, a-спирали) и более разнообразные функциональные возможности. Подавляющее большинство природных белков относится к глобулярным (почти все ферменты, транспортные белки крови, антитела, пищевые белки).

Третичную структуру белка стабилизируют взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи. Эти взаимодействия можно разделить на сильные и слабые. К сильным взаимодействиям относятся ковалентные связи между атомами серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Такие связи называются дисульфидными мостиками:

Кроме ковалентных связей, третичная структура белковой молекулы поддерживается слабыми взаимодействиями, которые, в свою очередь, разделяются на полярные и неполярные. К полярным взаимодействиям относятся ионные и водородные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина и отрицательно заряженной СОО^--группы аспарагиновой и глутаминовой кислот. Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков. Гидрофобные взаимодействия между углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формированию гидрофобного ядра внутри белковой глобулы (рис. 6).

Гидрофобные радикалы некоторых аминокислотных остатков избегают контактов с водным окружением и стремятся собраться вместе внутри глобулярной структуры, где они защищены от соприкосновения с водой. Границы между гидрофобным ядром и наружной поверхностью не всегда выражены, и часть гидрофобных радикалов может выступать на поверхность молекулы, что имеет особое значение для контакта между белковыми глобулами при образовании четвертичной структуры белков, а также для взаимодействия с другими внутриклеточными молекулами.

Хотя нативная третичная структура каждого глобулярного белка отвечает минимуму свободной энергии и потому является самой устойчивой конформацией, какую может принять полипептидная цепь, третичная структура не является абсолютно жесткой и неподвижной. Многие глобулярные белки в норме претерпевают конформационные изменения при выполнении ими биологических функций. Например, молекула гемоглобина изменяет свою конформацию при связывании кислорода и возвращается к исходной конформации после его освобождения. Кроме того, молекулы многих ферментов претерпевают конформационные изменения при связывании субстратов – это составная часть их каталитического действия.

Рис. 6. Типы взаимодействий, поддерживающих третичную структуру белка:
а – дисульфидный мостик; б – ионная связь; в, г – водородные связи;
д – гидрофобные взаимодействия

Четвертичная структура характерна для белков, построенных из нескольких полипептидных цепей. Полипептидные цепи занимают строго фиксированное положение друг относительно друга, вследствие чего белок обладает специфической функцией. Белок, имеющий четвертичную структуру, называется эпимолекулой или мультимером, а составляющие его отдельные полипептидные цепи – протомерами или субъединицами.

Четвертичная структура поддерживается исключительно силами слабых взаимодействий (рис. 7), поэтому она представляет собой достаточно лабильное образование, значительно менее прочное, чем третичная или вторичная структуры. Участки субъединиц, на которых происходят взаимодействия, называются контактными площадками.

Рис. 7. Нековалентные (слабые) взаимодействия между протомерами белка
при образовании четвертичной структуры

Белки, обладающие четвертичной структурой, как правило, содержат четное число субъединиц и представляют собой димеры, тетрамеры, гексамеры и т. д. Число димеров и тетрамеров резко преобладает среди всех изученных белков. Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин, молекула которого включает 4 субъединицы двух видов (a и b).

Утрата или изменение структурной организации белковой молекулы называется денатурацией. Она сопровождается изменением свойств белка и происходит под воздействием различных физических и химических факторов (например, температуры, радиации, гормонов и др.). Если утрачена четвертичная, третичная или вторичная структуры, то возможно их восстановление, или ренатурация. Если же нарушения коснулись и первичной структуры, то ренатурация невозможна, и такая денатурация необратима.

Функции белков

· Каталитическая. Все биохимические реакции, протекающие в клетке, катализируются белками особой группы – ферментами (энзимами). Каждая реакция обеспечивается собственным ферментом, вследствие чего ускоряется как минимум в 1 млн раз. Например, липаза расщепляет жиры, амилаза – крахмал. Ферменты локализуются в митохондриях, цитоплазме, лизосомах и на мембранах клеток и органелл.

· Структурная. Белки входят в состав биологических мембран, мембранных и немембранных органелл клетки, обладают способностью образовывать волокна. Например, главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген. Связки содержат эластин – белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти и перья состоят из прочного нерастворимого белка кератина. Шелковые нити и паутина построены из белка фиброина.

· Сократительная и двигательная. Белки наделяют клетку или организм способностью сокращаться, изменять форму или передвигаться (актин и миозин мышечных клеток, тубулин микротрубочек).

· Транспортная. Существуют специальные белки-переносчики, которые, связываясь со специфическими веществами (гормонами, аминокислотами, липидами, моносахаридами, кислородом и др.), обеспечивают их транспорт между тканями и через мембраны клетки.

· Регуляторная. Некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. На клеточном уровне: белки-репрессоры и белки-активаторы транскрипции. На организменном уровне: некоторые гормоны – белки (например, инсулин, соматотропин, паратиреоидный гормон).

· Запасающая и пищевая. В семенах многих растений запасены белки, потребляемые зародышем на первых стадиях развития. Пищевыми белками являются альбумин (главный белок яиц птиц) и казеин (главный молочный белок).

· Защитная. Иммуноглобулины (антитела) позвоночных – специализированные белки. Они вырабатываются лимфоцитами и, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют чужеродные соединения, вирусы, бактерии и т. д. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови, предохраняя организм от её потери.

· Токсическая. Многие токсины бактерий (дифтерийный токсин), растений (рицин) и животных (яд змей) являются веществами белковой природы.

· Энергетическая. В экстремальных условиях при истощении углеводных и липидных ресурсов белки могут распадаться с освобождением энергии.

Нуклеиновые кислоты

Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), которые обеспечивают хранение наследственной информации, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), играющие основную роль в реализации генетической информации.

Химический состав и строение ДНК

Молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали постоянен вдоль всей ее длины и равен 2,0 нм. Полный оборот спирали составляет 3,6 нм. На один виток спирали приходится 10,5 нуклеотидных остатков в одной цепи. Межнуклеотидное расстояние составляет 0,34 нм. Спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т. е. разнонаправлены: 3′-концу одной цепи соответствует 5′-конец другой (рис. 8). На поверхности спирали можно выделить две бороздки: большую и малую, их также называют главным и минорным желобками (рис. 9.):

Гидрофильные сахарофосфатные остовы цепей расположены на внешней стороне двойной спирали. Гидрофобные азотистые основания направлены внутрь спирали, расположены параллельно друг другу и перпендикулярны главной оси спирали. Последовательность азотистых оснований нерегулярна, каждая молекула ДНК определенного типа характеризуется особой последовательностью.

Каждая полинуклеотидная цепь – линейная последовательность нуклеотидов. Нуклеотид ДНК имеет три компонента (рис. 10, 11):

· азотистое основание (рис. 12): либо пуриновое (аденин (А) или гуанин (Г)), либо пиримидиновое (цитозин (Ц) или тимин (Т));

· пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу;

· фосфатный остаток.

Азотистое основание, связанное с пентозой, называется нуклеозид.

Рис. 10. Компоненты нуклеотида, входящего в ДНК

Пурины

Пиримидины

Рис. 11. Структурная формула
нуклеотида, содержащего в качестве
азотистого основания аденин

Рис. 12. Структурные формулы азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК: пурины: аденин (А) и гуанин (Г) – содержат два гетероцикла; пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У) – содержат один гетероцикл

Нуклеотиды соединены в цепи прочными ковалентными (фосфодиэфирными) связями. Причем эти связи осуществляются за счет 3′-ОН одного нуклеозидного остатка и 5′-ОН другого. Поэтому межнуклеотидные связи называют 3′-5′-фосфодиэфирными. Обе полинуклеотидные цепи соединены друг с другом водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями внутри спирали. При этом аденин (А) соединяется только с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). В результате у любого организма независимо от видовой принадлежности сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц). Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа».Пара аденин-тимин образуется путем формирования двух водородных связей (А Т), пара гуанин-цитозин – трех (Г Ц). Основания, образующие водородные связи, получили название комплементарных пар (рис. 13).

Рис. 13. Полинуклеотидные цепи ДНК, объединенные водородными связями

Комплементарность (от лат. complementum – дополнение) – пространственная взаимодополняемость (взаимное соответствие) поверхностей молекул или их частей, приводящая, как правило, к образованию вторичных связей между ними (водородных связей). Комплементарность азотистых оснований в полинуклеотидных цепях – ключевое свойство ДНК, на котором основаны все фундаментальные процессы жизнедеятельности клетки: репликация, транскрипция, трансляция, репарация.

Полиморфизм двойной спирали ДНК

Модель ДНК Уотсона и Крика описывает структуру одной из нескольких форм двойной спирали. Эта основная форма ДНК, в которой большая часть ее молекул существует в клетке, была названа В-формой.

Рис. 14. В- и А-формы ДНК (вид сбоку
и сверху): объемные модели

Рис. 15. Z-форма ДНК (вид сбоку): объемная модель и схематическое изображение.
Показана зигзагообразная линия, соединяющая фосфатные группы в Z-ДНК.
После остатков гуанина зигзагообразная линия идет вертикально, после остатков цитозина – горизонтально

При понижении влажности В-форма ДНК переходит в А-форму
(рис. 14). Изменение конформации углеводного остатка приводит к уменьшению расстояния между нуклеотидными парами вдоль оси спирали (примерно до 25 нм при 11 нуклеотидных остатках на виток спирали). Диаметр спирали увеличивается, изменяется ширина бороздок, пары оснований смещаются к периферии спирали. Вследствие этого внутри спирали возникает полость диаметром около 0,40 нм. А- и В-формы ДНК – это правозакрученные спирали.

При высокой концентрации солей или добавлении спирта спираль В-типа переходит в левозакрученную Z -форму (рис. 15). Левая спираль была обнаружена у полинуклеотида с чередующейся последовательностью нуклеотидов гуанин-цитозин. Повторяющаяся единица в Z-форме состоит из двух пар нуклеотидов (Г-Ц), в результате линия, соединяющая фосфатные группы, через каждые две пары имеет излом и принимает зигзагообразный вид (отсюда название Z-формы).

Функции ДНК

1. ДНК является носителем генетической информации. Функция обеспечивается фактом существования генетического кода.

2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Функция обеспечивается процессом репликации.

3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.

Структура РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) представляют собой линейные полинуклеотиды с общими для нуклеиновых кислот принципами организации:

· состоят из четырех видов нуклеотидов, каждый из которых включает азотистое основание (аденин, урацил, гуанин, цитозин), пентозу (рибозу) и фосфатный остаток;

· нуклеотиды связаны в цепь с помощью 3′-5′-фосфодиэфирных связей;

· полинуклеотидные цепи полярны, т. е. имеют различимые 5′- и 3′-концы.

Таблица 1

Отличия РНК и ДНК

Нуклеиновая кислота Признак	РНК	ДНК
Сахар	Рибоза	Дезоксирибоза
Азотистые основания	А, У, Г, Ц	А, Т, Г, Ц
Количество цепей в молекуле	99,99% одноцепочечная, 0,01% двухцепочечная	99,99% двойная спираль, 0,01% одноцепочечная
Форма молекулы	Линейные молекулы	Большинство двухцепочечных – линейные, часть – кольцевые

Главное отличие РНК от ДНК состоит в том, что молекулы РНК являются не двух-, а одноцепочечными. Причиной этому служат следующие особенности первичной структуры РНК:

1. Пентоза в РНК – не дезоксирибоза, а рибоза, которая содержит дополнительную гидроксигруппу. Последняя делает двухцепочечную структуру менее устойчивой.

2. Среди четырех главных (мажорных) азотистых оснований вместо тимина содержится урацил, отличающийся от тимина лишь отсутствием метильной группы у 5-го атома углерода (рис. 12). Благодаря этому уменьшается сила гидрофобного взаимодействия в комплементарной паре А-У. Это снижает вероятность образования устойчивых двухцепочечных молекул.

3. В РНК высоко содержание так называемых минорных оснований. Среди них – дигидроуридин (в урациле нет одной двойной связи), псевдоуридин (урацил иначе, чем обычно, связан с рибозой), диметиладенин и диметилгуанин (в азотистых основаниях – по две дополнительных метильных группы) и многие другие. Почти все эти основания не могут участвовать в комплементарных взаимодействиях.

Перечисленные отличия строения РНК от ДНК имеют большое биологическое значение, так как свою функцию молекулы РНК способны выполнять только в одноцепочечном состоянии.

Общие черты вторичной структуры РНК

Молекулы большинства природных РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Вместе с тем в некоторых участках цепь РНК может образовывать петли, или «шпильки», с двухцепочечной структурой
(рис. 16А). Эта структура стабилизирована взаимодействием оснований в парах А-У, Г-Ц. Однако могут образовываться и «неправильные» пары (например, Г-У), а в некоторых участках «шпильки» вообще не происходит никакого взаимодействия. В составе таких петель может содержаться до 50% всех нуклеотидов.

Третичная структура РНК

В физиологических условиях однотяжевые РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия элементов их вторичной структуры (рис. 16Б).

Рис. 16. Структура РНК:
А – участок вторичной структуры в цепи РНК; Б – схема третичной структуры тРНК

Виды РНК

Матричная, или информационная, РНК (мРНК) переносит генетическую информацию из клеточного ядра в цитоплазму.Составляет около 5% всей клеточной РНК. Зрелые мРНК имеют сходный план строения. Линейная цепь мРНК содержит несколько областей с различной функциональной ролью (рис. 17).

Рис. 17. Составные части зрелой мРНК

1. «Колпачок» (кэп) – нуклеотидная последовательность на 5′-конце мРНК, состоящая из одного-четырех модифицированных нуклеотидов. Такая структура защищает 5′-конец мРНК от действия экзонуклеаз.

2. 5′-нетранслируемый участок – последовательность из нескольких десятков нуклеотидов, которые комплементарны нуклеотидам рРНК, входящим в состав малой субъединицы рибосомы. За счет этого 5′-нетранслируемый участок выполняет функцию первичного связывания мРНК с рибосомой, но сам не транслируется.

3. Инициирующий кодон – кодон, с которого начинается трансляция мРНК. Во всех мРНК он один и тот же – АУГ (кодирует метионин).

4. Кодирующая часть содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. В зрелой мРНК она лишена интронов – вставочных некодирующих последовательностей, т. е. имеется непрерывная последовательность смысловых кодонов, которая должна считываться в направлении 5′®3′.

5. Терминирующий кодон – один из трех «бессмысленных» кодонов: УАА, УАГ или УГА.

6. 3′-нетранслируемый участок содержит последовательности нуклеотидов, которые называют элементами нестабильности мРНК. Определенные белки клетки узнают эти последовательности, связываются с ними и стабилизируют мРНК.

7. Поли (А)-фрагмент содержит от 50 до 400 адениловых нуклеотидов. Эти фрагменты отсутствуют в молекулах гистоновых мРНК. Полагают, что поли (А)-фрагмент имеет отношение к регуляции продолжительности жизни мРНК. Согласно одной из гипотез, после того как очередная рибосома заканчивает трансляцию мРНК, от поли (А)-фрагмента отщепляются 10-15 нуклеотидов. Когда данный фрагмент исчерпывается, начинает разрушаться кодирующая часть мРНК (если отсутствует 3′-нетранслируемый участок).

Общее количество нуклеотидов в мРНК составляет обычно несколько тысяч. При этом на кодирующую часть приходится лишь 60-70% нуклеотидов.

Рис. 18. Структура тРНК
(на примере тРНК^Phe)

Транспортные РНК (тРНК) – короткие молекулы (70-90 нуклеотидов), главной функцией которых является присоединение аминокислот и перенос их в белоксинтезирующий аппарат клетки. Количество различных тРНК в клетке – несколько десятков: от одного до шести видов для каждой из 20 аминокислот. Виды тРНК, способные связывать одну и ту же аминокислоту, называются изоакцепторными. Специфичность тРНК обознается верхним индексом, например тРНК^Ала.

Среди нуклеотидов тРНК высоко содержание минорных нуклеотидов (около 10%). Благодаря образованию участков вторичной структуры, цепь тРНК имеет характерную форму «клеверного листа» (рис. 18).

В этой структуре четыре двухцепочечных и пять одноцепочечных участков. Поскольку минорные нуклеотиды, как правило, не способны к комплементарным взаимодействиям, они содержатся в основном в одноцепочечных локусах.

Для одноцепочечных участков приняты следующие названия:

· акцепторная ветвь – участок на 3′-конце тРНК из четырех нуклеотидов, место присоединения аминокислоты;

· антикодоновая петля – участок из 7 нуклеотидов в середине цепи; три из них выполняют функцию антикодона, который комплементарно взаимодействует с соответствующим кодоном мРНК;

· дигидроуридиловая, псевдоуридиловая и не всегда имеющаяся добавочная петли способствуют формированию специфичной для данной тРНК третичной структуры.

Особенность тРНК – наличие стабильной третичной структуры. Четыре двухцепочечных участка, попарно сближаясь, образуют примерно два витка двойной спирали, расположенные почти перпендикулярно друг другу – так, что молекула приобретает Г-образную форму (рис. 16Б).

Рибосомные РНК являются структурной основой для формирования субъединиц рибосом. Среди азотистых оснований в рРНК выше, чем обычно, содержание гуанина и цитозина. Встречаются также минорные азотистые основания, но не столь часто, как в тРНК – примерно 1%. Во вторичной структуре рРНК много двухцепочечных участков и петель (рис. 19).

Рис. 19. Структура 16S-рРНК прокариотической и 18S-рРНК эукариотической клеток

Рибосомные РНК, а также образуемые ими субъединицы рибосом принято обозначать по их константе седиментации (S). Седиментация (от лат. sedimentum – осадок) – оседание частиц, взвешенных в жидкости, при центрифугировании. Под действием центробежных сил, намного превосходящих силу тяжести, даже сравнительно небольшие макромолекулы, такие как тРНК, разделяются и распределяются в строгом соответствии со своими размерами. Измерение коэффициента седиментации макромолекулярных комплексов обычно используют для определения их общей массы и количества входящих в их состав субъединиц.

Рис. 20. Состав цитоплазматической рибосомы эукариот (в скобках указано
количество нуклеотидов в цепи рРНК)

Размеры молекул рРНК в рибосомных субъединицах у разных организмов варьируют (рис. 20), но сложная ее структура остается относительно постоянной. Кроме рРНК в состав рибосомы входит значительное число белков, но многие из них, по-видимому, не являются необходимыми для функционирования рибосом. Можно предположить, что именно молекулы РНК, а не белковые молекулы катализируют многие реакции, протекающие на рибосомах. Рибосомные белки при этом лишь усиливают функции рРНК.

Функции РНК

РНК многофункциональна. К ее основным функциям относятся:

1. Передача наследственной информации о структуре белка от ДНК к белоксинтезирующему аппарату клеток (мРНК).

2. Формирование структуры рибосом (рРНК).

3. Специфическое связывание и перенос аминокислот к рибосомам (тРНК).

Вместе с тем РНК выполняет ряд других функций:

· участвует в репликации ДНК, выступая в роли затравок (праймеров), необходимых для инициации синтеза комплементарных цепей ДНК;

· является матричной молекулой в процессе обратной транскрипции (биосинтезе ДНК на матрице РНК) и при собственной репликации у РНК-содержащих вирусов и фагов; матричные свойства РНК реализуются также в процессе наращивания теломерных повторов в молекулах ДНК;

· осуществляет специфический катализ химических реакций в клетке.

В 1982-1983 гг. в лабораториях Т. Чека и С. Олтмана (США) было сделано сенсационное открытие, осуществившее революцию в биохимии и молекулярной биологии: показано, что РНК может быть специфическим катализатором биохимических реакций. В течение всей предшествующей истории биохимии на протяжении десятилетий утверждалось, что биохимический катализ – функция исключительно белков-ферментов. По аналогии с белками-ферментами – энзимами – каталитические РНК были названы рибозимами. В настоящее время рибосому принято рассматривать как рибозим. Все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками.

Концепция «Мир РНК»

Открытие многофункциональности РНК, ее каталитических функций привело к созданию концепции «Мир РНК» – концепции мира, который, вероятно, возник и существовал задолго до оформления ныне существующего «ДНК-белкового мира». По ряду причин именно РНК, а не ДНК могла представлять собой первичный генетический материал:

· во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды – продукты модификации рибонуклеотидов;

· во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители (АТФ и т. п.);

· в-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК;

· в-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций.

Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение – модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.