Нуклеиновые кислоты и матричные биосинтезы

Экспериментальная реализация

Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука)[1] и Франческо де Мартини (Университет Рима)[2].

В журнале Nature за 17 июня 2004 года было объявлено об успешном экспериментальном наблюдении квантовой телепортации квантового состояния атома сразу двумя исследовательскими группами: M.Riebe et al., Nature 429, 734—737 (телепортация квантового состояния иона атома кальция) и M.D.Barrett et al., Nature 429, 737—739 (телепортация кубита на основе иона атома бериллия). Несмотря на поднявшуюся шумиху в средствах массовой информации, эти эксперименты вряд ли можно назвать прорывом: скорее это просто очередной большой шаг в направлении создания квантовых компьютеров и реализации квантовой криптографии.

В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.

23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.

Нуклеиновые кислоты по своей химической природе представляют собой биополимеры, мономерными единицами которых являются мононуклеотиды, соединенные между собой фосфодиэфирными связями. В клетках присутствует два типа нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновык кислоты ДНК и рибонуклеиновые кислоты РНК. Как правило, в составе клеток нуклеиновые кислоты образуют комплексы с белками, именуемые нуклеопротеидами. Следует лишь отчетливо представлять, что нуклеопротеид это нечто большое, чем просто сложный белок, это скорее именно надмолекулярный комплекс, в составе которого ассоциированы одна или несколько молекул нуклеиновых кислот и несколько, а порой и несколько десятков, молекул белков. Типичными примерами таких надмолекулярных белковонуклеиновых комплексов служат субъединицы рибосом или хромосомы клеток.

ДНК в живых системах выступает в качестве хранителя генетической информации, обеспечивая как видовые, так и индивидуальные различия организмов, а репликация ДНК лежит в основе передачи генетической информации в ряду поколений. РНК играет важную роль в реализации генетической информации, т.е. в процессах использования генетической информации в ходе формирования различных биологических структур, начиная от прямого участия в синтезе моле кул белков и кончая опосредованным влиянием на формированием целого организма.

1.1.Химическая структура ДНК

1.1.1.Первичная структура ДНК

Молекулы ДНК построена из двух дезоксирибополинуклеотидных цепей. Это самые большие по размерам полимерные молекулы, встречающиеся в живых объектах. В клетках человека длина молекул ДНК может достигать 8 см, а число отдельных мономерных звеньев до 500 000 000 единиц или до 250 000 000 пар нуклеотидов. Общая дли на молекул ДНК, входящих в диплоидный набор хромосом человека оценивается величиной порядка 1,5 2 м. Вместе с тем, химическая структура отдельной дезоксирибополинуклеотидной цепи удивительно проста это линейный полимер, построенный из достаточного ограниченного числа индивидуальных мономерных единиц: в состав ДНК в качестве главных нуклеотидов входят дАМФ, дГМФ, дЦМФ и ТМФ (дТМФ). На долю этих 4 нуклеотидов приходится не менее 97% нуклеотидов ДНК, лишь около 3% нуклеотидов приходится на так называемые минорные нуклеотиды, однако любой минорный нуклеотид представляет собой один из вариантов химической модификации того или иного главного нуклеотида. На нижеследующей схеме преставлена структура двух дезоксирибонуклеотидов: дАМФ с азотистым основанием пуринового ряда и дЦМФ с азотистым основанием пиримидинового ряда:

При формировании полинуклеотидной цепи один мононуклеотид соединяется с другим нуклеотидом за счет образования сложноэфирной связи между его остатком фосфорной кислоты и гидроксилом у третьего атома дезоксирибозы второго нуклеотида

Поскольку два мононуклеотида соединены за счет остатка фосфорной кислоты, связанного с третьим атомом углерода рибозы одного мононуклеотида и пятым атомом углерода рибозы другого нуклеотида, такой тип связи получил название 3',5' фосфодиэфирная связь. Собственно остов полимерной структуры образован чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем к каждому дезоксирибозному остатку этого остова с помощью Nгликозидной связи присоединено то или иное азотистое основание:

Полимерная молекула полярна: на одном конце расположен 5'гидроксил (или фосфатная группа), на другом конце 3'гидроксил (или фосфатная группа). Началом цепи считается ее 5'конец, окончанием цепи 3'конец.

Первичная структура ДНК это последовательность расположения остатков дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Она записывается в виде последовательности букв латинского алфавита, используемых для обозначения отдельных дезокрибонуклеотидов: дАМФ А, дГМФ G, дЦМФ С, дТМФ Т. Как правило, перечисление дезоксирибонуклеотидных остатков цепи ДНК начинают с ее 5'конца, причем обозначение ее 5'конца и 3'конца обычно упускают: АТАТGCFNGGCGCGAA. Однако при описании первичной структуры молекулы ДНК, состоящей из двух дезоксирибонуклеотидных цепей, следует указывать их химическую ориентацию:

5'АТGGCTTAAGAGTGTGT3'

3'TACCGAATTCTCACACA5'

Важность познания первичной структуры ДНК определяется тем, что именно в последовательности нуклеотидных остатков цепей ДНК закодирована или заключена генетическая информация.

1.1.2.Вторичная структура ДНК

Вторичная структура ДНК представляет собой правозакрученную спираль, построенную из двух дезоксирибополинуклеотидных цепей. Саму спиральную структуру образуют сахарофосфатные остовы дезоксирибополинуклеотидных цепей, расположенные по периферии структуры. Эти цепи имеют противоположную химическую ориентацию; иначе говоря, эти цепи антипараллельны.

Центральную часть спиральной структуры занимают азотистые основания дезоксирибополинуклеотидных цепей, причем плоскости азотистых оснований почти перпендикулярны длинной оси структуры, а их упаковка в центральной зоне спирали более всего напоминает монетный столбик. Каждое азотистое основание одной цепи образует комплементарную пару с азотистым основанием другой цепи, так что и в целом одна дезоксирибонуклеотидная цепь в спиральной структуре комплементарна второй цепи. Вспомним, что комплементарными парами азотистых оснований являются такие пары, которые способны к образованию пространственно эквивалентных структур, соединенных между собой максимально возможным числом водородным связей. Для ДНК такими парами являются пары аденинтимин и гуанинцитозин. Между первой парой оснований образуется две водородных связи, между второй три водородных связи. Важным моментом в формировании вторичной структуры ДНК является то, что образующие спиральную структуры дезоксирибополинуклеотидные цепи не могут быть разъединены без раскручивания спирали, подобного рода спиральные структуры получили название плектонемичных.

Стабилизация такой структуры осуществляется, вопервых, за счет водородных связей между комплементарными парами азотистых оснований соседних цепей и, вовторых, за счет так называемого стэкингвзаимодействия взаимодействия делокализованных систем электронов сближенных и расположенных параллельно друг другу ароматических циклов, составляющих структурную основу каждого азотистого основания.

Итак, вторичная структура ДНК представляет собой двойную правозакрученную плектонемическую спираль, образованную двумя антипараллельными дезоксирибополинуклеотидными цепями, стабилизированную водородными связями и стэкингвзаимодействием.

Схема вторичной структуры ДНК

Известно несколько возможных вариантов вторичной структуры ДНК, обозначаемых буквами от А до Е. Все они преставлены правозакрученными вариантами двойной спирали, но отличаются друг от друга числом пар нуклеотидов на 1 виток спирали, пространственными параметрами витка спирали, величиной угла наклона плоскостей азотистых оснований по отношению к длинной оси молекулы и др. Возможность их образования была показана в экспериментах, в которых изменялись ионная сила растворов ДНК, ионный состав этих растворов, рН растворов и др. Принято считать, что в реальных условиях клетки молекула ДНК может существовать в виде Аформы и в виде Вформы.

Наиболее известной является Вформа, именно она была предложена в 1953 г. родоначальниками молекулярной биологии Ф.Криком и Д.Уотсоном. На 1 виток или шаг спирали Вформы ДНК приходится 10 пар нуклеотидов, расстояние между плоскостями соседних пар оснований О,338 нм, диаметр спирали 1,9 нм. При физиологических условиях (низкая концентрация солей, высокая степень гидратации молекулы) преобладающей структурной формой ДНК является именно ее Вформа.

При более высоком содержании ионов в окружающей среде и меньшей степени гидратации молекула ДНК может переходить в Аформу, для которой характерны несколько иные параметры витка:

на 1 виток приходится 11 пар нуклеотидов, расстояние между плоскостями соседних пар оснований О,256 нм и диаметр спирали 2,3 нм.

Наконец, при определенных условиях молекула ДНК может существовать в виде левозакрученной спирали это так называемая Zформа ДНК. На 1 виток спирали Zформы ДНК приходится 12 пар нуклеотидов, расстояние между плоскостями соседних пар оснований 0,371 нм, диаметр спирали 1,8 нм. Для образования этой формы ДНК необходимы повторяющиеся последовательности чередующихся пуриновых и пиримидиновых дезоксинуклеотидов, например многократно повторяющиеся последовательности GC или AC. Кроме того, для формирования Zформы ДНК необходим ряд дополнительных условий, например, высокая концентрация соли в окружающей среде, наличие ZДНКспецифичных белков и др.

На поверхности молекул ДНК, скрученных в А или Вформу, имеются две бороздки, располагающиеся между сахарофосфатными остовами молекул. Они различаются по своим размерам и известны под названиями «малая» и «большая» бороздки ДНК. В районе этих бороздок молекулы белков могут непосредственно взаимодействовать с азотистыми основаниями ДНК, узнавая те или иные последовательности этих оснований, что крайне важно для взаимодействия регуляторных белков со специфическими участками молекулы ДНК. На поверхности Zформы ДНК имеется только одна бороздка, выполняющая аналогичную функцию.

Каждый остаток фосфорной кислоты в составе сахарофосфатных остовов дезоксирибонуклеотидных цепей ДНК имеет ионизированную при физиологических значениях рН гидроксильную группу, в связи с чем на поверхности молекул ДНК достаточно высокая плотность отрицательных зарядов, что играет вполне определенную роль при взаимодействии ДНК с белками, в особенности с гистонами, молекулы которых в физиологических условиях имеют суммарный положительный заряд.

1 1.3.Третичная структура ДНК

Молекулы ДНК, размеры которых составляют несколько см, умещаются в ядре клетки, диаметр которого измеряется микрометрами. Очевидно, что спирализованная молекула ДНК должна быть упакована в пространстве таким образом, чтобы линейные размеры этой структуры были уменьшены примерно на 4 порядка. Вместе с тем известно, что молекула ДНК представляет собой весьма непрочную структуру и легко разламывается на части при ее перегибе. Отсюда со всей очевидностью следует, что укладка молекул ДНК в более компактные структуры возможна только в результате ее взаимодействия с другими компонентами ядра, в основном с ядерными белками, такими как гистоны, кислые негистоновые ядерные белки или белки, образующие внутриядерный поддерживающий матрикс.

Принято выделять три уровня компактизации молекул ДНК. В формировании первого нуклеосомного уровня компактизации важную роль играет взаимодействие ДНК с молекулами белков гистонов. Восемь молекул гистонов: 2 молекулы Н2А, 2 молекулы Н2В, 2 молекулы Н3 и 2 молекулы Н4 образуют гистоновый октамер, на который накручивается примерно на 1,75 оборота участок молекулы ДНК. Этот гистоновый кор с намотанной на него ДНК получил название минимальной нуклеосомы. В пределах молекулы ДНК образуется множество таких структурных единиц и молекула ДНК в электронном микроскопе напоминает нить с бусинами. Участки ДНК, соединяющие между собой минимальные нуклеосомы, получили название «линкеры».

В свою очередь минимальная нуклеосома вместе с линкером образует полную нуклеосому. Гистоновый кор вместе с намотанным на нем участком ДНК имеет диаметр около 10 нм. На одну полную нуклеосому приходится в среднем 200 пар нуклеотидов, из которых 146 пар нуклеотидов приходится на ДНК в составе минимальной нуклеосомы, а около 60 пар нуклеотидов приходится на линкер, хотя размеры линкера могут в принципе варьировать в достаточно широких пределах от нескольких пар нуклеотидов до 80 пар.

Схема образования нуклеосом

Если средний по размерам ген в клетках человека имеет около 10 000 пар нуклеотидов, то в его пределах образуется около 5О нуклеосом, а во всем геноме человека насчитывается до 3х107 нуклеосом. За счет нуклеосомного уровня компактизации линейные размеры молекул ДНК уменьшаются примерно в 67 раз.

В формировании второго уровня компактизации ДНК образовании фибрилл ДНК важная роль принадлежит белку гистону Н1. Молекула гистона Н1 имеет форму глобулы с выступающими из нее Nконцевой и Сконцевой последовательностями полипептидной цепи, причем в целом молекула Н1 напоминает чтото вроде эллипсоида с двумя противоположно ориентированными «ручками». Своей глобулярной частью молекула гистона Н1 связывается с средней частью одной нуклеосомы, а с помощью своих «ручек» она взаимодействует с двумя соседними нуклеосомами. При этом нуклеосомы стягиваются вместе, образуя регулярную повторяющуюся структуру, напоминающую спираль:

Поперечник такой структуры составляет около 30 нм. За счет формирования подобного рода фибриллярных структур длина молекул ДНК уменьшается еще в 6 7 раз. Если бы ДНК типичной хромосомы человека существовала в виде фибриллы диаметром 30 нм, то в растянутом состоянии она бы имела в длину около 0,1 см, что еще на 2 порядка превышало бы размеры ядра.

Дальнейшее уменьшение линейных размеров ДНК идет за счет третьего петельного уровня компактизации. Фибриллы ДНК образуют петлеобразные структуры, крепящиеся к элементам ядерного скелета в интерфазе клеточного цикла или к осевой нити хромосомы в делящейся клетке, образованной негистоновыми белками клеточного ядра. Эти петли или домены фибрилл ДНК включают в себя от 20 000 до 100 000 пар нуклеотидов. Если типичная хромосома человека состоит из таких петлеобразных структур, то в ее состав входит около 2000 таких доменов:

Повидимому, существуют и более высокие уровни компактизации молекул ДНК как в делящихся, так и в неделящихся клетках. Доказательством существования этих малоизученных, но реально существующих дополнительных механизмов компактизации ДНК является наличие в клетках в пределах одной и той же хромосомы с одной стороны

транскрипционно неактивного высококонденсированного гетерохроматина, с другой транскрипционно активного менее конденсированного эухроматина

1.2.Информационная структура ДНК

ДНК является хранителем генетической информации, обеспечивающим стабильность видового разнообразия живых существ на Земле. Вполне закономерен вопрос что это за информация, или же о чем эта информация; второй вопрос в каком виде записана или закодирована эта информация. Ответ на первый вопрос это, вопервых, информация о линейной последовательности аминокислотных остатков в полипептидных цепях белков и некоторых полипептидов; вовторых, это информация о линейной последовательности рибонуклеотидных остатков в молекулах «структурных» РНК, т.е. всех классов РНК, за исключением матричных РНК. Ответ на второй вопрос: последовательность амин кислотных остатков в полипептидных цепях закодирована в виде линейной последовательности троек дезоксирибонуклеотидных остатков (или триплетов нуклеотидов) в значащей цепи ДНК, в то время как последовательность рибонуклеотидных остатков «структурных» РНК закодирована в виде последовательности дезорибонуклеотидных остатков в значащей цепи ДНК. Таким образом, клетки для записи информации о первичной структуре различных по своей химических природе полимеров использует разные варианты кодов.

Информационной единицей клеточного генома является ген, который представляет собой участок ДНК, ответственный за хранение и реализацию генетической информации об одной полипептидной цепи белка или об одной молекуле «структурной» РНК. Общее количество генов в геноме человека оценивается величиной порядка 50 000 100 000. В то же время количество пар нуклеотидов, имеющихся в хромосомном наборе клеток человека, достаточно для формирования примерно 1,5 млн генов. Это означает, что большая часть нашей ДНК не несет генетической информации и, повидимому, выполняет какуюто иную роль.

Всю ДНК эукариотического генома можно разделить на два класса последовательностей. Вопервых, это уникальные или неповторяющиеся последовательности, они представлены одной или двумя копиями на диплоидный хромосомный набор. Именно они включают в себя основную массу генов. На долю этих уникальных последовательностей приходится до 70% всей клеточной ДНК.

Вовторых, это повторяющиеся последовательности ДНК. Их принято делить на высокоповторяющиеся последовательности и умеренно повторяющиеся последовательности. Высокоповторяющиеся последовательности состоят из участков ДНК длиной в 5 500 пар нуклеотидов, повторенных от 1 до 10 миллионов раз; они не несут генетической информации и транскрипционно неактивны. Вероятнее всего, они участвуют в структурной организации хроматина. Такие высокоповторяющиеся последовательности образуют, например, теломеры и центромеру хромосомы; на этот тип последовательностей приходится примерно 15% общей длины ДНК хромосом.

Умеренно повторяющиеся последовательности присутствуют в количестве менее чем 1 млн копий на геном, они могут иметь различную длину от нескольких пар нуклеотидов до нескольких тысяч пар.

Часть этих умеренно повторяющихся последовательностей представляют собой тандемы генов, например генов гистонов или генов некоторых классов «структурных» РНК. Естественно, эти умеренно повторяющиеся последовательности активно транскрибируются. Вместе с тем, часть умеренно повторяющихся последовательностей выполняют структурную функцию, например, входят в состав участков ДНК, разделяющих отдельные гены, т.е. на так называемые спейсеры. На долю умеренно повторяющихся последовательностей ДНК приходится 1020% хромосомной ДНК.

1.2.1. Информационная структура гена

Каждый ген эукариотической клетки состоит из двух частей из регуляторной области и кодирующей области. В регуляторной области гена расположены участки ДНК, отвечающие за эффективность использования информации, имеющейся в его кодирующей зоне, а в кодирующей области гена заложена информация о полипептидной цепи белка или о полинуклеотидной цепи «структурной» РНК. Регуляторная зона гена отделена от кодирующей зоны так называемой стартовой точкой, которая представляет собой дезоксирибонуклеотидный остаток, с которого начинается считывание информации при синтезе молекул РНК на том или ином структурном гене.

Участок регуляторной зоны гена, непосредственно прилегающей к стартовой точке, называется промотором. Именно к нему присоединяется фермент РНКполимераза, синтезирующий на данном гене молекулу РНК. В состав промотора входит около сотни пар нуклеотидов, причем наибольшее значение имеют два участка промотора. Один из них расположен на расстоянии 2530 пар нуклеотидов от стартовой точки и представлен последовательностью ТАТА, он так и называется ТАТАбокс. ТАТАбокс направляет РНКполимеразу к стартовой точке кодирующей зоны гена и, следовательно, определяет точность начала синтеза РНК. Удаление из промотора ТАТАбокса приводит к тому, что РНКполимераза начинает синтез РНК не с стартовой точки кодирующей области, а с какоголибо нуклеотидного остатка поблизости от нее, в результате синтезируется функционально неактивная молекула РНК.

В промоторах многих генов имеется второй участок так называемый СААТбокс, расположенный на расстоянии 60 100 пар нуклеотидов от стартовой точки. СААТбокс контролирует частоту, с которой РНКполимераза присоединяется к промотору данного гена и синтезирует на нем молекулы РНК. Если удалить СААТбокс, частота связывания РНКполимеразы с промотором этого гена падает на 80 90% и соответственно уменьшается количество синтезированной на этом гене РНК. В промоторах многих генов имеются и другие блоки нуклеотидов, играющие определенную роль в эффективности процесса считывания информации с кодирующей зоны гена.

В регуляции работы гена принимают участие последовательности ДНК, расположенные иногда на расстоянии сотен и даже тысяч пар нуклеотидов от соответствующего гена. Они могут или увеличивать, или уменьшать эффективность транскрипции соответствующего гена. Эти регуляторные элементы в зависимости от оказываемого ими эффекта называются «энхансерами» (ускорителями транскрипции) или «сайленсерами» (замедлителями транскрипции). Эти регуляторные элементы могут находится как на участках ДНК, предшествующих кодирующей области гена, так и после нее; более того, энхансеры обнаружены, например, в интронах некоторых генов.

Наконец, известен еще один тип регуляторных элементов, обеспечивающих адаптивную регуляцию транскрипции тех или иных генов. К ним относятся регуляторные участки, обеспечивающие изменение эффективности транскрипции генов в ответ на появление в клетке некоторых гормонов (например, стероидов или тироксина) или на поступление в клетку ионов тяжелых металлов (Cd2+,Zn2+), а также некоторых ядов (диоксин). Повидимому, некоторые из них действуют подобно энхансерам или сайленсерам. Так, принято считать, что регуляторный элемент, чувствительный к действию кортизола, функционирует как энхансер.

Все регуляторные элементы контролируют функционирование генов, взаимодействуя с специфическими белками. Таким образом, экспрессия любого гена оказывается под контролем сразу нескольких белков, чем достигается оптимальный для клеток уровень функционирования того или иного гена.

Характерной чертой генов эукариот является дискретный характер его кодирующей зоны, в которой участки, несущие генетическую информацию, разделены последовательностями, не несущими этой информации. Последовательности, несущие генетическую информацию, называются экзонами, а последовательности, не содержащие таковой, интронами.

Количество экзонов и интронов в различных генах колеблется в широких пределах. Так, в гене инсулина содержится 2 интрона, в гене сывороточного альбумина 14 интронов, а в гене тиреоглобулина 36 интронов. В целом на интроны приходится большая часть последовательностей кодирующей области того или иного гена. Например, в состав гена фермента каталазы входит 34 000 нуклеотидных остатков, тогда как в состав соответствующей мРНК лишь 1 600 нуклеотидных остатков, подавляющая часть остальных нуклеотидных остатков (порядка 32 000) входят в состав 12 интронов, имеющихся в этом гене.

Функция интронов до настоящего времени точно не установлена. Существует лишь несколько более или менее вероятных предположений о их биологической роли. Согласно одному из них интроны служат для физического разделения экзонов, соответствующих функциональным доменам кодируемых белков с целью оптимизации процесса генетических перестроек, связанных с формированием новых белков. Отдельные экзоны могут вычленяться из гена за счет расщепления интронов и далее встраивается в кодирующую зону другого гена, следствием чего будет появление в клетке нового белка, содержащего по сравнению с предсуществующим белком дополнительный домен, способный придавать ему новые функциональные возможности. За счет действия подобного механизма могли бы ускоряться темпы эволюции живых систем. Согласно другой точке зрения интроны выполняют роль своего рода защитного буфера для нашей генетической системы: если интронные последовательности составляют преобладающую часть генома клеток, то именно они будут чаще всего принимать на себя воздействие различных физических и химических агентов, вызывающих те или иные структурные изменения в дезокрибонуклеотидных остатках ДНК, и эти изменения не будут сказываться на структуре кодируемых генами молекул белков или РНК.

Следует отметить, что в кодирующей зоне генов, ответственных за синтез белков, имеется два специфических регуляторных элемента. Вначале первого экзона сразу же за стартовой точкой имеется так называемый сайт (участок) кэпирования, являющийся необходимым элементом для последующего процессинга синтезируемой на гене молекулы РНК. В районе последнего экзона имеется мало изученная последовательность (или последовательности), обеспечивающая своевременное окончание синтеза РНК на данном гене. В последнем экзоне на расстоянии примерно 15 пар нуклеотидов от его конца имеется последовательность ААТААА, эта последовательность играет определенную роль в последующем формировании 3конца синтезируемой молекулы РНК.

Схема информационной структуры гена эукариот

1.3. Структура РНК

В клетках эукариот присутствует несколько классов РНК, играющих ту или иную роль в процессах реализации генетической информации:

1. Рибосомальные РНК (рРНК), их роль состоит в структурной организации рибосом внутриклеточных органелл, ответственных за сборку полипептидных цепей белков. Кроме того, рРНК, повидимому принимают непосредственное участие в работе самого механизма биосинтеза белка.

2. Информационная или матричная РНК (мРНК). Этот класс молекул РНК участвует в переносе генетической информации из ядра в цитозоль на рибосомы и принимает непосредственное участие в работе механизма синтеза полипептидных цепей белка на рибосомах.

3. Транспортная РНК (тРНК), она обеспечивает связывание аминокислот в цитозоле, перенос аминокислот на рибосомы, а также принимает непосредственное участие в синтезе полипептидных цепей белков на рибосомах.

4. Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК). Молекулы этого класса РНК представляют собой так называемые первичные транскрипты с тех или иных структурных генов ДНК и являются высокомолекулярными предшественниками молекул РНК различных других классов.

5. Небольшие стабильные РНК. Они присутствуют в большом количестве и в цитозоле, и в ядре клеток эукариот. Среди них обычно выделяют так называемые малые ядерные РНК (мяРНК), последние принимают участие в регуляции работы генетического аппарата клеток, а также в преобразовании (процессинге) гетерогенных ядерных РНК в мРНК, тРНК и рРНК.

1.3.1.Первичная, вторичная и третичная структура РНК

Молекулы РНК представляют собой полимеры, мономерными единицами которых являются рибонуклеотиды, связанные между собой 3,5фосфодиэфирными связями. Углеводным компонентом рибонуклеотидов является рибоза, а основная масса азотистых оснований РНК представлены аденином, гуанином, цитозином и урацилом. Главными нуклеотидами РНК являются АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ.

В состав молекул отдельных классов РНК может входить до 15 17% минорных нуклеотидов. Первичной структурой РНК называется последовательность расположения рибонуклеотидных остатков в полимерной цепи молекулы. Химическая структура молекулы РНК идентична таковой для одиночной цепи ДНК с учетом замены дезоксирибозы и тимина ДНК на рибозу и урацил в РНК. Полинуклеотидная цепь РНК, как и цепь ДНК, имеет направление: началом цепи РНК считается её 5'конец, окончанием цепи 3'конец. Количество рибонуклеотидных остатков в молекулах РНК различных классов колеблется от 7 8 десятков до нескольких тысяч, а молекулярная масса молекул РНК составляет от 25 тысяч (тРНК) до нескольких миллионов дальтон (рРНК).

Молекулы РНК представляют собой одиночные полинуклеотидные цепи, не имеющие на всем своем протяжении регулярной пространственной упаковки. Однако на отдельных участках молекулы РНК имеются элементы вторичной структуры, получившие название «шпилек». Они формируются за счет образования на отдельных участках полинуклеотидной цепи РНК петель, которые далее перекручиваются с образованием спирализованных структур:

Эти спирализованные участки цепи РНК имеют правую закрутку и по своим пространственным параметрам более всего напоминают Аформу ДНК. Стабилизируются эти структуры водородными связями между азотистыми основаниями нуклеотидных остатков антипараллельных участков цепи РНК, участвующих в формировании «шпильки». Однако полной комплементарности этих участков цепи РНК все же нет, поэтому спиральная структура имеет менее правильный характер, нежели вторичная структура ДНК. В стабилизации «шпилек», повидимому, принимает участие и стэкингвзаимодействие. Эти элементы вторичной структуры РНК жесткие и при дальнейшей пространственной упаковке молекулы, т.е. при формировании её третичной структуры, не перегибаются.

Третичная структура РНК это определенный способ укладки полинуклеотидной цепи РНК в определенном объеме пространства. За счет пластичности участков цепи, не принимающих участия в формировании «шпилек», молекулы РНК тем или иным образом компактизуются, формируя объемные структуры, присущие тому или иному классу РНК. Стабилизация таких структур осуществляется за счет электростатического и гидрофобного взаимодействий между элементами цепи РНК. Кроме того, в стабилизации третичной структуры РНК играет большую роль взаимодействие этих молекул с белками, в особенности это касается молекул РНК, имеющих большие по размерам полинуклеотидные цепи, как например, у молекул рибосомальных РНК.

1.3.2.Особенности структуры молекул некоторых классов РНК

1.3.2.1. Особенности структуры молекул мРНК

Наиболее многочисленным и гетерогенным по своим размерам является класс мРНК, что связано с функциями мРНК именно этот класс РНК отвечает за информационное обеспечение синтеза десятков тысяч различных белковых молекул, присутствующих в каждой клетке. На долю мРНК приходится 25% общего количества клеточной РНК. мРНК является наиболее быстро обменивающейся фракцией клеточной РНК. Большинство молекул мРНК имеет единый план структуры:

Схема структуры мРНК

На 5'конце мРНК всегда присутствует структура, именуемая «КЭП». Она образована минорным нуклеотидом метилгуанозинтрифосфатом, присоединенным к 5'гидроксилу следующего нуклеотидного остатка, рибоза которого, как правило, метилирована по второму атому углерода. Принято считать, что КЭП играет определенную роль в специфическом узнавании 5'конца мРНК рибосомой, что необходимо для эффективного связывания этих структур. Кроме того, КЭП защищает мРНК от преждевременного расщепления мРНК клеточными рибонуклеазами.

Важнейшей зоной молекулы мРНК является ее часть, ограниченная со стороны 5'конца так называемым инициирующим кодоном, а со стороны 3'конца одним из терминирующих кодонов. Это так называемая зона трансляции. В последовательности триплетов нуклеотидов этой зоны и зашифрована информация о будущей последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи того или иного белка.

Между КЭПом и инициирующим триплетом расположена лидерная или 5'концевая нетранслируемая последовательность, она обычно состоит из нескольких десятков нуклеотидных остатков. Эта последовательность необходима для правильного связывания мРНК в функциональном центре рибосомы. Подмечено, что чем больше размеры этой зоны, тем медленнее идет процесс трансляции на данной молекуле мРНК.

На 3'конце большинства молекул мРНК имеется длинная последовательность от 20 до 250 нуклеотидных остатков, образованная остатками адениловой кислоты. Это так называемый полиаденилатный блок (полиА). Его функция окончательно не выяснена. Есть предположение, что этот блок отвечает за стабильность мРНК в клетке. Согласно другой точке зрения, от размеров полиаденилатного блока зависит число молекул белка, синтезируемого в клетке с участием данной молекулы мРНК, причем зависимость прямо пропорциональная. Молекулы некоторых мРНК, например, гистоновых мРНК полиаденилатного блока не имеют.

Между терминирующим кодоном мРНК и полиаденилатным блоком имеется 3'концевая нетранслируемая последовательность. Ее функция также до конца неизвестна. Однако установлено, что стабильность мРНК зависит от нуклеотидного состава этой зоны. Если в составе 3'концевой последовательности относительно много остатков уридиловой кислоты, то эта мРНК быстро разрушается. В составе этой зоны на расстоянии примерно 15 нуклеотидных остатков от ее 3'конца расположен блок нуклеотидов ААУААА, отвечающий за формирование 3'конца молекулы мРНК.

1.3.2.2.Особенности структуры тРНК

Молекулы тРНК имеют небольшие размеры они состоят из 7580 нуклеотидных остатков, а их молекулярная масса составляет около 25 килодальтон. Особенностью молекул тРНК является высокое содержание в них минорных нуклеотидов до 1519% от их общего числа в молекуле. На долю тРНК приходится до 15% от общего количества РНК в клетке. Все молекулы тРНК, подобно молекулам мРНК, также имеют общий план структуры:

Плоскостная модель структуры тРНК структура типа «клеверный лист»

В этой модели молекулы тРНК принято выделять 4 основных элемента:

а). Стебель листа, на 3'конце которого имеется акцепторный тринуклеотид ССА, к концевому адениловому нуклеотидному остатку которого через гидроксил у третьего атома рибозы присоединяется аминокислота, переносимая данной тРНК.

б). Петля тРНК, расположенная на противоположной по отношению к стеблю части молекулы, получила название антикодонной петли. На вершине этой петли расположен триплет нуклеотидов антикодон, который за счет взаимодействия с кодоном мРНК определяет место включения аминокислоты, переносимой данной молекулой тРНК, в полипептидную цепь белка, синтезируемого на рибосоме.

в). Две петли, называемых дигидроуридиловой и псевдоуридиловой по обязательному присутствию в них минорных нуклеотидов дигидроуридиловой кислоты и псевдоуридиловой кислоты. Повидимому, они играют определенную роль во взаимодействии молекулы тРНК с ферментами аминоацилтРНКсинтетазами и с рибосомами.

г). В молекулах некоторых тРНК присутствует небольшая дополнительная петля, расположенная между антикодонной петлей и псевдоуридиловой петлей.

При дальнейшем формировании третичной структуры все молекулы тРНК принимают Гобразную форму, причем на конце горизонтальной перекладины этой структуры расположен антикодон, а на нижнем конце вертикальной палочки акцепторный тринуклеотид ССА.

В каждой клетке содержится минимум 20 различных тРНК по одной тРНК на каждую аминокислоту. Поскольку ряд аминокислот могут кодироваться несколькими кодонами, в клетке может присутствовать несколько так называемых изоакцепторных тРНК, имеющих различные антикодоны, комплементарные нескольким кодонам для данной аминокислоты.

1.3.2.3.Особенности структуры некоторых других классов РНК

Около 60% всей РНК, присутствующей в цитозоле клеток, приходится на рибосомальную или рРНК. В рибосомах эукариотических клеток присутствует 4 типа молекул рРНК. Их обозначают в соответствии с их молекулярной массой. В состав малой субъединицы рибосом входит 18S РНК, а в состав большой субъединицы 5S, 5,8S и 28S РНК.

В ядре клеток присутствует высокомолекулярная гетерогенная ядерная РНК. Молекулярная масса молекул РНК этого класса может достигать 10 000 000 дальтон. Эта РНК представляет собой смесь молекулпредшественников остальных классов клеточной РНК. Молекулы гяРНК быстро превращаются в ядре в зрелые молекулы РНК различных классов и в большинстве своем поступают из ядра в цитозоль клеток.

Кроме этих основных классов молекул РНК в цитозоле и ядре клеток обнаружено большое количество небольших высоко стабильных молекул РНК, имеющих в своем составе от 90 до 300 нуклеотидных остатков. Часть этих молекул играет определенную роль в регуляции работы генетического аппарата клеток, однако для большинства из них функция пока неизвестна.

Дата добавления: 2015-01-03