РНК (Рибонуклеинова киселина) — структура, функции и видове

Научете всичко за РНК — структура, функции, видове и ролята ѝ в клетъчните процеси и вирусите. Ясно, достъпно и с научни факти.

РНК е акроним на рибонуклеинова киселина - нуклеинова киселина. Познати са много различни видове.

Структура

РНК се различава физически от ДНК: ДНК съдържа две преплетени вериги, а РНК - само една. Основни структурни особености на РНК са:

• Рибоза вместо дезоксирибоза: РНК съдържа рибоза за разлика от дезоксирибозата, която се съдържа в ДНК. Допълнителната хидроксилна група в 2' позиция (2'–OH) прави РНК по-реактивна и по-малко стабилна химически и термично от ДНК.
• Единична верига, но с вторична структура: макар че РНК е предимно едноверижна, тя често формира вътрешни комплементарни двойки и изгражда спирали, стъбла, бримки (hairpins), псевдокотове и други вторични/третични структури, които имат функционално значение.
• Нуклеотидни бази: РНК използва четири бази — аденин, гуанин, цитозин и урацил. В текста по-долу са посочени тези бази:

(А) аденин

(G) Гуанин

(В) цитозин

(U) Урацил

Аденинът образува връзки с урацил, а гуанинът - с цитозин. По този начин казваме, че аденинът е комплементарен на урацила, а гуанинът - на цитозина. Първите три бази се срещат и в ДНК, но урацилът замества тимина като допълнение към аденина.

Химични свойства

Поради наличието на 2'–OH групата в рибозата, РНК е по-хидроксилна и по-реактивна спрямо вода и ензимни разкъсвания (хидролиза). Тази особеност обяснява защо РНК е по-малко устойчива във времето в сравнение с ДНК и защо в лабораторни условия понякога е необходимо да се използват инхибитори на РНКази (RNase), за да се запази интегритетът ѝ.

Функции

РНК изпълнява множество важни роли в клетката:

• Матрицна роля за синтез на белтъци (месинджър РНК, mRNA): mRNA пренася генетичната информация от ДНК към рибозомите, където се извършва преводът (транслацията) на последователността от нуклеотиди в последователност от аминокиселини (кодони, старт и стоп кодони). В еукариотните клетки mRNA често има 5' шапка и 3' поли(А) опашка, и преминава процеси като сплайсинг, при които интроните се изрязват и екзоните се свързват.
• Транспортна и адапторна функция (тRNA): тRNA доставя специфични аминокиселини до рибозомата и притежава антикодон, който разпознава кодоните на mRNA. Тя има характерна "клевер-лист" вторична структура и L-образна третична форма.
• Структурна и каталитична роля (rRNA): рРНК е основна съставка на рибозомата и играе ключова роля в каталитичното свързване на аминокиселини — рибозомата е рибозим (рНК-ензим).
• Регулация на генната експресия: малки некодиращи РНК, като microRNA (miRNA) и small interfering RNA (siRNA), участват в RNA-интерференция, потискайки или разграждайки целеви mRNA. Други некодиращи РНК (piRNA, lncRNA) също регулират транскрипция, хроматинова структура и стабилност на транскриптите.
• Ремоделиране и обработка на РНК: snRNA и snoRNA участват в сплайсинга на предварителната mRNA и модификацията на рРНК и тРНК.
• Катализа и биохимични реакции: някои РНК молекули (рибозими) имат каталитична активност — например рРНК в пептидил трансферазния център и самосплайсиращи се групи РНК.
• Генетична носеща роля при вирусите: РНК е носител на генетична информация при много вируси, включително в някои вируси, особено в ретровирусите, като вируса на ХИВ. При ретровирусите информацията може да бъде обратна транскрибирана в ДНК чрез ензима обратна транскриптаза.

Видове РНК

Има множество видове РНК според функцията и дължината. Най-важните включват:

• мRNA (матрична РНК): съдържа кодоните за аминокиселините и служи за синтез на белтъци.
• tRNA (транспортна РНК): пренася аминокиселини при транслацията.
• rRNA (рибозомна РНК): структурен и каталитичен компонент на рибозомата.
• miRNA и siRNA: малки регулаторни РНК, участващи в потискане на експресията на гени чрез свързване с mRNA.
• snRNA и snoRNA: участват в сплайсинга и модификацията на други РНК.
• lncRNA (дълги некодиращи РНК): регулират транскрипцията, структурата на хроматина и други клетъчни процеси.
• ribozymes (рибозими): РНК-молекули с каталитична функция.

Произход и биологично значение

РНК играе централна роля в потока на генетична информация: ДНК → РНК → белтък (известна като "централна догма" на молекулярната биология), но съществуват и обратни процеси (обратна транскрипция). Поради способността си да съчетава информационни и каталитични свойства, РНК се счита за ключов кандидат в хипотезата за "РНК-свят" — идея за ранните стадии на живота, в които РНК е изпълнявала ролите както на генетичен носител, така и на биокатализатор.

Методи за изучаване

За изучаването на РНК се използват разнообразни техники: секвениране на РНК (RNA-seq), RT-PCR (обратна транскрипция PCR), Northern blot, структурни методи като NMR и крио-ЕМ, както и биохимични и клетъчни експерименти за откриване на взаимодействия и функции.

Практически бележки

• Поради чувствителността на РНК към RNase ензими, лабораторната работа с РНК изисква стерилни реагенти и специални мерки за защита от деградация.
• В медицината и биотехнологиите РНК се използва за диагностика (например чрез RT-PCR за вируси), както и като терапевтична платформа (mRNA ваксини и терапевтични siRNA/miRNA подходи).

РНК е многопластова и функционално разнообразна молекула — от пренасяне на генетична информация до регулиране и катализа на биологични процеси. Нейните химични и структурни особености определят специфичните ѝ роли в клетката и я правят незаменим компонент на живота.

Синтез на протеини РНК

Месинджър РНК

Основната функция на РНК е да пренася информацията за аминокиселинната последователност от гените до мястото, където протеините се сглобяват върху рибозомите в цитоплазмата.

Това става чрез месинджър РНК (мРНК). Единичната верига ДНК е проектът за мРНК, която се транскрибира от тази верига ДНК. Последователността от базови двойки се транскрибира от ДНК с помощта на ензим, наречен РНК полимераза. След това мРНК се придвижва от ядрото към рибозомите в цитоплазмата, за да образува белтъци. МРНК превежда последователността от базови двойки в последователност от аминокиселини, за да образува белтъци. Този процес се нарича транслация.

ДНК не напуска ядрото по различни причини. ДНК е много дълга молекула и е свързана с белтъци, наречени хистони, в хромозомите. мРНК, от друга страна, е в състояние да се движи и да реагира с различни клетъчни ензими. След като бъде транскрибирана, мРНК напуска ядрото и се придвижва към рибозомите.

Два вида некодиращи РНК помагат в процеса на изграждане на протеини в клетката. Това са трансферната РНК (тРНК) и рибозомната РНК (рРНК).

тРНК

Трансферната РНК (тРНК) е къса молекула от около 80 нуклеотида, която пренася специфична аминокиселина към полипептидната верига в рибозомата. За всяка аминокиселина има различна тРНК. Всяка от тях има място за прикрепване на аминокиселината и антикодон, който съответства на кодона на мРНК. Например кодоните UUU или UUC кодират аминокиселината фенилаланин.

рРНК

Рибозомната РНК (рРНК) е каталитичният компонент на рибозомите. Еукариотните рибозоми съдържат четири различни молекули рРНК: 18S, 5,8S, 28S и 5S рРНК. Три от молекулите на рРНК се синтезират в ядрото, а една се синтезира на друго място. В цитоплазмата рибозомната РНК и белтъкът се комбинират, за да образуват нуклеопротеин, наречен рибозома. Рибозомата свързва мРНК и извършва синтеза на белтъци. Няколко рибозоми могат да бъдат прикрепени към една мРНК по всяко време. рРНК е изключително разпространена и съставлява 80 % от 10 mg/ml РНК, която се намира в типичната цитоплазма на еукариот.

snRNAs

Малките ядрени РНК (snRNA) се свързват с протеини, за да образуват сплайсозоми. Сплицозомите управляват алтернативния сплайсинг. Гените кодират протеини в части, наречени екзони. Тези части могат да бъдат съединени по различни начини, за да се получат различни мРНК. По този начин от един ген могат да се получат много протеини. Това е процесът на алтернативно сплайсинг. Всички нежелани версии на белтъка се раздробяват от протеази и химическите частици се използват отново.

Структура на зряла еукариотна мРНК. Напълно обработената мРНК включва 5' капачка, 5' UTR, кодиращ регион, 3' UTR и поли(А) опашка. UTR = нетранслиран регион

Въпроси и отговори

В: Какво означава РНК?

В: По какво РНК се различава физически от ДНК?

В: Кои са различните бази, които се съдържат в РНК?

В: Каква е схемата на свързване между базите на РНК?

В: По какво РНК се различава химически от ДНК?

В: Каква е ролята на РНК в клетъчните реакции?

В: Кои вируси използват РНК като носител на генетична информация?

Търсене по буква