Содержащиеся в клетке РНК различаются составом, размером, функциями и локализацией.
В цитоплазме клеток содержатся три основных функциональных вида РНК. Это матричные РНК – мРНК, выполняющие функции матриц белкового синтеза, рибосомные РНК – рРНК, выполняющие роль структурных компонентов рибосом, и транспортные РНК – тРНК, участвующие в трансляции (переводе) информации мРНК в последовательность аминокислот в белке.
В таблице 2 представлены отличия ДНК от РНК по строению, локализации в клетке и функциям.
Таблица 2 Отличия ДНК от РНК
ДНК | РНК |
Строение сахар дезоксирибоза | Строение сахар рибоза |
двуцепочечная (двойная спираль) | одноцепочечная |
Основания - аденин - гуанин - цитозин - тимин | Основания вместо тимина урацил |
Локализация в клетке - в ядре (в хромосомах); - в митохондриях кольцевая двуцепочечная; - в хлоропластах высших растений. | Локализация в клетке - м-РНК в ядрышке - р-РНК в рибосомах - т-РНК в цитоплазме |
Функции Кодирует последовательность аминокислот в белке, т.е. хранит генетическую информацию | Функции - м-РНК служит матрицей, т.е. передает информацию ДНК м-РНК белок; - т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; - р-РНК в составе рибосом, составляет 65% от их вида, выполняет структурную функцию |
В ядре клеток обнаруживают ядерную РНК, составляющую от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК. Основная масса ядерной РНК представлена высокомолекулярными предшественниками рибосомных и транспортных РНК. Предшественники высокомолекулярных рРНК (28S, 18S и 5S) в основном локализуются в ядрышке. От 2 до 10% от суммарной ядерной РНК приходится на особую фракцию гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), молекулы которой являются предшественниками мРНК.
|
|
Важным функциональным типом ядерной РНК являются малые ядерные РНК (мяРНК), содержащие от 90 до 300 нуклеотидов с уникальной нуклеотидной последовательностью, комплементарной последовательности сайтов сплайсинга. Благодаря этому мяРНК регулирует созревание (процессинг) гяРНК в зрелые мРНК.
РНК является основным генетическим материалом у некоторых вирусов животных и растений (геномные РНК). Для большинства РНК вирусов характерна обратная транскрипция их РНК генома, направляемая обратной транскриптазой.
Все рибонуклеиновые кислоты представляют собой полимеры рибонуклеотидов, соединенных, как в молекуле ДНК, 3′, 5′ - фосфодиэфирными связями. В отличие от ДНК, имеющей двуцепочечную структуру, РНК представляет одноцепочечные линейные полимерные молекулы.
К настоящему времени удалось определить первичную структуру большинства тРНК, рРНК, мРНК и мяРНК из разных видов живых организмов и выявить основные закономерности их структурной организации.
|
|
Структурная организация мРНК. мРНК – наиболее гетерогенный в отношении размеров и стабильности класс РНК. Содержание мРНК в клетках составляет 2-6 % от тотального количества РНК. мРНК, особенно эукариотические, обладают некоторыми специфическими структурными особенностями. мРНК состоят из участков – цистронов, определяющих последовательность аминокислот в кодируемых ими белках, и нетраслируемых областей на концах молекулы. Для цистронных областей характерно уникальная последовательность нуклеотидов, определяемая нуклеотидной последовательностью гена, нетраслируемые области имеют некоторые общие закономерности строения. Так, на 5′ - конце всех эукариотических мРНК имеется особая структура, называемая кэпом (от англ. сap – шапка). Кэп представляет собой 7 – метилгуанозинтрифосфат, присоединенный к 5′ - гидроксилу концевого остатка мРНК посредством трифосфатной связи. Образование кэпа происходит ферментативным путем в ядре еще до завершения транскрипции. Считается, что кэп, с одной стороны, предохраняет 5′ - конец мРНК от ее расщепления экзонуклеазами, с другой стороны, используется для специфического узнавания при трансляции. За кэпом следует прецистронный нетранслируемый участок, в котором (3-15 нуклеотидов до инициирующего кодона) располагается последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности рРНК. Ее роль – обеспечение правильного взаимодействия 5′ - конца с рибосомой. Завершается цистрон терминирующим кодоном, за которым следует постцистронный нетраслируемый участок, имеющий в своем составе характерный для многих видов гексануклеотид ААУААА. У большинства мРНК 3′ - конец содержит полиаденилатную цепочку из 100-250 адениловых нуклеотидов, не являющуюся результатом транскрипции, а присоединяющуюся к мРНК входе созревания в ядре ферментативным путем. Предполагается, что полиаденилатная последовательность отвечает за поддержание внутриклеточной стабильности мРНК, определяет ее время существования.
мРНК обладают сложной вторичной структурой, обеспечивающей выполнение ими матричной функции в ходе трансляции. Показано, что в целом в линейной молекуле мРНК формируется несколько двухспиральных шпилек, на концах которых, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации трансляции.
Структурная организация тРНК. Транспортные РНК выполняют функции посредников (адапторов) в ходе трансляции мРНК. Каждой из 20 протеиногенных аминокислот соответствует своя тРНК. Для некоторых аминокислот, кодируемых двуямя и более кодонами, существует несколько тРНК.тРНК представляют собой сравнительно небольшие одноцепочечные молекулы, состоящие из 70-93 нуклеотидов. Их молекулярная масса составляет (2,4-3,1) ∙ 104 кДа. На долю тРНК приходится примерно 15% суммарной клеточной РНК.
К настоящему времени установлена нуклеотидная последовательность почти для 300 тРНК, выделенных из разных видов организмов и обладающих разной аминокислотной специфичностью. Несмотря на различия нуклеотидной последовательности все тРНК имеют много общих черт. Во всех тРНК 8 или более нуклеотидов содержат различные минорные модифицированные основания (всего около 60), многие из которых представляют собой метилированные пуриновые или пиримидиновые основания. Обязательными минорными компонентами для всех тРНК являются дигидроуридин и псевдоуридин. В большинстве тРНК на 5′ - конце находится остаток гуаниловой кислоты, на 3′ - конце всех тРНК, называемом акцепторным, обязательным является тринуклеотид – ЦЦА (3′). Некоторые модифицированные нуклеозида в тРНК представлены ниже.
|
|
Вторичная структура тРНК формируется за счет образования максимального числа водородных связей между внутримолекулярными комплементарными парами азотистых оснований. В результате образования этих связей полинуклеотидная цепь тРНК закручивается с образованием спирализованных ветвей, заканчивающихся петлями из неспаренных нуклеотидов. Пространственное изображение вторичных структур всех тРНК имеет форму клеверного листа (рис. 6).
В «клеверном листе» различают 4 обязательные ветви, более длинные тРНК, кроме того, содержат короткую петлю (дополнительную ветвь).
Адапторную функцию тРНК обеспечивают акцеторная ветвь, к 3′ - концу которой присоединяется эфирной связью аминокислотный остаток, и противостоящая акцепторной ветви антикодоновая ветвь, на вершине котрой находится петля, содержащая антикодон. Антикодон представляет собой специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен в антипараллельном направлении кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.
Т-ветвь, несущая петлю псевдоуридина, обеспечивает взаимодействие тРНК с рибосомами. Д-ветвь, несущая дегидроуридиновую петлю, вероятнее всего, обеспечивает взаимодействие тРНК с соответствующей аминоацил – тРНК- синтетазой. Функции пятой дополнительной ветви пока мало исследованы, вероятнее всего, она уравнивает длину разных молекул тРНК.
Рис. 6 Вторичная структура тРНК
Третичная структура тРНК компактна и образуется путем сближения отдельных ветвей клеверного листа за счет дополнительных водородных связей и стэкинг-взаимоденйствий, с образованием L-образной структуры «локтевого сгиба» (рис. 7).
Рис. 7 Третичная структура тРНК
При этом акцепторное плечо, связывающее аминокислоту, оказывается расположенным на одном конце молекулы, а антикодон – на другом. Третичные структуры всех тРНК настолько похожи, что смесь различных тРНК образует кристаллы. В тоже время имеющиеся в пространственной структуре незначительные отличия обеспечивают специфическое узнавание тРНК соответствующими аминоацил-тРНК-синтетазами.
|
|
Структура рибосомных РНК и рибосом. Рибосомные РНК формируют ту основу, с которой связываются специфические белки при образовании рибосом. Рибосомы – это нуклеопротеиновые органеллы, обеспечивающие синтез белка на мРНК-матрице. Число рибосом в клетке очень велико: от 104 у прокариот до 106 у эукариот. Локализуются рибосомы, главным образом, в цитоплазме, у эукариот, кроме того, в ядрышке, в матриксе митохондрий и строме хлоропластов. Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. По размерам и молекулярной массе рибосомы делят на 3 группы – 70 S рибосомы прокариот, состоящие из малой 30 S и большой 50 S субчастиц, 80 S рибосомы эукариот, состоящие из 40 S малой и 60 S большой субчастиц, и рибосомы митохондрий и хлоропластов, которые в общем относят к классу 70 S, однако они различаются по коэффициентам седиментации у разных групп эукариот. Малая и большая субъединицы рибосом про- и эукариот образованы молекулами рРНК и белками (см. рис. 17).
Вторичная структура рРНК образуется за счет коротких двухспиральных участков молекулы – шпилек. Около 2/3 рРНК организовано в шпильки, 1/3 – представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Белки рибосом обладают основным характером, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.
Исследования последних лет показали, что рибосомные РНК являются не только структурными компонентами рибосом, но и обеспечивают правильное связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК, устанавливая тем самым начало и рамку считывания при образовании полипептидной цепи. Кроме того, рРНК участвуют в обеспечении взаимодействия рибосом с тРНК.
Тесты к модулю 1 «Нуклеиновые кислоты»
1. Нуклеиновые кислоты впервые были выделены
а) Ф.Криком и Д.Уотсоном
б) М. Ниренбергом и сотр.
в) Ф. Мишером
г) Е. Чаргаффом
д) Ф. Сангером
2. Впервые доказали генетическую роль ДНК
а) Ф. Сангер и сотр.
б) Е. Чаргафф и сотр.
в) М. Эвери и сотр.
г) Ф.Крик и Д.Уотсон
д) Ф. Мишер
3. Какое открытие принадлежит Д.Уотсону и Ф.Крику?
а) хромосомная теория наследственности
б) бинарная номенклатура
в) теория эволюции
г) структурная модель молекулы ДНК
д) открытие вирусов
4. Структуру двойной спирали имеет молекула
а) белка
б) ДНК
в) т-РНК
г) р-РНК
д) полипептида
5. Отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называется
а) интрон
б) ген
в) хромосома
г) нуклеотид
д) нуклеосома
6. Структурной единицей нуклеиновой кислоты является:
а) мононуклеотид;
б) аминокислота;
в) нуклеозид;
г) пуриновое или пиримидиновое основание;
д) углевод
7. Отдельные нуклеотиды в молекулах нуклеиновых кислот связаны:
а) О-гликозидной связью;
б) 3, 5-фосфодиэфирной связью;
в) N-гликозидной связью;
г) a -1,4-гликозидной связью;
д) b -1,4-гликозидной связью
8. Основания в нуклеиновой кислоте связаны с углеводом:
а) О-гликозидной связью;
6) 3, 5-фосфодиэфирной связью;
в) N-гликозидной связью;
г) a -1,4-гликозидной связью;
д) b -1,4-гликозидной связью
9. Назовите пуриновые основания (1), пиримидиновые основания (2):
а) аденин;
б) гуанин;
в) цитозин;
г) тимин;
д) урацил
10. Перечислите основания, входящие только в РНК (1), только в ДНК (2), в обе нуклеиновые кислоты (3):
а) тимин;
б) аденин;
в) урацил;
г) цитозин;
д) гуанин;
11. В состав ДНК входят все основания, кроме:
а) аденин;
б) тимин;
в) урацил;
г) гуанин;
д) цитозин;
12. В состав РНК входят все основания, кроме:
а) аденин;
б) тимин;
в) урацил;
г) гуанин;
д) цитозин
13. Спаривание оснований в ДНК осуществляется за счет образования:
а) 3'-5'-фосфодиэфирной связи;
б) водородных связей
в) ионных связей
г) ван-дерваальсовых сил;
д) гидрофобных связей
14. Тимин в цепи ДНК комплементарен
а) тимину
б) цитозину
в) гуанину
г) аденину
д) урацилу
15. Цитозин в цепи ДНК комплементарен
а) тимину
б) цитозину
в) гуанину
г) аденину
д) урацилу
16. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Г-Ц-Ц-А-А-Т-Г-Ц-А-Ц, то вторая цепь:
а) А-А-Ц-А-Т-Т-Г-Г-Т-Г;
б) Ц-Т-Г-Т-А-А-Т-А-Т-Г;
в) Ц-Ц-А-А-Т-Г-А-Т-Г-Т;
г) Т-Ц-Г-Г-Т-Г-Т-Ц-Т-Т;
д) Ц-Г-Г-Т-Т-А-Ц-Г-Т-Г
17. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Ц-Т-Г-Т-А-А-Т-А-Т-Г, то вторая цепь:
а) Г-Ц-Ц-А-Т-Т-Г-Ц-Г-А;
б) Г-А-Ц-А-А-Т-А-Т-Ц-Ц:
в) А-А-Т-Ц-Ц-Г-А-Т-Т-Г:
г) Г-А-Ц-А-Т-Т-А-Т-А-Ц:
д) Г-А-А-Т-Ц-Ц-Г-Г-Т-А
18. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Т-Ц-Г-Г-Т-Г-Т-Ц-А-А, то вторая цепь:
а) Г-А-Ц-А-А-Т-А-Т-Ц-Ц;
б) А-Т-Ц-Ц-Т-А-Г-Ц-Г-А:
в) А-Г-Ц-Ц-А-Ц-А-Г-Т-Т;
г) А-Т-Т-Ц-Г-Г-А-Ц-Ц-А:
д) А-Г-Ц-Ц-Ц-А-А-Г-Г-Т
19. Если содержание аденина в ДНК составляет 10 %, то содержание цитозина составит:
а) 10 %
б) 20 %
в) 15 %
г) 40 %
д) 30 %
20. Выберите все, что характерно для ДНК:
а) молекулярная масса млн дальтон и выше;
б) одноцепочечная;
в) двухцепочечная;
г) небольшая молекулярная масса,
д) содержит урацил;
е) содержат тимин;
ж) содержит рибозу;
з) содержит дезоксирибозу
21. Выберите все, что характерно для РНК:
а) молекулярная масса млн дальтон и выше;
б) одноцепочечная;
е) двухцепочечная;
г) небольшая молекулярная масса;
д) содержит урацил;
е) содержит тимин;
ж) содержит рибозу;
з) содержит дезоксирибозу
22. Выберите все, что характерно для РНК (1) и для ДНК (2):
а) молекулярная масса млн дальтон и выше;
б) одноцепочечная;
в) двухцвпочечная;
г) небольшая молекулярная масса;
д) содержит урацил;
е) содержит тимин;
ж) содержит рибозу;
з) содержит дезоксирибозу
23. В молекуле ДНК (В-форма) на один виток спирали приходится следующее количество нуклеотидов:
а) 10
б) 15
в) 3
г) 5
д) 20
24. Для ДНК характерно все, кроме:
а) количество А и Т одинаково;
б) количество Г и Ц одинаково;
в) одна полинуклеотидная цепь комплементарна другой;
г) нуклеотидная последовательность одной цепы идентична нуклеотидной последовательности другой;
д) полинуклеотидные цепи антипараллельны
25. Выберите все, что характерно для двойной спирали ДНК:
а) цепи параллельны;
б) цепи антипараллельны;
в) закручена в правую сторону;
г) закручена в левую сторону;
д) цепи комплементарны;
е) диаметр спирали 5,0 нм;
ж) диаметр спирали 2,0 нм
26. Значение ДНК заключается в том, что она:
а) участвует в синтезе белка на рибосоме;
б) является носителем генетической информации;
в) участвует в переносе информации в цитоплазму,
г) регулирует трансляцию;
д) все утверждения верны
27. Подберите к перечисленным функциям, обозначенным буквами, соответствующий вид нуклеиновой кислоты, обозначенный цифрами:
а) осуществляет передачу генетической информации;
б) являются структурными компонентами рибосом;
в) выполняют адапторную функцию;
г) служат матрицами для синтеза белка;
д) служат матрицами для синтеза РНК;
1) мРНК
2) ДНК
3) тРНК
4) рРНК
28. Универсальной пространственной структурой тРНК является модель
а) «клеверного листа»
б) «ключа и замка»
в) «руки и перчатки»
г) «цинковых пальцев»
д) «a-спираль-поворот-a-спираль»
29. Нуклеопротеиновая частица, играющая важную роль в упаковке и организации ДНК в ядре, называется
а) теломера
б) нуклеосома
в) оперон
г) рибосома
д) полисома
30. Ядро нуклеосомы составляют
а) негистоновые белки
б) белок убиквитин
в) гистоновые белки
г) семейство сайт-специфических белков типа «цинковых пальцев»
д) все перечисленное
31. Последовательности ДНК, связывающие нуклеосомы, называются
а) интроном
б) линкером
в) экзоном
г) сателлитной ДНК
д) эгоистичной ДНК
32. Расхождение цепей в двухцепочечной ДНК – это
а) лигирование
б) секвенирование
в) амплификация
г) ренатурация
д) плавление