Будова рРНК, визначення, види, функції

Як і у випадку створення будь-якого білка чи РНК, виробництво рРНК чутливе до помилок, які призводять до виробництва нефункціональної рРНК. Щоб вирішити цю проблему, клітина дозволяє нефункціональному шляху розпаду рРНК (NRD) деградувати рРНК. Більшість досліджень на цю тему було проведено на еукаріотичних клітинах, зокрема на дріжджах Saccharomyces cerevisiae. Як еукаріотичні клітини здатні націлюватися на функціонально несправні рибосоми для убіквітування та знищення, зараз зрозуміло лише частково.

Можливо, що шлях NRD для субодиниці 40S є незалежним або відмінним від шляху NRD для субодиниці 60S. Було виявлено, що певні гени впливають на деградацію конкретних пре-РНК, але не на інші.
Вважається, що численні білки, такі як Mms1p і Rtt101p, зв’язуються разом, щоб націлити рибосоми на деградацію як частину шляху NRD. Очікується, що Rtt101p рекрутує убіквітиновий E3-лігазний комплекс, дозволяючи нефункціональним рибосомам бути повсюдними до деградації.
Невідомо, як прокаріоти здатні руйнувати нефункціональні рРНК, враховуючи, що у них відсутній гомолог Mms1.
Накопичення нефункціональних рРНК, як виявилося, істотно не погіршує швидкість росту еукаріотичних клітин.

У прокаріотів

Незважаючи на те, що існує значно менше досліджень деградації рибосомної РНК у прокаріотів порівняно з еукаріотами, залишається цікавим, чи дотримуються бактерії схеми деградації, подібної до NRD в еукаріотів. Escherichia coli була предметом більшості досліджень прокаріотів. Були виявлені численні відмінності між деградацією еукаріотичної та прокаріотичної рРНК, що змусило дослідників зробити висновок, що два типи рРНК мають різні шляхи деградації.

Певні мутації рРНК, які викликали деградацію рРНК в еукаріотах, були нездатні до цього у прокаріотів.
У прокаріотів точкові мутації в 23S рРНК призвели б до деградації як 23S, так і 16S рРНК, тоді як в еукаріотів мутації в одній субодиниці призвели б до деградації лише цієї субодиниці.
Видалення повної спіральної структури (H69) з 23S рРНК не призвело до її погіршення, як виявили дослідники. Вони прийшли до висновку, що H69 необхідний для того, щоб ендонуклеази розпізнавали та деградували мутовану рРНК.

Функції рРНК

Синтез білка є основною функцією рРНК. Сайти A, P і E рибосоми генеруються своєрідною тривимірною структурою рРНК, яка складається з внутрішніх спіралей і петель.
Зв’язуючись з матричною РНК і транспортною РНК, ці молекули забезпечують правильну трансляцію послідовності кодону мРНК в амінокислотну послідовність білка.
Сайт A закріплює вхідну тРНК, яка була заряджена амінокислотою, тоді як сайт P відповідає за зв’язування новоствореного поліпептиду. Після утворення a пептидний зв’язок, тРНК миттєво прилипає до сайту Е, перш ніж покинути рибосому.
Крім того, деякі рибосомні білки можуть зв’язуватися з рРНК за певними залишками, які були ідентифіковані шляхом поглибленого аналізу як РНК, так і білка.
Недавні дослідження показали, що такі антибіотики, як стрептоміцин і тетрациклін, мають сайти зв’язування на рРНК бактерій. Наприклад, Евглена і толерантність Escherichia coli до стрептоміцину є результатом мутації в послідовності 16S рРНК.
Схоже, що 30S рРНК є причиною резистентності до тетрацикліну. Подібні результати були виявлені щодо стійкості Streptomyces до спектиноміцину.
Прерибосомальна РНК, одна з предків рРНК, була пов’язана зі створенням мікроРНК, яка опосередковує пов’язані з механічним стресом запалення та захворювання серця. Це відкриття додає новий вимір функції рРНК.

Значення рРНК

Особливості рибосомної РНК мають важливе значення для еволюції, а отже, і для систематика та медицини.

рРНК є одним з небагатьох генних продуктів, які присутні в кожній клітині. Тому гени, що кодують рРНК (рДНК), секвенуються для визначення таксономічної категорії an організму, розрахувати споріднені групи та оцінити темпи дивергенції видів. Отже, десятки тисяч послідовностей рРНК відомі та зберігаються в спеціалізованих базах даних, таких як RDP-II [65] і SILVA.
Деякі хвороботворні бактерії, такі як Mycobacterium TB (бактерія, що викликає туберкульоз), розвивають високу стійкість до лікування через модифікації рРНК. Через подібні занепокоєння це стало поширеною проблемою у ветеринарії, де основним лікуванням бактеріальних інфекцій у собак є введення ліків, які націлені на пептидилтрансферазний центр (PTC) бактеріальної рибосоми. Мутації в 23S рРНК розвинули ідеальну стійкість до цих ліків, які діють невідомим чином, щоб обійти PTC.
Численні клінічно значущі антибіотики націлені на рРНК, включаючи хлорамфенікол, еритроміцин, касугаміцин, мікрококцин, паромоміцин, рицин, альфа-сарцин, спектиноміцин, стрептоміцин і тіострептон.
Було продемонстровано, що рРНК є джерелом видоспецифічних мікроРНК, таких як miR-663 у людей і miR-712 у мишей. Ці специфічні мікроРНК походять із внутрішніх транскрибованих спейсерів рРНК.

посилання

Малхотра, А. (2001). Будова рРНК. Енциклопедія о Life Sciences. doi:10.1038/npg.els.0000537
Брімаком Р., Стідж В. Будова і функції рибосом РНК. Biochem J. 1985, 1 липня; 229 (1): 1-17. doi: 10.1042/bj2290001. PMID: 3899100; PMCID: PMC1145144.
Ноллер, Х. Ф., Грін, Р., Хейлек, Г., Хоффарт, В., Гюттенхофер, А., Джозеф, С., … Вайзер, Б. (1995). Будова і функції рибосом РНК. Біохімія і Клітинна біологія, 73(11-12), 997–1009. doi:10.1139/o95-107
https://serc.carleton.edu/microbelife/research_methods/genomics/ribosome.html
https://www.rcsb.org/structure/1pbr
https://www.vedantu.com/biology/ribosomal-rna
https://microbe.net/simple-guides/fact-sheet-ribosomal-rna-rrna-the-details/
http://www.actabp.pl/pdf/1_2001/191.pdf
https://www.news-medical.net/life-sciences/-Types-of-RNA-mRNA-rRNA-and-tRNA.aspx
https://biologydictionary.net/ribosomal-rna/
https://en.wikipedia.org/wiki/Ribosomal_RNA

§ 6. Нуклеїнові кислоти. Властивості та функції РНК

Ви пам’ятаєте, що всі живі істоти здатні зберігати спадкову інформацію і передавати її нащадкам під час розмноження. Цю функцію виконують нуклеїнові кислоти. Певні види нуклеїнових кислот беруть участь у реалізації спадкової інформації.

Нуклеїнові кислоти – складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Число нуклеотидів у складі однієї молекули нуклеїнової кислоти може становити від 200 до 200 млн. Уперше нуклеїнові кислоти виявили в ядрі клітин, звідки й походить назва цих сполук (від лат. нуклеус – ядро). Але згодом їх виявили й у інших частинах клітини.

Молекула нуклеотиду складається з трьох частин: залишків нітрогенумісної (азотистої) основи, п’ятивуглецевого моносахариду (пентози) та ортофосфатної кислоти (мал. 23). Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК – рибози.

У молекулах ДНК і РНК містяться залишки різних азотистих основ. У молекулі ДНК – залишки нуклеотидів з аденіном (скорочено позначається літерою А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та тиміном (Т); у молекулі РНК – з аденіном (А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та урацилом (У).

Мал. 23. Схема будови нуклеотиду: 1 – залишок ортофосфатної кислоти; 2 – залишок азотистої основи; 3 – залишок моносахариду (пентоза); у молекулі дезоксирибози на відміну від рибози замість гідроксильної групи (ОН) – атом Гідрогену (Н)

Мал. 24. Схема будови нуклеїнової кислоти

У складі нуклеїнових кислот окремі нуклеотиди з’єднані між собою у ланцюг за допомогою ковалентних зв’язків, які виникають між залишком пентози одного нуклеотиду та залишком ортофосфатної кислоти іншого (мал. 24). Біологічні властивості нуклеїнових кислот зумовлені послідовністю розташування нуклеотидів у ланцюзі. Подібно до білків, ця послідовність становить собою первинну структуру нуклеїнових кислот. Складніші рівні організації молекул нуклеїнових кислот – вторинна і третинна – підтримуються за рахунок нековалентних взаємодій (зокрема, водневих зв’язків).

Типи РНК. Молекули РНК клітин прокаріотів та еукаріотів складаються з одного ланцюга. Існують три основні типи РНК, які відрізняються за місцем розташування у клітині, розмірами та функціями.

Матрична, або інформаційна, РНК (мРНК, або іРНК) становить собою копію певної ділянки молекули ДНК. Така молекула переносить спадкову інформацію від молекули ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга, а також бере безпосередню участь у його збиранні.

Транспортна РНК (тРНК) має найменші розміри серед усіх молекул РНК (складається з 70-90 нуклеотидів). Вона приєднує амінокислоти і транспортує їх до місця синтезу білкових молекул. Там молекула тРНК «впізнає» відповідну ділянку мРНК. Ця ділянка – кодон – послідовність з трьох нуклеотидів, яка кодує одну з амінокислот. Таким чином визначається порядок розташування амінокислотних залишків у молекулі білка, що синтезується.

Транспортна РНК за формою нагадує листок конюшини. Така структура зумовлена тим, що в певних ділянках молекули тРНК (4-7 послідовних ланок) між комплементарними нуклеотидами виникають водневі зв’язки. Біля верхівки «листка конюшини» містяться три нуклеотиди, або триплет, який відповідає певній амінокислоті. Цей триплет називають антикодон. Біля основи молекули ДНК є ділянка, до якої завдяки ковалентному зв’язку приєднується відповідна амінокислота (мал. 25).

Рибосомна РНК (рРНК) входить до складу особливих органел клітини – рибосом (про їхню будову ви дізнаєтесь з § 11). Разом з білками рибосом вона виконує структурну функцію, забезпечуючи певне просторове розташування молекул рРНК та тРНК під час біосинтезу білкової молекули. У клітинах еукаріотів рРНК синтезується в ядерці.

Цікаво знати

Молекули РНК можуть також виконувати функції своєрідних ферментів. Їх називають рибозими. Вони діють подібно до ферментів білкової природи. Багато рибозимів здатні каталізувати власне розщеплення або розщеплення інших молекул РНК. Крім того, рибозимом є активна частина рибосоми – органели, яка бере участь у синтезі білкової молекули. 1989 р. за встановлення каталітичних властивостей РНК двоє американських учених – Томас Роберт Чек та Сідні Олтман – отримали Нобелівську премію в галузі хімії.

Мал. 25. Будова тРНК: 1-4 – ділянки з’єднання нуклеотидів за допомогою водневих зв’язків; 5 – ділянка, до якої приєднується амінокислота; 6 – антикодон

Молекули РНК використовують і в лікувальній практиці та селекції. Для цього створюють так звані антисенсорні молекули РНК. Молекули антисенсорної РНК мають склад нуклеотидів, який відповідає послідовності нуклеотидів певної молекули мРНК (сенсорна РНК). Така сенсорна РНК кодує білки, шкідливі для організму або небажані для селекціонера. Під час введення у клітину антисенсорної РНК її нуклеотиди зв’язуються з нуклеотидами сенсорної РНК. Це блокує біосинтез білків, які кодуються сенсорною молекулою мРНК. Наприклад, застосовуючи антисенсорні технології, можна послабити симптоми ВІЛ-інфекції (ВІЛ – вірус імунодефіциту людини).

Молекули РНК можуть спричиняти захворювання рослин. Такі неклітинні форми життя називають віроїдами. Їх відкрив 1971 року Теодор Дінер, який вивчав інфекційне захворювання картоплі, відоме під назвою «веретеноподібність бульб». З’ясувалося, що інфекцію спричиняла невеличка одноланцюгова молекула РНК. Подальші детальні дослідження дали змогу встановити, що ця РНК має форму замкненого ланцюга.

Генетичний матеріал віроїду не кодує жодного білка, його основна задача – самовідтворення в клітині хазяїна. Віроїди знайдено тільки в рослин: у людини, тварин і бактерій схожих збудників не виявлено.

Коротко про головне

Нуклеїнові кислоти – високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Молекула нуклеотиду складається із залишків трьох сполук: азотистої основи, п’ятивуглецевого моносахариду (пентози) та ортофосфатної кислоти.

Розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК). До складу ДНК входить залишок пентози дезоксирибози, до складу РНК – рибози. У молекулах РНК містяться чотири типи нуклеотидів: з аденіном (А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та урацилом (У). У молекулі ДНК також трапляються чотири типи нуклеотидів, але замість урацилу – тимін (Т).

Існують три основних типи РНК, які відрізняються за місцем розташування в клітині, розмірами та функціями: матрична, або інформаційна, РНК (мРНК, або ІРНК), транспортна РНК (тРНК) та рибосомна РНК (рРНК).

Ключові терміни та поняття: нуклеотиди, нуклеїнові кислоти, РНК, триплет, антикодон.

Перевірте здобуті знання

1. Які особливості будови нуклеїнових кислот? Які є типи нуклеїнових кислот? 2. Які ви знаєте види РНК? 3. Яка будова та функції молекул мРНК (ІРНК)? 4. Як будова тРНК пов’язана з її функціями? 5. Які функції молекул рРНК?

У яких процесах, що відбуваються в клітині, беруть участь молекули РНК?

Яка основна функція РРНК