Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011
Основные молекулярные генетические механизмы
Конформации РНК
Первичная структура РНК подобна ДНК. Но РНК присущи два важных отличия:
1) наличие гидроксильной группы в рибозе в позиции 2' (рисунок 6),
2) нуклеиновое основание урацил вместо тимина в ДНК.
Гидроксильная группа в рибозе делает РНК более химически лабильной (реакционноспособной) по сравнению с ДНК, и обеспечивает ОН-группу, необходимую в реакциях, катализируемых РНК. В результате этой лабильности РНК, в отличие от ДНК, распадается на мононуклеотиды в щелочном растворе.
Рисунок 6 - Пентозы рибонуклеиновых кислот: а - рибоза; б - дезоксирибоза
Так же как и ДНК, РНК представляет собой полинуклеотид, который может образовывать одиночную спираль, двойную спираль, иметь линейную или кольцевую форму.
Возможны также гибридные РНК-ДНК двойные спирали.
В отличие от ДНК большинство клеточных РНК имеет одноцепочечную форму, разнообразные элементы вторичной структуры которой (рисунок 7) обеспечивают выполнение специфических функций.
Рисунок 7 - Элементы вторичной структуры РНК: а - шпилька; б - петля; в - псевдоузел
Простейшие вторичные структуры образуются, так же как и в случае ДНК, спариванием комплементарных оснований.
Шпильки (hairpins) образуются спариванием участков РНК отстоящих друг от друга на 5-10 нуклеотидов. Если расстояние между спаривающимися участками более 10 нуклеотидов (до 100), то такие структуры называют петлями (stem-loops). Эти простые образования могут кооперироваться, образуя более сложные третичные структуры, одна из которых называется псевдоузел (pseudoknot).
Таким образом, именно спаривание оснований является фундаментальным процессом, обеспечивающим функциональные особенности как ДНК, так и РНК.
Ниже мы подробно рассмотрим особенности вторичной и третичной структуры тРНК, рРНК и мРНК, которые обеспечивает их функциональное различие и взаимодействие в процессе биосинтеза белка.
Необходимо отметить, что молекулы РНК, подобно белковым молекулам, имеют доменную структуру. Более структурированные и жесткие домены связаны между собой менее структурированными (и более гибкими) участками.
Доменная структура РНК - это не просто аналог а- и ß-структур в белковых молекулах. В некоторых случаях доменная структура обеспечивает каталитическую активность РНК. Такие каталитические РНК называют рибозимами. Хотя рибозимы обычно образуют ассоциаты с белками, которые стабилизируют их структуру, именно РНК являются катализаторами.
Некоторые рибозимы катализируют сплайсинг РНК, при котором определённые внутренние участки РНК вырезаются и удаляются, а оставшиеся части РНК сшиваются в единую нить. Этот процесс происходит в ходе формирования большинства функциональных мРНК в эукариотических клетках. Сплайсинг также обнаружен и в клетках прокариот. Примечательно, что некоторые РНК способны к самосплайсингу (self-splicing).
Рибосомные рРНК выполняют каталитическую функцию при образовании пептидной связи в ходе синтеза белков.
ВЫВОДЫ
ДНК является носителем информации, которая определяет аминокислотную последовательность белков. Эта информация переписывается в несколько типов РНК, включающих матричную мРНК, транспортную тРНК и рибосомную рРНК, которые и осуществляют синтез белков.
ДНК и РНК представляют собой длинные неразветвленные полимеры нуклеотидов, которые состоят из фосфорилированной пентозы, связанной с органическим основанием либо пурином, либо пиримидином.
Пурины аденин и гуанин, и пиримидин цитозин входят в состав и ДНК, и РНК. Пиримидин тимин, входящий в состав ДНК, заменяется в РНК на пиримидин урацил.
Соседние нуклеотиды в нуклеиновых кислотах связаны фосфоди-эфирными связями. Полинуклеотидная цепь имеет химическую направленность: 5'-конец со свободной фосфатной группой на 5'-углероде пентозы, и З'-конец со свободной гидроксильной группой на 3'-углероде пентозы.
Природная ДНК (В-форма) состоит из двух комплементарных анти- параллельных полинуклеотидных цепей, свернутых в двойную спираль, нуклеиновыми основаниями внутрь и двумя сахарофосфатными остовами наружу. Водородные связи между комплементарными парами оснований между полинуклеотидными цепями и гидрофобные взаимодействия между соседними нуклеиновыми основаниями внутри одной цепи стабилизируют эту структуру.
Основания в нуклеиновых кислотах взаимодействуют, образуя водородные связи. Стандартные уотсон-криковские пары: G=C, А=Т (в ДНК) и A=U (в РНК). Спаривание оснований стабилизирует трёхмерную структуру ДНК и РНК.
Связывание с ДНК белков может деформировать структуру двойной спирали, вызывая локальные изгибы и расплетание молекулы ДНК.
Нагревание расплетает двойную спираль ДНК на две одиночные нити (денатурация). Температура плавления ДНК, Тm, возрастает с ростом концентрации G=C пар. При благоприятных условиях отдельные комплементарные полинуклеотидные цепиренатурируют.
Кольцевые молекулы ДНК могут быть скручены, образуя сверхспиральную форму. Ферменты топоизомеразы ликвидируют торсионные напряжения и устраняют сверхспирализацию ДНК.
РНК клетки представляют собой одноцепочечные полинуклеотиды, некоторые из которых имеют четко определённую вторичную и третичную структуру. Некоторые РНК, называемые рибозимами, обладают каталитической активностью.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите и охарактеризуйте четыре основных генетических процесса.
2. Охарактеризуйте три функции РНК в процессе биосинтеза белков.
3. Сформулируйте основную догму молекулярной биологии.
4. Какие Вы знаете отклонения от основной догмы молекулярной биологии?
5. Какое свойство ДНК позволяет ей легко изгибаться при объединении с белками?
6. Что называется денатурацией ДНК?
7. Какая температура называется температурой плавления ДНК?
8. Каким образом изменение pH влияет на температуру плавления ДНК?
9. Почему изменение концентрации ионов в растворе изменяет температуру плавления ДНК?
10. Что называется ренатурацией ДНК, и какие процессы стимулируют ренатурацию?
11. Что такое сверхспирализация ДНК?
12. В чем сходство и различие функций топоизомеразы I и топоизомеразы II?
13. Какова функция фермента ДНК-гираза?
14. Какие Вы знаете элементы вторичной структуры РНК?
15. Что такое рибозимы?