Рибонуклеиновая кислота (РНК)
План: 1. Химический состав. 2. Особенности вторичной структуры. 3. Три типа РНК - информационная, рибосомная и транспортная РНК. 4. Физико-химические свойства. 5. Функции. Алимова Фарида Кашифовна 2
Алимова Фарида Кашифовна Молекулы РНК могут функционировать как полимеразы (рибозимы) и обеспечивать синтез собственной РНК 3
Нуклеопротеиды Риибонуклеопротеиды (РНП) белки Молекулы РНК -это кислоты, т. к. имеют остаток фосфорной кислоты, имеют кислотные свойства. донор протонов Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов. Остаток фосфорной кислоты присоединён к 5'-углеродному атому пентозы (5'-фосфоэфирная связь). РНК Рибонуклеотиды: Аденозин монофосфат Гуанозинмонофосфат Цитидинмонофосфат Уридинмонофосфат Гидролиз В результате гидролиза в щелочной среде или ферментами РНК расподается на мономеры Названия нуклеотидов происходят от названия соответствующих азотистых оснований; и те и другие обозначаются заглавными буквами: аденин — аденилат (А), гуанин — гуанилат (Г), цитозин — цитидилат (Ц), тимин — тимидилат (Т), урацил — уридилат (У). Н 3 О 4 +рибонуклеозиды Аденозин Гуанозин Цитидин Уридин Гидролиз Пентозу (рибозу) соединяет с основанием N-гликозидная связь, образованная С 1 -атомом пентозы и N 1 -атомом пиримидина или N 9 -aтомом пурин Рибоза Однобуквенный код N- основания: А Аденин Г Гуанин Ц Цитозин У Алимва Фарида Кашифовна Урацил 4
Химический состав: Алимова Фарида Кашифовна 5
Химическая структура РНК. Химически РНК очень похожа на ДНК. Оба вещества - это линейные полимеры нуклеотидов. Каждый мономер - нуклеотид - представляет собой фосфорилированный N-гликозид, построенный из остатка пятиуглеродного сахара - пентозы, несущего фосфатную группу на гидроксильной группе пятого углеродного атома (сложноэфирная связь) и азотистое основание при первом углеродном атоме (N-гликозидная связь). Главное химическое различие между ДНК и РНК состоит в том, что сахарный остаток мономера РНК - это рибоза, а мономера ДНК - дезоксирибоза, являющаяся производным рибозы, в котором отсутствует гидроксильная группа при втором углеродном атоме Алимова Фарида Кашифовна 6
Алимова Фарида Кашифовна 7
Строение РНК Второе отличие — к боковому обрамлению присоединяется гетероцикл урацил (У) вместо тимина (Т), остальные гетероциклы А, Г и Ц те же, что у ДНК. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы, присоединенной к циклу. Порядок следования группировок А, У, Г и Ц, а также их количественное соотношение может быть различным.
Строение РНК
Строение РНК Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие в том, что молекулы РНК не объединяются в двойные спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. На спиральных участках взаимодействие пар соблюдается также строго, как в ДНК. Пары, связанные водородными связями и формирующие спираль (А-У и Г-Ц), возникают на тех участках, где расположение групп оказывается благоприятным для такого взаимодействия. Для подавляющего большинства живых организмов количественное содержание пар А-У больше чем Г-Ц, у млекопитающих в 1, 5– 1, 6 раза, у растений – в 1, 2 раза. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.
Известно, что функции белков в основном зависят от их трехмерной структуры, т. е. специфически свернутой, по большей части компактной (глобулярной) конформации Поэтому принципиально важным было установление того факта, что высокополимерные полинуклеотидные цепи РНК, как и полипептидные цепи белков, способны самосворачиваться в компактные структуры и что их сворачивание приводит к специфическим конформациям молекул РНК Алимова Фарида Кашифовна 11
Виды РНК: Существование м. РНК предсказано в 1956 -58 А. С. Спириным и А. Н. Белозерским, а также независимо от них Э. Волкиным и Ф. Астрачаном. Алимова Фарида Кашифовна 12 Экспериментально м. РНК открыты в 1961 в лабораториях М. С. Мезелсона,
РНК – одноцепочечная структура, ее состав, в отличие от ДНК, не подчиняется правилам Чаргаффа. Поэтому как вторичная, так и третичная структуры РНК не регулярны по строению. По особенностям строения и выполняемым функциям различают три основные типа РНК: • Рибосомные РНК (р. РНК) – компоненты рибосом. На долю р. РНК приходится около 80% всей РНК клетки. Молекула РНК имеет вторичную структуру в виде спиральных участков, соединенных изогнутой одиночной цепью. Третичная структура р. РНК имеет форму палочки или клубка и составляет скелет рибосомы: снаружи на нее нанизываются рибосомные белки. • Транспортные РНК (т. РНК) составляют около 15% всей клеточной РНК. Обнаружено около десятка видов т. РНК, различающихся по первичной структуре. Характерной особенностью т. РНК является наличие редких оснований. Вторичная структура т. РНК имеет вид «клеверного листа» . • Матричные РНК (м. РНК) составляют около 2% от всей РНК клетки. Имеется большое кл-во м. РНК, различающихся по первичной структуре. Вторичная структура м. РНК представляет собой изогнутую цепь, а третичная подобна нити, намотанной на катушку, роль которой играет особый транспортный белок – 13 Алимова Фарида Кашифовна информер.
Матричные (информационные) РНК Ø Содержание в клетках – 2 -%. Ø Их количество соответствует числу белков в организме. Ø Обладают сложной вторичной структурой, обеспечивающей выполнение ими матричной функции в ходе трансляции Ø третичная подобна нити, намотанной н катушку, роль которой играет особый транспортный белок – информер. (Схема первичной структуры матричной РНК) Алимова Фарида Кашифовна 14
Алимова Фарида Кашифовна 15
Алимова Фарида Кашифовна 16
Схема сплайсинга, в процессе которого пре-м. РНК созревает в зрелую РНК. Зелёный — нетранслируемые участки (Un. Translated Regions, UTR), синий — интроны, красный — транслируемые (кодирующие белок) участки Алимова Фарида Кашифовна 17
Зрелая м. РНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: 5'кэп - это модифицированный гуанозиновый нуклеотид, который добавляется на 5'- (передний) конец незрелой м. РНК. Это важно для узнавания м. РНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5'нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищённым 5'концом. 3'-полиадениновый конец. Длинная последовательность адениновых оснований, которая присутствует на 3'- «хвосте» м. РНК эукариот, синтезируется ферментом полиаденилатполимеразой. У высших эукариот поли(А)-хвост добавляется к транскрибированной РНК, которая содержит специфическую последовательность, AAUAAA. Важность этой последовательности можно увидеть на примере мутации в гене человеческого 2 -глобина, которая изменяет AAUAAA на AAUAAG, что приводит к недостаточному количеству глобина в организме Алимова Фарида Кашифовна 18 3) нетранслируемые 2 участка
Вторичная структура м. РНК представлена многочисленными двухспиральными участками ("шпильками"). При связывании с рибосомой макромолекулярная структура м. РНК существенно изменяется, а двухспиральные ее участки в районе непосредств. контакта с рибосомой переходят в однотяжевое состояние. Вторичная структура м. РНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается» , и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы). Примерами Вторичной структуры могут служить: Вторичные структуры в м. РНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина, зависит от стебля-петли, расположенной в 3'-нетранслируемой области. Псевдоузлы служат для программированного изменения рамки считывания генов. Также Алимова Фарида Кашифовна 19 вторичная структура служит для замедления деградации определенных м. РНК
Транспортные РНК (т. РНК) Ø Самые мелкие молекулы РНК, построены из 75 -90 нуклеотидов, Мм 23000 -30000 Да. Ø Составляют 10 -20% от общего количества РНК клетки. Ø Функция их состоит в транспортировании аминокислот в рибосомы - к месту синтеза белка и обеспечение включения аминокислот в определенные участки полипептидной цепи в соответствии с генетическим кодом. т-РНК участвуют в синтезе белка, являясь адаптерами – своеобразными переводчиками – переводят последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислотных остатков белковой молекулы. Ø Для каждой из 20 аминокислот имеется своя т-РНК, а для некоторых аминокислот – до 5. Например, т-РНК для лейцина имеет 5 разновидностей, т-РНК для серина 20 тоже имеет пять различных молекул. Алимова Фарида Кашифовна
Транспортные РНК (т. РНК) Ø Вторичная структура т. РНК - это полинуклеотидная цепь в виде клеверного листа. К 3' и 2'-OH группе концевого аденозинового остатка присоединяется соответствующая аминокислота через свою карбоксильную группу, образуя аминоацил-т-РНК. Ø В молекуле каждой т-РНК имеется специфический антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, комплементарный кодону информационной РНК. Например, кодону в и-РНК 5'-ГЦЦ-3' соответствует антикодон 3'-ЦГГ-5'. Таким образом обеспечивается специфичность взаимодействия т. РНК с и. РНК Ø В молекуле т. РНК содержится довольно много минорных и модифицированных оснований. К ним относятся псевдоуридин (ψ), дигидроуридин (D), тимидин (T), а также множество метилированных нуклеотидов - 7 -метилгуанидин (m 7 G) и входящий в состав антикодона 2'-О-метилгуанидин (m 2 G). Алимова Фарида Кашифовна 21
Ø В молекуле т. РНК содержится довольно много минорных и модифицированных оснований. К ним относятся псевдоуридин (ψ), дигидроуридин (D), тимидин (T), а также множество метилированных нуклеотидов - 7 метилгуанидин (m 7 G) и входящий в состав антикодона 2'-О-метилгуанидин (m 2 G). Алимова Фарида Кашифовна 22
Впервые специфическая Сворачивание полимерной цепи т. РНК, состоящей из 76 нуклеотидных пространственная структура РНК была мономеров, приводит к формированию продемонстрирована при расшифровке атомной структуры одной из т. РНК в 1974 г. очень компактного глобулярного ядра, из которого под прямым углом торчат два выступа. Они представляют собой короткие двойные спирали по типу ДНК, но организованные за счет взаимодействия участков одной и той же цепи РНК. Один из выступов является акцептором аминокислоты и участвует в синтезе полипептидной цепи белка на рибосоме, а другой предназначен для комплементарного взаимодействия с кодирующим триплетом (кодоном) м. РНК в той же рибосоме. Только такая структура способна специфически взаимодействовать с белком-ферментом, навешивающим аминокислоту на т. РНК, и с рибосомой в процессе трансляции, то есть Алимова Фарида Кашифовна 23 специфически "узнаваться" ими.
Третичная структура т. РНК Алимова Фарида Кашифовна 24
Рибосомные РНК Ø Содержание - около 80% всей РНК клетки Ø Входят в состав рибосом. Ø р. РНК выполняют структурную и ферментативную функции, обеспечивают правильное взаимодействие рибосом с м. РНК и т. РНК. В развитии современных представлений о функциях РНК решающим было открытие некодирующих РНК. Оказалось, что кодирующие РНК составляют лишь малую долю клеточных РНК, а основная часть РНК представлена некодирующими РНК, куда относятся в первую очередь рибосомные РНК. Для высокополимерных некодирующих РНК двух рибосомных субъединиц было показано, что их специфическое компактное самосворачивание задает специфическую форму каждой из субъединиц и, в конечном счете, определяет конформацию рибосомы. Таким образом, так же как и белки, РНК способны образовывать специфические третичные структуры, т. е. обладают структурной и формообразующей функцией. Фарида Кашифовна Алимова 25
Изучение изолированных рибосомных РНК дало разительный пример формирования компактных специфических структур из еще более длинных линейных полимеров этого типа. Рибосома состоит из двух неравных частей - большой и малой рибосомных субчастиц (субъединиц). Каждая субчастица построена из одной высокополимерной РНК и целого ряда разнообразных рибосомных белков. Длина цепей рибосомных РНК весьма значительна: так, РНК малой субчастицы бактериальной рибосомы содержит более 1500 нуклеотидов, а РНК большой субчастицы - около 3000 нуклеотидов. У млекопитающих, включая человека, эти РНК еще больше - около 1900 нуклеотидов и более 5000 нуклеотидов в малой и большой субчастицах соответственно. !!! Важно, что изолированные рибосомные РНК, отделенные от их белковых партнеров и полученные в чистом виде, сами способны спонтанно сворачиваться в компактные структуры, по своим размерам и форме похожие на рибосомные субчастицы. Форма большой и малой субчастиц разная, и соответственно различается форма большой и малой рибосомных РНК. !!! Таким образом, линейные цепи рибосомной РНК самоорганизуются в специфические пространственные структуры, определяющие размеры, форму и, по-видимому, внутреннее устройство рибосомных субчастиц, Алимова Фарида Кашифовна 26 следовательно, и всей рибосомы.
Изолированные рибосомные РНК, отделенные от их белковых партнеров и полученные в чистом виде, сами способны спонтанно сворачиваться в компактные структуры, по своим размерам и форме похожие на рибосомные субчастицы. Форма большой и малой субчастиц разная, и соответственно различается форма большой и малой рибосомных РНК. Таким образом, линейные цепи рибосомной РНК самоорганизуются в специфические пространственные структуры, определяющие размеры, форму и, по-видимому, внутреннее устройство рибосомных субчастиц, а следовательно, и всей рибосомы. Сравнение контуров рибосомных субчастиц бактерий и их изолированных высокополимерных РНК в компактной форме по данным электронной микроскопии: вверху - большая субчастица и ее РНК; Алимова Фарида Кашифовна 27 внизу - малая субчастица и ее РНК
Алимова Фарида Кашифовна 28
Биохимически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков, Рибосомы эукариот (м. м. 4, 2 • 106) большего размера (23 нм в диаметре), чем рибосомы прокариот (м. м. 2, 5 • 106, 8 нм в диаметре). Рибосомы характеризуют по скорости их седиментации в центрифужном поле, которая количественно выражается константой седиментации s в единицах Сведберга S (1 х10 -13 с). Величина s зависит от размера частиц, от формы и плотности, так что она непропорциональна размеру. Число рибосом в микробной клетке равно примерно 104, а эукариот – около 105. Алимова Фарида Кашифовна 29
Рибосомы Ø Состоят из двух субъединиц: большой и малой. Ø По размерам и молекулярной массе рибосомы делят на 3 группы: • 70 S рибосомы прокариот, состоящие из малой 30 S и большой 50 S субъединиц; • 80 S рибосомы эукариот, состоящие из 40 S малой и 60 S большой субъединиц; • рибосомы митохондрий и хлоропластов, которые в общем относят к классу 70 S, однако они различаются по коэффициентам седиментации у разных групп эукариот. Алимова Фарида Кашифовна 30
Малая субъединица 80 S рибосом: • 1 молекула р. РНК (18 S около 1900 нуклеотидов) • 33 молекул различных белков Большая субъединица: • 3 молекулы р. РНК (5 S, 5, 8 S и 28 S более 5000 нуклеотидов) • примерно 50 белков Алимова Фарида Кашифовна 31
• Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов, но структурно и функционально очень сходны с эукариотическими малая субъединица: • 16 S р. РНК (более 1500 нуклеотидов) • 21 белок большая субъединица: • 2 молекулы р. РНК (5 S, 23 S около 3000 нуклеотидов) • 34 белка Алимова Фарида Кашифовна 32
Примеры структур РРНК и т. РНК Образуется за счет коротких двуспиральных участков молекулы – шпилек, которые составляют около 2/3 р. РНК, только 1/3 молекулы представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Б Алимова Фарида Кашифовна 33
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА рибосомной РНК простейшего организма Tetrahymena принци пиально важна для каталитической активности этой молекулы. Она поддерживается благодаря способности оц. РНК сворачиваться, образуя короткие двухцепочечные участки. Итак, РНК— это полимер. Если два фрагмента РНК содержат комплементарные последовательности нуклеотидов, то они могут соединиться и образовать двухцепочечный участок (оранжевые). Алимова Фарида Кашифовна 34
Дальние взаимодействия, например между участками, обозначенными 9 R' (голубые), приводят к формированию еще более сложной пространственной структуры. Эта структура способствует выщеплению из РНК тетрахимены фрагмента, называемого интроном. Большая часть представленной здесь последовательности является интроном; из РНК, остающейся после выщепления интрона, показаны лишь маленькие участки, примыкающие к концам интрона (серые). Модели структуры были разработаны независимо в нескольких лабораториях, включая Алимова Фарида Кашифовна лабораторию автора, и результаты 35 получились очень сходные.
Алимова Фарида Кашифовна 36
Рибозимы. Вся активная жизнь построена на обмене веществ - метаболизме, и все биохимические реакции метаболизма происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным специфическим катализаторам, созданным эволюциейферментами. На протяжении многих десятилетий биохимики были уверены, что биологический катализ всегда и всюду осуществляется белками, называемыми ферментами, или энзимами. И вот в 1982 -1983 гг. было показано, что в природе имеются виды РНК, которые, подобно белкам, обладают высокоспецифической каталитической активностью. Такие РНК-катализаторы были названы рибозимами. Представлению об исключительности белков в катализе биохимических реакций пришел конец. В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Действительно, все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками. Идентифицирован каталитический участок большой рибосомной РНК, ответственный за катализ реакции транспептидации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе 37 Алимова Фарида Кашифовна трансляции.
Рибозим умеет разрезать в определенном месте «субстрат» — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозиманеудачника. Это позволяет осуществлять искусственный отбор рибозимов, благополучно разрезавших молекулу субстрата. Алимова Фарида Кашифовна 38
До недавних пор высшим достижением науки в области создания рибозимов - РНКполимераз был рибозим R 18. Этот рибозим использует в качестве матрицы одноцепочечную молекулу РНК с заранее подготовленной «затравкой» (праймером). Праймер — это небольшой кусочек комплементарной цепи РНК, присоединенный к одному из концов матрицы. Рибозим R 18 достраивает комплементарную цепь, начиная от праймера. Максимум, чего от него можно добиться, — это присоединения 15– 20 комплементарных нуклеотидов. Алимова Фарида Кашифовна 39
Алимова Фарида Кашифовна 40
Алимова Фарида Кашифовна 41
Алимова Фарида Кашифовна 42
Физические свойства Рибонуклеиновые кислоты • хорошо растворимы в воде, • рактически не растворимы в органических растворителях. • очень чувствительны к действию температуры и • критическим значениям уровня p. H. . Физико-химические свойства РНК: Алимова Фарида Кашифовна 43
Алимова Фарида Кашифовна 44
Мультифункциональность РНК Суммирование и обзор знаний о функциях РНК позволяют говорить о необыкновенной многофункциональности этого полимера в живой природе. Можно дать следующий список основных известных функций РНК. • Генетическая репликативная функция: структурная возможность копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных организмов - редупликации генетического материала. • Кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК, и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для последовательной расстановки 20 видов Алимова Фарида Кашифовна 45 аминокислот в полипептидной цепи белка.
• Структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра. • Функция узнавания: высокоспецифические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является базой специфического катализа. • Каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-ферментов. Алимова Фарида Кашифовна 46
В целом РНК предстает перед нами столь удивительным полимером, что, казалось бы, ни времени эволюции Вселенной, ни интеллекта Творца не должно было бы хватить на ее изобретение. Как можно было видеть, РНК способна выполнять функции обоих принципиально важных для жизни полимеров - ДНК и белков. Неудивительно, что перед наукой и встал вопрос: а не могло ли возникновение и самодостаточное существование мира РНК предшествовать появлению жизни. Фарида Кашифовна в ее современной ДНК-белковой форме? Алимова 47
Скачать презентацию Рибонуклеиновая кислота РНК План 1 Химический состав
Поток_Лекция РНК.ppt