Ribonukleino rūgštis (RNR): struktūra, bazės ir biologinė reikšmė

RNR yra ribonukleorūgšties, nukleorūgšties, akronimas. Tai viena iš pagrindinių biologinių makromolekulių, kurios funkcijos ir formos labai įvairuoja — šiuo metu žinoma daugybė skirtingų RNR rūšių, kurios atlieka tiek informacines, tiek struktūrines ir katalitines funkcijas ląstelėje.

Struktūra ir cheminiai skirtumai nuo DNR

RNR fiziškai ir cheminiu požiūriu skiriasi nuo DNR. Pagrindiniai skirtumai:

• RNR dažniausiai yra viena grandinė (nors ji gali formuoti dvigrandines sritys susilenkdama į kompleksines antrines struktūras), tuo tarpu DNR yra dvisruogė spiralinė grandinė.
• Ribozė yra sacharidinė RNR dalis — RNR cukrus yra ribozė, o DNR cukrus yra deoksiribozė. Ribozės 2' hidroksilo (-OH) grupė daro RNR chemiškai reaktyvesnę ir mažiau stabilią vandeninėje terpėje nei DNR.
• RNR naudoja uracilą vietoje timino: adeninas poruojasi su uracilu, o guaninas — su citozinu. Timinas (timiną) yra DNR base, o atitinkanti RNR baza yra uracilas.

RNR bazės

Standartinės azotinės RNR bazės yra šios:

(A) Adeninas

(G) Guaninas

(C) citozinas

(U) Uracilas

Adeninas papildo uracilą, o guaninas — citoziną. Pirmosios trys bazės taip pat sutinkamos DNR, tačiau uracilas pakeičia timiną kaip adenino papildinį RNR grandinėje. Be to, RNR molekulėse dažnai vyksta bazinių vienetų modifikacijos (pvz., metilinimas), ypač tRNA ir rRNA.

RNR rūšys ir funkcijos

• mRNR (messenger RNA) — perduoda genetinę informaciją iš DNR į ribosomas, kur ta informacija verčiama į baltymus (vertimas, angl. translation).
• tRNR (transfer RNA) — perneša specifines aminorūgštis į ribosomą ir atpažįsta kodonus ant mRNR per antikodoną.
• rRNR (ribosominė RNA) — sudaro ribosomų struktūrinę ir funkcijinę dalį; tam tikros rRNR molekulės yra katalitiškai aktyvios (ribozimai).
• Mažos reguliuojančios RNR: miRNA, siRNA, piRNA — dalyvauja genų raiškos reguliacijoje, RNR degradacijoje ir transpozono slopinime.
• Kitos: snRNA (dalyvauja splicing'e), snoRNA (rRNR modifikacijai), ribozimai (katalitinės RNR, kurios atlieka chemines reakcijas).

Sintezė, perdirbimas ir lokalizacija

RNR sintezė vadinama transkripcija — DNR į RNR. Eukariotinėse ląstelėse transkripcija vyksta branduolyje, po to dauguma RNR patiria perdirbimą:

• mRNR: 5' galvos (cap) pridėjimas, 3' poli(A) uodegos pridėjimas ir intronų pašalinimas (splicing) — procesą vykdo spliceosoma, kurioje dalyvauja snRNA.
• tRNR ir rRNR: cheminės modifikacijos, pjūviai ir struktūrinis suskleidimas.
• RNR lokalizacija: rRNR branduolyje (prieš ribosomų surinkimą), mRNR — branduolys → citoplazma, kai kurios RNR molekulės randamos mitochondrijose ar chloroplastuose.

Antrinės ir tretinės struktūros

Nors dauguma RNR yra viengrandės, ji susilenkia į sudėtingas antrines struktūras (kilpelės, stiebai, hairpin'ai, pseudovoras), kurios yra gyvybiškai svarbios funkcijai — jos lemia tRNR formą, rRNR architektūrą ir regulatorinių RNR sąveikas. Tam tikros RNR veiklos (pvz., ribozoimų katalizė) priklauso nuo šių trimačių konformacijų.

Biologinė ir medicininė reikšmė

RNR vaidina esminį vaidmenį biologijoje: ji perteikia ir vykdo genetinę informaciją, reguliuoja genų ekspresiją ir netgi atlieka katalizines funkcijas. Keletas svarbių aspektų:

• Kai kurių virusų genetinė informacija yra RNR, ypač retrovirusų atveju, pavyzdžiui, ŽIV, kuris naudoja atvirkštinę transkriptazę, kad iš RNR sintezuotų DNR — tai išimtis iš taisyklės, kad DNR yra paveldimoji medžiaga.
• Medicinoje RNR svarbi kaip diagnostikos ir terapijos instrumentas: RT‑PCR (reversinė transkriptazė + PCR) nustato RNR virusus, mRNR vakcinos (pvz., prieš COVID-19) naudoja sintetinę mRNR, kad paskatintų imuninį atsaką, o siRNA bei antisense oligonukleotidai taikomi genų slopinimui.
• Biochemijoje RNR naudojama tyrimuose — sekoskaitoje, genų raiškos analizėje ir kt.

Stabilumas ir degradacija

Dėl ribozės 2' hidroksilo RNR yra jautresnė hidrolizei ir turi trumpesnį pusinės eliminacijos laiką citoplazmoje nei DNR. Ląstelėse egzistuoja specifinės RNR degradavimo keliai, kurie reguliuoja molekulių kiekį ir kokybę (pvz., eksosoma, RNazės). Be to, modifikacijos ir baltymai, prisijungiantys prie RNR, gali padidinti jos stabilumą.

Apibendrinant: RNR yra daugiafunkcinė, cheminiais ir struktūriniais ypatumais skirtinga nuo DNR, ir ji yra neatsiejama nuo genų raiškos, ląstelės reguliavimo bei daugelio virusinių mechanizmų. Jos įvairovė ir gebėjimas formuoti sudėtingas struktūras daro RNR svarbia tiek fundamentinėje, tiek taikomojoje biologijoje.

Baltymų sintezė RNR

Pasiuntinių RNR

Pagrindinė RNR funkcija - pernešti informaciją apie aminorūgščių seką iš genų į citoplazmoje esančias ribosomas, kuriose surenkami baltymai.

Tai atlieka pasiuntinių RNR (mRNA). Viena DNR grandinė yra mRNR, kuri yra transkribuojama iš tos DNR grandinės, planas. Bazių porų seką iš DNR transkribuoja fermentas, vadinamas RNR polimeraze. Tada mRNR iš branduolio patenka į citoplazmoje esančias ribosomas ir sudaro baltymus. MRNA bazinių porų seką išverčia į aminorūgščių seką ir taip suformuoja baltymus. Šis procesas vadinamas vertimu.

DNR nepalieka branduolio dėl įvairių priežasčių. DNR yra labai ilga molekulė ir chromosomose yra surišta su baltymais, vadinamaisiais histonais. mRNR gali judėti ir reaguoti su įvairiais ląstelių fermentais. Po transkripcijos mRNA palieka branduolį ir keliauja į ribosomas.

Dvi nekoduojančių RNR rūšys padeda kurti ląstelės baltymus. Tai - perkėlimo RNR (tRNA) ir ribosominė RNR (rRNA).

tRNA

Transfer RNR (tRNA) yra trumpa, maždaug 80 nukleotidų molekulė, perkelianti tam tikrą aminorūgštį į polipeptidinę grandinę ribosomoje. Kiekvienai aminorūgščiai yra skirtinga tRNA. Kiekviena turi vietą, prie kurios turi prisijungti aminorūgštis, ir antikodoną, atitinkantį mRNR kodoną. Pavyzdžiui, kodonai UUU arba UUC koduoja aminorūgštį fenilalaniną.

rRNA

Ribosominė RNR (rRNA) yra katalizinė ribosomų sudedamoji dalis. Eukariotų ribosomas sudaro keturios skirtingos rRNA molekulės: 18S, 5,8S, 28S ir 5S RNR. Trys iš rRNA molekulių sintetinamos branduolyje, o viena sintetinama kitur. Citoplazmoje ribosominė RNR ir baltymai susijungia į nukleoproteiną, vadinamą ribosoma. Ribosoma prisijungia mRNR ir vykdo baltymų sintezę. Prie vienos mRNR vienu metu gali būti prisijungusios kelios ribosomos. rRNR yra labai gausi ir sudaro 80 % 10 mg/ml RNR, randamos tipiškoje eukariotų citoplazmoje.

snRNA

Mažosios branduolinės RNR (snRNA) jungiasi su baltymais ir sudaro spliceosomas. Spliceosomos valdo alternatyvųjį splaisingą. Genai koduoja baltymus dalimis, vadinamomis egzonais. Bitai gali būti sujungti skirtingais būdais, kad susidarytų skirtingos mRNR. Taigi iš vieno geno galima pagaminti daug baltymų. Tai yra alternatyvaus splaisingo procesas. Bet kokias nepageidaujamas baltymų versijas susmulkina proteazės, o cheminės dalys panaudojamos iš naujo.

Subrendusios eukariotų mRNR struktūra. Visiškai apdorotą mRNR sudaro 5' dangtelis, 5' UTR, koduojanti sritis, 3' UTR ir poli(A) uodega. UTR = netransliuojama sritis

Klausimai ir atsakymai

K: Ką reiškia RNR?

K: Kuo RNR fiziškai skiriasi nuo DNR?

K: Kokios skirtingos bazės yra RNR?

K: Koks yra RNR bazių jungimosi modelis?

K: Kuo RNR chemiškai skiriasi nuo DNR?

K: Koks RNR vaidmuo ląstelės reakcijose?

K: Kokie virusai naudoja RNR kaip genetinės informacijos nešėją?

Paieška pagal raidę