Информационная РНК (иРНК)
Почти все РНК синтезируются на ДНК в процессе транскрипции. Однако часто транскрипция упоминается как синтез именно информационной РНК (иРНК). Связано это с тем, что последовательность нуклеотидов иРНК в последствии определит последовательность аминокислот синтезируемого в процессе трансляции белка.
Перед транскрипцией нити ДНК расплетаются, и на одной из них с помощью комплекса белков-ферментов синтезируется РНК по принципу комплементарности, так же как это происходит при репликации ДНК. Только напротив аденина ДНК к молекуле РНК присоединяется нуклеотид, содержащий урацил, а не тимин.
На самом деле на ДНК синтезируется не готовая информационная РНК, а ее предшественник — пре-иРНК. Предшественник содержит участки последовательности нуклеотидов, которые не кодируют белок и которые после синтеза пре-иРНК вырезаются при участии малых ядерных и ядрышковых РНК («дополнительные» типы РНК). Эти удаляющиеся участки называются интронами. Остающиеся части иРНК называются экзонами. После удаления интронов экзоны сшиваются между собой. Процесс удаления интронов и сшивания экзонов называется сплайсингом. Усложняющей жизнь особенностью является то, что можно вырезать интроны по-разному, в результате получатся разные готовые иРНК, которые будут служить матрицами для разных белков. Таким образом, вроде бы один ген ДНК может играть роль нескольких генов.
Следует отметить, что у прокариотических организмов сплайсинга не происходит. Обычно их иРНК сразу после синтеза на ДНК готова к трансляции. Бывает, что пока конец молекулы иРНК еще транскрибируется, на ее начале уже сидят рибосомы, синтезирующие белок.
После того как пре-иРНК созревает в информационную РНК и оказывается вне ядра, она становится матрицей для синтеза полипептида. При этом на нее «насаживаются» рибосомы (не сразу, какая-то оказывается первой, другая — второй и т. д.). Каждая синтезирует свою копию белка, т. е. на одной молекуле РНК могут синтезироваться сразу несколько одинаковых белковых молекул (понятно, что каждая будет находиться на своей стадии синтеза).
Рибосома, передвигаясь от начала иРНК к ее концу, считывает по три нуклеотида (хотя вмещает шесть, т. е. два кодона) и присоединяет соответствующую транспортную РНК (имеющую соответствующий кодону антикодон), к которой присоединена соответствующая аминокислота. После этого с помощью активного центра рибосомы ранее синтезированная часть полипептида, соединенная с предшествующей тРНК, как-бы «пересаживается» (образуется пептидная связь) на аминокислоту, прикрепленную к только что пришедшей тРНК. Таким образом, молекула белка постепенно увеличивается.
Когда молекула информационной РНК становится не нужна, клетка ее разрушает.
Исследование синтеза РНК
Карелл и его коллеги показали, что нуклеотиды могут формироваться в результате непрерывного процесса. В ходе него простые химические вещества подвергаются воздействию колебаний физических условий. Которые, как считается, преобладали в геотермально активных областях, характерных для вулканически активной ранней Земли. Эти вещества образовывались из смеси муравьиной и уксусной кислоты, нитрита натрия и нескольких азотсодержащих соединений. Все они, как было показано ранее, образуются из еще более простых предшественников в пребиотических условиях. Реакционная смесь также содержит никель и железо. Эти элементы в больших количествах содержатся в земной коре. Движущей силой для химических реакций являются колебания температуры и рН. А также мокрые и сухие циклы.
Ядро процесса представляет собой ряд реакций, приводящих к образованию соединений, называемых формамидопиримидинами. Которые, в свою очередь, могут превратится в канонические пурины (аденозин и гуанозин), обнаруженные в РНК. В статье, опубликованной в прошлом году, Карелл и его команда впервые описали этот путь как возможный химический сценарий для пребиотического синтеза нуклеотидов. «На этот раз мы не только начали с более простых соединений-предшественников. Но и выбрали условия, которые, вероятно, преобладали в древних геологических локациях. Таких, как гидротермальные источники на суше», – объясняет Сидни Беккер, аспирантка из группы Карелла. Документ появился в одном из ведущих онлайн-журналов с открытым доступом – Nature Communications.
Транспортная РНК (тРНК)
Транспортная РНК — это достаточно маленькая (по меркам полимеров) молекула (количество нуклеотидов бывает разным, в среднем около 80-ти), во вторичной структуре имеет форму клеверного листа, в третичной сворачивается в нечто подобное букве Г.
Функция тРНК — присоединение к себе соответствующей своему антикодону аминокислоты. В дальнейшем соединение с рибосомой, находящейся на соответствующем антикодону кодоне иРНК, и «передача» этой аминокислоты. Обобщая, можно сказать, что транспортная РНК переносит (на то она и транспортная) аминокислоты к месту синтеза белка.
Живая природа на Земле использует всего около 20-ти аминокислот для синтеза различных белковых молекул (на самом деле аминокислот куда больше). Но поскольку, согласно генетическому коду, кодонов больше 60-ти, то каждой аминокислоте может соответствовать несколько кодонов (на самом деле какой-то больше, какой-то меньше). Таким образом, разновидностей тРНК больше 20, при этом разные транспортные РНК переносят одинаковые аминокислоты. (Но и тут не так все просто.)
Рибосомная РНК (рРНК)
Рибосомную РНК часто также называют рибосомальной РНК. Это одно и то же.
Рибосомная РНК составляет около 80% всей РНК клетки, так как входит в состав рибосом, коих в клетке бывает достаточно много.
В рибосомах рРНК образует комплексы с белками, выполняет структурную и каталитическую функции.
В состав рибосомы входят несколько разных молекул рРНК, отличающиеся между собой как по длине цепи, вторичной и третичной структуре, выполняемым функциям. Однако их суммарная функция — это реализация процесса трансляции. При этом молекулы рРНК считывают информацию с иРНК и катализируют образование пептидной связи между аминокислотами.
Нуклеотиды
Примечательно, что в новых экспериментах были синтезированы не только канонические пуриновые нуклеотиды, обнаруженные в РНК. Но и целый ряд тесно связанных с ними молекул. Известно, что все обнаруженные модификации встречаются в РНК во всех трех видах жизни. Это эукариоты (животные и растения), бактерии и археи. И поэтому являются важными компонентами функционально-генетических систем. Следовательно они, скорее всего, уже присутствовали в последнем общем предке всех форм жизни. Это, в свою очередь, говорит о том, что эти соединения должны были быть доступны на ранней Земле. В те времена, когда началась биологическая эволюция.
Действительно, авторы нового исследования предполагают, что неканонические нуклеотиды могли сыграть решающую роль в фазе химической эволюции, предшествовавшей появлению «мира РНК», (термин относится к гипотетическому периоду, в течение которого молекулы РНК, как полагают, служили химическими катализаторами, в дополнение к функции хранению генетической информации в изначальных клетках). В этом свете модификации РНК, обнаруженные в современных организмах, представляют собой молекулярные окаменелости. Которые продолжали участвовать в жизненно важных биологических функциях в течение миллиардов лет.
