Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 23. Типи РНК

Структурна різноманітність РНК — основа функціонального різноманіття

Із двох типів нуклеїнових кислот, що є в клітині, роль носія спадкової інформації дісталася ДНК. Проте РНК, як ми вже неодноразово зазначали, має здатність набувати величезного різноманіття форм. Зазвичай вважається, що ДНК є дволанцюговою спіральною молекулою, натомість РНК має лише один ланцюг, а дволанцюгова структура для неї не характерна. Це не так. Справді, більшість функціональних молекул РНК має у своєму складі тільки один полінуклеотидний ланцюг. Але в межах цього ланцюга можна виявити велику кількість дволанцюгових ділянок (рис. 23.1). Полінуклеотидний ланцюг при цьому вигинається та формує дволанцюгову структуру сам із собою з дотриманням принципу комплементарності. Зазвичай в одній молекулі РНК є кілька дволанцюгових ділянок. Дволанцюгові ділянки дуже важливі, оскільки саме вони визначають форму молекули РНК, а отже, і її функцію. Така велика структурна різноманітність зумовлює різноманіття функцій РНК у клітині.

Матричні РНК синтезуються в ядрі у вигляді попередників, а потім — після дозрівання — прямують до цитоплазми. У матричній РНК закодована амінокислотна послідовність білка. Рибосоми зчитують цю послідовність і синтезують амінокислотні ланцюги білків.

Рибосомальна РНК є основою рибосом, які функціонують у цитоплазмі. Багато рибосом пов’язані з мембраною ендоплазматичного ретикулуму (утворюється шорсткий ендоплазматичний ретикулум). Синтез рибосомальної РНК, як і збирання рибосом, відбувається в ядерці.

Транспортна РНК залучена до біосинтезу білка. Вона бере участь в активації амінокислотних залишків і доставленні їх до рибосоми, що працює. Транспортна РНК утворюється в ядрі, а потім прямує до цитоплазми. Деякі транспортні РНК мітохондрій кодуються ядерною ДНК, а після утворення переміщуються до мітохондрій крізь цитоплазму.

Малі ядерні РНК утворюються та функціонують у ядрі. Вони беруть участь у процесі дозрівання матричної РНК.

Малі ядерцеві РНК беруть участь у дозріванні рибосомальної РНК.

У цитоплазмі міститься велика кількість коротких цитоплазматичних РНК, залучених до різних процесів, таких як перенесення білка крізь мембрану, захист клітини від вірусів, регуляція синтезу білка.

У ядрі та цитоплазмі клітини наявні також «загадкові» довгі некодувальні РНК, що виконують регуляторні функції.

Мітохондрії містять власний набір матричних, рибосомальних і транспортних РНК, що утворюються безпосередньо в мітохондріях. Рибосомальні РНК мітохондрій значно відрізняються від закодованих у ядрі та більше нагадують рибосомальні РНК бактерій. Деякі транспортні РНК мітохондрій, як уже було сказано, кодуються в ядрі, а потім потрапляють у мітохондрії.

Рис. 23.1. Різноманітність елементів будови РНК

Рис. 23.2. Молекулярна модель субодиниць рибосоми кишкової палички

Світлокоричневим зображено РНК, фіолетовим — білки. Рибосомальні білки розташовані на периферії рибосоми та беруть участь у стабілізації молекул рРНК.

Серед величезного різноманіття РНК у клітині треба виокремити три типи, залучені до процесу біосинтезу білка. Це матрична РНК, рибосомальна РНК і транспортна РНК. Ці три типи РНК є абсолютно в усіх живих організмів, оскільки біосинтез білка — процес універсальний для всього живого. Зупинимося докладніше на розгляді будови та функцій цих молекул.

Матрична РНК несе інформацію про будову білкової молекули

Матрична РНК (мРНК) — це довга лінійна молекула, яка несе в собі інформацію про послідовність з’єднання амінокислотних залишків у молекулі білка. У прокаріотів вона утворюється в процесі транскрипції й одразу ж залучається до біосинтезу білка. Ба більше, у прокаріотів одна молекула матричної РНК може нести інформацію про будову кількох різних молекул білка.

В еукаріотичних організмів мРНК утворюється в процесі транскрипції в ядрі у вигляді попередника, який потім «дозріває» також у ядрі. Процес «дозрівання» доволі складний: у ньому беруть участь багато білків і регуляторних молекул РНК. У процесі «дозрівання» попередник утрачає до 90 % своєї довжини, до нього приєднуються деякі додаткові нуклеотиди, а деякі піддаються хімічній модифікації. Так формується готова «зріла» мРНК.

Потім вона доставляється до цитоплазми для здійснення біосинтезу білка. Деякі мРНК живуть зовсім недовго: вони руйнуються клітиною за кілька хвилин після утворення, і з них встигає «зчитатися» лише зовсім небагато білкових молекул. Інші живуть кілька годин. Деякі мРНК можуть зберігатися в неактивному стані упродовж кількох днів або навіть тижнів, допоки вони не знадобляться клітині. Регуляція роботи мРНК складна та різноманітна.

Рибосомальна РНК є не лише структурною, а й функціональною основою рибосоми

Якщо виділити з клітини всю РНК, то найбільша масова частка припаде на рибосомальну (рРНК). Як ви пам’ятаєте, рибосоми — це маленькі комплекси з молекул рибосомальних білків і РНК, що беруть участь у процесі біосинтезу молекули білка. До складу рибосоми входить кілька різних молекул рРНК. Рибосоми складаються з двох субодиниць — великої й малої. У робочій рибосомі обидві субодиниці з’єднані одна з одною. У щілину між ними проходить мРНК. Рибосома рухається вздовж мРНК, зчитує з неї «інструкції» та синтезує молекулу білка відповідно до цих «інструкцій».

Якщо розглянути тривимірну модель рибосоми на рисунку 23.2, можна легко помітити, що її «основа» цілком побудована з рибосомальних РНК, а білки слугують зовнішньою «декорацією». Насправді роль білків рибосоми полягає переважно в стабілізації рРНК, які й здійснюють процес з’єднання амінокислотних залишків у ланцюжок білка.

Рибосоми є в усіх живих організмів. Багато дослідників навіть визначають живі організми як «реплікатори, що містять рибосоми», аби відрізняти їх від вірусів, які своїх рибосом не мають, а нахабно використовують рибосоми хазяїна для своїх цілей. рРНК не лише універсальні, а й досить консервативні (незмінні): відмінності в нуклеотидних послідовностях рРНК різних організмів дуже повільно накопичуються в процесі еволюції. Ці закономірності дають змогу ученим використовувати порівняння послідовностей рРНК різних організмів для встановлення еволюційних зв’язків між царствами живої природи.

Транспортні РНК переносять амінокислоти до місць синтезу білка

Ще один тип РНК, залучених до процесу біосинтезу білка, — транспортні РНК (тРНК). Ці РНК мають доволі впізнавану форму (рис. 23.3). Вони складаються з одного нуклеотидного ланцюга, який формує чотири дволанцюгові ділянки та згортається в просторі в структуру, що нагадує трилисник конюшини. Потім цей трилисник завдяки некомплементарним взаємодіям згортається ще раз і набуває Г-подібної форми. Саме в такій формі тРНК й існує в клітині.

Спеціальні ферменти приєднують амінокислоти до молекули тРНК. Цей процес потребує витрат енергії АТФ. У результаті утворюється високоенергетичний посередник, який потрапляє до рибосоми для синтезу білка. Докладніше про цей процес ітиметься в наступних параграфах.

Інші типи РНК — джерело нових відкриттів у сучасній біології

Ми стисло розглянули три типи РНК, що беруть учать у процесі біосинтезу білка. Але цим усе різноманіття молекул РНК у клітині не обмежується. Завдяки розвитку сучасних технологій стало можливим виявляти нові й нові типи РНК, що беруть участь у багатоманітних процесах. Особливо широко це різноманіття РНК представлено в еукаріотичних організмів. Наведемо стислий огляд інших типів РНК, що є в клітині.

7S РНК — коротка РНК, у великій кількості наявна в цитоплазмі як про-, так й еукаріотичних клітин. Бере участь у перенесенні білкових молекул крізь мембрану клітини (у прокаріотів) чи крізь мембрану ендоплазматичного ретикулуму (в еукаріотів).

Малі інтерферувальні РНК, мікроРНК і піРНК — надзвичайно різноманітні за будовою та походженням молекули РНК. Вони залучені до процесу регуляції синтезу білка, а також забезпечують захист клітини від вірусів та інших шкідливих агентів.

Також, як показали останні дослідження, у клітинах еукаріотів утворюється велика кількість РНК різної довжини. При цьому функція більшості цих РНК невідома. Можливо, вони є таким собі «інформаційним шумом». Сукупність ДНК, що кодує ці молекули РНК, отримала назву «темна матерія геному».

Рис. 23.3. Будова транспортної РНК

Рис. 23.4. Моделі вірусів, що містять РНК-геном

A. Вірус грипу в розрізі. Під оболонкою видно молекули РНК у комплексі з білками. Незважаючи на буденність, є вкрай смертоносним. Найстрашніша епідемія вірусу грипу — ««іспанка» — вбила до 100 мільйонів людей. І нині від вірусу грипу вмирає 250-500 тисяч осіб щороку. Тільки завдяки злагодженій роботі медиків і вчених вдається тримати вірус грипу, що постійно еволюціонує, під контролем. Б. Вірус імунодефіциту людини. Уражує клітини імунної системи, позбавляючи людський організм природного захисту. Кожна вірусна частинка містить дві ідентичні молекули РНК. У клітині-хазяїні завдяки ферментові — зворотній транскриптазі — на них синтезується ДНК, яка вбудовується у ДНК хазяїна. B. Риновірус. Риновіруси спричиняють застуду, оскільки розмножуються в клітинах слизової Дихальних шляхів. Зазвичай вони не завдають серйозної шкоди здоров’ю людини, хоча можуть призвести до появи ускладнень у дітей. Г. Вірус Ебола. Цей вірус має ниткоподібну форму. Він спричиняє лихоманку Ебола, рідкісне тропічне захворювання, що є одним із найсмертоносніших. Деякі форми вірусу призводять до майже стовідсоткової смерті. У 2014-2015 роках було зареєстровано спалахи захворювання лихоманкою Ебола відразу в кількох місцях земної кулі.

Віруси мають РНК-геноми

Насамкінець ми розглянемо ще одну функцію, яку можуть виконувати РНК у живих системах. У попередньому параграфі ми зазначили, що ДНК стабільніша, а отже, і більше придатна для зберігання інформації, ніж РНК. Проте відносно невеликі молекули РНК часто використовуються для зберігання інформації. Звісно, кількість інформації, що може бути записана в такій молекулі РНК, обмежена. Але її цілком вистачає для забезпечення функціонування найпростіших систем, що розмножуються, — вірусів. Віруси не можуть повною мірою вважатися живими організмами. Це щось на зразок паразитів геному, здатних існувати якийсь час незалежно від клітин. Багато вірусів використовують РНК, а не ДНК для зберігання генетичної інформації. Прикладами таких вірусів є вірус грипу, вірус імунодефіциту людини, риновірус, що спричиняє застуду, та вірус Ебола (рис. 23.4).

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. За доставлення амінокислот до рибосом відповідають

  • А мРНК
  • Б тРНК
  • В рРНК
  • Г малі ядерні РНК
  • Д вірусні РНК

2. Молекула РНК складається з

  • А одного ланцюга
  • Б одного ланцюга, що може утворювати дволанцюгові фрагменти
  • В одного ланцюга, що може утворювати триланцюгові фрагменти
  • Г двох ланцюгів
  • Д двох ланцюгів, що можуть утворювати дволанцюгові фрагменти

3. Вірус Ебола є одним із найнебезпечніших, тому що

  • А він поширений лише у країнах із високим рівнем життя
  • Б в інфікованих людей дуже високий рівень смертності
  • В має надто маленький розмір
  • Г має надто великий розмір
  • Д має ниткоподібну форму

4. Для молекули тРНК характерна структура

  • А чотирилисника, згорненого у вигляді літери Т
  • Б трилисника, згорненого у вигляді літери Т
  • В чотирилисника, згорненого у вигляді літери Г
  • Г трилисника, згорненого у вигляді літери Г
  • Д трилисника, згорненого у вигляді літери С

5. Щоб вбудуватися в ДНК хазяїна вірусові імунодефіциту потрібен фермент, здатний здійснювати

  • А синтез ДНК за ДНК
  • Б синтез РНК за РНК
  • В синтез РНК за ДНК
  • Г синтез ДНК за РНК
  • Д синтез РНК та ДНК за РНК

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Які особливості будови молекул РНК дають їм змогу набувати великого різноманіття форм?

7. Схарактеризуйте зв’язок між мРНК, тРНК і рРНК у процесі синтезу білка.

8. Опишіть відмінності у будові та функціонуванні еукаріотичних і прокаріотичних мРНК.

9. Означте відмінності між різними типами РНК. А що є спільного між ними?

10. Чому наявність рРНК може вважатися ознакою живого?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. У чому сутність гіпотези «проторибосоми з РНК» і які докази в цієї гіпотези?

12. Веретеноподібність бульб картоплі спричинена інфекцією вироїдом — циклічною молекулою РНК. Які особливості таких форм життя та чому вони можуть бути «живими викопними» РНК-світу?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Які особливості будови матричної РНК еукаріотів дають змогу їй виконувати свою функцію? Чому без них вона не працездатна?

14. У природі існують особливі РНК — рибозими. У чому їхня особливість порівняно з іншими РНК? Як виявляється їхня здатність до автокаталізу? Яке технологічне застосування можуть мати рибозими?

15. Малу інтерферувальну РНК використовують як ліки проти деяких хвороб. Із якими хворобами та як можуть боротися відповідні препарати?