РИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ

РИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ (РНК), класс нук­леи­но­вых ки­слот. Так же как и де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты (ДНК) – био­по­ли­ме­ры, в нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ко­то­рых мо­жет быть за­пи­са­на ге­не­тич. ин­фор­ма­ция. В то же вре­мя они вы­пол­ня­ют в клет­ке мно­гие дру­гие, ха­рак­тер­ные для бел­ков функ­ции: фер­мен­та­тив­ные (см. Ри­бо­зи­мы), ре­гу­ля­тор­ные, транс­порт­ные, за­щит­ные и струк­ту­ро­об­ра­зую­щие. В клет­ке и ви­рус­ных час­ти­цах РНК все­гда свя­за­ны с бел­ка­ми, т. е. функ­цио­ни­ру­ют в ви­де ри­бо­нук­ле­о­про­теи­но­вых ком­плек­сов.

РНК от­кры­ты в 1889 нем. гис­то­ло­гом Р. Альт­ма­ном в дрож­жах. В по­сле­дую­щие 60 лет ус­та­нов­ле­на хи­мич. струк­ту­ра РНК и до­ка­за­но, что они при­сут­ст­ву­ют в ци­то­плаз­ме лю­бой жи­вой клет­ки, вы­пол­няя клю­че­вую роль в био­син­те­зе бел­ков; РНК бы­ли об­на­ру­же­ны так­же в ви­ру­сах рас­те­ний и жи­вот­ных.

Строение РНК

В от­ли­чие от ДНК, все кле­точ­ные и боль­шин­ст­во ви­рус­ных РНК пред­став­ля­ют со­бой ли­ней­ные од­но­тя­же­вые по­ли­ри­бо­нук­ле­о­ти­ды. Они по­строе­ны из че­ты­рёх ви­дов нук­лео­зид­ных ос­тат­ков (н. о.) – аде­но­зи­на (А), гуа­но­зи­на (G), ци­ти­ди­на (С) и ури­ди­на (U), свя­зан­ных друг с дру­гом 3'–5'-фос­фо­ди­эфир­ны­ми свя­зя­ми. Уг­ле­вод­ные ос­тат­ки в РНК пред­став­ле­ны D-ри­бо­зой. Не­ко­то­рые ви­ды РНК со­дер­жат не­боль­шое ко­ли­че­ст­во т. н. ми­нор­ных нук­лео­ти­дов, в осн. псев­до­ури­ди­ло­вую ки­сло­ту (ψ), и нук­лео­тид­ные зве­нья, ме­ти­лиро­ван­ные по ос­тат­кам ри­бо­зы или ге­те­ро­цик­лич. ос­но­ва­ний. Дли­на по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей РНК ко­леб­лет­ся от не­сколь­ких де­сят­ков до не­сколь­ких ты­сяч нук­лео­тид­ных ос­тат­ков. На­ко­п­ле­на зна­чит. ин­фор­ма­ция о нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стях (н. п.), или пер­вич­ной струк­ту­ре, РНК; её по­лу­ча­ют ли­бо пря­мым се­к­ве­ни­ро­ва­ни­ем ин­ди­ви­ду­аль­ных РНК, ли­бо ана­ли­зи­руя транс­крип­то­мы, в ко­то­рых пред­став­ле­ны все РНК, син­те­зи­рую­щие­ся в дан­ный мо­мент в клет­ке, ли­бо вы­во­дят тео­ре­ти­че­ски из н. п. ДНК, в ко­то­рых РНК ко­ди­ро­ва­ны. Ана­лиз мас­си­вов дан­ных о н. п. РНК осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ме­то­да­ми био­ин­фор­ма­ти­ки.

Прин­ци­пы ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры РНК сфор­му­ли­ро­ва­ны на ру­бе­же 1950–60-х гг. Ж. Фре­ско и П. До­ти (США) и А. С. Спи­ри­ным. Бы­ло по­сту­ли­ро­ва­но, что осн. эле­мен­том вто­рич­ной струк­ту­ры РНК яв­ля­ют­ся ко­рот­кие, за­час­тую не­со­вер­шен­ные (с «вы­пет­ли­ва­ния­ми») ан­ти­па­рал­лель­ные двой­ные спи­ра­ли, об­ра­зуе­мые за счёт ком­пле­мен­тар­ных взаи­мо­дей­ст­вий смеж­ных уча­ст­ков по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. Дву­спи­раль­ные уча­ст­ки РНК фор­ми­ру­ют­ся как за счёт стан­дарт­но­го уот­сон-кри­ковско­го спа­ри­ва­ния ос­но­ва­ний (G-C и A-U), так и за счёт об­ра­зо­ва­ния срав­ни­тель­но не­боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва не­стан­дарт­ных пар (G-U, G-A, U-U, A-C). При ком­пакт­ном сво­ра­чи­ва­нии це­пи дву­спи­раль­ные об­лас­ти в РНК мо­гут быть об­ра­зо­ва­ны не толь­ко ме­ж­ду со­сед­ни­ми сег­мен­та­ми, но и ме­ж­ду дос­та­точ­но уда­лён­ны­ми об­лас­тя­ми по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. С од­но­го края дву­спи­раль­ные уча­ст­ки замк­ну­ты од­но­тя­же­вы­ми сег­мен­та­ми разл. дли­ны и т. о. име­ют вид «шпиль­ки»; со­сед­ние «шпиль­ки» так­же свя­за­ны друг с дру­гом од­но­тя­же­вы­ми уча­ст­ка­ми. До­ка­за­но, что та­кой спо­соб ор­га­ни­за­ции вто­рич­ной струк­ту­ры яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным для всех од­но­тя­же­вых РНК.

Эле­мен­ты вто­рич­ной струк­ту­ры РНК взаи­мо­дей­ст­ву­ют друг с дру­гом, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся ком­пакт­ная уни­каль­ная тре­тич­ная струк­ту­ра РНК. Тре­тич­ные кон­так­ты в РНК соз­да­ют­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем её од­но­тя­же­вых сег­мен­тов друг с дру­гом и с дву­спи­раль­ны­ми сег­мен­та­ми. При­ме­ром дос­та­точ­но ши­ро­ко рас­про­стра­нён­но­го тре­тич­но­го кон­так­та в РНК мо­гут слу­жить т. н. А-ми­нор­ные взаи­мо­дей­ст­вия, ко­гда ос­но­ва­ния аде­ни­ло­вых н. о. од­но­тя­же­вых сег­мен­тов РНК встраи­ва­ют­ся в же­лоб­ки спи­раль­ных рай­онов РНК, об­ра­зуя там спе­ци­фич. во­до­род­ные свя­зи. Тре­тич­ная струк­ту­ра РНК ста­би­ли­зи­ру­ет­ся бел­ка­ми и ио­на­ми маг­ния. Ны­не из­вест­ны про­стран­ст­вен­ные струк­ту­ры разл. РНК как в сво­бод­ном, так и в свя­зан­ном с бел­ка­ми со­стоя­нии, по­лу­чен­ные с атом­ным раз­ре­ше­ни­ем ме­то­да­ми ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са и рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за.

Биосинтез РНК

Все кле­точ­ные РНК об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те транс­крип­ции ге­нов, в ко­то­рых они ко­ди­ро­ва­ны, с по­мо­щью фер­мен­тов РНК-по­ли­ме­раз. Про­цесс транс­крип­ции про­те­ка­ет по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­го ко­пи­ро­ва­ния од­ной из це­пей дву­спи­раль­ной ДНК; т. о., РНК пред­став­ля­ют со­бой по­ли­ри­бо­нук­ле­о­тид­ную ко­пию од­ной из це­пей ДНК и ком­пле­мен­тар­ны дру­гой её це­пи. Про­цес­сы био­син­те­за ви­рус­ных РНК весь­ма раз­но­об­раз­ны, и для ви­ру­са им­му­но­де­фи­ци­та че­ло­ве­ка (ВИЧ), напр., вклю­ча­ют ста­дию син­те­за на РНК как на мат­ри­це од­но­тя­же­вой ДНК (об­рат­ная транс­крип­ция) с по­сле­дую­щим пре­вра­ще­ни­ем её в дву­спи­раль­ную ДНК и ин­те­гра­ци­ей по­след­ней в ге­ном клет­ки. В слу­чае др. РНК-со­дер­жа­щих ви­ру­сов реа­ли­зу­ет­ся ме­ха­низм РНК-ре­п­ли­ка­ции, ко­гда на ви­ри­он­ной РНК син­те­зи­ру­ет­ся ком­пле­мен­тар­ная цепь, а об­ра­зую­щая­ся дву­спи­раль­ная РНК слу­жит мат­ри­цей для по­сле­дую­ще­го син­те­за точ­ной ко­пии ви­русной РНК.

Все кле­точ­ные РНК и РНК мн. ви­ру­сов син­те­зи­ру­ют­ся в ви­де пред­ше­ст­вен­ни­ков, су­ще­ст­вен­но пре­вы­шаю­щих по дли­не «зре­лые» РНК. РНК-пред­ше­ст­вен­ник под­вер­га­ет­ся спе­ци­фич. для ка­ж­до­го ви­да РНК и тон­ко ре­гу­ли­руе­мо­му про­цес­син­гу. Ес­ли ге­ны, ко­ди­рую­щие дан­ную РНК, со­дер­жат ин­тро­ны, пер­вич­ный транс­крипт под­вер­га­ет­ся сплай­син­гу (в т. ч. аль­тер­на­тив­но­му). Как пра­ви­ло, РНК-пред­ше­ст­вен­ник «раз­ре­за­ет­ся» спе­ци­фич. эн­до­нук­леа­за­ми на фраг­мен­ты, ко­то­рые уко­ра­чи­ва­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щи­ми эк­зо­нук­леа­за­ми. Во мно­гих слу­ча­ях вслед за этим про­ис­хо­дит мо­ди­фи­ка­ция кон­цов мо­ле­ку­лы РНК, напр. кэ­пи­ро­ва­ние 5′-кон­цов (при­сое­ди­не­ние ос­тат­ка 7-ме­тил­гуа­но­зи­на) эу­ка­рио­тич. мат­рич­ных ри­бо­нук­леи­но­вых ки­слот (мРНК) и по­ли­аде­ни­ли­ро­ва­ние их 3′ -кон­цов. Ре­гу­ля­ция био­син­те­за РНК про­ис­хо­дит на всех ста­ди­ях транс­крип­ции и про­цес­син­га с по­мо­щью спец. ре­гу­ля­тор­ных бел­ков. Кро­ме то­го, в со­став самих РНК мо­гут вхо­дить эле­мен­ты, пред­на­зна­чен­ные для ре­гу­ля­ции их син­те­за. Нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность РНК мо­жет быть под­верг­ну­та ре­дак­ти­ро­ва­нию. Так, в мРНК, син­те­зи­рую­щей­ся в ми­то­хон­д­ри­ях три­па­но­со­мы, про­ис­хо­дит встав­ка боль­шо­го чис­ла ури­ди­ло­вых ос­тат­ков, не­ко­ди­ро­ван­ных в ДНК, в ре­зуль­та­те че­го её ин­фор­мац. со­дер­жа­ние кар­ди­наль­но из­ме­ня­ет­ся. Ре­дак­ти­ру­ют­ся так­же транс­крип­ты мн. ге­нов че­ло­ве­ка и жи­вот­ных. В этом слу­чае про­ис­хо­дит за­ме­на (пу­тём де­за­ми­ни­ро­ва­ния) оп­ре­де­лён­ных еди­нич­ных ос­тат­ков А в мРНК на ос­тат­ки ино­зи­на (I), а так­же С на U.

Разнообразие РНК и их функций

РНК при­ня­то под­раз­де­лять на ко­ди­рую­щие и не­ко­ди­рую­щие. Сре­ди ко­ди­рую­щих РНК гл. ме­сто за­ни­ма­ют мРНК. В со­от­вет­ст­вии с «центр. дог­мой» мо­леку­ляр­ной био­ло­гии (ДНК – РНК – бе­лок) они пе­ре­но­сят ге­не­тич. ин­фор­ма­цию от ДНК к ри­бо­со­мам, где она де­ко­ди­ру­ет­ся и реа­ли­зу­ет­ся в ви­де ами­но­кис­лот­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей бел­ков. Ко­ди­рую­щей функ­ци­ей об­ла­да­ет РНК-ком­по­нент фер­мен­та те­ло­ме­ра­зы (те­ло­ме­раз­ная РНК), оп­ре­де­лён­ный сег­мент ко­то­рой слу­жит мат­ри­цей для син­те­за те­ло­мер­ных ДНК-по­вто­ров на кон­цах ли­ней­ных хро­мо­сом. Со спе­ци­фич. бел­ка­ми свя­за­на так­же ко­рот­кая мат­рич­ная РНК, на­зы­вае­мая на­прав­ляю­щей РНК (англ. guide RNA), уча­ст­вую­щая в про­цес­се ре­дак­ти­ро­ва­ния мРНК. Она оп­ре­де­ля­ет, в ка­кие уча­ст­ки мРНК бу­дут вве­де­ны до­пол­нит. ос­тат­ки U. У всех бак­те­рий су­ще­ст­ву­ет транс­порт­но-мат­рич­ная РНК (тмРНК), ко­ди­рую­щая ко­рот­кий пеп­тид, на­ра­щи­вае­мый на С-кон­цы де­фект­ных бел­ков, син­тез ко­то­рых по ка­кой-то при­чи­не не смог­ли до­ве­сти до кон­ца ри­бо­со­мы. Ко­ди­руе­мый тмРНК пеп­тид слу­жит сиг­на­лом для про­те­аз, унич­то­жаю­щих де­фект­ные бел­ки. Т. о., в этом слу­чае РНК осу­ще­ст­в­ля­ет кон­троль ка­че­ст­ва бел­ков, син­те­зи­руе­мых бак­те­ри­аль­ной клет­кой. К ко­ди­рую­щим РНК от­но­сят­ся все ви­рус­ные РНК, ко­то­рые слу­жат мат­ри­ца­ми для син­те­за ДНК и РНК, а так­же ви­рус­ных бел­ков.

К чис­лу не­ко­ди­рую­щих РНК от­но­сит­ся груп­па, фор­ми­рую­щая бе­лок­син­те­зи­рую­щий ап­па­рат клет­ки. Бо­лее 80% РНК лю­бой клет­ки пред­став­ле­но ри­бо­сом­ны­ми ри­бо­нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми (рРНК) – гл. струк­тур­ны­ми и функ­цио­наль­ны­ми ком­по­нен­та­ми ри­бо­сом.

Функ­цию де­ко­ди­ро­ва­ния ге­не­тич. ин­фор­ма­ции на ри­бо­со­мах под кон­тро­лем рРНК осу­ще­ст­в­ля­ют транс­порт­ные ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты (тРНК). Они пе­ре­но­сят в ри­бо­со­му ами­но­кис­лот­ные ос­тат­ки для син­те­за бел­ков. Ко­гда ри­бо­со­мы син­те­зи­ру­ют сек­ре­тор­ные или мем­бран­ные бел­ки, с ни­ми ас­со­ции­ро­ва­ны сиг­нал­уз­наю­щие РНК-бел­ко­вые ком­плек­сы – т. н. SRP (от англ. signal recognition particles). В этих час­ти­цах РНК вы­пол­ня­ют роль кар­ка­са, на ко­то­ром со­би­ра­ют­ся бел­ки, рас­по­знаю­щие спец. сиг­наль­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти в син­те­зи­рую­щих­ся по­ли­пеп­тид­ных це­пях.

В ре­гу­ля­ции про­цес­сов транс­крип­ции и транс­ля­ции в клет­ке при­ни­ма­ют уча­стие мно­го­числ. низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные, или ма­лые, и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные, или длин­ные, не­ко­ди­рую­щие РНК (мнкРНК и длнкРНК со­от­вет­ст­вен­но). Не­ко­то­рые из них об­ла­да­ют ри­бо­зим­ной ак­тив­но­стью и уча­ст­ву­ют в про­цес­син­ге др. РНК (напр., РНК-ком­по­нент бак­те­ри­аль­ной ри­бо­нук­леа­зы). В яд­рах кле­ток эу­ка­ри­от при­сут­ст­ву­ет се­мей­ст­во из 6–7 ма­лых ядер­ных РНК (мяРНК), вы­пол­няю­щих гл. функ­цию на всех ста­диях сплай­син­га мРНК. Воз­мож­но, не­ко­то­рые из них об­ла­да­ют ри­бо­зим­ной ак­тив­но­стью. мнкРНК, ло­ка­ли­зую­щие­ся в яд­рыш­ках эу­ка­рио­тич. кле­ток, от­ве­ча­ют за спе­ци­фич. ме­ти­ли­ро­ва­ние пред­ше­ст­вен­ни­ков рРНК, за пре­вра­ще­ние в них оп­ре­де­лён­ных ос­тат­ков ури­ди­на в псев­до­ури­дин; они иг­ра­ют клю­че­вую роль в РНК-ин­тер­фе­рен­ции. Мно­гие из длнкРНК транс­кри­би­ру­ют­ся с це­пи ДНК, про­ти­во­по­лож­ной ко­ди­ру­щей мРНК. Об­ра­зуя ком­пле­мен­тар­ные ком­плек­сы с мРНК вме­сте со спе­ци­фич. бел­ка­ми, они пол­но­стью или час­тич­но по­дав­ля­ют экс­прес­сию ге­нов на уров­не транс­ля­ции. Не­ко­ди­рую­щи­ми РНК пред­став­ле­ны транс­крип­ты су­ще­ст­вен­но боль­шей час­ти ге­но­мов всех ор­га­низ­мов, чем ко­ди­рую­щи­ми, т. е. раз­но­об­ра­зие та­ких РНК в де­сят­ки раз пре­вы­ша­ет раз­но­об­ра­зие ин­ди­ви­ду­аль­ных бел­ков в клет­ке.

От­кры­тие у РНК столь вы­со­кой струк­тур­ной и функ­цио­наль­ной пла­стич­но­сти, в ча­ст­но­сти спо­соб­но­сти к са­мо­вос­про­из­ве­де­нию и са­мо­пре­вра­ще­ни­ям, по­зво­ля­ет пред­по­ла­гать, что при за­ро­ж­де­нии жиз­ни на Зем­ле эта нук­леи­но­вая ки­слота бы­ла пер­вым ин­фор­мац. био­по­ли­ме­ром, пред­ше­ст­во­вав­шим по­яв­ле­нию ДНК и бел­ков.