Rodzaje RNA.

W komórkach zwierzęcych występują 4 zasadnicze rodzaje RNA: jądrowy -nRNA, transferowy - tRNA, matrycowy, czyli informacyjny - mRNA, i rybosomalny - rRNA.

Jądrowy RNA (nRNA)

stanowi mieszaninę wielu rodzajów kwasów rybonukleinowych. Niektóre z nich, np. tRNA i rRNA, są w jądrze komórkowym syntetyzowane i przebywają w nim tylko okresowo. W jąderku stwierdzono obecność RNA, który jest prekursorem rRNA. Występujący stale w jądrze komórkowym RNA można podzielić na dwa rodzaje. Jeden z nich jest bardzo szybko syntetyzowany i kataboli-zowany. Jego okres półtrwania wynosi od kilku minut do kilku godzin. Został nazwany kwasem rybonukleinowym heterogennym (hnRNA) o dużej masie cząsteczkowej, dlatego był nazwany olbrzymiocząsteczkowym. Obecnie jest określany nazwą prekursorowy RNA lub pre-RNA. Pewna część tego pre-RNA ulega przeistoczeniu w mRNA. Poprzedza go wiele przemian, jak usuwanie zbędnych sekwencji RNA oraz modyfikacje końców 3'- i 5'-. Pre-RNA występuje w nukleoplazmie i jest otoczony białkiem, zwanym informomerem. Zadaniem tych białek jest łączenie się z częścią RNA zawierającą informację genetyczną w celu jej zabezpieczenia podczas transportu. Przechodzący do cytoplazmy mRNA jest bowiem narażony na działanie enzymów nukleolitycznych. W jądrach komórkowych tworzą się kompleksy białek zasadowych informomerowych z nicią mRNA. Noszą one nazwę informosomów. Większa część pre-RNA pozostaje w jądrze, natomiast mniejsza przechodzi do cytoplazmy w postaci mRNA w kompleksie informosomowym.

Drugi rodzaj RNA jądrowego to metabolicznie stabilny snRNA, o stosunkowo małych cząsteczkach. Zawiera, oprócz typowych zasad azotowych, ich postacie umetylowane. Kwas ten został elektroforetycznie rozdzielony na 12 frakcji, którym przypisuje się funkcje regulatorowe.

Transferowy RNA (tRNA) stanowi 10—12% ogólnej ilości kwasów rybonukleinowych w komórce. Jest on zbudowany z 70-90 nukleotydów. Charakteryzuje się wśród innych rodzajów RNA najmniejszą masą cząsteczkową, zawartą w granicach od 25 do 30 kDa. tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA. Cząsteczki tRNA występują w komórkach w stanie wolnym bądź też związane ze specyficznym aminokwasem.

Cząsteczka tRNA ma budowę palczastą. Jest ona zwinięta spiralnie, a w pewnych miejscach tworzą się pętle. Ramiona tych pętli są dwuniciowe, skręcone spiralnie. Na tych odcinkach pary zasad mogą łączyć się wiązaniami wodorowymi. Niektóre fragmenty pętli mają jednakowe sekwencje nukleotydowe we wszystkich tRNA. Istnieją odcinki wykazujące znaczne różnice, które decydują o specyficzności tych kwasów. W składzie nukleotydowym tRNA, oprócz zasad typowych, występuje około 10% zasad „rzadkich", do których należą metylowe pochodne zasad typowych, a także pseudourydyna i dihydrourydyna. Zasady rzadkie znajdują się przede wszystkim we fragmentach jednoniciowych.

W cząsteczce tRNA wyróżniono 5 ramion: aminokwasowe, dihydrourydynowe, antykodonowe, dodatkowe oraz ramię 'PFC (pseudourydynowe). Każde z tych ramion pełni inną funkcję

Ramię aminokwasowe służy do przyłączania aminokwasu w postaci reszty aminoacyłowej. Na końcu 3' tego ramienia znajduje się zawsze układ nukleotydów CC A. Na drugim końcu tego ramienia (5') w 80% przypadków znajduje się nukleotyd G, w pozostałych 20% nukleotyd C lub A. Po przyłączeniu reszty aminoacyłowej na końcu 3' powstaje układ aminoacylo – tRNA, który można zobrazować schematycznie.

Jest to postać aktywna transferowego RNA powstała na skutek enzymatycznej estryfikacji końcowej reszty adenylowej specyficznym aminokwasem.

Ramię TYFC służy do łączenia się z rybosomem i umocowania tRNA na matrycy. Ramię dihydrourydynowe ma znaczenie rozpoznawcze dla syntezy aminoacylo--tRNA. Ramię antykodonowe ma znaczenie podczas wybierania właściwego miejsca do przyłączenia transportowanego aminokwasu. Na końcu tego ramienia znajduje się antykodon, zawierający 3 nukleotydy o nie sparowanych zasadach, które mogą łączyć się komplementarnie z zasadami kodonu na matrycowym RNA. W ten sposób transferowy RNA znajduje odpowiednie miejsce dla swego aminokwasu.

Większość aminokwasów ma więcej niż jeden kodon. Z tego względu dla każdego z nich istnieje w komórce kilka odmian tRNA, zwanych izoakceptorowymi tRNA. Jeden antykodon w tRNA nie jest w stanie rozpoznać często bardzo różnych kodonów dla tego samego aminokwasu. Istnieje zatem pewna tolerancja w układzie kodon -antykodon. Pierwsza zasada od 5'-końca antykodonu może z pierwszą i drugą zasadą kodonu tworzyć tylko właściwe pary, natomiast z trzecią zasadą kodonu - nawet trzy różne pary. Oddziaływanie tego rodzaju między pierwszą zasadą antykodonu i trzecią kodonu jest znane pod nazwą: zasada tolerancji Cricka.

Ramię dodatkowe jest cechą charakterystyczną każdego tRNA i stanowi podstawę klasyfikacji cząsteczek tRNA.

Matrycowy, czyli informacyjny RNA

(mRNA) powstaje w jądrze komórkowym w procesie transkrypcji z DNA. Jest syntetyzowany z trifosforanów nukleozydów. Jego zasady są komplementarne w stosunku do jednej z nici chromosomowego DNA, na której jest wytwarzany. Matrycowy RNA przenosi informację genetyczną z DNA do cytoplazmy. Masa cząsteczkowa mRNA oraz sekwencja nukleotydów zależą do rodzaju białka, które jest w nim zakodowane. Trójki nukleotydów, czyli kodony, rozmieszczone w jego łańcuchu wyznaczają kolejność aminokwasów syntetyzowa­nego białka.

Budowa mRNA pro- i eukariontów wykazuje wyraźne różnice, decydujące o ich różnych właściwościach. Cząsteczka bakteryjnego mRNA może dysponować kodem dla całego zespołu białek. Ten mRNA jest zatem policistronowy. Oprócz kodonów łańcuch mRNA zawiera tzw. trójki nonsensowne, które są znakami przestankowymi, umożliwiającymi syntezę wielu białek. Długość łańcucha mRNA u prokariontów jest zależna od wielkości cząsteczek zakodowanych w nim białek. Końce łańcucha

transkrybowanego mRNA są nie zmodyfikowane, a więc nie zablokowane w celu ochrony przed degradacyjnym działaniem nukleaz. Cząsteczki mRNA prokariontów nie występują w połączeniach z białkami.

U eukariontów mRNA jest monocistronowy, a więc zawiera informację tylko dla jednego łańcucha polipeptydowego. Występują w nim przeważnie typowe zasady. Jest on pojedynczym łańcuchem skręconym w postaci spirali, chronionym białkami informomerowymi. W procesie transkrypcji u eukariontów powstaje najpierw pre--mRNA, jako składnik frakcji heterogennego jądrowego hnRNA. Dalszym etapem jest proces modyfikacji, w którym następuje dobieranie i łączenie z sobą fragmentów łańcucha RNA, aby powstał ostatecznie łańcuch zawierający informację o ściśle określonym białku.

Nić hnRNA jest znacznie dłuższa niż dojrzałego.mRNA. Nić ta zawiera regiony kodujące, zwane eksonami, które będą tworzyły dojrzały mRNA. Eksony oddzielają od siebie długie sekwencje, tzw. introny. Jeszcze na terenie jądra komórkowego introny, stanowiące większą część hnRNA, zostają usunięte, natomiast eksony zostają połączone i tworzą mRNA.

Modyfikacji ulegają także końce łańcucha mRNA. Koniec 5' zostaje zablokowany 7-rnetyloguanozyną, natomiast do końca 3' u większości eukarionów zostaje dołączony łańcuch poli(A) zbudowany z kilkudziesięciu nukleotydów adeninowych. Liczba tych nukleotydów wpływa na szybkość degradacji mRNA na skutek działania nukleaz. Modyfikacja końców mRNA, jak również obecność białek informomero-wych mają na celu ochronę informacji o cząsteczce białka zarówno podczas przebywania matrycowego RNA w jądrze komórkowym, jak i podczas jego transportu do cytosolu.

Rybosomalny RNA (rRNA)

stanowi około 80% ilości kwasów rybonukleino-wych komórki. Jest on podstawowym składnikiem rybosomów (por. rozdz. 2.6.1), gdzie sięga 65% zawartości. Resztę stanowią białka.

Rybosomalny RNA zawiera typowe zasady azotowe z niewielką domieszką ich metylowych pochodnych. Jego masa cząsteczkowa osiąga 2 MDa. Jest pojedyn­czym łańcuchem, bardzo mocno poskręcanym, tworzącym pętle, z fragmentami dwuniciowymi, gdzie występują wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami.

Rybosomalny RNA, podobnie jak inne rodzaje RNA, powstaje w procesie transkrypcji z DNA. W komórkach prokariotycznych transkrypcja prowadzi do wytwo­rzenia pre-rRNA, który zawiera sekwencje wszystkich rodzajów rybosomalnych RNA. W komórkach eukariotycznych jest wytwarzany pre-rRNA 45S, zawierający sekwencje charakterystyczne dla 18S i 27S rRNA, natomiast oddzielnie jest wytwa­rzany pre-rRNA zawierający w swym składzie sekwencje 5S rRNA.

W rybosomach komórek prokariotycznych występują rRNA: 23S, 5S oraz 16S, gdy tymczasem w komórkach eukariotycznych: 28S; 5,8S; 5S i 18S. Rybosomalnym RNA towarzyszą w rybosomach liczne białka rybosomowe.

2.RNA

1. Budowa RNA

RNA - (ang. ribonucleic acid) Struktura kwasu rybonukleinowego różni się

od DNA. Jednostką cukrową w RNA jest ryboza, a nie deoksyryboza jak w przypadku DNA. Kwas rybonukleinowy, zatem, zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: adenozyny (AMP), guanozyny (GMP), cytydyny (CMP) oraz uracylu (UMP). Istotną różnicą jest to, że jedną z czterech zasad jest uracyl zamiast tyminy. Uracyl paruje komplementarnie z adeniną, tworząc dwa wiązania wodorowe, różniąc się od tyminy występowaniem grupy metylowej. Cząsteczki RNA występują w formie jedno- i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) nie mogą tworzyć tak regularnej struktury jak w przypadku B-DNA, ze względu na występowanie grupy hydroksylowej przy 2 atomie węgla rybozy.

Zazwyczaj jednak RNA występuje w postaci jednoniciowego (ssRNA), silnie pofałdowanego polinukleotydu zawierającego odcinki dwuniciowe i tworzącego skomplikowane struktury przestrzenne. W przeciwieństwie do DNA stosunek zasad azotowych purynowych do pirymidynowych w cząsteczce jednoniciowego RNA nie jest zachowany.

2. Rodzaje RNA

Wyróżnia się kilka rodzajów RNA. DNA zawiera w sobie informację o każdym z rodzajów RNA (z pominięciem wirusów). W procesie transkrypcji (syntezy RNA) są tworzone prekursory poszczególnych klas RNA (preRNA), które ulegają później obróbkom potranskrypcyjnym. Istnieją trzy podstawowe grupy RNA - informacyjny RNA (mRNA), transportujący RNA (tRNA) oraz rybosomalny (rRNA), wszystkie wiążą się z procesem ekspresji informacji genetycznej.

a.) mRNA - (ang. messenger RNA) - jest pojedynczą cząsteczką RNA (ssRNA), która jest nośnikiem informacji genetycznej, zawartej w postaci sekwencji zasad azotowych w cząsteczce. Na jej podstawie polimeryzowane są aminokwasy wg określonej kolejności - dzięki temu procesowi powstaje produkt końcowy ekspresji informacji genetycznej - białko. Bezpośredni produkt transkrypcji - prekursorowy RNA ("pierwotny transkrypt") podlega późniejszym obróbkom potranskrypcyjnym. Szczególnie w przypadku organizmów Eukariotycznych (jądrowych) w procesie splicingu, (wycinania intronów) są wycinane niekodujące części RNA oraz dołączane elementy stabilizujące - od końca 5' "czapeczkę" (ang. cap - będącą zmodyfikowanym nukleotydem guanylowym) oraz na 3' końcu - "ogon poli-(A)" zawierający 200-250 nukleotydów adenylowych. Taka operacja zapobiega degradacji mRNA przez enzymy tnące łańcuch kwasu rybonukleinowego - RNA-zy.

b.) tRNA - zwany transferowym RNA, związany z enzymem - syntetazą aminoacylo-tRNA, służy do odczytywania kodu genetycznego i transportu odpowiednich aminokwasów do - rybosomu, w trakcie procesu translacji. Cząsteczki tRNA zbudowane są z ok. 75 nukleotydów, podobnie jak mRNA wytwarzane są one w wyniku obróbki cząsteczki pierwotnego transkryptu. W skład cząsteczki wchodzą również zmodyfikowane zasady azotowe (np.: dihydrourydyna, pseudourydyna). W każdej komórce znajduje się przynajmniej 20 rodzajów cząsteczek tRNA i przynajmniej jedna odpowiada swoistemu aminokwasowi. Cząsteczki tRNA posiadają cztery dwuniciowe obszary pozwalające wytworzyć drugorzędową strukturę podobną do liścia koniczyny. W cząsteczce tRNA można wyróżnić 4 główne ramiona. Ramię akceptorowe składa się z szypuły utworzonej ze sparowanych zasad, które kończy się sekwencją CCA (5'-3'). Grupa 3'-hydroksylowa reszty adenylowej wiąże się z grupą karboksylową odpowiednich dla danej cząsteczki tRNA aminokwasów wiązaniem estrowym. Pozostałe ramiona posiadają szypuły ze sparowanych zasad i na końcu pętle zawierające zasady niesparowane. Pętla ramienia antykodonowego posiada sekwencję antykodonową, decydującą o specyficzności cząsteczki tRNA w procesie translacji. Sekwencja antykodonowa rozpoznaje komplementarny tryplet nukleotydów tworzących kodon, na cząsteczce mRNA - w taki sposób następuje odczyt informacji genetycznej. Ramiona DHU i Ty C zostały nazwane od sekwencji, w których występują nietypowe nukleotydy wchodzących w skład ich końcowych pętli.




Istnieje jeszcze dodatkowe ramię, które w zależności od klasy tRNA posiada różną liczbę par zasad (Klasa 1 tRNA - ok. 75% wszystkich 3-5 pz, natomiast Klasa 2 - 13-21 pz). Stałą strukturę drugorzędową utrzymują komplementarne zasady we wszystkich ramionach tRNA.

c.) rRNA , czyli rybosomalne RNA - to grupa kwasów rybonukleinowych wchodzących w skład rybosomu, a więc kompleksu enzymatycznego odpowiedzialnego za syntezę polipeptydu - translację. Odkryto kilka klas rRNA, które w większości przypadków przyjmują złożoną strukturę drugorzędową łącząc się z polipeptydami wchodzącymi w skład poszczególnych podjednostek rybosomu. Przykładem może posłużyć 16S rRNA, które rozpoznaje miejsce "start" w cząsteczce mRNA, natomiast 23S rRNA oddziałuje z ramieniem akceptorowym cząsteczki tRNA. Inne cząsteczki L7 i L12 rRNA, wchodzące w skład rybosomu posiadają zdolności autokatalityczne - mogą prowadzić reakcje enzymatyczne nawet bez udziału innych białek oraz rRNA rybosomu.




Podobnie jak poprzednie klasy RNA, rRNA powstaje z pierwotnego transkryptu na drodze obróbki potranskrypcyjnej.

3. Inne rodzaje RNA - Oprócz trzech podstawowych klas RNA można wspomnieć o istnieniu snRNA (ang. small nuclear RNA ) i scRNA (ang. small cytoplasmic RNA ) - małych cząsteczek rybonukleinowych, których długość nie przekracza 300 nukleotydów. Biorą udział w procesach obróbki pierwotnego transkryptu takich jak splicing editing, czy poliadenylacja 3'końca.