RNA - to polimer z nukleotydów
Kiedy były omawiane kwasy nukleinowe, wspominaliśmy, że istnieją dwa typy polinukleotydów - kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). W obydwu przypadkach jest to polimer liniowy złożony z reszt nukleotydowych. Różnice chemiczne między DNA i RNA polegają na tym, że w nukleotydach RNA znajduje się reszta węglowodanu rybozy, a w nukleotydach DNA - deoksyrybozy. Różnice dotyczą też zespołu zasad azotowych, z których są zbudowane polimery: w RNA zamiast tyminy obecny jest uracyl. Jednak takie nieznaczne różnice odbijają się na fizyko-chemicznych właściwościach cząsteczek. DNAjest bardziej stały, mniej poddaje się spontanicznym rozerwaniom łańcucha i modyfikacjom pod działaniem agentów chemicznych. Czyli DNA idealnie nadaje się na rolę niezawodnej przechowalni informacji. RNA jest mniej stały, lecz z innej strony - zdolny do nabywania różnorodnych kształtów przestrzennych, które zwykle są niedostępne dla DNA. W nim powstają pętle, węzły, szpilki; on tworzy kompleksy z jonami metali. RNAjestteż katalizatorem niektórych reakcji chemicznych. Tak więc, chociaż RNA przegrywa DNA w niezawodno - ści zachowania informacji, to on na pewno jest pierwszy pod względem kształtów i funkcji. Otóż wyjaśnijmy, jak cząsteczki RNA powstają w komórce.
RNA może syntezować się na matrycy DNA
W poprzednim paragrafie rozpatrzyliśmy, jak zachodzi synteza DNA. Można przypuścić, że synteza RNA zachodzi w podobny sposób. Rzeczywiście, RNA w komórce powstaje drogą połączenia rybonukleotydów w łańcuch polimerowy na matrycy DNA. Ten proces nazywa się transkrypcją.
Arthur i Roger Kornbergowie
Arthur Kornberg urodził się w roku 1918 w Nowym Jorku w rodzinie emigrantów z Galicji. Studiował na Uniwersytecie w Rochester. Znany w świecie przede wszystkim jako badacz enzymów syntezy kwasów nukleinowych. On odkrył enzym DNA--polimerazę oraz po raz pierwszy dokonał syntezy DNA i RNA „w probówce”. Właśnie „za badania mechanizmów biosyntezy kwasów rybonukleinowych i deoksyrybonukleinowych” w roku 1959 otrzymał Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny. Arthur Kornberg miał trzech synów. Jeden z nich - Roger Kornberg - stał się kolegą ojca. Urodził się w roku 1947 w Saint Louis (stan Missouri, USA). Studiował na Uniwersytecie Harwardu. Roger kontynuował ojcowskie badania syntezy kwasów nukleinowych. Bodźcem do tego mogło być to, że on w wieku 12 lat był obecny w Sztokholmie na ceremonii wręczenia ojcowi Nagrody Nobla. Za swoje prace Roger w roku 2008 otrzymał Nagrodę Nobla „za badania mechanizmu kopiowania komórkami informacji genetycznej”. Arthur Kornberg kontynuował badania do końca swego życia (uczony zmarł w roku 2007 z powodu przeziębienia), a Roger pracuje na stanowisku profesora na Uniwersytecie Stanforda w USA.
Przebieg procesu transkrypcji ma wiele wspólnego z replikacją (ryc.22.1). Jak i w przypadku replikacji, transkrypcja zaczyna się od rozkręcania niewielkiego odcinka podwójnej helisy DNA. Podstawowe białko włączone do transkrypcji - to RNA-polimeraza. Jak i w przypadku z DNA- polimerazą, RNA-polimeraza będzie
budować łańcuch polinukleotydowy, lecz jako ogniwa monomerowe będą wykorzystane rybonukleotydy. One mają taką samą budowę jak deoksyrybonukle-otydy i zawierają trzy kolejno połączone reszty kwasu ortofosforowego przyłączone do cukru rybozy. RNA--polimeraza rozszczepia dwa z nich, a energię, która przy tym wydziela się, wykorzystuje do włączenia nu-kleotydu do łańcucha oraz do ruchu po DNA. Tym ona bardzo przypomina DNA-polimerazę. RNA-polimeraza buduje nić RNA na zasadzie komplementarności, tylko na miejsce tyminy stawia uracyl. Realizacja zasady komplementarności dokonuje się dzięki temu, że na krótkim odcinku, który zajmuje RNA-polimeraza, tworzy się dwułańcuchowy spiralny kompleks z nici DNA i komplementarnej nici syntezowanej przez RNA
W procesie replikacji tworzą się widełki replika-cyjne, na których syntezują się dwie potomne nici1. A podczas translacji zachodzi synteza RNA tylko na jednym z łańcuchów DNA i tylko w jednym kierunku2. Jeżeli więc do dokonania replikacji jest potrzebna praca dwóch DNA-polimeraz, po jednej na każdy rozkręcony łańcuch, to do dokonania jednokierunkowej transkrypcji - tylko jednej RNA-polimerazy.
1 To tak zwana dwukierunkowa replikacja. Często w przyrodzie spotyka się i jednokierunkową replikację, kiedy dobudo-wuje się tylko jeden łańcuch.
2 Jak pokazały badania ostatnich lat, ta zasada nie zawsze wykonuje się, szczególne u wielokomórkowych eukariotów (takich jak my). Czasem synteza RNA może zachodzić jednocześnie na dwóch łańcuchach DNA.
Rozkręcony odcinek DNA w procesie transkrypcji nie zwiększa się, a tylko przesuwa się za ruchem RNA-polimerazy. Na wyjściu z RNA-polimerazy obydwa odcinki jednołańcuchowego DNA znów łączą się ze sobą w dwułańcuchowy spiralny kompleks (ryc. 22.2). Zobaczyć, jak pracuje eukariotyczna RNA-poli-meraza, możesz, oglądając na wideo na stronie internetowej.
Replikacja ustaje wtedy, kiedy dwie widełki replikacyjne, które poruszają się jedna ku drugiej, spotykają się. W ten sposób zachodzi kopiowanie całego DNA. Co dotyczy transkrypcji, to tu sytuacja jest zasadniczo inna. Zwykle zachodzi odczytywanie niewielkiego (kilka tysięcy nukleotydów) odcinka DNA. Następnie tran-skrypcja ustaje. RNA-polimeraza odłącza się od DNA, zachodzi zwolnienie syntezowanej cząsteczki RNA. Proces ustania transkrypcji regulowany jest przez komórkę w różny sposób i w różnych rodzajach RNA.
U prokariotów transkrypcja zachodzi w cytoplazmie, u eukariotów - tylko w jądrze, jaki i replikacja1. W odróżnieniu od replikacji, która u eukariotów powiązana jest z dokładnie ustalonym okresem życia komórki, transkrypcja określonych odcinków DNA może zachodzić w różnym czasie. Obserwuje się określona konkurencja pomiędzy transkrypcją a replikacją. Te obydwa procesy mogą zachodzić równocześnie. W „bitwie” zwycięża replikacja: gdy poruszające się widełki replikacyjne spotykają się z poruszającą się ku nim RNA-polimerazą, to one po prostu zrzucają ją z łańcucha DNA. W komórkach, które intensywnie dzielą się, a znaczy, w których intensywnie zachodzi replikacja, transkrypcja jest zwykle tłumiona. Jest to charakterystyczne dla wczesnych stadiów rozwoju embrionów zwierząt: pierwsze podziały przeważnie zachodzą bardzo szybko i prawie cały jądrowy DNA „zajęty” jest replikacją, więc komórki obchodzą się tym RNA, który był syntezowany i zmagazynowany w komórce jajowej.
Czy naprawdę DNA jest bardziej „pełnowartościowy” niż RNA?
Komórka zawiera różne układy do syntezy polinukleotydów. W § 21 rozpatrzyliśmy replikację - syntezę jednego łańcucha DNA na innym, którą dokonuje enzym DNA-po-limeraza (czasem ona jest nazywana DNA-zależną DNA-polimerazą). Jak ustaliliśmy w tym paragrafie, na łańcuchu DNA też może zachodzić synteza łańcucha RNA - transkrypcja, którą dokonuje enzym RNA-polimeraza (czasem ona jest nazywana DNA--zależną RNA-polimerazą). Otóż stosunki między RNA i DNA wyglądają tak, jak pokazano na rycinie 22.3.
Powstaje sytuacja niesymetryczna: DNA wydaje się „peł-nosprawniejsza”, ponieważ potrafi odtwarzać siebie i prócz tego służyć podstawą do syntezy RNA. Natomiast RNA może tylko syntezować się RNA-polimerazą na niciach DNA i wykonywać swoje funkcje w komórce. Jednak już dawno wiadomo, że sytuacja w żywej przyrodzie jest o wiele symetryczniejsza.
Najpierw odkryto enzym zdolny syntezować łańcuch DNA na łańcuchu RNA. Ten proces nazwano odwrotną transkrypcją, a enzym - odwrotną transkryptazą (rewertazą) (lub poli-merazą DNA zależną od RNA). Ten ferment jest, na przykład, u wirusa zespołu nabytego braku odporności (wirus niedoboru odporności - HIV) i jest niezbędny do dokonania jego cyklu życiowego. Nie warto zapominać, że odwrotna transkrypcja
pracuje również u ludzi: ona załączona jest do procesu przebudowy DNA. Później odkryto enzym zdolny syntezować łańcuch RNA na innym łańcuchu RNA- RNA-replikaza (lub polimeraza RNA zależna od RNA). Po raz pierwszy ona została wykryta u wirusa choroby Heinego-Mediny (poliomyelitis), a później - i u wielu eukariotów. Wynika stąd, że schemat stosunków między kwasami nukleinowymi jest symetryczniejszy (ryc. 22.4).
Nie patrząc na różnorodność tych procesów, wszystkie one mają wspólną właściwość: jeden łańcuch polinukleotydowy syntezuje się na innym łańcuchu polinukleotydowym według zasady komplementarności. Jest to przykład tak zwanej syntezy matrycowej - jedna z cząsteczek jest matrycą do budowy innej. Jak widzimy, w przypadku kwasów nukleinowych realizują się wszystkie cztery możliwe warianty: DNA —> DNA, DNA —> RNA, RNA —► DNA i RNA —» RNA. Później zapoznamy się z jeszcze jednym przykładem matrycowej syntezy, lecz najpierw rozpatrzymy nieograniczoną różnorodność RNA, która obecna jest w komórce.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Po transkrypcji odcinek łańcucha DNA -adenina-guanina-cytozyna-tymina- w odpowiednim RNA będzie wyglądać A -guanina-uracyl-adenina-cytozyna-B -adenina-guanina-cytozyna-tymina-C -tymina-cytozyna-guanina-adenina-D -adenina-guanina-cytozyna-uracyl-Є -uracyl-cytozyna-guanina-adenina-
2
Wybierz charakterystyki, które odróżniają RNA od DNA.
A wykonuje więcej funkcji i jest mniej stabilny
В jest bardziej stabilny i może nabywać większej różnorodności kształtów C mniej pewnie zachowuje informację i pełni mniej funkcji D może posiadać mniejszą różnorodność kształtów i bierze udział w przyspieszeniu reakcji chemicznych
E bierze udział w przyspieszeniu reakcji chemicznych i pewniej zachowuje informację
3
Na początkowych etapach rozwoju zarodka transkrypcja nie zachodzi, ponieważ
A nie ma niezbędnych enzymów В komórka nie posiada DNA C nie ma wolnych nukleotydów D DNA zajęty jest w procesie replikacji E do pracy RNA-polimerazy brakuje energii
4
Kopiowanie informacji z RNA na nowy RNA odbywa się dzięki A odwrotnej transkrypcji В polimerazie DNA zależnej od DNA C replikazie
D polimerazie DNA zależnej od RNA E polimerazie RNA zależnej od DNA
5
Jeżeli DNA-polimeraza i RNA-polimeraza spotykają się na cząsteczce DNA, to
A replikacja i transkrypcja ustaje В replikacja ustaje i kontynuuje się transkrypcja C replikacja kontynuuje się, a transkrypcja ustaje D replikacja i transkrypcja nie przeszkadzają jedna drugiej i trwają E replikacja przekształca się na transkrypcję
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Podaj charakterystykę wszystkich znanych ci różnic między DNA i RNA.
7
Ile łańcuchów jednocześnie syntezuje się podczas replikacji i transkrypcji? Co jest przyczyną tej różnicy?
8
Jak na podstawie mechanizmów syntezy matrycowej wyjaśnić krótszą długość cząsteczki RNA w porównaniu z długością cząsteczki DNA?
9
Które z czterech możliwych syntez matrycowych kwasów nukleinowych są potrzebne do przekazywania cech potomkom u eukariotów i prokariotów? Wyjaśnij swoje rozważania.
10
Na czym polega matrycowość syntezy RNA lub DNA według innej DNA? Bez jakich osobliwości budowy tych substancji takie syntezy matrycowe byłyby niemożliwe?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Po co wirusowi HIV dokonywać odwrotnej transkrypcji? Jak ta właściwość może być wykorzystana do leczenia HIV-infekcji?
12
Najpełniej syntezy matrycowe kwasów nukleinowych wykorzystują wirusy. Dlaczego właśnie w tej grupie istot one są tak rozpowszechnione?
13
Niektóre RNA-zawierające wirusy do rozmnażania replikują swój kwas nukleinowy, a niektóre - nie. Czym są uwarunkowane takie różnice?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
14
Jeden z rodzajów odwrotnej transkryptazy w niektórych komórkach eukariotów dobudowuje końcowe odcinki chromosomów - telomery, żeby one nie skracały się podczas replikacji. Dla jakich komórek jest ważny ten proces i jak on zachodzi? Co spowoduje „włączenie” tego enzymu we wszystkich komórkach?
15
Za odkrycie wielu matrycowych syntez kwasów nukleinowych uczeni otrzymywali Nagrody Nobla. Kim są ci uczeni i dlaczego Komitet Noblowski uznał te odkrycia jako ważne?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow