Różnorodność strukturalna RNA - podstawą różnorodności funkcjonalnej
Z dwóch typów kwasów nukleinowych, które są w komórce, rolę nosiciela informacji dziedzicznej otrzymał DNA. Jednak RNA, jak już niejednokrotnie zaznaczaliśmy, ma zdolność do nabywania dużej różnorodności kształtów. Zazwyczaj uważa się, że DNA jest dwułańcuchową spiralną cząsteczką, natomiast RNA ma tylko jeden łańcuch, a struktura dwułańcuchowa dla niej nie jest charakterystyczna. Jednak tak nie jest. Co prawda, większość funkcjonalnych cząsteczek RNA składa się tylko z jednego łańcucha polinukleotydowego, ale w jego granicach można wyjawić dużą ilość odcinków dwułań-cuchowych (ryc. 23.1). Przy tym łańcuch polinukleotydowy wygina się i tworzy strukturę dwułańcuchową sam ze sobą, przestrzegając zasady komplementarności. Przeważnie wjednej cząsteczce RNAjest kilka odcinków dwułańcuchowych. Odcinki dwułańcucho-we są bardzo ważne, ponieważ to one wyznaczają kształt cząsteczki RNA i odpowiednio -jej funkcję. Tak duża strukturalna różnorodność warunkuje różnorodność funkcji RNA w komórce.
Matrycowy RNA - mRNA syntezuje się w jądrze w postaci poprzedników, a potem - po dojrzewaniu - znów dąży do cytoplazmy. W matrycowej RNA zakodowana jest sekwencja aminokwasowa białek. Rybosomy odczytują tę kolejność i syntezują łańcuch aminokwasowy białek.
Rybosomowy RNA - rRNA jest podstawą rybosomów, które funkcjonują w cy-toplazmie. Wiele rybosomów jest związanych z błoną retikulum endoplazmatycznego (powstaje szorstkie retikulum endoplazmatyczne). Synteza rybosomowego RNA, jak i składanie rybosomów, zachodzi wjąderku.
Transportujący RNA - tRNA zaangażowany jest w biosyntezę białek. On bierze udział w aktywacji reszt aminokwasowych i ich transportu do rybosomu, który pracuje. Transportujący RNA powstaje w jądrze, a potem dąży do cytoplazmy. Niektóre transportujące RNA mitochondriów są kodowane jądrową DNA, a po powstaniu przenoszą się do mitochondriów przez cytoplazmę.
Małe jądrowe RNA powstają i funkcjonują w jądrze. One biorą udział w procesie dojrzewania matrycowego RNA.
Małe jąderkowe RNA biorą udział w dojrzewaniu rybosomowego RNA
W cytoplazmie znajduje się duża ilość krótkich cytopla-zmatycznych RNA, zaangażowanych w różnych procesach, takich jak przeniesienie białka przez błonę, ochrona komórki przed wirusami, regulacja syntezy białek.
W jądrze i cytoplazmie komórki obecne też są „zagadkowe” długie niekodujące RNA, które pełnią regulatorowe funkcje.
Mitochondria zawierają własny zespół matrycowych, ry-bosomowych i transportujących RNA, które powstają bezpośrednio w mitochondriach. Rybosomowe RNA mitochondriów znacznie różnią się od zakodowanych w jądrze i bardziej przypominają rybosomowe RNA bakterii. Niektóre transportujące RNA mitochondriów, jak już było powiedziane, kodowane są w jądrze, a potem przedostają się do mitochondriów.
Wśród dużej różnorodności RNA w komórce warto wyróżnić trzy rodzaje, które biorą udział w biosyntezie białka. Jest to matrycowy RNA, rybosomowy RNA i transportujący RNA. Te trzy rodzaje RNA są absolutnie we wszystkich żywych organizmach, ponieważ biosynteza białek - to proces uniwersalny dla wszystkiego żywego. Zatrzymajmy się dokładniej na rozpatrzeniu budowy i funkcji tych cząsteczek.
Jasnobrązowym kolorem pokazano RNA, fioletowym - białka. Rybosomowe białka rozmieszczone są na obwodzie rybosomu i biorą udział w stabilizacji cząsteczek rRNA.
Matrycowy RNA niesie informację o budowie białkowej cząsteczki
Matrycowy RNA (mRNA) - to długa liniowa cząsteczka, która zawiera w sobie informację o kolejności połączenia reszt aminokwasowych w cząsteczce białka. U prokariotów ona powstaje w procesie transkrypcji i od razu bierze udział w syntezie białka. U prokariotów jedna cząsteczka matrycowego RNA może zawierać informację o budowie kilku różnych cząsteczek białka.
U organizmów eukariotycznach mRNA powstaje wskutek transkrypcji w jądrze w postaci poprzednika (pre-mRNA), który potem „dojrzewa” też w jądrze. Proces „dojrzewania” jest dość złożony: w nim bierze udział dużo białek i regulujących cząsteczek RNA. W procesie „dojrzewania” pre-mRNA traci do 90% swej długości, do niego dołączają się niektóre dodatkowe nukleotydy, a niektóre poddają się chemicznemu przekształceniu. Tak tworzy się gotowy „dojrzały” mRNA.
Potem on transportuje się do cytoplazmy dla dokonania biosyntezy białka. Niektóre mRNA żyją niedługo: one są niszczone przez komórkę po kilku minutach od momentu powstania i z nich nadąża „odczytać się” tylko całkiem mało cząsteczek białkowych. Inne żyją kilka godzin. Niektóre mRNA mogą zachowywać się w nieaktywnym stanie w ciągu kilku dni lub nawet tygodni, dopóki one nie staną się potrzebne komórce. Regulacja pracy mRNA jest złożona i różnorodna.
Rybosomowy RNA jest nie tylko strukturalną, lecz i funkcjonalną podstawą rybosomu
Jeżeli wyodrębnić z komórki cały RNA, to największą część masy będzie wynosić rRNA. Jak pamiętasz, rybosomy - to malutkie kompleksy z cząsteczek ryboso-mowych białek i RNA, które biorą udział w biosyntezie cząsteczek białek. W skład rybosomu wchodzi kilka różnych cząsteczek rRNA. Rybosomy są złożone z dwóch podjednostek - większej i mniejszej. W pracującym rybosomie obydwie podjednostki są połączone jedna z drugą. Między dwiema podjednostkami umieszczona jest cząsteczka mRNA. Rybosom porusza się wzdłuż mRNA, odczytuje z niej „instrukcje” i syntezuje cząsteczkę białka zgodnie z tymi „instrukcjami”.
Jeżeli rozpatrzymy trójwymiarowy model rybosomu na rycinie 23.2, to łatwo zauważymy, że jego „podstawa” jest zbudowana z rybosomowych RNA, a białka służą zewnętrzną „dekoracją”. W rzeczywistości rola białek rybosomu polega przeważnie na stabilizacji rRNA, który dokonuje połączenia reszt aminokwasowych w łańcuszek białka.
Rybosomy występują u wszystkich żywych organizmów. Wielu badaczy nawet określa żywe organizmy jako „replikatory, które zawierają rybosomy”, żeby odróżniać je od wirusów, które swoich rybosomów nie posiadają, a bezczelnie wykorzystują do swoich celów rybosomy gospodarza. rRNA są nie tylkos uniwersalne, ale i dość konserwatywne (niezmienne): różnice w kolejnościach nukleotydowych rRNA różnych organizmów bardzo powoli gromadzą się w toku ewolucji. Te prawidłowości dają możliwość uczonym wykorzystywać porównania kolejności rRNA różnych organizmów do ustalenia łączności ewolucyjnej pomiędzy królestwami przyrody żywej
Transportujące RNA przenoszą aminokwasy do miejsc syntezy białka
Jeszcze jeden rodzaj RNA włączony do procesu biosyntezy białka-to trans-portu-jące RNA(tRNA).Te RNA mają dość rozpoznawalne kształty (ryc. 23.3). One są złożone z jednego łańcucha nukleotydowego, który wytwarza cztery dwułańcuchowe odcinki i układa się w przestrzeni w strukturę przypominającą trójlistek koniczyny. Potem ten trójlistek wskutek niekomplementarnych oddziaływań nabywa L-podobnego kształtu. Właśnie w takiej postaci tRNA istnieje w komórce.
Specjalne enzymy przyłączają aminokwasy do cząsteczki tRNA. Ten proces wymaga zatrat energii ATP. Skutkiem tego jest powstanie wysokoenergetycznego pośrednika (aminoacylo-tRNA - aa-tRNA), który dostaje się do rybosomu syntezującego białko. Dokładniej o tym procesie będzie mowa w następnych paragrafach.
Inne rodzaje RNA - źródłem nowych odkryć w biologii współczesnej
Rozpatrzyliśmy zwięźle trzy rodzaje RNA, które biorą udział w biosyntezie białek, lecz tym nie ograniczają się wszystkie różnorodności cząsteczek RNA w komórce. Rozwój współczesnych technologii umożliwił odkrywanie coraz to nowych rodzajów RNA, które biorą udział w różnorodnych procesach. Szczególnie rozpięta ta różnorodność jest w komórkach eukariotycznych. Przytoczmy krótki przegląd innych rodzajów RNA znajdujących się w komórce.
7S RNA - to krótki RNA, obecny w dużej ilości w cy-toplazmie jak pro-, tak i eukariotycznych komórek. Bierze udział w przeniesieniu cząsteczek białek przez błony komórkowe (u prokariotów) i przez błonę retikulum endopla-zmatycznego (u eukariotów).
Interferujące RNA (siRNA), mikro-RNA (miRNA) i piRNA - to niezwykle różnorodne pod względem budowy i pochodzenia cząsteczki RNA. One są wciągnięte w proces regulacji syntezy białka, a także zapewniają ochronę komórki przed wirusami i innymi szkodliwymi agentami.
Jak pokazały ostatnie badania, w komórkach eukariotów powstaje też duża ilość RNA różnej długości. Przy tym funkcje większości tych RNA są nieznane. Być może one są takim sobie „hałasem informacyjnym”. Całokształt DNA kodujących te RNA otrzymał nazwę „ciemnej materii genomu”.
Rye. 23.4. Modele wirusów zawierających genom RNA
A. Wirus grypy w przekroju. Pod błoną widoczne są cząsteczki RNA w kompleksie z białkami. Nie patrząc na powszechność jest śmiertelny. Najstraszniejsza epidemia wirusa grypy - „hiszpanka" - zabiła do 100 milionów ludzi. I do dziś od wirusa grypy umiera 250-500 tysięcy osób corocznie. Tylko dzięki uzgodnionej pracy medyków i uczonych udaje się trzymać wirus grypy który stale ewoluuje, pod kontrolą. B. Ludzki wirus niedoboru odporności. Poraża komórki układu odpornościowego, pozbawiając ludzki organizm naturalnej ochrony. Każda cząsteczka wirusowa zawiera dwie identyczne cząsteczki RNA. W komórce gospodarza dzięki enzymowi - obrotnej transkryp-tazie - na nich syntezuje się DNA, który wbudowuje się w DNA gospodarza. C. Rinowirus. Rino-wirusy powodują przeziębienie, ponieważ namnażają się w komórkach nabłonka śluzowego dróg oddechowych. Zazwyczaj one nie wyrządzają poważnej szkody zdrowiu człowieka, chociaż mogą doprowadzić do komplikacji u dzieci. D. Wirus Ebola. Ten wirus ma niciopodobny kształt. On wywołuje gorączkę krwotoczną Ebola - rzadkie schorzenie tropikalne, jedno z najśmiertelniejszych schorzeń. Niektóre rodzaje wirusów powodują prawie stuprocentową śmierć. Wiatach 2014-2015 były zarejestrowane ogniska schorzeń na gorączkę krwotoczną Ebola od razu w kilku miejscach na planecie.
Wirusy posiadają genomy RNA
Na koniec rozpatrzmy jeszcze jedną funkcję, którą mogą wykonywać RNA w układach żywych. W poprzednim paragrafie zaznaczyliśmy, że DNA jest stabilniejszy, a znaczy - bardziej niż RNA nadaje się do zachowania informacji. Jednak stosunkowo niewielkie cząsteczki RNA często są wykorzystywane do zachowania informacji. Ilość informacji zapisanej w tej cząsteczce będzie ograniczona, ale wystarczająca do zapewnienia funkcjonowania najprostszych układów, które rozmnażają się - wirusów. Wirusy w pewnym stopniu nie mogą być uznawane za organizmy żywe. Jest to coś na kształt pasożytów genomu, które potrafią przez pewien czas istnieć poza komórką gospodarza. Wiele wirusów wykorzystuje RNA, a nie DNA do zachowania informacji genetycznej. Przykładami takich wirusów są : wirus grypy, ludzki wirus niedoboru odporności, rinowirus powodujący przeziębienie i wirus Ebola (ryc. 23.4).
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
I Za transport aminokwasów do rybosomów odpowiadają A mRNA В tRNA C rRNA D małe jądrowe RNA E wirusowe RNA
2
Cząsteczka RNA składa się z A jednego łańcucha В jednego łańcucha, który może tworzyć fragmenty dwułańcuchowe C jednego łańcucha, który może tworzyć fragmenty trójłańcuchowe D dwóch łańcuchów
E dwóch łańcuchów, które mogą tworzyć fragmenty dwułańcuchowe
3
Wirus Ebola jest jednym z najniebezpieczniejszych, ponieważ A jest rozpowszechniony tylko w krajach o wysokim poziomie życia В wśród ludzi infekowanych jest bardzo wysoki poziom śmiertelności C ma bardzo małe wymiary D ma bardzo duże wymiary
E ma niciowaty kształt
4
Dla cząsteczki tRNA charakterystyczna jest struktura A czworolistka, zwiniętego w postaci litery T В trójlistka, zwiniętego w postaci litery T C czworolistka, zwiniętego w postaci litery L D trójlistka, zwiniętego w postaci litery L E trójlistka, zwiniętego w postaci litery C
5
Żeby wbudować się w DNA gospodarza, wirusowi niedoboru odporności niezbędny jest enzym zdolny do
A syntezy DNAwedług DNA В syntezy RNAwedług RNA C syntezy RNAwedług DNA D syntezy DNAwedług RNA E syntezy RNAwedług DNA i według RNA
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdańi
6
Jakie osobliwości cząsteczek RNA dają im możliwość nabywania różnorodnych kształtów?
7
Podaj charakterystykę powiązań między mRNA, tRNA i rRNAw procesie syntezy białek.
8
Dokonaj opisu różnic w budowie i funkcjach eukariotycznych i prokariotycznych mRNA.
9
Zaznacz różnice między różnymi rodzajami rRNA. A co wspólnego jest między nimi?
10
Dlaczego obecność rRNA może być uważana za cechę żywego?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Na czym polega istota hipotezy „prorybosomów z RNA” i jakie są dowody tej hipotezy?
12
Wrzecionowatość bulw ziemniaka spowodowana jest wiroidem - cykliczną cząsteczką RNA. Jakie są osobliwości takich form życia i dlaczego one mogą być „żywymi kopalnymi” RNA-świata?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Jakie osobliwości budowy matrycowego RNA eukariotów dają mu możliwość pełnienia swojej funkcji? Dlaczego bez nich on nie jest zdolny do pracy?
14
W przyrodzie istnieją osobliwe RNA - rybozymy. Na czym polega ich osobliwość w porównaniu z innymi RNA? W jaki sposób wyjawia się ich zdolność do autokatalizy? Jakie technologiczne zastosowanie mogą mieć rybozymy?
15
Mały interferujący RNA wykorzystywany jest jako lek przeciwko niektórym chorobom. Z jakimi chorobami i w jaki sposób mogą walczyć odpowiednie preparaty?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow