Учебно-методический комплекс дисциплины «Молекулярная биология» по кредитной технологии обучения для студентов специальности

Литература:

2. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978. Молекулярная биология

3. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов Автор: Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Изд-во: Медицинское информационное агентство, 2007. С. 536

4. 
   Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот/ Под ред. А.С.Спирина. М.: Академия, 2011.
   
5. 
   Бокуть С.В., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Название: Молекулярная биология, изд-во:Вышэйшая школа, Год: 2005
   

Вопросы для самоконтроля:

1. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

2. Принципиальная организация ДНК. Модель ДНК Уотсона и Крика

Цель: ознакомить со структурой и функциями РНК

Содержание лекции:

Виды РНК. Во всех клетках присутствуют следующие виды РНК: рибосомная (рРНК). транспортная (тРНК) и информационная, или матричная (мРНК). Большинство клеток содержат много малых цитоплазматических РНК (мцРНК), а в клетках эукариот присутствуют малые ядерные РНК (мяРНК).

В двойной спирали РНК возможна только одна, С3' - эндо - конформация остатка рибозы. Поэтому двуспиральные РНК, также комплементарные двутяжевые полирибонуклеотидные комплексы [типа поли (А)-поли (U)] существуют только в правой А-форме, в основных чертах подобной А-форме ДНК.

Третичная структура однотяжевых РНК. При исследованиях макромолекулярной организации однотяжевых РНК было установлено, что в физиологических условиях они характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия элементов их вторичной структуры.

1. 
   Элементы вторичной структуры РНК располагаются друг относительно друга так, чтобы обеспечить максимальный стэкинг оснований в макромолекуле в целом.
   
2. 
   Контакты между отдельными элементами вторичной структуры осуществляются за счет нескольких типов так называемых «третичных» внутримолекулярных взаимодействий:
   

• 
  за счет образования дополнительных зачастую не Круковских пар оснований между нуклеотидными остатками удаленных друг от друга (первичной и вторичной структурах) однотяжевых участков и триплетов оснований между нуклеотидными остатками однотяжевых и двутяжевых элементов. При анализе вторичных структур вирусных и рибосомных РНК было обнаружено, что однотяжевые участки в вершине петель в принципе могут давать двуспиральные комплексы с межпетельными однотяжевыми сегментами с образованием «псевдоузлов».
  
• 
  за счет дополнительных («третичных») стэкинг-взаимодействий после интеркаляции (внедрения) оснований одного участка между двумя соседними основаниями другого однотяжевого участка.
  
• 
  за счет образования дополнительных водородных связей между 2'ОН - группами остатков рибозы и основаниями, а также другими группами пентозофосфатного остова.
  
• 
  Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, которые связываются не только с фосфатными группами, но и с основаниями.
  

Главной функцией транспортных РНК (тРНК) является акцептирование аминокислот и перенос их в белоксинтезирующий аппарат клетки. Они выступают в роли затравки (праймера) в процессе обратной транскрипции.

Последовательность тРНК включает 70-90 нуклеотидов и около10% минорных компонентов. Она образует вторичную структуру, известную под названием «клеверный лист». Эта структура состоит из 4 или 5 двуцепочечных спиральных стеблей и трех петель. Каждый стебель содержит 4-7 уотсон-криковских пар, образующих двойные спирали. Различают акцепторный, антикодоновый, дигидроуридиловый (D), псевдоуридиловый (ТТрС) и добавочный стебли. Акцепторный стебель содержит 3'- и 5'- концы полинуклеотидной цепи, причем к концевой 3' - гидроксильной группе (ССАЗ'ОН) присоединяются специфическая аминокислота, отвечающая последовательности антикодонового триплета в антикодоновой петле. Число нуклеотидов в стеблях и петлях почти постоянно у разных тРНК за исключением вариабельных петель (от 4 до 21 нуклеотида). Транспортные РНК - единственные представители природных полирибонуклеотидов, которые удалось закристаллизовать и изучить методом рентгеноструктурного анализа с достаточно высоким разрешением. Наиболее детально обработана третичная структура дрожжевой тРНК¹'¹''.

В последовательности тРНК имеются инвариантные основания, т.е. основания, присутствующие во всех тРНК. Они участвуют главным образом, в «третичных взаимодействиях», которые возникают тогда, когда молекула тРНК сворачивается в нативную Г-образную структуру. Г-форма состоит из двух почти перпендикулярных друг другу спиралей А-РНК, длина которых составляет около 7 нм, толщина - 2 нм.

Одну спирали образуют уложенные друг за другом антикодоновый и дигидроуридиловый стебли, другую - акцепторный и псевдоуридиловый стебли

Третичные взаимодействия включают стэкинг (у т-рнк^phe из 76 оснований в стэкинг-взаимодействиях участвует 71 основание); интеркаляцию и необычное спаривание оснований, при котором образуются не только пары, но и триплеты. Большая часть стабилизирующих третичную структуру водородных связей образуется между инвариантными полувариантными основаниями.

Особым видом стэкинга является интеркаляция (отдельных местах основание из одной цепи встраивается между двумя основаниями другой цепи). Такое взаимодействие осуществляется там, где встречаются сразу три цепи. Пентозофосфатный остов в месте вставки основания перестраивается путем изменения конформации сахара СЗ'-эндо—>С2' -эндо-, в результате чего увеличивается расстояние между фосфатами (от 0,59 нм до 0,70 нм), и это способствует интеркаляции.

Антикодон имеет жесткую архитектуру, которая позволяет ему быстрое считывать матричную РНК.

Высокомолкулярные рибосомные РНК (рРНК) являются структурной основой для формирования рибонуклепротеинового тяжа, который, складываясь в пространстве, дает начало 30-40 S- и 50-60 S-субчастицам рибосомы; рРНК взаимодействуют с мРНК и аминоацил - тРНК в процессе трансляции. Низкомолекулярная 5SpPHK в комплексе с рибосомными белками формирует комплекс, который называют

Детально изучены первичная, вторичная и третичная структуры 5SpPHK.

Выяснены первичные структуры 16-18 SpPHK и 23-25SpPHK ряда организмов. Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией самой на себя полирибонуклеотидной цепи. Биспиральные и линейные участки этих молекул формируют постоянные и вариабельные домены, которые затем укладываются в более компактные структуры высшего порядка.
Матричные РНК

Матричное (мРНК) считают РНК, которая в последовательности нуклеотидных остатков в молекуле несет информацию, обеспечивающую синтез специфического белка непосредственно на ней самой, а также информацию о времени, количестве, месте и условиях синтеза этого белка.

Строение мРНК эукариот специфично: в них составе есть информативные, т.е. работающие как матрицы в процессе биосинтеза елка, зоны и неинформативные участки. Отмеченное своеобразие в строении мРНК и расположение функциональных участков в ее молекуле представлены в виде обобщенное структуры. Неинформативные участки содержат кэп, 5' -нетранслируемую область (5'НТО), 3' -нетранслируемую область (З'НТО), полифеноловый фрагмент.

Кэп (от англ. кепка, шапка) - нуклеотидная последовательность, содержащая 7-метилгуанозин, присоединенный через трифосфатную группировку к первичному транскрипту. Кэп часто включает 2' – О - метильные группы, связанные с первым или с двумя первыми рибозными остатками последуемых нуклеотидов. Кэп нужен для защиты мРНК от экзонуклеаз, а также для связывания белковых факторов при взаимодействии с рРНК в рибосоме (играет сигнальную роль в присоединении мРНК к рибосоме и участвует в трансляции).

Длина поли (А) - фрагментов у разных мРНК колеблется от 50 до 400 н.п. Эти фрагменты отсутствуют в молекулах гистоновых мРНК. Полагают, что полиадениловая часть молекулы мРНК участвует в процессе созревания мРНК, предопределяет время жизни мРНК, способствует переносу мРНК из ядра в цитоплазму и принимает участие в трансляции.

Время полужизни мРНК в клетке, как и момент их деградации, запрограммированы специфическими последовательностями часто в их З'НТО. Их называют элементами нестабильности мРНК. Определенные белки клетки узнают эти последовательности, связываются с ними и стабилизируют мРНК. Кроме этого З'НТО содержат сигналы цитоплазматического и ядерного полиаденилирования и сигналы внутриклеточной локализации для этих мРНК. Интересно отметить, что информация об одном и том же свойстве мРНК может содержаться в разных частях молекулы мРНК, иногда отстоящих друг от друга вдоль полинуклеотидной цепи на значительном расстоянии. Вероятно, эти участки молекулы мРНК сближаются при формировании ее пространственной структуры. Предполагают, что вторичная (спирализация сама на себя) и третичная структуры менее компактны, чем для тРНК и рРНК.

Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) - смесь транскриптор многих ядерных генов; локализована в ядре. Некоторые из них являются первичными транскриптами и имеют такую же длину, как и гены, с которых они скопированы, другие - частично процессированы и утратили ряд интронов.

Все эукариотические клетки содержат множество малых ядерных РНК (мяРНК) коротких стабильных молекул РНК, большинство которых в составе нуклеопротеидных частиц присутствуют в ядре. Они обнаружены в составе сплайсингом млекопитающих Эти РНК называют U-PHK из-за необычайно большого содержания урацила и его модифицированных форм. Нуклеотидные последовательности всех U-РНК позвоночных совпадают на 95%.

Функции малых цитоплазматических РНК (мРНК), за исключением 7SL-PHK сигнал-распознающих частиц, не установлены. Известно, что большинство этих РНК ассоциированы с крупными семействами последовательностей, содержащими как гены, так и псевдогены.