РНК е основен компонент от молекулярно-генетичните механизми на клетката. Съдържанието на рибонуклеиновата киселина е няколко процента от сухото й тегло, като около 3-5% от това количество се пада на информационната РНК (mRNA), която участва пряко в протеиновия синтез, допринасяйки за внедряването на генома.
Молекулата на иРНК кодира аминокиселинната последователност на протеина, прочетен от гена. Следователно, матричната рибонуклеинова киселина се нарича по друг начин информационна (мРНК).
Общи характеристики
Както всички рибонуклеинови киселини, информационната РНК е верига от рибонуклеотиди (аденин, гуанин, цитозин и урацил), свързани помежду си чрез фосфодиестерни връзки. Най-често иРНК има само първична структура, но в някои случаи има вторична структура.
В клетка има десетки хиляди видове иРНК, всяка от които е представена от 10-15 молекули, съответстващи на специфично място в ДНК. иРНК съдържа информация за структурата на един или повечебактерии) протеини. Аминокиселинната последователност е представена като триплети от кодиращата област на молекулата на иРНК.
Биологична роля
Основната функция на информационната РНК е да реализира генетична информация, като я прехвърля от ДНК към мястото на синтеза на протеин. В този случай иРНК изпълнява две задачи:
- презаписва информация за първичната структура на протеина от генома, която се извършва в процеса на транскрипция;
- взаимодейства с апарата за синтезиране на протеини (рибозоми) като семантична матрица, която определя аминокиселинната последователност.
Всъщност транскрипцията е синтез на РНК, в който ДНК действа като матрица. Въпреки това, само в случай на информационна РНК този процес има стойността на пренаписване на информация за протеина от гена.
Именно иРНК е основният медиатор, чрез който се осъществява пътят от генотип към фенотип (ДНК-РНК-протеин).
Продължителността на живота на иРНК в клетка
Месинджър РНК живее в клетката за много кратко време. Периодът на съществуване на една молекула се характеризира с два параметъра:
- Функционалният полуживот се определя от способността на иРНК да служи като шаблон и се измерва чрез намаляването на количеството протеин, синтезиран на молекула. При прокариотите тази цифра е приблизително 2 минути. През този период количеството на синтезирания протеин се намалява наполовина.
- Химическият полуживот се определя от намаляването на молекулите на информационната РНК, способни на хибридизация(комплементарно съединение) с ДНК, което характеризира целостта на първичната структура.
Химическият полуживот обикновено е по-дълъг от функционалния полуживот, тъй като леко първоначално разграждане на молекулата (например, единично прекъсване на рибонуклеотидната верига) все още не предотвратява хибридизацията с ДНК, но вече предотвратява протеина синтез.
Полуживотът е статистическа концепция, така че съществуването на определена РНК молекула може да бъде значително по-висока или по-ниска от тази стойност. В резултат на това някои иРНК имат време да бъдат транслирани няколко пъти, докато други се разграждат, преди да завърши синтеза на една протеинова молекула.
По отношение на разграждането, еукариотните иРНК са много по-стабилни от прокариотните (полуживотът е около 6 часа). Поради тази причина те са много по-лесни за изолиране от клетката непокътнати.
mRNA структура
Нуклеотидната последователност на информационната РНК включва транслирани региони, в които е кодирана първичната структура на протеина, и неинформативни области, чийто състав се различава при прокариотите и еукариотите.
Кодиращата област започва с иницииращ кодон (AUG) и завършва с един от крайните кодони (UAG, UGA, UAA). В зависимост от вида на клетката (ядрена или прокариотна), информационната РНК може да съдържа един или повече транслационни региони. В първия случай се нарича моноцистронен, а във втория - полицистронен. Последното е характерно само за бактерии и археи.
Характеристики на структурата и функционирането на иРНК в прокариотите
Транскрипционни процеси в прокариотитеи транслациите се извършват едновременно, така че информационната РНК има само първична структура. Точно както при еукариотите, той е представен от линейна последователност от рибонуклеотиди, която съдържа информационни и некодиращи региони.
Повечето иРНК на бактерии и археи са полицистронни (съдържат няколко кодиращи области), което се дължи на особеността на организацията на прокариотния геном, който има оперонна структура. Това означава, че информацията за няколко протеина е кодирана в един ДНК транскриптон, който впоследствие се прехвърля в РНК. Една малка част от информационната РНК е моноцистронна.
Нетранслирани региони на бактериална иРНК са представени с:
- водеща последователност (разположена в края на 5`);
- трейлър (или край) последователност (намира се в края на 3`);
- нетранслирани интерцистронни региони (спейсъри) - разположени между кодиращите региони на полицистронната РНК.
Дължината на интерцистронните последователности може да бъде от 1-2 до 30 нуклеотида.
Еукариотна иРНК
Еукариотната иРНК винаги е моноцистронна и съдържа по-сложен набор от некодиращи региони, които включват:
- cap;
- 5`-непреведена област (5`NTR);
- 3`-непреведена област (3`NTR);
- полиаденил опашка.
Обобщената структура на информационната РНК в еукариотите може да бъде представена катосхеми със следната последователност от елементи: шапка, 5`-UTR, AUG, транслиран регион, стоп кодон, 3`UTR, поли-A-опашка.
При еукариотите процесите на транскрипция и транслация са разделени както във времето, така и в пространството. Информационната РНК придобива капачка и полиаденилна опашка по време на узряването, което се нарича обработка, и след това се транспортира от ядрото до цитоплазмата, където се концентрират рибозомите. Обработката също така изрязва интроните, които се прехвърлят към РНК от еукариотния геном.
Къде се синтезират рибонуклеиновите киселини
Всички видове РНК се синтезират от специални ензими (РНК полимерази) на базата на ДНК. Съответно, локализацията на този процес в прокариотните и еукариотните клетки е различна.
При еукариотите транскрипцията се извършва вътре в ядрото, в което ДНК е концентрирана под формата на хроматин. В същото време първо се синтезира пре-мРНК, която претърпява редица модификации и едва след това се транспортира до цитоплазмата.
При прокариотите мястото, където се синтезират рибонуклеиновите киселини, е областта на цитоплазмата, граничеща с нуклеоида. РНК-синтезиращите ензими взаимодействат с деспирализирани бримки от бактериален хроматин.
Механизъм за транскрипция
Синтезът на информационна РНК се основава на принципа на комплементарност на нуклеиновите киселини и се осъществява от РНК полимерази, които катализират затварянето на фосфодиестерната връзка между рибонуклеозидни трифосфати.
При прокариотите иРНК се синтезира от същия ензим като другите видоверибонуклеотиди, а при еукариоти чрез РНК полимераза II.
Транскрипцията включва 3 етапа: иницииране, удължаване и прекратяване. На първия етап полимеразата се прикрепя към промотора, специализирано място, което предхожда кодиращата последователност. На етапа на удължаване ензимът изгражда РНК веригата чрез добавяне на нуклеотиди към веригата, които взаимодействат комплементарно с шаблонната ДНК верига.
