RNK (ribonukleinska kislina): struktura, funkcije in pomen

RNK: razumevanje strukture, funkcij in pomena v celicah in virusih. Preberite o vrstah RNK, bazah, ribozi ter ključni vlogi v genetiki in biomedicini.

RNK je kratica za ribonukleinsko kislino, nukleinsko kislino. Poznamo veliko različnih vrst.

RNK se fizično razlikuje od DNK: DNK vsebuje dve med seboj naviti verigi, RNK pa le eno samo verigo. RNK vsebuje tudi drugačne baze kot DNK. Te baze so naslednje:

(A) adenin

(G) gvanin

(C) citozin

(U) Uracil

Adenin se veže z uracilom, gvanin pa s citozinom. Tako pravimo, da je adenin komplementaren uracilu, gvanin pa citozinu. Prve tri baze najdemo tudi v DNK, vendar uracil nadomešča timin kot komplement adeninu.

RNK vsebuje tudi ribozo v nasprotju z deoksiribozo v DNK. Zaradi teh razlik je RNK kemično bolj reaktivna kot DNK. Zato je primernejša molekula za sodelovanje v celičnih reakcijah.

RNK je nosilec genetskih informacij v nekaterih virusih, zlasti v retrovirusih, kot je virus HIV. To je edina izjema od splošnega pravila, da je DNK dedna snov.

Struktura

RNK je običajno enovijačna (enoverižna) molekula, vendar se zaradi medvložnih komplementarnih zaporedij pogosto zvije v sekundarne strukture, kot so zanke (loops), lase (hairpins), staplja (stems) in zapletene terciarne strukture (pseudoknots). Sekundarne strukture so ključne za funkcijo RNA — omogočajo prepoznavanje s proteinimi partnerji, katalizo reakcij in stabilnost molekule.

Vrste in funkcije

• mRNK (messenger RNA) — prenaša genetsko informacijo iz DNK do ribosomov, kjer se informacija prevaja v beljakovine (proizvaja se zaporedje aminokislin).
• tRNK (transfer RNA) — prenaša aminokisline do ribosoma in vsebuje anticodon, ki prepozna kodon na mRNK; značilna je »deteljasta« (cloverleaf) sekundarna struktura.
• rRNK (ribosomal RNA) — gradbeni in funkcionalni del ribosomov; rRNK sodeluje tudi pri katalizi peptidne vezave (peptidil transferaza).
• miRNA in siRNA — kratke regulativne RNA, ki sodelujejo v mehanizmih utišanja genov (RNA interference) in nadzorujejo prevajanje ali stabilnost ciljne mRNK.
• snRNA in snoRNA — sodelujejo pri predelavi (splicingu) pre-mRNK in pri modificiranju rRNK oziroma drugih RNA.
• lncRNA (dolge nekodirajoče RNA) — regulativne funkcije v organizaciji kromatina, uravnavanju transkripcije in signalizaciji.
• Ribozi (ribozimi) — RNA molekule z encimatsko aktivnostjo, sposobne katalizirati kemijske reakcije (npr. samosplicing intronov, RNase P).
• Guide RNA — kratke RNA, ki usmerjajo proteinske komplekse (npr. v CRISPR sistemu) ali partnerje pri modifikacijah RNA/DNK.

Kako nastane RNK (transkripcija in predelava)

RNK nastaja z uporabo DNK kot templata v procesu, imenovanem transkripcija. Encim RNA-polimeraza prebere zaporedje DNK in sintezira pre-mRNK. Pri evkariontih pre-mRNK pogosto potrebuje obsežno predelavo: na 5' konec se doda 7-metilguanozinna kapica (5' cap), na 3' konec poliadenilatni rep (poly-A tail), in introni se odstranjujejo z splicingom. Pri prokariontih je predelava manj obsežna in transkripcija je pogosto sočasna s prevajanjem.

Biokemijske lastnosti in stabilnost

Glavna kemična razlika med ribozo in deoksiribozo je –OH skupina na 2' ogljiku riboze, kar naredi RNK bolj reaktivno in občutljivo na hidrolizo. Zaradi tega RNK običajno ni tako stabilna kot DNK v celicah in je tarča številnih RNaz (encimov, ki razgrajujejo RNA). Po drugi strani pa številne posttranskripcijske modifikacije (npr. metilacije, pseudouridin) in sekundarne strukture povečajo stabilnost in prilagodljivost RNA.

Pomen v biologiji in medicini

RNK ima osrednjo vlogo pri pretvorbi genetske informacije v funkcionalne beljakovine, hkrati pa je pomemben regulator genetskega izražanja. V medicini in biotehnologiji je RNK pridobila velik pomen:

• mRNK cepiva (npr. proti COVID-19) uporabljajo sintetično mRNK za prehodno izražanje antigenskih beljakovin v gostiteljskih celicah, s čimer sprožijo imunski odgovor.
• Terapevtske RNA (antisense oligonukleotidi, siRNA) se uporabljajo za utišanje patogenih genov ali korekcijo napak pri dednih boleznih.
• RNA-seq in druge RNA tehnologije omogočajo analizo izmenjanih transkriptov, kvantifikacijo izražanja genov in odkrivanje nekodirajočih RNA kot biomarkerjev.

RNA v virusih

RNK je nosilec genetskih informacij pri številnih virusih (virusih, vključno z retrovirusih, kot je HIV.). Virusna RNK je lahko enovijačna ali dvovijačna, negativna ali pozitivna sense, pri retrovirusih pa se RNK preko encima reverzne transkriptaze pretvori v DNK, ki se vključi v genom gostiteljske celice — zato so retrovirusi izjema glede splošnega pravila, da je DNK dedna snov.

Zaključek

RNK je vsestranska molekula, bistvena za prenos informacij, prevajanje genetskih zapovedi, regulacijo genov in celo katalizo biokemijskih reakcij. Njena kemična reaktivnost in sposobnost tvorbe zapletenih struktur jo naredita idealno za dinamične vloge v celici ter za številne sodobne biomedicinske aplikacije.

Sinteza beljakovin RNK

Messenger RNA

Glavna naloga RNK je prenašanje informacij o zaporedju aminokislin od genov do mesta, kjer se beljakovine sestavijo na ribosomih v citoplazmi.

Za to je potrebna messenger RNA (mRNA). Posamezna veriga DNK je načrt za mRNA, ki se prepiše iz te verige DNK. Zaporedje baznih parov iz DNK prepiše encim, imenovan polimeraza RNK. Nato se mRNA premakne iz jedra v ribosome v citoplazmi in tvori beljakovine. MRNA prevede zaporedje baznih parov v zaporedje aminokislin, da nastanejo beljakovine. Ta proces se imenuje prevajanje.

DNK iz različnih razlogov ne zapusti jedra. DNK je zelo dolga molekula in je v kromosomih povezana z beljakovinami, imenovanimi histoni. mRNA pa se lahko premika in reagira z različnimi celičnimi encimi. Ko je mRNA prepisana, zapusti jedro in se premakne do ribosomov.

Dve vrsti nekodirajočih RNK pomagata pri izgradnji beljakovin v celici. To sta prenosna RNA (tRNA) in ribosomalna RNA (rRNA).

tRNA

Prenosna RNK (tRNA) je kratka molekula s približno 80 nukleotidi, ki prenaša določeno aminokislino v polipeptidno verigo na ribosomu. Za vsako aminokislino obstaja druga tRNA. Vsaka ima mesto, kamor se aminokislina pritrdi, in antikodon, ki se ujema s kodonom na mRNA. Na primer, kodona UUU ali UUC kodirata aminokislino fenilalanin.

rRNA

Ribosomska RNK (rRNA) je katalitična sestavina ribosomov. Evkariontski ribosomi vsebujejo štiri različne molekule rRNA: 18S, 5,8S, 28S in 5S rRNA. Tri molekule rRNA se sintetizirajo v jedru, ena pa drugje. V citoplazmi se ribosomalna RNK in beljakovina združita v nukleoprotein, imenovan ribosom. Ribosom veže mRNA in izvaja sintezo beljakovin. Na eno mRNA je lahko v vsakem trenutku vezanih več ribosomov. rRNA je izredno veliko in predstavlja 80 % 10 mg/ml RNA, ki jo najdemo v tipični evkariontski citoplazmi.

snRNA

Majhne jedrske RNK (snRNA) se združujejo s proteini in tvorijo spliceosome. Spliceosomi uravnavajo alternativno spajkanje. Geni kodirajo beljakovine v delih, imenovanih eksoni. Ti deli se lahko na različne načine povežejo, da nastanejo različne mRNA. Tako lahko iz enega gena nastanejo številne beljakovine. To je proces alternativnega spajanja. Vse nezaželene različice beljakovine razrežejo proteaze, kemični deli pa se ponovno uporabijo.

Struktura zrele evkariontske mRNA. Popolnoma predelana mRNA vsebuje 5' kapo, 5' UTR, kodirajoče območje, 3' UTR in rep poli(A). UTR = netranslirano območje

Vprašanja in odgovori

V: Kaj pomeni RNA?

V: V čem se RNK fizično razlikuje od DNK?

V: Katere so različne baze v RNK?

V: Kakšen je vzorec vezi med bazami RNK?

V: V čem se RNK kemijsko razlikuje od DNK?

V: Kakšna je vloga RNK v celičnih reakcijah?

V: Kateri virusi uporabljajo RNK kot nosilec genske informacije?

Išči po črki