Kwasy rybonukleinowe
i ich tajemnice

avatar
Magda Kopczyńska 29 Maj, 8 minut czytania

 

Kwasy nukleinowe są kluczowymi cząsteczkami, dzięki którym zachowana jest ciągłość życia na Ziemi. To właśnie dzięki wyewoluowaniu cząsteczek DNA i RNA możliwe jest funkcjonowanie tak złożonych struktur jak komórki. Mogą one nie tylko przeprowadzać wiele skomplikowanych rekacji biochemicznych składających się na metabolizm, ale też dzielić się i przekazywać DNA komórkom potomnym. Cząsteczka DNA jest czymś w rodzaju biologicznej instrukcji, która zawiera w sobie ogrom informacji dotyczących tego, jak budować białka, które są niezbędne do funkcjonowania każdej komórki, tkanki – i w końcu – całego organizmu.

Burzliwa historia

Wśród kwasów nukleinowych cząsteczką, która zaskarbiła sobie najwięcej uwagi wśród uczonych, pozostaje kwas deoksyrybonukleinowy, czyli DNA. Zostało ono odkryte w 1869 roku przez Friedricha Mieschera dzięki badaniom nad białkami wchodzącymi w skład leukocytów (przypis 1). Podczas pracy natknął się na substancję znajdującą się w jądrze komórkowym, która była odporna na działanie enzymów trawiących białka, a na dodatek miała niepodobny do białek skład chemiczny – charakteryzowała się dużą ilością atomów fosforu i brakiem atomów siarki. Miescher zdał sobie sprawę, że odkrył zupełnie nową cząsteczkę, a z racji tego, że odnalazł ją w jądrze nazwał ją „nukleiną” (łac. nucleus, czyli jądro) [1].

Dziesięć lat później Albrecht Kossel zbadał dokładny skład chemiczny niedawno odkrytej cząsteczki, natomiast w 1889 roku termin „nukleina” został zamieniony na „kwas nukleinowy” dzięki Richardowi Altmannowi [2]. W 1909 roku odkryto rybozę, czyli cukier, będący szkieletem RNA, a 20 lat później deoksyrybozę występującą w DNA (stąd też nazwy – RNA, czyli kwas rybonukleinowy i DNA, czyli kwas deoksyrybonukleinowy). Na początku lat 30. XX wieku naukowcy zaczęli pojmować, że RNA i DNA to dwie różne cząsteczki o różnych właściwościach. Całkowicie nieznana była jednak ich budowa przestrzenna [3].

Dopiero w 1951 roku Rosalind Franklin, Maurice Wilkins i Raymond Gosling zrobili jedno z najważniejszych zdjęć w historii nauk biologicznych – obraz rozpraszania promieni X na kryształach DNA (rys. 1). Na seminarium w King’s College tego samego roku Franklin wygłosiła wykład, w którym wskazała możliwość budowy DNA jako helikalnej struktury, złożonej z dwóch lub trzech nici. W 1953 roku struktura kwasu deoksyrybonukleinowego została ostatecznie rozszyfrowana – w czasopiśmie Nature z kwietnia 1953 roku ukazały się aż trzy artykuły na ten temat (pierwszy Watsona i Cricka; drugi Wilkinsa, Stonesa i Wilsonsa; trzeci Franklin i Goslinga). Z całym odkryciem wiąże się niemała ilość kontrowersji, gdyż za głównych odkrywców struktury DNA po dziś dzień uważa się Watsona i Cricka (którzy zresztą byli obecni na wykładzie Rosalind w King’s College). To właśnie oni dostali za to odkrycie Nagrodę Nobla. Każdego zainteresowanego historią Rosalind zachęcam do obejrzenia krótkiego filmiku: https://www.youtube.com/watch?v=BIP0lYrdirI [3].

Rys. 1 Obraz dyfraktometryczny DNA.

Źródło: Franklin R.E., Gosling R.G. Molecular configuration in sodium thymonucleate. „Nature”1953, 171, s. 740-741

DNA i jego niezwykła budowa

Jak więc zbudowana jest ta tajemnicza cząsteczka? Jej trójwymiarową strukturę opisuje się jako podwójną helisę (rys. 2). Pojedynczym elementem budulcowym jest nukleotyd, na który składa się cukier (deoksyryboza), reszta kwasu fosforowego i zasada azotowa. Te dwa pierwsze są odpowiedzialne za utworzenie szkieletu DNA, a ostatni determinuje zapisaną tam informację. W komórkach, ze względu na środowisko wodne panujące w ich wnętrzu, helisa samoczynnie „skręca się” w prawo (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara). Dwie nici tworzące cząsteczkę (tzw. B-DNA) biegną względem siebie równolegle, ale w przeciwnych kierunkach i są w tym kształcie utrzymywane dzięki wiązaniom wodorowym między zasadami azotowymi, jak i oddziaływaniu środowiska [4]. Jednak w niektórych przypadkach DNA może przyjąć lewoskrętną zygzakowatą formę, która znacznie różni się strukturalnie od formy B. Biologiczna rola formy Z-DNA nie jest jednak do końca poznana, ale wykazano, że występuje ona w komórkach mózgu chorych na Alzheimera [5].

Ludzki genom (przypis 2) zbudowany jest z ponad 3 miliardów nukleotydów i według różnych źródeł ma długość aż 2-3 metrów [6, 7]. Jak to możliwe, że tak długa cząsteczka mieści się w mikroskopijnym jądrze komórkowym każdej komórki (przypis 3)? DNA jest bardzo mocno upakowane, wręcz ściśnięte do granic możliwości. Ta zwarta struktura rozwijana jest jedynie wtedy, kiedy komórka się dzieli i potrzebna jest druga kopia cząsteczki, która trafi do komórki potomnej (podczas procesu zwanego replikacją) lub podczas ekspresji genu (ale tylko na obszarze, na którym dany gen się znajduje). DNA nawija się ciasno na białka zwane histonami, a następnie tworzy struktury zwane chromososmami [8].

DNA is a double helix formed by base pairs attached to a sugar-phosphate backbone.

 

 

Rys. 2 Struktura podwójnej helisy DNA. Na niebiesko oznaczono połączone cząsteczki deoksyrybozy i reszty kwasu fosforowego, a kolorowymi prostokątami poszczególne zasady azotowe. Zasady azotowe łączą się ze sobą zawsze w określony sposób A (adenina) łączy się z T (tyminą), a C (cytozyna) z G (guaniną). Jest to możliwe dzięki wytworzeniu się między nimi wiązań wodorowych oraz oddziaływaniu zewnętrznego środowiska wodnego.

Źródło: https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/dna

DNA and histone proteins are packaged into structures called chromosomes.

 

Rys. 3 Schematyczna budowa chromosomu.

Źródło: https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/chromosome

 

Kluczowa rola

Kwasy nukleinowe znajdują się we wszystkich żywych organizmach, od bakterii po bardzo złożone istoty, takie jak człowiek. Nawet wirusy (nie zaliczane do organizmów żywych) potrzebują kwasów nukleinowych, żeby namnażać się w komórkach gospodarza. DNA posiada niesamowitą własność przechowywania informacji – jest nośnikiem wszystkich instrukcji niezbędnych do funkcjonowania komórek. Naukowcy obliczyli, że jeden gram DNA może pomieścić 215 petabajtów (215 milionów gigabajtów) informacji! Teoretycznie taki system mógłby pomieścić całość cyfrowych informacji, która została kiedykolwiek wytworzona przez ludzkość, a wszystko to zmieściłoby się w kontenerze o wielkości kilku pickup’ów. Nie jest to niemożliwe – w 2012 roku genetycy z Uniwersytetu Harvarda zapisali na DNA książkę mającą 52 000 słów [9].

Jednak żeby cokolwiek z zawartych w DNA instrukcji weszło w życie, informacja ta musi zostać „przepisana” na inną cząsteczkę – kwas rybonukleinowy (RNA) [10]. Odcinek DNA zawierający informację o budowie jednego białka to gen. Natomiast proces polegający na szeregu czynności, które mają na celu z odcinka DNA „stworzyć” białko nazywa się ekspresją genu [11].

Przyjrzyjmy się temu procesowi na przykładzie. Wyobraźmy sobie, że komórka potrzebuje określonego białka do funkcjonowania. Żeby zasięgnąć informacji o tym, jak je wyprodukować, musimy wejść do jej jądra. Odpowiedni fragment DNA jest znajdywany przez dedykowane temu enzymy (takie jak polimeraza RNA) i cały proces może się rozpocząć.

Na początku odpowiedni fragment DNA jest „przepisywany” na RNA – ten proces nazywamy transkrypcją. Jest to po prostu kopiowanie zawartej w DNA informacji. Następnie taka cząsteczka jest w odpowiedni sposób modyfikowana i wydostaje się z jądra komórkowego do cytoplazmy (przypis 4) – od tego momentu transkrypcja się kończy, a rozpoczyna translacja, kolejny etap produkcji białka.

Do produkcji białek potrzeba jeszcze specjalnych struktur takich jak rybosomy. Nić mRNA (ang. messenger RNA, czyli informacyjny bądź matrycowy RNA) przyłącza się do rybosomu, który następnie „odczytuje” informację zawartą w mRNA. Rybosomy są też miejscem, do którego przyłączają się kodowane przez mRNA aminokwasy (przypis 5). Rybosom przesuwa się po takiej nici, odczytując informację o kolejnym aminokwasie i łączy je ze sobą w łańcuch polipeptydowy (przypis 6).

Żeby białko mogło pełnić swoją funkcję, musi przejść jeszcze przez szereg modyfikacji. W dedykowanych do tego organellach komórkowych (aparat Golgiego) do białka dołączane są różne grupy funkcyjne, które wpływają na jego właściwości fizyczne i chemiczne, a tym samym na stabilność i aktywność. Jednak to jeszcze nie wszystko – na etapie końcowym białko musi się poprawnie pozwijać, czyli przyjąć odpowiednią konformację. Białka to w dużej mierze enzymy, czyli katalizatory reakcji zachodzących w naszym organiznmie. Żeby móc się przyłączyć do określonego substratu muszą przyjąć odpowiedni kształt, inaczej zwyczajnie nie będą w dane miejsce „pasować” i reakcja nie zajdzie [12]. Jednak nie tylko enzymy muszą przyjąć odpowiednią konformację – dotyczy to absolutnie wszystkich białek. Wystarczy sobie tylko wyobrazić kolagen, który jest białkiem o strukturze włókna – nie będzie on pełnił dobrze swojej funkcji, jeśli będzie miał kształt kulki, prawda?

Cały proces syntezy białek dobrze zobrazuje poniższy film:

https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA

 

Dynamiczne RNA

RNA, czyli kwas rybonukleinowy, jest cząsteczką nie mniej ważną od DNA. Powyżej opisywałam już jego kluczową rolę w procesie transkrypcji. Rodzajów RNA i ich różnorakich funkcji jest tyle, że na pewno napiszemy o tym jeszcze nie jeden artykuł. Warto jednak wspomnieć, że RNA jest m.in. głównym składnikiem rybosomów (rRNA), transportuje aminokwasy do rybosomu podczas procesu translacji (tRNA), czy też jest odpowiedzialne za wyciszenie ekspresji genu (miRNA i siRNA) [13].

Czym się różni od DNA? Podstawową różnicą, która wynika już z nazwy, jest budujący tę cząsteczkę cukier – w przypadku RNA jest to ryboza. Drobna różnica w postaci występowania atomu tlenu (deoksy czyli „pozbawiony tlenu”) ma dość poważne konsekwencje dla charakterystyki całej cząsteczki – RNA jest dużo bardziej rekatywny niż DNA. Przypomnijmy sobie funkcję DNA – jest dość statyczna, zamyka się w przechowywaniu informacji genetycznej w komórce. RNA natomiast dzięki swej reaktywności może łączyć się z innymi cząsteczkami oraz brać udział w wielu dynamicznych procesach, takich jak produkcja białek [14].

 

Rodzaj RNACharakterystyka
mRNA (ang. messenger RNA)Jednoniciowa cząsteczka RNA, która powstaje na matrycy DNA podczas transkrypcji. Nośnik informacji genetycznej o sekwencji aminokwasów w białku (lub sekwencji niekodującej), ulega dalej translacji.
tRNA (ang. transfer RNA)Nieduże cząsteczki RNA, które transportują odpowiednie aminokwasy z cytoplazmy na rybosom, na którym zachodzi proces syntezy białka (translacja).
rRNA (ang. ribosomal RNA)Cząsteczki RNA, które wchodzą w skład rybosomów.
miRNA (ang. micro RNA)Małe cząsteczki RNA (długości około 22 nukleotydów), które mają zdolność łączenia się z mRNA i cięcia w określonym miejscu. W konsekwencji dochodzi do wyciszenia ekspresji genu.
siRNA (ang. small interfering RNA)Małe cząsteczki RNA (około 20-25 nukleotydów) o takiej samej funkcji, jak miRNA. Podstawową różnicą jest fakt, że cząsteczka siRNA jest specyficzna dla określonego genu (cząsteczka miRNA może mieć wiele różnych targetów).
lncRNA (ang. long non-coding RNA)Długie niekodujące cząsteczki RNA (powyżej 200 nukleotydów). Mogą na wiele różnych sposobów wpływać na kontrolę ekspresji genów (w większości przypadków już podczas transkrypcji) poprzez remodelowanie chromatyny, oddziaływanie z czynnikami transkrypcyjnymi lub z cząsteczkami miRNA i siRNA.

Tab. 1 Wybrane rodzaje RNA, występujące w komórkach i ich krótka charakterystyka.

 

| Common secondary and tertiary motifs of RNA and RNA conformational changes in RNP complexes. (A) 2-D representations of common RNA secondary motifs, (B) 2-D representations of common RNA secondary and tertiary structural motifs with 3-D examples of crystal structures. A kissing loop structure from HIV-1 dimerization (PDB: 1K9W; Ennifar et al., 2001). A GAAG tetraloop from SRP RNA (PDB: 2F87; Okada et al., 2006). A telomerase pseudoknot (PDB: 2K96; Kim et al., 2008). A three-way junction 7S RNA (PDB: 1MFQ; Kuglstatter et al., 2002). A kink-turn found from SAM-I riboswitch (PDB: 3IQN; Stoddard et al., 2010) and g quadruplex site from telomeric RNA (PDB: 31BK; Collie et al., 2010). Highlighted bases (red) show characteristic features of these RNA tertiary structures. (C) Possible mechanisms of induced fit (i-iii) and conformational capture (i-ii). The RNA (black) and protein (blue) form a complex by either (i) protein-induced RNA folding, (ii) RNA-induced protein folding, or (iii) mutual folding of the RNA and protein. 

Rys. 4 Przykładowe struktury przestrzenne przyjmowane przez RNA.

Źródło: https://www.researchgate.net/publication/322936039_Structural_Changes_of_RNA_in_Complex_with_Proteins_in_the_SRP

 

Ponadto, kwas rybonukleinowy występuje zazwyczaj w formie pojedynczej nici. Jednak dzięki oddziaływaniom pomiędzy zasadom azotowym też może przyjmować złożone trójwymiarowe struktury, przypominające węzły i pętle (rys. 4). Często ta struktura ma nadrzędne znaczenie dla funkcji, jaką dane RNA ma pełnić, jest np. kluczowa do wyciszania genów przez miRNA i siRNA. Niektóre cząsteczki RNA mają zdolności katalityczne – tak samo jak w przypadku enzymów kluczowa jest ich odpowiednia struktura przestrzenna. Jeżli natomiast mowa o zasadach azotowych – tutaj też znajdziemy pewną różnicę pomiędzy DNA a RNA. W RNA nie występuje tymina (T), zastępuje ją natomiast uracyl (U) [14]. Najważniejsze różnice pomiędzy DNA i RNA przedstawia poniższy rysunek oraz tabela:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Por%C3%B3wnanie_DNA_i_RNA.png

 

 

Rys. 5 Różnica w budowie między RNA i DNA

Źródło: http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/rna2.html ; translated from the en version, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7094398

DNARNA
Strukturapodwójna helisajednoniciowe (formowanie motywów strukturalnych)
Zasasdy azotoweadenina (A), tymina (T), cytozyna (C), guanina (G)adenina (A), uracyl (U), cytozyna (C), guanina (G)
Cukierdeoksyrybozaryboza
Funkcjaprzechowywanie materiału genetycznego komórkisynteza białek, kontrola ekspresji genów
Lokalizacja w komórcejądro komórkowejądro komórkowe, cytoplazma
Stabilnośćtaknie

Pamiętaj o jednym, nie zapominaj o drugim

Kwasy nukleinowe są niezbędne do funkcjonowania każdej żywej komórki. DNA okazało się być „cudowną cząsteczką”, która przechowuje wszystkie informacje potrzebne dla zachowania ciągłości organizmu. Jednak zagłębiając się nieco bardziej w świat genetyki molekularnej okazuje się, że równie ważne dla organizacji życia jest istnienie RNA. Istnieje teoria biogenezy, tzw. hipoteza świata RNA, która zakłada, że to właśnie ta cząsteczka dała początek życiu na Ziemi. Kwas rybonukleinowy jest cząsteczką „aktywną”, deoksyrybonukleinowy natomiast zdecydowanie bardziej „pasywną”. Dlatego od setek milionów lat tak pięknie ze sobą współgrają.

 

 

Przypisy:

  1. Leukocyty, inaczej białe krwinki – elementy wchodzące w skład krwi, mające głównie za cel ochronę organizmu przed patogenami.
  2. Genom to całość DNA danego organizmu.
  3. Tak naprawdę to nie każdej – erytrocyty nie posiadają jąder. Wyrażenie użyte jest dla uproszczenia.
  4. Cytoplazma są to wszystkie składowe w komórce poza jądrem komórkowym i błoną komórkową, która ją otacza. Składa się na nią cytozol, czyli ciecz bądź galaretowata substancja, w której zanurzona jest całość elementów komórki oraz organella komórkowe.
  5. Przyłączanie się aminokwasów do rybosomu jest możliwe dzięki cząsteczkom tRNA niosącym odpowiedni aminokwas. Każda trójka nukleotydów koduje jeden aminokwas, zatem cząsteczka tRNA przyłącza się na zasadzie komplementarności zasad azotowych do mRNA i „pozostawia” tam odpowiedni aminokwas.
  6. Łańcuch polipeptydowy – łańcuch składający się z wielu aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym.

 

Bibliografia:

  1. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00439-007-0433-0
  2. Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert (2002). Biochemistry, 5th edition. New York: W. H. Freeman.
  3. http://www.pan.poznan.pl/nauki/N_209_09_Barciszewski.pdf
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22585/
  5. https://www.researchgate.net/publication/8054822_First_Evidence_to_Show_the_Topological_Change_of_DNA_from_B-DNA_to_Z-DNA_Conformation_in_the_Hippocampus_of_Alzheimer’s_Brain
  6. https://hypertextbook.com/facts/1998/StevenChen.shtml
  7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821/
  8. https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/chromosome
  9. https://www.sciencemag.org/news/2017/03/dna-could-store-all-worlds-data-one-room
  10. https://www.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/central-dogma-transcription/a/nucleic-acids
  11. https://www.nature.com/scitable/topicpage/gene-expression-14121669/
  12. Lodish H, Berk A, Kaiser Chris A., Krieger M, Bretscher A; Molecular Cell Biology / 8 Edition; Chapter 1, 7-9; 2016
  13. https://www.britannica.com/science/RNA
  14. https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Nucleic_Acid/Difference_between_DNA_and_RNA
Podziel się: