10.3: מבנה ותפקוד ה- RNA

Last updated

Oct 31, 2023
Page ID
209303
Save as PDF
- 10.2: מבנה ותפקוד ה- DNA
- 10.4: המבנה והתפקוד של הגנום הסלולרי

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

מטרות למידה

תאר את המבנה הביוכימי של ריבונוקלאוטידים
תאר את הדמיון וההבדלים בין RNA ל- DNA
תאר את הפונקציות של שלושת הסוגים העיקריים של RNA המשמשים בסינתזת חלבון
הסבר כיצד RNA יכול לשמש מידע תורשתי

מבחינה מבנית, חומצה ריבונוקלאית (RNA), דומה למדי ל- DNA. עם זאת, בעוד שמולקולות DNA הן בדרך כלל ארוכות וכפולות, מולקולות RNA קצרות בהרבה והן בדרך כלל חד-גדיליות. מולקולות RNA ממלאות מגוון תפקידים בתא אך מעורבות בעיקר בתהליך סינתזת החלבון (תרגום) ווויסותו.

מבנה RNA

RNA הוא בדרך כלל חד גדילי והוא עשוי מריבונוקלאוטידים המקושרים על ידי קשרי פוספודיסטר. ריבונוקלאוטיד בשרשרת ה- RNA מכיל ריבוז (סוכר הפנטוז), אחד מארבעת הבסיסים החנקניים (A, U, G ו- C) וקבוצת פוספט. ההבדל המבני העדין בין הסוכרים מעניק ל-DNA יציבות נוספת, מה שהופך את ה-DNA למתאים יותר לאחסון מידע גנטי, בעוד שחוסר היציבות היחסי של RNA הופך אותו למתאים יותר לתפקודיו קצרי הטווח יותר.

א) דיאגרמות של ריבוז (ב- RNA) ודאוקסיריבוז (ב- DNA). לשניהם צורת מחומש עם חמצן בנקודה העליונה של המחומש. לשניהם יש OH בפחמן 1 ו -3 ו- CH2OH בפחמן 4 (הפחמן האחרון הזה הוא פחמן 5). ההבדל הוא שלריבוז יש OH בפחמן 2 ולדאוקסיריבוז יש H בפחמן 2. ב) דיאגרמות של תימין (T ב-DNA) ואורציל (U ב-RNA). לשניהם טבעת משושה אחת המכילה פחמנים וחנקנים. לשניהם יש O כפול בפחמן העליון, והפחמן השמאלי התחתון. ההבדל הוא שלפחמן הימני העליון יש H באורציל ו- CH3 בתימין. — איור $\PageIndex{1}$ : (א) ריבונוקלאוטידים מכילים את ריבוז סוכר הפנטוז במקום הדאוקסיריבוז המצוי בדאוקסיריבונוקלאוטידים. (ב) RNA מכיל את הפירימידין אורציל במקום תימין המצוי ב- DNA.

אורציל הפירימידין הספציפי ל- RNA יוצר זוג בסיסים משלים עם אדנין ומשמש במקום התימין המשמש ב- DNA. למרות ש-RNA הוא חד גדילי, רוב סוגי מולקולות ה-RNA מראים זיווג בסיסים תוך-מולקולרי נרחב בין רצפים משלימים בתוך גדיל ה-RNA, ויוצרים מבנה תלת מימדי צפוי החיוני לתפקודם (איור $\PageIndex{1}$ ואיור $\PageIndex{2}$ ).

א) תרשים של DNA ו- RNA. ל- DNA יש צורת סליל כפול עם סליל הסוכר-פוספטים מבחוץ וזוגות הבסיס מבפנים. ל- RNA סליל יחיד של סוכר-פוספטים עם בסיסים חנקניים לאורך הסליל. ב) תרשים המציג RNA מתקפל על עצמו. הבסיסים המחוברים לעמוד השדרה של סוכר-פוספט יכולים ליצור קשרי מימן אם יש קטעים של בסיסים משלימים במרחק מה זה מזה על הגדיל הארוך. באזורים אחרים אין קשרי מימן אלה. — איור $\PageIndex{2}$ : (א) DNA הוא בדרך כלל כפול גדילי, ואילו RNA הוא בדרך כלל חד גדילי. (ב) למרות שהוא חד גדילי, RNA יכול להתקפל על עצמו, כאשר הקפלים מיוצבים על ידי אזורים קצרים של זיווג בסיסים משלים בתוך המולקולה ויוצרים מבנה תלת מימדי.

תרגיל $\PageIndex{1}$

במה שונה מבנה ה- RNA ממבנה ה- DNA?

פונקציות של RNA בסינתזת חלבונים

תאים ניגשים למידע המאוחסן ב- DNA על ידי יצירת RNA כדי לכוון את סינתזת החלבונים בתהליך התרגום. לחלבונים בתוך תא יש תפקידים רבים, כולל בניית מבנים תאיים ומשמשים כזרזי אנזים לתגובות כימיות תאיות המעניקות לתאים את המאפיינים הספציפיים שלהם. שלושת הסוגים העיקריים של RNA המעורבים ישירות בסינתזת חלבון הם RNA שליח (mRNA), RNA ריבוזומלי (rRNA) והעברת RNA (tRNA).

בשנת 1961 שיערו המדענים הצרפתים פרנסואה ג'ייקוב וז'אק מונוד את קיומו של מתווך בין DNA למוצרי החלבון שלו, אותם כינו RNA שליח. ¹ עדויות התומכות בהשערתם נאספו זמן קצר לאחר מכן המראות כי מידע מ- DNA מועבר לריבוזום לצורך סינתזת חלבון באמצעות mRNA. אם ה-DNA משמש כספרייה המלאה של מידע סלולרי, mRNA משמש כצילום של מידע ספציפי הדרוש בנקודת זמן מסוימת המשמשת כהוראות לייצור חלבון.

ה- mRNA נושא את המסר מה- DNA, השולט בכל הפעילויות התאיות בתא. אם תא דורש סינתזה של חלבון מסוים, הגן למוצר זה "מופעל" וה- mRNA מסונתז בתהליך השעתוק (ראה שעתוק RNA). לאחר מכן, ה-mRNA מקיים אינטראקציה עם ריבוזומים ומכונות סלולריות אחרות (איור $\PageIndex{3}$ ) כדי לכוון את הסינתזה של החלבון שהוא מקודד במהלך תהליך התרגום (ראה סינתזת חלבונים). mRNA יחסית לא יציב וקצר מועד בתא, במיוחד בתאים פרוקריוטים, ומבטיח שחלבונים מיוצרים רק בעת הצורך.

תרשים המציג mRNA כגדיל ארוך עם קבוצות של 3 אותיות מקובצות; השמאלי של ה- mRNA מסומן 3-prime, הימני מסומן 5-prime. יחידת משנה קטנה ריבוזום עם תווית אליפסה יושבת מתחת ל-mRNA ומשתרעת על פני 3 מקבוצות 3 האותיות. כיפה גדולה יותר (שכותרתה יחידת משנה גדולה של ריבוזום) יושבת על גבי ה-mRNA באותו אזור זה. ליחידת המשנה הגדולה יש 3 פערים שבהם יושבים מלבנים המסומנים tRNA. מלבנים אלה יושבים כל אחד על קבוצה של 3 אותיות על ה- mRNA בקצה אחד ומכילים חומצת אמינו בקצה השני. ל- tRNA משמאל יש חומצת אמינו אחת. ל- tRNA באמצע יש שרשרת פפטיד הולכת וגדלה של חומצות אמינו רבות. ה- tRNA מימין ללא חומצות אמינו ועוזב את הריבוזום. — איור $\PageIndex{3}$ : המחשה כללית של אופן השימוש ב- mRNA ו- tRNA בסינתזת חלבון בתוך תא.

rRNA ו- tRNA הם סוגים יציבים של RNA. בפרוקריוטים ובאוקריוטים, tRNA ו-rRNA מקודדים ב-DNA, ואז מועתקים למולקולות RNA ארוכות שנחתכות כדי לשחרר שברים קטנים יותר המכילים את מיני ה-RNA הבוגרים הבודדים. באאוקריוטים, סינתזה, חיתוך והרכבה של rRNA לריבוזומים מתרחשת באזור הגרעין של הגרעין, אך פעילויות אלו מתרחשות בציטופלזמה של פרוקריוטים. אף אחד מסוגי ה- RNA הללו אינו נושא הוראות לכוון את הסינתזה של פוליפפטיד, אך הם ממלאים תפקידים חשובים אחרים בסינתזת החלבון.

ריבוזומים מורכבים מ- rRNA וחלבון. כפי ששמו מרמז, rRNA הוא מרכיב עיקרי בריבוזומים, המרכיב עד כ -60% מהריבוזום במסה ומספק את המיקום שבו נקשר ה- mRNA. ה- rRNA מבטיח יישור נכון של ה- mRNA, tRNA והריבוזומים; ל- rRNA של הריבוזום יש גם פעילות אנזימטית (פפטידיל טרנספראז) ומזרז את היווצרות קשרי הפפטיד בין שתי חומצות אמינו מיושרות במהלך סינתזת החלבון. למרות שכבר מזמן חשבו ש- rRNA משרת תפקיד מבני בעיקר, תפקידו הקטליטי בתוך הריבוזום הוכח בשנת 2000. ² מדענים במעבדותיהם של תומאס שטייץ (1940—) ופיטר מור (1939—) באוניברסיטת ייל הצליחו לגבש את מבנה הריבוזום מ Haloarcula marismortui, ארכיאון הלופילי מבודד מים המלח. בגלל חשיבותה של עבודה זו, שיתף שטייץ את פרס נובל לכימיה לשנת 2009 עם מדענים אחרים שתרמו תרומה משמעותית להבנת מבנה הריבוזום.

RNA העברה הוא הסוג העיקרי השלישי של RNA ואחד הקטנים ביותר, בדרך כלל רק 70-90 נוקלאוטידים. הוא נושא את חומצת האמינו הנכונה לאתר סינתזת החלבון בריבוזום. זיווג הבסיס בין ה-tRNA ל-mRNA הוא שמאפשר להכניס את חומצת האמינו הנכונה לשרשרת הפוליפפטיד המסונתזת (איור $\PageIndex{4}$ ). כל מוטציה ב- tRNA או ב- rRNA עלולה לגרום לבעיות גלובליות עבור התא מכיוון ששניהם נחוצים לסינתזת חלבון נכונה (טבלה $\PageIndex{1}$ ).

תרשים של ה- tRNA הדו-ממדי שהוא גדיל ארוך יחיד של RNA המקופל לצורת פלוס עם לולאות בצדדים ובתחתית. האזורים שבהם ה-tRNA מקופל כך שיש 2 חלקים של הגדיל היוצרים את החלקים הליניאריים של הפלוס מוחזקים יחד על ידי קשרי מימן המסומנים זיווג תוך-מולקולרי. הלולאה בתחתית כוללת קבוצה של 3 אותיות המשלימים ל-3 אותיות על ה-mRNA. לחלק העליון של הפלוס יש קצה חד גדילי בקצה 3 הפריים; זה מחובר לחומצת אמינו. ב) המבנה התלת-ממדי נראה כמו גדיל בודד המקופל למבנה כפול תקוע עם עיקול באמצע. — איור $\PageIndex{4}$ : מולקולת tRNA היא מולקולה חד-גדילית המציגה זיווג בסיסים תוך תאי משמעותי, המעניקה לה את צורתה התלת מימדית האופיינית.

טבלה $\PageIndex{1}$ : מבנה ותפקוד של RNA
	mRNA	rRNA	tRNA
מבנה	RNACOR קצר, לא יציב, חד גדילי המגיב לגן המקודד בתוך ה- DNA	מולקולות RNA ארוכות ויציבות המרכיבות 60% ממסת הריבוזום	קצר (70-90 נוקלאוטידים), RNA יציב עם זיווג בסיס תוך-מולקולרי נרחב; מכיל אתר מחייב חומצות אמינו ואתר מחייב mRNA
פונקציה	משמש כמתווך בין DNA לחלבון; משמש את הריבוזום לסינתזה ישירה של חלבון שהוא מקודד	מבטיח יישור נכון של mRNA, tRNA וריבוזום במהלך סינתזת החלבון; מזרז יצירת קשר פפטיד בין חומצות אמינו	נושא את חומצת האמינו הנכונה לאתר סינתזת החלבון בריבוזום

תרגיל $\PageIndex{1}$

מהם הפונקציות של שלושת הסוגים העיקריים של מולקולות RNA המעורבות בסינתזת חלבון?

RNA כמידע תורשתי

למרות ש-RNA אינו משמש כמידע התורשתי ברוב התאים, RNA אכן מחזיק בפונקציה זו עבור וירוסים רבים שאינם מכילים DNA. לפיכך, ל- RNA יש בבירור את היכולת הנוספת לשמש מידע גנטי. למרות ש-RNA הוא בדרך כלל חד גדילי בתוך תאים, יש גיוון משמעותי בנגיפים. קרנפים, הגורמים להצטננות; נגיפי שפעת; ונגיף האבולה הם נגיפי RNA חד-גדילי. Rotaviruses, הגורמים לגסטרואנטריטיס חמורה אצל ילדים ואנשים מדוכאי חיסון אחרים, הם דוגמאות לנגיפי RNA דו-גדיליים. מכיוון ש-RNA דו-גדילי אינו נדיר בתאים אוקריוטיים, נוכחותו משמשת אינדיקטור לזיהום ויראלי. ההשלכות על וירוס בעל גנום RNA במקום גנום DNA נדונות ביתר פירוט בווירוסים.

מושגי מפתח וסיכום

חומצה ריבונוקלאית (RNA) היא בדרך כלל חד-גדילית ומכילה ריבוז כסוכר הפנטוז שלה והפירמידין אורציל במקום תימין. גדיל RNA יכול לעבור זיווג בסיס תוך-מולקולרי משמעותי כדי לקבל מבנה תלת מימדי.
ישנם שלושה סוגים עיקריים של RNA, כולם מעורבים בסינתזת חלבון.
Messenger RNA (mRNA) משמש כמתווך בין DNA לסינתזה של מוצרי חלבון במהלך התרגום.
RNA ריבוזומלי (rRNA) הוא סוג של RNA יציב המהווה מרכיב עיקרי בריבוזומים. זה מבטיח יישור נכון של ה-mRNA והריבוזומים במהלך סינתזת החלבון ומזרז את היווצרות קשרי הפפטיד בין שתי חומצות אמינו מיושרות במהלך סינתזת החלבון.
העברת RNA (tRNA) הוא סוג קטן של RNA יציב הנושא חומצת אמינו לאתר המקביל של סינתזת החלבון בריבוזום. זיווג הבסיס בין ה- tRNA ל- mRNA הוא המאפשר להכניס את חומצת האמינו הנכונה לשרשרת הפוליפפטיד המסונתזת.
למרות ש-RNA אינו משמש למידע גנטי ארוך טווח בתאים, וירוסים רבים אכן משתמשים ב-RNA כחומר הגנטי שלהם.

הערות שוליים

1 א 'ריץ. "עידן התעוררות ה- RNA: ביולוגיה מבנית של RNA בשנים הראשונות." סקירות רבעוניות של ביופיזיקה 42 מס '2 (2009) :117—137.
2 פ ניסן ואח '. "הבסיס המבני של פעילות ריבוזום בסינתזת קשר פפטיד." מדע 289 מס '5481 (2000) :920—930.