A ribonukleinsav (RNS) egy polimer makromolekula, amely alapvető fontosságú az életfunkciók működéséhez. Az RNS-t alegységek (nukleotidok) lánca alkotja, ezen alegységek meghatározó részei az adenin, a citozin, a guanin és az uracil bázisok. Sorrendjük határozza meg az RNS működését. Az RNS szabályozza a gének működését, valamint hírvivő RNS-ként a genetikai információt szállítja a DNS és a fehérjék között. Számos vírus genomja is RNS-ből áll. Egyes RNS-molekulák az enzimekhez hasonlóan katalikus aktivitással is rendelkeznek, pl. ilyen rRNS-ek készítik a fehérjéket a riboszómákban; a folyamathoz pedig a transzfer RNS-ek szállítják az aminosavakat.
Az egyik legnépszerűbb hipotézis szerint az élet keletkezésekor az RNS játszotta genetikai információ hordozójának (ami ma a DNS) és a biokémiai reakciókat gyorsító katalizátorok (ezek ma a fehérjealapú enzimek) szerepét is; ez volt az úgynevezett RNS-világ.
Kémiai szerkezete bélyegkép|Bázisok kapcsolódása a kettős szálú RNS-ben Az RNS-polimer: egy hosszú lánc, amelynek alegységei a nukleotidok. A nukleotid egy ötszénatomos cukorból, ribózból áll (ennek szénatomjait 1'-től 5'-ig számozzák), amelynek az 1'-es szénatomjához egy purin- (adenin vagy guanin) vagy egy pirimidinbázis (citozin vagy uracil) kapcsolódik. Ezenkívül a ribóz 3' szénatomjához egy foszfátcsoport kötődik, amely egyúttal összeköti a következő nukleotid ribózának 5' atomjával. A foszfát negatív töltésű, így az egész RNS szintén jelentős negatív töltéssel rendelkezik (polianion). Ezt a töltést pozitív fémionok (általában magnéziumionok) kompenzálják, lehetővé téve a kettős szálak és másodlagos szerkezetek kialakulását.
Két RNS szál (vagy egy visszahajló szál) bázisai hidrogénkötéseket létesíthetnek egymással: citozin a guaninnal, adenin az uracillal. Előfordulnak szokatlan párosítások is, pl. a guanin és az uracil kevésbé stabil („lötyögő”) kötéssel kapcsolódhat; ilyenek lehetnek egy hurok adeninjei, vagy a guanin-adenin párosításokat tartalmazó GNRA típusú négyes hurok (tetraloop).
Az RNS és a DNS közötti különbségek
Az RNS szerkezetileg nagyon hasonlít a DNS-hez (dezoxiribonukleinsav), de három fontos dologban különbözik tőle: Az RNS polimergerince ribóz cukrot tartalmaz, a DNS-é pedig dezoxiribózt (ami egy olyan ribózmolekula, amelynek 2' szénatomjáról hiányzik a hidroxilcsoport). Az RNS ezáltal kevésbé stabil, hidrolízisének aktivációs energiája alacsonyabb. Az RNS uracil bázisa helyett a DNS-ben timin található (a különbség egy plusz metilcsoport a timin esetében). A kettős szálú, igen hosszú DNS-sel szemben az RNS többnyire egyszálú, és lánca jóval rövidebb. Az RNS is képes azonban kettős szálakat alkotni (hibridizálódni) másik RNS-sel (vagy részlegesen önmagával), illetve egyszálú DNS-sel is. A hurokszerűen visszahajolva önmagával hibridizálódó RNS olyan másodlagos szerkezeteket alkot, amelyek feltétlenül szükségesek biológiai funkciójának ellátásához (beleértve az mRNS-t, tRNS-t, rRNS-t, snRNS-t vagy egyéb nemkódoló RNS-eket). Ezek a kettős szálú régiók általában rövidek (a DNS-hez képest), több kisebb hurokból állnak és a fehérjékhez hasonló háromdimenziós felületet hoznak létre. Ebben a formájában az enzimekhez hasonlóan képes lehet kémiai reakciókat katalizálni (ezek az RNS-ek az úgynevezett ribozimek). A fehérjéket összeállító, RNS-ből és fehérjékből álló riboszómák aktív centruma például kizárólag RNS-ből áll.
A ribóz plusz hidroxilcsoportja miatt a kettős szálú RNS általában A-hélixet alkot; bár egyszálú formában ritkán a DNS-re jellemző B-alakot is felveheti. Az A-alak hélixének nagy árka keskeny és igen mély, kis árka pedig sekély és széles. Ezenfelül a 2' szénatomhoz kapcsolódó OH-csoport laza konformáció (egyszálú forma) esetén megtámadhatja a molekulagerinc foszfodiészter kötéseit, elvágva ezzel az RNS láncát.
Másodlagos és harmadlagos szerkezet Az egyszálú RNS biológiai funkciójának ellátásához másodlagos és harmadlagos alakot vesz fel. A másodlagos szerkezetet az egyszálú molekula hajtűszerű hurkos visszahajlásai biztosítják, amelyet az önmagával való hibridizáció (kettős szálú szakaszok) kialakítása rögzít. A hurkok és hajtűk aztán a fehérjékhez hasonlóan harmadlagos térbeli formát alakítanak ki. Kimutatták, hogy a másodlagos szerkezet kialakulásához legalább négyféle bázisnak kell jelen lennie a molekulában.
Az élő szervezetek RNS-e a ribóz két lehetséges enantiomerjéből a változatot tartalmazza. Szintetikusan előállítható -ribózt tartalmazó RNS is, amely ellenálló a ribonukleáz enzimek lebontó hatásával szemben.
Kémiai módosulások
Az RNS négy bázisa és a cukormolekulái a sejtekben utólagosan többféle kémiai módosuláson mehetnek át. Ilyen a pszeudouridin (Ψ), ahol az uracil ás a ribóz közti kötés nem a szén- és nitrogénatom közötti, hanem szén–szén kapcsolódás; vagy a ribotimidin (T), amelyek több helyen előfordulnak, de legismertebb a tRNS TΨC hurka. Egy másik ismert módosulás a hipoxantin, ami egy deaminált adenin, amelynek nukleozidja az inozin (I). Az inozinnak fontos szerepe van a genetikai kód kialakulásának „lötyögő bázispár” elméletében.
A természetben több mint száz kémiailag módosult nukleozid ismert. A legnagyobb szerkezeti változatosság a tRNS-re jellemző, míg a pszeudouridin és a 2’-O-metilribózt tartalmazó egységek a leggyakrabban előforduló nukleozidok. A módosulások pontos szerepe nem minden esetben ismert, de figyelemreméltó, hogy pl. a riboszomális RNS-nél a modifikációk többsége a fontos régiókon belül (pl. a peptidil-transzferáz aktív centrum) vagy az alegységek kapcsolódási pontjain található, vagyis valószínűleg fontos szerepük van.
Az RNS típusai bélyegkép|Transzfer-RNS szerkezete Az RNS legismertebb fajtája a hírvivő RNS (mRNS), amely a DNS-től szállítja az információt a fehérjeszintézist végző riboszómákhoz a citoplazmába. Az mRNS bázissorrendjét (az adenin, guanin, citozin és uracil bázisok egymásutánja) a DNS határozza meg és a riboszómák ezt leolvasva készítik el az annak megfelelő aminosavsorrendű fehérjét. A legtöbb RNS-nek azonban más funkciója van, pl. az eukariótáknál az RNS-ek 97%a- nem kódol fehérjét.).
Ezeknek az úgynevezett nemkódoló RNS-eknek lehet saját génjük, egy részük azonban más gének intronjaiból származik. A nem-kódoló RNS-ek legismertebb képviselői a fehérjeszintézisben részt vevő transzfer RNS (tRNS) és a riboszomális RNS (rRNS). Ezenkívül jelentős szerepet játszanak a gének működésének szabályozásában, más RNS-ek utólagos módosításában stb. Néhányuk képes kémiai reakciókat katalizálni; pl. elvágni vagy összekötni más RNS-eket, vagy peptidkötéssel összekötni az aminosavakat a riboszómában.
Hosszuk alapján kis (sRNS) és hosszú RNS-ekre osztják fel őket. A kettő közötti határt a 200 bázisos hosszúságnál húzzák meg. A hosszú RNS-ek közé az mRNS és az ún. hosszú nemkódoló RNS (lncRNS) tartozik; míg kis RNS a riboszomális RNS, a transzfer RNS, a mikroRNS (miRNS), a kis interferáló RNS (siRNS), a kis nukleoláris RNS (snoRNS), a Piwi-kapcsolódó RNS (piRNS), a tRNS-eredetű kis RNS (tsRNS) és a kis rDNS-eredetű RNS (srRNS). Van néhány kivétel is, pl. a Halococcus ősbaktérium 5S riboszomális rRNS-ének génjében található egy betoldás, emiatt mérete meghaladja a 200 bázist.
A fehérjeszintézis RNS-ei
A fehérjék aminosavsorrendjének információja a kromoszómák DNS-ében tárolódik, míg a fehérjék szintézise a citoplazmában található riboszómákon zajlik. A kettő között a hírvivő RNS (mRNS) létesít kapcsolatot. Az eukarióta sejtekben a DNS-ről átíródik az mRNS prekurzora, amely egy érési folyamaton megy keresztül. Ennek során eltávolítják belőle az intronokat, a felismerést segítő „sapkát” és „farkat” kap, majd a sejtmagból átszállítják a citoplazmába, ahol a riboszómák megkötik és bázissorrendjét a transzfer RNS-ek segítségével a genetikai kódnak megfelelően átfordítják a készülő fehérje aminosavsorrendjére. A baktériumoknak nincs sejtmagjuk, a kromoszómák egy térben vannak a riboszómákkal és az mRNS elejéről már akkor készül a fehérje, amikor a vége még javában átíródik a DNS-ről. Az mRNS nem hosszú életű, általában néhány perc (de maximum néhány nap) elteltével lebontják a ribonukleáz enzimek.
A transzfer RNS (tRNS) viszonylag kicsi, kb. 80 bázis hosszú. Feladata, hogy megkösse a húsz aminosav egyikét, és a rajta (a tRNS-en) található hárombázisos felismerőhellyel az mRNS-hez kapcsolódva odanyújtsa az aminosavat a riboszómának, hogy az odakösse azt a készülő fehérjelánc végéhez. Ennek megfelelően húszfajta tRNS létezik.
A riboszomális RNS (rRNS) a riboszómák egyik alkotóeleme, ez hozza létre az aminosavak közötti peptidkötéseket. Az eukarióták riboszómájában négyfajta rRNS-molekula található: 18S, 5,8S, 28S és 5S rRNS (a szám és az S betű a szétválasztásuk során a szedimentáció mértékét jelzi). Közülük három a sejtmagvacskában (nukleóluszban) íródik át a DNS-ről. A négyfajta RNS a citoplazmában a megfelelő fehérjékkel kapcsolódva hozza létre a riboszóma nukleinsav–fehérje komplexumát. Az mRNS-hez egyszerre több riboszóma is kapcsolódik. Az átlagos eukarióta sejt RNS-tartalmának döntő többsége rRNS.
A baktériumokban található a transzfer-hírvivő RNS (tmRNS), amely a tRNS és mRNS tulajdonságaival is rendelkezik és fehérjekomplexeket alkotva hibaelhárítási funkciót lát el. Ha mutáció vagy átírási hiba miatt egy mRNS végéről hiányzik a stopkodon, akkor nem tud leválni a riboszómáról. Ilyenkor a tmRNS bontja le a riboszómát, a félkész fehérjét és a hibás mRNS-t.
Szabályozó RNS-ek
A génműködés szabályozói közül a fehérjéket fedezték fel először, mind aktivátori, mind gátlói szerepben. Ezek a gén közelében található rövid enhancer DNS-szakaszokhoz kötve fejtették ki hatásukat. Később azonban kiderült, hogy a szabályozásban az RNS-ek is részt vesznek, sőt többfajta mechanimzus által végzik el feladatukat. Ezek közé tartozik az RNS-interferencia, amely az mRNS-eket célozza; a hosszú nemkódoló RNS, amely egész kromoszómaszakaszokat módosít epigenetikusan, vagy a génműködést fokozó enhancer RNS-ek. A baktériumoknak is megvannak a maguk RNS-alapú szabályozó rendszereik, mint pl. a CRISPR vagy a bakteriális kis RNS-ek. 2006-ban a mikro-RNS-ek (miRNS; mRNS-hez specifikusan kötődő rövid molekulák) felfedezéséért ítélték oda a fiziológiai Nobel-díjat."The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 6 Aug 2018. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006
Mikro-RNS (miRNS) és kis intereferáló RNS (siRNS) Számos gén esetében a transzkripció utáni szabályozást az RNS-interferencia végzi. Ekkor a kis miRNS-ek specifikusan hozzákötnek az mRNS bizonyos szakaszaihoz, megakadályozva a róluk történő fehérjeátírást. Az mRNS lebontását vagy blokkolását egy számos fehérjéből és kis RNS-ekből álló komplex végzi.
Hosszú nemkódoló RNS A hosszú nemkódoló RNS-ek (lncRNS) első ismert képviselője a X-kromoszómák inaktivációját végző Xist volt, amely a célterülethez tapadva segíti az úgynevezett polycomb fehérjék kötődését és a kromoszóma kromatinanyagának olyan mértékű tömörítését, hogy a génátírás lehetetlenné válik. Ezt követően más lncRNS-eket is felfedeztek, amelyek az őssejtek pluripotenciáját vagy a sejtosztódást szabályozzák.
Enhancer RNS Az enhancer RNS-ek viszonylag hosszúak (50-2000 bázis) és a DNS úgynevezett enhancer szakaszairól íródnak át, hogy fokozzák egy bizonyos gén működését.
A baktériumok kis RNS-ei Kis RNS