Рибонуклеїнова кислота, РНК — клас нуклеїнових кислот, лінійних полімерів нуклеотидів, до складу яких входять залишок фосфорної кислоти, рибоза (на відміну від ДНК, що містить дезоксирибозу) і азотисті основи — аденін, цитозин, гуанін і урацил (на відміну від ДНК, що замість урацила містить тимін).

Рибонуклеїнова кислота — одна з трьох основних макромолекул (дві інші ДНК та білки), яка грає важливу роль в кодуванні, зчитуванні, регулюванні та вираженні генів. Так само як ДНК, РНК складається з ланцюжка нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру рибози та фосфатної групи. Послідовність нуклеотидів дозволяє РНК кодувати генетичну інформацію. Всі клітинні організми (еукаріоти) використовують РНК (мРНК) для програмування синтезу білків.

Клітинні РНК утворюються під час процесу, який називається транскрипцією, тобто синтезу РНК на матриці ДНК за допомогою спеціальних ферментів — РНК-полімерази. Після цього матричні РНК (мРНК) беруть участь в процесі, який називається трансляцією. Трансляція — це синтез білку на матриці мРНК за участі рибосом. Інші РНК після транскрипції піддаються хімічним модифікаціям, і, після утворення вторинних і третинних структур, виконують функції залежно від типу РНК.

Для одноланцюгових РНК характерні різноманітні просторові структури, в яких частина нуклеотидів одного і того ж ланцюга спарені між собою. Деякі високоструктуровані РНК беруть участь в синтезі білка клітини, наприклад транспортні РНК (тРНК) слугують для розпізнання кодонів і доставки відповідних амінокислот до місця синтезу білка, а рибосомні РНК слугують структурною і каталітичною основою рибосом.

Проте функції РНК в клітинах не обмежуються роллю в трансляції. Так, малі ядерні РНК беруть участь в сплайсингу еукаріотичних матричних РНК та інших процесах.

Окрім того, що молекули РНК входять до складу деяких ферментів (наприклад теломерази), в окремих РНК виявлена власна ферментативна активність: можливість вносити розриви в інші молекули РНК або, навпаки, «склеювати» два РНК фрагменти. Такі РНК називаються рибозимами.

РНК синтезуються в клітинах всіх клітинних живих організмів, а також містяться в віроїдах та деяких вірусах. Основні функції РНК в клітинних організмах залежать від типу РНК. Кодуючі РНК є матрицею для трансляції генетичної інформації в білки, некодуючі РНК виконують додаткові функції, такі як транспорт амінокислот до рибосом, регуляція експресії генів тощо. У вірусах РНК може бути носієм генетичної інформації, замість ДНК. Віроїди складаються з кільцевої молекули РНК та не містять в собі інших молекул.

Існує гіпотеза світу РНК, згідно з якою РНК виникли до білків й були першими формами життя.

Хімічна будова Рибонуклеїнові кислоти як і інші нуклеїнові кислоти складаються з нуклеотидів — складних хімічних сполук, що утворені з моносахариду, азотистої основи пурину чи піримідину, залишків фосфорної кислоти. Моносахаридом в усіх РНК є рибоза — п'ятивуглецева молекула. До її першого (1') атому вуглецю за допомогою фосфодіефірного зв'язку приєднано азотисту основу, рибоза з такою основою утворює рибонуклеозид.

Основними нуклеозидами в природних біологічних полімерних РНК є аденозин, гуанозин, цитидин, а також уридин (на відміну від ДНК, де замість останнього присутній тимідин). Серед інших, мінорних РНК описано понад 100 інших нуклеозидів, серед яких найбільше поширені інозин, псевдоуридин, 5-метилцитидин тощо. Також трапляються РНК з модифікацією рибози, зокрема 2'-О-метилрибоза.

У клітинах поширені мономери рибонуклеїнової кислоти — рибонуклеотиди. Вони використовуються для синтезу полімерних РНК. Також аденінвмісні нуклеотиди АТФ і АДФ беруть участь у метаболізмі клітини, циклічний АМФ і гуанінвмісні ГТФ, ГДФ та цГМФ є сигнальними молекулами. Значно більше в клітинах полімерних РНК. Ці молекули утворюються шляхом з'єднання 5' і 3' OH-груп через молекулу фосфорної кислоти. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно заряджені, тому РНК — поліаніони, негативно заряджені полімери.

Полімерні молекули РНК переважно одноланцюгові, але в клітинах трапляються й дволанцюгові РНК: як вірусного походження, так і внутрішньоклітинного (мікроРНК, піРНК тощо).

Структура та топологія

Азотисті основи у складі РНК можуть утворювати водневі зв'язки між цитозином і гуаніном, аденіном і урацилом, а також між гуаніном і урацилом. Однак можливі й інші взаємодії, наприклад, кілька аденінів можуть утворювати петлю, або петля, що складається з чотирьох нуклеотидів, в якій є пара основ аденін — гуанін.

Важлива структурна особливість РНК, що відрізняє її від ДНК — наявність гідроксильної групи в 2' положенні рибози, яка дозволяє молекулі РНК існувати в А, а не В-конформації, що найчастіше спостерігається у ДНК. У А-форми глибока і вузька велика борозенка і неглибока і широка мала борозенка. Другий наслідок наявності 2' гідроксильної групи полягає в тому, що конформаційної пластичні, тобто не беруть участь в утворенні подвійної спіралі, ділянки молекули РНК можуть хімічно атакувати інші фосфатні зв'язки та їх розщеплювати.

«Робоча» форма одноланцюжкові молекули РНК, як і у білків, часто має третинну структурою. Третинна структура утворюється на основі елементів вторинної структури, що утворюється за допомогою водневих зв'язків усередині однієї молекули. Розрізняють декілька типів елементів вторинної структури — стебло-петлі, петлі і псевдовузли. У силу великої кількості можливих варіантів спарювання азотистих основ передбачення вторинної структури РНК — набагато складніше завдання, ніж передбачення вторинної структури білків, але в наш час є ефективні програми, наприклад, mfold.

Прикладом залежності функцій молекул РНК від їх вторинної структури є (). IRES — структура на 5' кінці інформаційної РНК, яка забезпечує приєднання рибосоми в обхід звичайного механізму ініціації синтезу білка, що вимагає наявності особливого модифікованого нуклеотида (кепа) на 5' кінці молекули та додаткових білкових факторів ініціації. Спочатку IRES були виявлені у вірусних РНК, але зараз накопичується все більше даних про те, що клітинні мРНК також використовують IRES-залежний механізм ініціації в умовах стресу.

Порівняння з ДНК

Між ДНК і РНК існують три основні відмінності: ДНК містить цукор дезоксирибозу, РНК — рибозу, у якої є додаткова, порівняно з дезоксирибозою, гідроксильна група. Ця група збільшує ймовірність гідролізу молекули, тобто зменшує стабільність молекули РНК.

Азотиста основа, компліментарна аденіну, у РНК не тимін, як у ДНК, а урацил — неметильована форма тиміну. ДНК існує у формі подвійної спіралі, що складається з двох окремих молекул. Молекули РНК, в середньому, набагато коротше і переважно одноланцюжкові.

Структурний аналіз біологічно активних молекул РНК, включаючи тРНК, рРНК, мяРНК та інші молекули, які не кодують білків, показав, що вони складаються не з однієї довгої спіралі, а з численних коротких спіралей, розташованих близько одна до одної і утворюють щось, схоже на третинну структуру білка. У результаті цього РНК може каталізувати хімічні реакції, наприклад, пептид-трансферазний центр рибосоми, що бере участь в утворенні пептидного зв'язку білків, повністю складається з РНК.

Взаємодія з білками

Більшість молекул РНК, наприклад, рРНК і мяРНК (малі ядерні РНК) в клітині функціонують у вигляді комплексів з білками.

Деякі РНК асоціюють з молекулами РНК після їх синтезу або (в еукаріотів) експорту з ядра в цитоплазму. Такі РНК-білкові комплекси називаються рибонуклеопротеїновими комплексами або рибонуклеопротеїдами. Серед найважливіших рибонуклеопротеїдів — рибосоми та сплайсосоми. Рибонуклеопротеїновий комплекс являє собою й теломераза тварин.

Чимало білків, які не пов'язані з РНК постійно, тим не менш мають РНК-зв'язувальні домени.

У функціонуванні РНК задіяні численні ферменти. Серед них РНК-полімерази, РНК-гелікази, нуклеази, лігази тощо. Окрема група ферментів редагування РНК модифікує окремі нуклеотиди, змінюючи генетичну інформацію. У тварин це аденозиндезамінази РНК, а в хребетних ще й цитидиндезамінази РНК. У рослин наявні спеціальні PPAR-білки.

Біологічні властивості Синтез полімерної РНК здійснюється на матриці ДНК в ході транскрипції. Далі первинний транскрипт проходить модифікації: видаляються одні фрагменти (сплайсинг), додаються інші (наприклад, поліаденилювання), замінюються нуклеотиди (редагування РНК) тощо. Ці процеси називають процесингом РНК. Дозріла РНК далі транспортується до місця її функціонування. Особливо розвинений транспорт РНК у клітинах евкаріот. Існує як транспорт РНК з ядра до цитоплазми, так і транспорт по цитоплазмі великих клітин (наприклад, нейронів).

Усі молекули РНК мають певний час життя, а потім руйнуються механізмами деградації РНК, насамперед РНК-азами.

Процесинг

Чимало молекул РНК після синтезу на матриці ДНК підлягають змінам, які призводять до дозрівання новосинтезованої молекули до її функціонально активної форми. Ці процеси модифікації називають «процесингом», «котранскрипційною чи посттранскрипційною модифікацією».

Яскравим прикладом процесингу є дозрівання пре-мРНК до зрілої мРНК, з якої в цитоплазмі відбувається зчитування інформації про амінокислотну послідовність білків (трансляція). Інтрони вирізують з про-мРНК сплайсосомою, яка крім білків містить декілька малих ядерних РНК (мяРНК). Крім того, інтрони можуть каталізувати власне вирізання (аутосплайсинг). Утім, процесингу зазнають не лише мРНК, а й багато видів некодуючих РНК, транспортна РНК та рибосомна РНК.

У підручниках часто пишуть, що дозрівання пре-мРНК відбувається після її зчитування з ДНК матриці. Таке явище відповідає лабораторним умовам (in vitro), коли стадії процесингу мРНК вивчають поступово, незалежно одна від одної. Але за умов in vivo, у живих клітинах, процесинг мРНК відбувається безпосередньо під час транскрипції в складі РНК-полімеразного комплексу. Тому коректним терміном для мРНК дозрівання є котранскрипційна модифікація. Проте не всі види РНК зазнають процесингу під час синтезу. Так, молекули тРНК дріжджів Saccharomyces cerevisiae дозрівають (зазнають сплайсингу) у цитоплазмі з подальшим експортом у ядро і поверненням до цитоплазми, тому в такому випадку коректним є термін «посттранскрипційна модифікація». Але у фаховій літературі частіше використовують термін «процесинг тРНК».

Біологічні функції та типи РНК У сучасних клітинах РНК виконує функції, пов'язані з експресією генів та синтезом білків. Значна частина РНК задіяні в біосинтезі білків: транскрипції і трансляції генетичної інформації. Інші РНК регулюють ці процеси. Також молекули РНК беруть участь у процесах синтезу ДНК, зокрема при ініціації реплікації ДНК, подовженні теломерів, реакціях зворотної транскрипції.

Біосинтез білків

У біосинтезі білків задіяні матричні, рибосомні, транспортні РНК. Матричні РНК були дослідженні першими, тому їхня роль у кодуванні генетичної послідовності амінокислот у білку протиставлена всім іншим різноманітним РНК, які отримали назву «некодуючих РНК».

Матричні РНК

Матрична рибонуклеїнова кислота, або мРНК відповідає за перенесення інформації про первинну структуру білків від ДНК до місць синтезу білків. мРНК синтезується на основі ДНК в ході транскрипції, після чого, у свою чергу, використовується під час трансляції як матриця для синтезу білків. Тим самим мРНК грає важливу роль в «прояві» (експресії) генів.

Довжина типової зрілої мРНК становить від кількох сотень до кількох тисяч нуклеотидів. Найдовші мРНК відмічені у (+) ол-РНК-вмісних вірусів, наприклад пікорнавірусів, проте слід пам'ятати, що у цих вірусів мРНК утворює весь їхній геном.

ДНК нерідко порівнюють з кресленнями для виготовлення білків. Розвиваючи цю інженерно-виробничу аналогію, можна сказати, що, якщо ДНК — це повний набір креслень для виготовлення білків, що знаходиться на зберіганні в сейфі директора заводу, то мРНК — тимчасова робоча копія креслення, що видається в складальний цех.

Транспортні РНК