Структура РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой полимер нуклеотидов, каждый из которых состоит из трёх компонентов: азотистого основания, рибозы и фосфатной группы. В отличие от ДНК, сахар в нуклеотиде РНК — рибоза, содержащая гидроксильную группу на 2’-углероде, что придаёт молекуле более гибкую конформацию и повышенную химическую реакционную способность.

Азотистые основания

РНК содержит четыре основных азотистых основания:

• Пурины: аденин (A) и гуанин (G)
• Пиримидины: цитозин (C) и урацил (U)

Урацил заменяет тимин, присутствующий в ДНК. Азотистые основания участвуют в формировании водородных связей при внутримолекулярном и межмолекулярном спаривании, определяя специфические структурные мотивы.

Фосфодиэфирная связь

Нуклеотиды соединены между собой через фосфодиэфирные мостики, образующиеся между 5’-фосфатной группой одного нуклеотида и 3’-гидроксилом рибозы соседнего. Эти связи формируют полинуклеотидный каркас, придающий молекуле полярность с направлением от 5’ к 3’.

Первичная структура

Первичная структура РНК — линейная последовательность нуклеотидов, определяющая её кодирующие и функциональные свойства. Последовательность азотистых оснований хранит генетическую информацию и служит матрицей для синтеза белков.

Вторичная структура

Вторичная структура образуется за счёт водородных связей между комплементарными основаниями. Основные элементы:

• Спиральные участки: формируются участками с внутренней комплементарностью, создавая спиральные структуры.
• Петли и шпильки: некомплементарные участки образуют петли, которые часто служат функциональными мотивами для связывания белков и других молекул.
• Внутренние и внешние шпильки: ключевые элементы в рибозимах и транспортной РНК (тРНК), обеспечивают стабильность и правильное расположение функциональных групп.

Третичная структура

Третичная структура РНК формируется в результате внутримолекулярного сворачивания вторичных структур и стабилизируется:

• Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями между основаниями
• Ионными взаимодействиями с катионами (Mg²⁺, K⁺)
• Координацией с белками в рибонуклеопротеиновых комплексах

Третичная структура обеспечивает специфичность каталитической активности рибозимов и правильное распознавание молекул в процессе трансляции и регуляции экспрессии генов.

Функциональные элементы РНК

Различные типы РНК характеризуются уникальными структурными особенностями:

• мРНК (матричная РНК): преимущественно линейная, с участками петлевой структуры на 5’- и 3’-концах, обеспечивающими регуляцию транскрипции и трансляции.
• тРНК (транспортная РНК): характерна Cloverleaf-конфигурация вторичной структуры с тремя петлями; антикодоновая петля распознаёт кодоны мРНК, а 3’-конец служит сайтом присоединения аминокислот.
• рРНК (рибосомальная РНК): образует сложные третичные структуры, участвующие в формировании рибосомы и каталитическом центре пептидилтрансферазы.
• Рибозимы: каталитические РНК, формируют активные сайты для химических реакций без участия белков, демонстрируя способность к самосплайсингу и расщеплению фосфодиэфирных связей.
• Стабилизирующие и регуляторные малые РНК: структурные элементы, обеспечивающие взаимодействие с белками, РНК или ДНК для контроля экспрессии генов.

Химическая реактивность и стабильность

Гидроксильная группа на 2’-углероде рибозы делает РНК более подверженной гидролизу, особенно в щелочной среде, где возможна саморасщепляющаяся реакция через нуклеофильное нападение 2’-гидроксила на фосфодиэфирную связь. Тем не менее, специфические третичные структуры и связывание с белками обеспечивают высокую устойчивость функциональных РНК в клетке.

Взаимодействие с другими молекулами

РНК активно взаимодействует с белками, ДНК и другими РНК, формируя рибонуклеопротеиновые комплексы, регулирующие:

• Процессы транскрипции и трансляции
• Сплайсинг и модификацию РНК
• Каталитические и регуляторные функции внутри клетки

Эти взаимодействия зависят от точной пространственной организации азотистых оснований, гибкости полинуклеотидного скелета и специфической химической среды, создаваемой катионами и кофакторами.