Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты в клетке: ответы на вопросы

Рибонуклеиновые кислоты, или РНК - ключевые молекулы, от работы которых зависит функционирование любой живой клетки. Но где конкретно происходит их синтез в клетке? Давайте разберемся!

Строение и функции РНК

РНК представляет собой линейную цепочку нуклеотидов, каждый из которых состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. В отличие от ДНК, в составе РНК вместо тимина содержится урацил, а также присутствует дополнительный атом кислорода в 2’-положении рибозы. Эти особенности придают РНК бóльшую химическую активность и способность образовывать сложные пространственные структуры.

РНК выполняют в клетке различные функции, в соответствии с чем выделяют несколько типов РНК:

• мРНК - матричная РНК, кодирующая информацию о структуре белков;
• рРНК - рибосомальная РНК, входит в состав рибосом;
• тРНК - транспортная РНК, доставляющая аминокислоты к месту синтеза белка;
• регуляторные РНК - микроРНК, мяРНК и другие, контролирующие экспрессию генов.

Где происходит синтез РНК в клетке

Синтез РНК называется транскрипцией. Этот процесс катализируется ферментом РНК-полимеразой, которая "считывает" последовательность ДНК и синтезирует комплементарную цепь РНК. У эукариот существуют несколько типов РНК-полимераз, отвечающих за синтез разных видов РНК.

Синтез различных РНК может происходить как в ядре, так и в цитоплазме:

• Ядро - синтезируются мРНК, рРНК, малые ядрышковые и ядерные РНК.
• Цитоплазма - синтез тРНК и некоторых регуляторных РНК.

Кроме РНК-полимераз, в транскрипции участвует множество белковых факторов транскрипции, регулирующих этот процесс.

Этапы синтеза и модификации РНК

Процесс транскрипции РНК состоит из трех этапов:

1. Инициация - РНК-полимераза связывается с промотором гена и начинает синтез РНК.
2. Элонгация - полимераза движется по цепи ДНК, достраивая цепь РНК.
3. Терминация - в определенном месте полимераза прекращает синтез РНК и отделяется.

После синтеза РНК подвергается дополнительной обработке - так называемому процессингу. Например, у эукариот идет сплайсинг - вырезание ненужных фрагментов (интронов) из первичных транскриптов.

Затем РНК претерпевает различные химические модификации, такие как метилирование, псевдоуридилирование, которые важны для выполнения ее функций.

Таким образом, где синтезируются рибонуклеиновые кислоты - в ядре или цитоплазме клетки с участием РНК-полимераз. После синтеза РНК проходят этапы процессинга и химических превращений.

Регуляция синтеза РНК в клетке

Клетка точно контролирует уровень синтеза РНК в зависимости от потребностей и внешних условий. Существует несколько механизмов такой регуляции:

• Регуляция на уровне инициации транскрипции с помощью активаторов и репрессоров.
• Влияние на скорость элонгации цепи РНК.
• Преждевременная терминация транскрипции.
• Взаимодействие с регуляторными элементами РНК.

Важную роль в контроле активности генов играют малые регуляторные РНК, в частности микроРНК. Они связываются с мРНК-мишенями и подавляют их трансляцию или стимулируют разрушение.

Патологии, связанные с нарушениями синтеза РНК

Мутации в генах, кодирующих РНК и белки, участвующие в синтезе РНК, могут иметь тяжелые последствия. К таким заболеваниям относятся:

• Талассемия - нарушение синтеза гемоглобина.
• Миодистрофия - дефект белков мышц.
• Нейродегенеративные расстройства - болезни Альцгеймера, Паркинсона.

Кроме того, мутации в генах РНК могут привести к онкологическим заболеваниям.

Перспективы изучения и применения РНК

Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты - только в живой клетке. Однако современные технологии позволяют синтезировать РНК вне организма и использовать их различным образом:

• Получение лекарственных препаратов на основе РНК.
• Разработка методов РНК-терапии, направленных на исправление мутаций.
• Создание биосенсоров на основе РНК.
• Конструирование наноструктур с заданными свойствами.

Исторические факты об открытии РНК

Первые сведения о рибонуклеиновых кислотах появились более 100 лет назад. В 1868 году Й. Мишер выделил неизвестное вещество из гнойных ран и назвал его «нуклеин», поскольку оно было найдено в ядре клетки.

Лишь в 1930-х годах появилась гипотеза о роли РНК в синтезе белка. А в 1950-60-х были открыты разные типы РНК и выяснены основные этапы их синтеза в клетке. Так, в 1961 г. советские ученые Г.П. Георгиев и В.Л. Мантьева открыли ядерную РНК - предшественник мРНК.

Механизмы регуляции транскрипции РНК

Регуляция синтеза РНК осуществляется на всех этапах транскрипции. Рассмотрим их подробнее:

• На стадии инициации - взаимодействие активаторов и репрессоров транскрипции с промотором и РНК-полимеразой, модификации гистонов.
• В процессе элонгации - фосфорилирование РНК-полимеразы и факторов транскрипции, влияющее на скорость синтеза РНК.
• На этапе терминации - преждевременный выход полимеразы из-за структуры ДНК или действия специальных белков.

Патологии синтеза РНК при различных заболеваниях

Нарушения транскрипции РНК лежат в основе многих болезней. К примеру:

• При болезни Альцгеймера - снижение синтеза мРНК, кодирующих белки памяти.
• В опухолевых клетках - повышенный уровень РНК, стимулирующих рост и деление.
• При вирусных инфекциях - подавление транскрипции клеточных генов и активация вирусных.

Таким образом, изучение регуляции синтеза рибонуклеиновых кислот при патологиях - важная задача медицины.

Синтетические РНК в биомедицине

Современные методы позволяют получать РНК вне клетки - так называемые синтетические РНК. Их активно изучают для создания инновационных препаратов и методов терапии:

• Синтетические мРНК, кодирующие терапевтические белки.
• Малые интерферирующие РНК для подавления патологических генов.
• Химерные РНК для доставки лекарств в клетки.

Таким образом, исследования в области синтеза и применения РНК обещают новую эру в медицине и биотехнологии.