Smyčka vlásenky z pre-mRNA. Zvýrazněné jsou základny (světle zelená) a páteř (nebesky modrá).
Kyselina ribonukleová (RNA) je biologicky důležitý typ molekuly, která se skládá z dlouhého řetězce nukleotidových jednotek. Každý nukleotid se skládá z dusíkaté báze, ribózového cukru a fosfátu. RNA je velmi podobná DNA, ale liší se v několika důležitých strukturních detailech: v buňce je RNA obvykle jednovláknová, zatímco DNA je obvykle dvouvláknová; nukleotidy RNA obsahují ribózu, zatímco DNA obsahuje deoxyribózu (typ ribózy, který postrádá jeden atom kyslíku); a RNA má bázi uracil spíše než thymin, který je přítomen v DNA.
Watson-Crickovy páry bází v siRNA (atomy vodíku nejsou uvedeny)
Každý nukleotid v RNA obsahuje ribózový cukr, s uhlíky číslovanými 1′ až 5′. Na pozici 1′ je navázána báze, obvykle adenin (A), cytosin (C), guanin (G) nebo uracil (U). Adenin a guanin jsou puriny, cytosin a uracil jsou pyrimidiny. Na pozici 3′ jedné ribózy je navázána fosfátová skupina a na pozici 5′ další. Fosfátové skupiny mají při fyziologickém pH každý negativní náboj, což z RNA dělá nabitou molekulu (polyanion). Zásady mohou tvořit vodíkové vazby mezi cytosinem a guaninem, mezi adeninem a uracilem a mezi guaninem a uracilem. Jsou však možné i jiné interakce, například skupina adeninových bází, které se na sebe vážou v bouli,
nebo tetraloop GNRA, který má pár bází guanin-adenin.
Důležitým strukturním rysem RNA, který ji odlišuje od DNA, je přítomnost hydroxylové skupiny na 2′ pozici ribózového cukru. Přítomnost této funkční skupiny způsobuje, že šroubovice přijímá geometrii tvaru A spíše než B-formu nejčastěji pozorovanou v DNA. Výsledkem je velmi hluboká a úzká hlavní drážka a mělká a široká vedlejší drážka. Druhým důsledkem přítomnosti 2′-hydroxylové skupiny je, že v konformně ohebných oblastech molekuly RNA (tedy nepodílející se na tvorbě dvojité šroubovice) může chemicky napadnout přilehlou fosfodiesterovou vazbu a rozštěpit páteř.
Sekundární struktura RNA telomerázy.
RNA se přepisuje pouze se čtyřmi bázemi (adeninem, cytosinem, guaninem a uracilem), ale ve zralých RNA je mnoho modifikovaných bází a cukrů. Pseudouridin (Ψ), ve kterém se vazba mezi uracilem a ribózou mění z vazby C-N na vazbu C-C, a ribothymidin (T), se nacházejí na různých místech (především v TΨC smyčce tRNA). Další pozoruhodnou modifikovanou bází je hypoxanthin, deaminovaná adeninová báze, jejíž nukleosid se nazývá inosin (I). Inosin hraje klíčovou roli ve vratké hypotéze genetického kódu. Existuje téměř 100 dalších přirozeně se vyskytujících modifikovaných nukleosidů, z nichž nejčastější jsou pseudouridin a nukleosidy s 2′-O-methylribózou. Specifické role mnoha těchto modifikací v RNA nejsou zcela pochopeny. Je však pozoruhodné, že v ribozomální RNA se mnoho posttranskripčních modifikací vyskytuje ve vysoce funkčních oblastech, jako je centrum peptidyl transferázy a rozhraní podjednotek, což znamená, že jsou důležité pro normální funkci.
Funkční forma jednovláknových molekul RNA, stejně jako proteiny, často vyžaduje specifickou terciální strukturu. Lešení pro tuto strukturu zajišťují sekundární strukturální prvky, které jsou vodíkovými vazbami uvnitř molekuly. To vede k několika rozpoznatelným „doménám“ sekundární struktury, jako jsou vlásenkové smyčky, vybouleniny a vnitřní smyčky. Protože je RNA nabitá, ionty kovů, jako je Mg2+, jsou potřebné ke stabilizaci mnoha sekundárních a terciálních struktur.
RNA i DNA jsou nukleové kyseliny, ale liší se třemi hlavními způsoby. Za prvé, na rozdíl od DNA, která je dvouvláknová, RNA je jednovláknová molekula ve většině svých biologických rolí a má mnohem kratší řetězec nukleotidů. Za druhé, zatímco DNA obsahuje deoxyribózu, RNA obsahuje ribózu (v DNA není žádná hydroxylová skupina připojená k pentózovému kruhu na 2′ pozici). Tyto hydroxylové skupiny způsobují, že RNA je méně stabilní než DNA, protože je náchylnější k hydrolýze. Za třetí, doplňkovou bází k adeninu není thymin, jako je tomu v DNA, ale spíše uracil, což je nemethylovaná forma thyminu.
ribozomální podjednotka 50S. RNA je oranžová, bílkovina modrá. Aktivní místo je uprostřed (červená).
Podobně jako DNA, většina biologicky aktivních RNA, včetně mRNA, tRNA, rRNA, snRNA a dalších nekódujících RNA, obsahuje samokomplementární sekvence, které umožňují, aby se části RNA složily a spárovaly se sebou a vytvořily tak dvojité šroubovice. Strukturální analýza těchto RNA odhalila, že jsou vysoce strukturované. Na rozdíl od DNA se jejich struktury neskládají z dlouhých dvojitých šroubovic, ale spíše z kolekcí krátkých šroubovic, které jsou společně zabaleny do struktur podobných proteinům.
Tímto způsobem mohou RNA dosáhnout chemické katalýzy, podobně jako enzymy. Například stanovení struktury ribozomu – enzymu, který katalyzuje tvorbu peptidových vazeb – odhalilo, že jeho aktivní místo je složeno výhradně z RNA.
Syntéza RNA je obvykle katalyzována enzymem – RNA polymerázou – pomocí DNA jako šablony, což je proces známý jako transkripce. Zahájení transkripce začíná navázáním enzymu na promotorovou sekvenci v DNA (obvykle se nachází „proti proudu“ genu). Dvojitá šroubovice DNA je rozvázána helikulární aktivitou enzymu. Enzym pak postupuje po vzorovém vlákně ve směru 3’ až 5’ a syntetizuje komplementární molekulu RNA s elongací, která se vyskytuje ve směru 5’ až 3’. Sekvence DNA také určuje, kde dojde k ukončení syntézy RNA.
RNA jsou často modifikovány enzymy po transkripci. Například poly(A) ocas a 5′ čepice jsou přidány do eukaryotické pre-mRNA a introny jsou odstraněny spliceosomem.
Existuje také řada RNA-dependentních polymeráz, které používají RNA jako svou šablonu pro syntézu nového vlákna RNA. Například řada RNA virů (například poliovirus) používá tento typ enzymu k replikaci svého genetického materiálu. RNA-dependentní RNA polymeráza je také součástí dráhy RNA interference v mnoha organismech.
Struktura kladivouního ribozymu, ribozymu, který řeže RNA
Messenger RNA (mRNA) je RNA, která přenáší informace z DNA do ribozomu, míst syntézy proteinů (translace) v buňce. Kódovací sekvence mRNA určuje sekvenci aminokyselin v proteinu, který vzniká. Mnoho RNA však nekóduje protein (asi 97% transkripčního výstupu je nekódováno v eukaryotech ).
Tyto tzv. nekódující RNA („ncRNA“) mohou být kódovány svými vlastními geny (geny RNA), ale mohou se také odvozovat od intronů mRNA. Nejvýznamnějšími příklady nekódujících RNA jsou transferová RNA (tRNA) a ribozomální RNA (rRNA), které se oba podílejí na procesu překladu. Existují také nekódující RNA zapojené do regulace genů, zpracování RNA a dalších rolí.
Některé RNA jsou schopny katalyzovat chemické reakce, jako je řezání a ligatura jiných molekul RNA, a katalýzu tvorby peptidových vazeb v ribozomu; ty jsou známy jako ribozymy.
Messengerova RNA (mRNA) přenáší informace o proteinové sekvenci do ribozomů, továren na syntézu proteinů v buňce. Je kódována tak, aby každé tři nukleotidy (kodon) odpovídaly jedné aminokyselině. V eukaryotických buňkách, jakmile je prekurzorová mRNA (pre-mRNA) přepsána z DNA, je zpracována na zralou mRNA. Tím jsou odstraněny její introny – nekódující úseky pre-mRNA. mRNA je pak exportována z jádra do cytoplasmy, kde je vázána na ribozomy a pomocí tRNA přeložena do odpovídající proteinové formy. V prokaryotických buňkách, které nemají nukleové a cytoplasmové kompartmenty, se mRNA může vázat na ribozomy, zatímco je přepisována z DNA. Po určité době se zpráva za pomoci ribonukleotidů degraduje na své komponentní nukleotidy.
Transferová RNA (tRNA) je malý řetězec RNA s asi 80 nukleotidy, který během translace přenáší specifickou aminokyselinu do rostoucího polypeptidového řetězce v ribozomálním místě syntézy proteinů. Má místa pro vazbu na aminokyselinu a antikodonovou oblast pro rozpoznání kodonu, který se váže na specifickou sekvenci na řetězci messenger RNA prostřednictvím vodíkové vazby.
Transfer-messenger RNA (tmRNA) se nachází v mnoha bakteriích a plastidech. Označuje bílkoviny kódované mRNA, které postrádají stop kodony pro degradaci a zabraňuje váznutí ribozomu.
mRNA může sama obsahovat regulační prvky, jako jsou riboswitche, v 5′ nepřeložené oblasti nebo 3′ nepřeložené oblasti; tyto cis-regulační prvky regulují aktivitu této mRNA. Přeložené oblasti mohou také obsahovat prvky, které regulují jiné geny.
Uridin na pseudouridin je běžnou RNA modifikací.
Mnoho RNA se podílí na modifikaci jiných RNA.
Introny jsou spliceozomy z pre-mRNA, které obsahují několik malých nukleárních RNA (snRNA), nebo introny mohou být ribozymy, které jsou splicentovány samy sebou.
RNA může být také změněna tím, že její nukleotidy jsou modifikovány na jiné nukleotidy než A, C, G a U.
U eukaryot jsou modifikace RNA nukleotidů obecně řízeny malými nukleolárními RNA (snoRNA; 60-300 nt), které se nacházejí v nukleolách a kajalových tělesech. snoRNA asociují s enzymy a vedou je k místu na RNA tím, že se bázově spárují s touto RNA. Tyto enzymy pak provádějí modifikaci nukleotidů. rRNA a tRNA jsou extenzivně modifikovány, ale snRNA a mRNA mohou být také cílem modifikace bází.
Stejně jako DNA, i RNA může nést genetickou informaci. Viry RNA mají genomy složené z RNA a různých proteinů kódovaných tímto genomem. Virový genom je replikován některými z těchto proteinů, zatímco jiné proteiny chrání genom, když se virová částice přesune do nové hostitelské buňky. Viroidy jsou další skupinou patogenů, ale skládají se pouze z RNA, nekódují žádný protein a jsou replikovány polymerázou hostitelské rostlinné buňky.
Reverzní transkripce virů replikuje jejich genomy reverzní transkripcí kopií DNA z jejich RNA; tyto kopie DNA jsou pak přepsány do nové RNA. Retrotranspozony se také šíří kopírováním DNA a RNA od sebe navzájem a telomeráza obsahuje RNA, která se používá jako předloha pro stavbu konců eukaryotických chromozomů.
Dvouvláknová RNA (dsRNA) je RNA se dvěma komplementárními vlákny, podobná DNA nalezené ve všech buňkách. dsRNA tvoří genetický materiál některých virů (dvouvláknové RNA viry). Dvouvláknová RNA, jako je virová RNA nebo siRNA, může vyvolat interferenci RNA u eukaryot a také reakci interferonu u obratlovců.
Nukleové kyseliny objevil v roce 1868 Friedrich Miescher, který materiál nazval „nuklein“, protože byl nalezen v jádře. Později bylo zjištěno, že prokaryotické buňky, které nemají jádro, také obsahují nukleové kyseliny. Role RNA v syntéze proteinů byla podezřelá již v roce 1939. Severo Ochoa získal v roce 1959 Nobelovu cenu za medicínu poté, co zjistil, jak se RNA syntetizuje. Sekvenci 77 nukleotidů kvasinkové tRNA objevil v roce 1965 Robert W. Holley, který získal Holleymu v roce 1968 Nobelovu cenu za medicínu.
V roce 1967 si Carl Woese uvědomil, že RNA může být katalytická a navrhl, že nejstarší formy života spoléhají na RNA jak pro přenos genetické informace, tak pro katalyzaci biochemických reakcí – svět RNA.
V roce 1976 Walter Fiers a jeho tým určili první kompletní nukleotidovou sekvenci genomu viru RNA, genomu bakteriofágu MS2.
V roce 1990 bylo v petúnii zjištěno, že zavedené geny mohou umlčet podobné geny rostliny, nyní známé jako výsledek interference RNA. Přibližně ve stejné době bylo zjištěno, že 22 nt dlouhé RNA, nyní nazývané mikroRNA, mají roli ve vývoji C. elegans.
Objev genových regulačních RNA vedl k pokusům vyvinout léky vyrobené z RNA, jako je siRNA, k umlčení genů.