Ribonukleinska kiselina

Ribonukleinska kiselina (RNK) (engl. ribonucleic acid - RNA) je biološki važan tip molekula koje imaju značajnu ulogu u kodiranju, dekodiranju, regulaciji i ekspresiji gena. RNK i DNK predstavljaju dva tipa nukleinskih kiselina, koje sa proteinima spadaju u esencijalne makromolekule svih živih bića. Kao i DNK, molekule RNK se sastoje od dugih kovalentno vezanih jedinica - nukleotida, s tim što su RNK molekule najčešće jednolančane. Svaki nukleotid u RNK molekuli se sastoji od heterociklične baze, šećera riboze i fosfatne grupe.

RNK molekule u ćeliji nastaju transkripcijom (prepisivanjem) DNK pomoću enzimâ koji se nazivaju RNK polimeraze. Većina gena u DNK molekuli određuje aminokiselinsku sekvencu određenog proteina. RNK molekule, koje nastaju kao kopije tih gena a u funkciji su prenosa genetičke informacije sa DNK iz nukleusa (ćelijskog jedra) u proteinsku molekulu koja se sintetizira u ribosomima, označavaju se kao iRNK (informacijska, kurir, glasnička RNK). Međutim, finalni produkti nekih gena su različite RNK molekule koje imaju ili funkcionalnu (enzimatsku) ili strukturnu ulogu u ćeliji. Iako je uloga mnogih od ovih nekodirajućih RNK molekula još nepoznata, poznata je funkcija nekih od njih (npr. transportna RNK - tRNK; ribosomska RNK - rRNK i dr.)Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2008): Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, Taylor & Francis Group New York, USA.

 Struktura 
mini|desno|230px|Watson-Crick parovi baza u siRNK (atomi vodika nisu prikazani)
Svaki nukleotid u RNK molekuli (ribonukleotid) sadrži petougljični šećer ribozu, jednu od četiri heterociklične baze (adenin - A, citozin - C, guanin G ili uracil - U) vezanu za ribozu na poziciju prvog atoma ugljika i fosfatnu grupu vezanu za ribozu na poziciji trećeg atoma ugljika. Preko fosfatne grupe vrši se povezivanje susjednih nukleotida fosfodiesterskom vezom na taj način što je fosfatna grupa jednim krajem vezana za 3. C atom riboze jednog nukleotida a drugim za 5. C atom riboze susjednog nukleotida. Fosfatne grupe imaju negativni naboj, sa pH vrijednošću u fiziološkim granicama, čineći RNK molekulu polianionom. RNK molekule, s obzirom da su jednolančane kao i polipeptidi mogu se savijati u određene trodimenzionalne strukture što je kod nekih RNK molekula i neophodno za ostvarivanje njihove strukturne i katalitičke funkcije. RNK molekule često sadrže kratke nukleotidne sekvence koje sa komplementarnim sekvencama na drugom dijelu molekule ostvaruju konvencionalno kovalentno uparivanje baza (između citozina i guanina, kao i između adenina i uracila). Također, u formiranju trodimenzionalnih struktura značajne su i nekovalentne interakcije između baza.

mini|lijevo|Hemijska struktura RNK
Važna strukturna osobina RNK koja je razlikuje od DNK je prisustvo hidroksil grupe na poziciji 2 šećera riboze. Prisustvo ove funkcionalne grupe uzrokuje da zavojnica poprimi geometriju A-forme DNK umjesto B-forme koja je obično prisutna u DNK. Ova osobina dovodi do veoma dubokih i uskih velikih žljebova i plitkih a širokih malih žljebova u molekuli. Druga posljedica prisustva hidroksilne grupe na drugoj poziciji riboze je ta da u konformaciono fleksibilnim područjima molekule RNK (koja nisu uključena u formiranje trodimenzionalne strukture) može doći do cijepanja fosfodiesterskih veza unutar molekule.

mini|Sekundarna struktura RNK telomeraze
Iako u sintezi RNK učestvuju samo četiri baze (adenin, citozin, guanin i uracil)
 , one, zajedno sa vezanim šećerom, tokom sazrijevanja RNK molekule mogu biti modificirane na različite načine. Pseudouridin, u kojem je veza između uracila i riboze izmjenjena iz C-N veze u C-C vezu, te ribotimidin (T) su pronađeni na raznim mjestima (među najznačajnijim u T?C zavoju u transportnoj RNK). Druga značajna modificirana baza je hipoksantin, deaminirani adenin čiji se nukleozid naziva inozin (I). Inozin ima ključnu ulogu u dinamičkoj hipotezi genetičkog koda. Poznato je gotovo 100 drugih prirodnih modifikacija nukleosida . Najrazličitije strukturne modifikacije se nalaze u tRNK, a pseudoridin i nukleosid sa 2'-0-metilribozom, često prisutni u rRNK, su najčešće . Specifične uloge mnogih od ovih modifikacija u RNK nisu u potpunosti istražene. Međutim, značajno je da se u ribosomskoj RNK pojavljuju mnoge od post-transkripcijskih modifikacija u visoko funkcionalnim područjima, poput središta peptidil transferaze, što vodi do zaključka da su veoma važne za normalne funkcije.

Funkcionalna forma jednostruko uvijene molekule RNK, poput bjelančevina, često zahtijeva određene tercijarne RNK strukture. Osnova za ovu strukturu je zasnovana na sekundarnim strukturalnim elementima koji su u principu vodikove veze unutar molekule. Ovo dovodi do nekoliko prepoznatljivih domena sekundarne strukture poput zašiljenih prstenova, unutrašnjih prstenova i deformacija. Pošto je RNK molekula sa naelektrisanjem, ioni metala poput magnezija Mg2+ su neophodni za stabilizaciju mnogih sekundarnih i tercijarnih struktura.

 Usporedba sa DNK 
mini|desno|50S ribozomska podjedinica. RNK (narandžasto), bjelančevina (plavo). Aktivno mjesto je u sredini (crveno)
RNK i DNK su nukleinske kiseline, ali se razlikuju u tri važna elementa. 
 Prvo, za razliku od DNK koja je dvostruka zavojnica, molekula RNK je jednostruko uvijena u većini svojih bioloških uloga i ima daleko manji lanac nukleotida (ne više od nekoliko hiljada nukleotida). Ipak, na osnovu komplementarnog uparivanja baza, unutar RNK molekule se, kao u tRNK, formiraju unutrašnji dvolančani segmenti. 
 Drugo, dok DNK sadrži petougljični šećer deoksiribozu, RNK sadrži ribozu (koja za razliku od doksiriboze ima hidroksilnu funkcionalnu grupu spojenu na pentozni prsten na poziciji 2'). Ove hidroksilne grupe čine RNK manje stabilnom molekulom od DNK jer su daleko podložnije hidrolizi. 
 Treće, komplementarna baza adeninu nije timin, kao što je slučaj kod DNK, nego je uracil, koji je nemetilirana forma timina .

Biološki najaktivnije RNK molekule, poput iRNK, tRNK, rRNK, male nuklearne RNK i druge nekodirajuće RNK, sadrže sekvence komplementarne sebi koje omogućavaju dijelovima RNK da se uparuju obrazujući na taj način dvostruke zavojnice. Analiza ovih RNK je otkrila da su one veoma kompleksno struktuirane. Na ovaj način RNK molekule imaju hemikatalitičku sposobnost . Na primjer, analizom strukture ribozima, enzima koji kataliziraju formiranje peptidne veze, otkriveno je da je njegovo aktivno mjesto sastavljeno u potpunosti od RNK.

 Sinteza 
Sintezu RNK katalizira djelovanje enzima - RNK polimeraza - koristeći jedan od lanaca DNK (kodirajući, matrični lanac) kao šablon, što je proces označen kao transkripcija. Uspješna transkripcija je esencijalna za gensku ekspresiju s obzirom da je to glavni momenat u kome ćelija reguliše koje proteine će proizvoditi i kojom stopom produkcije. Uspješna transkripcija gena zahtjeva da RNK polimeraze precizno djeluju a način na koji se to djelovanje ostvaruje se razlikuje kod prokariota i eukariota. Početak trankripcije određuje vezanje enzima na specifičnu sekvencu nukleotida koja predstavlja startnu tačku RNK sinteze promotor na DNK molekuli. Dvostruka zavojnica DNK se odmotava djelovanjem enzima helikaze. Enzim zatim na matričnom lancu napreduje u 3' prema 5' smijeru, sintetizirajući komplementarnu RNK molekulu ugradnjom novih ribonukleotida u smijeru od 5' prema 3' kraju. DNK sekvenca također određuje kada će se desiti prekid sinteze RNK. Novonastali RNK lanac se odmah po završetku transkripcije odvaja od DNK matrice što omogućava produkciju velikog broja RNK kopija sa istog gena u relativno kratkom vremenu. Primarni transkript se često modificira nakon transkripcije djelovanjem enzima. Na primjer, poliadeninski - poli(A) rep i 5' kapa se dodaju na pre-RNK a introni bivaju eliminisani.

Postoji i veliki broj RNK ovisnih RNK polimeraza koje koriste RNK kao svoj šablon za sintezu novih lanaca RNK. Na primjer, veliki broj RNK virusa (kao što je poliovirus) koriste ovaj tip enzima za repliciranje svog genetičkog materijala. Također, RNK zavisna RNK polimeraza je dio RNK interferiranja u mnogim organizmima.

 Tipovi RNK 
mini|desno|Struktura ribozima koji režu RNK
Informacijska RNK
Informacijska RNK (iRNK) je tip RNK molekule koja prenosi genetičku informaciju od DNK do ribosoma, ćelijskih organela na kojima se vrši sinteza bjelančevina (translacija). Kodirajuća sekvenca iRNK određuje sekvencu aminokiselina u novosintetiziranim bjelančevinama  . Međutim, mnoge RNK molekule ne kodiraju proizvodnju bjelančevina (oko 97% transkripcijskih produkata ne kodiraju bjelančevine u eukariotskim ćelijamaMattick, J.S. (2001). "Noncoding RNAs: the architects of eukaryotic complexity" , EMBO Reports, 2(11), 986-991.Mattick, J.S. (2003). "Challenging the dogma: The hidden layer of non-protein-coding RNAs on complex organisms" , Bioessays. 25, 930-939.Mattick, J.S. (2004): "The hidden genetic program of complex organisms", Scientific American. 291(4), 30-37.).

Nekodirajuće RNK (nkRNK)
Ove takozvane nekodirajuće RNK (nkRNK) kodiraju RNK geni . Najpoznatiji primjeri nekodirajućih RNK su transportne RNK (tRNK) i ribosomske RNK (rRNK), obje uključene u proces translacije. Postoje i nekodirajuće RNK koje su uključene u regulaciju gena, procesiranje RNK i druge uloge. Određene RNK molekule imaju mogućnost da kataliziraju hemijske reakcije poput isjecanja i vezivanja drugih RNK molekula, te katalizu formiranja peptidnih veza u ribosomima; te RNK su poznate kao ribozimi.

 Translacija 
Informacijska RNK (iRNK) prenosi genetičku informaciju, predstavljenu slijedom nukleotida  DNK molekule, do ribosoma, organela u ćeliji, gdje određuje ugradnju određenih aminokiselina u polipeptidnu molekulu. Slijed od tri nukleotida (kodon) u iRNK određuje ugradnju određene aminokiseline u polipeptidni lanac. U eukariotskim ćelijama, nakon transkripcije i sinteze primarnog transkripta (pre-iRNK) brojnim procesima i modifikacijama se ona dorađuje do konačne forme iRNK. Ovi procesi između ostalog uključuju i uklanjanje initrona - nekodirajućih dijelova primarnog transkripta. Nakon toga iRNK prolazi iz ćelijskog jedra u citoplazmu, gdje se veže za ribosome i translatira u odgovarajuću bjelančevinu uz pomoć transportne RNK (tRNK). U prokariotskim ćelijama, koje nemaju ćelijsko jedro, iRNK se može vezati za ribosome tokom transkripcije. Nakon određenog vremena, iRNK se degradiraju u svoje nukleotidne komponente uz pomoć ribonukleaze.

Transportna RNK (tRNK) je RNK lanac od oko 80 nukleotida koji prenosi određenu aminokiselinu u rastući polipeptidni lanac prilikom translacije. Transportna RNK ima mjesto za vezanje specifične aminokiselina i antikodon - region za prepoznavanje kodona u lanacu iRNK .

Ribosomska ribonukleinska kiselina (rRNK) je katalitička i strukturna komponenta ribosoma. Eukariotski ribosomi sadrže četiri različite rRNK molekule: 18S, 5.8S, 28S i 5S rRNK. Kod eukariota geni za rRNK (osim za 5S rRNK) mogu biti locirani na više hromosoma, na tzv. nukleolarnim dijelovima genoma koji učestvuju u formiranju nukleolusa (jedarceta. Geni za rRNK, uključujući i one za 5S rRNK koja se sintetizira odvojeno od ostalih rRNK, su visoko repetitivni, tako da ćelija sisara može da sadrži od 100 do 2000 kopija rRNK gena. U citoplazmi, rRNK i bjelančevine se kombiniraju u nukleobjelančevinaste strukture - ribosome. Ribosomi vežu iRNK, a u njima se odvija sinteza bjelančevina. Nekoliko ribosoma može biti istovremeno vezano na jednu iRNK. Ribosomska RNK je glavni proizvod transkripcije i čini 80-90% ukupne RNK ekstrahovane iz tipične eukariotske ćelije.

Transportno-informaciona RNK (tiRNK) je pronađena u mnogim bakterijama i plastidima. Ona označava bjelančevine koje kodira  iRNK a kojima nedostaju stop kodoni za degradaciju i prevenira odugovlačenje rada ribosoma.

 Regulacijske RNK 
Postoji nekoliko tipova RNK koje, na osnovu svoje komplementarnosti sa iRNK ili DNK gena, mogu supresirati ili reducirati ekspresiju gena.

Mikro ribonukleinska kiselina (miRNK; 21-22 nt) su pronađene u eukariotskim ćelijama i djeluju putem RNK interferencije (RNKi), pri čemu kompleks miRNK i enzima može razdvojiti iRNK od komplementarne miRNK, blokirati translaciju iRNK ili ubrzati proces njene degradacije.

Postoje također i male interferne RNK (siRNK, 20-25 nt) koje uglavnom nastaju razgradnjom RNK virusa, ali postoje i endogeni izvori siRNK. siRNK djeluju preko RNK interferencije slično kao i miRNK. Neke miRNK i siRNK mogu uzrokovati metilaciju gena te na taj način povećati ili smanjiti transkripciju tih ciljanih gena.

Životinjske ćelije imaju Piwi-interakcionu RNK (piRNA; 29-30 nt) koja je aktivna u gametogenezi a smatra se da predstavlja odbranu protiv transpozona .

Mnoge prokariotske ćelije imaju CRISPR RNK, regulatorni sistem sličan RNK interferenci.Antisens RNK su široko rasprostranjene, uglavnom smanjuju ekspresiju gena ali neke djeluju kao aktivatori transkripcije. Jedan od načina kako antisense RNK može djelovati je vezivanje za iRNK formirajući tako dvostruku zavojnicu RNK koja se enzimski degradira .

Postoji veliki broj dugih nekodirajućih RNK koje regulišu ekspresiju gena u eukariotskim ćelijama, jedna od tih RNK je Xist koja prekriva jedan X hromosom u ćelijama ženki sisara i inaktivira ga.

iRNK i sama može sadržavati regulatorne elemente, poput riboprekidača, u 5' neprevedenom regionu ili 3' neprevedenom regionu; ovi cis-regulatorni elementi reguliraju aktivnosti te iRNK. Neprevedeni regioni također mogu sadržavati elemente koji reguliraju druge gene.

Mnoge RNK molekule učestvuju u modificiranju drugih RNK molekula. introni se pomoću splajsosoma engl. spliceosome koji sadrži nekoliko malih nuklearnih RNK - snRNK (engl. small nuclear RNA) isjecaju iz primarnog transkripta  ili se introni ponašaju kao ribozimi koji sami sebe isjecaju . RNK može biti izmjenjena i modifikacijom nukleotida koja je kod eukariota uglavnom pod uticajem malih nukleolarnih RNK - snoRNK (engl. small nucleolar RNA) veličine od 60 do 300 nukleotida. snoRNK se udružuju sa enzimima i na osnovu uparivanja baza usmjeravaju ih ka odgovarajućoj poziciji na RNK na kojoj enzimi vrše modifikaciju nukleotida. rRNK i tRNK su intenzivno modificirane, ali snRNK i iRNK mogu biti modificirane RNK može također biti i metilirana .

RNK genomi
Kao DNK i RNK može nositi genetičku informaciju. Genom RNK virusa čini RNK koja kodira brojne protein od kojih neki učestvuju u replikaciji a neki u zaštiti viralnog genoma prilikom ulaska u ćeliju domaćina. RNK im je uglavnom jednolančana ali može bit ii dvolančana. Brojna humana oboljenja (SARS, gripa, hepatitis C i druge) uzrokuju  RNK virusi.
Viroidi su još jedna grupa patogena koji sadrže samo RNK molekule koje ne kodiraju proteine a njihova replikacija zavisi od ćelijskih polimeraza biljnog domaćina.

Retrovirusi
Virusi koji imaju RNK kao genetički material i DNK intermedijer tokom replikacije nazivaju se retrovirusi. Ovdje spadaju [HIV-1] i [HIV-2]. Retrovirusi se repliciraju na način da svoj RNK genom kopiraju pomoću RNK ovisnih DNK polimeraza (reverznih transkirptaza). Nastale DNK kopije se onda prepisuju u nove RNK molekule. 
Telomeraza sadrži RNK koja služi kao matrica za izgradnju krajeva eukariotskih hromosoma.

Dvolančani RNK virusi (dsRNK virusi)
Dvolančana RNK je RNK sa dva komplementarna lanca. Predstavlja genetički material nekih virusa.

 Otkriće 
Nukleinske kiseline su otkrivene 1868. godine. Otkrio ih je Friedrich Miescher, koji je otkrivene supstance nazivao nuklein jer su nađene u ćelijskom jedru. Kasnije je otkriveno da prokariotske ćelije, koje nemaju ćelijsko jedro, također sadržavaju nukleinske kiseline. Uloga RNK u sintezi bjelančevina je pretpostavljena već od 1939. godine. Naučnik Severo Ochoa je zajedno sa Arthur Kornbergom dobio Nobelovu nagradu za medicinu 1959. godine nakon što je otkrio enzim koji u laboratorijskim uslovima može sintetizirati RNK.Ipak, naknadno je otkriveno da je ovaj enzim (polinukleotid fosforilaza) odgovorna za degradaciju a ne sintezu RNK.

Sekvenca tRNK od 77 nukleotida kod plijesni je otkrivena 1965. godine od strane Robert W Holleya, što je Holleyju (zajedno sa Har Gobind Khorana i Marshall Nirenberg donijelo Nobelovu nagradu za medicinu 1968. godine.

Godine 1967, Carl Woese je iznio teoriju da RNK može djelovati kao katalizator te je pretpostavio da su se najraniji oblici života zasnivali na RNK koja im je služila i kao genetički materijal a ujedno je i vršila kataliziranje biohemijskih reakcija. Ta teorija je poznata i kao hipoteza RNK svijeta.

Tokom ranih 70-ih 20. vijeka otkriveni su retrovirusi i reverzna transkriptaza čime je prvi put utvrđeno da enzimi mogu kopiranjem RNK dati DNK molekulu. I za ovo otkriće David Baltimor, Renato Dulbecco i Howard Temin su dobili Nobelovu nagradu 1975.

Godine 1976, tim naučnika na čelu sa Walter Fiersom je otkrio prvu potpunu nukleotidnu sekvencu RNK genoma virusa, i to od bakteriofaga MS2.

Godine 1977. otkriveni su introni i RNK splicing za šta su 1993. Nobelovu nagradu dobili Philip Sharp i Richard Roberts. Katalitičke RNK molekule ribozimi su otkrivene  ranih 80-ih godina 20. vijeka a za ovo otkriće Nobelovu nagradu su dobili Thomas Cech i Sidney Altman.

Godine 1990, pronađeno je da strani geni koji su uneseni u biljku petuniju mogu da onemoguće slične gene koji su prisutni u biljci, što je danas poznato i kao interferencija RNK. Otprilike u istom periodu, otkrivene su ribonukleinske kiseline duge 22 nukleotida, danas poznate kao mikroRNK, a koje imaju ulogu u razvoju nematode Caenorhabditis elegans. Za istraživanje RNK interferencije Nobelovu nagradu su dobili Andrew Fire i Craig Mello 2006. godine kada je dodjeljena i Nobelova nagrada za istraživanje transkripcije a dobio ju je Roger Kornberg.

Otkriće regulatornih RNK u genu je dovela do pokušaja da se razviju lijekovi na bazi RNK, kao što je siRNK, u svrhu onemogućavanja djelovanja određenih gena.

 Također pogledajte 
 Nukleinske kiseline
 Genetička informacija
 Prerada RNK
 Protein

 Reference 

 Vanjski linkovi 

 RNA World web stranica Kolekcija linkova o RNK (strukture, sekvence, alati, žurnali)
 Baza podataka o nukleinskim kiselinama Slike DNK, RNK i kompleksa

Kategorija:Nukleinske kiseline
Kategorija:RNK
Kategorija:Molekularna biologija
Kategorija:Biotehnologija