mini|200px|desno|Dio zavojnice pre-mRNK. Označene su baze (svijetlo zeleno) i skelet zavojnice (svijetlo plavo) 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 izmijenjena 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