Транспортна РНК

Транспортната РНК (скратено тРНК, порано позната како растворлива РНК или сРНК^[1]) претставува РНК молекула, составена обично од 76 до 90 нуклеотиди,^[2] која служи како физичка врска помеѓу информациската РНК (иРНК) и аминокиселинската низа на белковините. Оваа врска се остварува на тој начин што тРНК ги носи (транспортира) аминокиселините во рибозомот (клеточната машинерија за синтеза на белковини), за кој веќе е врзана иРНК молекула, чии кодони се „читаат“ од страна на антикодоните на тРНК. Затоа, тРНК молекулите се од суштинско значење за процесот на транслација - биосинтеза на белковините во клетката во согласност со правилата на генетскиот код.

Информациската РНК (иРНК) кодира белковини во форма на низа од континуирани кодони, кои се состојат од три последователни азотни бази. Транспортната РНК (тРНК) ги препознава овие кодони на тој начин што во еден дел од молекулата, наречен антикодон, се наоѓаат три азотни бази кои се комплементарни на оние од кодонот на иРНК и способни да се врзат за нив со помош на три водородни врски.^[3] На спротивниот крај од антикодонот во молекулата на тРНК се наоѓа место за ковалентно врзување на специфична аминокиселина, која одговара на низата на антикодонот. Секој тип на тРНК молекула може да врзе само една од 20-те протеиногени аминокиселини, па затоа секој организам поседува многу типови на тРНК молекули. Бидејќи во генетскиот код често се случува да постојат повеќе кодони за една иста аминокиселина, затоа постојат и повеќе тРНК молекули со различни антикодони, кои ја врзуваат истата аминокиселина.

Ковалентното врзување на аминокиселината за 3’ крајот на тРНК е катализирано од група на ензими наречени аминоацил тРНК синтетази.^[4] Во текот на синтезата на белковините, тРНК молекулите со врзана аминокиселина се транспортираат во рибозомот со помош на посебни белковини наречени фактори на елонгација, кои имаат улога да го помагаат навлегувањето на тРНК во рибозомот, да вршат транслокација (движење) на рибозомот долж иРНК, и со тоа да асистираат во синтезата на полипептидот. Доколку антикодонот на пристигнувачката тРНК молекула одговара на кодонот на иРНК молекулата, тогаш веќе врзаната тРНК молекула внатре во рибозомот ја предава растечката полипептидна верига од нејзиниот 3’ крај на аминокиселината врзана за 3’ крајот на новопристигнатата тРНК молекула, во реакција која е катализирана од рибозомот.

Во структурата на тРНК се јавуваат неколку нуклеотиди кои се хемиски изменети, најчесто со метилација и деаминација. Овие невообичаени азотни бази влијаат на интеракцијата на тРНК со рибозомот, а понекогаш се јавуваат и во антикодонот, со што ги менуваат својствата на базното спарување со базите на кодонот.^[4]

Структурата на тРНК може да се разгледува како првична (нуклеотидната низа на молекулата), вторична (дводимензионална структура со базно спарување на комплементарните бази, која наликува на лист од детелина) и третична структура (тридимензионална структура на молекулата, која има форма на латинската буква „L“). Дводимензионалната структура, која наликува на лист од детелина, се претвора во тридимензионалната структура, во форма на буквата „L“, по пат на коаксијално насложување на завојниците, што претставува чест мотив во третичната структура на многу РНК молекули.

Должината на секој од краците, како и пречникот на петелките, кај секоја тРНК молекула, варира од еден до друг организам.^[5][6]

Структурата на тРНК се состои од следните елементи:

1. 5’-терминална фосфатна група.
2. Акцепторен крак – стебло од 7-9 базни парови (б.п.), кое се формира со базно спарување помеѓу 5’-терминалниот нуклеотид и 3’-терминалниот нуклеотид (кој ја содржи CCA 3’-терминалната „опашка“, која ја врзува аминокиселината). Акцепторниот крак може да содржи базни парови кои не се од типот на Вотсон-Крик.^[5][7]
3. CCA 3’-терминална „опашка“ – низа составена од базите цитозин-цитозин-аденин, која се наоѓа на 3’ крајот од тРНК молекулата. Аминоацил тРНК синтетазите ковалентно ја врзуваат соодветната аминокиселина за 3’-хидроксилната група на CCA опашката, со што се добива аминоацил-тРНК.^[8] Оваа низа е критична за распознавање на тРНК од страна на ензимите, а исто така и од рибозомот, во текот на процесот на транслација.^[4] Кај некои прокариоти, CCA низата се транскрибира заедно со целата тРНК-низа, но кај повеќето прокариоти и еукариоти, CCA низата се додава во тек на преработката на тРНК транскриптот, па затоа не е присутна во генот за тРНК.^[9]
4. D крак – стебло од 4-6 б.п. кое завршува со петелка која често го содржи невообичаениот нуклеотид дихидроуридин (D).
5. Антикодонски крак – стебло од 5 б.п. кое завршува со петелка, која ја содржи антикодонската низа. 
6. Т крак – стебло од 4-5 б.п. кое ја содржи низата ТΨC, каде Т е невообичаениот нуклеотид риботимидин, а Ψ е невообичаениот нуклеотид псевдоуридин (со невообичаена јаглерод-јаглерод ковалентна врска помеѓу рибозата и базата).
7. На неколку позиции во тРНК молекулата се среќаваат изменети бази, најчесто метилирани од страна на ензими метилтрансферази. Првата база од антикодонот, која се нарекува wobble-позиција (од анг. wobble – се колеба, се двоуми), понекогаш може да биде изменета во инозин (нуклеозид кој ја содржи базата хипоксантин, која се добива од аденин), псевдоуридин или лизидин.^[10]

Антикодонот е дел од молекулата на тРНК кој се состои од три нуклеотиди кои се комплементарни на трите бази од кодонот на иРНК молекулата. Секоја тРНК молекула содржи специфична антикодонска низа од три бази кои можат да формираат три комплементарни базни парови со еден или повеќе кодони кои кодираат за една иста аминокиселина. Некои антикодони можат базно да се спарат со повеќе од еден кодон како резултат на феноменот наречен wobble-базно спарување. Доста често, првиот нуклеотид од антикодонот е инозин, кој може водородно да врзе повеќе од една база во соодветната кодонска позиција.^[4] Во генетскиот код, често се случува една аминокиселина да биде специфицирана од сите четири можни бази на третата позиција од кодонот, или од две можни бази, од кои едната е пуринска, а другата е пиримидинска; на пример, аминокиселината глицин е кодирана од кодоните: GGU, GGC, GGA и GGG. Освен инозинот, и други изменети нуклеотиди можат да се јават на првата позиција од антикодонот (wobble-позицијата), што може да резултира со суптилни промени во генетскиот код, како на пр. кај митохондриите.^[11]

Бидејќи постојат 61 сенс кодони во стандарниот генетски код, би се очекувало да во клетката, соодветно, постојат 61 различни типови на тРНК молекули, секоја со одговарачки антикодон за секој од 61-те кодони. Меѓутоа, многу клетки содржат помалку од 61 типови на тРНК молекули, бидејќи wobble-базата е способна водородно да се врзе за неколку (но не сите) кодони, кои специфицираат за одредена аминокиселина. Покажано е дека се потребни минимум 31 типа на тРНК за одвивање на недвосмислена транслација на 61-те сенс кодони; максимумот на различни типови на тРНК молекули, кој досега е откриен, изнесува 41.^[12]

Аминоацилацијата е процес на додавање на аминоацилна група на одредено соединение. Во случајот на тРНК, аминоацилацијата претставува ковалентно врзување на една од белковинаогените аминокиселини за CCA 3’-терминалната „опашка“ од молекулата на тРНК.

Секоја тРНК се аминоацилира со специфична аминокиселина од страна на ензимот аминоацил тРНК синтетаза. Во клетката има 20 различни аминоацил тРНК синтетази (по една за секоја од 20-те протеиногени аминокиселини), иако има повеќе од една тРНК и повеќе од еден антикодон за повеќето аминокиселини. Распознавањето на соодветната тРНК, од страна на аминоацил тРНК синтетазите, не е посредувано само од антикодонскиот крак туку и од акцепторниот крак на тРНК молекулата.^[13][14] Интеракцијата помеѓу тРНК и аминоацил тРНК синтетазата е високо специфична и понекогаш се нарекува „втор генетски код“, бидејќи има критична улога во правилното читање на „првиот“ генетски код и одржувањето на точноста и верноста на белковинската синтеза.^[4][15]

Реакцијата е:

1. аминокиселина + АТP → аминоацил-AMP + PPi
2. аминоацил-AMP + тРНК → аминоацил-тРНК + AMP

Кај некои организми една или повеќе од аминоацил тРНК синтетазите може да недостасува. Во тој случај, за тРНК молекулата бива врзана хемиски сродна аминокиселина, од страна на аминоацил тРНК синтетазата соодветна за таа аминокиселина, а потоа, со употреба на еден или повеќе други ензими, хемиски сродната аминокиселина се модифицира во саканата аминокиселина. На пример, кај бактеријата Helicobacter pylori недостасува глутаминил тРНК синтетазата, па затоа глутамат тРНК синтетазата ја аминоацилира тРНК-глутамин (тРНК-Gln) со хемиски сродната аминокиселина глутаминска киселина. Потоа, ензимот амидотрансфераза ја претвора карбоксилната странична група на глутаминската киселина во амидна група, со што се добива саканата аминокиселина глутамин.

Рибозомот има три места за врзување на тРНК, а тие зафаќаат простор и во двете рибозомни подединици. Овие три места се наречени А (аминоацилно), P (пептидилно) и E (излезно) место.^[16] Покрај овие три, рибозомот има уште две други места за врзување на тРНК, кои се користат во тек на декодирање на иРНК или во тек на иницијацијата на синтезата на белковини. Тие се наречени Т место (именувано по факторот на елонгација Tu) и I место (иницијационо).^[17][18] По договор, тРНК-врзувачките места се означуваат така што местото на малата рибозомна подединица се пишува прво, а местото на големата рибозомна подединица се пишува второ. На пример, А местото често се пишува како А/А, P местото често се пишува како P/P, а Е местото како Е/Е.^[17]

Кога иницијацијата на транслацијата е комплетирана, првата аминоацил-тРНК е сместена во P/P местото и е подготвена за отпочнување на процесот на елонгација. Во текот на елонгацијата, тРНК прво се врзува за рибозомот заедно со белковината наречена фактор на елонгација Tu (EF-Tu) кај бактериите, додека кај археите и еукариотите, таа белковина се нарекува eEF-1. Ова првично место на врзување на тРНК се нарекува А/Т место, каде А местото половично се наоѓа во малата рибозомна подединица, каде е сместено и декодирачкото место за иРНК. Декодирачкото место е местото каде се чита кодонот на иРНК во текот на транслацијата. Т местото половично се наоѓа во големата рибозомна подединица, каде белковината EF-Tu (или eEF-1 кај археите и еукариотите) стапува во интеракција со рибозомот. По завршувањето на декодирањето на иРНК, аминоацил-тРНК се врзува за А/А местото и е подготвена за формирање на пептидна врска меѓу нејзината аминокиселина и аминокиселината на следната тРНК. Пептидил-тРНК, која го пренесува растечкиот полипептид на аминоацил-тРНК врзана за А/А местото, се наоѓа врзана во P/P местото. По формирањето на пептидната врска, тРНК во P/P местото е деацилирана, односно има слободен 3’ крај, а тРНК во А/А местото го носи растечкиот полипептид. За да се овозможи следниот циклус на елонгација, двете врзани тРНК потоа се поместуваат во хибридни А/P и P/Е врзувачки места, пред комплетирање на циклусот, кога се наоѓаат врзани во P/P и Е/Е местата. Откако тРНК молекулите, сместени во А/А и P/P местата, се преместуваат во P/P и Е/Е местата, иРНК молекулата, исто така, се поместува за еден кодон, со што А/Т местото е слободно и подготвено за следниот циклус на декодирање на иРНК. тРНК молекулата која е врзана во Е/Е местото конечно го напушта рибозомот.

Кај бактериите, првото место кое ја врзува аминоацил-тРНК е P/I местото, кое е наречено по факторот на иницијација IF2, кој ја пренесува тРНК молекулата до тоа место.^[18] P/I местото сè уште не е откриено во рибозомите на археите и еукариотите.

Геномите на различни организми имаат различен број на гени за тРНК молекули. На пример, нематодата Caenorhabditis elegans поседува вкупно 29,647 гени во нејзиниот јадрен геном, од кои 620 кодираат за тРНК молекули,^[19] додека квасната габа Saccharomyces cerevisiae има 275 гени за тРНК во нејзиниот геном.

Хуманиот геном, кој, според најновите процени од 2013 година, поседува околу 20,848 гени за кодирање на белковини, има 497 јадрени гени за кодирање на цитоплазматски тРНК молекули и околу 324 тРНК-изведени псевдогени (тРНК-гени кои повеќе не се функционални).^[20] Некои региони во јадрените хромозоми поседуваат низи кои се многу слични на низите на митохондријалните тРНК-гени.^[21] Овие гени се дел од јадрената митохондриска ДНК (ДНК која во текот на еволуцијата била трансферирана од митохондријата во јадрото).^[21][22]

Митохондриите на луѓето, како и на сите други еукариоти, поседуваат 22 митохондријални гени за тРНК.

Во еукариотските клетки, тРНК молекулите се транскрибирани од страна на ензимот РНК полимераза III, во облик на пре-тРНК молекули, во јадрото на клетката.^[23] РНК-полимеразата III препознава две високо сочувани низводни промотерски низи: 5' итрагенскиот контролен регион (5'-ICR, D-контролен регион, или А кутија) и 3'-ICR (T-контролен регион или B кутија), во тРНК-гените.^[24][25] Првиот промотер започнува на +8 кај созреаните тРНК молекули, а вториот промотер се наоѓа 30-60 нуклеотиди низводно од првиот. Терминацијата на транскрипцијата е после низа од четири или повеќе тимидини.

Пре-тРНК молекулите подлежат на екстензивна модификација во внатрешноста на јадрото. Некои пре-тРНК молекули содржат интрони кои треба да се сплајсираат, или отсечат, за да се добие функционалната тРНК молекула;^[26] кај бактериите овие интрони самите себе се сплајсираат, додека кај еукариотите и археите нив ги сплајсираат тРНК-сплајсирачки ендонуклеази.^[27] Еукариотските пре-тРНК молекули содржат булбус-завојница-булбус (BHB) структурен мотив кој е битен за препознавање и прецизно сплајсирање на интроните од страна на ендонуклеазите.^[28] Позицијата и структурата на овој мотив се еволутивно сочувани. 3' CCA опашката се додава од страна на ензимот нуклеотидил трансфераза.^[29] Пред тРНК молекулите да бидат транспортирани во цитоплазмата од Los1/Xpo-т белковината,^[30][31] тие биваат аминоацилирани.^[32] Редоследот на овие процеси на преработка на пре-тРНК молекулите во созреани тРНК молекули не е ист кај сите организми. На пример, кај квасецот, сплајсирањето не се врши во клеточното јадро туку на цитоплазматската страна од митохондриската мембрана.^[33]

Постоењето на тРНК првично било замислено од страна на Френсис Крик, кој претпоставувал дека мора да постои некаква транспортна молекула, способна да посредува во „преводот“ од РНК „азбуката“ во белковинската „азбука“. Молекула со такви одлики скоро потоа била откриена од американските научници Малон Хогланд и Пол Заменик, кои првично ја нарекле растворлива РНК или сРНК.^[34][35] Значајни истражувања за структурата на тРНК биле извршени во почетокот на 1960-тите години, од страна на Александер Рич и Дон Каспар, двајца истражувачи од Бостон; потоа од групата на Жак Фреско при Универзитетот Принстон и група од Обединетото Кралство при Кралскиот колеџ во Лондон.^[36] Во текот на шеесеттите и раните седумдесетти години од 20 век, постоела интензивна конкуренција помеѓу неколку истражувачки групи во светот за решавање на 3D структурата на тРНК. Во 1965 година, Роберт В. Холи, од Универзитетот Корнел, ја објавил првичната структура на тРНК и предложил три вторични структури.^[37] тРНК за првпат била кристализирана во Медисон, Висконсин, од страна на Роберт М. Бок. Структурата на детелина била потврдена со уште неколку други студии во текот на наредните години,^[38] за конечно да биде потврдена од студии кои користеле рендгенска кристалографија, во 1974 година. Две независни групи, онаа на Ким Сунг-Ху, работејќи за Александер Рич, и британска група на чело со Арон Клуг, ги објавиле истите кристалографски наоди во распон од една година.^[39][40]

• иРНК
• Транслација
• Аминоацил тРНК синтетаза

• Процес на транслација - образовно видео на NDSU Virtual Cell Animations Архивирано на 10 август 2018 г. (англиски)
• Вторична структура и функција на тРНК - образовно видео на Medical preclinical Videos (англиски)
• Транслација: од РНК до белковина - образовно видео на DNA Learning Center (англиски)