Почему РНК менее стабильна, чем другие биомолекулы?

Рибонуклеиновая кислота действительно отличается весьма низкой стабильностью по сравнению с другими биомолекулами. В другом материале, посвященном трудности хранения РНК-препаратов, мы рассказывали о структурных уязвимостях, склонности к гидролизу из-за особенностей химического состава и воздействии белковых ферментов, которые расщепляют РНК сразу после выполнения их временных «обязанностей». В этой статье мы сфокусируемся на сравнительном анализе и покажем нестабильность РНК через призму эволюционных компромиссов и разделения функций.

РНК и ДНК

Как известно, углеводный остов нуклеотидов в молекулах ДНК лишен дополнительной гидроксильной группы. Это защищает их от спонтанного гидролиза, но также в значительной мере снижает реакционную способность. Кроме того, азотистые основания дезоксирибонуклеотидов плотно упакованы внутри двойных спиралей, что минимизирует возможность их контактов с внешними химическими агентами, окислителями и водой.

Конечно, ДНК нельзя назвать полностью инертной, ведь она может взаимодействовать с ферментами. Однако эти ферменты имеют сложную специализацию: они «знают», как расплести нужный участок двойной спирали, а потом восстановить его, не повредив геном. И в ходе эволюции защитные свойства ДНК закрепили за ней право быть генетическим «архивом», надежно спрятанным в ядре клетки.

В свою очередь РНК сохранила нестабильную одноцепочечную структуру и «лишнюю» гидроксильную группу, чтобы обеспечивать быструю адаптацию клетки к меняющимся условиям. «Неповоротливая» ДНК совершенно не годится для оперативного запуска и остановки биосинтеза. Она физически не может участвовать в этом процессе, одновременно выступая в роли сборочного «цеха», «чертежа» и «конвейера» с аминокислотами. Зато РНК, жертвуя стабильностью, обретает высокую химическую активность и гибкость для решения множества локальных задач.

РНК и белки

На молекулярном уровне белки, как и нуклеиновые кислоты, являются полимерами. Это означает, что они имеют структуру цепочек, а роль звеньев в них играют аминокислоты — органические соединения, одновременно проявляющие свойства кислот и оснований. В генетическом коде содержится информация о 20 стандартных аминокислотах (прим.ред.: всего в биохимии может быть задействовано до 22 видов). В процессе синтеза в рибосоме они соединяются друг с другом пептидными связями. Комбинации гидрофобных и гидрофильных компонентов позволяют белковым цепям сворачиваться в компактные комки — глобулы с защищенным сухим ядром и внешней частью, готовой к взаимодействиям в жидкой среде клетки.

Такая структура делает белки превосходными «строительными кирпичиками» для тканей живых организмов, а также точными инструментами метаболизма. Пептидная связь оказывается гораздо прочнее и устойчивее, чем фосфодиэфирная, характерная для РНК. Кроме того, изолированная форма глобулы придаёт ей дополнительную защиту от тепловых движений, перепадов кислотности и агрессивного воздействия молекул воды. В результате белки могут работать в экстремальных условиях, например, расщепляя пищу в сильнокислой среде желудка, они не разрушаются достаточно долго для успешного выполнения задачи.

Что касается РНК, у неё нет такого же гидрофобного ядра, как у белков. Кроме того, её фосфатный остов несёт отрицательный заряд, из-за чего разные участки молекулы отталкиваются друг от друга. И даже когда РНК с помощью ионов металлов сворачивается и принимает сложные формы, её структура всё равно остаётся «рыхлой», а фосфодиэфирные связи не имеют защиты от атак молекул воды или ферментов. Но в этом кроется и важное преимущество РНК — плотные белки не способны раскрыться, чтобы их последовательности можно было считать, а также не могут служить матрицей для синтеза других биомолекул, а рибонуклеиновая кислота выполняет обе этих функции.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение: Magnific