Експресията на всички гени започва с транскрипцията на тяхната нуклеотидна последователност. Транскрипцията е процес на превод на информация, написана на езика на последователността от дезоксирибонуклеотиди в сетивната верига на ДНК, на езика на последователността от рибонуклеотиди в иРНК. В този случай определен регион на една от двете ДНК вериги (антисенс) се използва като матрица за синтез на РНК чрез комплементарно сдвояване на бази.
Ензимите, които катализират процеса на транскрипция, са ДНК-зависими РНК полимерази. Освен това в прокариотите, например, в клетките на Escherichia coli, е открит само един вид от този ензим, който синтезира и трите вида РНК (тРНК, тРНК, рРНК). За разлика от тях, еукариотите имат три различни ДНК-зависими РНК полимерази, всяка от които е отговорна за транскрипцията на гени, кодиращи различни видове клетъчна РНК. Процесът на транскрипция, както и неговото ензимно оборудване, са най-добре проучени при прокариотите. Бактериалните РНК полимерази са сложни протеини, съставени от няколко различни субединици. Най-изследваният ензим холоензимРНК полимераза на E. coli, която съдържа пет различни полипептидни субединици: две a-вериги, една b- и една b'-вериги, s- и w-вериги. Алтернативна форма на ензима, наречена кораили миниензим, липсва s-субединица. Основният ензим катализира повечето от транскрипционните реакции на ДНК в РНК, но не може да инициира синтеза на РНК на правилното място, тъй като не е в състояние да разпознае промоторните места. Точното свързване и иницииране в промоторите се случват само след добавянето на sd субединицата към основния ензим и образуването на холоензима.
Подобно на други шаблонни процеси, транскрипцията включва 3 етапа: иницииране, удължаване и прекратяване.
Иницииране на транскрипция. Този процес изисква: холоензим, специална нуклеотидна последователност в ДНК (промотор) и набор от нуклеозидни трифосфати. Транскрипцията се инициира от образуването на стабилен комплекс между холоензима и специфична последователност, наречена промотор, разположена в началото на всички транскрипционни единици. Промоторът е секция от ДНК молекула, състояща се от приблизително 40 базови двойки и разположена непосредствено преди мястото на иницииране на транскрипцията. Той разграничава две важни и доста консервативни последователности. Един от тях се състои от шест или седем нуклеотида (обикновено TATAAT) и се намира на разстояние около 10 нуклеотида от първия транскрибиран нуклеотид (+1); този сигнал обикновено се нарича 10-последователност или Pribnov-Box, след неговия откривател. На това място РНК полимеразата се свързва с ДНК. Втората последователност е разположена на разстояние ~35 нуклеотида от иницииращото място и служи като място за разпознаване на промотора от РНК полимераза (фиг. 3.1).
Когато РНК полимеразата се свърже с промотор, настъпва локално развиване на двойната спирала на ДНК и се образува отворен промоторен комплекс. Той копира последователността от нуклеотиди на смисъла или (+)-верига на ДНК, която има посока 5→3'. В този случай синтезът на иРНК винаги започва с нуклеотиди А или G. Втората, антисенс ДНК верига служи като шаблон за синтеза на РНК верига (фиг. 3.2).
Транскрипцията е подобна на репликацията по това, че редът, в който се добавят рибонуклеотидите, се определя от комплементарно сдвояване на бази (Фигура 3.2). След образуването на първите няколко фосфодиестерни връзки (обикновено 5-10), d-субединицата се отделя от инициационния комплекс и по-нататъшната транскрипция се извършва с помощта на основния ензим.
Удължаване на транскрипцията. Нарастващата РНК верига остава свързана с ензима и сдвоена с нарастващия си край към част от шаблонната верига. Останалата част от получената верига не е свързана нито с ензима, нито с ДНК. Докато транскрипцията продължава, корензимът, движещ се по веригата на ДНК, действа като цип, развивайки двойната спирала, която се затваря зад ензима, и първоначалната му дуплексна структура се възстановява. Областта на ДНК, "отворена" от ензима, се простира само на няколко базови двойки (фиг. 3.3).
Растежът на РНК протича в посока от 5'- към 3'-края по протежение на шаблонната (-) верига, ориентирана в посока 3'→5', т.е. антипаралелно. Транскрипцията продължава непрекъснато, докато ензимът достигне мястото за прекратяване на транскрипцията.
Прекратяване на транскрипцията. ДНК последователности, които сигнализират за прекратяване на транскрипцията, се наричат транскрипционни терминатори. Те съдържат обърнати повторения, поради което 3' краищата на РНК транскриптите се сгъват, за да образуват шиповеразлични дължини (фиг. 3.4).
Намерени са два типа терминиращи сигнали – r-зависими и r-независими терминатори. r е олигомерен протеин, който се свързва плътно с РНК и в това състояние хидролизира АТФ до ADP и неорганичен фосфат. В един от моделите действието на r-протеина се обяснява с факта, че той се свързва със синтезираната РНК верига и се движи по нея в посока 5'→3' към мястото на синтеза на РНК; необходимата за неговото движение енергия се освобождава при хидролизата на АТФ. Ако r-протеинът срещне фиби, които се образуват в РНК, той спира полимеразата, която може да продължи транскрипцията. Механизмът на r-независимото прекратяване е по-малко разбран и много остава неясно.
В повечето случаи първичните транскрипти, произведени по описания по-горе начин, не са зрели РНК молекули, а изискват процес на съзряване, наречен РНК обработка. Обработкае много различен за прокариотните и еукариотните РНК.
При прокариотите първичните транскрипти, генерирани от транскрипцията на протеин-кодиращи гени, функционират като иРНК без допълнителна модификация или обработка. Освен това транслацията на иРНК често започва дори преди завършването на синтеза на 3'-края на транскрипта. Съвсем различна ситуация се наблюдава за прокариотни rRNA и tRNA молекули. В този случай клъстери от рРНК или тРНК гени често се транскрибират, за да образуват единична РНК верига. За образуването на зрели функционални форми трябва да се извърши специфично разрязване на първични РНК транскрипти и модификация. Тези молекулярни събития се наричат обработка на РНК или посттранскрипционна модификация. Първоначалното разцепване на първичните транскрипти на фрагменти, съдържащи или tRNA, или 16S-, 23S- или 5S-rRNA последователности се извършва от ендонуклеазната РНКаза III. Неговите цели са къси РНК дуплекси, образувани по време на вътрешномолекулно сдвояване на бази в последователности, фланкиращи всеки от сегментите на РНК . Тези комплементарни последователности образуват фиби, в които РНКаза въвежда прекъсвания, след което допълнителните последователности на разделителните участъци се отстраняват от други РНКази. Молекулите tRNA първо се синтезират като про-тРНК, която е с ~20% по-дълга от зрялата. Допълнителните последователности, разположени в 5' и 3' краищата, се отстраняват от рибонуклеазите Q и P. В допълнение, за образуването на зряла функционална tRNA изглежда, че специфичната модификация на базата и добавянето на една, две или всичките три 3' -CCA нуклеотиди трябва да се появят -край (акцепторен клон).
Узряването на РНК при еукариотите е много по-сложно. Първо, еукариотите имат ядро, което е отделено от цитоплазмата с ядрена мембрана. В ядрото се осъществява образуването на първични транскрипти, които са по-дълги от цитоплазмената иРНК, участваща в транслацията. Следователно образуването на зряла иРНК в еукариотите трябва да бъде предшествано от отстраняването интрониот последователността на транскрипт на hnRNA (този процес се нарича снажданеот английски. да снаждам - да преплитам, снаждам). След отстраняването на последователностите, съответстващи на интроните, секциите, от които се транскрибират екзони. Сплайсингът се катализира от протеин-РНК комплекси (snRNPs), които взаимодействат с hnRNA, за да образуват снаждане. Смята се, че РНК компонентът има каталитична активност в сплайсома. Тези РНК се наричат рибозими. Мястото на сплайсинг се определя в сплайсоми с висока точност, тъй като грешка дори от 1 нуклеотид може да доведе до изкривяване на структурата на протеина. За точно разпознаване в състава на интроните има специфични последователности - сигнали.
В допълнение към сплайсинга, иРНК в еукариотите претърпява модификация: в 5'-края се синтезира "шапка" (шапка) - структура, която представлява метилиран гуанозин трифосфатен остатък, който предпазва РНК от хидролиза от 5'-екзонуклеази. В 3'-края на про-тРНК се синтезира полиаденилатна последователност с дължина 150-200 нуклеотида, която се нарича "опашка". Тези структури участват в регулирането на експресията на еукариотния ген. Обработката на рРНК и тРНК в еукариотите е подобна на тази при прокариотите.
Съгласно принципа на секвениране информацията се прехвърля от ДНК към РНК към протеини: ДНК -> РНК -> протеин. В тази връзка нека се обърнем към съдържанието на транскрипцията (от лат. транскрипция-пренаписване), заедно с репликацията на ДНК, която е най-важният генетичен и молекулен механизъм. Транскрипцията е подобна на репликацията в много отношения, но, разбира се, има много функции. Едно от тях е, че при изясняване на съдържанието на транскрипцията е наложително да се вземе предвид структурата на гените. Факт е, че всички структурни единици на гените се възпроизвеждат при репликация, което не е така при транскрипцията.
Традиционно генът се определя като единица от наследствена информация, която определя изпълнението на определена функция от организма. Генът се състои от регулаторна и кодираща част. Транскрибира се само кодиращата част, която се състои от екзони и интрони. Тази транскрипция е характерна за незрялата РНК. Той намира своето продължение в крайния етап на транскрипция, при който всички интрони се изключват от незрялата РНК, а останалите екзони се комбинират. На мястото на промотора РНК полимеразата се свързва с регулаторната част на гена, което в резултат инициира началото на транскрипция върху една от двете ДНК вериги. На фиг. Фигура 6.8 показва диаграма на структурата на еукариотен ген, както и зряла и незряла РНК.
Някои от използваните по-горе термини очевидно се нуждаят от характеристика.
Ориз. 6.8.
Организатор (от фр. промоторосновател, инициатор) е последователност от ДНК нуклеотиди, която ви позволява да регулирате генната експресия. Той се намира близо до 5" гена и следователно непосредствено преди тази част от гена, която кодира РНК. Съществена характеристика на промотора е неговото специфично взаимодействие с ДНК-зависими протеини, които определят началото на транскрипцията чрез РНК полимераза. протеините се наричат транскрипционни фактори.
Заедно с промотора, регулаторната част на гена включва нуклеотидни последователности, които също имат значителен ефект върху генната експресия. Подобрители (английски, подобрител-усилвател, лупа) го усилват и заглушителите (от английски, заглушители- заглушител) потискат, но не сами, а само ако са изложени на транскрипционни фактори. Пространственото положение на енхансерите и заглушителите не е ясно дефинирано; те могат да бъдат разположени на по-малко или по-голямо разстояние от промотора.
екзон (английски) изразен регион- регион на експресия) - участък от ген, който кодира зряла РНК и протеини. Екзоните са първичните генетични единици, от които решаващо зависи появата на целия биологичен свят. Именно тяхната рекомбинация води до образуването на нови гени и протеини. Само 1,5% от ДНК генния състав определя синтеза на протеини. Друга част от този състав или изобщо не се транскрибира, или определя структурата на такива разновидности на РНК, например трансферни РНК, които нямат функцията на протеинов синтез.
Intron (от английски, интервенционни региони- междинни региони) - участък от ген, който не съдържа информация за зряла РНК и протеини. Биологичните функции на интроните се изучават много по-зле от функциите на екзоните. Има и големи противоречия относно произхода им: дали са възникнали заедно с прокариотите, или заедно с еукариотите, или дори по-късно от тях. Един човешки ген съдържа средно 8,8 екзона и 7,8 ингрона, но игроните са средно около 25 пъти по-дълги от екзоните.
След казаното не е трудно да си представим в общи линии целия процес на транскрипция (фиг. 6.9).
Ориз. 6.9.
Етап на иницииране. Под въздействието на ензими, по-специално подобрители, след като се присъедини към промотора, РНК полимеразата разрушава азотните бази (обозначени на фиг. 6.9 с къси вертикални линии) и избира клона на ДНК, който се превръща в шаблон за транскрипция (на фиг. 6.9. това е долната линия). Той също така създава око за транскрипция (на фигура 6.9 това е триъгълен капак). В същото време 10-20 двойки неклеотиди са изложени за етапа на удължаване. Интересно е, че в случай на транскрипция, няма нужда да се образува праймер, характерен за процеса на репликация на ДНК. Транскрипцията се извършва без грунд.
етап на удължаване. Под действието на РНК полимеразата се образува РНК в областта на транскрипционното око. За разлика от ДНК полимеразата, РНК полимеразата не е в състояние да коригира правилността на синтеза на РНК веригата и да коригира допуснатите грешки. Ако възникнат затруднения по време на синтеза, движението на РНК полимеразата се спира. В резултат на това се намалява вероятността от погрешно сглобяване на РНК. Транскрипцията не спира, окото се отдалечава от промотора. В тези области, които са преминали шпионката, дуплексната структура на ДНК се възстановява. Веригата на синтезираната РНК постепенно се удължава. Расте в посока 5"-3".
Етап на прекратяване. Възниква поради ефекта на спомагателни фактори върху РНК полимеразата. След като транскрипционната област бъде достигната от екзонуклеазите, транскрипцията спира и РНК полимеразата и РНК се отделят една от друга. ДНК напълно възстановява своята дуплексна структура.
Досега разглеждахме PI IK транскрипцията в най-общи линии, абстрахирайки се от няколко значими обстоятелства, по-специално, не беше взето предвид наличието на различни видове както РНК, така и РНК полимерази. Има следните видове РНК:
Информацията за всички видове РНК се съдържа в ДНК. Въпреки това, не всички от тях се транскрибират директно върху шаблонна ДНК.
Някои РНК са модификации на по-рано транскрибирани РНК. За нас, запознавайки се с основите на молекулярната генетика, най-голям интерес представляват РНК, участващи директно в синтеза на протеини. Има само 5 вида от тях (Таблица 6.4).
Таблица 6.4
РНК участва в протеиновия синтез
* Messenger RNA - същото като информационната RNA; ** SPR - съкр. Английски частица за разпознаване на сигнал- частици, които разпознават сигнали.
Транскрипцията на всички РНК се осъществява чрез действието на определени РНК полимерази или техните комбинации. В табл. 6.5 показва основните три типа РНК полимерази.
Таблица 6.5
Видове РНК полимерази
Малките (къси) RGC са различни от дългите РНК. МикроРНК са вид малки РНК, които съставляват 98% от целия рибонуклеотиден материал.
В заключение на раздела отбелязваме, че наред с директната транскрипция е възможна и обратна транскрипция. Способността да се транскрибира РНК в ДНК се притежава от ретровируси, по-специално ХИВ, който е отговорен за СПИН. Ретровирусът навлиза в клетката. Специален ензим обратна транскриптаза извършва транскрипцията на РНК -» ДНК. След това, върху получената ДНК верига, както върху матрица, втората ДНК верига е завършена. След това се реализира цикълът ДНК -> РНК -» протеини. Някои еукариоти съдържат ензима теломераза, който също инициира обратна транскрипция. При формулирането на принципа на последователността трябва да се вземе предвид феноменът на обратната транскрипция. Не трябва да се тълкува като отричане на обратната транскрипция.
- Генът се състои от регулаторна и кодираща част.
- Кодиращата част на гена включва екзони и интрони.
- Интроните не се транскрибират в зряла РНК.
- Транскрипцията включва стъпките на иницииране, удължаване и прекратяване.
- Има различни видове и типове както PIIK, така и PIK транскрипционни полимерази.
- Синтезът на всяка РНК се извършва от една или няколко полимерази, а не без участието на протеинови ензими.
- СахаркарМ. K., Chow V.T., Kangueane R. Разпределения на екзони и интрони в човешкия геном // In Silicio Biology. 2004 Vol. 4. Не 4. С. 387-393.
Животът във въглеродна форма съществува поради наличието на протеинови молекули. А биосинтезата на протеин в клетката е единствената възможност за генна експресия. Но реализирането на този процес изисква стартирането на редица процеси, свързани с „разопаковането“ на генетичната информация, търсенето на желания ген, неговото разчитане и възпроизвеждане. Терминът "транскрипция" в биологията просто се отнася до процеса на прехвърляне на информация от ген към информационна РНК. Това е началото на биосинтезата, тоест директното внедряване на генетична информация.
Съхранение на генетична информация
В клетките на живите организми генетичната информация е локализирана в ядрото, митохондриите, хлоропластите и плазмидите. Митохондриите и хлоропластите съдържат малко количество животинска и растителна ДНК, докато бактериалните плазмиди са мястото на съхранение на гени, отговорни за бързото адаптиране към условията на околната среда.
Във вирусните тела наследствената информация също се съхранява под формата на РНК или ДНК полимери. Но процесът на неговото изпълнение е свързан и с необходимостта от транскрипция. В биологията този процес е от изключително значение, тъй като именно този процес води до реализиране на наследствена информация, задействаща биосинтеза на протеин.
В животинските клетки наследствената информация е представена от ДНК полимер, който е компактно опакован вътре в ядрото. Следователно, преди синтеза на протеин или разчитането на който и да е ген, трябва да преминат някои етапи: развиване на кондензирания хроматин и „освобождаване“ на желания ген, разпознаването му от ензимни молекули, транскрипция.
В биологията и биологичната химия тези етапи вече са проучени. Те водят до синтеза на протеин, чиято първична структура е кодирана в прочетения ген.
Схема на транскрипция в еукариотни клетки
Въпреки че транскрипцията в биологията не е достатъчно проучена, нейната последователност традиционно се представя под формата на диаграма. Състои се от иницииране, удължаване и завършване. Това означава, че целият процес е разделен на три компонента на своите явления.
Инициирането е набор от биологични и биохимични процеси, които водят до началото на транскрипцията. Същността на удължаването е да продължи изграждането на молекулярната верига. Терминирането е набор от процеси, които водят до прекратяване на синтеза на РНК. Между другото, в контекста на биосинтеза на протеини, процесът на транскрипция в биологията обикновено се идентифицира със синтеза на информационна РНК. Въз основа на него по-късно ще бъде синтезирана полипептидна верига.
Посвещение
Инициацията е най-слабо разбираемият механизъм на транскрипция в биологията. Какво е това от гледна точка на биохимията, не е известно. Тоест специфичните ензими, отговорни за започване на транскрипцията, изобщо не се разпознават. Неизвестни са също вътреклетъчните сигнали и методите за тяхното предаване, които показват необходимостта от синтеза на нов протеин. За цитологията и биохимията това е основна задача.
Удължаване
Все още не е възможно да се отделят процеса на иницииране и удължаване във времето поради невъзможността за провеждане на лабораторни изследвания, предназначени да потвърдят наличието на специфични ензими и тригерни фактори. Следователно тази граница е много условна. Същността на процеса на удължаване се свежда до удължаване на растяща верига, синтезирана на базата на ДНК шаблон регион.
Смята се, че удължаването започва още след първата транслокация на РНК полимераза и началото на прикрепването на първия кадон към изходното място на РНК. В хода на удължаването, кадоните се четат по посока на 3'-5' веригата в деспирализираната и разделена на две вериги ДНК област. В същото време нарастващата РНК верига се добавя с нови нуклеотиди, комплементарни към ДНК матрицата. В този случай ДНК е „бродирана“ до ширина от 12 нуклеотида, тоест до 4 канона.
Ензимът РНК полимераза се движи по нарастващата верига и „зад“ нея се случва обратното „омрежване“ на ДНК в двуверижна структура с възстановяване на водородните връзки между нуклеотидите. Това отчасти отговаря на въпроса какъв процес се нарича транскрипция в биологията. Именно удължаването е основната фаза на транскрипцията, тъй като в нейния ход се сглобява т. нар. медиатор между гена и протеиновия синтез.
Прекратяване на договора
Процесът на терминация в транскрипцията на еукариотни клетки е слабо разбран. Досега учените са намалили същността му до прекратяване на отчитането на ДНК в 5 "края и добавяне на група аденинови бази към 3" края на РНК. Последният процес прави възможно стабилизирането на химическата структура на получената РНК. Има два вида терминация в бактериалните клетки. Това е Rho-зависим и Rho-независим процес.
Първият протича в присъствието на Rho протеина и се свежда до просто разкъсване на водородни връзки между матрицата на ДНК и синтезираната РНК. Вторият, Rho-независим, възниква след появата на стволовият брим, ако зад него има набор от урацилови бази. Тази комбинация води до отделяне на РНК от ДНК шаблона. Очевидно е, че терминирането на транскрипцията е ензимен процес, но все още не са открити неговите специфични биокатализатори.
Вирусна транскрипция
Вирусните тела нямат собствена система за биосинтез на протеини и следователно не могат да се размножават, без да използват клетките. Но вирусите имат собствен генетичен материал, който трябва да бъде осъзнат, както и вграден в гените на заразените клетки. За да направят това, те имат редица ензими (или използват клетъчни ензимни системи), които транскрибират тяхната нуклеинова киселина. Тоест този ензим, базиран на генетичната информация на вируса, синтезира аналог на информационната РНК. Но това изобщо не е РНК, а ДНК полимер, комплементарен на гените, например при хората.
Това напълно нарушава традиционните принципи на транскрипция в биологията, които трябва да бъдат разгледани в примера на ХИВ вируса. Неговият ензим реверстаза от вирусна РНК е способен да синтезира ДНК, комплементарна на човешката нуклеинова киселина. Процесът на синтезиране на комплементарна ДНК от РНК се нарича обратна транскрипция. Това е в биологията дефиницията на процеса, отговорен за вграждането на наследствената информация на вируса в човешкия геном.
Първо, установете последователността от стъпки в биосинтезата на протеини, като се започне с транскрипцията. Цялата последователност от процеси, протичащи по време на синтеза на протеинови молекули, може да се комбинира в 2 етапа:
Транскрипция.
Излъчване.
Структурни единици на наследствената информация са гените - участъци от молекулата на ДНК, които кодират синтеза на определен протеин. По отношение на химическата организация, материалът за наследственост и променливост на про- и еукариотите не се различава фундаментално. Генетичният материал в тях е представен в молекулата на ДНК, принципът на записване на наследствена информация и генетичния код също е общ. Същите аминокиселини в про- и еукариотите са криптирани от едни и същи кодони.
Геномът на съвременните прокариотни клетки се характеризира с относително малък размер, ДНК на Escherichia coli има формата на пръстен, дълъг около 1 mm. Съдържа 4 х 10 6 базови двойки, образуващи около 4000 гена. През 1961 г. F. Jacob и J. Monod откриват цистронната или непрекъсната организация на прокариотните гени, които се състоят изцяло от кодиращи нуклеотидни последователности и се реализират изцяло по време на протеиновия синтез. Наследственият материал на ДНК молекулата на прокариотите се намира директно в цитоплазмата на клетката, където също се намират необходимите за генната експресия tRNA и ензимите Експресията е функционалната активност на гените, или генната експресия. Следователно, иРНК, синтезирана с ДНК, е в състояние незабавно да действа като шаблон в процеса на транслация на протеиновия синтез.
Еукариотният геном съдържа много повече наследствен материал. При хората общата дължина на ДНК в диплоидния набор от хромозоми е около 174 см. Съдържа 3 х 10 9 базови двойки и включва до 100 000 гена. През 1977 г. е открит прекъсване в структурата на повечето еукариотни гени, което е наречено "мозайчен" ген. Той има кодиращи нуклеотидни последователности екзониченИ интронпарцели. За протеиновия синтез се използва само информация за екзон. Броят на интроните варира в различните гени. Установено е, че генът на пилешкия овалбумин включва 7 интрона, а генът на проколаген от бозайници - 50. Функциите на тихата ДНК - интрони не са напълно изяснени. Предполага се, че те осигуряват: 1) структурната организация на хроматина; 2) някои от тях очевидно участват в регулацията на генната експресия; 3) интроните могат да се разглеждат като хранилище на информация за променливост; 4) те могат да играят защитна роля, поемайки действието на мутагени.
Транскрипция
Процесът на пренаписване на информация в клетъчното ядро от част от ДНК молекула към тРНК молекула (иРНК) се нарича транскрипция(лат. Transcriptio - пренаписване). Първичният продукт на гена, иРНК, се синтезира. Това е първата стъпка в протеиновия синтез. На съответния участък от ДНК ензимът РНК полимераза разпознава знака на началото на транскрипцията - предварителен прегледЗа начална точка се счита първият ДНК нуклеотид, който е включен от ензима в РНК транскрипта. По правило кодиращите региони започват с кодона AUG, понякога GUG се използва в бактерии. Когато РНК-полимеразата се свърже с промотора, двойната спирала на ДНК се развързва локално и една от нишките се копира съгласно принципа на комплементарност. иРНК се синтезира, скоростта й на сглобяване достига 50 нуклеотида в секунда. Докато РНК полимеразата се движи, веригата на иРНК нараства и когато ензимът достигне края на мястото на копиране - терминатор, иРНК се отдалечава от шаблона. Двойната спирала на ДНК зад ензима е възстановена.
Транскрипцията на прокариотите се извършва в цитоплазмата. Поради факта, че ДНК се състои изцяло от кодиращи нуклеотидни последователности, следователно, синтезираната иРНК незабавно действа като шаблон за транслация (виж по-горе).
Транскрипцията на иРНК в еукариотите се извършва в ядрото. Започва със синтеза на големи молекули – предшественици (про-тРНК), наречени незряла, или ядрена РНК.Първичният продукт на гена на про-тРНК е точно копие на транскрибираната ДНК област, включва екзони и интрони. Процесът на образуване на зрели РНК молекули от прекурсори се нарича обработка. Узряването на иРНК се извършва чрез снажданеса резници от ензими рестриктазаинтрони и свързване на места с транскрибирани екзонови последователности чрез лигазни ензими. (Фиг.) Зрялата иРНК е много по-къса от про-тРНК прекурсорните молекули, размерът на интроните в тях варира от 100 до 1000 нуклеотида или повече. Интроните представляват около 80% от цялата незряла иРНК.
Сега е доказано, че е възможно алтернативно снаждане,в който нуклеотидни последователности могат да бъдат изтрити от един първичен транскрипт в различните му региони и ще се образуват няколко зрели иРНК. Този тип сплайсинг е характерен за имуноглобулиновата генна система при бозайници, което прави възможно образуването на различни видове антитела на базата на единичен транскрипт на иРНК.
След завършване на обработката, зрялата иРНК се избира преди да напусне ядрото. Установено е, че само 5% от зрялата иРНК навлиза в цитоплазмата, а останалата част се разцепва в ядрото.
Излъчване
Транслация (лат. Translatio – пренасяне, пренасяне) – транслацията на информацията, съдържаща се в нуклеотидната последователност на молекулата на иРНК, в аминокиселинната последователност на полипептидната верига (фиг. 10). Това е вторият етап от протеиновия синтез. Трансферът на зряла иРНК през порите на ядрената обвивка произвежда специални протеини, които образуват комплекс с молекулата на РНК. В допълнение към транспорта на иРНК, тези протеини предпазват тРНК от увреждащото въздействие на цитоплазмените ензими. В процеса на транслация тРНК играят централна роля; те осигуряват точното съответствие на аминокиселината с кода на триплета на иРНК. Процесът на транслация-декодиране протича в рибозомите и се осъществява в посока от 5 до 3. Комплексът от иРНК и рибозоми се нарича полизома.
Преводът може да бъде разделен на три фази: започване, удължаване и прекратяване.
Посвещение.
На този етап се сглобява целият комплекс, участващ в синтеза на протеиновата молекула. Има обединение на две рибозомни субединици на определено място на иРНК, към него е прикрепен първият аминоацил - tRNA и това задава рамката за четене на информация. Всяка молекула иРНК съдържа място, което е комплементарно към рРНК на малката субединица на рибозомата и се контролира специално от нея. До него е иницииращият стартов кодон AUG, който кодира аминокиселината метионин.
Удължаване
- включва всички реакции от момента на образуване на първата пептидна връзка до присъединяването на последната аминокиселина. Рибозомата има две места за свързване на две tRNA молекули. Първата t-РНК с аминокиселината метионин се намира в една секция, пептидил (P), и от нея започва синтеза на всяка белтъчна молекула. Втората молекула t-RNA навлиза във второто място на рибозомата – аминоацил (А) и се прикрепя към нейния кодон. Между метионина и втората аминокиселина се образува пептидна връзка. Втората тРНК се движи заедно със своя кодон на иРНК към пептидилния център. Движението на tRNA с полипептидната верига от аминоацилния център към пептидилния център е придружено от напредването на рибозомата по протежение на иРНК чрез стъпка, съответстваща на един кодон. tRNA, която доставя метионина, се връща в цитоплазмата и амноацилният център се освобождава. Той получава нова t-RNA с аминокиселина, криптирана от следващия кодон. Между третата и втората аминокиселини се образува пептидна връзка, а третата тРНК заедно с кодона на иРНК се премества към пептидилния център Процесът на удължаване, удължаване на протеиновата верига. Продължава, докато един от трите кодона, които не кодират аминокиселини, не влезе в рибозомата. Това е терминаторен кодон и за него няма съответна тРНК, така че нито една от тРНК не може да заеме място в аминоацилния център.
Прекратяване на договора
- завършване на полипептидния синтез. Той е свързан с разпознаването от специфичен рибозомен протеин на един от терминиращите кодони (UAA, UAG, UGA), когато той навлезе в аминоацилния център. Към рибозомата е прикрепен специален терминиращ фактор, който насърчава разделянето на рибозомните субединици и освобождаването на синтезираната протеинова молекула. Водата е прикрепена към последната аминокиселина на пептида и карбоксилният му край се отделя от tRNA.
Сглобяването на пептидната верига се извършва с висока скорост. В бактериите при температура 37°C се изразява в добавяне на 12 до 17 аминокиселини в секунда към полипептида. В еукариотните клетки две аминокиселини се добавят към полипептид за една секунда.
След това синтезираната полипептидна верига навлиза в комплекса на Голджи, където завършва изграждането на протеиновата молекула (последователно се появяват втората, третата, четвъртата структури). Тук има комплексиране на протеинови молекули с мазнини и въглехидрати.
Целият процес на протеинова биосинтеза е представен под формата на схема: ДНК ® про mRNA ® mRNA ® полипептидна верига ® протеин ® протеинов комплекс и тяхното трансформиране във функционално активни молекули.
Етапите на внедряване на наследствена информация също протичат по подобен начин: първо тя се транскрибира в нуклеотидната последователност на иРНК и след това се транслира в аминокиселинната последователност на полипептида върху рибозомите с участието на тРНК.
Транскрипцията на еукариоти се извършва под действието на три ядрени РНК полимерази. РНК полимераза 1 се намира в ядрото и е отговорна за транскрипцията на rRNA гени. РНК полимераза 2 се намира в ядрения сок и е отговорна за синтеза на предшественика на иРНК. РНК полимераза 3 е малка фракция в ядрения сок, която синтезира малки рРНК и тРНК. РНК полимеразите специфично разпознават нуклеотидната последователност на транскрипционния промотор. Еукариотната иРНК първо се синтезира като предшественик (про-иРНК), информацията от екзони и интрони се отписва на нея. Синтезираната иРНК е по-голяма от необходимата за транслация и е по-малко стабилна.
В процеса на узряване на молекулата на иРНК, интроните се изрязват с помощта на рестрикционни ензими, а екзоните се зашиват с помощта на лигазни ензими. Узряването на тРНК се нарича обработка, а свързването на екзоните се нарича сплайсинг. По този начин зрялата иРНК съдържа само екзони и е много по-къса от своя предшественик, про-иРНК. Размерите на интрона варират от 100 до 10 000 нуклеотида или повече. Интоните представляват около 80% от цялата незряла иРНК. Понастоящем е доказана възможността за алтернативно сплайсинг, при който нуклеотидните последователности могат да бъдат изтрити от един първичен транскрипт в различните му региони и ще се образуват няколко зрели иРНК. Този тип сплайсинг е характерен за имуноглобулиновата генна система при бозайници, което прави възможно образуването на различни видове антитела на базата на единичен транскрипт на иРНК. След завършване на обработката, зрялата иРНК се избира преди да бъде освободена в цитоплазмата от ядрото. Установено е, че влизат само 5% от зрялата иРНК, а останалата част се разцепва в ядрото. Трансформацията на първичните транскриптони на еукариотните гени, свързана с тяхната екзон-интронна организация и във връзка с прехода на зряла иРНК от ядрото към цитоплазмата, определя особеностите на реализацията на генетичната информация на еукариотите. Следователно, еукариотният мозаичен ген не е цистрономен ген, тъй като не цялата ДНК последователност се използва за протеинов синтез.
ДНК - носител на цялата генетична информация в клетката - не взема пряко участие в синтеза на протеини. В животинските и растителните клетки ДНК молекулите се съдържат в хромозомите на ядрото и са отделени с ядрена мембрана от цитоплазмата, където се синтезират протеини. Към рибозомите - места за сглобяване на протеини - от ядрото се изпраща информационен носител, способен да преминава през порите на ядрената мембрана. Месинджър РНК (i-RNA) е такъв посредник. Според принципа на комплементарността се чете от ДНК с участието на ензим, наречен РНК полимераза. Процесът на четене (или по-скоро отписване) или синтез на РНК, извършен от РНК полимераза, се нарича транскрипция (лат. transcriptio - пренаписване). Месинджър РНК е едноверижна молекула и транскрипцията идва от една верига на двуверижна ДНК молекула. Ако нуклеотидът G е в транскрибираната ДНК верига, тогава РНК полимеразата включва C в РНК, ако е T, включва A, ако е A, включва y (РНК не включва T) (фиг. 46) . По дължина всяка от молекулите на иРНК е стотици пъти по-къса от ДНК. Месинджър РНК не е копие на цялата молекула на ДНК, а само на част от нея – един ген или група от съседни гени, които носят информация за структурата на протеините, необходими за изпълнение на една функция. При прокариотите тази група гени се нарича оперон. Ще прочетете за това как гените се комбинират в оперон и как е организиран контролът на транскрипцията в раздела за биосинтеза на протеини. В началото на всеки оперон е вид място за кацане на РНК полимераза, наречено промотор. Това е специфична последователност от ДНК нуклеотиди, която ензимът разпознава чрез химичен афинитет. Само като се прикрепи към промотора, РНК полимеразата е в състояние да започне синтеза на иРНК. Достигайки края на оперона, ензимът среща сигнал (под формата на определена последователност от нуклеотиди), показващ края на четенето. Готовата иРНК се отдалечава от ДНК и отива до мястото на синтеза на протеин. Има четири етапа в описания процес на транскрипция:
1) Свързване на РНК полимераза към промотора;
2) Инициация – началото на синтеза. Състои се в образуването на първата фосфодиестерна връзка между АТФ или GTP и втория нуклеотид на синтезираната РНК молекула;
3) удължаване - растежът на РНК верига, т.е. последователното прикрепване на нуклеотиди един към друг в реда, в който комплементарните нуклеотиди са в транскрибираната ДНК верига. Скоростта на удължаване достига 50 нуклеотида в секунда;
4) терминация - завършване на синтеза на иРНК.
