Minden gén expressziója a nukleotidszekvenciájának átírásával kezdődik. A transzkripció az a folyamat, amely a DNS szensz szálában található dezoxiribonukleotidok szekvenciájának nyelvén írt információkat az mRNS-ben lévő ribonukleotidok szekvenciájának nyelvére fordítja. Ebben az esetben a két DNS-szál egyikének egy bizonyos régióját (antiszensz) használják templátként az RNS-szintézishez komplementer bázispárosítással.
A transzkripciós folyamatot katalizáló enzimek DNS-függő RNS polimerázok. Ráadásul a prokariótákban, például az Escherichia coli sejtjeiben ennek az enzimnek csak egy típusát találták meg, amely mindhárom RNS-típust szintetizálja (mRNS, tRNS, rRNS). Ezzel szemben az eukarióták három különböző DNS-függő RNS polimerázzal rendelkeznek, amelyek mindegyike felelős a különböző típusú sejtes RNS-t kódoló gének átírásáért. A transzkripciós folyamatot, valamint annak enzimatikus berendezését prokariótákban tanulmányozták a legjobban. A bakteriális RNS polimerázok összetett fehérjék, amelyek több különböző alegységből állnak. A legtöbbet tanulmányozott enzim holoenzim E. coli RNS polimeráz, amely öt különböző polipeptid alegységet tartalmaz: két a-láncot, egy b- és egy b'-láncot, s- és w-láncot. Az enzim alternatív formája az ún ugat vagy minienzim, hiányzik az s-alegység. A magenzim katalizálja a legtöbb DNS-transzkripciós reakciót RNS-vé, de nem tudja a megfelelő helyen elindítani az RNS szintézist, mivel nem képes felismerni a promoter helyeket. Pontos kötődés és iniciáció a promoterekben csak az sd alegységnek a magenzimhez való hozzáadása és a holoenzim képződése után következik be.
A többi sablonfolyamathoz hasonlóan a transzkripció 3 szakaszból áll: iniciáció, meghosszabbítás és befejezés.
Átírás kezdeményezése. Ehhez a folyamathoz szükséges: egy holoenzim, egy speciális nukleotidszekvencia a DNS-ben (promoter) és egy sor nukleozid-trifoszfát. A transzkripciót a holoenzim és az összes transzkripciós egység elején elhelyezkedő specifikus szekvencia, az úgynevezett promoter közötti stabil komplex képződése indítja el. A promóter egy DNS-molekula szakasza, amely körülbelül 40 bázispárból áll, és közvetlenül a transzkripció kezdete előtt helyezkedik el. Két fontos és meglehetősen konzervatív sorozatot különböztet meg. Az egyik hat vagy hét nukleotidból áll (általában TATAAT), és körülbelül 10 nukleotid távolságra található az első átírt nukleotidtól (+1); ezt a jelet általában 10-es szekvenciának vagy Pribnov-Boxnak nevezik, felfedezője után. Ezen a helyen az RNS polimeráz a DNS-hez kötődik. A második szekvencia az iniciációs helytől kb. 35 nukleotid távolságra található, és a promoter RNS-polimeráz általi felismerésének helyeként szolgál (3.1. ábra).
Amikor az RNS-polimeráz egy promoterhez kötődik, a DNS kettős hélix lokális feltekercselődése következik be, és nyílt promoter komplex képződik. Másolja a szensz vagy (+) DNS-szál nukleotidszekvenciáját, amelynek iránya 5→3'. Ebben az esetben az mRNS szintézis mindig az A vagy G nukleotiddal kezdődik. A második, antiszensz DNS-szál templátként szolgál egy RNS-lánc szintéziséhez (3.2. ábra).
A transzkripció hasonló a replikációhoz, mivel a ribonukleotidok hozzáadásának sorrendjét a komplementer bázispárosítás határozza meg (3.2. ábra). Az első néhány foszfodiészter kötés (általában 5-10) kialakulása után a d-alegység leválik az iniciációs komplexről, és a további transzkripció a magenzim segítségével történik.
Átírási megnyúlás. A növekvő RNS-szál az enzimhez kötve marad, és a növekvő végével párosul a templátszál egy részéhez. A keletkező lánc többi része nem kapcsolódik sem az enzimhez, sem a DNS-hez. Ahogy a transzkripció folytatódik, a DNS-lánc mentén mozgó korenzim cipzárként működik, feltekerve az enzim mögött bezáródó kettős hélixet, és visszaáll az eredeti duplex szerkezet. Az enzim által "nyitott" DNS-régió csak néhány bázispárra terjed ki (3.3. ábra).
Az RNS növekedése az 5'-végtől a 3'-végig halad a templát (-) szál mentén, 3'→5' irányba orientálva, azaz antiparallel. A transzkripció folyamatosan folytatódik, amíg az enzim el nem éri a transzkripciós terminációs helyet.
Az átírás befejezése. A transzkripció befejezését jelző DNS-szekvenciákat transzkripciós terminátoroknak nevezzük. Fordított ismétlődéseket tartalmaznak, amelyeknek köszönhetően az RNS-transzkriptumok 3' végei össze vannak hajtva, hogy kialakuljon. szegecsek különböző hosszúságúak (3.4. ábra).
Kétféle lezáró jel található - r-függő és r-független terminátor. r egy oligomer fehérje, amely szorosan kötődik az RNS-hez, és ebben az állapotban hidrolizálja az ATP-t ADP-vé és szervetlen foszfáttá. Az egyik modellben az r-protein hatását azzal magyarázzák, hogy a szintetizált RNS-lánchoz kötődik, és azon haladva 5'→3' irányban az RNS szintézis helyéig mozog; mozgásához szükséges energia az ATP hidrolízise során szabadul fel. Ha az r-protein az RNS-ben képződő hajtűvel találkozik, leállítja a polimerázt, amely folytathatja a transzkripciót. Az r-független termináció mechanizmusa kevésbé ismert, és sok még tisztázatlan.
A legtöbb esetben a fent leírt módon előállított elsődleges transzkriptumok nem érett RNS-molekulák, hanem egy RNS-feldolgozásnak nevezett érési folyamatot igényelnek. Feldolgozás nagyon eltérő a prokarióta és eukarióta RNS-ek esetében.
A prokariótákban a fehérjét kódoló gének transzkripciója által generált elsődleges transzkriptumok mRNS-ként működnek további módosítás vagy feldolgozás nélkül. Ezenkívül az mRNS transzláció gyakran még a transzkriptum 3'-végének szintézisének befejeződése előtt megkezdődik. Teljesen más helyzet figyelhető meg a prokarióta rRNS és tRNS molekulák esetében. Ebben az esetben az rRNS- vagy tRNS-gének klaszterei gyakran átíródnak egyetlen RNS-szálat alkotva. Az érett funkcionális formák kialakulásához az elsődleges RNS-transzkriptumok specifikus bemetszésének és módosításának kell történnie. Ezeket a molekuláris eseményeket RNS-feldolgozásnak, ill transzkripció utáni módosítás. A primer transzkriptumok kezdeti hasítását tRNS-t vagy 16S-, 23S- vagy 5S-rRNS-szekvenciát tartalmazó fragmensekre az RNáz III endonukleáz végzi, célpontjai az intramolekuláris bázispárosodás során létrejövő rövid RNS-duplexek az egyes RNS-szegmenseket szegélyező szekvenciákban. . Ezek a komplementer szekvenciák hajtűket alkotnak, amelyekben az RNáz töréseket vezet be, majd a spacer régiók extra szekvenciáit más RNázok eltávolítják. A tRNS-molekulákat először pro-tRNS-ként szintetizálják, amely ~20%-kal hosszabb, mint az érett. Az 5' és 3' végén található extra szekvenciákat a Q és P ribonukleázok távolítják el. Ezen túlmenően, az érett funkcionális tRNS kialakításához úgy tűnik, hogy specifikus bázismódosítás és egy, kettő vagy mindhárom 3'-végződés hozzáadása szükséges. -CCA nukleotidoknak kell előfordulniuk.-vég (akceptor ág).
Az eukariótákban az RNS érése sokkal bonyolultabb. Először is, az eukariótáknak van egy magjuk, amelyet nukleáris membrán választ el a citoplazmától. A sejtmagban primer transzkriptumok képződése megy végbe, amelyek hosszabbak, mint a transzlációban részt vevő citoplazmatikus mRNS. Ezért az érett mRNS képződését az eukariótákban az eltávolításnak meg kell előznie intronok a hnRNS transzkriptum szekvenciából (ezt a folyamatot ún toldás angolról. összefűzni – összefonni, összefűzni). Az intronoknak megfelelő szekvenciák eltávolítása után azok a szakaszok, amelyekről átíródnak exonok. A splicingot fehérje-RNS komplexek (snRNP-k) katalizálják, amelyek kölcsönhatásba lépnek a hnRNS-sel, és képződnek splicesome. Úgy gondolják, hogy az RNS-komponens katalitikus aktivitással rendelkezik a spliceszómában. Ezeket az RNS-eket nevezzük ribozimek. Az illesztési helyet nagy pontossággal határozzuk meg a spliceszómákban, mivel akár 1 nukleotid hibája is a fehérje szerkezetének torzulásához vezethet. Az intronok összetételében a pontos felismeréshez speciális szekvenciák - jelek vannak.
A splicing mellett az eukarióták mRNS-e módosul: az 5'-végen egy "sapka" (kalap) szintetizálódik - ez a szerkezet egy metilált guanozin-trifoszfát-maradék, amely megvédi az RNS-t az 5'-exonukleázok általi hidrolízistől. A pro-mRNS 3'-végén egy 150-200 nukleotid hosszúságú poliadenilát szekvencia szintetizálódik, amelyet "faroknak" neveznek. Ezek a struktúrák részt vesznek az eukarióta génexpresszió szabályozásában. Az rRNS és a tRNS feldolgozása eukariótákban hasonló a prokariótákhoz.
A szekvenálási elv szerint az információ a DNS-ből az RNS-be a fehérjékbe: DNS-be kerül -> RNS -> fehérje. Ezzel kapcsolatban térjünk át az átírás tartalmára (lat. átírás-újraírás), valamint a DNS-replikáció, amely a legfontosabb genetikai és molekuláris mechanizmus. Az átírás sok tekintetben hasonlít a replikációhoz, de természetesen számos funkciója van. Ezek egyike, hogy a transzkripció tartalmának tisztázásakor feltétlenül figyelembe kell venni a gének szerkezetét. A tény az, hogy a gének összes szerkezeti egysége replikáció során reprodukálódik, ami nem igaz a transzkripciónál.
Hagyományosan a gént az örökletes információ egységeként határozzák meg, amely meghatározza egy szervezet egy bizonyos funkciójának teljesítményét. A gén egy szabályozó és kódoló részből áll. Csak az exonokból és intronokból álló kódoló rész kerül átírásra. Ez a transzkripció az éretlen RNS-re jellemző. Folytatását a transzkripció utolsó szakaszában találja meg, amelyben az összes intront kizárják az éretlen RNS-ből, és a fennmaradó exonokat egyesítik. A promoter helyén az RNS-polimeráz a gén szabályozó részéhez kötődik, ami ennek eredményeként elindítja a transzkripció beindulását a két DNS-szál egyikén. ábrán A 6.8. ábra egy eukarióta gén, valamint az érett és éretlen RNS szerkezetét mutatja be.
A fent használt kifejezések némelyike nyilvánvalóan jellemzésre szorul.
Rizs. 6.8.
Promóter (fr. promóter alapító, kezdeményező) egy DNS-nukleotid szekvencia, amely lehetővé teszi a génexpresszió szabályozását. Az 5" gén közelében található, tehát közvetlenül a gén RNS-t kódoló része előtt. A promoter lényeges jellemzője a DNS-függő fehérjékkel való specifikus kölcsönhatása, amelyek meghatározzák az RNS-polimerázon keresztüli transzkripció kezdetét. Ilyen A fehérjéket transzkripciós faktoroknak nevezzük.
A gén szabályozó része a promoter mellett olyan nukleotidszekvenciákat tartalmaz, amelyek szintén jelentős hatással vannak a génexpresszióra. Fokozók (angol, fokozó- erősítő, nagyító) erősítik, és hangtompítók (angol nyelvből, hangtompítók- hangtompító) elnyomják, de nem önmagukban, hanem csak akkor, ha transzkripciós faktoroknak vannak kitéve. Az erősítők és hangtompítók térbeli elhelyezkedése nincs egyértelműen meghatározva, előfordulhat, hogy kisebb vagy nagyobb távolságra helyezkednek el a promótertől.
exon (angol) kifejezett régió- expressziós régió) - érett RNS-t és fehérjéket kódoló gén szakasza. Az exonok azok az elsődleges genetikai egységek, amelyektől az egész biológiai világ megjelenése döntően függ. Ezek rekombinációja új gének és fehérjék kialakulásához vezet. A DNS génösszetételének mindössze 1,5%-a határozza meg a fehérjék szintézisét. Ennek az összetételnek egy másik része vagy egyáltalán nem íródik át, vagy meghatározza az ilyen RNS-változatok szerkezetét, például transzfer RNS-eket, amelyek nem rendelkeznek fehérjeszintézis funkcióval.
Intron (angolból, beavatkozó régiók- közbenső régiók) - a gén olyan része, amely nem tartalmaz információt az érett RNS-ről és a fehérjékről. Az intronok biológiai funkcióit sokkal rosszabbul tanulmányozzák, mint az exonok funkcióit. Eredetükről is nagy vita folyik: vajon a prokariótákkal együtt keletkeztek-e, vagy az eukariótákkal együtt, vagy még később, mint ők. Egy emberi gén átlagosan 8,8 exont és 7,8 ingront tartalmaz, de az ingronok átlagosan körülbelül 25-ször hosszabbak, mint az exonok.
Az elmondottak után nem nehéz általánosságban elképzelni a transzkripció teljes folyamatát (6.9. ábra).
Rizs. 6.9.
A beavatás szakasza. A promóterhez csatlakozva enzimek, különösen enhanszerek hatására az RNS-polimeráz lebontja a nitrogénbázisokat (a 6.9. ábrán rövid függőleges vonalak jelzik), és kiválasztja azt a DNS-ágat, amelyből transzkripciós templát lesz (a 6.9. ábrán ez a alsó sor). Létrehoz egy transzkripciós szemet is (a 6.9. ábrán ez egy háromszög alakú fedő). Ezzel egyidejűleg 10-20 pár nem-kleotid kerül ki az elongációs szakaszhoz. Érdekes módon transzkripció esetén nincs szükség a DNS replikációs folyamatára jellemző primer kialakítására. Az átírás primer nélkül történik.
megnyúlás szakasza. Az RNS polimeráz hatására RNS képződik a transzkripciós szem régiójában. A DNS-polimeráztól eltérően az RNS-polimeráz nem képes korrigálni az RNS-lánc szintézisének helyességét és az elkövetett hibákat. Ha nehézségek merülnek fel a szintézis során, az RNS-polimeráz mozgása felfüggesztésre kerül. Ennek eredményeként csökken az RNS hibás összeállításának valószínűsége. A transzkripció nem áll le, a szem eltávolodik a promótertől. Azokon a területeken, amelyek áthaladtak a kukucskálón, a DNS duplex szerkezete helyreáll. A szintetizált RNS lánca fokozatosan meghosszabbodik. 5"-3" irányban nő.
Felmondási szakasz. Ez az RNS polimerázra kifejtett segédfaktorok hatása miatt fordul elő. Amint az exonukleázok elérik a transzkripciós régiót, a transzkripció leáll, és az RNS-polimeráz és az RNS elválik egymástól. A DNS teljesen helyreállítja duplex szerkezetét.
Eddig a PI IK transzkripciót a legáltalánosabb értelemben vettük figyelembe, számos jelentős körülménytől elvonatkoztatva, különösen nem vettük figyelembe a különböző típusú RNS és RNS polimerázok jelenlétét. Az RNS-nek a következő típusai vannak:
A DNS minden típusú RNS-ről információt tartalmaz. Azonban nem mindegyik íródik át közvetlenül a templát DNS-re.
Egyes RNS-ek a korábban átírt RNS-ek módosításai. Számunkra, a molekuláris genetika alapjaival való megismerkedés során a legnagyobb érdeklődésre azok az RNS-ek tartoznak, amelyek közvetlenül részt vesznek a fehérjék szintézisében. Mindössze 5 féle van belőlük (6.4. táblázat).
6.4. táblázat
A fehérjeszintézisben részt vevő RNS
* Messenger RNS – ugyanaz, mint a hírvivő RNS; ** SPR - röv. angol jelfelismerő részecske- jeleket felismerő részecskék.
Az összes RNS transzkripciója bizonyos RNS-polimerázok vagy ezek kombinációinak hatására megy végbe. táblázatban. A 6.5. ábra az RNS-polimerázok három fő típusát mutatja be.
6.5. táblázat
Az RNS polimerázok típusai
A kis (rövid) RGC-k különböznek a hosszú RNS-ektől. A mikroRNS-ek olyan kis RNS-ek, amelyek az összes ribonukleotid anyag 98%-át teszik ki.
A fejezet végén megjegyezzük, hogy a közvetlen transzkripció mellett reverz transzkripció is lehetséges. Az RNS DNS-vé történő átírásának képességét a retrovírusok, különösen az AIDS-ért felelős HIV rendelkeznek. A retrovírus behatol a sejtbe. Egy speciális enzim reverz transzkriptáz végzi az RNS -» DNS transzkripcióját. Ezután a kapott DNS-szálon, mint egy mátrixon, elkészül a második DNS-szál. Ezt követően megvalósul a ciklus DNS -> RNS -» fehérjék. Egyes eukarióták tartalmazzák a telomeráz enzimet, amely szintén elindítja a reverz transzkripciót. A szekvenciaelv megfogalmazásakor figyelembe kell venni a reverz transzkripció jelenségét. Nem értelmezhető a fordított átírás tagadásaként.
- A gén egy szabályozó és kódoló részből áll.
- A gén kódoló része exonokat és intronokat tartalmaz.
- Az intronok nem íródnak át érett RNS-vé.
- A transzkripció magában foglalja az iniciáció, az elongáció és a termináció lépéseit.
- A PIIK és a PIK transzkripciós polimerázok különféle típusai és típusai léteznek.
- Bármely RNS szintézisét egy vagy több polimeráz végzi, és nem fehérjeenzimek részvétele nélkül.
- SakharkarM. K., Chow V. T., Kangueane R. Exonok és intronok eloszlása az emberi genomban // In Silicio Biology. 2004. évf. 4. Nem. 4. P. 387-393.
A szén formájú élet a fehérjemolekulák jelenléte miatt létezik. A fehérje bioszintézise pedig a sejtben az egyetlen lehetőség a génexpresszióra. Ám ennek a folyamatnak a megvalósításához számos olyan folyamatot kell elindítani, amelyek a genetikai információ "kicsomagolásához", a kívánt gén felkutatásához, olvasásához és szaporodásához kapcsolódnak. A „transzkripció” kifejezés a biológiában csak arra a folyamatra utal, amely során egy génről információt adnak át a hírvivő RNS-re. Ez a bioszintézis kezdete, vagyis a genetikai információ közvetlen megvalósítása.
Genetikai információ tárolása
Az élő szervezetek sejtjeiben a genetikai információ a sejtmagban, a mitokondriumokban, a kloroplasztiszokban és a plazmidokban lokalizálódik. A mitokondriumok és a kloroplasztiszok kis mennyiségben tartalmaznak állati és növényi DNS-t, míg a bakteriális plazmidok a környezeti feltételekhez való gyors alkalmazkodásért felelős gének tárolási helyei.
A vírustestekben az öröklődő információkat is RNS vagy DNS polimerek formájában tárolják. De megvalósításának folyamata összefügg az átírás szükségességével is. A biológiában ennek a folyamatnak rendkívüli jelentősége van, hiszen ő vezet az öröklődő információk realizálásához, beindítva a fehérje bioszintézist.
Az állati sejtekben az örökletes információt egy DNS-polimer képviseli, amely tömören van becsomagolva a sejtmag belsejében. Ezért a fehérjeszintézis vagy bármely gén leolvasása előtt néhány szakaszon végig kell menni: a kondenzált kromatin feltekercselése és a kívánt gén „kiszabadulása”, enzimmolekulák általi felismerése, transzkripció.
A biológiában és a biológiai kémiában ezeket a szakaszokat már tanulmányozták. Olyan fehérje szintéziséhez vezetnek, amelynek elsődleges szerkezetét a read gén kódolja.
Átírási séma eukarióta sejtekben
Bár a biológiában a transzkripciót nem vizsgálták eléggé, szekvenciáját hagyományosan diagram formájában mutatják be. Kezdésből, megnyúlásból és befejezésből áll. Ez azt jelenti, hogy az egész folyamat jelenségeinek három összetevőjére oszlik.
Az iniciáció olyan biológiai és biokémiai folyamatok összessége, amelyek a transzkripció megindulásához vezetnek. Az elongáció lényege a molekulalánc továbbépítése. A termináció olyan folyamatok összessége, amelyek az RNS-szintézis befejezéséhez vezetnek. Egyébként a fehérjebioszintézissel összefüggésben a biológiában a transzkripció folyamatát általában a hírvivő RNS szintézisével azonosítják. Ennek alapján később egy polipeptid láncot szintetizálnak.
Megindítás, inicializálás
Az iniciáció a legkevésbé ismert transzkripciós mechanizmus a biológiában. Hogy mi ez a biokémia szempontjából, nem ismert. Vagyis a transzkripció beindításáért felelős specifikus enzimeket egyáltalán nem ismerik fel. Szintén ismeretlenek az intracelluláris szignálok és átvitelük módjai, amelyek egy új fehérje szintézisének szükségességét jelzik. A citológia és a biokémia számára ez alapvető feladat.
Megnyúlás
Az iniciáció és a megnyúlás folyamatát még nem lehet időben elkülöníteni, mivel nem lehet laboratóriumi vizsgálatokat végezni, amelyek célja specifikus enzimek és trigger tényezők jelenlétének megerősítése. Ezért ez a határ nagyon feltételes. Az elongációs folyamat lényege egy DNS templát régió alapján szintetizált növekvő lánc meghosszabbítására redukálódik.
Úgy gondolják, hogy az elongáció az RNS-polimeráz első transzlokációja és az első kadon RNS kiindulási helyéhez való kapcsolódása után kezdődik. Az elongáció során a kadonokat a despiralizált 3'-5' szál irányában olvassuk le, és két szálú DNS-régióra osztjuk. Ezzel egyidejűleg a növekvő RNS-lánc új, a DNS-templát régióval komplementer nukleotidokkal egészül ki. Ebben az esetben a DNS-t 12 nukleotid szélességre, azaz 4 kanonra „hímezik”.
Az RNS-polimeráz enzim a növekvő lánc mentén mozog, „mögötte” pedig a DNS fordított „keresztkötése” kettős szálú szerkezetté történik a nukleotidok közötti hidrogénkötések helyreállításával. Ez részben választ ad arra a kérdésre, hogy milyen folyamatot nevezünk transzkripciónak a biológiában. Az elongáció a transzkripció fő fázisa, mivel ennek során a gén és a fehérjeszintézis között az úgynevezett mediátor épül fel.
Felmondás
Az eukarióta sejtek transzkripciójában a termináció folyamata kevéssé ismert. Eddig a tudósok a lényegét a DNS-leolvasás befejezésére az RNS 5 "végén, és egy csoport adeninbázis hozzáadására redukálták az RNS 3" végén. Ez utóbbi eljárás lehetővé teszi a keletkező RNS kémiai szerkezetének stabilizálását. A bakteriális sejtekben kétféle termináció létezik. Ez egy Rho-függő és Rho-független folyamat.
Az első a Rho fehérje jelenlétében megy végbe, és a DNS-templát régió és a szintetizált RNS közötti hidrogénkötések egyszerű megszakadására redukálódik. A második, Rho-független, a szárhurok megjelenése után következik be, ha van mögötte egy sor uracilbázis. Ez a kombináció az RNS leválásához vezet a DNS-templátról. Nyilvánvaló, hogy a transzkripció terminációja enzimatikus folyamat, azonban specifikus biokatalizátorait még nem találták meg.
Vírus transzkripció
A vírustestek nem rendelkeznek saját fehérje bioszintézis rendszerrel, ezért nem tudnak szaporodni a sejtek kihasználása nélkül. De a vírusoknak megvan a maguk genetikai anyaga, amelyet meg kell valósítani, valamint be kell építeni a fertőzött sejtek génjeibe. Ehhez számos enzimük van (vagy kihasználja a sejtenzimrendszereket), amelyek átírják nukleinsavukat. Vagyis ez az enzim a vírus genetikai információi alapján szintetizálja a hírvivő RNS analógját. De ez egyáltalán nem RNS, hanem egy DNS-polimer, amely komplementer génekkel, például emberben.
Ez teljesen sérti a biológia transzkripciójának hagyományos elveit, amelyeket a HIV-vírus példájában figyelembe kell venni. A virális RNS-ből származó reversetas enzimje képes szintetizálni a humán nukleinsavval komplementer DNS-t. Az RNS-ből komplementer DNS szintetizálásának folyamatát reverz transzkripciónak nevezik. Ez a biológiában annak a folyamatnak a meghatározása, amely felelős a vírus örökletes információinak az emberi genomba való beágyazódásáért.
Először határozza meg a fehérje bioszintézis lépéseinek sorrendjét, kezdve a transzkripcióval. A fehérjemolekulák szintézise során fellépő folyamatok teljes sorozata 2 szakaszra kombinálható:
Átírás.
Adás.
Az örökletes információ szerkezeti egységei gének - a DNS-molekula szakaszai, amelyek egy adott fehérje szintézisét kódolják. A kémiai szerveződést tekintve a pro- és eukarióták öröklődésének és változékonyságának anyaga alapvetően nem különbözik egymástól. A bennük lévő genetikai anyag a DNS-molekulában jelenik meg, gyakori az örökletes információ és a genetikai kód rögzítésének elve is. A pro- és eukariótákban ugyanazokat az aminosavakat ugyanazok a kodonok kódolják.
A modern prokarióta sejtek genomját viszonylag kis méret jellemzi, az Escherichia coli DNS-e gyűrű alakú, körülbelül 1 mm hosszú. 4 x 10 6 bázispárt tartalmaz, mintegy 4000 gént alkotva. F. Jacob és J. Monod 1961-ben fedezte fel a prokarióta gének cisztronikus vagy folytonos szerveződését, amelyek teljes egészében kódoló nukleotidszekvenciákból állnak, és ezek teljes egészében a fehérjeszintézis során valósulnak meg. A prokarióták DNS-molekulájának örökítőanyaga közvetlenül a sejt citoplazmájában található, ahol a tRNS és a génexpresszióhoz szükséges enzimek is találhatók Az expresszió a gének funkcionális aktivitása, vagy génexpresszió. Ezért a DNS-sel szintetizált mRNS azonnal képes templátként működni a fehérjeszintézis transzlációs folyamatában.
Az eukarióta genom sokkal több örökletes anyagot tartalmaz. Emberben a DNS teljes hossza a diploid kromoszómakészletben körülbelül 174 cm, 3 x 10 9 bázispárt tartalmaz, és legfeljebb 100 000 gént tartalmaz. 1977-ben a legtöbb eukarióta gén szerkezetében szakadást fedeztek fel, amelyet "mozaik" génnek neveztek. Kódoló nukleotid szekvenciákkal rendelkezik exonikusÉs intron telkek. Csak az exoninformációkat használják a fehérjeszintézishez. Az intronok száma különböző génekben változik. Megállapítást nyert, hogy a csirke ovalbumin gén 7 intront tartalmaz, az emlős prokollagén gén pedig 50-et. A csendes DNS - intronok funkciói nem teljesen tisztázottak. Feltételezzük, hogy biztosítják: 1) a kromatin szerkezeti felépítését; 2) néhányuk nyilvánvalóan részt vesz a génexpresszió szabályozásában; 3) az intronok a változékonyság információtárolójának tekinthetők; 4) védőszerepet tölthetnek be, átvehetik a mutagén hatását.
Átírás
A sejtmagban lévő információ átírásának folyamatát a DNS-molekula egy részéből mRNS-molekulává (mRNS) nevezzük. átírása(lat. Transcriptio – átírás). A gén elsődleges terméke, az mRNS szintetizálódik. Ez a fehérjeszintézis első lépése. A DNS megfelelő szakaszán az RNS polimeráz enzim felismeri a transzkripció megindulásának jelét - előnézet A kiindulási pontnak az első DNS-nukleotidot tekintjük, amelyet az enzim az RNS-transzkriptumban tartalmaz. A kódoló régiók általában az AUG kodonnal kezdődnek, néha a GUG-t baktériumokban használják. Amikor az RNS polimeráz a promoterhez kötődik, a DNS kettős hélix lokálisan kicsavarodik, és az egyik szálat a komplementaritás elve szerint másolják. Az mRNS szintetizálódik, összeszerelési sebessége eléri az 50 nukleotidot másodpercenként. Ahogy az RNS polimeráz mozog, az mRNS lánc növekszik, és amikor az enzim eléri a másolóhely végét - Végrehajtó, az mRNS eltávolodik a templáttól. Az enzim mögötti DNS kettős hélix helyreáll.
A prokarióták transzkripciója a citoplazmában megy végbe. Tekintettel arra, hogy a DNS teljes egészében kódoló nukleotid szekvenciákból áll, a szintetizált mRNS azonnal a transzláció templátjaként működik (lásd fent).
Az mRNS transzkripciója eukariótákban a sejtmagban történik. Nagy molekulák - prekurzorok (pro-mRNS) szintézisével kezdődik, amelyet éretlen vagy nukleáris RNS-nek neveznek.A pro-mRNS gén elsődleges terméke az átírt DNS-régió pontos másolata, exonokat és intronokat tartalmaz. Az érett RNS-molekulák prekurzorokból történő képződésének folyamatát ún feldolgozás. Az mRNS érése azáltal történik toldás enzimek által végzett dugványok korlátozza intronok és a helyek összekapcsolása a ligáz enzimek által átírt exonszekvenciákkal. (ábra) Az érett mRNS jóval rövidebb, mint a pro-mRNS prekurzor molekulák, a bennük lévő intronok mérete 100-1000 nukleotid vagy több. Az intronok az összes éretlen mRNS körülbelül 80%-át teszik ki.
Most bebizonyosodott, hogy lehetséges alternatív toldás, amelyben egy primer transzkriptumból annak különböző régióiban nukleotidszekvenciák deletálhatók és több érett mRNS képződik. Ez a fajta splicing az emlősök immunglobulin génrendszerére jellemző, ami lehetővé teszi, hogy egyetlen mRNS-transzkriptum alapján különböző típusú ellenanyagokat képezzenek.
A feldolgozás befejeztével az érett mRNS kiválasztódik, mielőtt elhagyná a sejtmagot. Megállapítást nyert, hogy az érett mRNS mindössze 5%-a jut be a citoplazmába, a többi pedig a sejtmagban hasad.
Adás
Transláció (lat. Translatio - átvitel, átvitel) - az mRNS-molekula nukleotidszekvenciájában található információk transzlációja a polipeptidlánc aminosavszekvenciájává (10. ábra). Ez a fehérjeszintézis második szakasza. Az érett mRNS átvitele a nukleáris burok pórusain keresztül speciális fehérjéket termel, amelyek komplexet képeznek az RNS-molekulával. Az mRNS transzport mellett ezek a fehérjék megvédik az mRNS-t a citoplazmatikus enzimek káros hatásaitól. A transzláció folyamatában a tRNS-ek központi szerepet játszanak, biztosítják az aminosav pontos megfelelését az mRNS triplett kódjának. A transzlációs-dekódolási folyamat a riboszómákban megy végbe, és 5-3 irányban megy végbe. Az mRNS és riboszómák komplexét poliszómának nevezzük.
A fordítás három szakaszra osztható: iniciáció, megnyúlás és befejezés.
Megindítás, inicializálás.
Ebben a szakaszban a fehérjemolekula szintézisében részt vevő teljes komplex összeáll. Az mRNS egy bizonyos területén a riboszóma két alegysége egyesül, ehhez kapcsolódik az első aminoacil - tRNS, és ez határozza meg az információolvasás keretét. Bármely mRNS-molekula tartalmaz egy helyet, amely komplementer a riboszóma kis alegységének rRNS-ével, és azt specifikusan szabályozza. Mellette található az AUG indító startkodon, amely a metionin aminosavat kódolja.
Megnyúlás
- magában foglalja az összes reakciót az első peptidkötés kialakulásának pillanatától az utolsó aminosav kapcsolódásáig. A riboszómának két helye van két tRNS-molekula kötésére. Az első metionin aminosavval rendelkező t-RNS egy szakaszban, a peptidilben (P) található, és ebből indul ki bármely fehérjemolekula szintézise. A második t-RNS molekula belép a riboszóma második helyére - az aminoacil (A) -hoz, és a kodonjához kapcsolódik. A metionin és a második aminosav között peptidkötés jön létre. A második tRNS az mRNS kodonjával együtt a peptidil-központba mozog. A polipeptidlánccal rendelkező t-RNS mozgását az aminoacil-centrumból a peptidil-centrumba a riboszóma mRNS-en keresztüli előrehaladása kíséri, egy kodonnak megfelelő lépéssel. A metionint szállító tRNS visszatér a citoplazmába, és az amnoacil centrum felszabadul. Új t-RNS-t kap a következő kodon által kódolt aminosavval. A harmadik és a második aminosav között peptidkötés jön létre, a harmadik tRNS az mRNS kodonnal együtt a peptidil centrumba költözik A fehérjelánc megnyúlásának, megnyúlásának folyamata. Addig folytatódik, amíg az aminosavakat nem kódoló három kodon egyike be nem lép a riboszómába. Ez egy terminátor kodon, és nincs hozzá megfelelő tRNS, így egyik tRNS sem tud helyet foglalni az aminoacil centrumban.
Felmondás
- a polipeptid szintézis befejezése. A terminációs kodonok (UAA, UAG, UGA) specifikus riboszomális fehérje általi felismerésével jár, amikor az aminoacil centrumba kerül. A riboszómához speciális terminációs faktor kötődik, amely elősegíti a riboszóma alegységek szétválását és a szintetizált fehérjemolekula felszabadulását. A víz a peptid utolsó aminosavához kapcsolódik, és a karboxilvége elválik a tRNS-től.
A peptidlánc összeállítása nagy sebességgel történik. Baktériumokban 37°C hőmérsékleten a polipeptidhez másodpercenként 12-17 aminosav hozzáadásával fejeződik ki. Az eukarióta sejtekben egy másodperc alatt két aminosavat adnak a polipeptidhez.
A szintetizált polipeptid lánc ezután belép a Golgi komplexbe, ahol a fehérjemolekula felépítése befejeződik (a második, harmadik, negyedik szerkezetek egymás után jelennek meg). Itt a fehérjemolekulák zsírokkal és szénhidrátokkal komplexálódnak.
A fehérje bioszintézis teljes folyamatát egy séma formájában mutatjuk be: DNS ® pro mRNS ® mRNS ® polipeptid lánc ® protein ® fehérje komplexképződés és funkcionálisan aktív molekulákká történő átalakulásuk.
Az örökletes információ megvalósításának szakaszai is hasonló módon zajlanak: először az mRNS nukleotidszekvenciájába íródnak át, majd a tRNS közreműködésével a riboszómákon lefordítják a polipeptid aminosavszekvenciájává.
Az eukarióták transzkripciója három nukleáris RNS polimeráz hatására megy végbe. Az RNS-polimeráz 1 a sejtmagban található, és felelős az rRNS gének transzkripciójáért. Az RNS-polimeráz 2 a nukleáris nedvben található, és az mRNS-prekurzor szintéziséért felelős. Az RNS polimeráz 3 a nukleáris nedv egy kis frakciója, amely kis rRNS-eket és tRNS-eket szintetizál. Az RNS-polimerázok specifikusan felismerik a transzkripciós promoter nukleotidszekvenciáját. Az eukarióta mRNS-t először prekurzorként (pro-mRNS) szintetizálják, az exonokból és intronokból származó információkat leírják rá. A szintetizált mRNS nagyobb a transzlációhoz szükségesnél, és kevésbé stabil.
Az mRNS-molekula érésének folyamatában restrikciós enzimek segítségével intronokat vágnak ki, ligáz enzimek segítségével pedig exonokat varrnak össze. Az mRNS érését feldolgozásnak, az exonok összekapcsolódását pedig splicingnek nevezzük. Így az érett mRNS csak exonokat tartalmaz, és sokkal rövidebb, mint elődje, a pro-mRNS. Az intronok mérete 100 és 10 000 nukleotid között vagy több. Az intonok az összes éretlen mRNS körülbelül 80%-át teszik ki. Jelenleg bebizonyosodott az alternatív splicing lehetősége, melynek során egy primer transzkriptumból annak különböző régióiban nukleotidszekvenciák deletálhatók és több érett mRNS képződik. Ez a fajta splicing az emlősök immunglobulin génrendszerére jellemző, ami lehetővé teszi, hogy egyetlen mRNS-transzkriptum alapján különböző típusú ellenanyagokat képezzenek. A feldolgozás befejeztével az érett mRNS-t kiválasztják, mielőtt a sejtmagból a citoplazmába kerülne. Megállapítást nyert, hogy az érett mRNS-nek csak 5%-a jut be, a többi pedig a sejtmagban hasad. Az eukarióta gének elsődleges transzkripcióinak átalakulása, az exon-intron szerveződésükhöz kapcsolódóan, valamint az érett mRNS sejtmagból a citoplazmába való átmenetével összefüggésben meghatározza az eukarióták genetikai információinak megvalósulásának jellemzőit. Ezért az eukarióta mozaikgén nem cisztronom gén, mivel a DNS-szekvencia nem mindegyikét használják fehérjeszintézishez.
A DNS - az összes genetikai információ hordozója a sejtben - nem vesz közvetlenül részt a fehérjék szintézisében. Az állati és növényi sejtekben a DNS-molekulák a sejtmag kromoszómáiban találhatók, és nukleáris membrán választja el őket a citoplazmától, ahol a fehérjék szintetizálódnak. A riboszómákba - fehérje-összeállító helyekre - a sejtmagból információhordozó mediátort küldenek, amely képes átjutni a magmembrán pórusain. A hírvivő RNS (i-RNS) egy ilyen közvetítő. A komplementaritás elve szerint a DNS-ből egy RNS polimeráz nevű enzim részvételével olvassák ki. Az RNS-polimeráz által végrehajtott olvasási (vagy inkább írási) vagy RNS-szintézis folyamatát transzkripciónak (latin transcriptio - újraírás) nevezik. A Messenger RNS egyszálú molekula, és a transzkripció egy kétszálú DNS-molekula egyik szálából származik. Ha a G nukleotid az átírt DNS szálban van, akkor az RNS polimeráz C-t tartalmaz az RNS-ben, ha T, akkor A-t, ha A, akkor y-t (az RNS-ben nincs T) (46. ábra) . Hosszúságukat tekintve mindegyik mRNS-molekula több százszor rövidebb, mint a DNS. A hírvivő RNS nem a teljes DNS-molekula másolata, hanem csak egy része - egy gén vagy szomszédos gének egy csoportja, amelyek információt hordoznak a fehérjék szerkezetéről, amelyek egy funkció végrehajtásához szükségesek. A prokariótákban ezt a géncsoportot operonnak nevezik. A fehérjék bioszintéziséről szóló részben olvashat arról, hogyan egyesülnek a gének operonná, és hogyan szerveződik a transzkripció szabályozása. Minden operon elején egyfajta leszállóhely található az RNS-polimeráz számára, amelyet promóternek neveznek. Ez a DNS-nukleotidok specifikus szekvenciája, amelyet egy enzim kémiai affinitása révén ismer fel. Az RNS-polimeráz csak a promoterhez kapcsolódva képes elindítani az mRNS szintézisét. Az operon végére érve az enzim egy jellel találkozik (bizonyos nukleotidszekvencia formájában), amely jelzi a leolvasás végét. A kész mRNS eltávolodik a DNS-től, és a fehérjeszintézis helyére kerül. A leírt átírási folyamat négy szakaszból áll:
1) RNS polimeráz kötődése a promoterhez;
2) Beavatás – a szintézis kezdete. Az első foszfodiészter kötés kialakításából áll az ATP vagy GTP és a szintetizált RNS-molekula második nukleotidja között;
3) elongáció - egy RNS-lánc növekedése, azaz a nukleotidok egymáshoz kapcsolódása abban a sorrendben, amelyben a komplementer nukleotidok az átírt DNS-szálban vannak. A megnyúlási sebesség eléri az 50 nukleotidot másodpercenként;
4) termináció - az mRNS szintézisének befejezése.
