Ekspresi semua gen dimulai dengan transkripsi urutan nukleotida mereka. Transkripsi adalah proses menerjemahkan informasi yang ditulis dalam bahasa urutan deoksiribonukleotida dalam untai pengertian DNA ke dalam bahasa urutan ribonukleotida dalam mRNA. Dalam hal ini, daerah tertentu dari salah satu dari dua untai DNA (antisense) digunakan sebagai cetakan untuk sintesis RNA dengan pasangan basa komplementer.
Enzim yang mengkatalisis proses transkripsi adalah RNA polimerase yang bergantung pada DNA. Selain itu, pada prokariota, misalnya, dalam sel Escherichia coli, hanya satu jenis enzim ini yang ditemukan, yang mensintesis ketiga jenis RNA (mRNA, tRNA, rRNA). Sebaliknya, eukariota memiliki tiga polimerase RNA bergantung DNA yang berbeda, masing-masing bertanggung jawab atas transkripsi gen yang mengkode berbagai jenis RNA seluler. Proses transkripsi, serta peralatan enzimatiknya, paling baik dipelajari pada prokariota. RNA polimerase bakteri adalah protein kompleks yang terdiri dari beberapa subunit yang berbeda. Enzim yang paling banyak dipelajari holoenzim E. coli RNA polimerase, yang mengandung lima subunit polipeptida yang berbeda: dua rantai-a, satu rantai-b dan satu rantai-b, rantai-s dan rantai-w. Bentuk alternatif dari enzim yang disebut kulit pohon atau minienzim, tidak memiliki subunit s. Enzim inti mengkatalisis sebagian besar reaksi transkripsi DNA menjadi RNA, tetapi tidak dapat memulai sintesis RNA di tempat yang tepat, karena tidak dapat mengenali situs promotor. Pengikatan dan inisiasi yang tepat pada promotor terjadi hanya setelah penambahan subunit sd ke enzim inti dan pembentukan holoenzim.
Seperti proses template lainnya, transkripsi mencakup 3 tahap: inisiasi, elongasi, dan terminasi.
Inisiasi transkripsi. Proses ini membutuhkan: holoenzim, urutan nukleotida khusus dalam DNA (promotor) dan satu set nukleosida trifosfat. Transkripsi dimulai dengan pembentukan kompleks yang stabil antara holoenzim dan urutan tertentu, yang disebut promotor, yang terletak di awal semua unit transkripsi. Promotor adalah bagian dari molekul DNA, terdiri dari sekitar 40 pasangan basa, dan terletak tepat sebelum tempat inisiasi transkripsi. Ini membedakan dua urutan penting dan agak konservatif. Salah satunya terdiri dari enam atau tujuh nukleotida (biasanya TATAAT) dan terletak pada jarak sekitar 10 nukleotida dari nukleotida yang ditranskripsi pertama (+1); sinyal ini biasanya disebut sebagai urutan 10, atau Pribnov-Box, setelah penemunya. Di situs ini, RNA polimerase mengikat DNA. Urutan kedua terletak pada jarak ~ 35 nukleotida dari situs inisiasi dan berfungsi sebagai situs untuk pengenalan promotor oleh RNA polimerase (Gbr. 3.1).
Ketika RNA polimerase berikatan dengan promotor, pelepasan lokal heliks ganda DNA terjadi dan kompleks promotor terbuka terbentuk. Ini menyalin urutan nukleotida indra, atau (+)-untai DNA, yang memiliki arah 5→3'. Dalam hal ini, sintesis mRNA selalu dimulai dengan nukleotida A atau G. Kedua, untai DNA antisense berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis rantai RNA (Gbr. 3.2).
Transkripsi mirip dengan replikasi dalam urutan penambahan ribonukleotida ditentukan oleh pasangan basa komplementer (Gambar 3.2). Setelah pembentukan beberapa ikatan fosfodiester pertama (biasanya 5-10), subunit d dipisahkan dari kompleks inisiasi, dan transkripsi lebih lanjut dilakukan dengan bantuan enzim inti.
Perpanjangan transkripsi. Untai RNA yang tumbuh tetap terikat pada enzim dan dipasangkan dengan ujungnya yang tumbuh ke sebagian untai cetakan. Sisa rantai yang dihasilkan tidak terkait dengan enzim atau DNA. Saat transkripsi berlanjut, corenzyme yang bergerak di sepanjang rantai DNA bertindak seperti ritsleting, membuka heliks ganda yang menutup di belakang enzim, dan struktur dupleks aslinya dipulihkan. Daerah DNA yang "dibuka" oleh enzim hanya memanjang beberapa pasangan basa (Gbr. 3.3).
Pertumbuhan RNA berlangsung dalam arah dari ujung 5'- ke ujung 3' sepanjang untai cetakan (-), berorientasi pada arah 3'→5', yaitu antiparalel. Transkripsi berlanjut terus menerus sampai enzim mencapai situs terminasi transkripsi.
Penghentian transkripsi. Urutan DNA yang menandakan penghentian transkripsi disebut terminator transkripsi. Mereka mengandung pengulangan terbalik, karena ujung 3' dari transkrip RNA dilipat untuk membentuk kancing panjang yang berbeda (Gbr. 3.4).
Dua jenis sinyal terminasi ditemukan - r-dependent dan r-independent terminator. r adalah protein oligomer yang mengikat erat RNA dan dalam keadaan ini menghidrolisis ATP menjadi ADP dan fosfat anorganik. Dalam salah satu model, aksi protein-r dijelaskan oleh fakta bahwa ia mengikat rantai RNA yang disintesis dan bergerak sepanjang itu dalam arah 5'→3' ke tempat sintesis RNA; energi yang diperlukan untuk pergerakannya dilepaskan selama hidrolisis ATP. Jika r-protein bertemu dengan jepit rambut yang sedang dibentuk di RNA, itu menghentikan polimerase, yang dapat melanjutkan transkripsi. Mekanisme penghentian r-independen kurang dipahami dengan baik, dan masih banyak yang belum jelas.
Dalam kebanyakan kasus, transkrip utama yang dihasilkan dengan cara yang dijelaskan di atas bukanlah molekul RNA matang, tetapi memerlukan proses pematangan yang disebut pemrosesan RNA. Pengolahan sangat berbeda untuk RNA prokariotik dan eukariotik.
Pada prokariota, transkrip utama yang dihasilkan oleh transkripsi gen penyandi protein berfungsi sebagai mRNA tanpa modifikasi atau pemrosesan lebih lanjut. Selain itu, translasi mRNA sering dimulai bahkan sebelum selesainya sintesis ujung 3' dari transkrip. Situasi yang sama sekali berbeda diamati untuk molekul rRNA dan tRNA prokariotik. Dalam hal ini, kelompok gen rRNA atau tRNA sering ditranskripsi untuk membentuk untai RNA tunggal. Untuk pembentukan bentuk fungsional yang matang, sayatan spesifik transkrip RNA primer dan modifikasi harus terjadi. Peristiwa molekuler ini disebut pemrosesan RNA atau modifikasi pasca-transkripsi. Pembelahan awal transkrip primer menjadi fragmen yang mengandung urutan tRNA atau 16S-, 23S-, atau 5S-rRNA dilakukan oleh endonuklease RNase III. Targetnya adalah dupleks RNA pendek yang terbentuk selama pasangan basa intramolekul dalam urutan yang mengapit setiap segmen RNA . Urutan pelengkap ini membentuk jepit rambut, di mana RNase memperkenalkan jeda, setelah itu urutan tambahan dari daerah spacer dihilangkan oleh RNase lain. Molekul tRNA pertama kali disintesis sebagai pro-tRNA, yang ~20% lebih lama dari yang matang. Urutan tambahan yang terletak di ujung 5' dan 3' dihilangkan oleh ribonuklease Q dan P. Selain itu, untuk pembentukan tRNA fungsional yang matang, tampaknya modifikasi basa spesifik dan penambahan satu, dua, atau ketiganya 3' Nukleotida -CCA harus terjadi -end (cabang akseptor).
Pematangan RNA pada eukariota jauh lebih rumit. Pertama, eukariota memiliki nukleus, yang dipisahkan dari sitoplasma oleh membran nukleus. Di dalam nukleus, pembentukan transkrip primer dilakukan, yang lebih panjang dari mRNA sitoplasma yang terlibat dalam translasi. Oleh karena itu, pembentukan mRNA matang pada eukariota harus didahului dengan penghilangan intron dari urutan transkrip hnRNA (proses ini disebut penyambungan dari bahasa Inggris. untuk menyambung - untuk menjalin, menyambung). Setelah penghapusan urutan yang sesuai dengan intron, bagian yang ditranskripsi dari ekson. Penyambungan dikatalisis oleh kompleks protein-RNA (snRNPs), yang berinteraksi dengan hnRNA untuk membentuk indah. Diyakini bahwa komponen RNA memiliki aktivitas katalitik dalam splicesome. RNA ini disebut ribozim. Situs penyambungan ditentukan dalam splicesom dengan akurasi tinggi, karena kesalahan bahkan 1 nukleotida dapat menyebabkan distorsi struktur protein. Untuk pengenalan yang akurat dalam komposisi intron ada urutan - sinyal tertentu.
Selain penyambungan, mRNA pada eukariota mengalami modifikasi: pada ujung 5', "topi" (topi) disintesis - sebuah struktur yang merupakan residu guanosin trifosfat termetilasi yang melindungi RNA dari hidrolisis oleh 5'-eksonuklease. Pada ujung 3' dari pro-mRNA, urutan poliadenilat dengan panjang 150-200 nukleotida disintesis, yang disebut "ekor". Struktur ini terlibat dalam regulasi ekspresi gen eukariotik. Pemrosesan rRNA dan tRNA pada eukariota mirip dengan pemrosesan pada prokariota.
Menurut prinsip pengurutan, informasi ditransfer dari DNA ke RNA ke protein: DNA -> RNA -> protein. Dalam hal ini, mari kita beralih ke konten transkripsi (dari lat. transkripsi- penulisan ulang), bersama dengan replikasi DNA, yang merupakan mekanisme genetik dan molekuler yang paling penting. Transkripsi mirip dengan replikasi dalam banyak hal, tetapi, tentu saja, ia memiliki banyak fitur. Salah satunya adalah ketika menjelaskan isi transkripsi, penting untuk mempertimbangkan struktur gen. Faktanya adalah bahwa semua unit struktural gen direproduksi dalam replikasi, yang tidak terjadi pada transkripsi.
Secara tradisional, gen didefinisikan sebagai unit informasi herediter yang menentukan kinerja fungsi tertentu oleh suatu organisme. Gen terdiri dari bagian pengatur dan pengkode. Hanya bagian pengkodean, yang terdiri dari ekson dan intron, yang ditranskripsi. Transkripsi ini adalah karakteristik RNA yang belum matang. Ia menemukan kelanjutannya pada tahap akhir transkripsi, di mana semua intron dikeluarkan dari RNA yang belum matang, dan ekson yang tersisa digabungkan. Di lokasi promotor, RNA polimerase berikatan dengan bagian pengatur gen, yang, sebagai akibatnya, memulai awal transkripsi pada salah satu dari dua untai DNA. pada gambar. Gambar 6.8 menunjukkan diagram struktur gen eukariotik, serta RNA matang dan belum matang.
Beberapa istilah yang digunakan di atas jelas membutuhkan karakterisasi.
Beras. 6.8.
Promotor (dari fr. promotor pendiri, inisiator) adalah urutan nukleotida DNA yang memungkinkan Anda untuk mengatur ekspresi gen. Itu terletak di dekat gen 5" dan, oleh karena itu, tepat sebelum bagian gen yang mengkode RNA. Fitur penting dari promotor adalah interaksi spesifiknya dengan protein yang bergantung pada DNA, yang menentukan awal transkripsi melalui RNA polimerase. protein disebut faktor transkripsi.
Seiring dengan promotor, bagian pengatur gen termasuk urutan nukleotida yang juga memiliki efek signifikan pada ekspresi gen. Enhancer (Bahasa Inggris, penambah- amplifier, kaca pembesar) memperkuatnya, dan peredam suara (dari bahasa Inggris, peredam suara- peredam) menekan, tetapi tidak dengan sendirinya, tetapi hanya jika terkena faktor transkripsi. Posisi spasial enhancer dan silencer tidak didefinisikan dengan jelas; mereka mungkin terletak pada jarak yang lebih kecil atau lebih jauh dari promotor.
ekson (bahasa Inggris) wilayah yang diekspresikan- wilayah ekspresi) - bagian dari gen yang mengkode RNA matang dan protein. Ekson adalah unit genetik utama di mana penampilan seluruh dunia biologis sangat bergantung. Ini adalah rekombinasi mereka yang mengarah pada pembentukan gen dan protein baru. Hanya 1,5% dari komposisi gen DNA yang menentukan sintesis protein. Bagian lain dari komposisi ini tidak ditranskripsi sama sekali, atau menentukan struktur varietas RNA tersebut, misalnya, RNA transfer, yang tidak memiliki fungsi sintesis protein.
Intron (dari bahasa Inggris, wilayah intervensi- daerah perantara) - bagian dari gen yang tidak mengandung informasi tentang RNA matang dan protein. Fungsi biologis intron dipelajari jauh lebih buruk daripada fungsi ekson. Ada juga kontroversi besar tentang asal-usul mereka: apakah mereka muncul bersama dengan prokariota, atau bersama dengan eukariota, atau bahkan lebih lambat dari mereka. Satu gen manusia mengandung rata-rata 8,8 ekson dan 7,8 ingron, tetapi rata-rata sekitar 25 kali lebih panjang dari ekson.
Setelah apa yang telah dikatakan, tidaklah sulit untuk membayangkan secara umum seluruh proses transkripsi (Gbr. 6.9).
Beras. 6.9.
Tahap inisiasi. Di bawah pengaruh enzim, khususnya enhancer, setelah bergabung dengan promotor, RNA polimerase memecah basa nitrogen (ditunjukkan pada Gambar 6.9 dengan garis vertikal pendek) dan memilih cabang DNA yang menjadi template transkripsi (pada Gambar 6.9. ini adalah garis bawah). Ini juga menciptakan mata transkripsi (pada Gambar 6.9 itu adalah tutup segitiga). Pada saat yang sama, 10-20 pasang non-cleotid terpapar untuk tahap elongasi. Menariknya, dalam kasus transkripsi, tidak perlu membentuk karakteristik primer dari proses replikasi DNA. Transkripsi dilakukan tanpa primer.
tahap perpanjangan. Di bawah aksi RNA polimerase, RNA terbentuk di daerah mata transkripsi. Tidak seperti DNA polimerase, RNA polimerase tidak mampu mengoreksi kebenaran sintesis rantai RNA dan mengoreksi kesalahan yang dibuat. Jika kesulitan muncul selama sintesis, pergerakan RNA polimerase dihentikan. Akibatnya, kemungkinan perakitan RNA yang salah berkurang. Transkripsi tidak berhenti, mata menjauh dari promotor. Di daerah-daerah yang telah melewati lubang intip, struktur dupleks DNA dipulihkan. Rantai RNA yang disintesis secara bertahap memanjang. Tumbuh ke arah 5 "-3".
Tahap penghentian. Ini terjadi karena efek faktor tambahan pada RNA polimerase. Setelah daerah transkripsi dicapai oleh eksonuklease, transkripsi berhenti dan RNA polimerase dan RNA terpisah satu sama lain. DNA sepenuhnya mengembalikan struktur dupleksnya.
Sampai sekarang, kami telah mempertimbangkan transkripsi PI IK dalam istilah yang paling umum, mengabstraksi dari beberapa keadaan signifikan, khususnya, keberadaan berbagai jenis RNA dan RNA polimerase belum diperhitungkan. Berikut adalah jenis-jenis RNA:
Informasi tentang semua jenis RNA terkandung dalam DNA. Namun, tidak semuanya ditranskripsikan langsung pada DNA template.
Beberapa RNA adalah modifikasi dari RNA yang ditranskripsi sebelumnya. Bagi kami, berkenalan dengan dasar-dasar genetika molekuler, yang paling menarik adalah RNA yang terlibat langsung dalam sintesis protein. Hanya ada 5 jenis (Tabel 6.4).
Tabel 6.4
RNA terlibat dalam sintesis protein
* Messenger RNA - sama dengan messenger RNA; ** SPR - abbr. bahasa Inggris partikel pengenalan sinyal- partikel yang mengenali sinyal.
Transkripsi semua RNA terjadi melalui aksi RNA polimerase tertentu atau kombinasinya. Di meja. 6.5 menunjukkan tiga jenis utama RNA polimerase.
Tabel 6.5
Jenis RNA polimerase
' RGC kecil (pendek) berbeda dari RNA panjang. MicroRNAs adalah jenis RNA kecil yang membentuk 98% dari semua bahan ribonukleotida.
Sebagai penutup bagian ini, kami mencatat bahwa, bersama dengan transkripsi langsung, transkripsi balik juga dimungkinkan. Kemampuan untuk mentranskripsi RNA menjadi DNA dimiliki oleh retrovirus, khususnya HIV, yang bertanggung jawab atas AIDS. Retrovirus masuk ke dalam sel. Sebuah enzim khusus reverse transcriptase melakukan transkripsi RNA -» DNA. Kemudian, pada untai DNA yang dihasilkan, seperti pada matriks, untai DNA kedua selesai. Setelah itu, siklus DNA -> RNA -» protein direalisasikan. Beberapa eukariota mengandung enzim telomerase, yang juga memulai transkripsi terbalik. Fenomena transkripsi balik harus diperhitungkan ketika merumuskan prinsip urutan. Seharusnya tidak ditafsirkan sebagai meniadakan transkripsi terbalik.
- Gen terdiri dari bagian pengatur dan pengkode.
- Bagian pengkodean suatu gen meliputi ekson dan intron.
- Intron tidak ditranskripsi menjadi RNA matang.
- Transkripsi meliputi langkah-langkah inisiasi, elongasi, dan terminasi.
- Ada berbagai jenis dan jenis polimerase transkripsi baik PIIK maupun PIK.
- Sintesis RNA apa pun dilakukan oleh satu atau beberapa polimerase, dan bukan tanpa partisipasi enzim protein.
- SakharkarM. K., Chow V. T., Kangueane R. Distribusi Ekson dan Intron dalam Genom Manusia // Dalam Silicio Biology. 2004 Jil. 4. Tidak. 4. Hal. 387-393.
Kehidupan dalam bentuk karbon ada karena adanya molekul protein. Dan biosintesis protein dalam sel adalah satu-satunya kemungkinan untuk ekspresi gen. Tetapi pelaksanaan proses ini membutuhkan peluncuran sejumlah proses yang terkait dengan "membongkar" informasi genetik, pencarian gen yang diinginkan, pembacaan dan reproduksinya. Istilah "transkripsi" dalam biologi hanya mengacu pada proses mentransfer informasi dari gen ke messenger RNA. Ini adalah awal dari biosintesis, yaitu implementasi langsung dari informasi genetik.
Penyimpanan informasi genetik
Dalam sel organisme hidup, informasi genetik terlokalisasi di nukleus, mitokondria, kloroplas, dan plasmid. Mitokondria dan kloroplas mengandung sejumlah kecil DNA hewan dan tumbuhan, sedangkan plasmid bakteri adalah tempat penyimpanan gen yang bertanggung jawab untuk adaptasi cepat terhadap kondisi lingkungan.
Dalam tubuh virus, informasi herediter juga disimpan dalam bentuk polimer RNA atau DNA. Namun proses implementasinya juga terkait dengan kebutuhan akan transkripsi. Dalam biologi, proses ini sangat penting, karena proses inilah yang mengarah pada realisasi informasi turun-temurun, yang memicu biosintesis protein.
Dalam sel hewan, informasi herediter diwakili oleh polimer DNA, yang dikemas secara kompak di dalam nukleus. Oleh karena itu, sebelum sintesis protein atau pembacaan gen apa pun, beberapa tahap harus melalui: pelepasan kromatin yang terkondensasi dan "pelepasan" gen yang diinginkan, pengenalannya oleh molekul enzim, transkripsi.
Dalam biologi dan kimia biologi, tahap-tahap ini telah dipelajari. Mereka mengarah pada sintesis protein yang struktur utamanya dikodekan dalam gen baca.
Skema transkripsi dalam sel eukariotik
Meskipun transkripsi dalam biologi belum cukup dipelajari, urutannya secara tradisional disajikan dalam bentuk diagram. Ini terdiri dari inisiasi, elongasi dan terminasi. Ini berarti bahwa seluruh proses dibagi menjadi tiga komponen fenomenanya.
Inisiasi adalah serangkaian proses biologis dan biokimiawi yang mengarah pada dimulainya transkripsi. Inti dari pemanjangan adalah untuk terus membangun rantai molekul. Terminasi adalah serangkaian proses yang mengarah pada penghentian sintesis RNA. Omong-omong, dalam konteks biosintesis protein, proses transkripsi dalam biologi biasanya diidentikkan dengan sintesis messenger RNA. Berdasarkan itu, rantai polipeptida nantinya akan disintesis.
Inisiasi
Inisiasi adalah mekanisme transkripsi yang paling sedikit dipahami dalam biologi. Apa ini dari sudut pandang biokimia tidak diketahui. Artinya, enzim spesifik yang bertanggung jawab untuk memulai transkripsi tidak dikenali sama sekali. Juga tidak diketahui sinyal intraseluler dan metode transmisinya, yang menunjukkan perlunya sintesis protein baru. Untuk sitologi dan biokimia, ini adalah tugas mendasar.
Pemanjangan
Proses inisiasi dan pemanjangan waktu masih belum dapat dipisahkan karena ketidakmungkinan melakukan penelitian laboratorium yang dirancang untuk mengkonfirmasi keberadaan enzim spesifik dan faktor pemicu. Oleh karena itu, batas ini sangat kondisional. Inti dari proses pemanjangan direduksi menjadi pemanjangan rantai yang tumbuh yang disintesis berdasarkan wilayah cetakan DNA.
Diyakini bahwa pemanjangan dimulai setelah translokasi pertama RNA polimerase dan awal perlekatan kadon pertama ke tempat awal RNA. Dalam proses pemanjangan, kadons dibaca ke arah untai 3'-5' di daerah yang didespiralisasi dan dibagi menjadi dua untai DNA. Pada saat yang sama, rantai RNA yang tumbuh ditambahkan dengan nukleotida baru yang melengkapi daerah cetakan DNA. Dalam hal ini, DNA "disulam" dengan lebar 12 nukleotida, yaitu hingga 4 kanon.
Enzim RNA polimerase bergerak di sepanjang rantai yang sedang tumbuh, dan "di belakangnya", "ikatan silang" terbalik DNA menjadi struktur untai ganda terjadi dengan pemulihan ikatan hidrogen antara nukleotida. Ini sebagian menjawab pertanyaan tentang proses apa yang disebut transkripsi dalam biologi. Pemanjangan adalah fase utama transkripsi, karena dalam perjalanannya, yang disebut mediator antara gen dan sintesis protein, dirakit.
Penghentian
Proses penghentian transkripsi sel eukariotik kurang dipahami. Sejauh ini, para ilmuwan telah mengurangi esensinya menjadi penghentian pembacaan DNA di ujung 5 "dan penambahan sekelompok basa adenin ke ujung 3" RNA. Proses terakhir memungkinkan untuk menstabilkan struktur kimia dari RNA yang dihasilkan. Ada dua jenis penghentian dalam sel bakteri. Ini adalah proses Rho-dependent dan Rho-independen.
Proses pertama berlangsung dengan adanya protein Rho dan direduksi menjadi pemutusan sederhana ikatan hidrogen antara daerah cetakan DNA dan RNA yang disintesis. Yang kedua, Rho-independen, terjadi setelah munculnya loop batang jika ada satu set basa urasil di belakangnya. Kombinasi ini mengarah pada pelepasan RNA dari cetakan DNA. Jelas bahwa penghentian transkripsi adalah proses enzimatik, tetapi biokatalis spesifiknya belum ditemukan.
Transkripsi virus
Tubuh virus tidak memiliki sistem biosintesis proteinnya sendiri, dan karena itu tidak dapat berkembang biak tanpa memanfaatkan sel. Tetapi virus memiliki materi genetiknya sendiri yang perlu diwujudkan, serta dibangun ke dalam gen sel yang terinfeksi. Untuk melakukan ini, mereka memiliki sejumlah enzim (atau mengeksploitasi sistem enzim sel) yang menyalin asam nukleat mereka. Artinya, enzim ini, berdasarkan informasi genetik virus, mensintesis analog dari messenger RNA. Tapi itu sama sekali bukan RNA, tetapi polimer DNA yang melengkapi gen, misalnya, pada manusia.
Ini sepenuhnya melanggar prinsip-prinsip tradisional transkripsi dalam biologi, yang harus dipertimbangkan dalam contoh virus HIV. Enzim reversetase dari RNA virus mampu mensintesis DNA komplementer dengan asam nukleat manusia. Proses sintesis DNA komplementer dari RNA disebut transkripsi balik. Ini dalam biologi definisi proses yang bertanggung jawab untuk menanamkan informasi herediter virus ke dalam genom manusia.
Pertama, tentukan urutan langkah-langkah dalam biosintesis protein, dimulai dengan transkripsi. Seluruh urutan proses yang terjadi selama sintesis molekul protein dapat digabungkan menjadi 2 tahap:
Transkripsi.
Siaran.
Unit struktural informasi herediter adalah gen - bagian dari molekul DNA yang mengkodekan sintesis protein tertentu. Dalam hal organisasi kimia, materi hereditas dan variabilitas pro dan eukariota pada dasarnya tidak berbeda. Materi genetik di dalamnya disajikan dalam molekul DNA, prinsip merekam informasi herediter dan kode genetik juga umum. Asam amino yang sama dalam pro dan eukariota dienkripsi oleh kodon yang sama.
Genom sel prokariotik modern ditandai dengan ukuran yang relatif kecil, DNA Escherichia coli berbentuk cincin, panjangnya sekitar 1 mm. Ini berisi 4 x 106 pasangan basa, membentuk sekitar 4000 gen. Pada tahun 1961, F. Jacob dan J. Monod menemukan cistronic, atau organisasi berkelanjutan dari gen prokariotik, yang seluruhnya terdiri dari pengkodean urutan nukleotida, dan mereka sepenuhnya diwujudkan selama sintesis protein. Materi herediter dari molekul DNA prokariota terletak langsung di sitoplasma sel, di mana tRNA dan enzim yang diperlukan untuk ekspresi gen juga berada Ekspresi adalah aktivitas fungsional gen, atau ekspresi gen. Oleh karena itu, mRNA yang disintesis dengan DNA mampu segera bertindak sebagai template dalam proses translasi sintesis protein.
Genom eukariotik mengandung lebih banyak materi herediter. Pada manusia, panjang total DNA dalam set kromosom diploid adalah sekitar 174 cm, berisi 3 x 109 pasangan basa dan mencakup hingga 100.000 gen. Pada tahun 1977, sebuah diskontinuitas ditemukan dalam struktur sebagian besar gen eukariotik, yang disebut gen "mosaik". Ini memiliki pengkodean urutan nukleotida eksonik Dan intron plot. Hanya informasi ekson yang digunakan untuk sintesis protein. Jumlah intron bervariasi dalam gen yang berbeda. Telah ditetapkan bahwa gen ovalbumin ayam mencakup 7 intron, dan gen prokolagen mamalia - 50. Fungsi DNA diam - intron belum sepenuhnya dijelaskan. Diasumsikan bahwa mereka menyediakan: 1) organisasi struktural kromatin; 2) beberapa dari mereka jelas terlibat dalam regulasi ekspresi gen; 3) intron dapat dianggap sebagai penyimpan informasi untuk variabilitas; 4) mereka dapat memainkan peran protektif, mengambil tindakan mutagen.
Transkripsi
Proses penulisan ulang informasi dalam inti sel dari bagian molekul DNA menjadi molekul mRNA (mRNA) disebut transkripsi(lat. Transcriptio - menulis ulang). Produk utama gen, mRNA, disintesis. Ini adalah langkah pertama dalam sintesis protein. Pada bagian DNA yang sesuai, enzim RNA polimerase mengenali tanda dimulainya transkripsi - pratinjau Titik awal dianggap sebagai nukleotida DNA pertama, yang dimasukkan oleh enzim dalam transkrip RNA. Sebagai aturan, daerah pengkodean dimulai dengan kodon AUG, terkadang GUG digunakan pada bakteri. Ketika RNA polimerase berikatan dengan promotor, heliks ganda DNA dipilin secara lokal dan salah satu untai disalin sesuai dengan prinsip saling melengkapi. mRNA disintesis, kecepatan perakitannya mencapai 50 nukleotida per detik. Saat RNA polimerase bergerak, rantai mRNA tumbuh, dan ketika enzim mencapai ujung tempat penyalinan - terminator, mRNA menjauh dari template. Heliks ganda DNA di belakang enzim diperbaiki.
Transkripsi prokariota terjadi di sitoplasma. Karena fakta bahwa DNA seluruhnya terdiri dari urutan nukleotida pengkode, oleh karena itu, mRNA yang disintesis segera bertindak sebagai templat untuk terjemahan (lihat di atas).
Transkripsi mRNA pada eukariota terjadi di dalam nukleus. Ini dimulai dengan sintesis molekul besar - prekursor (pro-mRNA), yang disebut belum matang, atau RNA nuklir Produk utama dari gen pro-mRNA adalah salinan tepat dari wilayah DNA yang ditranskripsi, termasuk ekson dan intron. Proses pembentukan molekul RNA matang dari prekursor disebut pengolahan. pematangan mRNA terjadi dengan penyambungan adalah stek oleh enzim pembatasan intron dan koneksi situs dengan urutan ekson yang ditranskripsi oleh enzim ligase. (Gbr.) MRNA matang jauh lebih pendek daripada molekul prekursor pro-mRNA, ukuran intron di dalamnya bervariasi dari 100 hingga 1000 nukleotida atau lebih. Intron menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang.
Sekarang telah terbukti bahwa itu mungkin penyambungan alternatif, di mana urutan nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di daerah yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini adalah karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan untuk membentuk berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal.
Setelah menyelesaikan pemrosesan, mRNA matang dipilih sebelum meninggalkan nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% mRNA matang yang memasuki sitoplasma, dan sisanya dibelah dalam nukleus.
Siaran
Terjemahan (lat. Translatio - transfer, transfer) - terjemahan informasi yang terkandung dalam urutan nukleotida molekul mRNA ke dalam urutan asam amino dari rantai polipeptida (Gbr. 10). Ini adalah tahap kedua sintesis protein. Transfer mRNA matang melalui pori-pori amplop nuklir menghasilkan protein khusus yang membentuk kompleks dengan molekul RNA. Selain transpor mRNA, protein ini melindungi mRNA dari efek merusak enzim sitoplasma. Dalam proses translasi, tRNA memainkan peran sentral; mereka memastikan korespondensi yang tepat dari asam amino dengan kode triplet mRNA. Proses translasi-decoding terjadi di ribosom dan dilakukan dalam arah dari 5 ke 3. Kompleks mRNA dan ribosom disebut polisom.
Translasi dapat dibagi menjadi tiga fase: inisiasi, elongasi, dan terminasi.
Inisiasi.
Pada tahap ini, seluruh kompleks yang terlibat dalam sintesis molekul protein dirakit. Ada penyatuan dua subunit ribosom di situs mRNA tertentu, aminoasil pertama - tRNA melekat padanya, dan ini menetapkan kerangka untuk membaca informasi. Setiap molekul mRNA mengandung situs yang melengkapi rRNA dari subunit kecil ribosom dan secara khusus dikendalikan olehnya. Di sebelahnya adalah kodon awal inisiasi AUG, yang mengkode asam amino metionin.
Pemanjangan
- itu mencakup semua reaksi dari saat pembentukan ikatan peptida pertama hingga perlekatan asam amino terakhir. Ribosom memiliki dua tempat untuk mengikat dua molekul tRNA. T-RNA pertama dengan asam amino metionin terletak di satu bagian, peptidil (P), dan sintesis molekul protein apa pun dimulai darinya. Molekul t-RNA kedua memasuki situs kedua ribosom - aminoasil (A) dan menempel pada kodonnya. Ikatan peptida terbentuk antara metionin dan asam amino kedua. TRNA kedua bergerak bersama dengan kodon mRNA ke pusat peptidil. Pergerakan tRNA dengan rantai polipeptida dari pusat aminoasil ke pusat peptidil disertai dengan kemajuan ribosom di sepanjang mRNA dengan langkah yang sesuai dengan satu kodon. TRNA yang mengantarkan metionin kembali ke sitoplasma, dan pusat amnoasil dilepaskan. Ia menerima t-RNA baru dengan asam amino yang dienkripsi oleh kodon berikutnya. Ikatan peptida terbentuk antara asam amino ketiga dan kedua, dan tRNA ketiga, bersama dengan kodon mRNA, bergerak ke pusat peptidil.Proses pemanjangan, pemanjangan rantai protein. Ini berlanjut sampai salah satu dari tiga kodon yang tidak mengkode asam amino memasuki ribosom. Ini adalah kodon terminator dan tidak ada tRNA yang sesuai untuknya, jadi tidak ada tRNA yang dapat mengambil tempat di pusat aminoasil.
Penghentian
- penyelesaian sintesis polipeptida. Hal ini terkait dengan pengenalan oleh protein ribosom spesifik dari salah satu kodon terminasi (UAA, UAG, UGA) ketika memasuki pusat aminoasil. Faktor terminasi khusus melekat pada ribosom, yang mendorong pemisahan subunit ribosom dan pelepasan molekul protein yang disintesis. Air melekat pada asam amino terakhir dari peptida dan ujung karboksilnya dipisahkan dari tRNA.
Perakitan rantai peptida dilakukan dengan kecepatan tinggi. Pada bakteri pada suhu 37°C, ia dinyatakan dalam penambahan 12 hingga 17 asam amino per detik ke polipeptida. Dalam sel eukariotik, dua asam amino ditambahkan ke polipeptida dalam satu detik.
Rantai polipeptida yang disintesis kemudian memasuki kompleks Golgi, di mana konstruksi molekul protein selesai (struktur kedua, ketiga, keempat muncul secara berurutan). Di sini terjadi kompleksasi molekul protein dengan lemak dan karbohidrat.
Seluruh proses biosintesis protein disajikan dalam bentuk skema: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® rantai polipeptida ® protein ® kompleks protein dan transformasinya menjadi molekul yang aktif secara fungsional.
Tahapan implementasi informasi herediter juga berlangsung dengan cara yang sama: pertama, ditranskripsi ke dalam urutan nukleotida mRNA, dan kemudian diterjemahkan ke dalam urutan asam amino polipeptida pada ribosom dengan partisipasi tRNA.
Transkripsi eukariota dilakukan di bawah aksi tiga polimerase RNA nuklir. RNA polimerase 1 terletak di nukleolus dan bertanggung jawab untuk transkripsi gen rRNA. RNA polimerase 2 ditemukan dalam getah nukleus dan bertanggung jawab untuk sintesis prekursor mRNA. RNA polimerase 3 adalah fraksi kecil dalam getah nukleus yang mensintesis rRNA dan tRNA kecil. RNA polimerase secara khusus mengenali urutan nukleotida dari promotor transkripsi. MRNA eukariotik pertama kali disintesis sebagai prekursor (pro-mRNA), informasi dari ekson dan intron dihapus darinya. MRNA yang disintesis lebih besar dari yang diperlukan untuk translasi dan kurang stabil.
Dalam proses pematangan molekul mRNA, intron dipotong dengan bantuan enzim restriksi, dan ekson dijahit bersama dengan bantuan enzim ligase. Pematangan mRNA disebut pemrosesan, dan penggabungan ekson disebut penyambungan. Dengan demikian, mRNA dewasa hanya berisi ekson dan jauh lebih pendek dari pendahulunya, pro-mRNA. Ukuran intron bervariasi dari 100 hingga 10.000 nukleotida atau lebih. Inton menyumbang sekitar 80% dari semua mRNA yang belum matang. Saat ini, kemungkinan splicing alternatif telah terbukti, di mana urutan nukleotida dapat dihapus dari satu transkrip primer di daerah yang berbeda dan beberapa mRNA matang akan terbentuk. Jenis penyambungan ini adalah karakteristik dari sistem gen imunoglobulin pada mamalia, yang memungkinkan untuk membentuk berbagai jenis antibodi berdasarkan transkrip mRNA tunggal. Setelah pemrosesan selesai, mRNA matang dipilih sebelum dilepaskan ke sitoplasma dari nukleus. Telah ditetapkan bahwa hanya 5% dari mRNA matang yang masuk, dan sisanya dibelah di dalam nukleus. Transformasi transkripsi utama gen eukariotik, terkait dengan organisasi ekson-intronnya, dan sehubungan dengan transisi mRNA matang dari nukleus ke sitoplasma, menentukan fitur realisasi informasi genetik eukariota. Oleh karena itu, gen mosaik eukariotik bukanlah gen cistronome, karena tidak semua urutan DNA digunakan untuk sintesis protein.
DNA - pembawa semua informasi genetik dalam sel - tidak mengambil bagian langsung dalam sintesis protein. Pada sel hewan dan tumbuhan, molekul DNA terkandung dalam kromosom nukleus dan dipisahkan oleh membran inti dari sitoplasma, tempat protein disintesis. Ke ribosom - tempat perakitan protein - mediator pembawa informasi dikirim dari nukleus, yang mampu melewati pori-pori membran nukleus. Messenger RNA (i-RNA) adalah perantara seperti itu. Menurut prinsip saling melengkapi, itu dibaca dari DNA dengan partisipasi enzim yang disebut RNA polimerase. Proses membaca (atau lebih tepatnya, menghapus), atau sintesis RNA, yang dilakukan oleh RNA polimerase, disebut transkripsi (Latin transcriptio - penulisan ulang). Messenger RNA adalah molekul beruntai tunggal, dan transkripsi berasal dari satu untai molekul DNA beruntai ganda. Jika nukleotida G ada dalam untai DNA yang ditranskripsi, maka RNA polimerase termasuk C dalam RNA, jika T, itu termasuk A, jika A, itu termasuk y (RNA tidak termasuk T) (Gbr. 46) . Panjangnya, masing-masing molekul mRNA ratusan kali lebih pendek dari DNA. Messenger RNA bukanlah salinan dari seluruh molekul DNA, tetapi hanya sebagian darinya - satu gen atau sekelompok gen yang berdekatan yang membawa informasi tentang struktur protein yang diperlukan untuk melakukan satu fungsi. Pada prokariota, kelompok gen ini disebut operon. Anda akan membaca tentang bagaimana gen digabungkan menjadi operon dan bagaimana kontrol transkripsi diatur di bagian biosintesis protein. Pada awal setiap operon adalah semacam situs pendaratan untuk RNA polimerase yang disebut promotor. Ini adalah urutan spesifik nukleotida DNA yang dikenali oleh enzim melalui afinitas kimia. Hanya dengan menempel pada promotor, RNA polimerase dapat memulai sintesis mRNA. Setelah mencapai akhir operon, enzim menemukan sinyal (dalam bentuk urutan nukleotida tertentu) yang menunjukkan akhir pembacaan. MRNA yang sudah jadi bergerak menjauh dari DNA dan menuju ke tempat sintesis protein. Ada empat tahap dalam proses transkripsi yang dijelaskan:
1) Pengikatan RNA polimerase ke promotor;
2) Inisiasi - awal sintesis. Ini terdiri dari pembentukan ikatan fosfodiester pertama antara ATP atau GTP dan nukleotida kedua dari molekul RNA yang disintesis;
3) elongasi - pertumbuhan rantai RNA, yaitu perlekatan berurutan nukleotida satu sama lain dalam urutan di mana nukleotida komplementer berada dalam untai DNA yang ditranskripsi. Laju pemanjangan mencapai 50 nukleotida per detik;
4) terminasi - penyelesaian sintesis mRNA.
