Visų genų ekspresija prasideda nuo jų nukleotidų sekos transkripcijos. Transkripcija yra informacijos, parašytos dezoksiribonukleotidų sekos kalba DNR jutimo grandinėje, vertimas į mRNR ribonukleotidų sekos kalbą. Šiuo atveju tam tikra vienos iš dviejų DNR grandžių sritis (antisense) yra naudojama kaip šablonas RNR sintezei komplementariai suporuojant bazes.
Fermentai, katalizuojantys transkripcijos procesą, yra nuo DNR priklausomos RNR polimerazės. Be to, prokariotuose, pavyzdžiui, Escherichia coli ląstelėse, buvo rastas tik vienas šio fermento tipas, kuris sintetina visus tris RNR tipus (mRNR, tRNR, rRNR). Priešingai, eukariotai turi tris skirtingas nuo DNR priklausomas RNR polimerazes, kurių kiekviena yra atsakinga už genų, koduojančių skirtingų tipų ląstelių RNR, transkripciją. Transkripcijos procesas ir jo fermentinė įranga buvo geriausiai ištirti prokariotuose. Bakterinės RNR polimerazės yra sudėtingi baltymai, sudaryti iš kelių skirtingų subvienetų. Labiausiai ištirtas fermentas holofermentas E. coli RNR polimerazė, kurioje yra penki skirtingi polipeptido subvienetai: dvi a-grandinės, viena b-grandinė ir viena b-grandinė, s- ir w-grandinės. Alternatyvi fermento forma vadinama žievė arba minifermentas, trūksta s-subvieneto. Pagrindinis fermentas katalizuoja daugumą DNR transkripcijos reakcijų į RNR, bet negali inicijuoti RNR sintezės tinkamoje vietoje, nes negali atpažinti promotoriaus vietų. Tikslus surišimas ir inicijavimas promotoriuose įvyksta tik po sd subvieneto pridėjimo prie pagrindinio fermento ir susiformavus holofermentui.
Kaip ir kitus šabloninius procesus, transkripciją sudaro 3 etapai: inicijavimas, pailgėjimas ir užbaigimas.
Transkripcijos inicijavimas. Šiam procesui reikia: holofermento, specialios nukleotidų sekos DNR (promotoriaus) ir nukleozidų trifosfatų rinkinio. Transkripcija inicijuojama susidarius stabiliam kompleksui tarp holofermento ir konkrečios sekos, vadinamos promotoriumi, esančios visų transkripcijos vienetų pradžioje. Promotorius yra DNR molekulės dalis, susidedanti iš maždaug 40 bazinių porų ir esanti prieš pat transkripcijos pradžios vietą. Ji išskiria dvi svarbias ir gana konservatyvias sekas. Vienas iš jų susideda iš šešių ar septynių nukleotidų (dažniausiai TATAAT) ir yra maždaug 10 nukleotidų atstumu nuo pirmojo transkribuoto nukleotido (+1); šis signalas paprastai vadinamas 10 sekų, arba Pribnov-Box, jo atradėjo vardu. Šioje vietoje RNR polimerazė prisijungia prie DNR. Antroji seka yra ~ 35 nukleotidų atstumu nuo iniciacijos vietos ir yra vieta, kurioje RNR polimerazė atpažįsta promotorių (3.1 pav.).
Kai RNR polimerazė prisijungia prie promotoriaus, įvyksta vietinis dvigubos DNR spiralės išsivyniojimas ir susidaro atviras promotoriaus kompleksas. Jis kopijuoja DNR jutimo arba (+) grandinės nukleotidų seką, kurios kryptis yra 5 → 3'. Šiuo atveju mRNR sintezė visada prasideda nuo nukleotidų A arba G. Antroji, antisensinė DNR grandinė yra RNR grandinės sintezės šablonas (3.2 pav.).
Transkripcija yra panaši į replikaciją, nes ribonukleotidų pridėjimo tvarką lemia komplementarių bazių poravimas (3.2 pav.). Susidarius kelioms pirmoms fosfodiesterio jungtims (dažniausiai 5-10), d-subvienetas atskiriamas nuo iniciacijos komplekso, o tolimesnė transkripcija atliekama pagrindinio fermento pagalba.
Transkripcijos pailgėjimas. Auganti RNR grandinė lieka surišta su fermentu ir su augančiu galu susieta su šabloninės grandinės dalimi. Likusi susidariusios grandinės dalis nėra susijusi nei su fermentu, nei su DNR. Tęsiant transkripciją, korenzimas, judantis išilgai DNR grandinės, veikia kaip užtrauktukas, išvyniodamas dvigubą spiralę, kuri užsidaro už fermento, ir atkuriama pirminė dvipusė struktūra. Fermento „atidaryta“ DNR sritis tęsiasi vos kelias bazių poras (3.3 pav.).
RNR augimas vyksta kryptimi nuo 5'- iki 3'-galo palei šablono (-) grandinę, orientuotą 3'→5' kryptimi, ty antilygiagrečiai. Transkripcija tęsiasi nuolat, kol fermentas pasiekia transkripcijos pabaigos vietą.
Transkripcijos nutraukimas. DNR sekos, signalizuojančios apie transkripcijos pabaigą, vadinamos transkripcijos terminatoriais. Juose yra apverstų pasikartojimų, dėl kurių RNR nuorašų 3' galai yra sulankstyti, kad susidarytų smeigės skirtingo ilgio (3.4 pav.).
Aptinkami dviejų tipų užbaigimo signalai – nuo r priklausomi ir nuo r nepriklausomi terminatoriai. r yra oligomerinis baltymas, kuris glaudžiai jungiasi su RNR ir tokioje būsenoje hidrolizuoja ATP į ADP ir neorganinį fosfatą. Viename iš modelių r-baltymo veikimas paaiškinamas tuo, kad jis prisijungia prie susintetintos RNR grandinės ir juda ja 5'→3' kryptimi iki RNR sintezės vietos; ATP hidrolizės metu išsiskiria jo judėjimui reikalinga energija. Jei r-baltymas susiduria su plaukų segtuku, kuris susidaro RNR, jis sustabdo polimerazę, kuri gali tęsti transkripciją. Nuo r nepriklausomo nutraukimo mechanizmas yra mažiau suprantamas ir daug kas lieka neaišku.
Daugeliu atvejų pirminiai transkriptai, pagaminti aukščiau aprašytu būdu, nėra subrendusios RNR molekulės, tačiau jiems reikalingas brendimo procesas, vadinamas RNR apdorojimu. Apdorojimas labai skiriasi prokariotų ir eukariotų RNR.
Prokariotuose pirminiai transkriptai, sukurti transkripuojant baltymus koduojančius genus, veikia kaip mRNR be tolesnio modifikavimo ar apdorojimo. Be to, mRNR vertimas dažnai prasideda dar nepasibaigus nuorašo 3'-galo sintezei. Visiškai kitokia situacija stebima prokariotų rRNR ir tRNR molekulėms. Šiuo atveju rRNR arba tRNR genų sankaupos dažnai transkribuojamos, kad susidarytų viena RNR grandinė. Kad susidarytų brandžios funkcinės formos, turi įvykti specifinis pirminių RNR transkriptų pjūvis ir modifikacija. Šie molekuliniai įvykiai vadinami RNR apdorojimu arba potranskripcijos modifikacija. Pradinį pirminių transkriptų skaidymą į fragmentus, kuriuose yra tRNR arba 16S-, 23S- arba 5S-rRNR sekos, atlieka endonukleazė RNazė III. Jos taikiniai yra trumpi RNR dupleksai, susidarantys intramolekulinės bazės poravimosi metu sekose, besiribojančiose su kiekvienu RNR segmentu. . Šios papildomos sekos sudaro plaukų segtukus, kuriuose RNazė įveda pertraukas, po kurių kitos RNazės pašalina papildomas tarpinių sričių sekas. tRNR molekulės pirmiausia sintezuojamos kaip pro-tRNR, kuri yra ~ 20% ilgesnė už subrendusią. Papildomas sekas, esančias 5' ir 3' galuose, pašalina ribonukleazės Q ir P. Be to, norint suformuoti subrendusią funkcinę tRNR, atrodo, kad specifinė bazės modifikacija ir vienos, dviejų arba visų trijų 3' -CCA nukleotidai turi atsirasti.-galas (akceptoriaus šaka).
RNR brendimas eukariotuose yra daug sudėtingesnis. Pirma, eukariotai turi branduolį, kuris nuo citoplazmos yra atskirtas branduoline membrana. Branduolys formuojasi pirminiai transkriptai, kurie yra ilgesni nei citoplazminė mRNR, dalyvaujanti transliacijoje. Todėl prieš subrendusios mRNR susidarymą eukariotuose turi būti pašalinta intronai iš hnRNR transkripto sekos (šis procesas vadinamas sujungimas iš anglų kalbos. surišti – susipinti, jungti). Pašalinus sekas, atitinkančias intronus, atkarpos, iš kurių transkribuojamos egzonai. Sujungimą katalizuoja baltymų ir RNR kompleksai (snRNP), kurie sąveikauja su hnRNR ir susidaro sandūrinis. Manoma, kad RNR komponentas turi katalizinį aktyvumą sandūroje. Šios RNR vadinamos ribozimai. Sujungimo vieta sandūrose nustatoma labai tiksliai, nes net 1 nukleotido paklaida gali iškraipyti baltymo struktūrą. Tiksliam atpažinimui intronų sudėtyje yra tam tikros sekos - signalai.
Be susijungimo, eukariotuose iRNR yra modifikuojama: 5' gale susintetina "dangtelis" (kepurė) – struktūra, kuri yra metilinto guanozintrifosfato liekana, apsauganti RNR nuo 5'-egzonukleazių hidrolizės. Pro-mRNR 3' gale susintetinama 150-200 nukleotidų ilgio poliadenilato seka, kuri vadinama "uodega". Šios struktūros dalyvauja reguliuojant eukariotų genų ekspresiją. rRNR ir tRNR apdorojimas eukariotuose yra panašus kaip ir prokariotuose.
Pagal sekos sudarymo principą informacija iš DNR į RNR perduodama baltymams: DNR -> RNR -> baltymas. Šiuo atžvilgiu pereikime prie transkripcijos turinio (iš lat. transkripcija- perrašymas), kartu su DNR replikacija, kuri yra svarbiausias genetinis ir molekulinis mechanizmas. Transkripcija daugeliu atžvilgių yra panaši į replikaciją, tačiau, žinoma, ji turi daug funkcijų. Vienas iš jų – aiškinantis transkripcijos turinį, būtina atsižvelgti į genų struktūrą. Faktas yra tas, kad visi struktūriniai genų vienetai yra atkuriami replikacijos metu, o tai nėra transkripcijos atveju.
Tradiciškai genas apibrėžiamas kaip paveldimos informacijos vienetas, lemiantis tam tikros organizmo funkcijos atlikimą. Genas susideda iš reguliuojančios ir koduojančios dalies. Transkribuojama tik kodavimo dalis, kurią sudaro egzonai ir intronai. Ši transkripcija būdinga nesubrendusiai RNR. Jis tęsiasi paskutiniame transkripcijos etape, kai visi intronai pašalinami iš nesubrendusios RNR, o likę egzonai yra sujungti. Promotoriaus vietoje RNR polimerazė prisijungia prie reguliuojančios geno dalies, dėl kurios pradedama transkripcija vienoje iš dviejų DNR grandinių. Ant pav. 6.8 paveiksle parodyta eukarioto geno struktūros diagrama, taip pat subrendusi ir nesubrendusi RNR.
Akivaizdu, kad kai kuriuos iš aukščiau vartojamų terminų reikia apibūdinti.
Ryžiai. 6.8.
Rėmėjas (nuo fr. propaguotojasįkūrėjas, iniciatorius) yra DNR nukleotidų seka, leidžianti reguliuoti genų ekspresiją. Jis yra šalia 5" geno, taigi, prieš pat tą geno dalį, kuri koduoja RNR. Esminis promotoriaus bruožas yra specifinė jo sąveika su nuo DNR priklausomais baltymais, lemiančiais transkripcijos pradžią per RNR polimerazę. Tokie baltymai vadinami transkripcijos faktoriais.
Kartu su promotoriumi, reguliacinė geno dalis apima nukleotidų sekas, kurios taip pat turi didelę įtaką genų ekspresijai. Stiprintuvai (anglų k., stipriklis - stiprintuvas, didintuvas) jį sustiprinti ir duslintuvai (iš anglų kalbos, duslintuvai- duslintuvas) slopina, bet ne savaime, o tik tada, kai yra veikiami transkripcijos faktorių. Stiprintuvų ir duslintuvų erdvinė padėtis nėra aiškiai apibrėžta; jie gali būti mažesniu ar didesniu atstumu nuo promotoriaus.
egzonas (anglų kalba) išreikštas regionas- ekspresijos sritis) - geno, koduojančio subrendusią RNR ir baltymus, dalis. Egzonai yra pirminiai genetiniai vienetai, nuo kurių labai priklauso viso biologinio pasaulio išvaizda. Būtent jų rekombinacija lemia naujų genų ir baltymų susidarymą. Tik 1,5% DNR geno sudėties lemia baltymų sintezę. Kita šios kompozicijos dalis arba visai netranskribuojama, arba lemia tokių RNR atmainų struktūrą, pavyzdžiui, pernešančios RNR, kurios neatlieka baltymų sintezės funkcijos.
Intron (iš anglų k. įsiterpiantiems regionams- tarpiniai regionai) - geno dalis, kurioje nėra informacijos apie subrendusią RNR ir baltymus. Biologinės intronų funkcijos tiriamos daug prasčiau nei egzonų funkcijos. Taip pat daug ginčų kyla dėl jų kilmės: ar jie atsirado kartu su prokariotais, ar kartu su eukariotais, ar dar vėliau už juos. Viename žmogaus gene yra vidutiniškai 8,8 egzono ir 7,8 ingrono, tačiau ingronai yra vidutiniškai apie 25 kartus ilgesni už egzonus.
Po to, kas pasakyta, nesunku bendrais bruožais įsivaizduoti visą transkripcijos procesą (6.9 pav.).
Ryžiai. 6.9.
Iniciacijos etapas. Veikiama fermentų, ypač stiprintuvų, prisijungusi prie promotoriaus, RNR polimerazė suardo azotines bazes (6.9 pav. pažymėtas trumpomis vertikaliomis linijomis) ir parenka DNR šaką, kuri tampa transkripcijos šablonu (6.9 pav. tai yra apatinė eilutė). Taip pat sukuriama transkripcijos akis (6.9 pav. tai trikampis dangtelis). Tuo pačiu metu pailgėjimo stadijai atskleidžiama 10-20 porų nekleotidų. Įdomu tai, kad transkripcijos atveju nereikia formuoti pradmenų, būdingų DNR replikacijos procesui. Transkripcija atliekama be pradmenų.
pailgėjimo stadija. Veikiant RNR polimerazei, transkripcijos akies srityje susidaro RNR. Skirtingai nei DNR polimerazė, RNR polimerazė negali ištaisyti RNR grandinės sintezės teisingumo ir ištaisyti padarytų klaidų. Jei sintezės metu kyla sunkumų, RNR polimerazės judėjimas sustabdomas. Dėl to sumažėja klaidingo RNR surinkimo tikimybė. Transkripcija nesustoja, akis tolsta nuo promotoriaus. Tose srityse, kurios praėjo pro akutę, atkuriama dvipusė DNR struktūra. Susintetintos RNR grandinė palaipsniui ilgėja. Jis auga 5"-3" kryptimi.
Nutraukimo stadija. Tai atsiranda dėl pagalbinių faktorių poveikio RNR polimerazei. Kai egzonukleazės pasiekia transkripcijos sritį, transkripcija sustoja ir RNR polimerazė bei RNR atsiskiria viena nuo kitos. DNR visiškai atkuria savo dvipusę struktūrą.
Iki šiol mes svarstėme PI IK transkripciją bendrais bruožais, abstrahuodami nuo kelių reikšmingų aplinkybių, visų pirma, nebuvo atsižvelgta į skirtingų tipų RNR ir RNR polimerazių buvimą. Yra šie RNR tipai:
Informacija apie visų tipų RNR yra DNR. Tačiau ne visi jie yra tiesiogiai transkribuojami šabloninėje DNR.
Kai kurios RNR yra anksčiau transkribuotų RNR modifikacijos. Mums, susipažįstantiems su molekulinės genetikos pagrindais, didžiausią susidomėjimą kelia RNR, tiesiogiai dalyvaujančios baltymų sintezėje. Jų yra tik 5 rūšys (6.4 lentelė).
6.4 lentelė
RNR dalyvauja baltymų sintezėje
* Messenger RNR – tas pats, kas pasiuntinio RNR; ** SPR – sant. Anglų signalo atpažinimo dalelė- dalelės, atpažįstančios signalus.
Visų RNR transkripcija vyksta veikiant tam tikroms RNR polimerazėms arba jų deriniams. Lentelėje. 6.5 parodytos trys pagrindinės RNR polimerazių rūšys.
6.5 lentelė
RNR polimerazių tipai
Mažos (trumpos) RGC skiriasi nuo ilgų RNR. MikroRNR yra mažų RNR rūšis, kurios sudaro 98% visos ribonukleotidų medžiagos.
Baigdami skyrių pažymime, kad kartu su tiesiogine transkripcija galima ir atvirkštinė transkripcija. Gebėjimą transkribuoti RNR į DNR turi retrovirusai, ypač ŽIV, atsakingas už AIDS. Retrovirusas patenka į ląstelę. Specialus fermentas atvirkštinė transkriptazė atlieka RNR -» DNR transkripciją. Tada ant gautos DNR grandinės, kaip ir ant matricos, užbaigiama antroji DNR grandinė. Po to realizuojamas ciklas DNR -> RNR -» baltymai. Kai kuriuose eukariotuose yra fermento telomerazės, kuris taip pat inicijuoja atvirkštinę transkripciją. Formuluojant sekos principą reikia atsižvelgti į atvirkštinės transkripcijos reiškinį. Tai neturėtų būti aiškinama kaip atvirkštinės transkripcijos neigimas.
- Genas susideda iš reguliuojančios ir koduojančios dalies.
- Koduojanti geno dalis apima egzonus ir intronus.
- Intronai nėra transkribuojami į subrendusią RNR.
- Transkripcija apima iniciacijos, pailginimo ir užbaigimo etapus.
- Yra įvairių tipų ir tipų PIIK ir PIK transkripcijos polimerazių.
- Bet kurios RNR sintezę vykdo viena arba kelios polimerazės, o ne be baltymų fermentų dalyvavimo.
- SacharkarM. K., Chow V. T., Kangueane R. Eksonų ir intronų pasiskirstymas žmogaus genome // In Silicio Biology. 2004 t. 4. Ne. 4. P. 387-393.
Gyvybė anglies pavidalu egzistuoja dėl baltymų molekulių buvimo. O baltymų biosintezė ląstelėje yra vienintelė genų ekspresijos galimybė. Bet šiam procesui įgyvendinti reikia paleisti nemažai procesų, susijusių su genetinės informacijos „išpakavimu“, norimo geno paieška, jo skaitymu ir dauginimu. Terminas „transkripcija“ biologijoje reiškia tiesiog informacijos perdavimo iš geno į pasiuntinio RNR procesą. Tai yra biosintezės pradžia, tai yra tiesioginis genetinės informacijos įgyvendinimas.
Genetinės informacijos saugojimas
Gyvų organizmų ląstelėse genetinė informacija yra lokalizuota branduolyje, mitochondrijose, chloroplastuose ir plazmidėse. Mitochondrijose ir chloroplastuose yra nedidelis gyvūnų ir augalų DNR kiekis, o bakterijų plazmidės yra genų, atsakingų už greitą prisitaikymą prie aplinkos sąlygų, saugojimo vieta.
Viruso kūnuose paveldima informacija taip pat saugoma RNR arba DNR polimerų pavidalu. Tačiau jo įgyvendinimo procesas taip pat susijęs su transkripcijos poreikiu. Biologijoje šis procesas yra ypač svarbus, nes būtent šis procesas veda į paveldimos informacijos realizavimą, skatinantį baltymų biosintezę.
Gyvūnų ląstelėse paveldima informacija yra DNR polimeras, kuris yra kompaktiškai supakuotas branduolio viduje. Todėl prieš baltymų sintezę ar bet kurio geno nuskaitymą turi praeiti tam tikri etapai: kondensuoto chromatino išvyniojimas ir norimo geno „išleidimas“, jo atpažinimas fermentų molekulėmis, transkripcija.
Biologijos ir biologinės chemijos srityse šie etapai jau buvo ištirti. Jie veda į baltymo, kurio pirminė struktūra buvo užkoduota skaitymo geno, sintezę.
Transkripcijos schema eukariotinėse ląstelėse
Nors transkripcija biologijoje nebuvo pakankamai ištirta, jos seka tradiciškai pateikiama diagramos pavidalu. Jį sudaro inicijavimas, pailgėjimas ir užbaigimas. Tai reiškia, kad visas procesas yra padalintas į tris jo reiškinių komponentus.
Iniciacija – tai biologinių ir biocheminių procesų, vedančių į transkripcijos pradžią, visuma. Pailgėjimo esmė yra toliau kurti molekulinę grandinę. Nutraukimas – tai visuma procesų, dėl kurių nutrūksta RNR sintezė. Beje, baltymų biosintezės kontekste transkripcijos procesas biologijoje dažniausiai tapatinamas su pasiuntinio RNR sinteze. Jos pagrindu vėliau bus susintetinta polipeptidinė grandinė.
Iniciacija
Iniciacija yra mažiausiai suprantamas transkripcijos mechanizmas biologijoje. Kas tai yra biochemijos požiūriu, nežinoma. Tai reiškia, kad specifiniai fermentai, atsakingi už transkripcijos pradžią, apskritai nėra atpažįstami. Taip pat nežinomi tarpląsteliniai signalai ir jų perdavimo būdai, kurie rodo naujo baltymo sintezės poreikį. Citologijai ir biochemijai tai yra pagrindinė užduotis.
Pailgėjimas
Kol kas neįmanoma atskirti inicijavimo ir pailgėjimo proceso laiku, nes neįmanoma atlikti laboratorinių tyrimų, skirtų patvirtinti specifinių fermentų ir provokuojančių veiksnių buvimą. Todėl ši riba yra labai sąlyginė. Prailginimo proceso esmė yra sumažinta iki augančios grandinės pailgėjimo, susintetintos DNR šablono srities pagrindu.
Manoma, kad pailgėjimas prasideda po pirmosios RNR polimerazės translokacijos ir pirmojo kadono prisijungimo prie RNR pradžios vietos. Pailgėjimo metu kadonai nuskaitomi 3'-5' krypties kryptimi despiralizuotoje ir padalinami į dvi grandines DNR sritį. Tuo pačiu metu auganti RNR grandinė pridedama naujais nukleotidais, papildančiais DNR šablono sritį. Šiuo atveju DNR yra „išsiuvinėta“ iki 12 nukleotidų pločio, tai yra iki 4 kanonų.
RNR polimerazės fermentas juda išilgai augančios grandinės, o „už“ jos, atkuriant vandenilio ryšius tarp nukleotidų, vyksta atvirkštinis DNR „sujungimas“ į dvigrandę struktūrą. Tai iš dalies atsako į klausimą, koks procesas biologijoje vadinamas transkripcija. Būtent pailgėjimas yra pagrindinė transkripcijos fazė, nes jos eigoje susirenka vadinamasis tarpininkas tarp geno ir baltymų sintezės.
Nutraukimas
Eukariotinių ląstelių transkripcijos nutraukimo procesas yra menkai suprantamas. Iki šiol mokslininkai sumažino jo esmę iki DNR skaitymo užbaigimo 5 "gale" ir adenino bazių grupės pridėjimo prie 3" RNR galo. Pastarasis procesas leidžia stabilizuoti susidariusios RNR cheminę struktūrą. Bakterijų ląstelėse yra dviejų tipų nutraukimas. Tai nuo Rho priklausomas ir nuo Rho nepriklausomas procesas.
Pirmasis vyksta dalyvaujant Rho baltymui ir sumažinamas iki paprasto vandenilio ryšių tarp DNR šablono srities ir susintetintos RNR nutraukimo. Antrasis, nuo Rho nepriklausomas, atsiranda po to, kai atsiranda stiebo kilpa, jei už jos yra uracilo bazių rinkinys. Dėl šio derinio RNR atsiskiria nuo DNR šablono. Akivaizdu, kad transkripcijos nutraukimas yra fermentinis procesas, tačiau specifiniai jo biokatalizatoriai dar nebuvo rasti.
Virusinė transkripcija
Virusų kūnai neturi savo baltymų biosintezės sistemos, todėl negali daugintis nenaudodami ląstelių. Tačiau virusai turi savo genetinę medžiagą, kurią reikia realizuoti, taip pat integruoti į užkrėstų ląstelių genus. Norėdami tai padaryti, jie turi daugybę fermentų (arba išnaudoja ląstelių fermentų sistemas), kurie transkribuoja jų nukleino rūgštis. Tai yra, šis fermentas, remdamasis genetine viruso informacija, sintezuoja pasiuntinio RNR analogą. Bet tai visai ne RNR, o DNR polimeras, papildantis genus, pavyzdžiui, žmonėms.
Tai visiškai pažeidžia tradicinius biologijos transkripcijos principus, į kuriuos reikėtų atsižvelgti ŽIV viruso pavyzdyje. Jo fermentas reversetazė iš virusinės RNR gali sintetinti DNR, papildančią žmogaus nukleorūgštį. Komplementarios DNR sintezės iš RNR procesas vadinamas atvirkštine transkripcija. Biologijoje tai yra proceso, atsakingo už paveldimos viruso informacijos įterpimą į žmogaus genomą, apibrėžimas.
Pirmiausia nustatykite baltymų biosintezės etapų seką, pradedant nuo transkripcijos. Visą baltymų molekulių sintezės procesų seką galima sujungti į 2 etapus:
Transkripcija.
Transliacija.
Paveldimos informacijos struktūriniai vienetai yra genai – DNR molekulės dalys, kurios koduoja tam tikro baltymo sintezę. Kalbant apie cheminę organizaciją, pro- ir eukariotų paveldimumo ir kintamumo medžiaga iš esmės nesiskiria. Juose esanti genetinė medžiaga pateikiama DNR molekulėje, taip pat įprastas paveldimos informacijos ir genetinio kodo fiksavimo principas. Tos pačios aminorūgštys pro- ir eukariotuose yra užšifruotos tais pačiais kodonais.
Šiuolaikinių prokariotinių ląstelių genomui būdingas santykinai mažas dydis, Escherichia coli DNR yra žiedo formos, apie 1 mm ilgio. Jame yra 4 x 10 6 bazių poros, sudarančios apie 4000 genų. 1961 m. F. Jacob ir J. Monod atrado cistroninę, arba nuolatinę prokariotinių genų organizaciją, kurią sudaro tik koduojančios nukleotidų sekos ir jos visiškai realizuojamos baltymų sintezės metu. Paveldima prokariotų DNR molekulės medžiaga yra tiesiai ląstelės citoplazmoje, kur taip pat yra tRNR ir genų ekspresijai būtini fermentai Ekspresija – tai funkcinis genų aktyvumas, arba genų ekspresija. Todėl su DNR susintetinta mRNR gali iš karto veikti kaip šablonas baltymų sintezės vertimo procese.
Eukariotų genome yra daug daugiau paveldimos medžiagos. Žmonėms bendras DNR ilgis diploidiniame chromosomų rinkinyje yra apie 174 cm. Jame yra 3 x 10 9 bazių poros ir iki 100 000 genų. 1977 metais daugumos eukariotų genų struktūroje buvo aptiktas nenuoseklumas, kuris buvo vadinamas „mozaikos“ genu. Jis turi koduojančias nukleotidų sekas egzoniškas Ir intronas sklypai. Baltymų sintezei naudojama tik informacija apie egzonus. Skirtinguose genuose intronų skaičius skiriasi. Nustatyta, kad vištienos ovalbumino genui priklauso 7 intronai, o žinduolių prokolageno genui – 50. Tyliosios DNR – intronų funkcijos nėra iki galo išaiškintos. Daroma prielaida, kad jie suteikia: 1) chromatino struktūrinę organizaciją; 2) kai kurie iš jų akivaizdžiai dalyvauja genų ekspresijos reguliavime; 3) intronai gali būti laikomi kintamumo informacijos saugykla; 4) jie gali atlikti apsauginį vaidmenį, imdamiesi mutagenų veikimo.
Transkripcija
Informacijos perrašymo procesas ląstelės branduolyje iš DNR molekulės dalies į mRNR molekulę (mRNR) vadinamas transkripcija(lot. Transcriptio – perrašymas). Sintetinamas pirminis geno produktas mRNR. Tai pirmasis baltymų sintezės žingsnis. Atitinkamoje DNR dalyje RNR polimerazės fermentas atpažįsta transkripcijos pradžios ženklą - peržiūra Pradiniu tašku laikomas pirmasis DNR nukleotidas, kurį fermentas įtraukia į RNR transkriptą. Paprastai kodavimo sritys prasideda kodonu AUG, kartais GUG naudojamas bakterijose. Kai RNR polimerazė prisijungia prie promotoriaus, DNR dviguba spiralė lokaliai išsisukinėja ir viena iš grandinių nukopijuojama pagal komplementarumo principą. iRNR sintetinama, jos surinkimo greitis siekia 50 nukleotidų per sekundę. RNR polimerazei judant, auga mRNR grandinė, o kai fermentas pasiekia kopijavimo vietos galą - terminatorius, mRNR tolsta nuo šablono. DNR dviguba spiralė už fermento yra pataisyta.
Prokariotų transkripcija vyksta citoplazmoje. Dėl to, kad DNR susideda tik iš koduojančių nukleotidų sekų, susintetinta mRNR iš karto veikia kaip vertimo šablonas (žr. aukščiau).
iRNR transkripcija eukariotuose vyksta branduolyje. Jis prasideda didelių molekulių – pirmtakų (pro-mRNR), vadinamų nesubrendusiomis, arba branduoline RNR, sintezės Pirminis pro-mRNR geno produktas yra tiksli transkribuotos DNR srities kopija, apima egzonus ir intronus. Brandžių RNR molekulių susidarymo iš pirmtakų procesas vadinamas apdorojimas. mRNR brendimas vyksta iki sujungimas yra auginiai naudojant fermentus apriboti intronai ir vietų sujungimas su transkribuotomis egzonų sekomis ligazės fermentais. (Pav.) Brandi iRNR yra daug trumpesnė už pro-iRNR pirmtakų molekules, jose esančių intronų dydis svyruoja nuo 100 iki 1000 nukleotidų ir daugiau. Intronai sudaro apie 80% visos nesubrendusios mRNR.
Dabar įrodyta, kad tai įmanoma alternatyvus sujungimas, kuriame iš vieno pirminio transkripto skirtinguose jo regionuose gali būti pašalintos nukleotidų sekos ir susidarys kelios subrendusios iRNR. Šis susijungimo tipas būdingas žinduolių imunoglobulino genų sistemai, todėl remiantis vienu mRNR nuorašu galima suformuoti įvairių tipų antikūnus.
Baigus apdorojimą, subrendusi mRNR atrenkama prieš paliekant branduolį. Nustatyta, kad tik 5% subrendusios iRNR patenka į citoplazmą, o likusi dalis yra suskaldoma branduolyje.
Transliacija
Vertimas (lot. Translatio – perkėlimas, perkėlimas) – iRNR molekulės nukleotidų sekoje esančios informacijos vertimas į polipeptidinės grandinės aminorūgščių seką (10 pav.). Tai antrasis baltymų sintezės etapas. Branduolio mRNR pernešimas per branduolio apvalkalo poras gamina specialius baltymus, kurie sudaro kompleksą su RNR molekule. Be mRNR transportavimo, šie baltymai apsaugo mRNR nuo žalingo citoplazminių fermentų poveikio. Transliacijos procese tRNR atlieka pagrindinį vaidmenį, jos užtikrina tikslią aminorūgšties atitiktį mRNR tripleto kodui. Vertimo-dekodavimo procesas vyksta ribosomose ir vykdomas kryptimi nuo 5 iki 3. iRNR ir ribosomų kompleksas vadinamas polisoma.
Vertimą galima suskirstyti į tris fazes: inicijavimą, pailgėjimą ir pabaigą.
Iniciacija.
Šiame etape surenkamas visas kompleksas, dalyvaujantis baltymo molekulės sintezėje. Tam tikroje mRNR srityje yra dviejų ribosomų subvienetų sąjunga, prie jo yra prijungtas pirmasis aminoacilas - tRNR, ir tai nustato informacijos skaitymo rėmą. Bet kurioje mRNR molekulėje yra vieta, kuri yra komplementari su mažo ribosomos subvieneto rRNR ir yra jos specifiškai kontroliuojama. Šalia yra inicijuojantis starto kodonas AUG, kuris koduoja aminorūgštį metioniną.
Pailgėjimas
- tai apima visas reakcijas nuo pirmosios peptidinės jungties susidarymo momento iki paskutinės aminorūgšties prisijungimo. Ribosoma turi dvi vietas, skirtas surišti dvi tRNR molekules. Pirmoji t-RNR su aminorūgštimi metioninu yra vienoje peptidilo (P) sekcijoje ir nuo jos prasideda bet kurios baltymo molekulės sintezė. Antroji t-RNR molekulė patenka į antrąją ribosomos vietą – aminoacilą (A) ir prisitvirtina prie jos kodono. Tarp metionino ir antrosios aminorūgšties susidaro peptidinė jungtis. Antroji tRNR juda kartu su savo mRNR kodonu į peptidilo centrą. T-RNR su polipeptidine grandine judėjimą iš aminoacilo centro į peptidilo centrą lydi ribosomos pažengimas išilgai mRNR žingsniu, atitinkančiu vieną kodoną. tRNR, kuri tiekė metioniną, grįžta į citoplazmą, o amnoacilo centras išsiskiria. Jis gauna naują t-RNR su aminorūgštimi, užšifruota kito kodono. Tarp trečiosios ir antrosios aminorūgščių susidaro peptidinis ryšys, o trečioji tRNR kartu su mRNR kodonu juda į peptidilo centrą Baltymų grandinės pailgėjimo, pailgėjimo procesas. Jis tęsiasi tol, kol vienas iš trijų kodonų, nekoduojančių aminorūgščių, patenka į ribosomą. Tai yra terminatoriaus kodonas ir jam nėra atitinkamos tRNR, todėl nė viena iš tRNR negali užimti vietos aminoacilo centre.
Nutraukimas
- polipeptidų sintezės užbaigimas. Jis yra susijęs su specifinio ribosominio baltymo atpažinimu vieno iš terminacinių kodonų (UAA, UAG, UGA), kai jis patenka į aminoacilo centrą. Prie ribosomos yra prijungtas specialus terminacijos faktorius, kuris skatina ribosomų subvienetų atsiskyrimą ir susintetinto baltymo molekulės išsiskyrimą. Vanduo prijungiamas prie paskutinės peptido aminorūgšties ir jo karboksilo galas yra atskirtas nuo tRNR.
Peptidinės grandinės surinkimas atliekamas dideliu greičiu. Bakterijose 37°C temperatūroje jis išreiškiamas 12–17 aminorūgščių per sekundę pridėjimu prie polipeptido. Eukariotinėse ląstelėse į polipeptidą per vieną sekundę pridedamos dvi aminorūgštys.
Tada susintetinta polipeptidinė grandinė patenka į Golgi kompleksą, kur baigiasi baltymo molekulės konstravimas (iš eilės atsiranda antroji, trečioji, ketvirtoji struktūros). Čia yra baltymų molekulių kompleksas su riebalais ir angliavandeniais.
Visas baltymų biosintezės procesas pateikiamas schemos forma: DNR ® pro mRNR ® mRNR ® polipeptidinė grandinė ® protein ® baltymų kompleksavimas ir jų pavertimas funkciškai aktyviomis molekulėmis.
Paveldimos informacijos įgyvendinimo etapai taip pat vyksta panašiai: pirma, ji transkribuojama į mRNR nukleotidų seką, o paskui, dalyvaujant tRNR, verčiama į polipeptido aminorūgščių seką ribosomose.
Eukariotų transkripcija vykdoma veikiant trims branduolinėms RNR polimerazėms. RNR polimerazė 1 yra branduolyje ir yra atsakinga už rRNR genų transkripciją. RNR polimerazė 2 randama branduolio sultyse ir yra atsakinga už mRNR pirmtako sintezę. RNR polimerazė 3 yra nedidelė branduolio sulčių dalis, kuri sintezuoja mažas rRNR ir tRNR. RNR polimerazės specifiškai atpažįsta transkripcijos promotoriaus nukleotidų seką. Eukariotinė mRNR pirmiausia susintetinama kaip pirmtakas (pro-mRNR), į ją nurašoma informacija iš egzonų ir intronų. Susintetinta mRNR yra didesnė nei būtina vertimui ir yra mažiau stabili.
iRNR molekulės brendimo procese restrikcijos fermentų pagalba išpjaunami intronai, o ligazės fermentų pagalba susiuvami egzonai. MRNR brendimas vadinamas apdorojimu, o egzonų susijungimas vadinamas sujungimu. Taigi subrendusioje mRNR yra tik egzonai ir ji yra daug trumpesnė nei jos pirmtakas pro-mRNR. Intronų dydžiai svyruoja nuo 100 iki 10 000 ar daugiau nukleotidų. Intonai sudaro apie 80% visos nesubrendusios mRNR. Šiuo metu yra įrodyta alternatyvaus splaisingo galimybė, kai iš vieno pirminio transkripto skirtinguose jo regionuose gali būti pašalintos nukleotidų sekos ir susidarys kelios subrendusios mRNR. Šis susijungimo tipas būdingas žinduolių imunoglobulino genų sistemai, todėl remiantis vienu mRNR nuorašu galima suformuoti įvairių tipų antikūnus. Baigus apdorojimą, subrendusi mRNR atrenkama prieš išleidžiant į citoplazmą iš branduolio. Nustatyta, kad subrendusios iRNR patenka tik 5%, o likusi dalis yra suskaldoma branduolyje. Pirminių eukariotų genų transkriptų transformacija, susijusi su jų egzon-intronų organizacija ir susijusi su brandžios mRNR perėjimu iš branduolio į citoplazmą, lemia eukariotų genetinės informacijos realizavimo ypatybes. Todėl eukariotinės mozaikos genas nėra cistronomo genas, nes ne visa DNR seka naudojama baltymų sintezei.
DNR – visos genetinės informacijos nešėja ląstelėje – baltymų sintezėje tiesiogiai nedalyvauja. Gyvūnų ir augalų ląstelėse DNR molekulės yra branduolio chromosomose ir yra atskirtos branduoline membrana nuo citoplazmos, kurioje sintetinami baltymai. Į ribosomas – baltymų surinkimo vietas – iš branduolio siunčiamas informaciją nešantis mediatorius, galintis praeiti pro branduolinės membranos poras. Messenger RNR (i-RNR) yra toks tarpininkas. Pagal komplementarumo principą, jis nuskaitomas iš DNR dalyvaujant fermentui, vadinamam RNR polimeraze. Skaitymo (tiksliau, nurašymo) arba RNR sintezės procesas, vykdomas RNR polimerazės, vadinamas transkripcija (lot. transcriptio – perrašymas). Messenger RNR yra viengrandė molekulė, o transkripcija gaunama iš vienos dvigrandės DNR molekulės grandinės. Jeigu nukleotidas G yra transkribuotoje DNR grandinėje, tai RNR polimerazė į RNR įtraukia C, jei T – tai A, jei A – y (RNR neapima T) (46 pav.) . Kiekviena mRNR molekulė yra šimtus kartų trumpesnė nei DNR. Messenger RNR yra ne visos DNR molekulės kopija, o tik jos dalis – vienas genas arba gretimų genų grupė, pernešanti informaciją apie baltymų struktūrą, reikalingą vienai funkcijai atlikti. Prokariotuose ši genų grupė vadinama operonu. Apie tai, kaip genai sujungiami į operoną ir kaip organizuojama transkripcijos kontrolė, skaitysite skyriuje apie baltymų biosintezę. Kiekvieno operono pradžioje yra tam tikra RNR polimerazės nusileidimo vieta, vadinama promotoriumi. Tai specifinė DNR nukleotidų seka, kurią fermentas atpažįsta pagal cheminį giminingumą. Tik prisijungusi prie promotoriaus, RNR polimerazė gali pradėti mRNR sintezę. Pasiekęs operono galą, fermentas susiduria su signalu (tam tikros nukleotidų sekos pavidalu), rodančiu skaitymo pabaigą. Paruošta mRNR nutolsta nuo DNR ir patenka į baltymų sintezės vietą. Yra keturi aprašyto transkripcijos proceso etapai:
1) RNR polimerazės prisijungimas prie promotoriaus;
2) Iniciacija – sintezės pradžia. Jį sudaro pirmasis fosfodiesterio ryšys tarp ATP arba GTP ir antrojo susintetintos RNR molekulės nukleotido;
3) pailgėjimas – RNR grandinės augimas, t.y., nuoseklus nukleotidų prijungimas vienas prie kito tokia tvarka, kokia yra komplementarūs nukleotidai transkribuotoje DNR grandinėje. Pailgėjimo greitis siekia 50 nukleotidų per sekundę;
4) terminacija – mRNR sintezės užbaigimas.
