Visu gēnu ekspresija sākas ar to nukleotīdu secības transkripciju. Transkripcija ir process, kurā informāciju, kas uzrakstīta DNS maņu virknes dezoksiribonukleotīdu secības valodā, pārvērš mRNS ribonukleotīdu secības valodā. Šajā gadījumā kā veidni RNS sintēzei, izmantojot komplementāru bāzu savienošanu, tiek izmantots noteikts reģions vienā no divām DNS virknēm (antisense).
Fermenti, kas katalizē transkripcijas procesu, ir no DNS atkarīgas RNS polimerāzes. Turklāt prokariotos, piemēram, Escherichia coli šūnās, tika atrasts tikai viens šī enzīma veids, kas sintezē visus trīs RNS veidus (mRNS, tRNS, rRNS). Turpretim eikariotiem ir trīs dažādas no DNS atkarīgas RNS polimerāzes, no kurām katra ir atbildīga par gēnu transkripciju, kas kodē dažāda veida šūnu RNS. Transkripcijas process, kā arī tā enzīmu aprīkojums ir vislabāk pētīts prokariotos. Baktēriju RNS polimerāzes ir sarežģītas olbaltumvielas, kas sastāv no vairākām dažādām apakšvienībām. Visvairāk pētītais enzīms holoenzīms E. coli RNS polimerāze, kas satur piecas dažādas polipeptīdu apakšvienības: divas a-ķēdes, vienu b- un vienu b'-ķēdi, s- un w-ķēdes. Alternatīva fermenta forma, ko sauc mizu vai minienzīms, trūkst s-apakšvienības. Kodolenzīms katalizē lielāko daļu DNS transkripcijas reakciju uz RNS, bet nevar ierosināt RNS sintēzi pareizajā vietā, jo tas nespēj atpazīt promotora vietas. Precīza saistīšanās un iniciācija promotoros notiek tikai pēc sd apakšvienības pievienošanas pamatenzīmam un holoenzīma veidošanās.
Tāpat kā citi veidņu procesi, transkripcija ietver 3 posmus: uzsākšanu, pagarināšanu un izbeigšanu.
Transkripcijas uzsākšana. Šim procesam ir nepieciešams: holoenzīms, īpaša nukleotīdu secība DNS (promotors) un nukleozīdu trifosfātu komplekts. Transkripciju ierosina stabila kompleksa veidošanās starp holoenzīmu un noteiktu secību, ko sauc par promotoru, kas atrodas visu transkripcijas vienību sākumā. Promotors ir DNS molekulas daļa, kas sastāv no aptuveni 40 bāzes pāriem un atrodas tieši pirms transkripcijas sākuma vietas. Tas izšķir divas svarīgas un diezgan konservatīvas secības. Viens no tiem sastāv no sešiem vai septiņiem nukleotīdiem (parasti TATAAT) un atrodas apmēram 10 nukleotīdu attālumā no pirmā transkribētā nukleotīda (+1); šis signāls parasti tiek saukts par 10 secību jeb Pribnov-Box, tā atklājēja vārdā. Šajā vietā RNS polimerāze saistās ar DNS. Otrā secība atrodas ~ 35 nukleotīdu attālumā no iniciācijas vietas un kalpo kā vieta promotora atpazīšanai ar RNS polimerāzi (3.1. att.).
Kad RNS polimerāze saistās ar promotoru, notiek DNS dubultās spirāles lokāla attīšana un veidojas atvērts promotora komplekss. Tas kopē sajūtu vai DNS (+) virknes nukleotīdu secību, kuras virziens ir 5 → 3'. Šajā gadījumā mRNS sintēze vienmēr sākas ar nukleotīdiem A vai G. Otrā, antisense DNS virkne kalpo par šablonu RNS ķēdes sintēzei (3.2. att.).
Transkripcija ir līdzīga replikācijai, jo ribonukleotīdu pievienošanas secību nosaka komplementāra bāzu pārošana (3.2. attēls). Pēc dažu pirmo fosfodiestera saišu veidošanās (parasti 5-10) d-apakšvienība tiek atdalīta no iniciācijas kompleksa, un tālāka transkripcija tiek veikta ar kodolenzīma palīdzību.
Transkripcijas pagarinājums. Augošā RNS virkne paliek saistīta ar enzīmu un ar augošo galu ir savienota ar daļu no veidnes virknes. Pārējā iegūtās ķēdes daļa nav saistīta ne ar fermentu, ne ar DNS. Turpinoties transkripcijai, korenzīms, kas pārvietojas pa DNS ķēdi, darbojas kā rāvējslēdzējs, attinot dubulto spirāli, kas aizveras aiz enzīma, un tiek atjaunota tā sākotnējā dupleksā struktūra. Fermenta "atvērtais" DNS apgabals sniedzas tikai dažus bāzu pārus (3.3. att.).
RNS augšana notiek virzienā no 5'- līdz 3'-galam gar šablona (-) virkni, kas ir orientēta 3'→5' virzienā, t.i., antiparalēli. Transkripcija turpinās nepārtraukti, līdz ferments sasniedz transkripcijas beigu vietu.
Transkripcijas pārtraukšana. DNS sekvences, kas signalizē par transkripcijas pārtraukšanu, sauc par transkripcijas terminatoriem. Tie satur apgrieztus atkārtojumus, kuru dēļ RNS transkriptu 3' gali ir salocīti, veidojot kniedes dažādi garumi (3.4. att.).
Tiek atrasti divu veidu beigu signāli - no r atkarīgi un no r neatkarīgi terminatori. r ir oligomērs proteīns, kas cieši saistās ar RNS un šajā stāvoklī hidrolizē ATP par ADP un neorganisko fosfātu. Vienā no modeļiem r-proteīna darbība tiek skaidrota ar to, ka tas saistās ar sintezēto RNS ķēdi un virzās pa to 5'→3' virzienā uz RNS sintēzes vietu; tā kustībai nepieciešamā enerģija tiek atbrīvota ATP hidrolīzes laikā. Ja r-proteīns saskaras ar matadatu, kas veidojas RNS, tas aptur polimerāzi, kas varētu turpināt transkripciju. R-neatkarīgās izbeigšanas mehānisms ir mazāk saprotams, un daudz kas joprojām ir neskaidrs.
Vairumā gadījumu primārie transkripti, kas ģenerēti iepriekš aprakstītajā veidā, nav nobriedušas RNS molekulas, bet tiem ir nepieciešams nogatavināšanas process, ko sauc par RNS apstrādi. Apstrāde ir ļoti atšķirīgs prokariotu un eikariotu RNS.
Prokariotos primārie transkripti, ko rada proteīnu kodējošu gēnu transkripcija, darbojas kā mRNS bez turpmākas modifikācijas vai apstrādes. Turklāt mRNS translācija bieži sākas pat pirms transkripta 3'-gala sintēzes pabeigšanas. Pavisam cita situācija ir vērojama prokariotu rRNS un tRNS molekulām. Šajā gadījumā rRNS vai tRNS gēnu kopas bieži tiek transkribētas, veidojot vienu RNS virkni. Lai veidotos nobriedušas funkcionālās formas, jāveic specifisks primāro RNS transkriptu iegriezums un modifikācijas. Šos molekulāros notikumus sauc par RNS apstrādi vai pēctranskripcijas modifikācija. Sākotnējo primāro transkriptu šķelšanos fragmentos, kas satur vai nu tRNS, vai 16S-, 23S- vai 5S-rRNS sekvences, veic endonukleāze RNāze III. Tās mērķi ir īsi RNS dupleksi, kas veidojas intramolekulāras bāzes savienošanās laikā sekvencēs, kas atrodas blakus katram RNS segmentam. . Šīs komplementārās sekvences veido matadatas, kurās RNāze ievieš pārtraukumus, pēc kuriem citas RNāzes noņem starpliku reģionu papildu sekvences. tRNS molekulas vispirms tiek sintezētas kā pro-tRNS, kas ir ~ 20% garāka nekā nobriedusi. Papildu sekvences, kas atrodas 5' un 3' galos, noņem ribonukleāzes Q un P. Turklāt, lai izveidotu nobriedušu funkcionālu tRNS, šķiet, ka īpaša bāzes modifikācija un vienas, divu vai visu trīs 3' pievienošana. Jābūt CCA nukleotīdiem.-gals (akceptora atzars).
RNS nobriešana eikariotos ir daudz sarežģītāka. Pirmkārt, eikariotiem ir kodols, ko no citoplazmas atdala kodola membrāna. Kodolā tiek veidoti primārie transkripti, kas ir garāki par translācijā iesaistīto citoplazmas mRNS. Tāpēc pirms nobriedušas mRNS veidošanās eikariotos ir jāveic noņemšana introni no hnRNS transkripta secības (šo procesu sauc savienošana no angļu valodas. salaist - savīties, salaist). Pēc introniem atbilstošo secību noņemšanas sadaļas, kas tiek pārrakstītas no eksoni. Savienošanos katalizē proteīna-RNS kompleksi (snRNP), kas mijiedarbojas ar hnRNS, veidojot salaidzīgs. Tiek uzskatīts, ka RNS komponentam ir katalītiska aktivitāte splicesomā. Šīs RNS sauc ribozīmi. Savienojuma vietu splicesomās nosaka ar augstu precizitāti, jo pat 1 nukleotīda kļūda var izraisīt proteīna struktūras izkropļojumus. Precīzai atpazīšanai intronu sastāvā ir noteiktas sekvences - signāli.
Papildus splicēšanai mRNS eikariotos tiek pakļauts modifikācijām: 5'-galā tiek sintezēts "vāciņš" (cepure) - struktūra, kas ir metilēts guanozīna trifosfāta atlikums, kas aizsargā RNS no 5'-eksonukleāžu hidrolīzes. Pro-mRNS 3' galā tiek sintezēta 150-200 nukleotīdu gara poliadenilāta sekvence, ko sauc par "asti". Šīs struktūras ir iesaistītas eikariotu gēnu ekspresijas regulēšanā. rRNS un tRNS apstrāde eikariotos ir līdzīga tai, kas notiek prokariotos.
Saskaņā ar sekvencēšanas principu informācija tiek pārnesta no DNS uz RNS uz olbaltumvielām: DNS -> RNS -> olbaltumvielas. Šajā sakarā pievērsīsimies transkripcijas saturam (no lat. transkripcija- pārrakstīšana), kā arī DNS replikācija, kas ir vissvarīgākais ģenētiskais un molekulārais mehānisms. Transkripcija daudzējādā ziņā ir līdzīga replikācijai, taču, protams, tai ir vairākas funkcijas. Viens no tiem ir tāds, ka, noskaidrojot transkripcijas saturu, obligāti jāņem vērā gēnu struktūra. Fakts ir tāds, ka visas gēnu struktūrvienības tiek reproducētas replikācijā, kas nav transkripcijas gadījumā.
Tradicionāli gēns tiek definēts kā iedzimtas informācijas vienība, kas nosaka noteiktas organisma funkcijas izpildi. Gēns sastāv no regulējošās un kodējošās daļas. Tiek pārrakstīta tikai kodēšanas daļa, kas sastāv no eksoniem un introniem. Šī transkripcija ir raksturīga nenobriedušai RNS. Tas atrod savu turpinājumu transkripcijas pēdējā posmā, kurā visi introni tiek izslēgti no nenobriedušās RNS, bet atlikušie eksoni tiek apvienoti. Promotora vietā RNS polimerāze saistās ar gēna regulējošo daļu, kas rezultātā uzsāk transkripcijas sākumu vienā no divām DNS virknēm. Uz att. 6.8. attēlā parādīta eikariotu gēna struktūras diagramma, kā arī nobriedusi un nenobriedusi RNS.
Daži no iepriekš lietotajiem terminiem acīmredzami ir jāraksturo.
Rīsi. 6.8.
Atbalstītājs (no fr. veicinātājs dibinātājs, iniciators) ir DNS nukleotīdu secība, kas ļauj regulēt gēnu ekspresiju. Tas atrodas netālu no 5" gēna un līdz ar to tieši pirms tās gēna daļas, kas kodē RNS. Būtiska promotora iezīme ir tā specifiskā mijiedarbība ar DNS atkarīgiem proteīniem, kas nosaka transkripcijas sākumu caur RNS polimerāzi. Tāds olbaltumvielas sauc par transkripcijas faktoriem.
Līdzās promotoram gēna regulējošā daļa ietver nukleotīdu sekvences, kas arī būtiski ietekmē gēnu ekspresiju. Uzlabotāji (angļu, pastiprinātājs- pastiprinātājs, palielinātājs) pastiprina to un klusinātāji (no angļu valodas, klusinātāji- klusinātājs) nomāc, bet ne paši par sevi, bet tikai tad, ja tie ir pakļauti transkripcijas faktoriem. Pastiprinātāju un klusinātāju telpiskais novietojums nav skaidri noteikts; tie var atrasties mazākā vai lielākā attālumā no promotora.
eksons (angļu valodā) izteikts reģions- ekspresijas reģions) - gēna sadaļa, kas kodē nobriedušu RNS un olbaltumvielas. Eksoni ir primārās ģenētiskās vienības, no kurām izšķiroši ir atkarīga visas bioloģiskās pasaules izskats. Tā ir to rekombinācija, kas noved pie jaunu gēnu un olbaltumvielu veidošanās. Tikai 1,5% no DNS gēnu sastāva nosaka olbaltumvielu sintēzi. Cita šī kompozīcijas daļa vai nu vispār netiek transkribēta, vai arī nosaka tādu RNS šķirņu struktūru, piemēram, pārneses RNS, kurām nav olbaltumvielu sintēzes funkcijas.
Introns (no angļu valodas, starpreģioniem- starpposma reģioni) - gēna sadaļa, kas nesatur informāciju par nobriedušu RNS un olbaltumvielām. Intronu bioloģiskās funkcijas tiek pētītas daudz sliktāk nekā eksonu funkcijas. Pastāv arī lielas pretrunas par to izcelsmi: vai tie radušies kopā ar prokariotiem, vai kopā ar eikariotiem, vai pat vēlāk par tiem. Viens cilvēka gēns satur vidēji 8,8 eksonus un 7,8 ingronus, bet ingroni ir vidēji aptuveni 25 reizes garāki par eksoniem.
Pēc teiktā nav grūti vispārīgi iedomāties visu transkripcijas procesu (6.9. att.).
Rīsi. 6.9.
Iniciācijas stadija. Enzīmu, jo īpaši pastiprinātāju, ietekmē, pievienojoties promotoram, RNS polimerāze šķeļ slāpekļa bāzes (6.9. att. apzīmētas ar īsām vertikālām līnijām) un atlasa DNS zaru, kas kļūst par transkripcijas šablonu (6.9. att. tas ir apakšējā līnija). Tas arī izveido transkripcijas aci (6.9. attēlā tas ir trīsstūrveida vāks). Tajā pašā laikā pagarinājuma stadijai tiek pakļauti 10-20 nekleotīdu pāri. Interesanti, ka transkripcijas gadījumā nav jāveido DNS replikācijas procesam raksturīgs primers. Transkripcija tiek veikta bez grunts.
pagarinājuma stadija. RNS polimerāzes iedarbībā RNS veidojas transkripcijas acs reģionā. Atšķirībā no DNS polimerāzes, RNS polimerāze nespēj labot RNS ķēdes sintēzes pareizību un labot pieļautās kļūdas. Ja sintēzes laikā rodas grūtības, RNS polimerāzes kustība tiek apturēta. Tā rezultātā tiek samazināta RNS kļūdainas montāžas iespējamība. Transkripcija neapstājas, acs attālinās no promotora. Tajos apgabalos, kas ir izgājuši cauri, tiek atjaunota DNS dupleksā struktūra. Sintezētās RNS ķēde pakāpeniski pagarinās. Tas aug 5"-3" virzienā.
Izbeigšanas posms. Tas rodas palīgfaktoru ietekmes dēļ uz RNS polimerāzi. Kad eksonukleāzes sasniedz transkripcijas reģionu, transkripcija apstājas un RNS polimerāze un RNS atdalās viena no otras. DNS pilnībā atjauno savu duplekso struktūru.
Līdz šim PI IK transkripciju esam aplūkojuši visvispārīgākajos izpratnēs, abstrahējoties no vairākiem būtiskiem apstākļiem, jo īpaši, nav ņemta vērā dažāda veida RNS un RNS polimerāžu klātbūtne. Ir šādi RNS veidi:
Informācija par visiem RNS veidiem ir ietverta DNS. Tomēr ne visi no tiem tiek transkribēti tieši uz veidnes DNS.
Dažas RNS ir iepriekš transkribētu RNS modifikācijas. Mums, iepazīstoties ar molekulārās ģenētikas pamatiem, vislielāko interesi rada RNS, kas ir tieši iesaistītas olbaltumvielu sintēzē. Ir tikai 5 to veidi (6.4. tabula).
6.4. tabula
RNS, kas piedalās olbaltumvielu sintēzē
* Messenger RNS - tas pats, kas Messenger RNS; ** SPR — saīs. Angļu signāla atpazīšanas daļiņa- daļiņas, kas atpazīst signālus.
Visu RNS transkripcija notiek, iedarbojoties noteiktām RNS polimerāzēm vai to kombinācijām. Tabulā. 6.5 parāda trīs galvenos RNS polimerāžu veidus.
6.5. tabula
RNS polimerāžu veidi
Mazie (īsie) RGC atšķiras no garajām RNS. MikroRNS ir mazu RNS veids, kas veido 98% no visa ribonukleotīdu materiāla.
Nodaļas noslēgumā mēs atzīmējam, ka līdztekus tiešajai transkripcijai ir iespējama arī reversā transkripcija. Retrovīrusiem, īpaši HIV, kas ir atbildīgs par AIDS, piemīt spēja pārrakstīt RNS DNS. Retrovīruss iekļūst šūnā. Īpašs enzīms reversā transkriptāze veic RNS -» DNS transkripciju. Pēc tam uz iegūtās DNS virknes, tāpat kā uz matricas, tiek pabeigta otrā DNS virkne. Pēc tam tiek realizēts cikls DNS -> RNS -» proteīni. Daži eikarioti satur enzīmu telomerāzi, kas arī ierosina reverso transkripciju. Formulējot secības principu, jāņem vērā reversās transkripcijas fenomens. To nevajadzētu interpretēt kā apgrieztās transkripcijas noraidīšanu.
- Gēns sastāv no regulējošās un kodējošās daļas.
- Kodējošā gēna daļa ietver eksonus un intronus.
- Introni netiek transkribēti nobriedušā RNS.
- Transkripcija ietver iniciācijas, pagarināšanas un beigu darbības.
- Ir dažādi PIIK un PIK transkripcijas polimerāžu veidi un veidi.
- Jebkuras RNS sintēzi veic vai nu viena, vai vairākas polimerāzes, un ne bez olbaltumvielu enzīmu līdzdalības.
- SaharkarM. K., Chow V. T., Kangueane R. Eksonu un intronu sadalījums cilvēka genomā // In Silicio Biology. 2004. sēj. 4. Nē. 4. P. 387-393.
Dzīve oglekļa formā pastāv olbaltumvielu molekulu klātbūtnes dēļ. Un proteīnu biosintēze šūnā ir vienīgā gēnu ekspresijas iespēja. Bet šī procesa īstenošanai ir nepieciešams uzsākt vairākus procesus, kas saistīti ar ģenētiskās informācijas "izpakošanu", vēlamā gēna meklēšanu, tā nolasīšanu un pavairošanu. Termins "transkripcija" bioloģijā attiecas tikai uz informācijas pārsūtīšanas procesu no gēna uz kurjera RNS. Tas ir biosintēzes sākums, tas ir, tieša ģenētiskās informācijas ieviešana.
Ģenētiskās informācijas uzglabāšana
Dzīvu organismu šūnās ģenētiskā informācija ir lokalizēta kodolā, mitohondrijās, hloroplastos un plazmīdos. Mitohondriji un hloroplasti satur nelielu daudzumu dzīvnieku un augu DNS, savukārt baktēriju plazmīdas ir gēnu uzglabāšanas vieta, kas ir atbildīga par ātru pielāgošanos vides apstākļiem.
Vīrusu ķermeņos iedzimtā informācija tiek glabāta arī RNS vai DNS polimēru veidā. Bet tā ieviešanas process ir saistīts arī ar transkripcijas nepieciešamību. Bioloģijā šim procesam ir ārkārtīgi liela nozīme, jo tieši šis process noved pie iedzimtas informācijas realizācijas, izraisot proteīnu biosintēzi.
Dzīvnieku šūnās iedzimto informāciju attēlo DNS polimērs, kas ir kompakti iesaiņots kodola iekšpusē. Tāpēc pirms proteīnu sintēzes vai jebkura gēna nolasīšanas ir jāiziet daži posmi: kondensētā hromatīna attīšana un vēlamā gēna “atbrīvošana”, tā atpazīšana ar enzīmu molekulām, transkripcija.
Bioloģijā un bioloģiskajā ķīmijā šie posmi jau ir pētīti. Tie noved pie proteīna sintēzes, kuras primārā struktūra tika kodēta lasīšanas gēnā.
Transkripcijas shēma eikariotu šūnās
Lai gan transkripcija bioloģijā nav pietiekami pētīta, tās secība tradicionāli tiek parādīta diagrammas veidā. Tas sastāv no iniciācijas, pagarināšanas un izbeigšanas. Tas nozīmē, ka viss process ir sadalīts trīs tā parādību komponentos.
Iniciācija ir bioloģisko un bioķīmisko procesu kopums, kas noved pie transkripcijas sākuma. Pagarinājuma būtība ir turpināt veidot molekulāro ķēdi. Izbeigšana ir procesu kopums, kas noved pie RNS sintēzes pārtraukšanas. Starp citu, proteīnu biosintēzes kontekstā transkripcijas process bioloģijā parasti tiek identificēts ar ziņneša RNS sintēzi. Pamatojoties uz to, vēlāk tiks sintezēta polipeptīdu ķēde.
Iniciācija
Iniciācija ir vismazāk saprotamais transkripcijas mehānisms bioloģijā. Kas tas ir no bioķīmijas viedokļa, nav zināms. Tas nozīmē, ka īpašie fermenti, kas ir atbildīgi par transkripcijas sākšanu, vispār netiek atpazīti. Nav zināmi arī intracelulārie signāli un to pārraides metodes, kas norāda uz nepieciešamību pēc jauna proteīna sintēzes. Citoloģijai un bioķīmijai tas ir pamatuzdevums.
Pagarinājums
Pagaidām nav iespējams nodalīt iniciācijas un pagarinājuma procesu laikā, jo nav iespējams veikt laboratorijas pētījumus, kas paredzēti, lai apstiprinātu konkrētu enzīmu un sprūda faktoru klātbūtni. Tāpēc šī robeža ir ļoti nosacīta. Pagarināšanas procesa būtība ir samazināta līdz augšanas ķēdes pagarināšanai, kas sintezēta, pamatojoties uz DNS šablona reģionu.
Tiek uzskatīts, ka pagarinājums sākas pēc pirmās RNS polimerāzes translokācijas un pirmā kadona pievienošanās sākuma RNS sākuma vietai. Pagarināšanas gaitā kadonus nolasa 3'-5' virknes virzienā despiralizētajā un sadala divās DNS daļās. Tajā pašā laikā augošā RNS ķēde tiek pievienota ar jauniem nukleotīdiem, kas papildina DNS veidnes reģionu. Šajā gadījumā DNS tiek “izšūta” 12 nukleotīdu platumā, tas ir, līdz 4 kanoniem.
RNS polimerāzes enzīms pārvietojas pa augšanas ķēdi, un “aiz tās” notiek DNS apgrieztā “šķērssaitīšana” divpavedienu struktūrā, atjaunojot ūdeņraža saites starp nukleotīdiem. Tas daļēji atbild uz jautājumu par to, kādu procesu bioloģijā sauc par transkripciju. Tieši pagarinājums ir galvenā transkripcijas fāze, jo tās gaitā tiek samontēts tā sauktais mediators starp gēnu un proteīna sintēzi.
Izbeigšana
Eikariotu šūnu transkripcijas pārtraukšanas process ir slikti izprotams. Līdz šim zinātnieki ir samazinājuši tā būtību līdz DNS nolasīšanas pārtraukšanai RNS 5 "galā un adenīna bāzu grupas pievienošanai RNS 3" galam. Pēdējais process ļauj stabilizēt iegūtās RNS ķīmisko struktūru. Baktēriju šūnās ir divu veidu izbeigšanās. Tas ir no Rho atkarīgs un no Ro neatkarīgs process.
Pirmais notiek Rho proteīna klātbūtnē un tiek samazināts līdz vienkāršai ūdeņraža saišu pārtraukšanai starp DNS veidnes reģionu un sintezēto RNS. Otrais, no Rho neatkarīgais, rodas pēc cilmes cilpas parādīšanās, ja aiz tās atrodas uracila bāzu kopums. Šī kombinācija noved pie RNS atdalīšanās no DNS veidnes. Ir skaidrs, ka transkripcijas pārtraukšana ir fermentatīvs process, taču tā specifiskie biokatalizatori vēl nav atrasti.
Vīrusu transkripcija
Vīrusu ķermeņiem nav savas proteīnu biosintēzes sistēmas, un tāpēc tie nevar vairoties, neizmantojot šūnas. Bet vīrusiem ir savs ģenētiskais materiāls, kas ir jārealizē, kā arī jāiebūvē inficēto šūnu gēnos. Lai to izdarītu, viņiem ir vairāki enzīmi (vai izmanto šūnu enzīmu sistēmas), kas transkribē to nukleīnskābi. Tas ir, šis enzīms, pamatojoties uz vīrusa ģenētisko informāciju, sintezē ziņojuma RNS analogu. Bet tā nemaz nav RNS, bet gan DNS polimērs, kas papildina gēnus, piemēram, cilvēkiem.
Tas pilnībā pārkāpj tradicionālos transkripcijas principus bioloģijā, kas būtu jāņem vērā HIV vīrusa piemērā. Tā enzīms reversetāze no vīrusa RNS spēj sintezēt cilvēka nukleīnskābi komplementāru DNS. Papildu DNS sintezēšanas procesu no RNS sauc par reverso transkripciju. Bioloģijā tā ir procesa definīcija, kas ir atbildīga par vīrusa iedzimtās informācijas iegulšanu cilvēka genomā.
Pirmkārt, nosakiet olbaltumvielu biosintēzes posmu secību, sākot ar transkripciju. Visu procesu secību, kas notiek proteīna molekulu sintēzes laikā, var apvienot 2 posmos:
Transkripcija.
Raidījums.
Iedzimtas informācijas strukturālās vienības ir gēni - DNS molekulas sadaļas, kas kodē konkrēta proteīna sintēzi. Ķīmiskās organizācijas ziņā pro- un eikariotu iedzimtības un mainīguma materiāls būtiski neatšķiras. Tajos esošais ģenētiskais materiāls ir uzrādīts DNS molekulā, izplatīts ir arī iedzimtības informācijas un ģenētiskā koda ierakstīšanas princips. Tās pašas aminoskābes pro- un eikariotos tiek šifrētas ar tiem pašiem kodoniem.
Mūsdienu prokariotu šūnu genomam raksturīgs salīdzinoši mazs izmērs, Escherichia coli DNS ir gredzena forma, apmēram 1 mm garš. Tas satur 4 x 10 6 bāzes pārus, kas veido aptuveni 4000 gēnu. 1961. gadā F. Džeikobs un Dž. Monods atklāja prokariotu gēnu cistronisko jeb nepārtraukto organizāciju, kas pilnībā sastāv no kodējošām nukleotīdu sekvencēm, un tās pilnībā tiek realizētas proteīnu sintēzes laikā. Prokariotu DNS molekulas iedzimtais materiāls atrodas tieši šūnas citoplazmā, kur atrodas arī tRNS un gēnu ekspresijai nepieciešamie enzīmi Ekspresija ir gēnu funkcionālā aktivitāte jeb gēnu ekspresija. Tāpēc ar DNS sintezētā mRNS spēj nekavējoties darboties kā veidne proteīnu sintēzes translācijas procesā.
Eikariotu genoms satur daudz vairāk iedzimtības materiāla. Cilvēkiem kopējais DNS garums diploīdajā hromosomu komplektā ir aptuveni 174 cm.Tas satur 3 x 10 9 bāzes pārus un ietver līdz 100 000 gēnu. 1977. gadā lielākajā daļā eikariotu gēnu struktūrā tika atklāts pārtraukums, ko sauca par "mozaīkas" gēnu. Tam ir kodējošas nukleotīdu sekvences eksonisks Un introns zemes gabali. Olbaltumvielu sintēzei tiek izmantota tikai informācija par eksoniem. Intronu skaits dažādos gēnos ir atšķirīgs. Noskaidrots, ka vistas ovalbumīna gēns ietver 7 intronus, bet zīdītāju prokolagēna gēns - 50. Klusās DNS - intronu funkcijas nav pilnībā noskaidrotas. Tiek pieņemts, ka tie nodrošina: 1) hromatīna strukturālo organizāciju; 2) daži no tiem acīmredzami ir iesaistīti gēnu ekspresijas regulēšanā; 3) intronus var uzskatīt par mainīguma informācijas krātuvi; 4) tiem var būt aizsargājoša loma, uzņemoties mutagēnu darbību.
Transkripcija
Informācijas pārrakstīšanas procesu šūnas kodolā no DNS molekulas daļas uz mRNS molekulu (mRNS) sauc. transkripcija(lat. Transcriptio - pārrakstīšana). Tiek sintezēts gēna primārais produkts mRNS. Šis ir pirmais solis proteīnu sintēzē. Atbilstošajā DNS sadaļā RNS polimerāzes enzīms atpazīst transkripcijas sākuma zīmi - priekšskatījums Par sākumpunktu tiek uzskatīts pirmais DNS nukleotīds, ko enzīms iekļauj RNS transkriptā. Parasti kodēšanas reģioni sākas ar kodonu AUG, dažreiz GUG tiek izmantots baktērijās. Kad RNS polimerāze saistās ar promotoru, DNS dubultspirāle tiek lokāli savīta un viena no virknēm tiek kopēta saskaņā ar komplementaritātes principu. mRNS tiek sintezēta, tās montāžas ātrums sasniedz 50 nukleotīdus sekundē. RNS polimerāzei pārvietojoties, mRNS ķēde aug, un, kad enzīms sasniedz kopēšanas vietas galu, terminators, mRNS attālinās no veidnes. DNS dubultspirāle aiz enzīma tiek salabota.
Prokariotu transkripcija notiek citoplazmā. Sakarā ar to, ka DNS pilnībā sastāv no kodējošām nukleotīdu sekvencēm, sintezētā mRNS nekavējoties darbojas kā tulkošanas veidne (skatīt iepriekš).
MRNS transkripcija eikariotos notiek kodolā. Tas sākas ar lielu molekulu sintēzi – prekursoru (pro-mRNS), ko sauc par nenobriedušu, jeb kodola RNS.Pro-mRNS gēna primārais produkts ir precīza transkribētā DNS reģiona kopija, ietver eksonus un intronus. Tiek saukts nobriedušu RNS molekulu veidošanās process no prekursoriem apstrāde. mRNS nobriešana notiek līdz savienošana ir fermentu radīti spraudeņi ierobežot introni un vietu savienošana ar transkribētajām eksonu sekvencēm ar ligāzes enzīmu palīdzību. (Zīm.).Nobriedusi mRNS ir daudz īsāka nekā pro-mRNS prekursoru molekulas, intronu izmērs tajās svārstās no 100 līdz 1000 nukleotīdiem vai vairāk. Introni veido aptuveni 80% no visas nenobriedušās mRNS.
Tagad ir pierādīts, ka tas ir iespējams alternatīva savienošana, kurā no viena primārā transkripta tā dažādos reģionos var tikt dzēstas nukleotīdu sekvences un veidosies vairākas nobriedušas mRNS. Šis splicēšanas veids ir raksturīgs imūnglobulīna gēnu sistēmai zīdītājiem, kas ļauj veidot dažāda veida antivielas, pamatojoties uz vienu mRNS transkriptu.
Pēc apstrādes pabeigšanas nobriedušā mRNS tiek atlasīta pirms atstāšanas no kodola. Ir noskaidrots, ka tikai 5% nobriedušas mRNS nonāk citoplazmā, bet pārējais tiek atšķelts kodolā.
Raidījums
Translācija (lat. Translatio - pārnese, pārnešana) - mRNS molekulas nukleotīdu secībā ietvertās informācijas pārvēršana polipeptīdu ķēdes aminoskābju secībā (10. att.). Šis ir proteīna sintēzes otrais posms. Nobriedušas mRNS pārnešana caur kodola apvalka porām rada īpašus proteīnus, kas veido kompleksu ar RNS molekulu. Papildus mRNS transportēšanai šie proteīni aizsargā mRNS no citoplazmas enzīmu kaitīgās ietekmes. Translācijas procesā galvenā loma ir tRNS, kas nodrošina precīzu aminoskābes atbilstību mRNS tripleta kodam. Translācijas-dekodēšanas process notiek ribosomās un tiek veikts virzienā no 5 līdz 3. MRNS un ribosomu kompleksu sauc par polisomu.
Tulkošanu var iedalīt trīs fāzēs: uzsākšana, pagarināšana un izbeigšana.
Iniciācija.
Šajā posmā tiek samontēts viss proteīna molekulas sintēzē iesaistītais komplekss. Noteiktā mRNS vietā ir divu ribosomu apakšvienību savienība, tai ir pievienota pirmā aminoacil-tRNS, un tas nosaka rāmi informācijas nolasīšanai. Jebkura mRNS molekula satur vietu, kas ir komplementāra ar ribosomas mazās apakšvienības rRNS un ko tā īpaši kontrolē. Blakus tam atrodas iniciējošais starta kodons AUG, kas kodē aminoskābi metionīnu.
Pagarinājums
- tas ietver visas reakcijas no pirmās peptīdu saites veidošanās brīža līdz pēdējās aminoskābes piesaistei. Ribosomā ir divas vietas divu tRNS molekulu saistīšanai. Pirmā t-RNS ar aminoskābi metionīnu atrodas vienā sekcijā peptidils (P), un no tās sākas jebkuras proteīna molekulas sintēze. Otrā t-RNS molekula nonāk ribosomas otrajā vietā – aminoacilā (A) un pievienojas tās kodonam. Starp metionīnu un otro aminoskābi veidojas peptīdu saite. Otrā tRNS pārvietojas kopā ar savu mRNS kodonu uz peptidila centru. tRNS kustība ar polipeptīdu ķēdi no aminoacilcentra uz peptidilcentru tiek papildināta ar ribosomas virzību gar mRNS ar soli, kas atbilst vienam kodonam. tRNS, kas piegādāja metionīnu, atgriežas citoplazmā, un amnoacila centrs tiek atbrīvots. Tas saņem jaunu t-RNS ar aminoskābi, ko šifrē nākamais kodons. Starp trešo un otro aminoskābi veidojas peptīdu saite, un trešā tRNS kopā ar mRNS kodonu virzās uz peptidilcentru.Pagarinājuma process, proteīna ķēdes pagarināšanās. Tas turpinās, līdz viens no trim kodoniem, kas nekodē aminoskābes, nonāk ribosomā. Šis ir terminatora kodons, un tam nav atbilstošas tRNS, tāpēc neviena no tRNS nevar ieņemt vietu aminoacila centrā.
Izbeigšana
- polipeptīdu sintēzes pabeigšana. Tas ir saistīts ar kāda no terminācijas kodoniem (UAA, UAG, UGA) noteikta ribosomu proteīna atpazīšanu, kad tas nonāk aminoacilcentrā. Ribosomai ir piesaistīts īpašs terminācijas faktors, kas veicina ribosomu apakšvienību atdalīšanu un sintezētās proteīna molekulas izdalīšanos. Ūdens tiek pievienots peptīda pēdējai aminoskābei, un tā karboksilgals tiek atdalīts no tRNS.
Peptīdu ķēdes montāža tiek veikta ar lielu ātrumu. Baktērijās 37°C temperatūrā tas izpaužas, pievienojot polipeptīdam 12 līdz 17 aminoskābes sekundē. Eikariotu šūnās vienas sekundes laikā polipeptīdam pievieno divas aminoskābes.
Pēc tam sintezētā polipeptīdu ķēde nonāk Golgi kompleksā, kur tiek pabeigta proteīna molekulas uzbūve (pēc kārtas parādās otrā, trešā, ceturtā struktūra). Šeit notiek olbaltumvielu molekulu komplekss ar taukiem un ogļhidrātiem.
Viss proteīnu biosintēzes process ir attēlots shēmas veidā: DNS ® pro mRNS ® mRNS ® polipeptīdu ķēde ® proteīns ® proteīnu kompleksēšana un to pārvēršana funkcionāli aktīvās molekulās.
Arī iedzimtās informācijas ieviešanas posmi notiek līdzīgi: pirmkārt, tā tiek transkribēta mRNS nukleotīdu secībā un pēc tam pārtulkota polipeptīda aminoskābju secībā uz ribosomām, piedaloties tRNS.
Eikariotu transkripcija tiek veikta trīs kodola RNS polimerāžu ietekmē. RNS polimerāze 1 atrodas kodolā un ir atbildīga par rRNS gēnu transkripciju. RNS polimerāze 2 ir atrodama kodola sulā un ir atbildīga par mRNS prekursora sintēzi. RNS polimerāze 3 ir neliela daļa no kodola sulas, kas sintezē mazas rRNS un tRNS. RNS polimerāzes īpaši atpazīst transkripcijas promotora nukleotīdu secību. Eikariotu mRNS vispirms tiek sintezēts kā prekursors (pro-mRNS), informācija no eksoniem un introniem tiek norakstīta uz to. Sintezētā mRNS ir lielāka, nekā nepieciešams tulkošanai, un ir mazāk stabila.
MRNS molekulas nobriešanas procesā ar restrikcijas enzīmu palīdzību tiek izgriezti introni, bet ar ligāzes enzīmu palīdzību tiek sašūti eksoni. MRNS nobriešanu sauc par apstrādi, un eksonu savienošanu sauc par savienošanu. Tādējādi nobriedusi mRNS satur tikai eksonus un ir daudz īsāka nekā tās priekšgājēja pro-mRNS. Intronu izmēri svārstās no 100 līdz 10 000 vai vairāk nukleotīdu. Intoni veido aptuveni 80% no visas nenobriedušās mRNS. Šobrīd ir pierādīta alternatīvas splicēšanas iespēja, kurā no viena primārā transkripta tā dažādos reģionos var tikt dzēstas nukleotīdu sekvences un veidosies vairākas nobriedušas mRNS. Šis splicēšanas veids ir raksturīgs imūnglobulīna gēnu sistēmai zīdītājiem, kas ļauj veidot dažāda veida antivielas, pamatojoties uz vienu mRNS transkriptu. Pēc apstrādes pabeigšanas nobriedušā mRNS tiek atlasīta, pirms tā tiek izlaista citoplazmā no kodola. Ir konstatēts, ka tikai 5% no nobriedušās mRNS nonāk, bet pārējais tiek sadalīts kodolā. Eikariotu gēnu primāro transkriptu transformācija, kas saistīta ar to ekson-intronu organizāciju un saistībā ar nobriedušas mRNS pāreju no kodola uz citoplazmu, nosaka eikariotu ģenētiskās informācijas realizācijas iezīmes. Tāpēc eikariotu mozaīkas gēns nav cistronoma gēns, jo ne visa DNS secība tiek izmantota proteīnu sintēzei.
DNS - visas ģenētiskās informācijas nesējs šūnā - nepiedalās tieši olbaltumvielu sintēzē. Dzīvnieku un augu šūnās DNS molekulas atrodas kodola hromosomās, un tās ar kodola membrānu atdala no citoplazmas, kur tiek sintezēti proteīni. Uz ribosomām - proteīnu pulcēšanās vietām - no kodola tiek nosūtīts informācijas nesējs mediators, kas spēj iziet cauri kodola membrānas porām. Messenger RNS (i-RNA) ir šāds starpnieks. Saskaņā ar komplementaritātes principu to nolasa no DNS, piedaloties fermentam, ko sauc par RNS polimerāzi. Lasīšanas (vai drīzāk norakstīšanas) jeb RNS sintēzes procesu, ko veic RNS polimerāze, sauc par transkripciju (latīņu valodā transcriptio — pārrakstīšana). Messenger RNS ir vienpavedienu molekula, un transkripcija nāk no vienas divpavedienu DNS molekulas virknes. Ja nukleotīds G atrodas transkribētajā DNS virknē, tad RNS polimerāze RNS ietver C, ja ir T, tad A, ja A, tad y (RNS neietver T) (46. att.) . Pēc garuma katra no mRNS molekulām ir simtiem reižu īsāka nekā DNS. Messenger RNS nav visas DNS molekulas kopija, bet tikai daļa no tās – viens gēns vai blakus esošo gēnu grupa, kas nes informāciju par vienas funkcijas veikšanai nepieciešamo olbaltumvielu struktūru. Prokariotos šo gēnu grupu sauc par operonu. Par to, kā gēni tiek apvienoti operonā un kā tiek organizēta transkripcijas kontrole, jūs lasīsit sadaļā par proteīnu biosintēzi. Katra operona sākumā ir sava veida RNS polimerāzes nosēšanās vieta, ko sauc par promotoru. Šī ir specifiska DNS nukleotīdu secība, ko enzīms atpazīst, izmantojot ķīmisko afinitāti. Tikai pievienojoties promotoram, RNS polimerāze spēj uzsākt mRNS sintēzi. Sasniedzis operona beigas, ferments sastopas ar signālu (noteiktas nukleotīdu secības veidā), kas norāda uz nolasīšanas beigām. Gatavā mRNS attālinās no DNS un nonāk olbaltumvielu sintēzes vietā. Aprakstītajā transkripcijas procesā ir četri posmi:
1) RNS polimerāzes saistīšanās ar promotoru;
2) Iniciācija – sintēzes sākums. Tas sastāv no pirmās fosfodiestera saites veidošanās starp ATP vai GTP un sintezētās RNS molekulas otro nukleotīdu;
3) pagarinājums - RNS ķēdes augšana, t.i., secīga nukleotīdu piesaiste viens otram tādā secībā, kādā komplementārie nukleotīdi atrodas transkribētajā DNS virknē. Pagarinājuma ātrums sasniedz 50 nukleotīdus sekundē;
4) terminācija - mRNS sintēzes pabeigšana.
