Биосинтез РНК (транскрипция)

Транскрипция представляет собой процесс переноса генетической информации с определенного участка ДНК на РНК. В процессе транскрипции происходит синтез комплементарной молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. В отличие от репликации, при которой копируется вся молекула ДНК, при транскрипции происходит синтез РНК только на определенном участке ДНК, включающем в свой состав один или несколько генов.

Процесс передачи генетической информации осуществляется с помощью м-РНК. В зависимости от количества генов, информация о структуре которых была перенесена в ее молекулу, м-РНК подразделяются на моногенные (содержат информацию о структуре одного гена) и полигенные (содержат информацию о структуре двух и больше генов). В состав м-РНК, помимо последовательности нуклеотидов, копирующих структуру гена (кодирующие участки), входят дополнительные участки – некодирующий полинуклеотидный “лидер” на 5'-конце и межгенные области (спейсеры).

В процессе транскрипции происходит матричный синтез молекулы РНК на ДНК. В качестве матрицы при этом выступает лишь одна из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Синтез РНК осуществляется на основе принципа комплементарности азотистых оснований мононуклеотидов строящейся РНК, азотистыми основаниями мононуклеотидов ДНК-мат-рицы.

Непосредственное участие в образовании полинуклеотидной цепи РНК принимает фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза (РНК-по-лимераза). Этот энзим по своим свойствам и строению очень похож на ДНК-полимеразу. Он представляет собой олигомерный белок, состоящий из пяти субъединиц. В структуру его активного центра входит атом цинка.

Субстратами РНК-полимеразы являются АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ. Эти нуклеозидтрифосфаты используются для построения полинуклеотидной цепи РНК. РНК-полимеразную реакцию можно представить таким образом:

Под влиянием РНК-полимеразы происходит присоединение мононуклеотидных остатков к растущей полинуклеотидной цепи в строго определенном направлении от 5'-конца к 3'-концу. Фермент функционирует лишь в присутствии ДНК. Причем эта ДНК должна относиться к тому же виду, к которой относится РНК.

Транскрипция происходит в три стадии:

1) инициация (начало синтеза полинуклеотидной цепи РНК);

2) элонгация (рост полинуклеотидной цепи);

3) терминация (завершение синтеза РНК).

Фермент начинает построение полинуклеотидной цепи РНК лишь после того, как произойдет его связывание с промоторным участком ДНК. При этом изменяется субъединичная структура РНК-полимеразы и она приобретает каталитические свойства.

В процессе синтеза полинуклеотидной цепи образуется гибридный комплекс ДНК с РНК, который по мере его роста передвигается вдоль молекулы ДНК.

Окончание транскрипции происходит при достижении ферментом особой терминирующей последовательности нуклеотидов на ДНК. При взаимодействии с ней к РНК-полимеразе присоединяется особый белковый фактор, предопределяющий ее ингибирование, и тем самым – прекращение ее функционирования.

В клетках существуют три основные разновидности ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которые локализуются:

1) в ядрышке и участвуют в синтезе р-РНК;

2) в нуклеоплазме и принимают участие в синтезе м-РНК;

3) в нуклеоплазме и принимают участие в синтезе т-РНК.

Процесс элонгации РНК находится под регуляторным влиянием целого ряда факторов. Одним из его ингибиторов является антибиотик актиномицин D. Актиномицин D встраивается (интеркалирует) между комплементарными азотистыми основаниями гуанина и цитозина в противоположных цепях ДНК и, за счет этого препятствует перемещению по ним РНК-полимеразы (эффект “заедания молнии”). Аналогичным действием обладает акридин.

Синтезированная в процессе транскрипции РНК обычно претерпевает дальнейшие ферментативные превращения в посттранскрипционном процессинге. И только после этого она оказывается способной выполнять соответствующие функции.

Разные виды РНК образуются в виде более крупных молекул-предшественников. Их посттранскрипционный процессинг связан с укорочением полинуклеотидной цепи под действием нуклеаз. Помимо этого может происходить модификация структуры входящих в их состав азотистых оснований за счет метилирования, дезаминирования, восстановления и т.д.

В составе эукариотических м-РНК на З'-конце полинуклеотидной цепи имеется особое образование – поли-А “хвост”. Этот фрагмент молекулы образуется путем соединения друг с другом 100–200 молекул АМФ. Его образование обеспечивается ферментом полиаденилатполимеразой

nАТФ → (АМФ)_n + nH₄P₂O₇

Для функционирования полиаденилатполимеразы требуется не матрица, а “заправочная” молекула РНК, на которой образуется полиадениловый фрагмент.

На 5'-конце м-РНК находится особая структура – “кэп”. Он представляет собой остаток 7-метилгуанозина, присоединеный с помощью трифосфатной связи к полинуклеотидной цепи. Значение “кэпа” до настоящего времени окончательно не установлено. Существует предположение, что он предохраняет молекулу от действия нуклеаз и участвует в связывании молекулы м-РНК с рибосомой.

Для превращения синтезированной в ядре м-РНК – предшественницы в активную м-РНК, помимо прочего, необходимо удалить из нее особые некодирующие нуклеотидные последовательности – интронов. Количество интронов в молекуле м-РНК может быть очень велико и превышать количество кодирующих участков – экзонов. Выделение и удаление интронов происходит при помощи особой разновидности РНК – малой ядерной РНК (мя-РНК). Мя-РНК представляет собой короткие полинуклеотидные цепи, в структуре которых содержатся комплементарные основания мононуклеотидов к концевым остаткам интронов. Выделение интронов происходит следующим образом (рис. 144):

Рисунок 144 – Удаление интронов из м-РНК

После того как из РНК – предшественницы будут удалены все интроны, завершается ее посттранскрипционный процессинг и зрелая РНК покидает ядро. Для этого она связывается с молекулой транспортного белка, проводящего ее сквозь ядерные поры.

После того как РНК используется в процессе биосинтеза белка, она подвергается гидролитическому распаду с помощью нуклеаз. В качестве продуктов гидролиза при этом образуются свободные нуклеозидмонофосфаты, которые после трансформации в нуклеозидтрифосфаты снова вовлекаются в синтез нуклеиновых кислот.

Контрольные вопросы

1. Какие общие предшественники используются для образования пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов?

2. Каким образом происходит образование дезоксирибонуклеотидов?

3. Какие вам известны запасные пути синтеза мононуклеотидов?

4. Что является конечным продуктом распада пиримидиновых мононуклеотидов?

5. Какие конечные продукты распада пуриновых мононуклеотидов образуются у разных видов живых организмов?

6. Что представляет собой процесс матричного синтеза?

7. Что представляет собой репликативная вилка?

8. Каким образом обеспечивается энергией процесс репликации ДНК?

9. Какие свойства характерны для ДНК-полимеразы?

10. Чем обеспечивается точность репликации?

11. Какие структурно-функциональные свойства характерны для ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы?

12. Охарактеризуйте отдельные этапы процесса транскрипции.

13. В чем заключаются принципиальные различия между процессами транскрипции и репликации ДНК?

Глава 18. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Биосинтез белка представляет собой очень сложный процесс, в котором принимает участие одновременно большое количество различных факторов. Выдающиеся открытия в этой области были сделаны в 50-х годах прошлого столетия. Однако, несмотря на определенные успехи в изучении биосинтеза белка, до настоящего времени все еще остается много неясного в деталях этого процесса.

Согласно современным представлениям, биосинтез белка протекает в пять стадий.

· I стадия – активация аминокислот. Протекает в цитозоле клетки. Заключается в образовании активного комплекса аминокислот с транспортными РНК.

· II стадия – инициация роста полипептидной цепи. Заключается в образовании инициирующего комплекса, способного начать синтез полипептидной цепи.

· III стадия – элонгация. Проявляется в последовательном росте полипептидной цепи на рибосоме.

· IV стадия – терминация. Сопровождается завершением синтеза полипептидной цепи и ее освобождением в цитозоль клетки.

· V стадия – посттрансляционный процессинг. Приводит к образованию зрелой белковой молекулы, имеющей нативную конформацию, способную выполнять характерную для нее функцию.