Схема транскрипции и процессинга мРНК в эукариотических клетках

 

ДНК

5 3

Промотор Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3 Стоп- сигнал, терминатор

3 5

Старт Кодирующая цепь

РНК-полимераза

Инициация Транскрипция

 

Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3

Предшественник мРНК – пре-мРНК

Процессинг

 

Интрон Интрон

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3

 

Сплайсинг

 

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3

Функционально активная, зрелая мРНК транспорт в цитоплазму

 

 

Трансляция

Трансляция (от лат. translatio – передавать, передача) – ферментативный матричный синтез полипептидных цепей – белков, осуществляемый в рибосомах из свободных аминокислот, с использованием мРНК в качестве информационной матрицы

Трансляция – процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в полипептиде, осуществляемый в рибосомах

· Осуществляется на рибосомах

· Многостадийный процесс, требующий больших затрат энергии АТФ и участия большого числа (до 300) вспомогательных молекул

v В трансляции участвуют все три основных типа РНК: м-, р-, и тРНК:

q мРНК является информационной матрицей

q тРНК доставляют к месту синтеза аминокислоты (сырьё) и считывают кодоны мРНК

q рРНК вместе с белками образуют рибосомы и осуществляют синтез полипептидной цепи (белка)

· Генетический код расшифровывают (реализуют) тРНК

Механизм трансляции

· Транскрипция состоит из подготовительного и трёх основных этапов

Подготовительный этап

q На этом этапе происходит присоединение аминокислот к соответствующим тРНК (осуществляется в цитоплазме)

q тРНК имеет структуру, состоящую из четырёх петель: антикодоновой, акцепторной и двух боковых

q К акцепторной петле соответствующих тРНК с помощью ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяются аминокислоты, которые транспортируются к рибосомам (соответствие аминокислот тРНК определяется триплетом нуклеотидов - антикодоном, расположенным на антикодоновой петле тРНК)

q Триплеты нуклеотидов антикодона тРНК комплементарны триплетам кодонов мРНК

1. Инициация

q Осуществляется в рибосомах

 

v Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой; в нерабочем состоянии они обычно не связаны друг сдругом (диссоциированы); в процессе трансляции субъединицы объединяются, образуя функциональный центр рибосомы – ФРЦ, состоящий из мРНК и двух субъединиц (в ФЦР всегда находятся два триплета мРНК)

v В цельной рибосоме выделяют два активных центра (сайта)

v Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет – она осуществляется через тРНК в Р-сайте

 

q Инициация начинается с того, что малая субъединица рибосомы перекрывает два кодона мРНК (в том числе первый из них - кодон инициации АУГ, с которого начинаются все мРНК эукариот)

q К кодону инициации, который локализуется в Р-сайте, присоединяется (связывается) комплементарный ему антикодон тРНК с первой аминокислотой метионином (с метионина начинается синтез любой молекулы белка эукариот; она является неспецифической и после окончания синтеза удаляется)

q После образования комплекса между кодоном и антикодоном присоединяется большая субъединица рибосомы

q Ко второму триплету мРНК (в А-сайте) присоединяется другая тРНК со второй аминокислотой (начиная со второй все аминокислоты специфичны для каждого белка), антикодон которой комплементарен кодону мРНК

q Между обеими аминокислотами на Р- и А-сайтах образуется первая пептидная связь (образуется дипептид)

 

2. Элонгация (продолжение синтеза)

q После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и «повисает» на соединённой с ней аминокислоте второй тРНК (свободная первая тРНК освобождается из комплекса с рибосомой и уходит в цитоплазму, а Р-сайт становится незанятым)

q Рибосома «делает шаг», продвигается вдоль мРНК на следующий триплет (кодон); при этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт (движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией)

q Цикл элонгации повторяется многократно, что сопровождается удлинением полипептида

 

3. Терминация (окончание синтеза)

q Синтез полипептидной цепи идёт до тех пор, пока один из трёх стоп-кодонов мРНК (это кодоны УАА, УГА и УАГ) не достигнут А-сайта рибосомы; в этот момент готовая белковая цепь отделяется, а рибосома диссоциирует на субъединицы

q Таким образом, последовательность нуклеотидов в мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде

 

· Вновь синтезированные полипептидные молекулы (белки) подвергается различным посттрансляционным модификациям – созреванию или процессингу: приобретают вторичную, третичную или четвертичную структуру, претерпевают фосфорилирование и т. д. (после этого белковые молекулы поступают в каналы эндоплазматической сети и транспортируются по ней к месту назначения)

v Скорость сборки одной молекулы белка состоящей из 300 аминокислот, составляет 1 – 2 мин.

· Синтез белка могут вести одновременно несколько рибосом (до 80); такие группы рибосом, осуществляющие синтез белка на одной молекуле мРНК называются полисомами (полирибосомами)

· Таким образом, реализация генетической информации (экспрессия генов) происходит по следующей схеме: транскрипция трансляция

ген ДНК мРНК полипептид (белок-фермент) ------ реакция метаболизма (обмена веществ) ------признак организма -------свойство организма

 

q Передача генетической информации у организмов с клеточной формой жизни имеет одностороннюю направленность

Энергетика биосинтеза

v На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь затрачивается энергия, соответствующая расщеплению 4 молекул АТФ до АДФ, однако непосредствено используется лишь около 10 % выделяющейся энергии, остальная же её часть (90 %) рассеивается в виде тепла

Регуляция генной активности

· Все клетки любого организма имеют полный набор генов, свойственных данному организму

· Клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков; даже в одной клетке на разных этапах онтогенеза синтезируются и функционируют разные белки

· Разные типы клеток кроме белков, необходимых любой клетке организма, синтезируют свой набор специализированных белков, что приводит к появлению клеток со специфическими структурами и особыми функциями, т. е. к дифференцировке (дифференцировка связана с производством большого количества белков одного или всего нескольких типов и почти всегда необратима)

· Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов

· Располагая полной генетической информацией, каждая клетка на определённом этапе развития использует лишь ту её часть, которая необходима в данный момент для отправления её функций

· Каждая клетка располагает генетическими механизмами, определяющими, какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться, т. е. способна регулировать активность (экспрессию) генов

Регуляция действия генов (генетический контроль экспрессии генов) – способность клетки избирательно увеличивать или уменьшать (индуцировать или репрессировать) экспрессию генов (синтез определённых белков)

· Регуляция экспрессии генов возможна на уровне её этапов: транскрипции и трансляции

Регуляция на уровне транскрипции (регуляция синтеза молекул мРНК)

· Среднее время жизни молекул мРНК ограничено, затем они расщепляются до нуклеотидов; разрушая старые мРНК и образуя новые, клетки могут строго регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество

· Регуляция синтеза белка на уровне транскрипции у бактерий (прокариот) может осуществлятся согласно концепции оперона (предложена французскими микробиологами Ф. Жакоб и Ж. Моно, 1961 г., Нобелевская приемия 1985 г.)

Концепция оперона

Оперон – участок ДНК, транскрипция которого осуществляется на одну молекулу мРНК под контролем одного специального белка-регулятора

· В состав оперона входят структурные гены и регуляторные элементы (не путать с геном-регулятором)

Структурные гены – гены, кодирующие белки – ферменты, осуществляющие биосинтез какого-либо вещества

q Этих генов может быть один или несколько

q Они тесно сцеплены друг с другом и в ходе транскрипции работают как один единый ген: на них синтезируется одна общая молекула мРНК, которая лишь потом расщепляется на несколько мРНК, соответствующих отдельным генам

Регуляторные элементы (промотор, оператор, терминатор)

1. Промотор – начальный участок оперона для связывания фермента, осуществляющего транскрипцию ДНК – РНК-полимеразы

q Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК, с которой связывается РНК-полимераза

q Определяет, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК

q Является местом начала транскрипции

2. Оператор – участок связывания регуляторного белка

q Отрезок ДНК в 20 нуклеотидов, следующий за промотором и регулирующий синтез мРНК

3. Терминатор – участок в конце оперона, содержащий стоп-кодон и сигнализирующий о прекращении транскрипции

q Прекращает продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона

· На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген-регулятор, синтезирующий соответствующий регуляторный белок

Ген-регулятор – ген, синтезирующий белки-регуляторы, обуславливающие активность оператора (его включение в процесс транскрипции)

q Ген-регулятор может располагаться далеко от оперона или рядом на одной молекуле ДНК

q Может регулировать транскрипцию нескольких оперонов

q Ген-регулятор имеет собственный промотор и терминатор

q Регуляторные белки бывают двух типов: белок-активатор или белок-репрессор; они присоединяются к определённым нуклеотидным последовательностям ДНК оператора, что либо препятствует транскрипции генов (негативная регуляция), либо способствует ей (позитивная регуляция)

Белок-репрессор – препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору ДНК и блокирует транскрипцию

Белок-активатор – облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором, что обеспечивает транскрипцию гена

q На работу регуляторных белков могут влиять вещества из окружающей среды, проникающие в клетку – эффекторы: связываясь с регуляторными белками они меняют их пространственную структуру, что либо повышает, либо снижает их сродство к ДНК и таким путём либо включает, либо выключает транскрипцию генов