Реализация наследственной информации генов (экспрессия) у эукариот:

-транскрипция. Оперон прокариот и транскриптон эукариот, строение, особенности.

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы РНК на участке ДНК, используемом в качестве матрицы. Смысл транскрипции заключается в переносе генетической информации с ДНК на РНК.

Молекула ДНК состоит из двух комплиментарных друг другу цепей, а РНК — только из одной. При транскрипции матрицей для синтеза РНК служит только одна из цепей ДНК. Ее называют смысловой цепью. Исключением является митохондриальная ДНК, в которой обе цепи являются смысловыми и содержат разные гены. Также как исключение на ядерной ДНК некоторые гены могут быть локализованы на несмысловой цепи.

При транскрипции молекула РНК синтезируется в направлении от 5' к 3' концу (что естественно для синтеза всех нуклеиновых кислот), при этом по цепи ДНК синтез идет в обратном направлении: 3'→5'.

У эукариот каждый ген транскрибируется отдельно. Исключение опять же представляет митохондриальная ДНК, которая транскибируется на общий мультигенный транскрипт, который затем разрезается. Так как у прокариот гены образуют группы, формируя один оперон, то такие гены транскрибируются вместе. В любом случае транскриптоном называют участок ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемого участка и терминатора.

В транскрипции выделяют 3 стадии: инициация, элонгация, терминация.

Инициация транскрипции позволяет начаться синтезу молекулы РНК. Инициация включает присоединение к промотору комплекса ферментов. Главным из них является РНК-полимераза (в данном случае ДНК-зависимая), которая, в свою очередь, состоит из нескольких белков-субъединиц и играет роль катализатора процесса. У эукариот на инициацию транскрипции влияют особые участки ДНК: энхансеры (усиливают) и сайленсеры (подвляют), которые обычно удаленные на некоторое расстояние от самого гена. Существуют различные белковые факторы, влияющие на возможность инициации транскрипции.

У прокариот имеется только один тип РНК-полимеразы, в то время как у эукариот их три. РНК-полимераза-1 используется для синтеза трех видов рибосомальной РНК (всего существует 4 вида рРНК). РНК-полимераза-2 используется для синтеза пре-иРНК (предшественника информационной) РНК. РНК-полимераза-3 синтезирует один из видов рибосомальной РНК, транспортную и малую ядерную.

РНК-полимераза способна распознавать определенные последовательности нуклеотидов и прикрепляется к ним. Эти последовательности короткие и универсальные для всего живого.

После того, как РНК-полимераза присоединяется к промотору, участок двойной спирали ДНК раскручивается и между цепочками этого участка разрываются нуклеотидные связи. Расплетается примерно 18 пар нуклеотидов.

На стадии элонгации происходит последовательное присоединение по принципу комплиментарности свободных нуклеотидов к освобожденному участку ДНК. РНК-полимераза соединяет нуклеотиды в полирибонуклеотидную цепочку.

При синтезе РНК около 12 ее нуклеотидов комплементарно временно связаны с нуклеотидами ДНК. При движении РНК-полимеразы впереди нее цепочки ДНК расходятся, а сзади «сшиваются» с помощью ферментов. Цепь РНК постепенно растет и выдвигается из комплекса РНК-полимеразы.

Существуют элонгирующие факторы, препятствующие преждевременной остановки транскрипции.

Терминация процесса транскрипции происходит в участке-терминаторе, который распознается РНК-полимеразой благодаря специальным белковым факторам терминации.

К 3'-концу синтезированной молекулы РНК присоединяется множество адениновых нуклеотидов (поли-А) для предотвращения ее ферментативного распада. Еще ранее, когда был синтезирован 5'-конец, на нем был образован так называемый кэп.

В большинстве случаев в результате транскрипции не получается готовая РНК. «Сырая» РНК должна еще пройти процесс процессинга, при котором происходят ее модификационные изменения и она становится функционально активной. Каждый тип РНК эукариот подвергается своим модификациям. Формирование поли-А и кэпа часто также относят к процессингу.

- процессинг

Процессинг — это этап формирования функционально активных молекул РНК из первоначальных транскриптов. Процессинг рассматривают как посттранскрипционные модификации РНК, характерные для эукариот. (У прокариот процессы транскрипции и трансляции иРНК идут почти одновременно. Этот тип РНК у них процессинга не претерпевает.)

В результате процессинга первичные транскрипты РНК превращаются в зрелые РНК. Поскольку существует несколько различных типов РНК, то для каждого из них характерны свои модификации.

Процессинг информационной (матричной) РНК

На участках ДНК, кодирующих структуру белка, образуется предшественник информационной (матричной) РНК (пре-иРНК). Пре-иРНК копирует всю нуклеотидную последовательность ДНК от промотора до терминатора транскриптона. То есть она включает концевые нетранслируемые области (5' и 3'), интроны и экзоны.

Процессинг пре-иРНК включает в себя кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг, а также некоторые другие процессы (метилирование, редактирование).

Кэпирование — это присоединение 7-метил-ГТФ (7-метилгуанозинтрифосфат) к 5'-концу РНК, а также метилирование рибозы двух первых нуклеотидов.

Химическая структура кэпа

В результате образуется так называемая «шапка» (кэп). Функция кэпа связана с инициацией трансляции. Благодаря ему начальный участок иРНК прикрепляется к рибосоме. Также кэп защищает транскрипт от разрушительного действия рибонуклеаз и выполняют ряд функций в сплайсинге.

В результате полиаденилирования к 3'-концу РНК присоединяется полиадениловый участок (поли-А) длинной примерно 100-200 нуклеотидов (содержащих аденин). Данные реакции обеспечивает фермент поли-А-полимераза. Сигналом к полиаденилированию служит последовательность AAUAAACA на 3'-конце. В месте -CA происходит разрезание молекулы иРНК.

Поли-А защищает молекулу РНК от ферментативного распада.

Кэпирование и полиаденилирование происходят еще на этапе транскрипции. Кэп образуется сразу после высвобождения из РНК-полимеразы 5'-конца синтезируемой РНК, а поли-А образуется сразу после терминации транскрипции.

Сплайсинг представляет собой вырезание интронов и соединение экзонов. Экзоны могут соединяться по-разному. Таким образом из одного транскрипта могут образовываться разные иРНК. В сплайсинге информационной РНК участвуют малые ядерные РНК, которые имеют участки, комплементарные концам интронов и связываются с ними. Кроме мяРНК в сплайсинге участвуют различные белки. Все вместе (белки и мяРНК) формируют нуклеопротеидный комплекс — сплайсосому.

После процессинга иРНК становится короче своего предшественника иногда в десятки раз.

Процессинг других видов РНК

При процессинге молекул рибосомальных и транспортных РНК не происходит кэпирования и полиаденилирования. Модификации данных видов РНК происходят не только у эукариот, но и у прокариот.

Три вида рибосомальной РНК эукариот образуются в результате расщепления одного транскрипта (45S-РНК).

Процессинг ряда транспортных РНК может также включать расщепление одного транскрипта, другие тРНК получаются без расщепления. Особенностью процессинга тРНК является то, что молекула РНК проходит длинную цепь модификаций нуклеотидов: метилирование, дезаминирование и др.

- трансляция

Под трансляцией в биологии понимают синтез из аминокислот полипептидов, который протекает в цитоплазме на рибосомах при участии 1) мРНК в качестве матрицы, 2) тРНК в качестве переносчика аминокислот, а также 3) ряда белковых факторов, выполняющих каталитическую функцию на разных этапах процесса. Трансляция протекает в клетках всех живых организмов, это фундаментальный процесс живой природы.

С информационной точки зрения трансляцию можно определить как механизм перевода последовательности триплетов мРНК в последовательность аминокислот белка.

Функция рибосом состоит в удерживании в нужном положении мРНК, тРНК и белковых факторов до тех пор, пока не произойдет определенная химическая реакция. Чаще всего это образование пептидной связи между соседними аминокислотами.

Трансляция и биосинтез белка обычно означают одно и то же. Однако, когда говорят о биосинтезе белка, то нередко в него включают посттрансляционные модификации полипептидов (приобретение ими вторичной, третичной и четверичной структур), а также иногда могут включать процесс транскрипции. С этой точки зрения трансляция рассматривается как важный этап в биосинтезе белков.

Процесс трансляции у эукариот и прокариот имеет ряд отличий, в основном связанный с разнообразием и активностью белковых факторов.

На одной цепочке мРНК может находится несколько рибосом, образуя полисому. При этом сразу происходит синтез нескольких идентичных полипептидов (но каждый находится на своей стадии синтеза).

Синтез одного белка обычно длится несколько секунд.

Аминокислоты, из которых синтезируется полипептид, обязательно проходят стадию активации. Сам же процесс трансляции включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Процесс трансляции обладает свойством специфичности. Во-первых, определенным кодонам мРНК соответствуют свои тРНК. Во вторых, аминокислоты присоединяются только к «своим» тРНК.

Активация аминокислот

Активация аминокислот необходима, так как только в таком состоянии они способны соединяться с тРНК и позже образовывать между собой пептидные связи.

В цитоплазме клеток всегда находятся свободные (не соединенные с другими веществами) аминокислоты. Специфичные ферменты в присутствии АТФ преобразуют аминокислоту в аминоациладенилат, который уже способен соединяться с тРНК.

Существует класс ферментов – аминоацил-тРНК-синтетазы, – которые активируют аминокислоты, используя при этом энергию АТФ. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, после чего присоединяется только к своей тРНК. Образуется комплекс аминокислоты с тРНК – аминоацил-тРНК (аа-тРНК).

Инициация трансляции

Инициация трансляции включает следующие последовательно протекающие при участии факторов инициации этапы:

Присоединение 5'-конца мРНК к малой субъединице рибосомы. При этом стартовый кодон (AUG) размещается в недостроенном (из-за отсутствия большой субъединицы) P-сайте рибосомы.

Комплекс аа-тРНК с соответствующим антикодоном присоединяется к стартовому кодону мРНК. У эукариот кодон AUG кодирует аминокислоту метионин, у прокариот — формил-метионин. Позже эти стартовые аминокислоты вырезаются из готового полипептида.

Происходит объединение субъединиц рибосом, в результате чего достраиваются их P- и A-сайты.

Схема строения рибосомы

Схема строения рибосомы (A, P, E — участки-сайты для молекул тРНК)

Таким образом, на этапе инициации происходит распознавание рибосомой стартового кодона и подготовка к началу синтеза.

Образующаяся связь между рибосомой и мРНК обратима, мРНК после синтеза полипептида может быть отсоединена от рибосомы. В последствии мРНК используется еще раз или разрушается специальными ферментами.

Стартовый кодон AUG отличается от других таких же кодонов в середине мРНК тем, что перед ним находится кэп и определенные нуклеотидные последовательности. Именно благодаря им AUG распознается как стартовый. (Это касается в основном эукариот.)

Элонгация трансляции

На этом этапе происходит непосредственный синтез полипептидной цепочки. Процесс элонгации состоит из множества циклов. Один цикл элонгации — это присоединение одной аминокислоты к растущей полипептидной цепочке.

Уже на этапе инициации P-сайт рибосомы оказывается занятым первой тРНК, несущей аминокислоту метионин. В первом цикле элонгации в A-сайт рибосомы заходит второй комплекс aa-тРНК. Это будет та тРНК, чей антикодон комплементарен следующему (за стартовым AUG) кодону.

A(аминоацил)- и P(пептидил)-сайты располагают комплексы аа-тРНК так, что между аминокислотами протекает химическая реакция, и образуется пептидная связь.

После этого первая (находящаяся в P-сайте) тРНК освобождается от своей аминокислоты. В результате последняя оказывается связанной только со второй аминокислотой пептидной связью. Вторая аминокислота связана со второй тРНК, находящейся в A-сайте.

Рибосома перемещается по нити мРНК на один триплет. При этом первая т-РНК оказывается в E-сайте (exit) рибосомы, после чего покидает ее. Вторая т-РНК, связанная с двумя аминокислотами, переходит в P-сайт. A-сайт освобождается для поступления третьего комплекса аа-тРНК.

Следующие циклы элонгации протекают аналогично первому. Когда A-сайт освобождается, в него может зайти аа-тРНК, чей антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемся в этот момент в A-сайте.

Терминация трансляции

Терминация — это завершения синтеза полипептидной цепочки и ее отделение. Терминация наступает, когда рибосома встречает один из терминирующих кодонов (UAA, UAG, UGA), для которых не существует своих тРНК. Эти участки мРНК распознаются специальными белками — факторами терминации