Біологічний сенс і-РНК, її роль в реалізації генетичної інформації.

Матричні рибонуклеїнової кислоти (і-РНК), молекули РНК, що представляють собою комплементарні копії ділянок значущих ланцюгів генів (ДНК), в яких закодована інформація про амінокислотних послідовностях поліпептидних ланцюгів білків. Утворюються в результаті транскрипції (синтез РНК на ДНК-матриці за допомогою ферменту ДНК-залежної РНК-полімерази) і послід. процесингу первинного транскрипту - видалення надлишкових РНК-послідовностей з обох кінців молекули і некодирующих послідовностей РНК, а також зшивання кодують ділянок РНК один з одним. мРНК переносять генетич. інформацію від генів до рибосоми, де відбувається трансляція (синтез поліпептидних ланцюгів на мРНК-матриці). При цьому один ланцюг мРНК можуть одночасно транслювати декілька рибосом (т. зв. полірибосоми, або полісоми). мРНК завжди складаються з одного полінуклеотидного ланцюга, тобто відносяться до однотяжевих РНК. Як і будь-які ін РНК, мРНК включають залишки аденіловой (А), гуанілова (G), урацилова (U) і цитозинова (С) кислот, зв'язаних між собою 3'-5'-фосфодиефірнимі зв'язками. Вторинна структура мРНК представлена ​​багатоногочисленними двоспіральними ділянками ("шпильками"), що утворюються в результаті комплементарного зіставлення (А з U і G з С) одного і того ж ланцюга; шпильки з'єднані між собою короткими однотяжевимі ділянками. При зв'язуванні з рибосомою макромолекулярна структура мРНК істотно змінюється, а двоспіральні її ділянки в районі безпосереднього. контакту з рибосомою переходять в однотяжевий стан. Молекули мРНК містять два типи нуклеотидних послідовностей - трансльовані і нетрансльовані. Трансльована ділянка мРНК являє собою сукупність тринуклеотид, що кодують поліпептидний ланцюг. Він починається з ініціюючого кодону (в переважній кількості випадків AUG) і закінчується термінуючим. Одна молекула мРНК прокаріотів (бактерії і синьозелені водорості) часто кодує дві або більше різних поліпептидних ланцюга і містить відповідно декілька кодуючих послідовностей. Між ініціюючим кодоном найближчої до 5'-кінця мРНК транслюється послідовності і цим кінцем зазвичай знаходиться 50-200 нуклеотидних залишків. 3'-кінець мРНК відділений від терминируются кодону найближчій до нього кодує послідовності, як правило, значно більш довгим нетрансліруемим ділянкою (до неск. Тис. нуклеотидних залишків). Ці нетрансліруемие області, мабуть, необхідні для створення специфич. макромолекулярної структури мРНК, а також містять т. зв. сигнали ініціації трансляції. наиб. добре вивчена така сигнальна послідовність у мРНК прокаріотів (відкрита Дж. Шайн і Л. Дальгарно і носить їхнє ім'я), що містить 3-7 нуклеотидних залишків, розташованих перед ініціюючим ко-доном (тобто ближче до 5'-кінця молекули) кожної трансльованій послідовності. Послідовність Шайн-Дальгарно комплементарна 3'-кінцеві ділянки РНК малої субчастіци рибосом і, цілком ймовірно, утворює з ним в процесі ініціації трансляції двухспіральной комплекс. Вторинна структура мРНК в районі сигнальної послідовності та ініціюючого кодону впливає на ефективність ініціації трансляції. Наявність або відсутність своб. 5'-кінцевого ділянки в мРНК прокаріотів несуттєво для початку трансляції. В окремих випадках рибосома здатна починати трансляцію внутр. кодують послідовностей. Деякі мРНК прокаріотів (найчастіше кодують ферменти біосинтезу амінокислот) крім основних трансльованих послідовностей ближче до їх 5'-кінця містять регуляторну послідовність, в якій закодований короткий поліпептид (цей район мРНК носить назв. Аттенюатора). Синтез цього поліпептиду відбувається під час утворення мРНК і може призводити до передчасного закінчення синтезу останньої. У деяких РНК-вірусів еукаріотів в РНК закодовано велике число білків, які в процесі трансляції синтезуються у вигляді гігантської єдиної поліпептидного ланцюга (поліпротеїну), розчленовується потім специфич. протеазами на окремі білкові молекули. У еукаріотів мРНК, як правило, моноцістронни. 5'-Кінець таких мРНК часто несе модифікується. угруповання (т. зв. кеп від англ. cap - головка, ф-ла II), приєднувану до мРНК після завершення транскрипції за допомогою спец. ферментної системи. 5'-Кінцеві залишки самої полінуклеотидних ланцюга мРНК, пов'язані з кепом, також модифіковані-зазвичай вони містять залишки рибози, метиловані по положенню 2 '. Наявність кепа в мРНК підвищує ефективність її трансляції. Припускають, що у еукаріотів рибосома спочатку зв'язується з 5'-кінцем молекули, а потім "ковзає" по ланцюга мРНК аж до ініціюючого кодону трансльованій послідовності. Б. ч. молекул мРНК в еукаріотіч. клітці містить на своєму 3'-кінці гомополімерную ланцюг (поліаденілат), в якій знаходиться від 20 до 200 залишків аденіловой кислоти. Поліаденілірованіе здійснюється ферментом поліаденілатполімеразой після закінчення транскрипції як останній етап процесингу 3'-кінцевий області мРНК. Функціонує. роль поліаденілатной послідовності в мРНК достовірно не встановлена; можливо, вона служить для зв'язування спец. білків в інформосоме. Деякі мРНК (напр., гістонових мРНК) поліаденіліровани лише частково. Завдяки наявності поліаденілатной послідовності мРНК м. б. легко відділені від решти клітинних РНК шляхом избират. комплементарного зв'язування з іммобілізованими олигомерами уріділовая або тіміділового кислоти.

 

 

23. (ст. 133) Структура РНК-полімерази, роль у процесах реалізації генетичної інформації.

Дві субодиниці α взаємодіють між собою в складі корферменту бактеріальної РНК-полімерази, виконуючи структурну роль: вони сприяють утриманню разом інших частин ферменту. Дві великі субодиниці. β і β’. формують характерні.щелепи. (форма нагадує також клішню краба), у щілині між якими з ферментом взаємодіє ДНК, розташована.нижче. (downstream) у напрямку руху полімерази від точки, яка в даний момент знаходиться в активному центрі. Щелепи є рухливими елементами, здатними розмикатися /замикатися під час роботи полімерази.

Глибоко в щілині між щелепами, ліворуч від F-спіралі (F bridge helix), що зображена на рис. 5.2 (належить до найбільшої субоди- ниці β’), розташований каталітичний активний центр: 3 залишки Asp (також належать до β’), що утримують ключовий для каталізу іон Mg2+ (рис. 5.3). Структурні елементи, які оточують активний центр, забезпечують взаємодію полімерази з нематричним ланцюгом ДНК (підтримуючийого розплавлений стан), дволанцюговим гібридом ДНК-РНК, сприяють поділу подвійної спіралі ДНК нижче від активного центру, поділу подвійної спіралі ДНК-РНК гібрида та відновленню подвійної спіралі ДНК вище (upstream) активного центру. Від активного центру, де міститься 3'-кінець РНК, що зростає, РНК виходить за межі полімеразного комплексу через спеціальний канал. Інший, так званий вторинний канал, дозволяє нуклеозидтрифосфатам потрапляти до точки зростання РНК.

Загальну схему будови полімерази в комплексі з ДНК і РНК під час елонгації транскрипції наведено на рис. 5.4. Описані риси структурної організації бактеріальної РНК-полімерази (рухливі щелепи, активний центр з іоном Mg2+, канали для виходу РНК і заходу NTP) є загальними для усіх РНК-полімераз. Це стосується не тільки гомологічних еукаріотичних полімераз (див. розділ 6). Деякі бактеріофаги (зазвичай фаги використовують полімеразу клітинихазяїна) мають власні РНК-полімерази, що є мономерними білками без гомології в амінокислотній послідовності до субодиниць бактеріальної полімерази (рис. 5.5).

Простота мономерних полімераз (яка робить їхзручним об’єктом досліджень) зумовлена тим, що вони мають упізнавати лише кілька промоторів фагових генів. Але вказані вище загальні риси структурної організації РНК-полімераз та базові принципи

функціонування зберігаються і для них. У структурі голоферменту бактеріальної РНК-полімерази присутня додаткова субодиниця σ. Вона має мультидоменну структуру (рис. 5.2) і здійснює різноманітні взаємодії з обома великими субодиницями

(β і β'): фіксує певне положення щелеп, взаємодіє з активним центром

і його оточенням. Розташування σ-фактора на поверхні полімеразногокомплексу дозволяє йому здійснювати впізнання промотора. Крім того,частина σ взаємодіє з каналом виходу РНК (порівн. рис. 5.2 і 5.4), бло-куючи його: дисоціація σ є необхідною для виходу синтезованої РНК, тобто для вільного руху полімерази вздовж матриці під час елонгації.

В еукаріотичних клітинах функціонують РНК-полімерази трьох типів:

• РНК-полімераза І працює на кластерах генів рибосомної РНК

(розділ 4) і здійснює синтез рРНК 18S, 28S та 5,8S.

• РНК-полімераза ІІ транскрибує білкові гени, а також гени ма-

леньких ядерних РНК та інших РНК, що не транслюються.

• РНК-полімераза ІІІ здійснює синтез тРНК, рибосомної РНК 5S і кількох інших низькомолекулярних РНК.

Кожна з цих полімераз містить чотири гомологічні корові субодиниці, які є водночас гомологами субодиниць α, β і β’ прокаріотичноїполімерази (розділ 5). Крім того, до складу полімераз входять п.ять спільних для всіх трьох ферментів субодиниць, а також певний набір специфічних субодиниць (у кількостях 5, 3 і 7 для РНК-полімераз І, ІІта ІІІ відповідно.

Роль: РНК-полімераза починає транскрипцію з особливих ділянок ДНК, які називаються промоторами, і синтезує ланцюжок РНК, комплементарнийвідповідній частині ланцюга ДНК. РНК-полімераза завершує формування ланцюжка РНК, коли зустрічає в ДНК специфічну послідовність, що називається термінатором.РНК-полімераза синтезує такі різні типи РНК(матрична, транспортна, рибосомна тощо)

Механізми транскрипції.

Транскрипція (ггапзсгіріїоп) - процес синтезу РНК з використанням одного з ланцюгів ДНК як матриці, тобто “переписування” послідовно­сті нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів РНК. Зростання лан­цюга РНК відбувається в напрямку від 5'- до З'-кінця. Субстратами ре­акції є З'-кінцева ОН-група рибози зростаючого транскрипту (ланцю­га РНК, що синтезується) і рибонуклеозидтрифосфати. Фермент, що каталізує цю реакцію - ДНК-залежна РНК-полімераза Приступаючи до розгляду прокаріотичної системи транскрипції, слід зауважити, що молекулярні механізми син­тезу РНК є в основному спільними для всіх живих організмів.

Бактеріальна РНК-полімераза складається з кількох білкових субодиниць та існує, залежно від стадії транскрипції, у двох формах: 1) ко-фермент у складі субодиниць, що позначаються як а (дві копії), Р, Р' та ω; 2) голофермент - комплекс кор-ферменту із субодиницею а. Кор-фермент має досить високу неспе­цифічну спорідненість до ДНК, що дозволяє йому працювати на різ­номанітних послідовностях. Поява субодиниці а у складі голофермен-ту приводить до зниження загальної неспецифічної спорідненості, але при цьому виникає специфічна спорідненість до особливих ділянок, з яких транскрипція має розпочинатися – промоторів.

За рахунок цього голофермент має змогу ефективно перебирати (шляхом зв'язування та швидкої дисоціації) різноманітні ділянки ДНК, здійснюючи пошук промотора, взаємодія з яким є міцнішою. Отже, субодиниця σ виконує роль загального фактора ініціації транс­крипції. Різні промотори розрізняються за спорідненістю до голофер-менту (силою промотора). Відповідно, упізнання слабких промоторів залежить від додаткових, специфічних для даного гена чи групи ге­нів, факторів ініціації (див. нижче).

Робочий цикл РНК-полімерази складається з наступних стадій.

• Ініціація транскрипції, яка також є багатостадійним проце­
сом:

о зв'язування голоферменту з промотором. У результаті фор­мується закритий комплекс, у складі якого ДНК зберігає форму подвійної спіралі;

о локальне плавлення подвійної спіралі з утворенням від­критого комплексу – розходження ланцюгів ДНК, яке до­зволяє використовувати один з них як матрицю;

о включення перших двох нуклеотидів до молекули РНК (син­тез першого фосфодіефірного зв'язку в активному центрі полімерази) – найповільніша стадія процесу;

о зростання первинного короткого транскрипту – приєд­нання 8–9 нуклеотидів. Після цього є можливою абортивна ініціація (визволення короткого транскрипту), тобто не­вдала спроба ініціації;

о в іншому випадку відбувається очищення промотора – дисоціація σ-фактора, яка маркує перехід до елонгації транскрипції.

• Елонгація транскрипції, у кожному елементарному акті якої (елонгаційному циклі) відбувається приєднання чергового ну-клеотиду до 3'-кінця РНК і пересування кор-ферменту на один нуклеотид уздовж матриці (транслокація).

• Термінація транскрипції при впізнанні полімеразою спеціа­льного сигналу термінації (особливого елемента послідовнос­ті), коли відбувається визволення транскрипту. Далі кор-фермент знову взаємодіє з σ-субодиницею і здійснює новий пошук промотора.

Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білко­вих генів є те, що молекула мРНК зв'язується з рибосомами безпосе­редньо під час транскрипції – транскрипція мРНК і білковий синтез є єдиним процесом.