Транскрипция или синтез рнк

Синтез РНК или транскрипция представляет собой первый этап реализации генетической информации, в ходе которого эта информация переписывается на молекулы РНК и только в этом виде становится доступной для ее использования в клетке. В результате транскрипции образуются, во-первых, мРНК, несущие информацию о последовательностях аминокислот в полипептидных цепях белков, во-вторых, структурные РНК: рРНК, тРНК, мяРНК, непосредственно выполняющие те или иные функции в клетке.

Основная масса РНК синтезируется в клетке в интерфазе, причем скорость синтеза отдельных молекул РНК в клетке примерно в 20 раз превышает скорость синтеза ДНК.

В клетках разных типов транскрибируется 2 класса генов:

• Один класс генов, известных под названием “гены домашнего хозяйства”, транскрибируется практически во всех клетках, а продукты этих генов отвечают за процессы жизнеобеспечения клеток, например, обеспечивают синтез в клетках ферментов гликолиза или ферментов цикла трикарбоновых кислот.

• Второй класс генов транскрибируется только в клетках той или иной ткани, а продукты этих тканеспецифичных генов отвечают за синтез белков, обеспечивающих выполнение тканью своих специализированных функций. Примером могут служить гены, транскрибируемые в гепатоцитах и обеспечивающие синтез белков, участвующих в работе системы свертывания крови.

Синтез функционально активных молекул РНК можно разделить на два этапа.

• На первом этапе происходит сборка молекулы РНК на соответствующем структурном гене ДНК; собственно это и есть непосредственно процесс транскрипции. Однако в результате транскрипции получается не готовая молекула той или иной РНК, а ее функционально неактивный предшественник. Такую РНК обычно называют первичным транскриптом соответствующего гена.

• На втором этапе первичный транскрипт подвергается процессингу - достаточно сложной структурной перестройке, в ходе которой из первичного транскрипта формируется функционально активная молекула того или иного класса РНК.

Синтез первичного транскрипта

В клетках эукариот синтез молекулы РНК на ДНК происходит в пределах кодирующей области одного гена, причем транскрипции подвергается только одна из двух цепей ДНК. Эта цепь ДНК получила название кодирующей или значащей цепи. Существенным является то, что у двух соседних генов кодирующей цепью могут служить разные цепи ДНК.

Процесс синтеза РНК носит консервативный характер. Это означает, что после синтеза РНК структура участка ДНК, на котором шел этот синтез, полностью восстанавливается; с другой стороны, ни один из структурных элементов участка ДНК, на котором шла транскрипция, не попадает в состав структуры новообразованной РНК.

Пластическим материалом для синтеза РНК служат только главные рибонуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ.

Ферментом, катализирующим синтез РНК является ДНК‑зависимая РНК-полимераза.

В клетках эукариот в процессах транскрипции участвует 3 РНК-полимеразы:

1. РНК-полимераза I ответственна за синтез рРНК;

2. РНК-полимераза II — за синтез мРНК;

3. РНК-полимераза III — за синтез тРНК и одной из рРНК — 5S-РНК.

Процесс синтеза первичного транскрипта принято разделять на 3 этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

В ходе инициации специальные белки — факторы транскрипции, связавшись с нуклеотидными блоками промотора, обеспечивают связывание РНК-полимеразы и ее ориентацию на стартовую точку кодирующей области гена.

Присоединившись к промотору гена РНК-полимераза раскручивает двойную спираль ДНК на протяжении 17 пар нуклеотидов, причем по мере продвижения РНК-полимеразы по кодирующей области гена происходит и перемещение этого участка раскрученной ДНК.

Найдя стартовую точку и определив кодирующую цепь ДНК, РНК-полимераза отбирает из окружающей среды два рибонуклеозидтрифосфата, азотистые основания которых комплементарны азотистому основанию дезоксирибонуклеотидного остатка стартовой точки и азотистому основанию соседнего дезоксирибонуклеотидного остатка кодирующей цепи ДНК и соединяет их между собой за счет образования 3',5'-фосфодиэфирной связи.

Далее идет удлинение синтезируемой молекулы РНК или элонгация. Элонгация идет циклически: РНК-полимераза отбирает из окружающей среды очередной рибонуклеозидтрифосфат с комплементарным азотистым основанием дезоксирибонуклеотидному остатку матричной цепи ДНК, присоединяет его к синтезируемой цепи РНК и продвигается по ДНК на одну пару дезоксирибонуклеотидов. Затем цикл повторяется.

Спиральная структура матричной ДНК после прохождения РНК-полимеразы сразу же восстанавливается. Синтезируемая цепь РНК растет в направлении 5'3', причем синтез идет на антипараллельной цепи ДНК, т.е на цепи, идущей в направлении 3'5'. В пределах кодирующей области гена считываются и экзоны и интроны, так что новосинтезированная молекула РНК — первичный транскрипт — содержит в своем составе рибонуклеотидные последовательности, эквивалентные как экзонам, так и интронам.

Окончание процесса синтеза РНК, т.е. терминация, происходит за пределами кодирующей области гена, в районе спейсера.

Сигналами терминации синтеза РНК на гене являются участки ДНК, обогащенные парами АТ, однако они до настоящего времени плохо изучены. Обычно РНК-полимераза проходит конец последнего экзона, продолжая синтезировать РНК, однако в последствии этот лишний участок РНК, размеры которого могут составлять несколько сотен рибонуклеотидных остатков, удаляется из первичного транскрипта в ходе процессинга.

Процессинг РНК

Процессинг мРНК включает:

• кэпирование первичного транскрипта;

• сплайсинг - удаление последовательностей, эквивалентных интронам с последующим соединением участков РНК, эквивалентным экзонам;

• формирование 5'-конца молекулы, включающее в себя удаление лишней последовательности нуклеотидов и присоединение полиаденилатного блока;

• превращение части главных нуклеотидов в минорные.

Кэпирование будущей молекулы мРНК происходит уже в ходе синтеза первичного транскрипта, когда длина синтезированной молекулы РНК достигает примерно 30 нуклеотидных остатков. К 5'-концевому остатку синтезируемой цепи РНК вначале присоединяется с помощью пирофосфатной связи гуаниловый нуклеотид, а затем гуанин этого нуклеотидного остатка метилируется. Кроме того, метилированию подвергается остаток рибозы соседнего нуклеотидного остатка.

Формирование 3'-конца молекулы идет в два этапа: сначала от первичного транскрипта удаляется лишняя 3'-концевая последовательность, а затем присоединяется от 100 до 200 остатков адениловой кислоты, формируя таким образом полиаденилатный блок.

Сплайсинг. По современным представления этот процесс идет на структурно организованных частицах — сплайсосомах, основу которых составляют специальные белки. В состав сплайсосом входят также малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы, которые ответственны за разрезание первичных транскриптов с удалением интронов и последующим соединением концов экзонов. Принято считать, что для удаления каждого интрона необходимо формирование отдельной сплайсосомы.

Превращение главных нуклеотидов РНК-транскрипта в минорные начинается уже по ходу сборки рибонуклеотидной цепи и продолжается в течение всего процессинга. “Миноризация” нуклеотидов включает в себя достаточно большое количество вариантов их химической модификации:

• метилирование азотистых оснований и рибозы;

• гидроксиметилирование и ацетилирование азотистых оснований;

• восстановление урацила до дигидроурацила;

• преобразование уридиловой кислоты в псевдоуридиловую кислоту;

• гликозилирование главных мононуклеотидов.

Синтезированные молекулы мРНК перемещаются из ядра в цитозоль. К настоящему времени мало что известно о механизме этого процесса. Предполагают, что в ядерных порах имеются специальные белки-рецепторы, которые “узнают” зрелые мРНК и с помощью механизма активного транспорта переносят их через ядерную мембрану. Молекулы мРНК, не прошедшие полностью процессинг, не могут участвовать в этом переносе.

Рибосомальная РНК синтезируется на тандемно расположенных копиях идентичных генов. Гены транскрибируются РНК-полимеразой I, причем первичный транскрипт содержит рибонуклеотидные последовательности 3 из 4 рибосомных РНК: 18S-РНК, 28S-РНК и 5,8S- РНК. Гены рРНК расположены в петлях ДНК, находящихся в ядрышке. Здесь же происходит и образование готовых молекул рРНК. Непосредственно в ядрышке рРНК взаимодействуют с поступающими сюда белками с образованием рибосом. Далее рибосомы из ядрышка поступают в цитозоль, где происходит их окончательное формирование за счет взаимодействия с цитозольными белками.

Транспортные РНК и 5S-рРНК синтезируются с участием РНК-полимеразы III. Молекулы тРНК первоначально образуются в виде больших предшественников, которые обычно содержат нуклеотидные последовательности для нескольких молекул тРНК. Эти первичные транскрипты подвергаются нуклеолитическому процессингу под действием специальных нуклеаз, в ходе которого из общего предшественника выделяются отдельные нуклеотидные последовательности, характерные для той или иной тРНК.

ТЕМА. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ

ЛЕКЦИЯ №

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ В КЛЕТКАХ ЭУКАРИОТ

План

1. Аминокислотный код и процесс рекогниции

2. Синтез полипептидных цепей на рибосомах

   1. Строение рибосом

   2. Трансляция: инициация, элонгация и терминация.

3. Процессинг полипептидных цепей белков

4. Транспорт синтезированных белков

5. Механизмы расщепления неправильно синтезированных белков

Процесс трансляции представляет собой заключительную фазу реализации генетической информации в системе ее переноса в генеральном направлении: ДНК –– РНК –– Белок.

Процесс биосинтеза белка часто отождествляется с понятием “трансляция”, хотя два этих термина далеко не равнозначны. Синтез функционально полноценных белковых молекул включает в себя следующие этапы:

• Подготовка пластического материала для сборки полипептидных цепей на рибосомах — процесс рекогниции (узнавания).

• Сборка полипептидных цепей на рибосомах в соответствии с информацией, поставляемой на рибосомы мРНК — процесс трансляции.

• Преобразование синтезированных на рибосомах полипептидных цепей в функционально полноценные белковые молекулы — посттрансляционный процессинг.