Биосинтез РНК (транскрипция)

Транскрипция — синтез молекулы РНК по матрице ДНК. Биологическая роль: перенос генетической информации с ДНК на РНК. Для транскрипции необходимы:

• · матрица (программа) — кодирующая нить ДНК,
• · субстраты — АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ,
• · ферменты — РНК-полимеразы,
• · белковые факторы,
• · ионы магния, марганца.

Выделяют 3 стадии транскрипции: инициация, элонгация, терминация На молекуле ДНК имеется особый участок промотор, с которым связывается РНК-полимераза. Промотор иногда называют ТАТА участком (преобладает тимин, аденин, между которыми 2 Н-связи). Рядом с промотором расположены сигнальные участки, определяющие скорость транскрипции. Далее в молекуле ДНК располагаются кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) участки гена. Участок (сайт) терминации определяет окончание синтеза РНК.

Инициация заключается во взаимодействии иницирующих белков с промотором и расхождении нитей ДНК, их раскручивании и формировании транскрипционной вилки. РНК-полимераза связывается с промоторным участком и по принципу комплементарности соединяет нуклеотиды цепи РНК в направлении от 5 конца к 3. РНК-полимераза — это олигомерный фермент, состоящий из нескольких субъединиц, не требующий затравки. При достижении РНК — полимеразой участка терминации происходит его связывание с белками терминации, что сопровождается отсоединением РНК-полимеразы от ДНК, диссоциацией её и окончанием транскрипции.

Синтезированная РНК переписывает с кодирующей нити ДНК, как кодирующие участки, так и некодирующие участки гена и является про-РНК (незрелой РНК). Про-РНК в последующем подвергается созреванию (процессингу). Существует несколько механизмов процессинга:

• · сплайсинг — вырезание копий интронов и соединение копий экзонов;
• · присоединение к про-РНК добавочных нуклеотидов;
• · модификация азотистых оснований в составе про-РНК

Особенности процессинга для рРНК, тРНК, иРНК.

Процессинг иРНК заключается в добавлении КЭП — участка и полиаденилового хвоста в сочетании со сплайсингом.

Процессинтг тРНК происходит путём метилирования азотистых оснований и добавления акцепторного участка ЦЦА в сочетании со сплайсингом.

Процессинтг рРНК заключается в вырезании из большого предшественника фрагментов всех видов РНК: 18S; 5S; 5,8S; 28S.

Возможен альтернативный сплайсинг, который состоит в том, что для разных белков интроны могут играть роль экзонов.

Возможен и безматричный синтез РНК; он происходит из нуклеозиддифосфатов при участии фермента полинуклеотидфосфорилазы. В этом варианте синтезируются стандартные, небольшие молекулы РНК, необходимые для синтеза стандартных белков.

Таким образом, передача генетической информации происходит в следующем направлении: ДНК> РНК> белок. Однако, в некоторых фагах, эмбриональных тканях возможен синтез ДНК по матрице РНК (РНК>ДНК). Этот вариант синтеза катализирует фермент РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза, ревертаза). В вирусах возможен также вариант синтеза РНК>РНК при участии РНК-репликазы.

5. Биосинтез белков — трансляция Основной структурой синтезируемых белков является первичная структура (последовательность аминокислот в полипептидной цепи), которая заложена в генетическом коде ДНК.

Генетический код имеет ряд характеристик.

• 1. Триплетность -1 аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Из 4 видов нуклеотидов ДНК при триплетности кода возможно 64 различных сочетания, что достаточно для кодирования 20 аминокислот.
• 2. Однозначность — 1 триплет кодирует только 1 аминокислоту.
• 3. Вырожденность — для кодирования 1 аминокислоты имеется несколько триплетов
• 4. Непрерывность — между триплетами отсутствуют нуклеотиды, не принадлежащие соседним триплетам.
• 5. Неперекрываемость — один нуклеотид не может одновременно принадлежать 2-м триплетам.
• 6. Универсальность — код в разных организмах одинаков, отвечает за одни и те же аминокислоты.

Таким образом, код ДНК является линейным непрерывным и однонаправленным. Последовательность нуклеотидов строго соответствует последовательности аминокислот в синтезируемом белке — принцип коллинеарности.

Для трансляции необходимы следующие факторы:

• · все виды РНК (тРНК, иРНК, рРНК),
• · аминокислоты в активной форме,
• · макроэрги (донаторы энергии),
• · ферменты,
• · добавочные белковые факторы,
• · ионы Mg²⁺

На первой подготовительной стадии происходит активация аминокислот и связывание их со своей транспортной РНК. В этой стадии участвуют ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы. Это специфичные ферменты, обеспечивающие соединение аминокислоты с соответствующей тРНК.

Инициация синтеза белка происходит при образовании инициирующего комплекса, который включает в себя инициирующий кодон (АУГ, АГУ) иРНК, аминоацил — тРНК, рибосому. Информационная РНК своим КЭП-участком соединяется с малой субъединицей рибосомы. К инициирующему кодону присоединяется тРНК со своей первой аминокислотой (чаще всего метионином). К малой субъединице присоединяется большая субъединица рибосомы, и на рибосоме формируется два функциональных участка: пептидильный (Р-участок) и аминоацильный (А-участок). Первая тРНК с первой аминокислотой присоединяется к Р-участку, а А-участок оказывается свободным.

Элонгация включает в себя замыкание пептидной связи, транслокацию рибосомы по иРНК с использованием энергии ГТФ и АТФ. К свободному А-участку присоединяется своим антикодоном вторая тРНК со второй аминокислотой. Под действием фермента пептидилтрансферазы первая аминокислота отрывается от первой тРНК и присоединяется ко второй аминокислоте с формированием дипептида. В последующем происходит смещение (транслокация) рибосомы по иРНК на расстояние 3 нуклеотидов. При этом вторая тРНК с дипептидом оказывается в пептидильном участке, а аминоацильный участок освобождается. Первая тРНК покидает рибосому и уходит в цитозоль за новой аминокислотой, а к А-участку присоединяется третья тРНК с третьей аминокислотой. Затем дипептид переносится на третью аминокислоту сообразованием трипептида. Синтез полипептидной цепи белка происходит в направлении от N-конца к С-концу. В процессе трансляции тРНК выполняет своеобразную адапторную роль в переводе четырёхзначной информации иРНК в двадцатизначную в белках.

Терминация происходит при приближении белоксинтезирующего комплекса к терминирующему кодону иРНК (УАГ, УГА). Этому кодону не соответствует ни одна из тРНК, поэтому не приносится новая аминокислота, и синтез белка обрывается.

Многие синтезированные белки в последующем подвергаются посттрансляционной модификации. Существует несколько её вариантов. Наиболее часто встречается:

1. частичный протеолиз — отщепление «ненужных» участков.

(профермент>фермент; прогормон>гормон);

• 2. модификация отдельных аминокислот:
  • · окисление (пролин>гидроксипролин в коллагене);
  • · фосфолирирование (присоединение фосфата);
  • · гликозилирование (присоединение углевода);
  • · карбоксилирование (присоединение группы СООН в некоторых факторах свёртывания крови);
• 3. присоединение простетической группы;
• 4. замыкание дисульфидных мостиков;
• 5. изменение олигомерности белка (объединение нескольких мономеров)

В посттрансляционной модификации белков играют важную роль белки — шапероны (они «следят» за правильностью модификации).