Тема 7: Реалізація генетичної інформації

План

1. Транскрипція і РНК.

2. Процесинг і редагування іРНК.

3. Генетичний код.

4. Біосинтез білка. Будова рибосом.

Література:

1. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. Ун-та, 2000. – 458 с.

2. Льюин Б. Гены. – М.: Мир, 1987. – 544с.

3. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. – М.: Мир, 2002, 590 с.

1. Транскрипція РНК

У 50-х роках минулого сторіччя вважали, що ДНК кодує білки під час свого синтезу. Однак незабаром стало зрозуміло, що повинні існувати нестабільні молекули РНК – посередників, які переносять генетичну інформацію від ДНК у цитоплазму до рибосом. Після відкриття і РНК стало зрозуміло, що генетичний код, записаний в ДНК, транслюється у амінокислотну послідовність в молекулах полі пептидів за допомогою мРНК.

На початку 60-х років Френсіс Крік сформулював “центральну догму” молекулярної біології : ДНК ↔ РНК → білок.

Реалізація генетичної інформації відбувається завдяки двом процесам – транскрипції (синтезу іРНК на матриці генетичної нуклеїнової кислоти) і трансляції (синтезу полі пептидів на матриці іРНК).

Транскрипція – це перша стадія реалізації (зчитування) генетичної інформації, внаслідок якої послідовність нуклеотидів ДНК переписується (транскрибується) у послідовність РНК. В основі механізму копіювання інформації в процесі транскрипції лежить той же структурний принцип комплементарного спаровування нуклеотидів, що й за реплікації.

Процес синтезу РНК каталізується ферментами РНК-полімеразами, які поділяють на ДНК-залежні та РНК-залежні відповідно до матриць, з яких відбувається зчитування інформації. ДНК-залежні РНК-полімерази (або просто РНК-полімерази) виявлені у всіх об’єктів, у яких носієм інформації є ДНК (еукаріоти, бактерії, ДНК-віруси), РНК-залежні РНК-полімерази (або РНК-реплікази) властиві РНК-вмісним вірусам і забезпечують реплікацію і транскрипцію їхніх геномів.

У еукаріотів та деяких найпростіших вірусів (фагів) більшість генів транскрибуються як самостійні одиниці, в той час як у інших вірусів та бактерій гени переважно згруповані в так звані оперони – групи функціонально пов’язаних генів, які транскрибуються і регулюються як одне ціле.

Синтез молекул іРНК розпочинається в певних місцях ДНК, які називають промоторами, а закінчуються в термінаторах. Послідовність ДНК, розташована між промотором і термінатором, складає один транскриптон, який зчитується як одне ціле і являє собою одиницю транскрипції. В межах транскриптона синтез РНК здійснюється на одному із двох ланцюгів ДНК, який називають антикодогенним або матричним. Різні транскриптони можуть зчитуватися із різних ланцюгів ДНК і в протилежних напрямках. Основним елементом промотора є місце зв’язування РНК-полімерази. Більшість бактеріальних промоторів містить дві консервативні послідовності по 6 пн кожна, які розпізнаються РНК-полімеразами і визначають приєднання цих ферментів до промоторів.

У бактерій знайдена одна РНК-полімераза, що складається із двох компонентів: мінімальної РНК-полімерази або „кор” ферменту, який складається із 2α, β₁ і β₂-пептидів і σ (сигма) – субодиниці, необхідної для правильного приєднання РНК-полімерази до промотора. Після початку синтезу іРНК σ-субодиниця відокремлюється від РНК-полімерази.

У еукаріотів є певні особливості в будові промоторів, які розпізнаються різними РНК-полімеразами. Найбільш поширеними структурними частинами промоторів є послідовність нуклеотидів ТАТА (так званий ТАТА-домен) або послідовність СААТ.

У еукаріотів знайдено три типи РНК-полімераз: РНК-полімераза І приймає участь у транскрипції різних рибосомальних РНК, РНК-полімераза ІІ транскрибує іРНК, РНК-полімераза ІІІ транскрибує різноманітні низькомолекулярні РНК, а саме тРНК, 5S рРНК та інші.

Процес транскрипції можна умовно поділити на чотири основних стадії:

1) зв’язування РНК-полімерази з ДНК;

2) ініціації транскрипції;

3) нарощування (елонгації) ланцюга РНК;

4) термінації транскрипції.

У E.coli процес починається приєднанням РНК-полімерази до промотора, завдяки особливостям його будови та наявності у складі РНК-полімерази (голоферменту) σ (сигма) – фактора. При цьому утворюється так званий закритий промоторний комплекс, в якому ДНК зберігає дволанцюгову структуру, а РНК-полімераза ще не здатна до синтезу РНК. Закритий комплекс є нестабільним і легко переходить у більш стабільний відкритий – при цьому розплітається приблизно один виток ДНК.

Наступна стадія – ініціація – полягає в утворенні декількох ланок ланцюга РНК (синтез іде в напрямку 5′ - 3′) і може бути оборотною. Коли РНК досягає критичного розміру від трьох до дев’яти нуклеотидів залежно від промотора, σ – фактор від’єднується і синтез РНК продовжується до завершення– це стадія елонгації.

В процесі елонгації РНК-полімераза рухається по ДНК з різною швидкістю; в деяких ділянках матриці затримки в просуванні ферменту досить значні – їх називають паузами. Завершується синтез в чітко визначених ділянках матриці – термінаторах переважно за участю ρ (ро) - фактора. Саме тут здійснюється відокремлення від ДНК-матриці готової РНК і мінімальної РНК-полімерази, яка може знову приєднувати до себе σ-одиницю і розпочинати новий цикл транскрипції.