Биосинтез рнк

Транскрипция — биосинтез РНК на матрице ДНК. В отличие от репликации, транскрипции подвергается не вся молекула ДНК. Единицей транскрипции является оперон (у прокариот) или транскриптон (у эукариот).

Фермент транскрипции — РНК-полимераза — не требует праймера, синтезирует РНК в направлении от 5^/-конца к 3^/-концу, комплементарно и антипараллельно матричной цепи ДНК. В ядре у эукариот имеется 3 типа РНК полимераз (I — синтезирует рРНК, II — для иРНК, III — для тРНК). Субстратами для синтеза РНК являются активированные нуклеотиды (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Инициация транскрипции: РНК-полимераза прокариот имеет специальную субъединицу (σ – фактор), которая отвечает за узнавание промотора. У эукариот связывание РНК-полимеразы с промотором обеспечивается в присутствии дополнительных белков — факторов транскрипции. После связывания фермента с матрицей происходит локальное плавление промотора и начинается синтез РНК. Праймер для инициации синтеза не требуется.

Элонгация: РНК-полимераза перемещается вдоль матричной цепи ДНК и проводит полимеризацию рибонуклеотидов с образованием фосфодиэфирных связей в растущей цепи РНК. Механизм работы фермента аналогичен ДНК-полимеразе, однако, контроль правильности считывания информации и исправление ошибок не производится.

Терминация: отсоединение РНК-полимеразы от матрицы происходит после копирования терминирующей последовательности гена. Точный механизм данного процесса у эукариот не установлен.

У прокариот образовавшаяся молекула РНК содержит информацию о нескольких белках (полицистронный транскрипт) и сразу же подвергается трансляции. У эукариот образуется моноцистронный транскрипт, при этом все виды РНК синтезируются в виде предшественников и нуждаются в процессинге (созревании). После процессинга РНК транспортируется из ядра в цитоплазму.

Созревание иРНК (рис. 18.4). Во время синтеза пре-иРНК происходит модификация концов молекулы — кэпирование на 5^/-конце и полиаденилирование на 3^/-конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают иРНК от действия нуклеаз. Следующим этапом созревания РНК является сплайсинг — удаление интронов (неинформативных вставок) и сшивание экзонов (информативных участков). В сплайсинге участвует малая ядерная РНК, которая содержит последовательности, комплементарные интронам.

Созревание тРНК. От предшественника тРНК отщепляются дополнительные олигонуклеотиды на 3’- и 5’-концах, вырезаются интроны, достраивается акцепторный участок (ЦЦА), формируется петля антикодона, проводится модификация нуклеотидов (образуются псевдоуридин, дигидроуридин и т. п.).

Созревание рРНК. рРНК синтезируется в виде крупных предшественников, из которых затем удаляются интроны, молекулы разрезаются на фрагменты разного размера, метилируются, объединяются с белками (образуются малая и большая субъединицы рибосом).

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Трансляция — биосинтез белка на матрице иРНК. Участники трансляции: иРНК, рибосомы, белковые факторы инициации, элонгации и терминации, ГТФ, аминоацил-тРНК.

Последовательность нуклеотидов иРНК определяет последовательность включения аминокислот в синтезируемый белок. При этом одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов (триплет, кодон). Существует 4³ = 64 кодона (3 из них не кодируют аминокислоты — бессмысленные или нонсенс-кодоны). Общий набор кодонов составляет генетический код. Свойства генетического кода: триплетность; специфичность (1 кодон — 1 аминокислота); вырожденность (или избыточность, 61 кодон для 20 аминокис-лот); однонаправленность; неперекрывае-мость; отсутствие знаков препинания; универсальность.

Роль тРНК в биосинтезе белка: 1) транспорт аминокислот на рибосомы; 2) адапторная функция, т. е. тРНК является посредником при переводе с языка нуклеиновых кислот (последовательность нуклеотидов) на язык белков (последовательность аминокислот). Адапторная функция осуществляется благодаря наличию в структуре тРНК акцепторного участка для аминокислоты и антикодона для связи с иРНК.

Рекогниция — процесс узнавания аминокислотой своей тРНК. Специфичность связывания обеспечивает фермент АРСаза (аминоацил-тРНК-синтетаза), который катализирует 2 реакции:

Аминоацил-тРНК — это активная форма аминокислот, которая участвует в биосинтезе белка.

Собственно трансляция проходит в три этапа: инициация, элонгация и терминация.

Инициация: иРНК поступает на малую субъединицу рибосомы 5^/-концом, к инициирующему кодону (АУГ) присоединяется первая аминоацил-тРНК (мет-тРНК), и комплекс «закрывается» большой субъединицей рибосомы. В образовании инициирующего комплекса (рис. 18.5) участвуют белковые факторы инициации (IF-1, 2, 3) и используется энергия ГТФ.

Элонгация: в аминоацильный участок поступает следующая аминоацил-тРНК. Фермент пептидилтрансфераза образует пептидную связь между активированной карбоксильной группой первой аминокислоты и аминогруппой второй аминокислоты (рис. 18.6). Образованный при этом дипептид «зависает» в аминоацильном центре. Затем с помощью транслоказы и энергии ГТФ рибосома перемещается по иРНК на один кодон, аминоацильный участок освобождается, и туда поступает новая аминоацил-тРНК.

Терминация наступает тогда, когда в аминоацильном участке оказывается один из терминирующих (нонсенс) кодонов. К таким кодонам присоединяются специальные белки (рилизинг-факторы), которые высвобождают синтезированный пептид и вызывают диссоциацию субъединиц рибосомы.

Многие белки синтезируются в неактивном виде (в виде предшественников) и после схождения с рибосом подвергаются постсинтетической модификации. Виды модификации белков:

1. частичный протеолиз (удаление N-концевого мет и сигнального пептида, образование активных форм ферментов и гормонов);

2. объединение протомеров и формирование четвертичной структуры белков;

3. образование внутри- и межцепочечных S–S связей;

4. ковалентное присоединение кофакторов к ферментам (пиридоксальфосфат, биотин);

5. гликозилирование (гормоны, рецепторы);

6. модификация остатков аминокислот:

• гидроксилирование про и лиз (коллаген);

• йодирование тир (тиреоидные гормоны);

• карбоксилирование глу (факторы свертывания крови);

7. фосфорилирование (казеин молока, регуляция активности ферментов);

8. ацетилирование (гистоны);

9. пренилирование (G-белки).

Регуляция биосинтеза белка в клетке

Синтез белка в клетке можно регулировать на этапе транскрипции, созревания иРНК, транспорта ее из ядра в цитоплазму, изменяя стабильность иРНК, в процессе трансляции и посттрансляционной модификации. Регуляция на самых ранних этапах (на уровне экспрессии генов) является наиболее выгодной и потому широко используется.

Примером регуляции экспрессии генов является работа lac-оперона у E. coli. Lac-опе-рон содержит 3 структурных гена ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. В отсутствие лактозы оперон заблокирован белком-репрессором (рис. 18.7).

Рис. 18.7. Работа lac-оперона в отсутствие лактозы

В присутствии индуктора (лактозы) репрессор меняет свою конформацию и отсоединяется от ДНК. Однако если в этот момент в среде имеется глюкоза (более доступный источник энергии), транскрипция не идет. В том случае, если глюкоза отсутствует, в клетке увеличивается уровень цАМФ (сигнал «голода») и цАМФ в комплексе со специальным белком (catabolite activator protein) связывается с промотором. Только присутствие данного фактора позволяет РНК-полимеразе образовать прочную связь с промотором и начать транскрипцию (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Работа lac-оперона при наличии лактозы и в отсутствие глюкозы

Регуляторная часть генов эукариот устроена более сложно. Имеются энхансеры (элементы, усиливающие транскрипцию), сайленсеры (ослабляющие), гормон-респонсивные элементы (hormone response element). Факторы транскрипции могут связываться с любым из этих элементов, и, тем самым, регулировать функции генов. В качестве индукторов биосинтеза белка на генетическом уровне могут выступать не только субстраты (лактоза для лактазы), но и стероидные гормоны, витамины D, A, тиреоидные гормоны, ионы металлов и др. Активность факторов транскрипции может регулироваться также путем ковалентной модификации (напр., фосфорилированием).

Ингибиторы биосинтеза белка

Механизм действия многих антибиотиков и токсинов заключается в подавлении биосинтеза белка в клетках. Примеры таких ингибиторов приведены в таблице 18.1.

Таблица 18.1