14. Транскрипция у прокариот

Экспрессия гена – это реализация генетической информации, закодированной в ДНК, путём её транскрипции и трансляции. Транскрипция – первый этап экспрессии генов. Заключается она в переводе информации, содержащейся в гене на РНК путём синтеза последней на одной нити ДНК гена. В результате транскрипции синтезируются все виды РНК – информационная (иРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК) и другие (регуляторные, малые ядерные и пр.). Все они принимают участие в экспрессии генов, но только иРНК переносит информацию о строении белка с нуклеотидного «текста» ДНК на аминокислотный «текст» белка. Все остальные виды РНК обеспечивают эффективное осуществление этого процесса.

Суть транскрипции заключается в следующем: специальные ферменты подготавливают молекулу ДНК в области гена к транскрипции (раскручивают спираль ДНК, разрывают водородные связи между нитями и т.д.). Фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует РНК на матричной нити ДНК от стартовой точки до точки окончания транскрипции. Синтез РНК заключается в последовательном наращивании в ней нуклеотидов комплементарных матричной нити ДНК. Исключение составляет урацил РНК, который вставляется против аденина матричной нити ДНК.

В транскрипции принимают участие множество ферментов, но непосредственно синтез РНК осуществляет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза (или просто РНК-полимераза). У прокариот все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК) синтезируются одной РНК-полимеразой.

15. Транскрипция у эукариот

У эукариот все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК) синтезируются синтезируются тремя разными ферментами: РНК-полимеразой I, РНК-полимеразой II и РНК-полимеразой III.

Информационные РНК у эукариот транскрибируются РНК-полимеразой II.

Транскрипция это сложный многоэтапный процесс и одна РНК-полимераза не в состоянии полностью обеспечить его. На разных этапах транскрипции к РНК-полимеразе присоединяются и, наоборот, отщепляются различные белковые субъединицы, которые модифицируют её активность в соответствии с требованиями данного этапа.

Транскрипция, как и все процессы матричного синтеза у про- и эукариот, состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации.

Транскрипция –первый этап экспрессии генов и заключается в синтезе РНК на одной нити ДНК ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (РНК-полимеразой). Состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации. Во время инициации формируется инициаторный комплекс, состоящий белка прикреплённого к промотору, РНК-полимеразы и нескольких факторов инициации. Одновременно формируется транскрипционный «глазок». Во время элонгации происходит наращивание нити РНК в соответствии с комплементарными нуклеотидами на матричной (антисмысловой) цепочки ДНК. Сигналом терминации является определённая последовательность нуклеотидов в матричной цепочки ДНК. При транскрипции чаще, чем при репликации возникают ошибки при спаривании нуклеотидов.

16. Трансляция у прокариот

17. Трансляция у эукариот

Это перевод информации из полинуклеотидной последовательности иРНК в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется этот перевод путём синтеза белка на матрице – иРНК. В трансляции принимают участие рибосомы, тРНК, рРНК, различные ферменты. Состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации. На стадии инициации образуется инициаторный комплекс, который состоит из малой субъединице рибосомы, иРНК, тРНК несущей метионин. После присоединения к нему большой субъединице рибосомы наступает стадия элонгации, который заключается в присоединении тРНК, несущих аминокислоты к иРНК и связывание аминокислот друг с другом. Процесс происходит в двух активных центрах, расположенных на границе малой и большой субъединице. Трансляция заканчивается, когда в рибосому попадает «бессмысленный» кодон, не кодирующий аминокислоты.

а. Инициация.

Рибосомы находятся в цитоплазме в трёх состояниях:

- диспергированном, когда большая и малая субъединицы находятся отдельно друг от друга,

- в состоянии комплекса, когда малая и большая субъединица объединены в один ансамбль, а между ними проходит иРНК.

- в форме полиробосомы (полисомы) – на одну нить иРНК «нанизаны» несколько рибосомальных комплексов. Каждый из них синтезирует белок (см. рис. 65).

В инициации происходит процесс формирования инициаторного комплекса. В это процесс входят три следующих друг за другом этапа.

1. Малая субъединица рибосомы определяет 5^’ конец иРНК, содержащий «кэп», и присоединяется к нему.

2. Скользя по иРНК, малая субъединица «находит» расположенный вблизи «кэпа» стартовый кодон. В этом месте субъединица останавливается и фиксируется на иРНК. Сформировалась система, состоящая из двух элементов - малой субъединицы и нити иРНК. Система устроена таким образом, что в малой субъединицы располагаются только 2 кодона, каждый из них занимает свою активную область или центр или П или А. Стартовый кодон располагается в функциональном центре «П». В другом функциональном центре (А) располагается кодон первой аминокислоты входящей в белок. Еще раз подчеркнём, что два функциональных центра в малой субъединице не активны. Они активируются только при присоединении большой субъединице, в которой находятся аналогичные центры П и А.

У многих организмов стартовый кодон (или инициирующий кодон) в иРНК содержит триплет комплементарный антикодону аминоацил-тРНК несущий метионин. С метионинового кодона, как правило, начинается синтез белка.

3. К стартовому кодону, находящемуся в «П» участке, прикрепляется аминоацил-тРНК, несущая аминокислоту метионин. Комплекс, состоящий из малой субъединице рибосомы, иРНК, метиониновой-тРНК называют инициаторный комплекс

б. Элонгация

Как только к инициаторному комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы, начинается этап инициации. С присоединением большой субъединицы в рибосоме формируются два полноценных функциональных центра «П» и «А». В обоих центрах размещаются только два кодона иРНК. В центре «П» находится метиониновая-тРНК, а к участку «А», который открыт в цитоплазму, пробуют присоединиться аминоацил-тРНК несущие разные аминокислоты. Присоединяется только та аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону иРНК, находящемуся в«А» участке. В нашем случае в «А» участок попадает триптофановая аминоацил-тРНК (Т) (рис.67, В, Г).

Специальные ферменты соединяют пептидной связью две аминокислоты находящиеся в функциональных участках между собой. Одновременно происходит разрыв между тРНК и аминокислотой метионином. Метионин остаётся присоединённым к триптофану в участке «А», а в участке «П» находится освобождённая от аминокислоты тРНК. Специальный фермент, используя энергию макроэргов (АТФ) продвигает рибосому по иРНК на один триплет (шаг) по направлению к 3^’ концу иРНК . При этом из участка «П» тРНК освобождается и выходит в цитоплазму, а её место занимает аминоацил-тРНК несущая триптофан (Т) и прикреплённый к триптофану метионин (М). «А» центр становится свободным и на кодон, находящейся в нём иРНК, начинают претендовать другие цитоплазматические аминоацил-тРНК. Присоединяется та аминокислота, антикодон которой комплементарен кодону иРНК «А» участка . Затем цикл повторяется.

Функциональные обязанности малой и большой субъединиц рибосом, различны. Малая субъединица присоединяет аминоацил-тРНК (т.е. декодирует информацию), а большая субъединица отвечает за образование пептидной связи между аминокислотами.

в. Терминация.

Конец трансляции наступает тогда, когда в «А» участок рибосомы попадает один из стоп-кодонов (УАГ, УАА, УГА). Для них нет соответствующих аминоацил- тРНК и процесс синтеза белка останавливается.

К стоп-кодону присоединяются факторы терминации (белки), которые активируют ферменты, находящиеся в рибосомах. Эти ферменты, в свою очередь, осуществляют процесс отщепления синтезированного белка от тРНК и вызывают диссоциацию рибосомы на субъединицы.

Следует отметить интересный феномен, наблюдаемый в терминации. Ранее мы отмечали (см раздел «Процессинг»), что конец нити иРНК, где располагается терминатор, заканчивается полиадениловым «хвостиком» - Поли-А . При окончании синтеза полипептида, рибосома сходит с нити иРНК, «откусывая» при этом одно адениловое основание от Поли-А. Следующая рибосома, завершив синтез, также отщепляет одно основание и т.д. Как только все основания будут утрачены, иРНК разрушается ферментами. Таким образом, Поли-а, являются своеобразными биологическими часами, отмеряющими длительность существования иРНК и количество синтезированных с определённой иРНК белков. Длиннее Поли-А – больше молекул белка будет синтезироваться с этой иРНК и наоборот.