ТЕМА 3.4. БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ). ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ РНК
1. Транскрипциейназывается синтез РНКна ДНК-матрице.В результате образуются первичные траскрипты мРНК, тРНК, рРНК, комплементарные матричной цепи ДНК, имеющей направление от 3′-, к 5′-концу. Субстратами и источниками энергии для синтеза РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты ( НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).
Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы.В ядре клеток эукариотов обнаружены три фермента:
• РНК-полимераза I,синтезирующая пре-рРНК;
• РНК-полимераза II,ответственная за синтез пре-мРНК;
• РНК-полимераза III,синтезирующая пре-тРНК.
В основе процесса лежит принцип комплементарности оснований в полинуклеотидной цепи матричной ДНК и синтезируемой РНК, когда против А встает U, против G — С, а против Т — А.
Суммарное уравнение синтеза РНК можно представить следующим образом:
2. Специфическая последовательность ДНК (сайт), в которой РНК-полимераза связывается с матрицей и начинает синтез РНК, называется промотором,а последовательность, на которой завершается синтез РНК, — сайтом терминации.Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции —транскриптон.У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит только один ген.
Существование на молекуле ДНК множества транскриптонов позволяет с разной активностью проводить индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов. РНК-полимеразы — большие, олигомерные ферменты, состоящие из нескольких субъединиц и имеющие несколько центров связывания регуляторных факторов. В процессе транскрипции различают стадии инициации, элонгации и терминации(рис. 3.9).
3. «Активация» промотора происходит с помощью белка, который получил название ТАТА-фактора,потому что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора -ТАТА-. ТАТА-фактор облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой.Связывание РНК-полимеразы с промотором увеличивает сродство фермента к факторам инициации(А, В), которые обеспечивают раскручивание примерно одного витка двойной спирали ДНК.
Рис. 3.9. Стадии транскрипции:
1 — присоединение в область промотора белка, который называется «ТАТА-фактор»;
2 — включение РНК-полимеразы в промоторный участок, при этом в зоне присоединения РНК-полимеразы происходит локальное расплетение двойной спирали ДНК; 3 — рост нити пре-РНК; 4 — освобождение в сайте терминации пре-РНК и РНК-полимеразы из комплекса с ДНК ускоряют факторы терминации
Факторы элонгации(E, H, F) повышают активность РНК-полимеразы и облегчают локальное расхождение нуклеотидных цепей. Синтез молекулы РНК идет от 5 — к 3-концу на матричной цепи ДНК по принципу комплементарности и антипараллельности.По мере продвижения РНК-полимеразы по цепи ДНК в направлении от 3′- к 5′-концу впереди нее происходит расхождение, а позади — восстановление двойной спирали.
Расхождение двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для факторов терминации.Когда РНК-полимераза достигает сайта терминации, транскрипция прекращается. Факторы терминации облегчают отделение первичного транскрипта от матрицы.
4. Посттранскрипционные модификации.Прежде чем выйти из ядра, каждый первичный транскрипт после ряда ковалентных модификаций превращается в «зрелую» молекулу РНК.
• Модификации пре-мРНКначинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидов, происходит«кэпирование» 5′-конца.Остаток ГТФ присоединяется своим 5′-концом к 5′-концу фрагмента пре-мРНК с образованием 5′-, 5′-фосфодиэфирной связи. Последующее метилирование гуанина в составе ГТФ завершает образование «кэпа»:
где 7-метилгуанозинтрифосфат присоединен к 5′-концу первого нуклеотида (Х) в составе пре-мРНК.
По завершении транскрипции на 3′-конце первичного транскрипта мРНК специальным ферментом поли-А-полимеразойсинтезируется поли-Апоследовательность, которая состоит из 100-200 остатков адениловой кислоты. Наличие поли-А-последовательности на 3′-концеоблегчает выход мРНК из ядра и замедляет ее гидролиз в цитоплазме. Молекулы тРНК и рРНК не содержат «кэпа» и поли-А-последовательности.
Первичный транскрипт или пре-мРНК комплементарен гену, содержит как экзоны— последовательности, кодирующие определенные участки молекулы белка, так и интроны— некодирующие последовательности. В процессе образования молекул «зрелой» мРНК интроны вырезаются из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом — эту реакцию называют сплайсингом РНК(рис. 3.10).
Рис. 3.10. Сплайсинг пре-мРНК
Процесс вырезания интронов протекает при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), которые образуют комплексы — сплайсосомы.мяРНП состоят из малой ядерной РНК (мяРНК), связанной с белковым остовом, в который входит несколько протомеров. Отдельные мяРНП по принципу комплементарности узнают специфические последовательности интронов в первичном транскрипте, они катализируют реакцию расщепления 3′, 5′-фосфодиэфирной связи на границе экзона с интроном и последующее соединение двух экзонов. После завершения сплайсинга «зрелая»
мРНК становится примерно в четыре раза короче первичного транскрипта. Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму переносится уже «зрелая» мРНК (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Образование и выход из ядра зрелой мРНК
Модификации пре-тРНК.В процессе посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов тРНК:
• молекулы укорачиваются с 5′- и 3′-концов и удаляется интрон;
• 10-15% азотистых оснований в молекулах модифицируется;
• на 3′-конце формируется акцепторный участок (-ССА)для присоединения аминокислот, а в средней части антикодон— триплет нуклеотидов, обеспечивающий взаимодействие тРНК с кодоном мРНК (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Посттранскрипционные модификации пре-тРНК:
1 — удаляются участки полинуклеотидной цепи на 5′- и 3′-концах молекулы претРНК и интрон в центральной области молекулы; 2 — модифицируются азотистые основания (■), к 3′-концу присоединяется триплет-ССА; 3 — в цитоплазму выходят зрелые тРНК
Посттранскрипционные модификации пре-рРНКсопровождаются образованием из высокомолекулярного предшественника 28S, 18S и 5,8S «зрелых» рРНК, входящих в рибосому — органеллу клетки, участвующую в биосинтезе белка. В состав рибосом входят рРНК и белки, выполняющие структурную, регуляторную и каталитическую функции. Рибосома эукариотов (80S) состоит из двух (большой и малой) субъединиц — 60S и 40S (рис. 3.13). Величина S характеризует скорость оседания (седиментации) субъединиц рибосом при ультрацентрифугировании. Она пропорциональна молекулярной массе частиц. Рибосома прокариотов (70S) состоит из 50S и 30S. Рибосомы эукариотов и прокариотов различаются по молекулярной массе субъединиц, количеству рРНК, массе рРНК, количеству и разнообразию белков, способных
связывать специфические лиганды.
Рис. 3.13. Строение эукариотических рибосом
Источник
