Expresia všetkých génov začína transkripciou ich nukleotidovej sekvencie. Transkripcia je proces prekladu informácie zapísanej v jazyku deoxyribonukleotidovej sekvencie v sense vlákne DNA do jazyka ribonukleotidovej sekvencie v mRNA. V tomto prípade sa určitý úsek jedného z dvoch reťazcov DNA (antisense) používa ako templát pre syntézu RNA prostredníctvom komplementárneho párovania báz.

Enzýmy, ktoré katalyzujú proces transkripcie, sú DNA-dependentné RNA polymerázy. Navyše v prokaryotoch napríklad v bunkách coli Bol objavený iba jeden typ tohto enzýmu, ktorý syntetizuje všetky tri typy RNA (mRNA, tRNA, rRNA). Naproti tomu eukaryoty majú tri rôzne DNA-dependentné RNA polymerázy, z ktorých každá je zodpovedná za transkripciu génov kódujúcich rôzne typy bunkovej RNA. Najlepším možným spôsobom proces transkripcie, ako aj jeho enzymatické vybavenie, boli študované na prokaryotoch. Bakteriálne RNA polymerázy sú komplexné proteíny pozostávajúce z niekoľkých rôznych podjednotiek. Najviac študovaným enzýmom je holoenzým RNA polymeráza E. coli, ktorá obsahuje päť rôznych polypeptidových podjednotiek: dva a-reťazce, jeden b- a jeden b'-reťazec, s- a w-reťazce. Alternatívna forma enzým tzv krmivo alebo minienzým, chýba s-podjednotka. Jadrový enzým katalyzuje väčšinu reakcií transkripcie DNA na RNA, ale nemôže iniciovať syntézu RNA na správnom mieste, pretože nedokáže rozpoznať stránky promotéra. K presnej väzbe a iniciácii na promótoroch dochádza až po pridaní podjednotky sd k jadrovému enzýmu a vytvorení holoenzýmu.

Rovnako ako iné templátové procesy, transkripcia zahŕňa 3 fázy: iniciáciu, predĺženie a ukončenie.

Iniciácia transkripcie. Tento proces vyžaduje: holoenzým, špeciálnu sekvenciu nukleotidov v DNA (promótor) a sadu nukleozidtrifosfátov. Transkripcia sa iniciuje vytvorením stabilného komplexu medzi holoenzýmom a špecifickou sekvenciou nazývanou promótor, ktorá sa nachádza na začiatku všetkých transkripčných jednotiek. Promótor je úsek molekuly DNA pozostávajúci z približne 40 nukleotidových párov a umiestnený bezprostredne pred miestom iniciácie transkripcie. Rozlišuje dve dôležité a pomerne konzervatívne sekvencie v kompozícii. Jeden z nich pozostáva zo šiestich alebo siedmich nukleotidov (zvyčajne TATAAT) a nachádza sa vo vzdialenosti približne 10 nukleotidov od prvého transkribovaného nukleotidu (+1); tento signál sa zvyčajne označuje ako 10-sekvencia alebo Pribnow-Box na počesť svojho objaviteľa. V tomto mieste sa RNA polymeráza viaže na DNA. Druhá sekvencia sa nachádza vo vzdialenosti ~ 35 nukleotidov od miesta iniciácie a slúži ako miesto rozpoznávania promótora pre RNA polymerázu (obr. 3.1).

Keď sa RNA polymeráza naviaže na promótor, dôjde k lokálnemu rozvinutiu dvojitej špirály DNA a vytvorí sa otvorený komplex promótora. Kopíruje nukleotidovú sekvenciu sense alebo (+)-vlákna DNA so smerom 5→3'. V tomto prípade syntéza mRNA vždy začína nukleotidmi A alebo G. Druhé, antisense vlákno DNA, slúži ako templát pre syntézu reťazca RNA (obr. 3.2).

Transkripcia je podobná replikácii v tom, že poradie pridávania ribonukleotidov je určené komplementárnym párovaním báz (obrázok 3.2). Po vytvorení niekoľkých prvých fosfodiesterových väzieb (zvyčajne 5-10) sa d-podjednotka oddelí od iniciačného komplexu a uskutoční sa ďalšia transkripcia pomocou jadrového enzýmu.

Transkripčné predĺženie. Rastúce vlákno RNA zostáva naviazané na enzým a spárované na svojom rastúcom konci s časťou templátového vlákna. Zvyšok výsledného reťazca nie je spojený ani s enzýmom, ani s DNA. Ako transkripcia pokračuje, korenzým pohybujúci sa po vlákne DNA pôsobí ako zips, ktorý odvíja dvojitú špirálu, ktorá sa uzatvára za enzýmom a obnovuje jeho pôvodnú duplexnú štruktúru. Oblasť DNA „otvorená“ enzýmom sa rozprestiera len na niekoľkých nukleotidových pároch (obr. 3.3).

RNA rastie v smere od 5' do 3' konca pozdĺž templátového (-) vlákna, orientovaného v smere 3'→5', t.j. antiparalelne. Transkripcia pokračuje nepretržite, kým enzým nedosiahne miesto ukončenia transkripcie.

Ukončenie prepisu. Sekvencie DNA, ktoré pôsobia ako signály na zastavenie transkripcie, sa nazývajú terminátory transkripcie. Obsahujú invertované opakovania, vďaka ktorým sa 3' konce RNA transkriptov skladajú a tvoria čapy rôznych dĺžok (obr. 3.4).

Boli objavené dva typy terminačných signálov - r-dependentné a r-nezávislé terminátory. r je oligomérny proteín, ktorý sa pevne viaže na RNA a v tomto stave hydrolyzuje ATP na ADP a anorganický fosfát. V jednom modeli sa pôsobenie r-proteínu vysvetľuje tým, že sa viaže na syntetizované vlákno RNA a pohybuje sa pozdĺž neho v smere 5‘→3‘ k miestu syntézy RNA; energia potrebná na jeho pohyb sa uvoľňuje pri hydrolýze ATP. Ak proteín r narazí na vlásenku, ktorá sa tvorí v RNA, zastaví polymerázu, ktorá by mohla pokračovať v transkripcii. Mechanizmus r-nezávislého ukončenia je menej dobre študovaný a veľa zostáva nejasné.

Vo väčšine prípadov primárne transkripty produkované spôsobom opísaným vyššie nie sú zrelé molekuly RNA, ale vyžadujú proces dozrievania nazývaný spracovanie RNA. Spracovanie je veľmi odlišný pre prokaryotické a eukaryotické RNA.

V prokaryotoch primárne transkripty, vytvorené transkripciou génov kódujúcich proteín, fungujú ako mRNA bez následnej modifikácie alebo spracovania. Okrem toho translácia mRNA často začína ešte pred dokončením syntézy 3' konca transkriptu. Úplne odlišná situácia je pozorovaná pre prokaryotické molekuly rRNA a tRNA. V tomto prípade sú zhluky génov rRNA alebo tRNA často transkribované, aby vytvorili jeden reťazec RNA. Na vytvorenie zrelých funkčných foriem musí dôjsť k špecifickému štiepeniu a modifikácii primárnych RNA transkriptov. Tieto molekulárne deje sa nazývajú spracovanie RNA resp post-transkripčná modifikácia. Počiatočné štiepenie primárnych transkriptov na fragmenty obsahujúce buď tRNA alebo sekvencie 16S-, 23S- alebo 5S-rRNA sa uskutočňuje endonukleázou RNáza III. Jej cieľom sú krátke duplexy RNA vytvorené počas intramolekulárneho párovania báz v sekvenciách lemujúcich každú z RNA. segmentov. Tieto komplementárne sekvencie tvoria vlásenky, do ktorých RNáza zavádza zlomy, po ktorých sú ďalšie sekvencie spacerových oblastí odstránené inými RNázami. Molekuly tRNA sa najskôr syntetizujú ako pro-tRNA, ktorá je o ~20 % dlhšia ako zrelá. Extra sekvencie umiestnené na 5' a 3' koncoch sú odstránené ribonukleázami Q a P. Okrem toho, na vytvorenie zrelej funkčnej tRNA, špecifická modifikácia báz a pridanie jedného, ​​dvoch alebo všetkých troch nukleotidov z 3 '-CCA musí zrejme nastať -end (akceptorová vetva).

Zrenie RNA u eukaryotov je oveľa zložitejšie. Po prvé, eukaryoty majú jadro, ktoré je oddelené od cytoplazmy jadrovou membránou. V jadre dochádza k tvorbe primárnych transkriptov, ktoré sú dlhšie ako cytoplazmatická mRNA podieľajúca sa na translácii. Preto tvorbe zrelej mRNA v eukaryotoch musí predchádzať odstránenie intróny zo sekvencie transkriptu hnRNA (tento proces sa nazýva spájanie z angličtiny spájať — tkať, spájať). Po odstránení sekvencií zodpovedajúcich intrónom sa úseky, z ktorých sa prepisujú exóny. Zostrih je katalyzovaný komplexmi proteínov s RNA (snRNP), ktoré pri interakcii s hnRNA tvoria spletitý. Predpokladá sa, že zložka RNA má katalytickú aktivitu v zostrihu. Takéto RNA sa nazývajú ribozýmy. Miesto zostrihu sa určuje v zostrihoch s vysokou presnosťou, pretože chyba dokonca 1 nukleotidu môže viesť k deformácii proteínovej štruktúry. Pre presné rozpoznanie obsahujú intróny špecifické sekvencie – signály.

Okrem zostrihu prechádza mRNA v eukaryotoch modifikáciou: na 5’ konci sa syntetizuje „cap“ – štruktúra, ktorá je metylovaným guanozíntrifosfátovým zvyškom, ktorý chráni RNA pred hydrolýzou 5’ exonukleázami. Na 3' konci pro-mRNA sa syntetizuje polyadenylátová sekvencia dlhá 150-200 nukleotidov, ktorá sa nazýva „chvost“. Tieto štruktúry sa podieľajú na regulácii expresie eukaryotických génov. Spracovanie rRNA a tRNA u eukaryotov je podobné ako u prokaryotov.

Život vo forme uhlíka existuje vďaka prítomnosti proteínových molekúl. A biosyntéza proteínov v bunke je jedinou možnosťou génovej expresie. Na realizáciu tohto procesu je však potrebné spustiť množstvo procesov spojených s „rozbaľovaním“ genetickej informácie, hľadaním požadovaného génu, jeho čítaním a reprodukovaním. Termín „transkripcia“ v biológii špecificky odkazuje na proces prenosu informácií z génu do messengerovej RNA. Toto je začiatok biosyntézy, teda priamej implementácie genetickej informácie.

Ukladanie genetickej informácie

V bunkách živých organizmov je genetická informácia lokalizovaná v jadre, mitochondriách, chloroplastoch a plazmidoch. Mitochondrie a chloroplasty obsahujú malé množstvo živočíšnej a rastlinnej DNA, zatiaľ čo bakteriálne plazmidy sú úložiskom génov zodpovedných za rýchle prispôsobenie sa podmienkam prostredia.

Vo vírusových telách je dedičná informácia uložená aj vo forme polymérov RNA alebo DNA. Ale s procesom jeho realizácie je spojená aj potreba prepisu. V biológii je tento proces mimoriadne dôležitý, pretože vedie k implementácii dedičnej informácie, ktorá spúšťa biosyntézu bielkovín.

V živočíšnych bunkách je dedičná informácia reprezentovaná polymérom DNA, ktorý je kompaktne zabalený vo vnútri jadra. Preto pred syntézou proteínov alebo čítaním akéhokoľvek génu musia prejsť určité štádiá: uvoľnenie kondenzovaného chromatínu a „uvoľnenie“ požadovaného génu, jeho rozpoznanie molekulami enzýmu, transkripcia.

V biológii a biologickej chémii sa tieto štádiá už študovali. Vedú k syntéze bielkovín, primárna štruktúra ktorý bol zakódovaný v niekoľkých génoch.

Transkripčný vzor v eukaryotických bunkách

Hoci transkripcia v biológii nebola dostatočne študovaná, jej sekvencia je tradične prezentovaná vo forme diagramu. Pozostáva z iniciácie, predĺženia a ukončenia. To znamená, že celý proces je rozdelený do troch komponentov.

Iniciácia je súbor biologických a biochemických procesov, ktoré vedú k začiatku transkripcie. Podstatou predlžovania je neustály rast molekulárneho reťazca. Terminácia je súbor procesov, ktoré vedú k zastaveniu syntézy RNA. Mimochodom, v kontexte biosyntézy proteínov sa proces transkripcie v biológii zvyčajne stotožňuje so syntézou messengerovej RNA. Na jej základe sa neskôr syntetizuje polypeptidový reťazec.

Zasvätenie

Iniciácia je najmenej pochopený transkripčný mechanizmus v biológii. Čo to je z biochemického hľadiska, nie je známe. To znamená, že špecifické enzýmy zodpovedné za spustenie transkripcie nie sú vôbec rozpoznané. Neznáme sú aj intracelulárne signály a spôsoby ich prenosu, ktoré poukazujú na potrebu syntézy nového proteínu. Toto je základná úloha pre cytológiu a biochémiu.

Predĺženie

Zatiaľ nie je možné časovo oddeliť proces iniciácie a predĺženia z dôvodu nemožnosti vykonania laboratórny výskum navrhnutý tak, aby potvrdil prítomnosť špecifických enzýmov a spúšťacích faktorov. Preto je táto hranica veľmi podmienená. Podstata procesu predlžovania spočíva v predlžovaní rastúceho reťazca syntetizovaného na základe sekcie templátu DNA.

Predpokladá sa, že elongácia začína po prvej translokácii RNA polymerázy a začiatku pripojenia prvého kadónu k východiskovému miestu RNA. Počas elongácie sa kadóny čítajú v smere 3"-5" vlákna na despiralizovanom úseku DNA rozdelenom na dva vlákna. Súčasne je rastúci reťazec RNA pridaný s novými nukleotidmi komplementárnymi k oblasti templátovej DNA. V tomto prípade sa DNA „rozšíri“ na šírku 12 nukleotidov, teda 4 kadóny.

Enzým RNA polymeráza sa pohybuje pozdĺž rastúceho reťazca a „za ním“ je DNA reverzne „zosieťovaná“ do dvojvláknovej štruktúry s obnovením vodíkových väzieb medzi nukleotidmi. To čiastočne odpovedá na otázku, aký proces sa v biológii nazýva transkripcia. Práve elongácia je hlavnou fázou transkripcie, pretože v jej priebehu sa zostavuje takzvaný medzičlánok medzi génom a syntézou proteínov.

Ukončenie

Proces ukončenia transkripcie v eukaryotických bunkách nie je dostatočne známy. Doteraz vedci zredukovali jeho podstatu na zastavenie čítania DNA na 5" konci a pripojenie skupiny adenínových báz na 3" koniec RNA. Posledný proces vám umožňuje stabilizovať sa chemická štruktúra výsledná RNA. IN bakteriálne bunky Existujú dva typy ukončenia. Je to Rho-dependentný a Rho-nezávislý proces.

Prvý sa vyskytuje v prítomnosti proteínu Rho a je redukovaný na jednoduché prerušenie vodíkových väzieb medzi oblasťou templátu DNA a syntetizovanou RNA. Druhá, Rho-nezávislá, nastáva po objavení sa stonky-slučky, ak je za ňou sada uracilových báz. Táto kombinácia spôsobí, že sa RNA odpojí od templátu DNA. Je zrejmé, že ukončenie transkripcie je enzymatický proces, ale špecifické biokatalyzátory preň ešte neboli nájdené.

Vírusová transkripcia

Vírusové telá nemajú svoj vlastný systém biosyntézy proteínov, a preto sa nemôžu reprodukovať bez využitia buniek. Ale vírusy majú svoj vlastný genetický materiál, ktorý je potrebné realizovať a tiež integrovať do génov infikovaných buniek. Na to majú množstvo enzýmov (alebo využívajú bunkové enzýmové systémy), ktoré prepisujú ich nukleovú kyselinu. To znamená, že tento enzým na základe genetickej informácie vírusu syntetizuje analóg messenger RNA. Ale nie je to vôbec RNA, ale polymér DNA, komplementárny napríklad k ľudským génom.

To úplne porušuje tradičné princípy transkripcie v biológii, ako je to vidieť na príklade vírusu HIV. Jeho enzým reverzný z vírusovej RNA je schopný syntetizovať komplementárnu DNA nukleová kyselina osoba. V tomto prípade sa proces syntézy komplementárnej DNA na báze RNA nazýva reverzná transkripcia. Toto je v biológii definícia procesu zodpovedného za integráciu dedičnej informácie vírusu do ľudského genómu.

1. Iniciácia je prvým stupňom transkripcie, počas ktorého dochádza k väzbe RNA polymerázy s promótorom a vytvorením prvej internukleotidovej väzby.

V baktériách holoenzýmová RNA polymeráza priamo rozpoznáva určité sekvencie nukleotidových párov v promótore: sekvenciu 5-TATAAT-3 (umiestnenú vo vzdialenosti 10 nukleotidov od počiatočného bodu transkripcie a nazývanú Pribnow box) a sekvenciu 5-TTGACA. -3 (vzdialenosť od počiatočného bodu transkripcie 35 nukleotidov). V niektorých operónoch, napríklad v laktóze, je potrebná predbežná interakcia s promótorom ďalšieho proteínu ( SAR mení štruktúru promótora, čím sa prudko zvyšuje jeho afinita k RNA polymeráze).

Eukaryotické RNA polymerázy nie sú schopné nezávisle sa viazať na promótory transkribovaných génov. Všeobecné transkripčné faktory (TF) sa podieľajú na pripájaní RNA polymeráz na transkriptóny. Od σ faktorov prokaryotov sa líšia tým, že sa na ne môžu viazať DNA nezávislý od RNA polymerázy. Polymerázy I, II a III vyžadujú prítomnosť rôznych transkripčných faktorov, označených ako TF I, TF II a TF III, v danom poradí. Promotéri eukaryoty sú zložitejšie ako prokaryotické a pozostávajú z niekoľkých prvkov. Najbližšie k počiatočnému bodu transkripcie je doména TATA, nazývaná aj doména Hogness. Potom nasledujú domény CAAT a GC. Eukaryotické promótory môžu obsahovať rôzne kombinácie týchto prvkov, ale žiadna z nich sa nenachádza vo všetkých promótoroch. Zdá sa, že doména CAAT hrá podstatnú úlohu pri iniciácii transkripcie;

Väzbou na promótor spôsobuje RNA polymeráza lokálnu denaturáciu DNA, t. j. separáciu reťazcov DNA na približne 15 nukleotidových pároch. Vytvorí sa transkripčné „oko“. Prvý, ktorý je zahrnutý do budovaného reťazca RNA, je purínový nukleotid - ATP alebo GTP, pričom všetky tri jeho fosfátové zvyšky sú zachované. Po vytvorení prvej fosfodiesterovej väzby stráca faktor σ v baktériách spojenie s enzýmom a zostávajúce jadro-enzým sa začne pohybovať pozdĺž DNA. Po iniciácii transkripcie stráca aj eukaryotická RNA polymeráza kontakt s transkripčnými faktormi a pohybuje sa pozdĺž DNA nezávisle.

2. Predĺženie - postupné predlžovanie rastúceho reťazca RNA. RNA polymeráza, ktorá sa pohybuje pozdĺž dvojitej špirály DNA, nepretržite odvíja špirálu pred miestom, kde dochádza k syntéze RNA. Na krátky čas sa vytvorí takzvaný otvorený komplex, vo vnútri ktorého sa objaví špirála RNA-DNA dlhá asi 20 nukleotidov.
(obr. 30). Potom ho enzým (pomocou špeciálneho miesta) opäť skrúti

Ryža. 30. Transkripčné predĺženie

DNA za miestom polymerizácie. Transkript RNA je z komplexu odstránený prostredníctvom špeciálneho kanála, ktorý je charakteristický pre RNA polymerázu.

Rýchlosť syntézy RNA v baktériách je asi 30 nukleotidy za sekundu však nie je konštantná a môže sa mierne znížiť. Takéto obdobia sa nazývajú transkripčné pauzy.

Ukázalo sa, že ešte pred vytvorením hybridu RNA-DNA RNA polymeráza premieňa DNA z formy B na formu A. V ňom roviny dusíkatých báz nie sú kolmé na os skrutkovice, ale sú sklonené o 20 0 ku kolmici. To pravdepodobne uľahčuje separáciu dvoch susedných dusíkatých báz vo vlákne DNA. Parametre špirály RNA-DNA sú tiež takmer úplne totožné s charakteristikami A-formy DNA.

3. Ukončenie (koniec transkripcie) je určené špeciálnou nukleotidovou sekvenciou DNA umiestnenou v zóne terminátora operónu.

V bakteriálnych operónoch existujú dva typy terminátorov:

- ρ (rho)- nezávislé terminátory (typ I);

- ρ - závislé terminátory (typ II).

Ryža. 31. ρ- nezávislé ukončenie transkripcie v baktériách

ρ-nezávislé terminátory pozostávajú zo sekvencií, ktoré predstavujú invertovanú repetíciu – palindróm (obr. 31), a nachádzajú sa 16-20 nukleotidových párov od koncového bodu. Palindrómy(sekvencie, ktoré sa čítajú rovnako zľava doprava a sprava doľava) ρ- nezávislé terminátory obsahujú veľký počet G-C opakovaní. Za touto časťou templátového reťazca je oligo (A) sekvencia (4-8 adenylnukleotidov v rade). Transkripcia v palindromickej oblasti vedie k tomu, že vo výslednom transkripte RNA sa rýchlo vytvorí stabilný prvok sekundárnej štruktúry - vlásenka - špirálovitá oblasť obsahujúca komplementárne

G-C páry. „Vlásenka“ narúša silu väzby DNA-RNA v otvorenom komplexe. Okrem toho transkripcia oligo(A) sekvencie v templátovom vlákne vedie k vytvoreniu hybridnej oblasti DNA-RNA zloženej z krehkých A-U páry, čo tiež prispieva k deštrukcii kontaktu medzi DNA a RNA.

ρ-závislé terminátory. Jedným z transkripčných faktorov prokaryotov je proteín ρ . ρ -faktor je proteín s kvartérnou štruktúrou, ktorý má aktivitu ATPázy. Je schopný viazať sa na 5-koniec syntetizovanej RNA s dĺžkou približne 50 nukleotidov. ρ -faktor sa pohybuje pozdĺž RNA rovnakou rýchlosťou ako sa RNA polymeráza pohybuje pozdĺž DNA. Vzhľadom na to, že v terminátore je veľa párov G-C (s tromi vodíkové väzby), RNA polymeráza sa spomaľuje v oblasti terminátora, ρ -faktor ho dobehne, zmení konformáciu enzýmu a syntéza RNA sa zastaví (obr. 32).

Na oboch typoch terminátorov sa vyskytujú tri kľúčové udalosti:

syntéza RNA sa zastaví;

Reťazec RNA je zbavený DNA;

Z DNA sa uvoľňuje RNA polymeráza.

Najprv stanovte postupnosť krokov v biosyntéze proteínov, počnúc transkripciou. Celú sekvenciu procesov, ktoré sa vyskytujú počas syntézy proteínových molekúl, možno kombinovať do 2 etáp:

1. Prepis.

2. Vysielanie.

Štrukturálnymi jednotkami dedičnej informácie sú gény – úseky molekuly DNA, ktoré kódujú syntézu konkrétneho proteínu. Autor: chemická organizácia materiál dedičnosti a variability pro- a eukaryotov sa zásadne nelíši. Genetický materiál v nich je prezentovaný v molekule DNA princíp zaznamenávania dedičnej informácie a genetický kód. Rovnaké aminokyseliny v pro- a eukaryotoch sú zakódované rovnakými kodónmi.

Genóm moderných prokaryotických buniek sa vyznačuje relatívne malou veľkosťou DNA E. coli má tvar prstenca, dlhého asi 1 mm. Obsahuje 4 x 106 nukleotidových párov, ktoré tvoria asi 4000 génov. V roku 1961 F. Jacob a J. Monod objavili cistronickú alebo nepretržitú organizáciu prokaryotických génov, ktoré pozostávajú výlučne z kódujúcich nukleotidových sekvencií a sú úplne realizované počas syntézy proteínov. Dedičný materiál molekuly DNA prokaryotov sa nachádza priamo v cytoplazme bunky, kde sa nachádza aj tRNA a enzýmy potrebné na génovú expresiu Expresia je funkčná aktivita génov, čiže expresia génov. Preto mRNA syntetizovaná z DNA môže okamžite vykonávať funkciu templátu v procese translácie syntézy proteínov.

Eukaryotický genóm obsahuje podstatne viac dedičného materiálu. U ľudí je celková dĺžka DNA v diploidnej sade chromozómov asi 174 cm Obsahuje 3 x 10 9 párov nukleotidov a zahŕňa až 100 000 génov. V roku 1977 bola objavená diskontinuita v štruktúre väčšiny eukaryotických génov, nazývaná „mozaikový“ gén. Vyznačuje sa kódovaním nukleotidových sekvencií exonický A intronic pozemky. Na syntézu proteínov sa používajú iba informácie z exónov. Počet intrónov sa v rôznych génoch líši. Zistilo sa, že gén kuracieho ovalbumínu obsahuje 7 intrónov a gén cicavčieho prokolagénu obsahuje 50. Funkcie tichých intrónov DNA neboli úplne objasnené. Predpokladá sa, že poskytujú: 1) štruktúrnu organizáciu chromatínu; 2) niektoré z nich sa zjavne podieľajú na regulácii génovej expresie; 3) intróny možno považovať za sklad informácií pre variabilitu; 4) môžu hrať ochrannú úlohu, pričom preberajú pôsobenie mutagénov.

Prepis

Proces prepisovania informácií v bunkovom jadre z časti molekuly DNA na molekulu mRNA (mRNA) sa nazýva tzv. prepis(lat. Transscriptio – prepisovanie). Syntetizuje sa primárny génový produkt, mRNA. Toto je prvá fáza syntézy bielkovín. Na zodpovedajúcom mieste DNA rozpozná enzým RNA polymeráza znak začiatku transkripcie - promótor. Východiskovým bodom je prvý nukleotid DNA, ktorý je enzýmom začlenený do transkriptu RNA. Kódujúce oblasti spravidla začínajú kodónom AUG, niekedy sa v baktériách používa GUG; Keď sa RNA polymeráza naviaže na promótor, dôjde k lokálnemu odvinutiu dvojitej špirály DNA a jedno z vlákien sa skopíruje podľa princípu komplementarity. mRNA je syntetizovaná, rýchlosť jej zostavovania dosahuje 50 nukleotidov za sekundu. Keď sa RNA polymeráza pohybuje, reťazec mRNA rastie a keď enzým dosiahne koniec kopírovacej oblasti - terminátor mRNA sa vzdiali od templátu. Dvojzávitnica DNA za enzýmom sa obnoví.

Transkripcia prokaryotov prebieha v cytoplazme. Vzhľadom na skutočnosť, že DNA pozostáva výlučne z kódujúcich nukleotidových sekvencií, syntetizovaná mRNA okamžite pôsobí ako templát pre transláciu (pozri vyššie).

Transkripcia mRNA v eukaryotoch prebieha v jadre. Začína sa syntézou veľkých molekúl – prekurzorov (pro-mRNA), nazývaných nezrelá alebo jadrová RNA Primárny produkt génu – pro-mRNA je presnou kópiou prepisovaného úseku DNA, zahŕňa exóny a intróny. Proces tvorby zrelých molekúl RNA z prekurzorov je tzv spracovanie. Dozrievanie mRNA prebieha o spájanie- tieto sú štiepené enzýmami reštrikčný enzým intróny a spojenie oblastí s transkribovanými exónovými sekvenciami pomocou ligázových enzýmov. (Obr.) Zrelá mRNA je oveľa kratšia ako prekurzorové molekuly pro-mRNA. Intróny tvoria asi 80 % všetkej nezrelej mRNA.

Teraz sa ukázalo, že je to možné alternatívne spájanie, v ktorej môžu byť nukleotidové sekvencie odstránené z jedného primárneho transkriptu v jeho rôznych častiach a vznikne niekoľko zrelých mRNA. Tento typ zostrih je typický pre imunoglobulínový génový systém u cicavcov, ktorý umožňuje vytvárať mRNA na základe jediného transkriptu rôzne typy protilátky.

Po dokončení spracovania sa zrelá mRNA vyberie pred výstupom z jadra. Zistilo sa, že iba 5 % zrelej mRNA vstupuje do cytoplazmy a zvyšok sa štiepi v jadre.

Vysielanie

Translácia (lat. Translatio - transfer, transfer) je preklad informácie obsiahnutej v nukleotidovej sekvencii molekuly mRNA do aminokyselinovej sekvencie polypeptidového reťazca (obr. 10). Toto je druhá fáza syntézy bielkovín. Prenos zrelej mRNA cez póry jadrového obalu je produkovaný špeciálnymi proteínmi, ktoré tvoria komplex s molekulou RNA. Okrem transportu mRNA tieto proteíny chránia mRNA pred škodlivými účinkami cytoplazmatických enzýmov. V procese translácie hrá tRNA ústrednú úlohu, zabezpečujú presnú zhodu aminokyseliny s kódom tripletu mRNA. Proces translácie a dekódovania prebieha v ribozómoch a prebieha v smere 5 až 3. Komplex mRNA a ribozómov sa nazýva polyzóm.

Počas translácie možno rozlíšiť tri fázy: iniciáciu, predĺženie a ukončenie.

Zasvätenie.

V tomto štádiu je zostavený celý komplex zapojený do syntézy proteínovej molekuly. V určitom úseku mRNA sú spojené dve ribozomálne podjednotky, na ktorú je pripojená prvá aminoacyl-tRNA, čím sa nastavuje informačný čítací rámec. V každej molekule m-RNA je oblasť, ktorá je komplementárna k r-RNA malej ribozomálnej podjednotky a je ňou špecificky riadená. Vedľa je iniciačný štart kodón AUG, ktorý kóduje aminokyselinu metionín. Iniciačná fáza končí vytvorením komplexu: ribozóm, -mRNA- iniciačná aminoacyl-tRNA.

Predĺženie

— zahŕňa všetky reakcie od okamihu vytvorenia prvej peptidovej väzby až po pridanie poslednej aminokyseliny. Ribozóm má dve miesta na väzbu dvoch molekúl tRNA. V jednej oblasti, v peptidyle (P), je prvá t-RNA s aminokyselinou metionínom a s ňou začína syntéza akejkoľvek molekuly proteínu. Druhá molekula tRNA vstupuje do druhej časti ribozómu, aminoacylovej časti (A), a pripája sa k jej kodónu. Medzi metionínom a druhou aminokyselinou vzniká peptidová väzba. Druhá tRNA sa pohybuje spolu so svojím mRNA kodónom do peptidylového centra. Pohyb t-RNA s polypeptidovým reťazcom z aminoacylového centra do peptidylového centra je sprevádzaný posunom ribozómu pozdĺž m-RNA o krok zodpovedajúci jednému kodónu. T-RNA, ktorá dodávala metionín, sa vracia do cytoplazmy a uvoľní sa amnoacylové centrum. Prijíma novú t-RNA s aminokyselinou zašifrovanou nasledujúcim kodónom. Medzi treťou a druhou aminokyselinou vzniká peptidová väzba a tretia t-RNA sa spolu s kodónom m-RNA presúva do peptidylového centra Proces predlžovania, predlžovania proteínového reťazca. Pokračuje, kým jeden z troch kodónov, ktoré nekódujú aminokyseliny, nevstúpi do ribozómu. Toto je terminátorový kodón a neexistuje preň zodpovedajúca tRNA, takže žiadna z tRNA nemôže zaujať miesto v aminoacylovom centre.

Ukončenie

– dokončenie syntézy polypeptidov. Je spojená s rozpoznaním jedného z terminačných kodónov (UAA, UAG, UGA) špecifickým ribozomálnym proteínom, keď vstúpi do aminoacylového centra. Na ribozóm je pripojený špeciálny terminačný faktor, ktorý podporuje oddelenie ribozomálnych podjednotiek a uvoľnenie syntetizovanej proteínovej molekuly. K poslednej aminokyseline peptidu sa pridá voda a jej karboxylový koniec sa oddelí od tRNA.

Zostavenie peptidového reťazca prebieha vysokou rýchlosťou. V baktériách sa pri teplote 37 °C prejavuje pridaním 12 až 17 aminokyselín za sekundu k polypeptidu. V eukaryotických bunkách sa každú sekundu pridajú k polypeptidu dve aminokyseliny.

Syntetizované polypeptidový reťazec potom vstupuje do Golgiho komplexu, kde je dokončená konštrukcia molekuly proteínu (druhá, tretia a štvrtá štruktúra sa objavujú postupne). Tu sa molekuly bielkovín spájajú s tukmi a sacharidmi.

Celý proces biosyntézy proteínov je prezentovaný vo forme diagramu: DNA ® pre mRNA ® mRNA ® polypeptidový reťazec ® proteín ® komplexácia proteínov a ich transformácia na funkčne aktívne molekuly.

Etapy implementácie dedičnej informácie tiež prebiehajú podobným spôsobom: najprv sa prepíše do nukleotidovej sekvencie mRNA a potom sa preloží do aminokyselinovej sekvencie polypeptidu na ribozómoch za účasti tRNA.

Transkripcia v eukaryotoch sa uskutočňuje pôsobením troch jadrových RNA polymeráz. RNA polymeráza 1 sa nachádza v jadierku a je zodpovedná za transkripciu génov rRNA. RNA polymeráza 2 sa nachádza v jadrovej šťave a je zodpovedná za syntézu prekurzorovej mRNA. RNA polymeráza 3 je malá frakcia v jadrovej šťave, ktorá syntetizuje malé rRNA a tRNA. RNA polymerázy špecificky rozpoznávajú nukleotidovú sekvenciu promótora transkripcie. Eukaryotická mRNA sa najskôr syntetizuje ako prekurzor (pro-mRNA) a prenášajú sa do nej informácie z exónov a intrónov. Syntetizovaná mRNA je väčšia ako je potrebné na transláciu a je menej stabilná.

Počas dozrievania molekuly mRNA sú intróny vyrezané pomocou reštrikčných enzýmov a exóny sú spojené pomocou ligázových enzýmov. Zrenie mRNA sa nazýva spracovanie a spájanie exónov sa nazýva zostrih. Zrelá mRNA teda obsahuje iba exóny a je oveľa kratšia ako jej predchodkyňa pro-mRNA. Veľkosti intrónov sa pohybujú od 100 do 10 000 nukleotidov alebo viac. Intony tvoria asi 80 % všetkej nezrelej mRNA. Teraz bola dokázaná možnosť alternatívneho zostrihu, pri ktorom môžu byť z jedného primárneho transkriptu odstránené nukleotidové sekvencie v rôznych jeho častiach a vznikne niekoľko zrelých mRNA. Tento typ zostrihu je typický pre imunoglobulínový génový systém u cicavcov, ktorý umožňuje vytvárať rôzne typy protilátok na základe jedného transkriptu mRNA. Po dokončení spracovania sa zrelá mRNA vyberie pred uvoľnením do cytoplazmy z jadra. Zistilo sa, že len 5 % zrelej mRNA vstupuje a zvyšok sa štiepi v jadre. Transformácia primárnych transkriptónov eukaryotických génov spojená s ich organizáciou exón-intrón a v spojení s prechodom zrelej mRNA z jadra do cytoplazmy určuje vlastnosti implementácie genetickej informácie eukaryotov. Preto eukaryotický mozaikový gén nie je cistrónovým génom, pretože nie celá sekvencia DNA sa používa na syntézu proteínov.

Predtým, ako sa proteíny začnú syntetizovať, musia byť informácie o ich štruktúre „extrahované“ z DNA a doručené na miesto syntézy proteínov. To sa deje prostredníctvom messenger alebo messenger RNA. Zároveň bunka potrebuje transportéry aminokyselín - transferové RNA A konštrukčné komponenty organely, ktoré syntetizujú proteíny ribozomálna RNA. Všetky informácie o štruktúre transportných a ribozomálnych RNA sa nachádzajú aj v DNA.

Preto existuje proces prepisovania alebo prepisu údajov z DNA do RNA. prepis– prepisovanie) – biosyntéza RNA na templáte DNA.

Ako pri každej biosyntéze matrice, pri transkripcii sa rozlišuje 5 potrebných prvkov:

• matrica - jeden z reťazcov DNA,
• rastúci reťazec - RNA,
• substrát pre syntézu - ribonukleotidy (UTP, GTP, CTP, ATP),
• zdroj energie – UTP, GTP, CTP, ATP.
• RNA polymerázové enzýmy a proteínové transkripčné faktory.

Biosyntéza RNA prebieha v časti DNA nazývanej transkriptón, ktorá je na jednom konci obmedzená promótor(začiatok), od druhého - terminátor(koniec).

Eukaryotické RNA polymerázy majú dve veľké podjednotky a niekoľko malých podjednotiek.

Etapy transkripcie

Existujú tri stupne transkripcie: iniciácia, predĺženie a ukončenie.

Zasvätenie

Promótor obsahuje signál začiatku transkripcie – TATA box. Toto je názov určitej sekvencie nukleotidov DNA, ktorá viaže prvý iniciačný faktor faktor TATA. Tento faktor TATA zabezpečuje pripojenie RNA polymerázy k vláknu DNA, ktoré sa použije ako templát na transkripciu (vlákno templátovej DNA). Keďže promótor je asymetrický ("TATA"), viaže RNA polymerázu iba v jednej orientácii, ktorá určuje smer transkripcie od 5" konca po 3" koniec (5" → 3"). Na naviazanie RNA polymerázy na promótor je potrebný ďalší iniciačný faktor - faktor σ (grécky σ - „sigma“), ale ihneď po syntéze fragmentu semena RNA (dĺžka 8-10 ribonukleotidov) sa faktor σ oddelí od enzým.

Ďalšie iniciačné faktory odvíjajú špirálu DNA pred RNA polymerázou.

Schéma procesu prepisu

Predĺženie

Proteínové elongačné faktory zaisťujú postup RNA polymerázy pozdĺž DNA a odvíjajú molekulu DNA cez približne 17 nukleotidových párov. RNA polymeráza sa pohybuje rýchlosťou 40-50 nukleotidov za sekundu v smere 5"→3". Enzým využíva ATP, GTP, CTP, UTP súčasne ako substrát a ako zdroj energie.