Визначення біології 1 розмноження 2 транскрипція. Що таке транскрипція у біології? Це етап синтезу білка

З поняттям транскрипції ми зустрічаємося, вивчаючи іноземна мова. Вона допомагає нам правильно переписувати та вимовляти невідомі слова. Що розуміють під цим терміном у природознавстві? Транскрипція в біології – це ключовий процес у системі реакцій біосинтезу білка. Саме він дозволяє клітині забезпечувати себе пептидами, які виконуватимуть у ній будівельну, захисну, сигнальну, транспортну та інші функції. Тільки переписування інформації з локусу ДНК на молекулу інформаційної рибонуклеїнової кислоти запускає білоксинтезуючий апарат клітини, що забезпечує біохімічні реакціїтрансляції.

У цій статті ми розглянемо етапи транскрипції та синтезу білка, що протікають у різних організмів, і навіть визначимо значення цих процесів у молекулярної біології. Крім цього ми дамо визначення, що таке транскрипція. У біології знання з цікавих для нас процесів можна отримати з таких її розділів, як цитологія, молекулярна біологія, біохімія.

Особливості реакцій матричного синтезу

Для тих, хто знайомий з основними типами хімічних реакцій, що вивчаються в курсі загальної хімії, процеси матричного синтезувиявляться абсолютно новими. Причина тут така: такі реакції, що протікають у живих організмах, забезпечують копіювання материнських молекул із використанням спеціального коду. Його відкрили не відразу, краще сказати, що сама ідея існування двох різних мов для зберігання спадкової інформації пробивала собі шлях протягом двох століть: з кінця 19 і до середини 20. Щоб краще уявити, що таке транскрипція і трансляція в біології і чому вони відносяться до реакцій матричного синтезу, звернемося для аналогії до технічної лексики.

Все як у друкарні

Уявіть, що нам потрібно надрукувати, наприклад, сто тисяч екземплярів найпопулярнішої газети. Весь матеріал, який увійде до неї, збирають на материнський носій. Цей перший зразок називається матрицею. Потім на друкарських верстатах його тиражують – знімають копії. Аналогічні процеси протікають і живої клітині, лише матрицями у ній по черзі служать молекули ДНК і и-РНК, а копіями - інформаційна РНК і молекули білків. Давайте розглянемо їх докладніше і з'ясуємо, що транскрипцією в біології називається реакція матричного синтезу, що протікає у клітинному ядрі.

Генетичний код - ключ до таємниці біосинтезу білка

У сучасній молекулярній біології вже ніхто не сперечається про те, яка речовина є носієм спадкових властивостейі зберігає дані про всі без винятку білки організму. Звичайно ж, це дезоксирибо нуклеїнова кислота. Однак вона побудована з нуклеотидів, а білки, інформація про склад яких у ній зберігається, представлені молекулами амінокислот, які не мають жодної хімічної спорідненості з мономерами ДНК. Іншими словами, ми маємо справу з двома різними мовами. В одному з них слова – це нуклеотиди, в іншому – амінокислоти. Що ж виступить у ролі перекладача, який перекодує інформацію, отриману в результаті транскрипції? Молекулярна біологія вважає, що роль виконує генетичний код.

Унікальні властивості клітинного коду

Ось що є кодом, таблиця якого представлена ​​нижче. Над його створенням працювали цитологи, генетики, біохіміки. Крім того, у розробці коду використовували знання криптографії. З огляду на його правила можна встановити первинну структуру синтезованого білка, адже трансляція в біології - це процес перекладу інформації про структуру пептиду з мови нуклеотидів і-РНК на мову амінокислот білкової молекули.

Ідея кодування в живих організмах вперше була озвучена Г. А. Гамовим. Подальші наукові розробкипризвели до формулювання основних його правил. Спочатку встановили, що будова 20 амінокислот зашифрована в 61 триплет інформаційної РНК, що призвело до поняття виродженості коду. Далі з'ясували склад нонснес-кодонів, що виконують роль старту та зупинення процесу біосинтезу білка. Потім з'явилися положення про його колінеарність та універсальність, які завершили струнку теорію. генетичного коду.

Де відбувається транскрипція та трансляція?

У біології кілька її розділів, що вивчають будову та біохімічні процесиу клітині (цитологія та молекулярна біологія), визначили локалізацію реакцій матричного синтезу. Так, транскрипція відбувається у ядрі з участю ферменту РНК-полімерази. У його каріоплазмі із вільних нуклеотидів за принципом комплементарності синтезується молекула і-РНК, яка списує інформацію про будову пептиду з одного структурного гена.

Потім вона через пори в ядерної оболонкивиходить із клітинного ядра і виявляється у цитоплазмі клітини. Тут і-РНК має з'єднатися з кількома рибосомами, щоб сформувати полісому - структуру, готову зустріти молекули транспортних рибонуклеїнових кислот. Їхнє завдання – принести амінокислоти до місця ще однієї реакції матричного синтезу – трансляції. Розглянемо механізми обох реакцій докладно.

Особливості утворення молекул і-РНК

Транскрипція в біології - це переписування інформації про будову пептиду зі структурного гена ДНК на молекулу рибонуклеїнової кислоти, яка називається інформаційною. Як ми вже говорили раніше, вона відбувається у ядрі клітини. Спочатку фермент ДНК-рестриктазу розриває водневі зв'язки, що з'єднують ланцюги дезоксирибонуклеїнової кислоти, та її спіраль розплітається. До вільних полінуклеотидних ділянок приєднується фермент РНК-полімераза. Він активує складання копії – молекули і-РНК, яка крім інформативних ділянок – екзонів – містить ще й порожні послідовності нуклеотидів – інтрони. Вони є баластом і вимагають видалення. Цей процес у молекулярній біології називають процесингом чи дозріванням. На ньому завершується транскрипція. Біологія коротко пояснює це так: тільки втративши непотрібні мономери, нуклеїнова кислота зможе залишити ядро ​​і буде готовою до подальших етапів біосинтезу білка.

Зворотня транскрипція у вірусів

Неклітинні форми життя разюче відрізняються від прокаріотичних і еукаріотичних клітинне тільки своїм зовнішнім і внутрішньою будовою, а й реакціями матричного синтезу У сімдесятих роках минулого століття наука довела існування ретровірусів – організмів, геном яких складається із двох ланцюгів РНК. Під дією ферменту – ревертази – такі вірусні частинки копіюють з ділянок рибонуклеїнової кислоти молекули ДНК, які потім впроваджуються в каріотип клітини-господаря. Як бачимо, списування спадкової інформації в цьому випадку йде в зворотному напрямку: від РНК до ДНК Така форма кодування та зчитування характерна, наприклад, для патогенних агентів, що викликають різні видионкологічних захворювань.

Рибосоми та їх роль у клітинному метаболізмі

Реакції пластичного обміну, яких відноситься і біосинтез пептидів, протікають у цитоплазмі клітини. Щоб отримати готову молекулу протеїну, недостатньо скопіювати послідовність нуклеотидів зі структурного гена та перенести її до цитоплазми. Необхідні також структури, які займуться зчитуванням інформації та забезпечать з'єднання амінокислот у єдиний ланцюг за допомогою пептидних зв'язків. Це рибосоми, будовою та функціям яких велика увагаприділяє молекулярну біологію. Де відбувається транскрипція, ми вже з'ясували – це каріоплазма ядра. Місце процесів трансляції – клітинна цитоплазма. Саме в ній розташовані канали ендоплазматичної мережі, на якій групами сидять білоксинтезуючі органели – рибосоми. Проте і їх наявність ще забезпечує початок пластичних реакцій. Потрібні структури, які доставлять до полісоми молекули-мономери білків – амінокислоти. Їх називають транспортними рибонуклеїновими кислотами. Що вони являють собою і яка їхня роль у трансляції?

Переносники амінокислот

Невеликі молекули транспортних РНКу своїй просторовій конфігурації мають ділянку, що складається з послідовності нуклеотидів – антикодон. Для здійснення трансляційних процесів потрібно, щоби виник ініціативний комплекс. Він повинен включати триплет матриці, рибосоми та комплементарну ділянку транспортної молекули. Як тільки такий комплекс організувався – це сигнал до початку збирання білкового полімеру. Як трансляція, і транскрипція в біології - це процеси асиміляції, які відбуваються з поглинанням енергії. Для їх здійснення клітина готується заздалегідь, акумулюючи велика кількістьмолекул аденозинтрифосфорної кислоти

Синтез цієї енергетичної речовини відбувається в мітохондріях - найважливіших органел всіх без винятку еукаріотичних клітин. Він передує початку реакцій матричного синтезу, займаючи місце у пресинтетичній стадії життєвого циклу клітини та після реакцій реплікації. Розщеплення молекул АТФсупроводжує транскрипційні процеси та реакції трансляції, що вивільнилася при цьому енергія використовується клітиною на всіх етапах біосинтезу органічних речовин.

Стадії трансляції

На початку реакцій, що призводять до утворення поліпептиду, 20 видів білка мономерів зв'язуються з певними молекулами транспортних кислот. Паралельно в клітині відбувається утворення полісоми: рибосоми приєднуються до матриці в місці розташування старт-кодону. Запуск біосинтезу починається, і рибосоми пересуваються триплетам і-РНК. До них підходять молекули, що транспортують амінокислоти. Якщо кодон в полісомі комплементарний антикодону транспортних кислот, то амінокислота залишається в рибосомі, і поліпептидна зв'язок, що утворюється, з'єднує її з вже перебувають там амінокислотами. Як тільки білоксинтезуюча органела доходить до стоп-триплету (зазвичай це УАГ, УАА чи УГА), трансляція припиняється. У результаті рибосома разом із білковою частинкою відокремлюється від и-РНК.

Як пептид набуває своєї нативної форми

Останнім етапом трансляції є процес переходу первинної структури білка в третинну форму, що має вигляд глобули. Ферменти видаляють у ній непотрібні амінокислотні залишки, приєднують моносахариди або ліпідні, а також додатково синтезують карбоксильні та фосфатні групи. Все це відбувається в порожнинах ендоплазматичного ретикулуму, куди пептид надходить після завершення біосинтезу Далі нативна білкова молекула перетворюється на канали. Вони пронизують цитоплазму і сприяють тому, щоб пептид потрапив у певну ділянкуцитоплазми і далі використовувався для потреб клітини.

У цій статті ми з'ясували, що трансляція та транскрипція в біології – це основні реакції матричного синтезу, що лежать в основі збереження та передачі спадкових задатків організму.

Згідно з принципом послідовності, інформація переноситься від ДНК до РНК та білків: ДНК -> РНК -> білок. У зв'язку з цим звернемося до змісту транскрипції (від лат. transcriptio -переписування), поряд з реплікацією ДНК, що є найважливішим генно-молекулярним механізмом. Транскрипція багато в чому схожа на реплікацію, але, зрозуміло, має і численні особливості. Один із них у тому, що з з'ясуванні змісту транскрипції обов'язково потрібно враховувати будову генів. Справа в тому, що у реплікації відтворюються всі структурні одиницігенів, чого нема при транскрипції.

Традиційно ген визначається як одиниця спадкової інформації, що детермінує виконання організмом певної функції. Ген складається з регуляторної та кодуючої частини. Транскрибується тільки кодуюча частина, що складається з екзонів та нітронів. Така транскрипція й у незрілої РНК. Вона знаходить своє продовження в остаточній стадії транскрипції, при якій з незрілої РНК виключаються всі інтрони, а екзони, що залишилися, об'єднуються. У місці промотора з регуляторною частиною гена зв'язується РНК-полімераза, яка в результаті ініціює початок транскрипції на одному з двох ланцюгів ДНК. На рис. 6.8 представлена ​​схема пристрою гена еукаріотів, а також зрілої та незрілої РНК.

Деякі з використаних вище термінів, очевидно, потребують характеристики.

Рис. 6.8.

Промотор (від фраїць. promoteur- засновник, ініціатор) – це послідовність нуклеотидів ДНК, яка дозволяє регулювати експресію генів. Він знаходиться близько 5"-гену і, отже, безпосередньо перед тією частиною гена, яка кодує РНК. Істотною ознакою промотора є його специфічна взаємодія з ДНК залежними білками, які за допомогою РНК-полімерази визначають початок транскрипції. Такі білки називаються факторами транскрипції.

Поряд з промотором до регуляторної частини гена відносяться послідовності нуклеотидів, які також істотно впливають на експресію генів. Енхансери (англ. enhancer -підсилювач, збільшувач) її підсилюють, а сайленсери (від англ. silencer- глушник) пригнічують, але з власними силами, лише у разі на них чинників транскрипції. Просторове становищеенхансерів і сайленсерів не є чітко визначеним, вони можуть перебувати на меншому або більшій відстанівід промотору.

Екзон (англ, expressed region- область виразу) - ділянка гена, що кодує зрілу РНК та білки. Екзони є первинними генетичними одиницями, від яких вирішальним чином залежить вигляд всього біологічного світу. Саме їхня перекомбінація призводить до утворення нових генів і білків. Лише 1,5% генного складу ДНК визначає синтез білків. Інша частина цього складу або взагалі не транскрибується, або визначає будову таких різновидів РНК, наприклад транспортних РНК, які не мають функції синтезу білків.

Інтрон (від англ. intervening regions- проміжні області) - ділянка гена, яка не містить інформації про зрілі РНК та білки. Біологічні функціїінтронів вивчено значно гірше, ніж функції екзонів. Великі суперечки викликає також питання про їх походження: чи вони виникли разом з прокаріотами, чи разом з еукариготами або навіть пізніше їх. В одному гені людини в середньому міститься 8,8 екзону та 7,8 інгрону, але інгрони в середньому приблизно в 25 разів довші за екзони.

Після сказаного неважко уявити у собі в основних рисах весь процес транскрипції (рис. 6.9).

Рис. 6.9.

Етап ініціації. Під впливом ферментів, зокрема енхансерів, приєднавшись до промотору, РНК-полімераза розриває азотисті основи (зазначені на рис. 6.9 вертикальними) короткими лініями) і вибирає ту гілку ДНК, яка стає матрицею транскрипції (на рис. 6.9 це нижня лінія). Вона також створює вічко транскрипції (на рис. 6.9. це трикутна кришечка). При цьому для етапу елонгації оголюється 10-20 пар неклеотидів. Цікаво, що у разі транскрипції немає потреби у формуванні праймера, характерного для процесу реплікації ДНК. Транскрипція коштує без праймера.

Етап елонгації. Під дією РНК-полімерази в області транскрипційного вічка формується РНК. На відміну від ДНК-полімерази РНК-полімераза не здатна коригувати правильність синтезу РНК-ланцюга та виправляти допущені помилки. Якщо у процесі синтезу виникають труднощі, то рух РНК-полімерази припиняється. В результаті ймовірність помилкового збирання РНК знижується. Транскрипція не припиняється, вічко віддаляється від промотера. У тих областях, які минуло око, відновлюється дуплексна структура ДНК. Ланцюг РНК, що синтезується, поступово подовжується. Вона зростає у напрямку 5"-3".

Етап термінації. Він настає чинності на РНК-полимеразу допоміжних чинників. Як тільки область транскрипції досягається екзонуклеазами, транскрипція припиняється, а РНК-полімераза та РНК відокремлюються один від одного. ДНК повністю відновлює свою дуплексну структуру.

Інформація про всі різновиди РНК міститься в ДНК. Втім, не всі вони транскрибуються безпосередньо на матричній ДНК.

Деякі РНК є модифікаціями раніше транскрибованих РНК. Для нас, які знайомляться з основами молекулярної генетики, найбільший інтереспредставляють РНК, що беруть участь безпосередньо в синтезі білків. Їх лише 5 типів (табл. 6.4).

Таблиця 6.4

РНК, що беруть участь у синтезі білків

* Інформаційна РНК - те саме, що матрична РНК; **SPR - скор. англ. signal recognition particle- Частки, що розпізнають сигнали.

Транскрипція всіх РНК відбувається йод дією певних РНК-полімераз або їх поєднань. У табл. 6.5 наведено основні три типи РНК-полімераз.

Таблиця 6.5

Типи РНК-полімераз

' Малі (короткі) РГК відрізняються від довгих РНК. Мікро РНК є різновидом малих РНК, які становлять 98% всього рибонуклеотидного матеріалу.

На закінчення параграфа зазначимо, що поряд із прямою транскрипцією можлива і зворотна. Здатність транскрибувати РНК в ДНК мають ретровіруси, зокрема ВІЛ, відповідальний за СНІД. Ретровірус вбудовується у клітину. Спеціальний фермент зворотна транскриптаза здійснює транскрипцію РНК - ДНК. Потім на отриманому ланцюзі ДНК як на матриці добудовується другий ланцюг ДНК. Після чого реалізується цикл ДНК -> РНК - білки. Деякі еукаріоти містять фермент теломеразу, що також ініціює зворотну транскрипцію. Феномен зворотної транскрипції повинен враховуватись при формулюванні принципу послідовності. Він не повинен інтерпретуватися як заперечення зворотної транскрипції.

• Ген складається з регуляторної та кодуючої частини.
• Кодуюча частина гена включає екзони та нітрони.
• Інтрони не транскрибуються до зрілої РНК.
• Транскрипція включає етапи ініціації, елонгації та термінації.
• Існують різні типита види як PIIK, так і РІК-полімераз транскрипції.
• Синтез будь-якої РНК здійснює або одна, або кілька полімераз, причому нс без участі білкових ферментів.

• SakharkarM. К., Chow V. Т., Kangueane Р. Distributions of Exons and Introns в HumanGenome //In Silicio Biology. 2004. Vol. 4. No. 4. P. 387-393.

Експресія всіх генів починається з транскрипції їхньої нуклеотидної послідовності. Транскрипція - це процес перекладу інформації, записаної мовою послідовності дезоксирибонуклеотидів у смисловому ланцюзі ДНК на мову послідовності рибонуклеотидів у мРНК. При цьому певна ділянка одного з двох ланцюгів ДНК (антисмислової) використовується як матриця для синтезу РНК шляхом комплементарного спарювання основ.

Ферментами, що каталізують процес транскрипції, є ДНК-залежні РНК-полімерази. Причому у прокаріотів, наприклад, у клітинах кишкової паличкивиявлено лише один тип цього ферменту, який синтезує усі три типи РНК (мРНК, тРНК, рРНК). На відміну від них еукаріоти мають три різні ДНК-залежні РНК-полімерази, кожна з яких відповідальна за транскрипцію генів, що кодують різні типиклітинних РНК. Найкращим чиномпроцес транскрипції, а також його ферментативне оснащення вивчені у прокаріотів. Бактеріальні РНК-полімерази – це складні білкискладаються з декількох різних субодиниць. Найбільш вивчений фермент - холоферментРНК-полімераза E. coli, який містить п'ять різних поліпептидних субодиниць: дві a-ланцюга, одну b-і одну b'-ланцюга, s-і w-ланцюга. Альтернативна форма ферменту коромабо мініферментом, позбавлена ​​s-субодиниці. Кор-фермент каталізує більшість реакцій транскрипції ДНК в РНК, проте не може ініціювати синтез РНК потрібному місці, оскільки не здатний дізнаватися промоторні сайти Точне зв'язування та ініціація в промоторах відбуваються тільки після додавання до кор-ферменту sd-субодиниці та утворення холоферменту.

Як і інші матричні процеси, транскрипція включає 3 стадії: ініціацію, елонгацію та термінацію.

Ініціація транскрипції. Для цього процесу необхідні: холофермент, спеціальна послідовність нуклеотидів у ДНК (промотор) та набір нуклеозидтрифосфатів. Транскрипція ініціюється при утворенні стабільного комплексу між холоферментом і специфічною послідовністю, званої промотором і розташованої на початку всіх транскрипційних одиниць. Промотор - це ділянка молекули ДНК, що складається приблизно з 40 пар нуклеотидів і розташована безпосередньо перед ділянкою ініціації транскрипції. У ньому розрізняють дві важливі та досить консервативні за складом послідовності. Одна з них складається з шести або семи нуклеотидів (частіше ТАТААТ) і розташована на відстані приблизно 10 нуклеотидів від першого нуклеотиду, що транскрибується (+1); цей сигнал зазвичай позначають як-10-послідовність, або Прибнов-Бокс-на честь її першовідкривача. У цьому сайті РНК-полімераза зв'язується з ДНК. Друга послідовність розташована на відстані ~ 35 нуклеотидів до сайту ініціації і служить ділянкою розпізнавання промотору РНК-полімеразою (рис. 3.1).

Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплетення подвійної спіралі ДНК та утворюється відкритий промоторний комплекс. У ньому відбувається копіювання послідовності нуклеотидів смислової, або (+)-ланцюга ДНК, що має напрямок 5→3'. При цьому синтез мРНК завжди починається з нуклеотидів А або G. Другий антисмисловий ланцюг ДНК служить матрицею для синтезу ланцюжка РНК (рис. 3.2).

Транскрипція аналогічна реплікації у тому сенсі, що порядок приєднання рибонуклеотидів визначається комплементарним спарюванням основ (рис. 3.2). Після формування перших кількох фосфодіефірних зв'язків (зазвичай 5-10) d-субодиниця відокремлюється від ініціюючого комплексу, і подальша транскрипція здійснюється за допомогою корферменту.

Елонгація транскрипції. Ланцюг РНК, що росте, залишається пов'язаним з ферментом і спареним своїм зростаючим кінцем з ділянкою матричного ланцюга. Інша частина ланцюга, що утворився, не пов'язана ні з ферментом, ні з ДНК. У міру продовження транскрипції корфермент, що рухається вздовж ланцюга ДНК, діє подібно до застібки «блискавка», розплітаючи подвійну спіральяка замикається позаду ферменту, і відновлюється її вихідна дуплексна структура. «Розкрита» ферментом область ДНК простягається лише на кілька пар нуклеотидів (рис. 3.3).

Нарощування РНК йде у напрямку від 5'- до 3'-кінця вздовж матричного (-) ланцюга, орієнтованого в напрямку 3'→5', тобто антипаралельно. Транскрипція безперервно продовжується до тих пір, поки фермент не досягне сайту термінації транскрипції.

Термінація транскрипції. Послідовності ДНК, що є сигналами зупинки транскрипції, називаються транскрипційними термінаторами. Вони містять інвертовані повтори, завдяки чому 3'-кінці РНК-транскриптів складаються з утворенням шпильокрізної довжини (рис. 3.4).

Виявлено два типи сигналів термінації - r-залежний та r- незалежний термінатори. r - це олігомерний білок, що міцно зв'язується з РНК і в цьому стані гідролізує АТР до ADP та неорганічного фосфату. В одній з моделей дія r-білка пояснюється тим, що він зв'язується з ланцюгом РНК, що синтезується, і переміщається вздовж неї в напрямку 5'→3' до місця синтезу РНК; необхідна його переміщення енергія виділяється при гидролизе АТР. Якщо r-білок наштовхується на шпильку, що утворюється в РНК, він зупиняє полімеразу, яка могла б продовжити транскрипцію. Механізм r-незалежної термінації вивчений гірше, у ньому залишається багато незрозумілого.

У більшості випадків первинні транскрипти, що утворюються описаним вище способом, не є зрілими молекулами РНК, а вимагають процесу дозрівання, що називається процесингом РНК. Процесингсильно відрізняється для прокаріотичних та еукаріотичних РНК.

У прокаріотів первинні транскрипти, сформовані при транскрипції генів, що кодують білки, функціонують як мРНК без подальшої модифікації або процесингу. Причому трансляція мРНК часто починається до завершення синтезу 3'-кінця транскрипта. Зовсім інша ситуація спостерігається для молекул прокаріотичних рРНК та тРНК. У цьому випадку кластери рРНК або тРНК-генів часто транскрибуються з утворенням єдиного ланцюга РНК. Для формування зрілих функціональних формповинні відбутися специфічне надрізання первинних РНК-транскриптів та модифікація. Ці молекулярні події і називають процесингом РНК або посттранскрипційною модифікацією. Початкове розщеплення первинних транскриптів на фрагменти, що містять або тРНК, або 16S-, 23S-, або 5S-рРНК-послідовності, здійснює ендонуклеаза РНК-аза Ш. Її мішенями служать короткі дуплекси РНК, що утворюються при внутрішньомоленк РНК-сегменти. Ці комплементарні послідовності формують шпильки, у складі яких РНК-аза вносить розриви, після чого зайві послідовності областей спейсерних видаляються іншими РНК-азами. Молекули тРНК спочатку синтезуються як про-тРНК, яка на ~ 20 % довша, ніж зріла. Зайві послідовності, розташовані у 5' і 3'-кінців, видаляються рибонуклеазами Q і P. Крім цього, для утворення зрілої функціональної тРНК, мабуть, повинні відбутися специфічна модифікація основ і приєднання одного, двох або всіх трьох нуклеотидів 3'-ССА -Кінця (акцепторна гілка).

Дозрівання РНК у еукаріотів здійснюється набагато складніше. По-перше, у еукаріотів існує ядро, яке відокремлено від цитоплазми ядерною мембраною. У ядрі здійснюється утворення первинних транскриптів, які мають більшу довжину, ніж цитоплазматична мРНК, що бере участь у трансляції. Отже, освіті зрілої мРНК у еукаріотів має передувати видалення інтронівз послідовності гяРНК-транскрипта (цей процес називається сплайсингомвід англ. to splice -зплітати, зрощувати). Після видалення послідовностей, що відповідають інтронам, відбувається з'єднання ділянок, які транскрибовані з екзонів. Сплайсинг каталізується комплексами білків із РНК (мяРНП), які, взаємодіючи з гяРНК, утворюють сплайсому. Вважають, що каталітичної активністю в сплайсом має РНК-складова. Такі РНК називають рибозимами. Місце сплайсинг визначається в сплайсомах з високою точністю, оскільки помилка навіть в 1 нуклеотид може призвести до спотворення структури білка. Для точного впізнавання у складі інтронів є специфічні послідовності – сигнали.

Крім сплайсингу, мРНК у еукаріотів піддається модифікації: на 5'-кінці синтезується «кеп» (шапочка) - структура, що є метильованим залишком гуанозинтрифосфату, який захищає РНК від гідролізу 5'-екзонуклеазами. На 3'-кінці про-мРНК синтезується поліаденілатна послідовність довжиною 150-200 нуклеотидів, яка називається "шлейф". Ці структури беруть участь у регуляції експресії еукаріотів. Процесинг рРНК і тРНК у еукаріотів здійснюється аналогічно такому у прокаріотів.

ДНК - носій всієї генетичної інформаціїу клітині - безпосередньої участі у синтезі білків не бере. У клітинах тварин та рослин молекули ДНК містяться в хромосомах ядра та відокремлені ядерною мембраною від цитоплазми, де відбувається синтез білків. До рибосом - місць складання білків - висилається з ядра несе інформацію посередник, здатний пройти через пори ядерної мембрани. Таким посередником є ​​інформаційна РНК (і-РНК). За принципом комплементарності вона зчитується з ДНК за участю ферменту, що називається РНК-полімеразою. Процес зчитування (вірніше списування), або синтезу РНК, здійснюваний РНК-полімеразою, називається транскрипцією (лат. transcriptio - переписування). Інформаційна РНК - це однониткова молекула, і транскрипція йде з однієї нитки двониткової молекули ДНК. Якщо транскрибируемой нитки ДНК стоїть нуклеотид Р, то РНК-полимераза включає РНК Ц, якщо стоїть Т, включає А, якщо стоїть А, включає у (до складу РНК не входить Т) (рис. 46). За довжиною кожна з молекул і-РНК у сотні разів коротша за ДНК. Інформаційна РНК є копією не всієї молекули ДНК, а тільки частини її - одного гена або групи поряд генів, що лежать, несуть інформаціюпро структуру білків, необхідні виконання однієї функції. У прокаріотів така, група генів називається опероном. Про те, як гени об'єднані в оперон і як організовано управління транскрипцією, ви прочитаєте в розділі про біосинтез білків. На початку кожного оперону знаходиться свого роду посадковий майданчикдля РНК-полімерази, звана промотором. Це специфічна послідовність нуклеотидів ДНК, яку фермент дізнається завдяки хімічній спорідненості. Тільки приєднавшись промотор, РНК-полімераза здатна почати синтез і-РНК. Дійшовши до кінця оперону, фермент зустрічає сигнал (як певної послідовності нуклеотидів), що означає кінець зчитування. Готова і РНК відходить від ДНК і прямує до місця синтезу білків. В описаному процесі транскрипції можна виділити чотири стадії:

1) Зв'язування РНК-полімерази з промотором;

2) Ініціація – початок синтезу. Вона полягає в утворенні першої фосфодіефірного зв'язку між АТФ або ГТФ і другим нуклеотидом молекули, що синтезується, і-РНК;

3) елонгація - зростання ланцюга РНК, т. Е. Послідовне приєднання нуклеотидів один до одного в тому порядку, в якому стоять комплементарні нуклеотиди в нитки ДНК, що транскрибується. Швидкість елонгації досягає 50 нуклеотидів за секунду;

4) термінація – завершення синтезу та-РНК.

Транскрипція -процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриці, що відбувається у всіх живих клітинах, тобто це перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК.

У разі ДНК, що кодує білок, транскрипція є першим кроком біосинтезу білків, процесу, який в кінцевому рахунку призводить до перекладу генетичного коду, через мРНК як проміжної ланки, поліпептидну послідовність функціонального білка.

Транскрипція каталізується ферментом ДНК-залежної РНК-полімерази. Процес синтезу РНК протікає у напрямку від 5"- до 3" кінця, тобто РНК-полімераза рухається матричним ланцюжком ДНК у напрямку 3 "-> 5".

Рівень транскрипції більшості генів чітко регулюється за допомогою факторів транскрипції. Саме на цьому етапі відбувається більша частинарегуляції експресії генів

Зазвичай процес транскрипції ділиться на 4 стадії - преініціацію, ініціацію, елонгацію та термінацію.

Транскрипційні фабрикиТранскрипція здійснюється в так званих «транскрипційних фабриках» (Cook PR, Science 1999 1999 Jun 11, 284 (5421): 1790-5 The organization of replication and transcription.). 8 РНК II полімерази складають основу цього величезного комплексу і організують компактизації хроматину в ядрі клітини. Візуалізація сайтів транскрипції можлива за допомогою бромоуридину in vivo та подальшою імунодетекцією флуоресцентно поміченими антитілами.

Основні процеси

Транскрипція поділяється на пре-ініціацію, ініціацію, промоторного очищення, елонгаціюі термінацію.Ділянка ДНК, на якій відбувається синтез РНК зветься транскриптон.

Пре-ініціація

У еукаріотів:РНК-полімераза, а отже і ініціація транскрипції вимагає наявності промоторної послідовності. Промотор - ділянка ДНК, що запускає транскрипцію і (у еукаріотів) знаходиться в 30, 75 і 90 нуклеотидних пар до точки початку транскрипції. Фактори транскрипції - білки, що зв'язуються з промоторною послідовністю та сприяють початку полімеризації РНК.

Ініціація

УПрокаріот транскрипція починається з зв'язування РНК-полімерази з промотором. Прокаріотична РНК-полімераза містить 5 субодиниць: 2 α субодиниці, 1 β субодиниці, 1 β"субодиниці і 1 ω субодиниці - разом ці субодиниці утворюють ядро ​​ферменту (core). На початку ініціації ензим пов'язаний з σ-фа потрібні -35 і -10 точки попереду промоторної послідовності.Поєднання РНК-полімерази з σ-фактором називається голофермент.

У еукаріотініціація набагато складніший процес. Екуріотична РНК-полімераза не розпізнає промотор. У свою чергу група білків, названих факторами транскрипції, з'єднуються з промотором і тільки після цього РНК-полімераза "сідає" на ланцюг ДНК формуючи комплекс ініціації транскрипції.

У археїтранскрипція відбувається подібно до еукаріотів.

Промоторне очищення

Тільки перший зв'язок синтезували, РНК-полімераза повинна очистити Промотер від факторів транскрипції. У цей проміжок часу фермент синтезує короткі ("усічені")шматки РНК. Цей процес називається обірваним ("абортивна")ініціація і він загальний для прокаріотів та еукаріотів.

УПрокаріот, обірвана ініціація триває доки не буде синтезований ланцюг РНК з пороговою довжиною в 10 нуклеотидів, після чого промотор звільняється від комплексу ініціації та формується комплекс елонгації. σ-фактор від'єднується від РНК-полімерази за стохастичною моделлю. Промотор від'єднується завдяки "скриплячому" механізму, який забезпечує накопичення необхідної кількостіенергії шляхом псевдосинтезу РНК при обірваній ініціації та розрив зв'язків між голоферментом та білками на промоторі.

У еукаріотів,після кількох циклів 10-ти нуклеотидної обірваної ініціації відбувається промоторне очищення, що збігається з фосфорилюванням серин-5 С-кінцевого домену РНК-полімерази II ст. Це призводить до запуску ензиму кепування мРНК (англ. MRNA-capping enzyme).Точний механізм, яким цей фермент індукує промоторного очищення в еукаріот, досі не зрозумілий.

Елонгація

Один ланцюг ДНК — матрична нитка (або некодуюча нитка), стає матрицею для синтезу РНК. Тільки починається транскрипція, РНК-полімераза переміщається матричною ниткою і, використовуючи властивість комплементарності основ, будує на ДНК-матриці копію РНК. Хоча РНК-полімераза проходить матричною ниткою від 3 "→ 5", що кодує нитки і знову РНК також можуть бути використані як опорних точок, так що транскрипція може бути описана так, ніби відбувається у напрямку 5 "→ 3". Це приносить молекулу РНК точною копією кодуючого ланцюга (за винятком того, що тімін замінений урацилом, і нуклеотиди складаються з рибози, тоді як ДНК - дезоксирибозу).

Транскрипція мРНК може втягувати кілька РНК-полімерази в єдиному матриціДНК і продовжуватись циклічно (ампліфікація частин мРНК), так що з однієї копії гена можна швидко синтезувати багато молекул мРНК.

Елонгація також включає коригуючий механізм, який може замінити неправильно включені основи. У еукаріотів він може відповідати коротким паузами під час транскрипції, що дозволяють зв'язуватися з новосинтезованим ланцюгом відповідним факторам редагування РНК. Ці паузи можуть виникати також через особливості дії полімерази РНК або через структуру хроматину.