Transkriptsiooni etapid. Transkriptsioon bioloogias - mis see on? Bioloogia transkriptsiooni tulemus

Transkriptsioon- RNA sünteesi protsess, mis kasutab mallina DNA-d, mis toimub kõigis elusrakkudes. Teisisõnu, see on geneetilise teabe ülekandmine DNA-st RNA-sse.
Geeni transkriptsiooni käigus toimub RNA molekulide biosüntees, mis on komplementaarne ühe DNA matriitsi ahelaga, millega kaasneb nelja ribonukleosiidtrifosfaadi (ATP, GTP, CTP ja UTP) polümerisatsioon, mille käigus moodustuvad 3"–5" fosfodiestersidemed ja anorgaanilise pürofosfaadi vabanemine.
Transkriptsiooni katalüüsib ensüüm DNA-sõltuv RNA polümeraas. RNA sünteesiprotsess kulgeb suunas 5" kuni 3" otsa, st piki DNA matriitsi ahelat liigub RNA polümeraas suunas 3"->5"
RNA polümeraasid võivad koosneda ühest või mitmest subühikust. Mitokondrites ja mõnedes bakteriofaagides, näiteks SP6, T7, mille lihtsates genoomides on vähe geene, kus puudub keeruline regulatsioon, koosneb RNA polümeraas ühest subühikust. Suure hulga geenide ja keerukate regulatsioonisüsteemidega bakterite ja eukarüootide puhul koosnevad RNA polümeraasid mitmest alaühikust. On näidatud, et ühest alaühikust koosnevad faagi-RNA polümeraasid võivad interakteeruda bakteriaalsete valkudega, mis muudavad nende omadusi [Patrushev, 2000].
Prokarüootides teostab igat tüüpi RNA sünteesi sama ensüüm.
Eukarüootidel on 3 tuuma RNA polümeraasi, mitokondriaalset RNA polümeraasi ja kloroplasti RNA polümeraasi.
Ribonukleosiidtrifosfaadid (aktiveeritud nukleotiidid) toimivad RNA polümeraaside substraatidena. Kogu transkriptsiooniprotsess toimub aktiveeritud nukleotiidide suure energiaga sidemete energia tõttu.

RNA esimene nukleotiid on alati puriin trifosfaadi kujul.
Transkriptsioonifaktorid- valgud, mis interakteeruvad üksteisega, DNA ja RNA polümeraasi regulatoorsed piirkonnad, moodustades transkriptsioonikompleksi ja reguleerides transkriptsiooni. Tänu transkriptsioonifaktoritele ja geeni reguleerivatele järjestustele saab võimalikuks spetsiifiline RNA süntees.
Transkriptsiooni põhimõtted
komplementaarsus – mRNA on komplementaarne DNA matriitsi ahelaga ja sarnaneb DNA-d kodeeriva ahelaga
antiparallelism
unipolaarsus
praimerita – RNA polümeraas ei vaja praimerit
asümmeetria
Transkriptsiooni etapid

1. promootori tunnustamine ja sidumine- RNA polümeraas seondub 3’ promootori TATA kastiga põhiliste transkriptsioonifaktorite abil, lisafaktorid pärsivad või stimuleerivad kinnitumist
2. algatus- esimese fosfodiestersideme moodustumine Pu ja esimese nukleotiidi vahel. Teise DNA nukleotiidiga komplementaarne nukleotiid lisatakse puriintrifosfaadile pürofosfaadi lõhustamisel nukleosiidtrifosfaadist, moodustades diestersideme
3. pikenemine(3’→5’) - matriits-DNA-l sünteesitud mRNA, mis on homoloogne mittematriitsi (kodeeriva, sensoorse) DNA-ga; kumb kahest DNA ahelast on matriitsiks, määratakse promootori suuna järgi
4. lõpetamine

Transkriptsiooni tehased

On mitmeid eksperimentaalseid andmeid, mis näitavad, et transkriptsioon toimub nn transkriptsioonitehastes: tohutud, mõne hinnangu kohaselt kuni 10 MDa kompleksi, mis sisaldavad umbes 8 RNA polümeraasi II ja komponente järgnevaks töötlemiseks ja splaissimiseks, samuti tõestus. - vastsünteesitud ärakirja lugemine. Raku tuumas toimub pidev vahetus lahustuva ja aktiveeritud RNA polümeraasi kogumite vahel. Sellises kompleksis osaleb aktiivne RNA polümeraas, mis omakorda on struktuuriüksus, mis korraldab kromatiini tihendamist. Viimased andmed. näitavad, et transkriptsioonitehased eksisteerivad isegi transkriptsiooni puudumisel, need on rakus fikseeritud (pole veel selge, kas nad interakteeruvad rakumaatriksiga või mitte) ja kujutavad endast sõltumatut tuuma alamsektsiooni. Katsed eraldada transkriptsioonitehase valgu funktsionaalset kompleksi pole selle tohutu suuruse ja vähese lahustuvuse tõttu veel edu toonud.

1. Initsiatsioon on transkriptsiooni esimene etapp, mille käigus toimub sidumine RNA polümeraasid promootoriga ja esimese nukleotiidsideme moodustumine.

Bakterites tunneb holoensüümi RNA polümeraas otseselt ära teatud nukleotiidipaaride järjestused promootoris: järjestus 5-TATAAT-3 (asub 10 nukleotiidi kaugusel transkriptsiooni alguspunktist ja mida nimetatakse Pribnow kastiks) ja järjestus 5-TTGACA. -3 (kaugus transkriptsiooni alguspunktist 35 nukleotiidi võrra). Mõnes operonis, näiteks laktoosis, on vajalik eelnev interaktsioon täiendava valgu promootoriga ( SAR muudab promootori struktuuri, suurendades järsult selle afiinsust RNA polümeraasi suhtes).

Eukarüootsed RNA polümeraasid ei ole võimelised iseseisvalt seonduma transkribeeritud geenide promootoritega. Üldised transkriptsioonifaktorid (TF-id) on seotud RNA polümeraaside kinnitumisega transkriptonitele. Need erinevad prokarüootide σ teguritest selle poolest, et suudavad nendega seonduda DNA RNA polümeraasist sõltumatu. Polümeraasid I, II ja III nõuavad erinevate transkriptsioonifaktorite olemasolu, mida tähistatakse vastavalt TF I, TF II ja TF III. Promootorid eukarüootid on keerulisemad kui prokarüootsed ja koosnevad mitmest elemendist. Transkriptsiooni alguspunktile lähim on TATA domeen, mida nimetatakse ka Hognessi domeeniks. Sellele järgnevad domeenid CAAT ja GC. Eukarüootsed promootorid võivad sisaldada nende elementide erinevaid kombinatsioone, kuid ühtegi neist ei leidu kõigis promootorites. CAAT-domeen mängib transkriptsiooni algatamisel olulist rolli; TATA ja GC näivad täitvat abifunktsioone.

Seondudes promootoriga, põhjustab RNA polümeraas DNA lokaalset denaturatsiooni, st DNA ahelate eraldumist ligikaudu 15 nukleotiidipaari ulatuses. Moodustub transkriptsiooniline "silm". Esimene, mis ehitatavasse RNA ahelasse kaasatakse, on puriini nukleotiid – ATP või GTP, kusjuures kõik kolm selle fosfaadijääki jäävad alles. Pärast esimese fosfodiestersideme moodustumist kaotab bakterite σ faktor ühenduse ensüümiga ja ülejäänud tuum-ensüüm hakkab liikuma mööda DNA-d. Pärast transkriptsiooni algust kaotab eukarüootne RNA polümeraas ka kontakti transkriptsioonifaktoritega ja liigub mööda DNA-d iseseisvalt.

2. Pikendamine - kasvava RNA ahela järjestikune pikenemine. Liikudes mööda DNA kaksikheeliksit, kerib RNA polümeraas pidevalt lahti heeliksit sünteesikoha ees RNA. Lühikeseks ajaks moodustub nn avatud kompleks, mille sisse tekib umbes 20 nukleotiidi pikkune RNA-DNA heeliks
(joonis 30). Seejärel keerab ensüüm (spetsiaalse saidi abil) selle uuesti kokku

Riis. 30. Transkriptsiooni pikenemine

DNA polümerisatsioonikoha taga. RNA transkript eemaldatakse kompleksist RNA polümeraasile iseloomuliku spetsiaalse kanali kaudu.

RNA sünteesi kiirus bakterites on umbes 30 nukleotiidid sekundis ei ole see aga konstantne ja võib veidi väheneda. Selliseid perioode nimetatakse transkriptsiooni pausideks.

On näidatud, et isegi enne RNA-DNA hübriidi moodustumist muudab RNA polümeraas B-vormist DNA A-vormiks. Selles ei ole lämmastikku sisaldavate aluste tasandid risti spiraali teljega, vaid on risti 20 0 võrra kallutatud. Tõenäoliselt hõlbustab see DNA ahelas kahe külgneva lämmastikaluse eraldamist. RNA-DNA heeliksi parameetrid on samuti peaaegu täielikult identsed DNA A-vormi omadustega.

3. Terminatsiooni (transkriptsiooni lõpp) määrab spetsiaalne DNA nukleotiidjärjestus, mis asub operoni terminaatori tsoonis.

Bakterioperonides on kahte tüüpi terminaatoreid:

- ρ (rho)- sõltumatud terminaatorid (I tüüp);

- ρ - sõltuvad terminaatorid (II tüüp).

Riis. 31. ρ- sõltumatu transkriptsiooni lõpetamine bakterites

ρ-sõltumatud terminaatorid koosnevad järjestustest, mis esindavad ümberpööratud kordust – palindroomi (joonis 31) ja paiknevad lõpp-punktist 16-20 nukleotiidipaari kaugusel. Palindroomid(jadad, mis loevad sama vasakult paremale ja paremalt vasakule) ρ- sõltumatud terminaatorid sisaldavad suurt hulka G-C kordusi. Selle matriitsi ahela lõigu taga on oligojärjestus (A) (4-8 adenüülnukleotiidi järjest). Transkriptsioon palindroomses piirkonnas viib selleni, et saadud RNA transkriptis moodustub kiiresti stabiilne sekundaarstruktuuri element - "juuksenõel" - spiraalne piirkond, mis sisaldab komplementaarset.

G-C paarid. "Juuksenõel" häirib DNA-RNA sideme tugevust avatud kompleksis. Lisaks viib oligo(A) järjestuse transkriptsioon matriitsi ahelas nõrkadest A-U paaridest koosneva DNA-RNA hübriidsektsiooni moodustumiseni, mis samuti aitab kaasa DNA ja RNA vahelise kontakti hävimisele.

ρ-sõltuvad terminaatorid.Üks prokarüootide transkriptsioonifaktoreid on valk ρ . ρ -faktor on kvaternaarse struktuuriga valk, millel on ATPaasi aktiivsus. See on võimeline seonduma umbes 50 nukleotiidi pikkuse sünteesitud RNA 5-otsaga. ρ -faktor liigub mööda RNA-d sama kiirusega kui RNA polümeraas liigub mööda DNA-d. Tulenevalt asjaolust, et terminaatoris on palju G-C paare (kolme vesiniksidemega), aeglustub RNA polümeraas terminaatori piirkonnas, ρ -faktor jõuab sellele järele, muudab ensüümi konformatsiooni ja RNA süntees peatub (joon. 32).

Mõlemat tüüpi terminaatoritel toimub kolm peamist sündmust:

RNA süntees peatub;

RNA ahel vabastatakse DNA-st;

RNA polümeraas vabaneb DNA-st.

Võõrkeelt õppides kohtame transkriptsiooni mõistet. See aitab meil tundmatuid sõnu õigesti ümber kirjutada ja hääldada. Mida see mõiste loodusteaduses tähendab? Bioloogia transkriptsioon on valkude biosünteesi reaktsioonide süsteemi võtmeprotsess. Just see võimaldab rakul varustada end peptiididega, mis täidavad selles ehitus-, kaitse-, signaalimis-, transpordi- ja muid funktsioone. Ainult DNA lookusest informatsiooni ümberkirjutamine informatsioonilise ribonukleiinhappe molekulile käivitab raku valke sünteesiva aparaadi, mis tagab biokeemilised translatsioonireaktsioonid.

Selles artiklis vaatleme erinevates organismides esinevaid transkriptsiooni ja valgusünteesi etappe ning määrame ka nende protsesside tähtsuse molekulaarbioloogias. Lisaks anname definitsiooni, mis on transkriptsioon. Bioloogias saab teadmisi meid huvitavate protsesside kohta sellistest osadest nagu tsütoloogia, molekulaarbioloogia ja biokeemia.

Maatrikssünteesi reaktsioonide tunnused

Neile, kes tunnevad üldkeemia kursusel õpitavaid keemiliste reaktsioonide põhitüüpe, on maatrikssünteesi protsessid täiesti uued. Põhjus on siin järgmine: sellised elusorganismides toimuvad reaktsioonid tagavad lähtemolekulide kopeerimise spetsiaalse koodi abil. Seda ei avastatud kohe, parem on öelda, et idee kahe erineva päriliku teabe salvestamise keele olemasolust tekkis kahe sajandi jooksul: 19. sajandi lõpust 20. sajandi keskpaigani. Et paremini ette kujutada, mis on transkriptsioon ja translatsioon bioloogias ja miks need viitavad maatriksisünteesi reaktsioonidele, pöördume analoogia saamiseks tehnilise sõnavara poole.

Kõik on nagu trükikojas

Kujutage ette, et meil on vaja trükkida näiteks sada tuhat populaarset ajalehte. Kogu materjal, mis sinna läheb, kogutakse emakandjale. Seda esimest mustrit nimetatakse maatriksiks. Seejärel paljundatakse seda trükimasinatel – tehakse koopiaid. Sarnased protsessid toimuvad elusrakus, ainult DNA ja mRNA molekulid toimivad vaheldumisi mallidena ning messenger RNA ja valgu molekulid toimivad koopiatena. Vaatame neid üksikasjalikumalt ja saame teada, et transkriptsioon bioloogias on maatriksi sünteesi reaktsioon, mis toimub raku tuumas.

Geneetiline kood on valkude biosünteesi saladuse võti

Kaasaegses molekulaarbioloogias ei vaidle enam keegi selle üle, milline aine on pärilike omaduste kandja ja talletab andmeid eranditult kõigi organismi valkude kohta. Loomulikult on see desoksüribonukleiinhape. Kuid see on üles ehitatud nukleotiididest ja valke, mille koostise kohta teavet selles talletatakse, esindavad aminohappe molekulid, millel puudub keemiline afiinsus DNA monomeeridega. Teisisõnu, meil on tegemist kahe erineva keelega. Ühes neist on sõnadeks nukleotiidid, teises aminohapped. Mis toimib tõlkijana, kes kodeerib ümber transkriptsiooni tulemusena saadud teabe? Molekulaarbioloogia usub, et seda rolli mängib geneetiline kood.

Mobiilsidekoodi ainulaadsed omadused

See on kood, mille tabel on esitatud allpool. Selle loomise kallal töötasid tsütoloogid, geneetikud ja biokeemikud. Lisaks kasutati koodi väljatöötamisel teadmisi krüptograafiast. Võttes arvesse selle reegleid, on võimalik kindlaks teha sünteesitud valgu esmane struktuur, kuna bioloogias on translatsioon peptiidi struktuuri puudutava teabe tõlkimine RNA nukleotiidide keelest valgu aminohapete keelde. molekul.

Elusorganismides kodeerimise idee väljendas esmakordselt G. A. Gamov. Teaduse edasine areng viis selle põhireeglite sõnastamiseni. Esiteks tehti kindlaks, et 20 aminohappe struktuur on krüpteeritud 61 messenger-RNA kolmikus, mis viis koodi degeneratsiooni kontseptsioonini. Järgmisena määrasime mitte-ness-koodonite koostise, mis toimivad valkude biosünteesi protsessi alguse ja peatusena. Siis ilmusid sätted selle kollineaarsuse ja universaalsuse kohta, mis täiendasid geneetilise koodi harmoonilist teooriat.

Kus toimub transkriptsioon ja tõlkimine?

Bioloogias määrasid mitmed selle sektsioonid, mis uurisid raku struktuuri ja biokeemilisi protsesse (tsütoloogia ja molekulaarbioloogia), maatriksi sünteesireaktsioonide lokaliseerimise. Seega toimub tuumas transkriptsioon ensüümi RNA polümeraasi osalusel. Selle karüoplasmas sünteesitakse vabadest nukleotiididest komplementaarsuse põhimõttel mRNA molekul, kopeerides teavet peptiidi struktuuri kohta ühest struktuurgeenist.

Seejärel lahkub see raku tuumast läbi tuumaümbrises olevate pooride ja jõuab raku tsütoplasmasse. Siin peab mRNA ühinema mitme ribosoomiga, moodustades polüsoomi, struktuuri, mis on valmis kohtuma transpordi ribonukleiinhapete molekulidega. Nende ülesanne on viia aminohapped maatriksisünteesi teise reaktsiooni - translatsiooni - kohta. Vaatleme üksikasjalikult mõlema reaktsiooni mehhanisme.

mRNA molekulide moodustumise tunnused

Bioloogias on transkriptsioon peptiidi struktuuri puudutava informatsiooni ümberkirjutamine DNA struktuurgeenist ribonukleiinhappemolekulile, mida nimetatakse informatiivseks. Nagu me varem ütlesime, esineb see raku tuumas. Esiteks lõhub DNA restriktsiooniensüüm desoksüribonukleiinhappe ahelaid ühendavad vesiniksidemed ja selle spiraal keerdub lahti. Ensüüm RNA polümeraas kinnitub vabade polünukleotiidide saitidele. See aktiveerib koopia - mRNA molekuli - kokkupaneku, mis lisaks informatiivsetele lõikudele - eksonitele - sisaldab ka tühje nukleotiidjärjestusi - introneid. Need on ballast ja vajavad eemaldamist. Seda protsessi nimetatakse molekulaarbioloogias töötlemiseks või küpsemiseks. See lõpetab transkriptsiooni. Bioloogia selgitab seda lühidalt järgmiselt: ainult ebavajalike monomeeride kaotamisega suudab nukleiinhape tuumast lahkuda ja olla valmis valkude biosünteesi edasisteks etappideks.

Pöördtranskriptsioon viirustes

Mitterakulised eluvormid erinevad prokarüootsetest ja eukarüootsetest rakkudest silmatorkavalt mitte ainult oma välise ja sisemise struktuuri, vaid ka maatriksisünteesi reaktsioonide poolest. Eelmise sajandi seitsmekümnendatel tõestas teadus retroviiruste olemasolu – organismid, mille genoom koosneb kahest RNA ahelast. Ensüümi – reversetaasi – toimel kopeerivad sellised viirusosakesed ribonukleiinhappe osadest DNA molekule, mis seejärel sisestatakse peremeesraku karüotüüpi. Nagu näeme, toimub päriliku teabe kopeerimine sel juhul vastupidises suunas: RNA-lt DNA-le. Selline kodeerimise ja lugemise vorm on iseloomulik näiteks patogeensetele ainetele, mis põhjustavad erinevat tüüpi vähki.

Ribosoomid ja nende roll raku ainevahetuses

Plastilised metaboolsed reaktsioonid, mis hõlmavad peptiidide biosünteesi, toimuvad raku tsütoplasmas. Valmis valgumolekuli saamiseks ei piisa struktuurgeenist nukleotiidjärjestuse kopeerimisest ja tsütoplasmasse viimisest. Samuti on vaja struktuure, mis loevad teavet ja tagavad aminohapete ühendamise peptiidsidemete kaudu üheks ahelaks. Need on ribosoomid, mille struktuurile ja funktsioonidele pööratakse molekulaarbioloogias suurt tähelepanu. Oleme juba välja selgitanud, kus toimub transkriptsioon - see on tuuma karüoplasma. Translatsiooniprotsesside koht on raku tsütoplasma. Just selles asuvad endoplasmaatilise retikulumi kanalid, millel istuvad rühmadena valke sünteesivad organellid - ribosoomid. Kuid nende olemasolu ei taga veel plastiliste reaktsioonide algust. Vajame struktuure, mis viivad polüsoomi valgu monomeeri molekulid - aminohapped. Neid nimetatakse transportribonukleiinhapeteks. Mis need on ja milline on nende roll ringhäälingus?

Aminohapete transportijad

Ülekande-RNA väikestel molekulidel nende ruumilises konfiguratsioonis on piirkond, mis koosneb nukleotiidide järjestusest - antikoodonist. Tõlkeprotsesside läbiviimiseks on vajalik algatuskompleksi tekkimine. See peab sisaldama maatriksi tripletti, ribosoome ja transpordimolekuli komplementaarset piirkonda. Niipea kui selline kompleks on organiseeritud, on see signaal valgupolümeeri kokkupanemise alustamiseks. Nii translatsioon kui ka transkriptsioon bioloogias on assimilatsiooniprotsessid, mis hõlmavad alati energia neeldumist. Nende läbiviimiseks valmistub rakk eelnevalt, kogudes suure hulga adenosiintrifosforhappe molekule.

Selle energiaaine süntees toimub mitokondrites - eranditult kõigi eukarüootsete rakkude kõige olulisemates organellides. See eelneb maatriksi sünteesireaktsioonide algusele, hõivates koha raku elutsükli presünteesifaasis ja pärast replikatsioonireaktsioone. ATP molekulide lagunemisega kaasnevad transkriptsiooniprotsessid ja translatsioonireaktsioonid, selle käigus vabanevat energiat kasutab rakk orgaaniliste ainete biosünteesi kõikides etappides.

Saateetapid

Polüpeptiidi moodustumiseni viivate reaktsioonide alguses seostuvad teatud transporthapete molekulidega 20 tüüpi valgu monomeere. Paralleelselt toimub rakus polüsoomide moodustumine: ribosoomid kinnituvad maatriksile stardikoodoni asukohas. Algab biosünteesi algus ja ribosoomid liiguvad mööda mRNA kolmikuid. Neile sobivad aminohappeid transportivad molekulid. Kui polüsoomi koodon on komplementaarne transporthapete antikoodoniga, siis jääb aminohape ribosoomi ning tekkiv polüpeptiidside ühendab selle seal juba esinevate aminohapetega. Niipea, kui valke sünteesiv organell jõuab stoppkolmikuni (tavaliselt UAG, UAA või UGA), translatsioon peatub. Selle tulemusena eraldub ribosoom koos valguosakesega mRNA-st.

Kuidas peptiid oma loomuliku vormi omandab?

Translatsiooni viimane etapp on primaarse valgu struktuuri ülemineku protsess tertsiaarsele vormile, millel on globuli kuju. Ensüümid eemaldavad mittevajalikud aminohappejäägid, lisavad monosahhariide või lipiide ning lisaks sünteesivad ka karboksüül- ja fosfaatrühmi. Kõik see juhtub endoplasmaatilise retikulumi õõnsustes, kuhu peptiid siseneb pärast biosünteesi lõppu. Järgmisena liigub natiivne valgu molekul kanalitesse. Nad tungivad tsütoplasmasse ja aitavad tagada, et peptiid siseneb tsütoplasma teatud piirkonda ja seejärel kasutatakse seda raku vajadusteks.

Sellest artiklist saime teada, et translatsioon ja transkriptsioon bioloogias on maatriksisünteesi peamised reaktsioonid, mis on organismi pärilike kalduvuste säilimise ja edasikandumise aluseks.

Esiteks määrake valgu biosünteesi etappide järjestus, alustades transkriptsioonist. Kogu valgumolekulide sünteesi käigus toimuvate protsesside jada saab ühendada kaheks etapiks:

1. Transkriptsioon.

2. Saade.

Päriliku informatsiooni struktuuriüksusteks on geenid – DNA molekuli lõigud, mis kodeerivad konkreetse valgu sünteesi. Keemilise korralduse poolest ei ole pro- ja eukarüootide pärilikkuse ja varieeruvuse materjal põhimõtteliselt erinev. Neis sisalduv geneetiline materjal on esitatud DNA molekulis, levinud on ka päriliku teabe salvestamise põhimõte ja geneetiline kood. Samad aminohapped pro- ja eukarüootides on krüpteeritud samade koodonitega.

Kaasaegsete prokarüootsete rakkude genoomi iseloomustab suhteliselt väike suurus, E. coli DNA on umbes 1 mm pikkuse ringikujuline. See sisaldab 4 x 10 6 nukleotiidipaari, moodustades umbes 4000 geeni. 1961. aastal avastasid F. Jacob ja J. Monod prokarüootsete geenide tsistroonilise ehk pideva organiseerituse, mis koosnevad täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest ja need realiseeruvad täielikult valgusünteesi käigus. Prokarüootide DNA molekuli pärilik materjal asub otse raku tsütoplasmas, kus paikneb ka tRNA ja geeniekspressiooniks vajalikud ensüümid Ekspressioon on geenide funktsionaalne aktiivsus ehk geenide ekspressioon. Seetõttu võib DNA-st sünteesitud mRNA valgu sünteesi translatsiooni protsessis koheselt täita matriitsi funktsiooni.

Eukarüootne genoom sisaldab oluliselt rohkem pärilikkust. Inimesel on diploidses kromosoomikomplektis DNA kogupikkus umbes 174 cm, see sisaldab 3 x 10 9 paari nukleotiide ja sisaldab kuni 100 000 geeni. 1977. aastal avastati enamiku eukarüootsete geenide struktuuri katkestus, mida nimetatakse mosaiikgeeniks. Seda iseloomustavad kodeerivad nukleotiidjärjestused eksooniline Ja sisemine krundid. Valkude sünteesiks kasutatakse ainult eksonitelt saadud teavet. Intronite arv on erinevates geenides erinev. On kindlaks tehtud, et kana ovalbumiini geen sisaldab 7 intronit ja imetaja prokollageeni geen 50. Vaiksete DNA intronite funktsioonid ei ole täielikult välja selgitatud. Eeldatakse, et need tagavad: 1) kromatiini struktuurse korralduse; 2) osa neist on ilmselgelt seotud geeniekspressiooni reguleerimisega; 3) introneid võib pidada varieeruvuse teabe hoidjaks; 4) nad võivad mängida kaitsvat rolli, võttes mutageenide toime.

Transkriptsioon

Rakutuuma informatsiooni ümberkirjutamise protsessi DNA molekuli osast mRNA molekuliks (mRNA) nimetatakse transkriptsioon(ladina Transcriptio – ümberkirjutamine). Peamine geeniprodukt, mRNA, sünteesitakse. See on valgusünteesi esimene etapp. Vastavas DNA kohas tunneb ensüüm RNA polümeraas ära transkriptsiooni alguse märgi - promotr. Lähtepunktiks on esimene DNA nukleotiid, mis ensüümi poolt RNA transkripti liidetakse. Kodeerivad piirkonnad algavad reeglina koodoniga AUG, mõnikord kasutatakse bakterites GUG-d. Kui RNA polümeraas seondub promootoriga, toimub DNA kaksikheeliksi lokaalne lahtikerimine ja üks ahelatest kopeeritakse vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. mRNA sünteesitakse, selle kokkupaneku kiirus ulatub 50 nukleotiidini sekundis. RNA polümeraasi liikumisel mRNA ahel kasvab ja kui ensüüm jõuab kopeeriva piirkonna lõppu - terminaator, liigub mRNA mallist eemale. Ensüümi taga olev DNA kaksikheeliks taastatakse.

Prokarüootide transkriptsioon toimub tsütoplasmas. Kuna DNA koosneb täielikult kodeerivatest nukleotiidjärjestustest, toimib sünteesitud mRNA kohe translatsiooni matriitsina (vt eespool).

MRNA transkriptsioon eukarüootides toimub tuumas. See algab suurte molekulide – prekursorite (pro-mRNA) sünteesiga, mida nimetatakse ebaküpseks ehk tuuma-RNAks.Geeni esmane produkt – pro-mRNA on DNA transkribeeritud lõigu täpne koopia, sisaldab eksoneid ja introneid. Eelkäijatest küpsete RNA molekulide moodustamise protsessi nimetatakse töötlemine. mRNA küpsemine toimub splaissimine- neid lõikavad ensüümid restriktsiooniensüüm intronid ja piirkondade ühendamine transkribeeritud eksonijärjestustega ligaasensüümide poolt. (joonis.) Küps mRNA on palju lühem kui pro-mRNA prekursormolekulid, nendes olevate intronite suurused varieeruvad 100 kuni 1000 nukleotiidi või rohkem. Intronid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st.

Nüüd on see osutunud võimalikuks alternatiivne splaissimine, milles ühest primaarsest transkriptist saab eemaldada nukleotiidjärjestusi selle erinevates osades ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on tüüpiline imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemis, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal.

Kui töötlemine on lõppenud, valitakse enne tuumast väljumist küps mRNA. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb tsütoplasmasse ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas.

Saade

Translatsioon (ladina keeles Translatio – ülekanne, ülekanne) on mRNA molekuli nukleotiidjärjestuses sisalduva informatsiooni translatsioon polüpeptiidahela aminohappejärjestusse (joonis 10). See on valgusünteesi teine ​​etapp. Küpse mRNA ülekannet läbi tuumaümbrise pooride toodavad spetsiaalsed valgud, mis moodustavad RNA molekuliga kompleksi. Lisaks mRNA transportimisele kaitsevad need valgud mRNA-d tsütoplasmaatiliste ensüümide kahjustava toime eest. Translatsiooniprotsessis mängib keskset rolli tRNA, mis tagab aminohappe täpse vastavuse mRNA tripleti koodiga. Translatsiooni-dekodeerimisprotsess toimub ribosoomides ja see viiakse läbi suunas 5 kuni 3. MRNA ja ribosoomide kompleksi nimetatakse polüsoomiks.

Tõlke käigus saab eristada kolme faasi: initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.

Algatus.

Selles etapis pannakse kokku kogu valgumolekuli sünteesis osalev kompleks. Kaks ribosomaalset subühikut on ühendatud mRNA teatud sektsioonis, esimene aminoatsüül-tRNA on sellele kinnitatud ja see määrab teabe lugemisraami. Igas m-RNA molekulis on piirkond, mis on komplementaarne väikese ribosomaalse subühiku r-RNA-ga ja mida see spetsiifiliselt kontrollib. Selle kõrval on initsieeriv stardikoodon AUG, mis kodeerib aminohapet metioniini.Initsiatsioonifaas lõpeb kompleksi moodustumisega: ribosoom, -mRNA- initsieeriv aminoatsüül-tRNA.

Pikendamine

— see hõlmab kõiki reaktsioone alates esimese peptiidsideme moodustumise hetkest kuni viimase aminohappe lisamiseni. Ribosoomil on kaks kohta kahe tRNA molekuli sidumiseks. Ühes piirkonnas, peptidüülis (P), on esimene t-RNA koos aminohappe metioniiniga ja mis tahes valgumolekuli süntees algab sellest. Teine tRNA molekul siseneb ribosoomi teise sektsiooni, aminoatsüüli sektsiooni (A) ja kinnitub selle koodoniga. Metioniini ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside. Teine tRNA liigub koos oma mRNA koodoniga peptidüülkeskusesse. Polüpeptiidahelaga t-RNA liikumisega aminoatsüültsentrist peptidüülkeskusesse kaasneb ribosoomi edasiliikumine piki m-RNA-d ühele koodonile vastava sammu võrra. Metioniini tarninud T-RNA naaseb tsütoplasmasse ja amnoatsüülkeskus vabaneb. See saab uue t-RNA aminohappega, mis on krüpteeritud järgmise koodoniga. Kolmanda ja teise aminohappe vahel moodustub peptiidside ning kolmas t-RNA liigub koos m-RNA koodoniga peptidüülkeskusesse Protsess pikenemine, valguahela pikenemine. See jätkub, kuni üks kolmest koodonist, mis ei kodeeri aminohappeid, siseneb ribosoomi. See on terminaatorkoodon ja sellele ei ole vastavat tRNA-d, seega ei saa ükski tRNA-dest aminoatsüülkeskuses kohta asuda.

Lõpetamine

– polüpeptiidide sünteesi lõpuleviimine. See on seotud ühe terminatsioonikoodoni (UAA, UAG, UGA) äratundmisega spetsiifilise ribosomaalse valgu poolt, kui see siseneb aminoatsüülkeskusesse. Ribosoomile on kinnitunud spetsiaalne terminatsioonifaktor, mis soodustab ribosoomi subühikute eraldumist ja sünteesitud valgu molekuli vabanemist. Peptiidi viimasele aminohappele lisatakse vett ja selle karboksüülots eraldatakse tRNA-st.

Peptiidahela kokkupanek toimub suurel kiirusel. Bakterites temperatuuril 37 °C väljendub see polüpeptiidile 12–17 aminohappe lisamises sekundis. Eukarüootsetes rakkudes lisatakse polüpeptiidile igas sekundis kaks aminohapet.

Seejärel siseneb sünteesitud polüpeptiidahel Golgi kompleksi, kus valgu molekuli ehitus on lõppenud (teine, kolmas ja neljas struktuur ilmuvad järjestikku). See on koht, kus valgumolekulid ühinevad rasvade ja süsivesikutega.

Kogu valkude biosünteesi protsess on esitatud diagrammi kujul: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® polüpeptiidahela ® valk ® valkude komplekseerumine ja nende muundumine funktsionaalselt aktiivseteks molekulideks.

Ka päriliku teabe rakendamise etapid kulgevad sarnaselt: esmalt transkribeeritakse see mRNA nukleotiidjärjestuseks ja seejärel transleeritakse tRNA osalusel ribosoomidel oleva polüpeptiidi aminohappejärjestuseks.

Transkriptsioon eukarüootides toimub kolme tuuma RNA polümeraasi toimel. RNA polümeraas 1 asub tuumas ja vastutab rRNA geenide transkriptsiooni eest. RNA polümeraas 2 leidub tuumamahlas ja vastutab prekursor-mRNA sünteesi eest. RNA polümeraas 3 on tuumamahla väike fraktsioon, mis sünteesib väikesi rRNA-d ja tRNA-d. RNA polümeraasid tunnevad spetsiifiliselt ära transkriptsioonipromootori nukleotiidjärjestuse. Eukarüootne mRNA sünteesitakse esmalt eelkäijana (pro-mRNA) ning sinna kantakse üle eksonitelt ja intronitelt pärinev teave. Sünteesitud mRNA on suurem kui translatsiooniks vajalik ja vähem stabiilne.

MRNA molekuli küpsemise ajal lõigatakse restriktsiooniensüümide abil välja intronid ja ligaasi ensüümide abil õmmeldakse eksonid kokku. MRNA küpsemist nimetatakse töötlemiseks ja eksonite liitumist splaissimiseks. Seega sisaldab küps mRNA ainult eksoneid ja on palju lühem kui tema eelkäija pro-mRNA. Intronite suurus varieerub vahemikus 100 kuni 10 000 nukleotiidi või rohkem. Intonid moodustavad umbes 80% kogu ebaküpsest mRNA-st. Nüüdseks on tõestatud alternatiivse splaissimise võimalus, mille käigus saab ühest primaarsest transkriptist selle erinevates osades eemaldada nukleotiidjärjestusi ja moodustub mitu küpset mRNA-d. Seda tüüpi splaissimine on tüüpiline imetajate immunoglobuliinide geenisüsteemis, mis võimaldab moodustada erinevat tüüpi antikehi ühe mRNA transkripti põhjal. Pärast töötlemise lõpetamist valitakse küps mRNA enne tuumast tsütoplasmasse vabastamist. On kindlaks tehtud, et ainult 5% küpsest mRNA-st siseneb ja ülejäänud osa lõhustatakse tuumas. Eukarüootsete geenide primaarsete transkriptonide transformatsioon, mis on seotud nende ekson-introni organisatsiooniga ja seoses küpse mRNA üleminekuga tuumast tsütoplasmasse, määrab eukarüootide geneetilise teabe rakendamise tunnused. Seetõttu ei ole eukarüootne mosaiikgeen tsistronigeen, kuna valkude sünteesiks ei kasutata kogu DNA järjestust.

DNA, kogu geneetilise informatsiooni kandja rakus, ei osale otseselt valkude sünteesis. Looma- ja taimerakkudes sisalduvad DNA molekulid tuuma kromosoomides ja eraldatakse tuumamembraaniga tsütoplasmast, kus toimub valgusüntees. Infot kandev sõnumitooja saadetakse tuumast ribosoomidesse, valkude kogunemiskohta ja suudab läbida tuumamembraani poorid. Selliseks vahendajaks on messenger RNA (i-RNA). Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt loetakse see DNA-st RNA polümeraasi nimelise ensüümi osalusel. RNA lugemise (või õigemini kopeerimise) või RNA sünteesimise protsessi, mida viib läbi RNA polümeraas, nimetatakse transkriptsiooniks (ladina keeles transscriptio - ümberkirjutamine). Messenger RNA on üheahelaline molekul ja transkriptsioon toimub kaheahelalise DNA molekuli ühest ahelast. Kui transkribeeritud DNA ahel sisaldab nukleotiidi G, siis RNA polümeraas sisaldab RNA-s C-d, kui T, siis A-d, kui A, siis y-d (RNA ei sisalda T) (joonis 46). Iga mRNA molekuli pikkus on sadu kordi lühem kui DNA. Messenger RNA ei ole kogu DNA molekuli koopia, vaid ainult osa sellest – üks geen või külgnevate geenide rühm, mis kannavad ühe funktsiooni täitmiseks vajalikku informatsiooni valkude struktuuri kohta. Prokarüootides nimetatakse sellist geenide rühma operoniks. Kuidas geene operoniks kombineeritakse ja transkriptsiooni kontrollitakse, saate lugeda valkude biosünteesi peatükist. Iga operoni alguses on omamoodi RNA polümeraasi maandumisplats, mida nimetatakse promootoriks. See on spetsiifiline DNA nukleotiidide järjestus, mille ensüüm tunneb ära keemilise afiinsuse tõttu. Ainult promootoriga kinnitumisel on RNA polümeraas võimeline alustama mRNA sünteesi. Olles jõudnud operoni lõppu, kohtab ensüüm signaali (spetsiifilise nukleotiidjärjestuse kujul), mis näitab lugemise lõppu. Valmis mRNA lahkub DNA-st ja läheb valgusünteesi kohta. Kirjeldatud transkriptsiooniprotsessis saab eristada nelja etappi:

1) RNA polümeraasi seondumine promootoriga;

2) Initsiatsioon – sünteesi algus. See seisneb esimese fosfodiestersideme moodustamises ATP või GTP ja sünteesitud mRNA molekuli teise nukleotiidi vahel;

3) pikenemine - RNA ahela kasvamine, s.o nukleotiidide järjestikune lisamine üksteisele selles järjekorras, milles komplementaarsed nukleotiidid transkribeeritud DNA ahelasse ilmuvad. Pikenduskiirus ulatub 50 nukleotiidini sekundis;

4) terminatsioon – mRNA sünteesi lõpetamine.