Живот във въглеродна форма съществува поради наличието на протеинови молекули. А протеиновата биосинтеза в клетката е единствената възможност за генна експресия. Но за да се осъществи този процес, е необходимо да се стартират редица процеси, свързани с „разопаковането“ на генетичната информация, търсенето на желания ген, разчитането му и възпроизвеждането му. Терминът "транскрипция" в биологията конкретно се отнася до процеса на прехвърляне на информация от ген към информационна РНК. Това е началото на биосинтезата, тоест директното внедряване на генетична информация.
Съхранение на генетична информация
В клетките на живите организми генетичната информация е локализирана в ядрото, митохондриите, хлоропластите и плазмидите. Митохондриите и хлоропластите съдържат малко количество животинска и растителна ДНК, докато бактериалните плазмиди са мястото за съхранение на гени, отговорни за бързата адаптация към условията на околната среда.
Във вирусните тела наследствената информация също се съхранява под формата на РНК или ДНК полимери. Но процесът на неговото прилагане също е свързан с необходимостта от транскрипция. В биологията този процес е от изключително значение, тъй като именно той води до внедряване на наследствена информация, задействайки биосинтеза на протеини.
В животинските клетки наследствената информация е представена от полимер на ДНК, който е компактно опакован вътре в ядрото. Следователно, преди протеиновия синтез или четенето на който и да е ген, трябва да преминат определени етапи: размотаване на кондензиран хроматин и "освобождаване" на желания ген, неговото разпознаване от ензимни молекули, транскрипция.
В биологията и биологичната химия тези етапи вече са проучени. Те водят до синтеза на протеин, чиято първична структура е кодирана в един ген.
Модел на транскрипция в еукариотни клетки
Въпреки че транскрипцията в биологията не е достатъчно проучена, нейната последователност традиционно се представя под формата на диаграма. Състои се от иницииране, удължаване и прекратяване. Това означава, че целият процес е разделен на три компонентни явления.
Инициацията е набор от биологични и биохимични процеси, които водят до началото на транскрипцията. Същността на удължаването е непрекъснатият растеж на молекулната верига. Терминацията е набор от процеси, които водят до спиране на синтеза на РНК. Между другото, в контекста на биосинтезата на протеини, процесът на транскрипция в биологията обикновено се идентифицира със синтеза на информационна РНК. Въз основа на него по-късно ще бъде синтезирана полипептидна верига.
Посвещение
Инициацията е най-малко разбраният механизъм на транскрипция в биологията. Какво представлява от биохимична гледна точка не е известно. Тоест, специфичните ензими, отговорни за задействането на транскрипцията, изобщо не се разпознават. Неизвестни са и вътреклетъчните сигнали и начините за тяхното предаване, които показват необходимостта от синтез на нов протеин. Това е фундаментална задача за цитологията и биохимията.
Удължение
Все още не е възможно да се раздели процесът на иницииране и удължаване във времето поради невъзможността за провеждане на лабораторни изследвания, предназначени да потвърдят наличието на специфични ензими и задействащи фактори. Следователно тази граница е много условна. Същността на процеса на удължаване се свежда до удължаване на нарастващата верига, синтезирана на базата на ДНК шаблонния участък.
Смята се, че удължаването започва след първата транслокация на РНК полимеразата и началото на прикрепването на първия кадон към началното място на РНК. По време на удължаването, кадоните се четат в посоката на веригата 3"-5" върху деспирализирана ДНК секция, разделена на две вериги. В същото време нарастващата РНК верига се добавя с нови нуклеотиди, допълващи матричната ДНК област. В този случай ДНК е "разширена" до ширина от 12 нуклеотида, тоест 4 кадона.
Ензимът РНК полимераза се движи по растящата верига, а „зад“ ДНК се „свързва“ обратно в двуверижна структура с възстановяване на водородни връзки между нуклеотидите. Това отчасти отговаря на въпроса какъв процес се нарича транскрипция в биологията. Именно удължаването е основната фаза на транскрипцията, тъй като по време на нейното протичане се сглобява така нареченият посредник между гена и протеиновия синтез.
Прекратяване на договора
Процесът на терминиране на транскрипцията в еукариотните клетки е слабо разбран. Досега учените са свели същността му до спиране на четенето на ДНК в 5" края и прикрепване на група аденинови бази към 3" края на РНК. Последният процес позволява химическата структура на получената РНК да бъде стабилизирана. Има два вида терминиране в бактериалните клетки. Това е Rho-зависим и Rho-независим процес.
Първият възниква в присъствието на Rho протеина и се свежда до просто разкъсване на водородни връзки между шаблонната област на ДНК и синтезираната РНК. Вторият, Rho-независим, се появява след появата на стволовата бримка, ако зад нея има набор от урацилови бази. Тази комбинация кара РНК да се отдели от ДНК шаблона. Очевидно е, че терминирането на транскрипцията е ензимен процес, но все още не са открити специфични биокатализатори за него.
Вирусна транскрипция
Вирусните тела нямат собствена система за биосинтеза на протеини и следователно не могат да се възпроизвеждат без да използват клетките. Но вирусите имат свой собствен генетичен материал, който трябва да бъде осъзнат и интегриран в гените на заразените клетки. За да направят това, те имат редица ензими (или използват клетъчни ензимни системи), които транскрибират тяхната нуклеинова киселина. Тоест този ензим, въз основа на генетичната информация на вируса, синтезира аналог на информационната РНК. Но това изобщо не е РНК, а ДНК полимер, комплементарен например на човешките гени.
Това напълно нарушава традиционните принципи на транскрипция в биологията, както се вижда в примера с ХИВ вируса. Неговият обратен ензимен ензим е способен да синтезира ДНК, комплементарна на човешката нуклеинова киселина от вирусна РНК. Процесът на синтезиране на комплементарна ДНК от РНК се нарича обратна транскрипция. Това е дефиницията в биологията на процеса, отговорен за интегрирането на наследствената информация на вируса в човешкия геном.
С понятието транскрипция се сблъскваме, когато изучаваме чужд език. Помага ни правилно да пренаписваме и произнасяме непознати думи. Какво се разбира под този термин в естествените науки? Транскрипцията в биологията е ключов процес в системата от реакции на протеинов биосинтез. Именно тя позволява на клетката да се снабди с пептиди, които ще изпълняват строителни, защитни, сигнални, транспортни и други функции в нея. Само пренаписването на информация от локуса на ДНК върху молекула информационна рибонуклеинова киселина задейства протеиновия синтезиращ апарат на клетката, който осигурява биохимични транслационни реакции.
В тази статия ще разгледаме етапите на транскрипция и протеинов синтез, които се срещат в различни организми, а също така ще определим значението на тези процеси в молекулярната биология. Освен това ще дадем определение какво е транскрипция. В биологията знанията за процесите, които ни интересуват, могат да бъдат получени от раздели като цитология, молекулярна биология и биохимия.
Характеристики на реакциите на матричен синтез
За тези, които са запознати с основните видове химични реакции, изучавани в курса по обща химия, процесите на матричен синтез ще бъдат напълно нови. Причината тук е следната: такива реакции, протичащи в живите организми, осигуряват копирането на родителските молекули с помощта на специален код. Не беше открито веднага, по-добре е да се каже, че самата идея за съществуването на два различни езика за съхраняване на наследствена информация си проправи път в продължение на два века: от края на 19 до средата на 20 За да си представим по-добре какво представляват транскрипцията и транслацията в биологията и защо те се отнасят до реакциите на матричен синтез, нека се обърнем към техническия речник за аналогия.
Всичко е като в печатница
Представете си, че трябва да отпечатаме например сто хиляди копия от популярен вестник. Целият материал, който влиза в него, се събира на носача майка. Този първи модел се нарича матрица. След това се тиражира на печатарски машини - правят се копия. Подобни процеси се случват в жива клетка, само ДНК и иРНК молекули последователно служат като шаблони, а информационната РНК и протеиновите молекули служат като копия. Нека ги разгледаме по-подробно и да разберем, че транскрипцията в биологията е реакцията на матричен синтез, която се случва в клетъчното ядро.
Генетичният код е ключът към тайната на протеиновия биосинтез
В съвременната молекулярна биология никой вече не спори кое вещество е носител на наследствени свойства и съхранява данни за всички протеини на тялото без изключение. Разбира се, това е дезоксирибонуклеинова киселина. Той обаче е изграден от нуклеотиди, а протеините, информацията за състава на които се съхранява в него, са представени от аминокиселинни молекули, които нямат химичен афинитет към мономерите на ДНК. С други думи, имаме работа с два различни езика. В единия от тях думите са нуклеотиди, в другия са аминокиселини. Какво ще действа като преводач, който ще прекодира информацията, получена в резултат на транскрипция? Молекулярната биология смята, че тази роля играе генетичният код.
Уникални свойства на клетъчния код
Това е кодът, чиято таблица е представена по-долу. По създаването му са работили цитолози, генетици и биохимици. Освен това при разработването на кода са използвани знания от криптографията. Като се вземат предвид неговите правила, е възможно да се установи първичната структура на синтезирания протеин, тъй като преводът в биологията е процес на превод на информация за структурата на пептид от езика на РНК нуклеотидите на езика на аминокиселините на протеина молекула.
Идеята за кодиране в живите организми за първи път е изразена от Г. А. Гъмов. По-нататъшното научно развитие доведе до формулирането на неговите основни правила. Първо беше установено, че структурата на 20 аминокиселини е криптирана в 61 триплета информационна РНК, което доведе до концепцията за дегенерация на кода. След това определихме състава на non-ness кодони, които действат като начало и спиране на процеса на биосинтеза на протеини. Тогава се появиха разпоредби за неговата колинеарност и универсалност, завършвайки хармоничната теория за генетичния код.
Къде се случват транскрипцията и транслацията?
В биологията няколко от нейните раздели, изучаващи структурата и биохимичните процеси в клетката (цитология и молекулярна биология), определят локализацията на реакциите на матричен синтез. По този начин транскрипцията се извършва в ядрото с участието на ензима РНК полимераза. В неговата кариоплазма молекулата на иРНК се синтезира от свободни нуклеотиди според принципа на комплементарност, копирайки информация за структурата на пептида от един структурен ген.
След това напуска клетъчното ядро през порите в ядрената обвивка и завършва в цитоплазмата на клетката. Тук иРНК трябва да се комбинира с няколко рибозоми, за да образува полизома, структура, готова да се срещне с молекули на транспортни рибонуклеинови киселини. Тяхната задача е да доведат аминокиселини до мястото на друга реакция на матричен синтез - транслация. Нека разгледаме подробно механизмите на двете реакции.
Характеристики на образуването на иРНК молекули
Транскрипцията в биологията е пренаписване на информация за структурата на пептид от структурния ген на ДНК върху молекула рибонуклеинова киселина, която се нарича информационна. Както казахме по-рано, това се случва в ядрото на клетката. Първо, ДНК рестрикционният ензим разкъсва водородните връзки, свързващи веригите на дезоксирибонуклеиновата киселина, и неговата спирала се развива. Ензимът РНК полимераза се прикрепя към свободните полинуклеотидни места. Той активира сглобяването на копие - молекула иРНК, която освен информационни участъци - екзони - съдържа и празни нуклеотидни последователности - интрони. Те са баласт и изискват отстраняване. Този процес се нарича обработка или узряване в молекулярната биология. Това завършва транскрипцията. Биологията обяснява накратко това по следния начин: само чрез загуба на ненужни мономери нуклеиновата киселина ще може да напусне ядрото и да бъде готова за по-нататъшни етапи на биосинтеза на протеини.
Обратна транскрипция при вируси
Неклетъчните форми на живот са поразително различни от прокариотните и еукариотните клетки не само по своята външна и вътрешна структура, но и по техните реакции на матричен синтез. През седемдесетте години на миналия век науката доказва съществуването на ретровируси - организми, чийто геном се състои от две РНК вериги. Под действието на ензима - реверсетаза - такива вирусни частици копират ДНК молекули от участъци от рибонуклеинова киселина, които след това се въвеждат в кариотипа на клетката гостоприемник. Както виждаме, копирането на наследствената информация в този случай върви в обратната посока: от РНК към ДНК. Тази форма на кодиране и четене е характерна например за патогенни агенти, които причиняват различни видове рак.
Рибозомите и тяхната роля в клетъчния метаболизъм
Пластичните метаболитни реакции, които включват биосинтеза на пептиди, протичат в цитоплазмата на клетката. За да се получи готова протеинова молекула, не е достатъчно да се копира нуклеотидната последователност от структурен ген и да се пренесе в цитоплазмата. Необходими са и структури, които ще четат информация и ще осигурят свързването на аминокиселините в една верига чрез пептидни връзки. Това са рибозоми, на структурата и функциите на които се обръща голямо внимание в молекулярната биология. Вече разбрахме къде се извършва транскрипцията - това е кариоплазмата на ядрото. Мястото на транслационните процеси е клетъчната цитоплазма. Именно в него се намират каналите на ендоплазмения ретикулум, върху които седят на групи органели, синтезиращи протеини - рибозоми. Въпреки това, тяхното присъствие все още не гарантира началото на пластичните реакции. Имаме нужда от структури, които ще доставят протеинови мономерни молекули - аминокиселини - към полизомата. Те се наричат транспортни рибонуклеинови киселини. Какви са те и каква е тяхната роля в излъчването?
Преносители на аминокиселини
Малките молекули на трансферната РНК в тяхната пространствена конфигурация имат област, състояща се от последователност от нуклеотиди - антикодон. За извършване на транслационни процеси е необходимо да възникне инициативен комплекс. Той трябва да включва матриксния триплет, рибозомите и комплементарния регион на транспортната молекула. Веднага след като се организира такъв комплекс, това е сигнал за започване на сглобяването на протеиновия полимер. И транслацията, и транскрипцията в биологията са процеси на асимилация, винаги включващи усвояване на енергия. За да ги изпълни, клетката се подготвя предварително, натрупвайки голям брой молекули аденозинтрифосфорна киселина.
Синтезът на това енергийно вещество се извършва в митохондриите - най-важните органели на всички еукариотни клетки без изключение. Той предшества началото на реакциите на матричен синтез, заема място в пресинтетичния етап от жизнения цикъл на клетката и след реакциите на репликация. Разграждането на молекулите на АТФ придружава процесите на транскрипция и реакциите на транслация; енергията, освободена по време на този процес, се използва от клетката на всички етапи от биосинтезата на органични вещества.
Етапи на излъчване
В началото на реакциите, водещи до образуването на полипептид, 20 вида протеинови мономери се свързват с определени молекули на транспортни киселини. Успоредно с това в клетката се образува полизома: рибозомите се прикрепят към матрицата на мястото на началния кодон. Започва биосинтезата и рибозомите се движат по триплетите иРНК. За тях са подходящи молекули, които пренасят аминокиселини. Ако кодонът в полизомата е комплементарен на антикодона на транспортните киселини, тогава аминокиселината остава в рибозомата и получената полипептидна връзка я свързва с вече присъстващите там аминокиселини. Веднага след като протеин-синтезиращият органел достигне стоп триплета (обикновено UAG, UAA или UGA), транслацията спира. В резултат на това рибозомата, заедно с протеиновата частица, се отделя от иРНК.
Как един пептид придобива естествената си форма?
Последният етап на транслация е процесът на преход на първичната протеинова структура към третичната форма, която има формата на глобула. Ензимите премахват ненужните аминокиселинни остатъци, добавят монозахариди или липиди, а също така допълнително синтезират карбоксилни и фосфатни групи. Всичко това се случва в кухините на ендоплазмения ретикулум, където пептидът навлиза след завършване на биосинтезата. След това нативната протеинова молекула преминава в каналите. Те проникват в цитоплазмата и помагат да се гарантира, че пептидът навлиза в определена област от цитоплазмата и след това се използва за нуждите на клетката.
В тази статия разбрахме, че транслацията и транскрипцията в биологията са основните реакции на матричния синтез, които са в основата на запазването и предаването на наследствените наклонности на организма.
Първо, установете последователността от стъпки в протеиновата биосинтеза, като започнете с транскрипцията. Цялата последователност от процеси, протичащи по време на синтеза на протеинови молекули, може да се комбинира в 2 етапа:
Транскрипция.
Излъчване.
Структурните единици на наследствената информация са гените - участъци от молекулата на ДНК, които кодират синтеза на специфичен протеин. По отношение на химическата организация материалът на наследствеността и изменчивостта при про- и еукариотите не е фундаментално различен. Генетичният материал в тях е представен в молекулата на ДНК, принципът на запис на наследствената информация и генетичният код също са общи. Същите аминокиселини в про- и еукариотите са криптирани от едни и същи кодони.
Геномът на съвременните прокариотни клетки се характеризира с относително малък размер, ДНК на Е. coli има формата на пръстен с дължина около 1 mm. Съдържа 4 х 10 6 нуклеотидни двойки, образуващи около 4000 гена. През 1961 г. F. Jacob и J. Monod откриват цистронната или непрекъсната организация на прокариотните гени, които се състоят изцяло от кодиращи нуклеотидни последователности и те се реализират изцяло по време на протеиновия синтез. Наследственият материал на ДНК молекулата на прокариотите се намира директно в цитоплазмата на клетката, където се намират и тРНК и ензимите, необходими за генната експресия.Експресията е функционалната активност на гените, или експресията на гените. Следователно иРНК, синтезирана от ДНК, може незабавно да изпълнява функцията на шаблон в процеса на транслация на протеиновия синтез.
Еукариотният геном съдържа значително повече наследствен материал. При хората общата дължина на ДНК в диплоидния набор от хромозоми е около 174 см. Съдържа 3 x 10 9 двойки нуклеотиди и включва до 100 000 гена. През 1977 г. е открито прекъсване в структурата на повечето еукариотни гени, наречено „мозаечен“ ген. Характеризира се с кодиращи нуклеотидни последователности екзониченИ интроникпарцели. За протеиновия синтез се използва само информация от екзони. Броят на интроните варира в различните гени. Установено е, че генът за пилешки овалбумин включва 7 интрона, а генът за проколаген на бозайници включва 50. Функциите на тихите интрони на ДНК не са напълно изяснени. Предполага се, че те осигуряват: 1) структурна организация на хроматина; 2) някои от тях очевидно участват в регулацията на генната експресия; 3) интроните могат да се считат за хранилище на информация за променливост; 4) те могат да играят защитна роля, като поемат действието на мутагени.
Транскрипция
Процесът на пренаписване на информация в клетъчното ядро от секция на ДНК молекула към иРНК молекула (иРНК) се нарича транскрипция(лат. Transcriptio - пренаписване). Синтезира се първичният генен продукт, тРНК. Това е първият етап от протеиновия синтез. В съответното ДНК място ензимът РНК полимераза разпознава знака за начало на транскрипцията – промотр.Началната точка е първият ДНК нуклеотид, който е включен в РНК транскрипта от ензима. По правило кодиращите области започват с кодона AUG; понякога при бактериите се използва GUG. Когато РНК полимеразата се свърже с промотора, настъпва локално размотаване на двойната спирала на ДНК и една от веригите се копира според принципа на комплементарност. иРНК се синтезира, скоростта на сглобяване достига 50 нуклеотида в секунда. Докато РНК полимеразата се движи, иРНК веригата расте и когато ензимът достигне края на копиращия регион - терминатор, тРНК се отдалечава от матрицата. Двойната ДНК спирала зад ензима се възстановява.
Транскрипцията на прокариотите се извършва в цитоплазмата. Поради факта, че ДНК се състои изцяло от кодиращи нуклеотидни последователности, следователно синтезираната иРНК незабавно действа като шаблон за транслация (виж по-горе).
Транскрипцията на иРНК при еукариотите се извършва в ядрото. Започва със синтеза на големи молекули - прекурсори (про-иРНК), наречени незрели, или ядрени РНК.Първичният продукт на гена - про-иРНК е точно копие на транскрибирания участък на ДНК, включва екзони и интрони. Процесът на образуване на зрели РНК молекули от прекурсори се нарича обработка. Съзряването на иРНК става чрез снаждане- те се разрязват от ензими рестрикционен ензиминтрони и свързване на региони с транскрибирани екзонови последователности чрез лигазни ензими. (Фиг.) Зрялата иРНК е много по-къса от прекурсорните молекули на про-иРНК, размерите на интроните в тях варират от 100 до 1000 нуклеотида или повече. Интроните съставляват около 80% от цялата незряла иРНК.
Сега е доказано възможно алтернативно снаждане,при които нуклеотидни последователности могат да бъдат отстранени от един първичен транскрипт в различни части от него и ще се образуват няколко зрели иРНК. Този тип сплайсинг е типичен за имуноглобулиновата генна система при бозайниците, което прави възможно образуването на различни видове антитела на базата на един иРНК транскрипт.
След като обработката приключи, зрялата иРНК се избира преди да излезе от ядрото. Установено е, че само 5% от зрялата иРНК навлиза в цитоплазмата, а останалата част се разцепва в ядрото.
Излъчване
Транслацията (лат. Translatio - трансфер, трансфер) е транслацията на информацията, съдържаща се в нуклеотидната последователност на молекулата на иРНК, в аминокиселинната последователност на полипептидна верига (фиг. 10). Това е вторият етап от протеиновия синтез. Прехвърлянето на зряла иРНК през порите на ядрената обвивка се произвежда от специални протеини, които образуват комплекс с молекулата на РНК. В допълнение към транспортирането на иРНК, тези протеини защитават иРНК от увреждащите ефекти на цитоплазмените ензими. В процеса на транслация tRNA играе централна роля; те осигуряват точното съвпадение на аминокиселината с кода на триплета на иРНК. Процесът на транслация-декодиране се извършва в рибозомите и се извършва в посока от 5 до 3. Комплексът от иРНК и рибозоми се нарича полизома.
По време на транслацията могат да се разграничат три фази: иницииране, удължаване и завършване.
Посвещение.
На този етап се сглобява целият комплекс, участващ в синтеза на протеиновата молекула. Двете рибозомни субединици се обединяват в определен участък от тРНК, към него се прикрепя първата аминоацил-тРНК и това задава рамката за четене на информация. Във всяка молекула на m-RNA има област, която е комплементарен на r-RNA на малката рибозомна субединица и се контролира специфично от нея. До него е иницииращият стартов кодон AUG, който кодира аминокиселината метионин.Инициационната фаза завършва с образуването на комплекс: рибозома, -тРНК- инициираща аминоацил-тРНК.
Удължение
— включва всички реакции от момента на образуване на първата пептидна връзка до добавянето на последната аминокиселина. Рибозомата има две места за свързване на две tRNA молекули. В един регион, пептидил (P), има първата t-RNA с аминокиселината метионин и синтезът на всяка протеинова молекула започва с нея. Втората молекула на тРНК навлиза във втората секция на рибозомата, аминоацилната секция (А) и се прикрепя към нейния кодон. Между метионин и втората аминокиселина се образува пептидна връзка. Втората тРНК се придвижва заедно със своя иРНК кодон към пептидиловия център. Движението на т-РНК с полипептидна верига от аминоацилния център към пептидиловия център е придружено от напредването на рибозомата по протежение на m-РНК със стъпка, съответстваща на един кодон. Т-РНК, която доставя метионин, се връща в цитоплазмата и амноацилният център се освобождава. Той получава нова t-RNA с аминокиселина, криптирана от следващия кодон. Между третата и втората аминокиселини се образува пептидна връзка и третата т-РНК заедно с кодона на м-РНК се придвижва към пептидиловия център Процесът на удължаване, удължаване на протеиновата верига. Продължава, докато един от трите кодона, които не кодират аминокиселини, навлезе в рибозомата. Това е терминаторен кодон и няма съответстваща тРНК за него, така че нито една от тРНК не може да заеме място в аминоацилния център.
Прекратяване на договора
– завършване на полипептидния синтез. Свързва се с разпознаването от специфичен рибозомен протеин на един от терминиращите кодони (UAA, UAG, UGA), когато той навлезе в аминоацилния център. Към рибозомата е прикрепен специален терминиращ фактор, който насърчава разделянето на рибозомните субединици и освобождаването на синтезираната протеинова молекула. Водата се добавя към последната аминокиселина на пептида и неговият карбоксилен край се отделя от тРНК.
Сглобяването на пептидната верига става с висока скорост. При бактериите при температура 37°C се изразява в добавяне на 12 до 17 аминокиселини в секунда към полипептида. В еукариотните клетки две аминокиселини се добавят към полипептид всяка секунда.
След това синтезираната полипептидна верига навлиза в комплекса на Голджи, където завършва изграждането на белтъчната молекула (последователно се появяват втората, третата и четвъртата структура). Това е мястото, където протеиновите молекули се комбинират с мазнини и въглехидрати.
Целият процес на биосинтеза на протеини е представен под формата на диаграма: DNA ® pro mRNA ® mRNA ® полипептидна верига ® протеин ® комплексообразуване на протеини и превръщането им във функционално активни молекули.
Етапите на внедряване на наследствена информация също протичат по подобен начин: първо се транскрибира в нуклеотидната последователност на иРНК и след това се превежда в аминокиселинната последователност на полипептид върху рибозоми с участието на тРНК.
Транскрипцията при еукариотите се осъществява под действието на три ядрени РНК полимерази. РНК полимераза 1 се намира в нуклеола и е отговорна за транскрипцията на рРНК гени. РНК полимераза 2 се намира в ядрения сок и е отговорна за синтеза на прекурсорна иРНК. РНК полимераза 3 е малка фракция в ядрения сок, която синтезира малки рРНК и тРНК. РНК полимеразите специфично разпознават нуклеотидната последователност на промотора на транскрипция. Еукариотната иРНК първо се синтезира като прекурсор (про-иРНК) и към нея се прехвърля информация от екзони и интрони. Синтезираната иРНК е по-голяма от необходимото за транслация и е по-малко стабилна.
По време на узряването на молекулата на иРНК, интроните се изрязват с помощта на рестрикционни ензими, а екзоните се зашиват заедно с помощта на лигазни ензими. Съзряването на иРНК се нарича обработка, а свързването на екзони се нарича снаждане. По този начин зрялата иРНК съдържа само екзони и е много по-къса от своя предшественик, про-иРНК. Размерите на интроните варират от 100 до 10 000 нуклеотида или повече. Интоните представляват около 80% от цялата незряла иРНК. Вече е доказана възможността за алтернативен сплайсинг, при който нуклеотидните последователности могат да бъдат отстранени от един първичен транскрипт в различни части от него и ще се образуват няколко зрели иРНК. Този тип сплайсинг е типичен за имуноглобулиновата генна система при бозайниците, което прави възможно образуването на различни видове антитела на базата на един иРНК транскрипт. След завършване на обработката зрялата иРНК се избира преди да бъде освободена в цитоплазмата от ядрото. Установено е, че само 5% от зрялата иРНК влиза, а останалата част се разцепва в ядрото. Трансформацията на първичните транскриптони на еукариотни гени, свързана с тяхната екзон-интронна организация и във връзка с прехода на зряла иРНК от ядрото към цитоплазмата, определя характеристиките на прилагането на генетичната информация на еукариотите. Следователно генът на еукариотната мозайка не е цистрон ген, тъй като не цялата ДНК последователност се използва за синтеза на протеини.
Транскрипцията в биологията е многоетапен процес на четене на информация от ДНК, която е компонент на Нуклеиновата киселина е носител на генетична информация в тялото, така че е важно правилно да я дешифрирате и да я прехвърлите в други клетъчни структури за по-нататъшно сглобяване на пептиди.
Дефиниция на "транскрипция в биологията"
Синтезът на протеини е основният жизнен процес във всяка клетка на тялото. Без създаването на пептидни молекули е невъзможно да се поддържат нормални жизнени функции, тъй като тези органични съединения участват във всички метаболитни процеси, са структурни компоненти на много тъкани и органи и играят сигнална, регулаторна и защитна роля в тялото.
Процесът, който започва протеиновата биосинтеза, е транскрипцията. Биологията го разделя накратко на три етапа:
- Посвещение.
- Удължаване (растеж на РНК верига).
- Прекратяване на договора.
Транскрипцията в биологията е цяла каскада от поетапни реакции, в резултат на които РНК молекулите се синтезират върху ДНК матрица. Освен това по този начин се образуват не само информационни рибонуклеинови киселини, но и транспортни, рибозомни, малки ядрени и др.
Както всеки биохимичен процес, транскрипцията зависи от много фактори. На първо място, това са ензими, които се различават между прокариотите и еукариотите. Тези специализирани протеини помагат за инициирането и точното провеждане на реакции на транскрипция, което е важно за висококачествен протеинов изход.
Транскрипция на прокариоти
Тъй като транскрипцията в биологията е синтез на РНК върху ДНК шаблон, основният ензим в този процес е ДНК-зависимата РНК полимераза. При бактериите има само един тип такива полимерази за всички молекули
РНК полимеразата, съгласно принципа на комплементарността, завършва веригата на РНК, използвайки шаблонната верига на ДНК. Този ензим съдържа две β-субединици, една α-субединица и една σ-субединица. Първите два компонента изпълняват функцията за образуване на ензимното тяло, а останалите два са отговорни съответно за задържането на ензима върху ДНК молекулата и разпознаването на промоторната част на дезоксирибонуклеиновата киселина.
Между другото, сигма факторът е един от признаците, по които се разпознава определен ген. Например латинската буква σ с долен индекс N означава, че тази РНК полимераза разпознава гени, които се включват при липса на азот в околната среда.
Транскрипция при еукариоти
За разлика от бактериите, транскрипцията при животните и растенията е малко по-сложна. Първо, всяка клетка съдържа не един, а три вида различни РНК полимерази. Между тях:
- РНК полимераза I. Отговаря за транскрипцията на рибозомни РНК гени (с изключение на 5S РНК рибозомни субединици).
- РНК полимераза II. Неговата задача е да синтезира нормални информационни (шаблонни) рибонуклеинови киселини, които впоследствие участват в транслацията.
- РНК полимераза III. Функцията на този тип полимераза е да синтезира 5S-рибозомна РНК.
Второ, за разпознаването на промотора в еукариотните клетки не е достатъчно да има само полимераза. Специални пептиди, наречени TF протеини, също участват в инициирането на транскрипцията. Само с тяхна помощ РНК полимеразата може да кацне върху ДНК и да започне синтеза на молекула рибонуклеинова киселина.
Значение на транскрипция
Молекулата на РНК, която се образува върху матрицата на ДНК, впоследствие се прикрепя към рибозомите, където се чете информация от нея и се синтезира протеин. Процесът на образуване на пептиди е много важен за клетката, т.к Без тези органични съединения нормалната жизнена дейност е невъзможна: те са преди всичко основата на най-важните ензими на всички биохимични реакции.
Транскрипцията в биологията също е източник на рРНК, която, както и тРНК, участват в трансфера на аминокиселини по време на транслация към тези немембранни структури. Могат да се синтезират и SnRNA (малки ядрени), чиято функция е да снажда всички РНК молекули.
Заключение
Транслацията и транскрипцията в биологията играят изключително важна роля в синтеза на протеинови молекули. Тези процеси са основният компонент на централната догма на молекулярната биология, която гласи, че РНК се синтезира върху ДНК матрицата, а РНК от своя страна е основата за началото на образуването на протеинови молекули.
Без транскрипция би било невъзможно да се разчете информацията, която е кодирана в триплетите на дезоксирибонуклеинова киселина. Това още веднъж доказва важността на процеса на биологично ниво. Всяка клетка, независимо дали е прокариотна или еукариотна, трябва постоянно да синтезира нови и нови протеинови молекули, които в момента са необходими за поддържане на живота. Следователно транскрипцията в биологията е основният етап в работата на всяка отделна клетка на тялото.
РНК биосинтеза – транскрипция –процесът на четене на генетична информация от ДНК, при който нуклеотидната последователност на ДНК е кодирана като нуклеотидна последователност на РНК. Използва се като енергия и субстрат - нуклеозид-3-фосфат с рибоза. Основава се принцип на допълване- консервативен процес - през цялата интерфаза се синтезира нова едноверижна РНК, започва в определени участъци - промотори, завършва в терминатори, а областта между тях - оперон (транскриптон) - съдържа един или повече функционално свързани гени, понякога съдържащи гени, които не кодират протеини. Разлики в транскрипцията: 1) индивидуалните гени се транскрибират. 2) не се изисква грунд. 3) рибозата е включена в РНК, а не дезоксирибозата.
Етапи на транскрипция: 1) свързване на РНК полимераза с ДНК. 2) инициация – образуване на РНК верига. 3) удължаване или растеж на РНК веригата. 4) прекратяване.
Етап 1 – зоната, към която се свързва РНК полимеразата, се нарича промотор (40 нуклеотидни двойки) – има място на разпознаване, прикрепване и започване. РНК полимеразата, разпознавайки промотора, сяда върху него и образува затворен промоторен комплекс, в който ДНК е спирализирана и комплексът може лесно да се дисоциира и да се трансформира в отворен промоторен комплекс - връзките са здрави, азотната основа се обръща навън.
Етап 2 – посвещениеСинтезът на РНК се състои от образуването на няколко връзки във веригата на РНК; синтезът започва от една ДНК верига 3’-5’ и продължава в посока 5’-3’. Етапът завършва с отделянето на b-субединица.
Етап 3 – удължаване– Удължаване на РНК веригата – възниква поради Core-rRNA полимераза. ДНК веригата е деспирирана в 18 двойки, като в 12 двойки е хибридна - общ хибрид на ДНК и РНК. РНК полимеразата се движи по ДНК веригата и след това възстановява ДНК веригата. При еукариотите, когато РНК достигне 30 нуклеотида, в 5'-края се образува защитна капачка.
Етап 4 – прекратяване на договора– възниква на терминатори. Във веригата има участък, богат на GC, а след това от 4 до 8 последователни А. След преминаване през участъка се образува фибичка в РНК продукта и ензимът не отива по-нататък, синтезът спира. Важна роля играе протеиновият терминиращ фактор - rho и tower. Докато синтезът протича, пирофосфатът инхибира rho протеина, т.к ензимът спря (шнола) синтезът на фосфорна киселина спря. Протеинът rho се активира и проявява нуклеозидна фосфатазна активност, което води до освобождаване на РНК, РНК полимераза, която впоследствие се комбинира със субединицата.
Обработка –Съзряване на РНК. Включва: 1) образуване на капачка в 5' края, участваща в прикрепването към рибозомата. 2) в 3'-края настъпва полиаденилиране и се образува опашка от сто до двеста аденилови нуклеотида; той предпазва '-края от действието на нуклеазите и помага за преминаването през ядрените пори и играе роля при свързването на рибозомата . 3) снаждане –изрязват се некодиращи последователности - интрони. Това се случва по два начина: а) извършва се от сплайсозомата - това е нуклеопротеин, съдържащ редица протеини и малка ядрена РНК. В началото интроните се затварят, оставяйки само кодиращи последователности - екзони. Ендонуклеазните ензими разрязват и лигазите свързват останалите екзони. ЧЕ. интроните ги няма. Алтернативен сплайсинг - няколко протеина се образуват от една последователност на РНК нуклеинова киселина. Самосплайсингът е независимо отстраняване на интрони. Нарушение на сплайсинга: 1) системен лупус еритематозус. 2) фенилкетонурия. 3) хемоглобинопатия. Прокариотната информационна РНК не се обработва, защото те нямат интрони. тРНК обработка. Прекурсорът на tRNA се разцепва и 5'-3' Q P нуклеотидът се отстранява.ССА последователност с ОН група се добавя към 3' края и фосфорилирана пуринова база се добавя към 5' края. Духидроуридинова бримка - ARSase. обработка на рРНК.Прекурсорът на рРНК, прорибозомалната РНК 45S, се синтезира в ядрото и се излага на рибонуклеази, за да образува 5.8S 18S 28S. Те са 70% спирализирани. rRNA играе роля в образуването на рибозомата и участва в каталитичните процеси. Субединицата се образува от рРНК в ядрото. Малката субединица е 30S, голямата субединица е 50S и 70S рибозомата се образува в прокариотите, в еукариотите 40S + 60S = 80S. Образуването на рибозоми се извършва в цитоплазмата.
Рибозомни места за свързване на РНК: 1) в малки субединици, които имат последователността на Shine-Dalgorn на иРНК 5'GGAGG3' 3'CCUTCC5'. Информационната РНК е прикрепена към малката субединица. При еукариотите, CEP-свързващото място за иРНК. tRNA място за свързване: а) Р-място - пептидилов център за свързване на иРНК към нарастващата пептидна верига - пептидил-тРНК-свързване. б) А-място - за свързване на тРНК с аминокиселина - аминоацилно място 2) В голямата субединица има Е-място с пептидилтрансферазна активност.
Обратна транскрипцияхарактерни за ретровируси или вируси, съдържащи РНК - вирус на HIV инфекция, онковируси.
В РНК веригата синтезата на ДНК се осъществява под действието на ензима обратна транскриптаза или ревертаза, или ДНК РНК полимераза. Нахлувайки в клетката гостоприемник, възниква синтез на ДНК, която се интегрира в ДНК на гостоприемника и започва транскрипция на неговата РНК и синтез на собствени протеини.
Генетичен код, неговите характеристики.Генетичният код е нуклеотидната последователност на молекулата на рРНК, която съдържа кодови думи за всяка аминокиселина. Състои се в определена последователност на подреждане на нуклеотидите в ДНК молекулата.
Характеристика. 1) триплетен генетичен код – т.е. Всеки a/k е криптиран с три нуклеотида. 2) генетичният код за a/k е изроден или излишен - по-голямата част от a/k са кодирани от няколко кодона. Образуват се общо 64 триплета, от които 61 триплета кодират определен а/к, а три триплета - AUG, UAA, UGA са безсмислени кодони, т.к. те не кодират нито един от 20-те a/k и изпълняват функцията за прекратяване на синтеза. 3) Генетичният код е непрекъснат, няма препинателни знаци, т.е. сигнали, показващи края на един триплет и началото на друг. Кодът е линеен, еднопосочен, непрекъснат. Например - ACGUTSGACC. 4) кодонът за активиране на синтеза е триплетът AUG. 5) Генетичният код е универсален.
22. Излъчване –протеинова биосинтеза. Етапи на превода: 1) иницииране. 2) удължаване. 3) прекратяване. Посвещение– възниква активиране на климатика.
Иницииращата aatRNA ще взаимодейства с 1 a/k от бъдещия протеин само с карбоксилна група, а 1 a/k може да осигури само NH 2 група за синтез, т.е. протеиновият синтез започва от N-края.
Сглобяване на инициационния комплекс върху малка субчастица. Фактори: 30S иРНК фомилметионил тРНК IF 123 Mg 2+ GTP – източник на енергия
Малката субединица, заредена с иницииращи фактори, намира началния кодон AUG или GUG върху иРНК и рамката за четене се установява по него, т.е. Стартовият кодон се поставя в Р мястото. Формметионилната тРНК се приближава до него, което е придружено от освобождаване на фактор IF 3, след което се прикрепя голямата субединица и се освобождават IF 1 и IF2, настъпва хидролиза на 1GTP и се образува рибозома. Удължение– работен цикъл на рибозомата. Включва три стъпки: 1) свързване на aatRNA към А-мястото, защото P-мястото е заето - необходими са фактори на елонгация EF-TU, EF-TS и GTP.. 2) транспептидация E-мястото пренася аминокиселината и се образува пептидна връзка. Фактори на елонгация при прокариоти: EF-TU, EF-TS, EF-G. 3 ) Транслокация– първо, EF-G деацилираната tRNA на P-мястото напуска рибозомата, премествайки 1 триплет към 3’ края; движение на пептида от А към Р-мястото - използват се GTP и фактор на елонгация - EF-G транслоказа, А - мястото отново е свободно и процесът се повтаря. Прекратяване на договора– разпознаване на терминиращи кодони UAA, UGA, UAG с помощта на освобождаващи фактори RF 1 2 3. Когато крайният кодон навлезе в А-мястото, към него не се прикрепя тРНК, а се прикрепя един от терминиращите фактори, който блокира елонгацията , което е придружено от активиране на естеразната активност на пептидил трансферазната секция Е. Настъпва хидролиза на естерните връзки между пептида и tRNA, рибозомата напуска пептида, tRNA и се дисоциира на субединици, които след това могат да бъдат използвани.
Образуването на структурата става едновременно с помощта на шаперонови протеини - протеини на топлинен шок. Синтезът на една пептидна връзка изисква 1ATP за аминоацилиране на tRNA (присъединяване на аминокиселини), 1GTP за свързване на aatRNA с A-сайта и 1GTP за транслокация. Консумацията на енергия на около 4 високоенергийни връзки за синтеза на една пептидна връзка.
23. Лактозен оперон.Репликацията се регулира от концентрацията на ДНК протеин и гуанозин тетрафосфат. Основната регулация на генната експресия се осъществява на ниво транскрипция (в зависимост от етапа на развитие на клетката, всички фактори, действието на хормоните и други регулаторни компоненти). В различни тъканни клетки само 5% от гените се експресират, 97% са тихи - нежелана ДНК - транскрипционните регулатори са хрономерите и редица регулаторни последователности. Ако прикрепването на регулаторен протеин към ДНК причинява транскрипция, тогава това е положителна (+) регулация, ако потискането на транскрипцията е отрицателна (-) регулация. Положителна регулация– генът се изключва, прикрепването на регулаторен протеин води до началото на синтеза и в крайна сметка генът се включва. ЧЕ. регулаторният протеин може да бъде индуктор или активатор . Отрицателна регулация– генът е включен, настъпва синтез на РНК, ако е прикрепен протеинов регулаторен фактор (инхибитор или репресор на протеиновия синтез), генът се изключва. Много хормони и други фактори влияят върху свързването на регулаторния протеин. Е. Coli лактозен оперон– негативна регулация. Основните елементи на неговата работа: в молекулата на ДНК - регулаторна област, промотор, прооперон и три структурни гена: лаг 1, лаг 2, лаг 3 и терминатор. Lag 1 - осъществява синтеза на ензима лактаза или бета-галактозидаза. Lag 2 е ензим пермиаза, който участва в транспорта на лактозата през мембраната. Lag 3 е ензим трансацилаза. Регулатор - синтез на иРНК върху рибозомата, води до образуването на репресорен протеин, той се прикрепя към оператора (тъй като има афинитет), седи върху него и тъй като областите на промотора и оперона се припокриват - РНК полимеразата не може да се свърже с промотора и транскрипцията е изключена. Глюкозата и галактозата осигуряват сходство между репресора и оператора. Ако няма сходство, лактозата взаимодейства с репресора, променяйки неговата трансформация и не седи на оперона, т.к. губи прилика с него. РНК полимеразата попада върху промотора и започва транскрипцията на информационната РНК. Лактозата е индуктор, а процесът е индукция - форма на негативна регулация, наречена така, защото транскрипцията спира поради прикрепването на репресор и неговото разцепване води до началото на синтеза. Положителна регулация – TATA фактор– има прилики с кутията TATA. Факторът TATA попада върху кутията TATA - сигнал за РНК полимеразата да разпознае своя промотор, сяда върху него и започва транскрипция на близките гени. При прокариотите преобладава отрицателната регулация; за еукариотите това не е от полза. Усилващи региони (транскрипционни подобрители) + регулаторен протеин води до повишена транскрипция. Сензори + регулаторен протеин à изключва транскрипцията и променя структурата на хромозомите.
